Особливості харчових продуктів та їх виробництва

5. Вплив теплової обробки на склад та властивості продукції

Внаслідок теплової обробки  складові частини сировини піддаються змінам. Які можуть впливати на якість готових виробів як позитивно, так і негативно. Наприклад, смак і колір багатьох харчових продуктів обумовлені саме тими змінами, які проходять при дії тепла на сировину. Але при цьому зменшується вміст вуглеводів. білків, жирів та ін. поживних речовин. Напрям та глибина змін залежить від багатьох факторів – температури, тривалості обробки. наявності та вмісту води, присутності кисню, іонів металів перемінної валентності тощо. В залежності від температури та вологості продукту всі зміни можна умовно поділити на групи:

– зміни при вологому нагріванні в межах помірних температур (до 100 ^оС)

– зміни при вологому нагріванні до високих температур (вище 100 ^оС)

– зміни при сухому нагріванні.

В процесі гідротермічної обробки сировини в межах помірних температур у тканині відбуваються різні фізико-хімічні зміни, які характерні для наступних

температурних інтервалів:

– 30-35 ^оС – клітини тканини зберігають цілісність, підвищується активність окремих ферментів;

– 40-60 ^оС – цитоплазма клітини внаслідок денатурації білків поступово коагулює, зростає активність ферментів;

– 55-75 ^оС – збільшується швидкість денатурації білків цитоплазми і мембран, порушується проникність, починається поступова інактивація ферментів, окремі компоненти клітинного соку і інших структур тканини починають взаємодіяти один з одним;

– 70-100 ^оС – відбувається розм’якшення рослинної тканини, інактивація ферментів, починаються окремі процеси розпаду і утворення інших речовин.

Найбільш характерними в важливими змінами, до яких призводить помірне гідротермічне  нагрівання тканин м’яса, є теплова денатурація розчинних білкових речовин, гідротермічний розклад колагену, зміна екстрактивних речовин і вітамінів, знешкодження вегетативних форм мікрофлори.

Зміни, які відбуваються при температурі вище 100 ^оС в закритих ємностях, мають переважно гідролітичний характер. Відмінність у порівнянні з помірним нагріванням полягає у тому, що значно зростає їхня швидкість і виникають такі процеси. які не відбуваються при низьких температурах. Наприклад, дезамінування і декарбоксилування деяких амінокислот.

Нагрівання  при температурі вище 100 ^оС в контакті з атмосферою супроводжується зневодненням продукту і взаємодією його поверхневої частини з киснем повітря. Нагрівання такого роду наближається до сухого у тій частині продукту, яка в достатній мірі зневоднюється, тобто у поверхневому шарі. Зміни у цій частині продукту мають гідролітичний і окислювальний характер, що  є специфічним для такого роду нагрівання.

Гідроліз  білків та інших азотистих сполук. Нагрівання продукту до температури вище 100 ^оС викликає частковий гідроліз білка з утворенням вільних амінокислот, які потім розпадаються з утворенням аміаку, амідів, сірководню, що понижує біологічну цінність продуктів. Одночасно відбуваються реакції взаємодії амінокислот з редукуючими сахарами, що мають назву реакції Майяра, внаслідок чого знижується вміст азотистих речовин. З підвищенням температури і тривалості нагрівання ступінь гідролізу збільшується, при цьому швидкість розпаду поліпептидів зростає більш інтенсивно, ніж швидкість розпаду білкових речовин до поліпептидів.

Тривале нагрівання при  високих температурах викликає розпад колагену до глютину і гідроліз глютину  до желатоз. Це зменшує жорсткість м’яса  і сприяє кращому засвоєнню його організмом. Але надмірний розпад веде до розпаду волокон тканини, до утворення низькомолекулярних сполук, що знижує його гелеутворюючу здатність.

Найменш стійкими до нагрівання є сірковмісні амінокислоти метіонін і цистеїн, які розпадаються з  виділенням сірководню, що знижує біологічну та органолептичну цінність продукту. При розпаді цистину до цистеїну та сульсенової кислоти утворюються дегідроаланін, який вступає в реакції з іншими амінокислотами. Крім сірковмісних амінокислот нестійкими до нагрівання є лізин, треонін, аргінін, валін і гістидин, більш стійкими є – пролін, ізолейцин, аланін, аспарагінова кислота.

При нагріванні білка  іноді спостерігається зниження його гідролізу протеолітичними ферментами. Наприклад, аміногрупи лізину при нагріванні взаємодіють з карбонільними групами редукуючих сахарів, утворюючи між- і внутрішньомолекулярні зв’язки з глютаміновою та аспарагіновою кислотами, дегідроаланіном, ліпідами та продуктами їх окислення, що призводить до екранування пептидних зв’язків і погіршення засвоєння білків.

У продуктах рослинного походження зміни білкових речовин  мають такий самий характер, як і у продуктах тваринного походження.

Денатурація білкових речовин. В процесі теплової денатурації білків змінюється  просторова конфігурація нативної структури білкових молекул, зменшується їх гідратація і розчинність. Відбувається різке зниження або втрата ферментативної і гормональної активності білків. При тепловій денатурації відбувається розрив деяких водневих зв’язків, що утримують поліпептидні ланцюги у білковій молекулі, але не відразу і не всіх. З цим пов’язана різна ступень денатурації – від незначних структурних змін, до істотного порушення взаємного розташування пептидних ланцюгів.

Характер змін білків залежить від температури і умов нагрівання. Надмірне нагрівання може знизити харчову цінність продукту.

Вплив тепла на міофібрилярні  білки м’яса – міозин і актин, виявляється уже при температурі 40 ^оС. У першу чергу денатурує міозин, нагрівання якого при 40 ^оС протягом 3 год призводить до зниження його розпаду під дією гідролітичних ферментів майже на 50 %. При 50 ^оС денатурація стає ще більш значною і більша частина білків саркоплазми денатурує, а при 70 ^оС – починається денатурація міоглобіну, внаслідок чого ослаблюється зв'язок між гемом і глобіном і змінюється забарвлення м’яса.

При тепловій обробці  в результаті денатурації білків, м’язові волокна ущільнюються, скорочуються, зменшуються у діаметрі, збільшується жорсткість м’яса. Збільшується опір різанню. Наприклад, при варінні свинини при 100 ^оС протягом 1 години опір різанню підвищується у 2,5 рази.

Гідротермічний  розпад колагену.  При нагріванні у вологому середовищі м’яса до 58-62 ^оС колаген зварюється, колагенові волокна деформуються, скорочуються та потовщуються, а міцність тканими слабшає за рахунок розривання водневих зв’язків і сольових містиків у три стадії – спочатку у середені довгих поліпептидних ланцюгів, потім розривання бокових зв’язків між ланцюгами і наприкінці розривання водневих зв’язків між пептидними ланцюгами і молекулами води.

Практично у всіх випадках вологого нагрівання колагенвмісних тканин утворюються полідисперсні продукти розпаду колагену.

У клеє - желатиновому виробництві  і при виробництві драглів, колаген  зварюють і проводять гідротермічну  дезагрегацію, яка є головним технологічним процесом отримання і виділення із колагену желатину та клею.

Зміни екстрактивних  речовин. У формуванні запаху та смаку м’яса важливу роль відіграє глютамінова кислота. Глютамін, що міститься в м’язовій тканині, при нагріванні у слабко кислому середовищі перетворюється у глютамінову кислоту. При нагріванні посилюється розпад інозинової кислоти – при 95 ^оС через 1 годину розпадається близько 80 % кислоти з утворенням головним чином гіпоксантину. Близько 33 % креатину, який має гіркуватий смак, перетворюється в креатинін. Розпадається глютатіон з утворенням сірководню.

У формуванні аромату  харчових продуктів велике значення відіграють реакції взаємодії аміносполук  з цурками, відомі під назвою реакції  меланоїдиноутворення.

Зміни вуглеводів.  У харчових продуктах містяться різні вуглеводи – прості моносахариди, дисахариди, крохмаль, клітковина та ін.

При нагріванні крохмалю в присутності води відбувається його клейстеризація, яка полягає у руйнуванні структури крохмальних зерен і їх набуханні. Сухе нагрівання вище 120 ^оС призводить до декстринізації крохмалю, тобто до розщеплення крохмальних полісахаридів і перетворенні їх у розчинні у воді високомолекулярні речовини – піродекстрини та ряд летких речовин. Нагрівання крохмалю з водою у кислому середовищі або в присутності ферментів – амілаз призводить до його гідролізу.

Прості сахари а також  продукти гідролізу крохмалю, при  нагріванні можуть гідролізуватися, карамелізуватися, вступати в реакції меланоїдиноутворення.

Дисахариди, гідролізуючись, приєднують воду і перетворюються у прості сахари. Гідроліз проходить під дією ферментів або при нагріванні у кислому середовищі. Якщо сахари нагрівати до температури вище плавлення, то вони втрачають воду і карамелізуються.. В результаті карамелізації утворюються ангідриди, які одночасно полімеризуються, розпадаються і утворюють різі речовини, у тому числі і альдегіди – фурфурол, піровиноградний альдегід та ін. Вони в свою чергу полімеризуються, конденсуються з утворенням темнозабарвлених сполук – карамельна, карамеліна та ін.

Редукуючи сахари через  наявність карбоксильної групи  при наріванні легко вступають  в реакції з амінокислотами, а  також білками та пептидами, які  містять вільні аміногрупи. Кінцевими  продуктами цих реакцій є меланоідіни  – речовини змінного складу і будови, що мають колір від жовтого до темнокоричневого.

Активність сахарів  в реакціях з амінокислотами та інтенсивність  потемніння залежить від температури, рН середовища, концентрації сухих речовин у розчині, природи компонентів та ін. факторів. З амінокислотами взаємодіють тільки відновлені сахари. Найактивніше реагує ксилоза, арабіноза, за ними – глюкоза, галактоза і фруктоза.

Крім вільних амінокислот  з редукуючи ти сахарами реагують білки, пептиди, аміни, амоній та ін. азот місткі речовини.

Важливими компонентами рослинних тканин є пектинові речовини – пектинова та пектова кислоти, пектин і протопектин.

Нагрівання руйнує водневі  зв’язки в молекулі пектину і  може викликати його деметилювання. В залежності від властивостей вихідного  протопектину і умов теплової, кислотної або лужної обробки, отримують пектини різні за ступенем полімеризації і вмістом меток сильних груп. Розщеплення протопектину призводить до зменшення міцності рослинної тканини, послаблюється зв'язок целюлози з лігніном і протопектином і змінюється консистенція продукту.

Зміни ліпідів.  Швидкість гідролітичного розпаду жиру зростає при підвищенні температури. Але суттєві зміни відбуваються при тривалому впливі температур вище 100 ^оС.

Значно прискорюється  гідролітичний розпад жиру під впливом ліполітичних ферментів – ліпаз, які містяться в жировій тканині. Наприклад, кислотне число свинячого жиру вільного від ліпази при температурі 30 ^оС через 75 год зростає всього на 0,36, тоді як кислотне число того ж жиру при 22 ^оС, але в присутності ліпази, збільшується на 3,9 одиниць.

В ліпідах при нагріванні внаслідок гідролізу накопичуються  жирні кислоти. Які окислюються швидше, ніж тригліцериди. Що призводить до окислювального псування продукту.

Встановлено, що в консервах  для дитячого харчування з м’яса птиці, вже при бланшуванні розпочинаються гідролітичні зміни з утворенням перекисів, карбонільних сполук, зниження вмісту ненасичених жирних кислот.

Окрім температури на швидкість окислення жирів впливають  зовнішня енергія  – світлова та речовини, які відіграють роль каталізаторів – гемові пігменти, метали та їх солі.

При помірній тепловій обробці, наприклад, при витоплюванню жиру, варінні м’яса і риби, пастеризації молока, жири не зазнають істотних змін. Але при смаженні продуктів, випіканні хлібобулочних виробів, коли температура досягає 180 ^оС і вище, вони зазнають суттєвих змін. При високій температурі, а також тривалому нагріванні жири піддаються гідролізу, окисленню і полімеризації, розпаду з утворенням летких жирних кислот. Багато продуктів окислення ненасичених жирних кислот легко полімеризується з утворенням високомолекулярних сполук. Це призводить до потемніння кольору жиру, збільшення його в’язкості.

Зміни барвників. В процесі теплової обробки, зокрема стерилізації, колір рослинної та тваринної сировини змінюється. Окрім утворення меланоїдинів відбувається руйнування антоціанів, хлорофілів, каротиноїдів.

Антоціани – барвники від рожевого до фіолетового кольору, які містяться у вишнях, сливах, темнозабарвлених ягодах винограду. Чорній смородині, малині, полуниці, баклажанах та ін. Антоціани є глікозидами антоцианідінів і похідними однієї і тієї ж ароматичної структури – флавілієвого катіону. Належить вона до групи флавоноїдів і містить один або декілька залишків сахарів (переважно глюкози, рамнози або галактози). У межах температур 45-110 ^оС існує лінійна залежність між кількістю зруйнованих антоціанів і підвищенням температури. Стабільність антоціанів знижується при переході від оранжевого кольору до фіолетового. Встановлено, що між окремими видами антоціанів нема істотних відмінностей в кінетиці термічного руйнування.