Особливості харчових продуктів та їх виробництва

Хлорофіли – барвники, які обумовлюють зелений колір шпинату, щавлю, зеленого горошку та ін. Відомі 2 різновиди хлорофілу – хлорофіл α і  
хлорофіл b. Хлорофіл являє собою складний ефір двоосновної кислоти і двох спиртів – метилового і фітону. При нагріванні овочів яскраво зелені хлорофіли перетворюються в темно-оливкові феофітини внаслідок взаємодії хлорофілу з кислотами, що містяться в клітинному соку. В сирих овочах кислоти не мають доступу до хлорофілу, що знаходиться в протоплазмі. При нагріванні протоплазма денатурується і хлорофіл вступає в реакцію з кислотами клітинного соку. Каротиноїди – групова назва пігментів, які включають каротиноїди, лікопин та ксантофіл. Каротиноїди досить стійкі до дії високих температур і до зміни реакції середовища. Наприклад, при стерилізації томатного соку руйнується порівняно з сировиною 1-13 %  лікопину та 1-32 % каротину.

Зміни вітамінів.  Найбільш термолабільним є вітамін С, тіамін, фолієва та пантотенова кислоти. Вітамін В₆, який міститься в продуктах у вигляді пірідоксола, пірідоксаля і пірідоксаміну, окремо або у сполуках, термостабільний тільки у формі пірідоксаля. Вітамін А також досить чутливий до впливу тепла, а його провітамін – β-каротин та ін. більш термостійкі. При тепловій обробці овочевої сировини вище 110 ^оС, відбувається руйнування всіх вітамінів у різній мірі.

Зміни мінеральних  речовин. Мінеральні речовини в найбільшій мірі втрачаються при бланшуванні, варінні при використанні води, порівняно з парою. А при стерилізації значна частка мінеральних речовин екстрагується у рідку фазу. Наприклад, при виробництві консервованого зеленого горошку в заливу переходить 26-28 % кальцію, 34-43 % магнію, 32-41 % калію, 24-27 % фосфору.

Фізико-хімічні основи харчових технологій

1. Масообмінні процеси харчових технологій
0. Процес екстрагування продовольчої сировини

Екстрагування – найбільш поширений спосіб вилучення корисних речовин з харчової сировини за допомогою розчинника.

Екстракція заснована на законі розподілу – вилучення речовини тим повніше, чим більше коефіцієнт його вилучення відрізняється від одиниці. Екстракція може бути однократною, коли екстрагент додається один раз, і дробною – додання екстрагенту проводиться порціями в декілька прийомів.

У харчових виробництвах екстрагуванню піддають частіше  сировину рослинного походження – фрукти, насіння олійних культур, цукровий буряк та ін. За фізичними властивостями ця сировини відноситься до твердих тіл. Перед екстрагуванням, рослинну сировину подрібнюють, при цьому частина рослинних клітин ушкоджується і внутрішньоклітинна речовина переходить у екстрагент. Але більшість клітин залишається неушкодженими, і речовина вилучається із сировини крізь клітинні мембрани у екстрагент за рахунок дифузії.

Процес екстрагування  можна здійснювати, зануривши підготовлену сировину у рідкий екстрагент. В цьому випадку концентрація речовини у сировині буде постійно зменшуватись, а у екстрагенті – збільшуватись. Процес екстрагування закінчиться, коли концентрація речовин у сировині і у екстракті  зрівняється. При перемішуванні швидкість екстрагування зростає.

Процес екстрагування  можна проводити також шляхом пропускання екстрагента крізь нерухомий шар сировини тобто за рахунок фільтрації.

Процес екстрагування  може відбуватися шляхом протиточного надходження сировини і екстрагенту і їх незупинного переміщення. Взагалі процес екстрагування можна поділити на 4 стадії:

– проникнення екстрагента  у пори рослинної сировини;

– розчинення вилучаємої речовини екстрагентом;

– дифузійний перенос  вилучаємої речовини до поверхні частинки сировини;

– перенос вилученої  сировини з поверхні сировини у рідку  фазу, тобто екстрагент.

При екстрагуванні соковитої  рослинної сировини враховують швидкість  переносу у середині частинки сировини – внутрішня дифузія, та швидкість переносу з поверхні твердого тіла у рідину екстрагенту – зовнішня дифузія. В залежності від величини опору процес дифузії може протікати по-різному.

У першому  випадку зовнішньої дифузії перевищує  швидкість внутрішньої. Тоді швидкість внутрішньої дифузії, яка обмежує швидкість екстрагування, визначається рівнянням

                                              М =

де      D_зов – коефіцієнт внутрішньої дифузії, м²/с;

           l – визначальний розмір часточок, м;

 F – сумарна поверхня сировини, м²;

           ΔС – різниця між середньою  концентрацією речовини усередині  сировини і середньою концентрацією речовини у розчині, який оточує сировину, кг/м³;

             τ – тривалість процесу, с.

Цей процес здійснюється в апаратах активним перемішуванням фаз. Перенос речовини з внутрішньо - клітинної рідини за межі клітини здійснюється за рахунок молекулярної дифузії через багатошарову оболонку, яка складається з двох мембран, між яким знаходиться протоплазма. Рослинні клітини щільно оточені іншими клітинами і речовина з внутрішніх клітин повинна дифундувати через ці клітини, що свідчить про великий опір внутрішній дифузії. Для зменшення опору подрібнену сировину піддають тепловій, хімічній, ферментативній обробці або електроплазмолізу, що призводить до денатурації протоплазми і зростанню проникності оболонок рослинних клітин.

У зв’язку з малим  розміром клітин (5-50 мкм) і ще менших розмірів пор, по яких переноситься речовина, швидкість молекулярної дифузії навіть після попередньої обробки сировини набагато менша, ніж швидкість молекулярної дифузії цієї ж речовини у чистій речовині. Тому D називають коефіцієнтом масопровідності, який входить у дифузійний критерій Біо.

У другому  випадку, коли швидкість внутрішньої дифузії перевищує швидкість зовнішньої дифузії, рівняння масопередачі  для зовнішнього переносу, який обмежує швидкість екстрагування, має вигляд

                                    М =

де      D_зов – коефіцієнт зовнішньої дифузії, м²/с;

           δ – товща граничної плівки, м;

           ΔС – різниця концентрації  вилученої речовини на межі  твердого тіла і рідини та середньої концентрації у оточуючій рідині, кг/м³.

2. Сорбційні процеси та їх застосування

Процес  сорбції, тобто поглинання газів або розчинених речовин твердими матеріалами або рідинами може протікати за різними механізмами. Як вам уже відомо, сорбція може бути 4 типів – абсорбція, адсорбція, хемосорбція і капілярна конденсація.

Різниця між процесами  абсорбції і адсорбції в тому, що при абсорбції речовина поглинається усім об’ємом рідини, а при адсорбції – тільки поверхнею поглинача, тобто адсорбенту.

Найбільше практичне  значення мають поглинання і віддача  продуктами води. Зволоження продукту, тобто сорбція водяних парів продуктом, відбувається тоді, коли тиск водяних парів у поверхні перевищує тиск водяних парів на його поверхні, який виникає в результаті випаровування частини вільної води самого продукту. Поглинання вологи продуктом у цьому випадку відбувається як за рахунок утворення тонкого шару на його поверхні (адсорбція) і шляхом об’ємного поглинання (абсорбція) гідрофільними речовинами, так і в результаті капілярної конденсації (при наявності макро- і мікро капілярів). Віддача вологи (десорбція) продуктом відбувається при більшому тиску водяних парів на поверхні продукту у порівнянні з тиском водяного пару у повітрі. Процес зволоження і віддачі продуктом відбувається до рівноважної вологості, при якій тиск водяного пару у повітрі і на поверхні продукту   становиться рівним.

У харчових виробництвах процеси абсорбції і адсорбції  займають значне місце. Наприклад, процес абсорбції має місце при насиченні  мінеральної води та різних напоїв двоокисом вуглецю, адсорбції – при очищенні соків і вин. В якості адсорбентів використовуються тверді пористі матеріали з великою питомою поверхнею – активне вугілля, силікагель, целюлозна маса, кізельгур, різні активовані глини та ін.

Розрізняють фізичну  адсорбцію і хімічну, яка називається хемосорбцією. Фізична адсорбція обумовлена взаємним притягненням молекул адсорбенту і адсорбату під дією сил Ван-дер-Ваальса і не супроводжується хімічною взаємодією адсорбованої речовини з поглиначем.

При хімічній адсорбції в результаті хімічної реакції між молекулами поглиненої речовини і поверхневими молекулами поглинача виникає хімічний зв'язок.

Внаслідок сорбції продукти при зберіганні набувають небажаного стороннього запаху, зволожуються за рахунок пари води із повітря. Печиво, вафлі, сухарі розм’якшуються, втрачають крихкість, а такі продукти як розчинний кофе, борошно, сіль і цукор злежуються, карамельні вироби – втрачають форму.

Десорбція вологи із продуктів  також несприятливо впливає на їх якість. В результаті випаровування  змінюється форма, консистенція продукту, відбувається втрата маси, наприклад, усушка сиру, м’яса, яєць та ін. Випаровування вологи характерно для плодів і овочів. Воно призводить до зів’янення, ослаблення тургору клітин, порушення обміну речовин і псування. Величина втрат вологи продуктами залежить від температури, відносної вологості повітря, швидкості руху повітря, тари і способу укладення товару.

3. Процеси розчинення та кристалізації

Методи підготовки сировини різноманітні і залежать від виду сировини. фізичного стану і способів наступної обробки. Сировина, що розчиняється у воді або здатна утворювати з нею емульсії чи суспензії, дозується при безперервному способі виробництва за об’ємом. Підготовка сухої сипучої сировини – кухонна сіль, цукор, зернові продукти, борошняні вироби та ін., проводиться у спеціальних підготовчих приміщеннях, де готують цукрові сиропи, заливу з використанням солі, проводять попередню обробку круп та ін.  У зв’язку з цим, такі компоненти як сіль розчиняють у солерозчинниках, які мають пристрої для фільтрування і відстоювання розчинів, для очищення від нерозчинних домішок. Концентрацію розчину кухонної солі або цукру виражають у відсотках, тобто в  г на 100 г води. Для визначення концентрації солі у розчині, визначають щільність розчину ареометром-солеміром, або за допомогою певних таблиць, при використанні звичайного ареометра, по показнику щільності розчину визнають, якій концентрації солі відповідає визначена щільність, і корегують доданням солі або води.

Цукор кристалічна речовина. У харчових продуктах цукор знаходить в аморфному стані. Для перетворення кристалічної речовини у аморфну, необхідно зруйнувати кристалічну решітку шляхом розчинення або розплавлювання, а потім розплавлену масу швидко охолонути. Молекули цукру не встигають зібратися в структуровану решітку, внаслідок чого маса здобуває однорідну аморфну структуру. Цукор, що має в молекулі 8 гідроксильних груп, легко перетворюється в аморфну речовину, однак це перетворення можливо лише при умові уповільненого руху молекул. Для цього, наприклад, при виробництві карамелі підвищують в’язкість цукрового сиропу шляхом уварювання його до вологості 1-3 %. Аморфний стан нестійкий і з часом кристалічна решітка відновлюється, а вироби оцукрюються. Особливо швидко оцукрюються карамель та ін. вироби з поверхні навіть при незначному їх зволоженні. Зовнішньо оцукрювання карамелі проявляється в утраті прозорості.

Сахароза може виділятися у вигляді кристалів тільки у  пересичених розчинів. Щоб довести розчин сахарози до пересиченого стану, необхідно створити умови для утворення центрів кристалізації і здійснити ріст кристалів шляхом відкладення на їх поверхні нових кількостей сахарози, для цього застосовується уварювання. Вміст сахарози в розчині залежить від коефіцієнта пересичення, який зростає з підвищенням температури, і виражається масовим відношенням розчиненого цукру до чистої води у розчині. В присутності нецукрів розчинність цукру значно збільшується і визначається коефіцієнтом насичення

                                                  α₁ =

де    Н – коефіцієнт розчинності сахарози в даному розчині, що містить нецукри;

        Н¹ – розчинність чистої сахарози.

Розчин, що містить цукру  більше, ніж у насиченому розчині, називаються пересиченими. Ступінь пересичення розчину вимірюється коефіцієнтом пересичення, що показує, в скільки разів у даному розчині на одиницю води припадає цукру більше, ніж у насиченому розчині при тій же температурі

                                                      α =

де     α –  коефіцієнт пересичення

         Н₁ – кількість розчиненого цукру в даному розчині на одиницю маси води;

         Н¹ – розчинність цукру на одиницю маси води при тій же температурі і в дистильованій воді.

Якщо α = 1 – розчин насичений, при α < 1 – розчин ненасичений, при        α  > 1 – розчин пересичений.

Ріст кристалів відбувається не миттєво, а з деякою швидкістю, що називається швидкістю кристалізації, яка характеризується коефіцієнтом, що визначає кількість сахарози в міліграмах, що відкладається з пересиченого розчину в секунду на 1 м² поверхні кристала.

                                        g = k¹Fτ

де    g – маса цукру, що викристалізовується, мг;

        k¹ – коефіцієнт швидкості кристалізації, мг/(м² ·c);

        F – площа поверхні кристала, м²;

         τ – час кристалізації, с.

Кристалізація цукру  зв’язана з переміщенням маси і  відноситься до дифузійного процесу, рушійною силою якого є різниця концентрації сахарози в розчині і на поверхні кристалів. Звичайно кристали рухаються у між кристальній рідині. На їхній поверхні утворюється прикордонний шар, швидкість якого стосовно поверхні кристалів близька до нуля, і масообмін у прикордонному шарі може відбуватися тільки шляхом дифузії. Очевидно, що прикордонний шар і чинить опір при кристалізації. Перехід цукру з прикордонного шару безпосередньо до кристалу також пов'язаний з подоланням деякого опору. Таким чином, швидкість кристалізації є функцією двох процесів, що протікають одночасно – розчинення і росту кристалів цукру шляхом сумісних перетворень.