Лекция 6. Химические, биохимические и микробиологические процессы

 Химические процессы

В основе ряда пищевых технологий лежат химические превращения. К ним относят получение патоки, кристаллической глюкозы путем кислотного гидролиза крахмала, различных жиров способом гидрогенезации и переэтерификации, инвертного сахара путем гидролиза сахарозы. Важная роль отводится этим процессам на отдельных стадиях производства хлеба, мучных кондитерских изделий, сахара, шоколада, растительных масел, прессованных дрожжей, а также при хранении продуктов.

Скорость химических процессов имеет большое значение. Основные факторы, влияющие на нее, - это концентрация реагирующих веществ, температура, наличие катализатора.

 Влияние концентрации

Увеличение концентрации взаимодействующих веществ – один из самых распространенных приемов интенсификации процесса. Зависимость скорости химических реакций от концентрации определяется законом действия масс. Согласно этому закону скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени, равной стехиометрическому коэффициенту, стоящему перед формулой вещества в уравнении реакции:

v= K C_aⁿC_b^m,                                                                                         (47)

где К – константа скорости реакции; C_a и C_b - концентрации веществ а и b, участвующих в химической реакции; n и m – стехиометрические коэффициенты.

Константа скорости реакции численно равна скорости реакции при концентрации реагирующих веществ, равной единице. Она зависит от природы реагирующих веществ, температуры, наличия катализаторов и не зависит от концентрации этих веществ. Для определения этих констант выведены соответствующие формулы, основанные на экспериментальных данных.

 Влияние температуры 

Известно, что с повышением температуры скорость реакции возрастает, что связано с увеличением константы скорости реакции. Согласно правилу Вант-Гоффа повышение температуры на 10^оС увеличивает скорость реакции в 2-4 раза. Это правило приближенное и применимо к реакциям, протекающим в интервале температур от 0 до 300^оС в небольшом температурном интервале.

Более точно влияние температуры на скорость химических реакций выражается соотношением, полученным экспериментальным путем:

lnK= b – a/T,                                                                                          (48) 

где b и a – постоянные для данной реакции, Т – температура, К.

Характер влияния температуры и концентрации реагирующих веществ на скорость химических реакций можно объяснить теорией активных столкновений. Молекулы, обладающие определенной энергией, избыточной по сравнению со средней, способной разорвать химические связи, называются активными. Избыточная энергия при этом называется энергией активации и зависит от природы вступающих в реакцию веществ. При повышении температуры количество активных молекул увеличивается, число столкновений между ними возрастает, в результате чего растет скорость реакции. С увеличением концентрации реагирующих веществ общее число столкновений, в том числе эффективных, также возрастет, в результате увеличивается скорость реакции.

 Влияние катализатора

Катализатор – это вещество, которое, фактически не вступая в химическую реакцию, резко изменяет ее скорость. В присутствии катализатора реакции ускоряются в тысячи раз, могут протекать при более низких температурах, что экономически выгодно.

Катализаторами преимущественно служат металлы в чистом виде (никель, кобальт, железо, платина), в виде оксидов или солей (оксиды ванадия, алюминия, соединения железа, магния, кальция, меди и т.п.). Неорганические катализаторы термостабильны, и реакция с ними протекают при сравнительно высоких температурах.

К катализаторам также относятся витамины, ускоряющие химические процессы в тысячи десятки тысяч раз, а также ферменты, ускоряющие эти процессы в миллионы раз.

 Сущность отдельных химических процессов и их роль в производстве продуктов питания

Гидролиз

Гидролиз - это реакция разложения сложных веществ (белков, жиров, углеводов) до более простых под действием кислот и щелочей с присоединением молекулы воды.  

Сахароза при нагревании с кислотами гидролизуется, образуя инвертный сахар (смесь равных количеств глюкозы и фруктозы):

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆.

Характерная особенность сахарозы – исключительная легкость ее гидролиза: скорость процесса примерно в тысячу раз больше, чем у других дисахаридов.

Инвертный сироп обладает двумя свойствами – свойствами антикристаллизатора и гигроскопичностью. Первое свойство связано с его вязкостью, а второе – с присутствием фруктозы, являющейся самым гигроскопичным из всех сахаров.

Антикристаллизационные свойства инвертного сиропа позволяют широко использовать его при производстве карамели. В качестве антикристаллизатора можно применять патоку, имеющую большую вязкость, чем инвертный сироп, и обладающую свойствами задерживать скорость кристаллизации в большей степени.

Карамель – продукт, получаемый увариванием сахаропаточного и сахароинвертного сиропа до карамельной массы влажностью 1-3%. Чистый сахарный сироп при такой низкой влажности кристаллизуется. Для предотвращения этого явления и получения карамели, т.е. аморфного вещества, вводят антикристаллизаторы.

Инвертный сироп получают непосредственно на фабриках, используя в качестве катализатора сильную кислоту, например, соляную. Чаще всего для этих целей применяют органические кислоты – молочную, лимонную и винную. В первом случае в 80%-й раствор сахара при температуре 90^оС вводят 0,02-0,03% НСl в виде 10%-го раствора. Гидролиз длится 20-30 мин в зависимости от количества вводимой кислоты. По окончании инверсии сироп нейтрализуется 10%-м раствором гидрокарбоната натрия до слабокислой реакции. Нейтрализацию ведет при температуре 65^оС, чтобы предотвратить потемнение раствора.

Во втором случае органические кислоты оказывают более слабое инвертирующее действие и нарастание инвертного сахара идет более медленно. Нейтрализацию кислоты не производят, инвертный сахар образуется непрерывно с момента введения кислоты до получения готовой карамели. Чаще всего используют молочную кислоту, которая обладает наименьшей инвертирующей способностью из всех названных кислот. Количество ее рассчитывают таким образом, чтобы содержание редуцирующих веществ составляло 18-20%. Подобный способ варки называют кислотным. Чаще всего его применяют в том случае, когда карамель готовят на инвертном сахаре с добавлением патоки. Последняя обладает буферной способностью, и в ее присутствии нарастание инвертного сахара происходит медленно и равномерно. Этот способ позволяет получать более светлую карамельную массу.

Гидролиз сахарозы может играть отрицательную роль, например, в сахарном производстве, т.к. при этом увеличиваются потери сахарозы за счет ее разложения. При получении сахара измельченную свеклу обрабатывают горячей водой, получая диффузионный сок, в котором растворена сахароза и другие вещества. Некоторые из этих соединений придают соку кислую реакцию. Для предотвращения гидролиза сахарозы диффузионный сок на первых стадиях очистки нейтрализуют.

Гигроскопичность инвертного сиропа широко используется при введении его в рецептуру мучных кондитерских изделий для увеличения срока хранения.

Не менее важная роль принадлежит гидролизу крахмала. При кипячении с кислотами крахмал превращается в глюкозу. В качестве промежуточных продуктов в большем или меньшем количестве образуются полисахариды разной молекулярной массы – декстрины. На первых этапах гидролиза появляются декстрины, мало отличающиеся от крахмала. Это амилодекстрины. В процессе дальнейшего гидролиза молекулярная масса декстринов снижается, образуются эритродекстрины. По мере снижения молекулярной массы декстринов снижается их удельное вращение и уменьшается растворимость в спиртовых растворах. Продукт неполного гидролиза крахмала разбавленными кислотами или ферментами называется патокой. В ее состав кроме декстринов входят мальтоза и глюкоза. Сырьем для получения патоки служит картофельный и кукурузный крахмал.

Гидролиз крахмала – процесс каталитический. В качестве катализатора применяют минеральные кислоты, обычно хлороводородную. На скорость реакции оказывают влияние примеси, в первую очередь фосфаты и аминокислоты, содержащиеся в крахмале. Реагируя с кислотой, они понижают ее концентрацию в растворе.

 Меланоидинообразование

Это сложный окислительно-восстановительный процесс, включающий в себя ряд реакций, которые протекают последовательно и параллельно. В упрощенном виде сущность этого процесса можно свести к следующему. Низкомолекулярные продукты распада белков (пептиды, аминокислоты), содержащие свободную аминную группу (- NН₂), могут вступать в реакцию с соединениями, в состав которых входит карбоксильная группа =С=О, например, с различными альдегидами и восстанавливающими сахарами (фруктозой, глюкозой, мальтозой), в результате чего происходит разложение аминокислоты, так и реагирующего с ней восстанавливающего сахара. При этом из аминокислоты образуется соответствующий альдегид, аммиак и диоксид углерода, а из сахара – фурфурол и оксиматилфурфурол. Альдегиды обладают определенным запахом, от которого зависит в значительной степени аромат пищевых продуктов. Фурфурол и оксиметилфурфурол легко вступают в соединение с аминокислотами, образуя темноокрашенные продукты, называемые меланоидами.

Образование меланоидов – основная причина потемнения пищевых продуктов в процессе их приготовления. Особенно интенсивно эта реакция протекает при повышенных температурах во время выпечки хлебобулочных и мучных кондитерских изделий; в процессе уваривания сахарных растворов при производстве сахарного песка; при сушке солода; при приготовлении ирисных и помадных масс типа крем-брюле. Реакция меланоидинообразования сопровождается потемнением получаемых продуктов.

При производстве ряда пищевых продуктов создают специальные условия для реакции мелиноидинообразования. В хлебопекарной промышленности, например, для получения хлеба с румяной корочкой, приятного вкуса в процессе приготовления теста специально допускают присутствие определенного количества сахара (2-3%) и необходимое количество аминокислот. За счет расщепления белков и гидролиза крахмала. При получении темного пивоваренного солода реакция меланоидинообразования протекает в процессе сушки.

Дегидратация

Одна из реакций, протекающих в процессе меланоидинообразования, связана с дегидратацией и разложением сахаров при нагревании. В то же время эта реакция может протекать самостоятельно под воздействием высоких температур на сахар, вызывая ряд их превращений. Моносахариды при нагревании при нагревании в кислой среде дегидратируют, т.е. разлагаются с выделением одной или двух молекул воды и образованием ангидридов глюкозы. Эти соединения являются реакционно способными и могут соединяться друг с другом или с неизменной молекулой глюкозы и образовывать так называемые продукты конденсации (реверсии). При дальнейшем нагревании отщепляется третья молекула воды и образуется оксиметилфурфурол, который при дальнейшем нагревании может распадаться с разрушением углеводного скелета и образованием муравьиной, левулиновой кислот и окрашенных соединений. В общем виде схему химических изменений сахарозы можно представить в следующем виде (рис.11) 

 Эти свойства сахаров к дегидратации учитывают при разработке параметров технологических процессов. Для предотвращения потемнения готового продукта в сахарном производстве уваривание сиропа с концентрацией сухих веществ 65% проводят в вакуум-аппаратах, что позволяет снизить температуру уваривания с 120 до 75-80^оС. В производстве карамели сироп уваривают в змеевиковых вакуум-апаратах, что не только снижает температуру уваривания, но и сокращает длительность процесса до 2-2,5 мин.

Сульфитация

При производстве ряда пищевых продуктов реакция меланоидинообразования нежелательна, например, при получении сахара-песка. Существуют и другие причины потемнения: например за счет протекания биохимических процессов, в результате чего образуются меланины. Для предотвращения потемнения пищевых продуктов их сульфитируют, т.е. обрабатывают диоксидом серы, чаще всего Н₂SО₃. Диоксид серы как химический агент вызывает обесцвечивание многих растительных красящих пигментов и может быть использован для улучшения внешнего вида готового продукта. Его получают путем сжигания серы в специальных печах, пропуская через них воздух.

При сульфитации продукта идет образование сернистой кислоты, которая является сильным восстановителем

SО₂ + Н₂О = Н₂SО₃.

Частично сернистая кислота переходит в серную:

Н₂SО₃ + Н₂О = Н₂SО₄ + 2Н.

Выделяющийся при этом водород оказывает обесцвечивающее действие.

Сульфитизации подвергают диффузионный сок при его очистке в сахарном производстве, овощи и плоды при их переработке.

 Окисление

Этот процесс играет большую роль при хранении жиров, масел и жиросодержащих продуктов. Жиры при длительном хранении приобретают неприятный вкус и запах – прогоркают, что связано с химическим превращением под действием света и кислорода воздуха, так и с действием некоторых ферментов. Наиболее распространенный тип прогоркания жиров – прогоркание, обусловленное окислением ненасыщенных жирных кислот кислородом воздуха. При этом кислород присоединяется по месту двойных связей, образуя пероксиды. В результате дальнейшего их разложения образуются альдегиды, придающие жиру неприятные запах и вкус.

Биохимические процессы

 Биохимические процессы протекают при участии ферментов и имеют большое практическое значение, так как лежат в основе технологий получения хлеба и хлебобулочных изделий, вина, пива, чая, аминокислот, органических кислот, витаминов и антибиотиков. Эти процессы играют важную роль при хранении пищевого сырья и готовой продукции.

 Строение, свойства ферментов и их классификация

Ферменты (энзимы) – органические катализаторы белковой природы, обеспечивающие последовательность и взаимосвязанность биохимических превращений в клетках растений, животных и микроорганизмов. По строению все ферменты можно разделить на две группы:

-         ферменты, состоящие только из белка, обладающего каталитическими свойствами, и являющиеся однокомпонентными;

-         ферменты, состоящие из белковой части (апофермента) и связанного с ней органического вещества небилковой группы (простетическая группа), являющиеся двухкомпонентными системами. Небилковая группа приводит к огромному возрастанию каталитической активности фермента.

Простейшими группами многих ферментов являются витамины и их производные: ниацин (РР), рибофлавин (В₂), тиамин (В₁), пиридоксин (В₆), цианкобаламин (В₁₂), а также пантеиновая (В₃) и фолиевая (В₉) кислоты и биотин (Н).

В состав многих ферментов входят металлы, придающие им активность. Такие металлы называются кофакторами. Например, кофактором α-амилазы является кальций, а каталазы – железо. Ряд ферментов усиливает свою активность в присутствии магния, марганца, цинка, меди и молибдена.