Превращения углеводов в технологических процессах (клейстеризация и гидролиз крахмала, карамелизация сахаров и меланоидинообразование)

Углеводы при хранении пищевого сырья и его переработки в готовые продукты претерпевают разнообразные и сложные превращения. Они зависят от состава углеводного комплекса, условий процесса, наличие фермента, присутствие в перерабатываемых продуктах других компонентов, взаимодействующих с углеводами. Из этих превращений необходимо, в первую очередь, отметить кислотный и ферментативный гидролиз дисахаридов и полисахаридов, брожение моноз, меланоидинообразование и карамелизацию.

Клейстеризация и гидролиз крахмала. В ходе технологической обработки под воздействием влаги и тесла крахмал и крахмалосодержащее сырьё способны адсорбировать воду, набухать, клейстеризоваться, подвергаться деструкции. Интенсивность этих процессов зависит от вида крахмала, режимов обработки и характера катализатора. Крахмальные зёрна при обычной температуре не растворяются в воде, при повышении температуры набухают, образуя вязкий коллоидный раствор. При его охлаждении образуется устойчивый гель − крахмальный клейстер, этот процесс получил название клейстеризации крахмала.

Крахмалы различного происхождения клейстеризуются при разных температурах (). Способность крахмала к набуханию и клейстеризации связана с содержанием амилазной фракции. Под действием ферментов или кислот крахмал при нагревании присоединяет воду и гидролизуется, глубина гидролиза зависит от условий его проведения и вида катализатора.

В общем, схема превращения крахмала при гидролизе может быть представлена:

Деструкция крахмала происходит при получении многих пищевых продуктов (патоки, глюкозы, спирта).

Меланоидинообразование. Это реакция, протекающая между редуцирующими сахарами и аминокислотами, пептидами и белками, приводящая к образованию окрашенных продуктов − меланоидов.

Это окислительно-восстановительный процесс, который представляет собой совокупность последовательно и параллельно идущих реакций. Механизм его очень сложен, реакция сопровождается образованием большого числа промежуточных продуктов, которые на следующих этапах взаимодействуют между собой и с исходными веществами.

Скорость и глубина процесса зависят от состава взаимодействующих продуктов, соотношения отдельных компонентов, pH среды, температуры и влажности. Наиболее сильно она протекает в нейтральной и щелочной средах. Образующиеся при этом соединения (фурфурол, оксиметилфурфурол, ацетальдегид, изовалериановый альдегид, диацетил и др.) принимают участие в формировании аромата и в какой-то степени вкуса готовых продуктов. Активность аминокислот и сахаров в реакции Майяра снижается в следующем ряду:

аминокислоты −

лизин >глицин > метионин > аланин > валин > глутамин > фенилаланин > цистин

тирозин;

сахара −

ксилоза > арабиноза > глюкоза > лактоза > мальтоза > фруктоза.

Меланоидинообразование включает семь основных типов реакций происходящих последовательно или параллельно. По развитию окраски их можно разделить на три последовательно идущие стадии −

1. Начальная стадия (образуются вещества, не поглощающие света в ультрафиолетовой области спектра).

К ним относятся следующие реакции:

Сахароаминная конденсация, то есть взаимодействие сахаров и аминокислот с образованием N-гликозидов. При этом соотношение сахара и свободных аминогрупп должно быть 1:1.

Перегруппировка амадори, то есть внутримолекулярное преобразование, происходящее в процессе нагревания или длительного хранения. При этом идёт изомеризация N-гликозидов 1-амино-1-дазокси-2-кетозо.

2. Промежуточная стадия

Образуются вещества, обладающие сильным поглощением в ультрафиолетовом спектре.

Дегидратация сахаров с образованием фурфурола и оксиметилфуфурола.

Разложение сахаров с образованием с образованием альдегидов, влияющих на вкус продуктов.

Разложение аминокислот с образованием альдегидов, придающих аромат при термической обработке продуктов.

3. Конечная стадия

Образуются тёмно-окрашенные соединения – меланоидины.

Альдольная конденсация безазотистых соединенийю

Альдегид аминная полимеризация, образование гетероциклических азотистых соелинений.

С меланоидинообразованием связаны многие процессы, происходящие при переработке пищевого сырья, а именно: выпечка хлеба, сушка овощей, фруктов, получение сухого молока и т.д. С меланоидинообразованием связано также потемнение сахарного сиропа при его упаривании, снижение выхода спирта при переработке кукурузы низкого качества, образование цвета и аромата при томлении красного солода и затора в пивоварении.

Образование хрустящей, золотисто-коричневой корочки хлеба, а также его вкус и аромат во многом связанные с меланоидинообразованием, то есть особенно интенсивно идёт процесс при повышенных температурах. В результате этой реакции в отдельных видах сырья и полуфабрикатах уменьшается содержание сахаров, ценных аминокислот, белком, повышается их пищевая ценность. Наравне с несколькими десятками ароматических веществ, улучшающих вкус готовых изделий, образуются сотни неизвестных пока по физико-химическим свойствам новых веществ. Полезность их присутствия в пищевых продуктах сомнительна, поэтому, чем меньше образуется меланоидинов, тем лучшего качества будут готовые изделия.

Карамелизация сахаров. Нагревание моносахаридов и дисахаридов при температуре С и выше приводит к изменению их химического состава, улучшению цветности продуктов, увеличению содержания редуцирующих веществ. Глубина этих процессов, а следовательно и состав, образующихся веществ зависят от состава сахаров, их концентрации, степени и продолжительности теплового воздействия, pH среды, присутствия примесей.

В пищевой промышленности особое значение имеет карамелизация сахарозы, глюкозы и фруктозы. Особенно чувствительна к нагреванию фруктоза, поэтому она карамелизуется в 6-7 раз быстрее, чем глюкоза. Сахароза при нагревании в ходе технологического процесса в слабокислой или нейтральной среде подвергается частичной инверсии с образованием глюкозы и фруктозы, которые претерпевают дальнейшее превращение. Например, от молекулы глюкозы может отщепиться одна или две молекулы воды (дегидратация), а образовавшиеся продукты соединяются друг с другом или с молекулой сахарозы, или могут отщепить три молекулы воды с образованием оксиметилфурфурола, дальнейшие превращения которого сопровождаются разрушением углеродного скелета и образованием разнообразных продуктов деструкции (муравьиная, левулиновая кислоты).

При отщеплении двух молекул воды от сахарозы образуется карамелен () − раствор в виде соединения желтого цвета.

При отщеплении трёх молекул воды образуется карамелен(), имеющий ярко-коричневый цвет, затем образуется карамелин-трудно растворимое в воде соединение. Степень полимеризации образующихся продуктов может быть различной.

Если концентрация углеводов невелика (10-30%), то легче протекает образование оксиметилфурфурола. При повышенных концентрациях (70-80%) активнее идут процессы конденсации. В общем упрощенном виде схему превращения сахаров при нагревании можно представить следующим образом:

При изготовлении кондитерских изделий, например, карамели, температурным воздействиям подвергаются высококонцентрированные растворы сахаров(до 80%), поэтому основными продуктами карамелизации являются ангедриды и продукты их конденсации. При взаимодействии с металлами и аминокислотами образуются разнообразные и сложные по составу соединения, которые ухудшают качество, увеличивают цветность и гигроскопичность готовых продуктов.

Гликозиды растений

Гликозиды – это производные сахаров, которые встречаются в растениях. Они состоят из двух частей: сахара (обычно моносахарида и агликона). В качестве агликона в построении молекул могут участвовать остатки спиртов, стероидов и органических соединений, горький вкус, специфический запах.

Некоторые из них обладают токсикологическим действием, первый из них гликозид синигрин встречается в семенах горчицы, корнях хрена, в рапсе, придавая им, горький вкус и специфический запах. Под действием содержащихся в семенах горчицы ферментов этот гликозид гидролизуется.

Амигдалин содержится в косточках персика, абрикосов, слив, вишен, яблок и т.д. Представляет собой сочетание гентобиозы и бензальдегида.

Ванилин содержится в стручках ванили. При его ферментативном гидролизе образуется глюкоза и ванилин. Ванилин − ценное душистое вещество, применяемое в пищевой и парфюмерной промышленности.