Основы рационального питания

Пища человека должна содержать более шестисот веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности организма. От того, в каком количестве и в каких соотношениях содержатся эти вещества в рационе, зависит состояние здоровья человека.

При рациональном питании пищевые продукты должны быть подобраны так, чтобы отвечать индивидуальным особенностям организма человека с учетом характера его трудовой деятельности, половых и возрастных особенностей, климатических условий проживания.

Рациональное питание включает соблюдение трёх основных принципов:

- равновесие между поступающей с пищей энергией и энергией, расходуемой человеком в процессе жизнедеятельности;

- удовлетворение потребности человека в определённом количестве и соотношении пищевых веществ;

- соблюдение режима питания.

Баланс энергии. Пища для человеческого организма, прежде всего, является источником энергии. Именно при её превращениях – распаде сложных веществ на более простые и окислении – происходит выделение энергии, необходимой человеку в процессе жизнедеятельности. Доля энергии, которая может высвобождаться из пищевых веществ в процессе биологического окисления и использоваться для обеспечения физиологических функций организма, характеризует энергетическую ценность (калорийность) продукта. Роль основных источников энергии принадлежит белкам, жирам и углеводам. Считается, что 1г белков пищи выделяет 4 ккал, 1г жиров – 9 ккал, 1г углеводов – 4 ккал энергии. Зная химический состав пищи, легко подсчитать какое количество энергии получает человек в сутки.

Энергия, которой обеспечивается организм при потреблении и усвоении питательных веществ, расходуется на осуществление трёх главных функций, связанных с жизнедеятельностью организма. К ним относятся основой обмен, переваривание пищи, деятельность человека.

Основной обмен – это минимальное количество энергии, необходимое человеку для поддержания жизни в состоянии полного покоя (во время сна в комфортных условиях). Энергия, необходимая человеку для основного обмена, зависит от возраста, пола, внешних условий. Для мужчины в возрасте 30 лет при весе 65 кг (условно принят за стандарт) на основной обмен необходимо 1400-1600 ккал в сутки.

Переваривание пищи также требует энергии – 140-160 ккал в сутки.

Физическая и умственная деятельность увеличивает расход энергии. Так, расход энергии в сутки:

- для работников умственного труда составляет 2200-2600 ккал;

- для работников физического труда – 2850-3000 ккал;

- для работников тяжёлого физического труда – 3900-4000 ккал.

Удовлетворение потребностей организма в основных пищевых веществах. Пища нужна человеку не только для получения энергии, но и для построения клеток организма, его тканей, для функционирования всех жизненных систем. Установлено, что для нормальной жизнедеятельности в организм человека ежесуточно должны поступать в необходимом количестве не только белки, жиры и углеводы, но также минеральные вещества, витамины.

Суточная потребность человека в основных пищевых веществах представлена в таблице 1.

Таблица 1 – Потребность человека в основных пищевых веществах

В природе нет ни одного пищевого продукта, который мог бы удовлетворить полностью все потребности организма в пищевых веществах. Под пищевой ценностью продукта питания подразумевают степень удовлетворения суточной потребности человека в основных пищевых веществах за счёт потребления 100 грамм данного продукта.

Режим питания. Обменные процессы идут в организме постоянно, поэтому пища должна поступать также регулярно. Режим питания включает в себя кратность приёмов пищи, интервалы между ними, время приёмов пищи и распределение калорийности по приёмам пищи. Здоровому человеку рекомендуется трёх – или четырёхразовое питание. Перерывы между приёмами пищи не должны превышать 6 часов. Имеют значение и определённые часы приёма пищи, что позволяет органам пищеварения приспособиться выделять достаточное количество пищеварительных соков.

При трёхразовом питании рекомендуется следующее распределение калорийности по приёмам пищи: завтрак-30%, обед-45-50 %, ужин-20-25 %.

Научные основы технологических процессов в пищевой промышленности

Технология пищевых производств, изучающая способы переработки сырья в продукты питания, базируется на закономерностях фундаментальных наук – физики, химии, биологии и др. В основе науки о технологических процессах лежат основные законы природы – закон сохранения массы и закон сохранения энергии. Вместе с тем этой науке присущи свои специфические понятия и законы, которым подчиняются технологические процессы, последовательно превращающие сырье в продукты питания. В основе пищевых технологий лежит сложный комплекс физико-химических, биохимических и микробиологических процессов, в результате которых и происходит превращение сырья в пищевые продукты.

Физико–механические процессы

В основе этих процессов лежит механическое воздействие на материал; они определяются законами механики твердых тел и гидравлики.

К этим процессам относятся:

- измельчение;

- сортирование по размерам и форме;

- перемешивание;

- обработка материалов давлением

- осаждение;

- фильтрация;

- центрифугирование.

Движущей силой этих процессов является сила механического и гидростатического давления, центробежная сила.

Измельчение. Измельчением принято называть процесс разделения твер­дых тел на части действием механических сил. Процесс измельчения очень распространен в пищевой промышленности. На многих предприятиях – мукомольных, пи­воваренных, крахмало-паточных, спиртовых – дробится зер­но; на сахарных, овощеконсервных и овощесушильных, спир­товых и крахмало-паточных заводах измельчению подверга­ются картофель и корнеплоды; на кондитерских предприяти­ях - какао-бобы; на кофе-цикорных фабриках – различные продукты; на консервных заводах – мясо, рыба и т. д.

Если при измельчении не требуется придавать измельченным частицам определенную форму, процесс называется дроблением. Дробление может производиться путем раздавливания, удара, истирания, раскалывания, разрыва, среза и других действий.

Чаще всего применяется комбинированное воздействие, например сдавливание и срез.

Выбор способа воздействия определяется механическими свойствами измельчаемых материалов и их размерами.

Дробление может быть крупным, средним, мелким и тонким. В пищевой промышленности преобладает мелкое и тонкое дробление.

В пищевой промышленности применяют самые разнообразные дробилки для измельчения пищевого сырья и вспомогательных материалов, но наиболее употребительными являются:

- валковые (вальцовые) дробилки;

- молотковые дробилки;

- дисковые дробилки;

- жерновые постава;

Резательные машины, или резки, применяются в тех случаях, когда частицам измельчаемого материала необходимо придать определенную форму и размеры.

Резание применяется широко в овощеконсервном произ­водстве для резки моркови, капусты и других овощей, а так же в сахарной промышленности для резки свеклы.

Существуют разные конструкции машин для резки, Наибольшее распространение получили дисковые и центробежные резки, применяемые в сахарном и овощеконсервном производствах.

Сортирование. На предприятиях пищевой промышленности перерабаты­вается большое количество различных сыпучих материалов.

Сыпучим материалом является прежде всего зерно перерабатываемое на мукомольных, крупяных, консервных, спиртовых, пивоваренных заводах, маслозаводах, кофе-цикорных фабриках, заводах пищевых концентратов и ряде других предприятий.

На многих предприятиях – хлебопекарных, кондитерских, макаронных и других – используются продукты переработки зерна: мука, крупа, солод, на крахмало-паточных заводах – крахмал; на сахарных заводах – песок и т.д.

В процессе, обработки сыпучих материалов значительное место занимает разделение (сортирование, или классифика­ция) их на фракции, различающиеся определенными физиче­скими свойствами – размерами, формой, удельным весом, раз­личными аэродинамическими, электрическими, магнитными и некоторыми другими.

Сортирование сыпучих материалов преследует в основном две цели:

- выделение примесей на основе отличия их физических свойств от свойств материала;

- получение фракций определенной крупноты.

Разделение частиц, отличающихся размерами, может осуществляется с помощью сит, имеющих определенные размеры отверстий. При просеивании на ситах частицы, имеющие раз­меры меньше отверстий сита, просеиваются (проход), а ча­стицы, имеющие большие размеры, остаются на сите (сход).

Сита являются рабочим органом просеивающих машин. На пищевых предприятиях применяется несколько типов сит.

Штампованные, или пробивные, сита изготавливаются обыч­но из стального листа, в котором в определенном порядке про­биваются отверстия необходимых размеров и формы. Отверстия имеют чаще всего круглую или продолговатую форму.

В числе примесей, засоряющих зерно и другие сыпучие продукты, встречаются металлические примеси — от мельчайших пылинок и до кусков, превышающих размеры продук­та. Эти примеси – чаще всего сталь и чугун – попадают в про­дукт в результате износа и поломок рабочих органов машин для транспортирования и обработки продукта. Металлические примеси, попадая в машины (главным образом измель­чающие) вместе с продуктом, могут вызвать крупную аварию, а попадая в готовую продукцию, представлять опасность для здоровья человека.

Для выделения таких примесей применяют магнитные сепараторы. Продукт пропускается в непосредственной близо­сти от системы магнитов, которые притягивают эти примеси. Магнитные сепараторы делятся на две группы: сепараторы со статическими магнитами и электромагнитные сепараторы.

Обработка различных материалов давлением производится в механических устройствах – прессах, штампах и формующих машинах. Обработка материалов давлением может преследовать различные цели.

Отжатие жидкости широко применяется в виноделии, ликерно-водочной и в консервной промышленности для выделе­ния соков из плодов и ягод, в производстве растительных ма­сел, в кондитерской промышленности для частичного выделе­ния масла из какао-бобов и т. д.

Отжатие жидкости из продукта сопровождается разруше­нием клеточной структуры материала и выделением жидкости из клеток. Прессованию подвергается определенный слой материала; разрушение клеток, выделение жидкости происходит по всей толщине слоя.

Прессы для отжатия жидкости по режиму их работы делятся на две группы – периодического и непрерывного дейст­вия. В прессах периодического действия прессованию подверга­ется предварительно приготовленная порция материала.

По принципу создания давления прессы делятся на механические и гидравлические.

В пищевой промышленности при помощи формовки пластическим материалам придается необходимая форма. Таким материалом чаще всего является тесто для приготовления хлеба, макаронных изделий, различного печенья и т. д.

Тесто является упруго-пластически-вязким материалом. Это значит, что при небольших усилиях и деформациях оно способно восстановить свою первоначальную форму, т.е., ведет себя, как упругое тело.

Если же увеличить усилия, то оно уже не восстанавливает свою форму и приобретает свойства жидкости. Поэтому для того, чтобы придать тесту необходимую форму, нужно прило­жить к нему некоторое усилие для преодоления сопротивления его структуры.

Машины, применяемые для формовки теста, весьма разно­образны, как разнообразны цели формовки и свойства фор­муемых материалов.

В макаронной промышленности применяют нагнетающие прессы для формования макарон, вермишели, лапши и др. Эти прессы состоят из нагнетающего устройства и формующего – матрицы.

В кондитерской промышленности при производстве печенья и карамели изделия выдавливаются из ленты движущегося материала. В штампующих машинах, применяемых для этой цели, прокатанная лента материала движется по конвейе­ру, где из нее вырубаются штампующим механизмом изделия необходимой формы. Во избежание смятия краев изделий необходимо, чтобы в момент штамповки не было относительного движения продукта и штампа. Поэтому в некоторых конструк­циях машин в момент удара штампа конвейер останавливает­ся, а в других – штамп в момент удара движется вместе с конвейером.

Применяются также ротационные штампующие машины, в которых на валу имеются формочки с рисунком, а тесто запрессовывается в эти формочки рифленым валком, вращаю­щимся навстречу валу с формочками.

Прессование зернистых материалов в брикеты (брикетирование) применяется при производстве рафинада, различных концентратов, а также в ряде других отраслей пищевой промышленности. Для того чтобы полученные брикеты были прочными и не рассыпались, необходимо добавлять связующую жидкость или прессовать влажные материалы.

Прессование происходит в специальных формах – матрицах – при помощи штанг – пуансонов. В процессе прессования поступающий в матрицу материал сдавливается пуансоном, образуя брикеты. При этом увеличивается плотность материала; его прочность объясняется взаимным сцеплением отдельных частиц, а также действием капиллярных сил, возникающих вследствие уплотнения частиц в брикеты.

Перемешивание. Перемешивание материалов применяется в пищевой про­мышленности для различных целей:

- для равномерного распределения продуктов, составляю­щих смесь. Этот процесс применяется в хлебопекарном, кондитерском, макаронном производствах для смешивания раз­личных партий муки, перемешивания муки с водой и другими материалами для получения теста, перемешивания фарша в консервном и колбасном производствах;

- для интенсификации массо- и теплообмена. Этот процесс применяется для лучшего массообмена, т.е. переноса вещества из одной фазы в другую, например, при растворении соли, сахара и т.д. Для интенсивности теплообмена в различных тепловых аппаратах применяют перемешивающие устройства. Например, в выпарных аппаратах по мере уваривания продуктов вследствие повышения вязкости сни­жается теплообмен путем естественной конвекции, поэтому приходится прибегать к искусственной конвекции перемеши­ванием;

- для интенсификация биохимических, химических и дру­гих процессов. Например, для интенсификации биохимических процессов при проращивании зерна в производстве солода применяется его перемешивание;

- для получения суспензий, эмульсий и т.п..

Перемешивание проводится либо в специальных аппаратах, которые называются обычно смесителями, либо непо­средственно в аппаратах, где проводятся процессы массо- или теплообмена, биохимические, химические и др. Такие аппараты имеют приспособления для перемешивания, называемые мешалками или ворошителями.

Перемешиванию подвергаются различные материалы – жидкие, газообразные, твердые (сыпучие), причем могут пере­шиваться как продукты, находящиеся в одинаковом агрегатном состоянии, например две или более жидкости, так и в разном – жидкости и твердые тела и т.д.

Перемешивание в жидкой среде может быть осуществлено различными способами:

- поточным;

- механическим;

- пневматическим..

Поточным методом обычно перемешивают две или более жидкости. Этот метод заключается в соприкосновении потоков смешиваемых жидкостей в специальных смесителях.

Механическое перемешивание жидкостей или жидкостей и твердых тел производится с помощью мешалок. Наиболее распространены мешалки трех типов: лопастные, пропеллерные и турбинные.

Пневматическое перемешивание жидкостей или сыпучих материалов, погруженных в жидкость, достигается путем пропускания воздуха или пара через жидкость.

Выходя через мелкие отверстия в трубах, уложенных на дне сосуда, газ или пар разбивается на мелкие пузырьки, которые поднимаясь к верху, увлекают за собой часть жидкости. Таким образом, возникают потоки жидкости, перемешивающие ее.

Перемешивание жидкости таким способом применяется, например, в растительных чанах в дрожжевом производстве. Пневматическое перемешивание замоченного в воде зерна осуществляется при производстве солода.

Перемешивание пластических материалов широко распространено в раз­ных отраслях пищевой промышленности. В хлебопекарной, кондитерской и макаронной промышленности перемешиванию подвергаются различные виды теста, в мясной промышленно­сти – мясной фарш, в консервной – овощные и мясные фар­ши, в молочной – творог и сырковые массы и т.д.

Пластичные материалы имеют высокую вязкость, поэтому для их перемешивания требуются значительные усилия.

Машины для перемешивания пластических материалов делятся на две группы: периодического и непрерывного действия. В машинах периодического действия перемешиваются определенные количества различных компонентов до получения однородной массы, после чего ее выгружают, а аппарат заполняют новыми порциями материала машины непрерывного действия характеризуются тем, что компоненты, подлежащие смешиванию, поступают в них непрерывно и непрерывно получается однородная смесь.

Перемешивание сыпучих материалов применяется в хлебо­пекарной промышленности – смешивание отдельных партий муки, перемешивание прораста­ющего зерна с целью его аэрации при производстве солода, перемешивание увлажненного зерна в мукомольном произ­водстве и т. д.

Наиболее распространенными смесителями являются сме­сители шнекового типа. На хлебозаводах применяют шнековые дозировщики-смесители, в которых продукты смешивают­ся в нужной пропорции.

Для перемешивания зерна при производстве солода применяются шнековые ворошители, которые могут перемещаться по рельсам вдоль ящика с солодом. При этом вертикальные шнеки вращаются и перемешивают продукт.

Для перемешивания сыпучих материалов применяют так называемые барабанные емкости. Например, в пневматических барабанных солодовнях производится перемешивание зерна.

Разделение неоднородных систем. Неоднородными называют системы, образованные двумя или большим числом фаз, которые взаимно нерастворимы друг в друге. Неоднородные системы обладают различной степенью устойчивости и могут быть, как правило, разделены под действием механических сил.

В пищевых производствах многие технологические процессы сопровождаются образованием неоднородных смесей, которые в дальнейшем необходимо разделять. Следует очищать воздух от пыли, образующейся при измельчении твердых материалов, а также моечные растворы, содержащие твердые частицы, отделять кристаллы от маточного раствора и т.п.

Все процессы разделения неоднородных систем по виду движущейся силы относятся к механическим и гидромеханическим. Многообразие самих систем и способов разделения привело к созданию многочисленных аппаратов, в которых осуществляются непохожие друг на друга процессы.

Процессы осаждения под действием силы тяжести. Применя­ются там, где система составлена из компонентов, плотность которых существенно различна. Эти способы используются для разделения грубых суспензий и некоторых промышленных пылей.

Применение центробежного поля позволяет существенно уве­личить движущую силу. Сила тяжести в этом случае заменяется центробежной силой, пропорциональной скорости и радиусу вращение частицы. Способ применяют для разделения тонких суспензий и мутей, содержащих мелкие частицы, а также эмуль­сий.

Для отделения пыли в газовых системах используют электро­статическое поле, где осаждение происходит в результате взаи­модействия частиц с ионизированным газом.

Процесс разделения неоднородных систем за счет ''просеивания'' их через фильтрующую перегородку носит название фильтрование. Эти процессы используются для разделения жидких и газовых систем.

При фильтровании сквозь пористую перегородку проходит жидкая или газообразная фаза — фильтрат. Если твердые части­цы задерживаются внутри пористой перегородки, то имеет место фильтрование с закупоркой пор.

Если размер частиц больше размера пор, частицы накаплива­ются на поверхности фильтрующей перегородки, образуя слой. На практике среди частиц твердой фазы, содержащихся в сус­пензии, всегда найдутся такие, размер которых позволяет им проникнуть в любые поры фильтрующей перегородки. Поэтому тип процесса фильтрования определяется, прежде всего, количе­ством твердой фазы, содержащейся в исходной смеси. Если кон­центрация твердой фазы ничтожна, как, например, в производ­стве вин, пива и других напитков, слой осадка практически не образуется, частицы задерживаются в толщине фильтровального картона.

Для организации процесса фильтрован через слой, концентрация суспензии должна быть достаточной для образования слоя. Поэтому производственной технологией предусматривается введение в раствор значительного количества мелкодисперсной твердой фазы, с тем чтобы образовать слой из этих частиц на фильтрующей перегородке. В дальнейшем фильтрование идет через этот слой, частицы за­держиваются внутри него или на его поверхности. Толщина такого слоя будет увеличиваться, и его сопротивление будет также возрастать. Это приведет к необходимости удаления или уменьшения толщины слоя для подержания приемлемой скорости фильтрования.

Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений по одну и другую сторону фильтрующей перего­родки. Эта разность может быть получена за счет силы тяжести — силы гидростатическою давления, что с успехом используется в лаборатории для фильтрования в простой воронке. В промышленных аппаратах сила тяжести существенного влияния на результат процесса не оказывает, и поэтому учитываться не будет. Разности давлении можно добиться за счет создания избыточного давления на стороне неоднородной смеси или за счет создания вакуума со стороны, где собирается газ или жидкость — фильтрат.

Тепловые процессы

На пути превращения сырья в продукты питания существен­ное место занимает тепловая обработка, в результате которой изменяется пищевая ценность продуктов, улучшаются их вкусо­вые качества. Иногда нагревания и осаждения требуют после­дующие операции, например, растительное масло подогревают перед фильтрованием для уменьшения вязкости.

Целый ряд массообменных, химических и биохимических процессов для обеспечения их скорости протекания требуют поддержания определенной температуры, т.е. сопровождаются подогревом или охлаждением. В пищевой промышленности наи­более распространены сушка, сорбция и десорбция газов жид­костями (процессы сатурации), растворение твердых веществ и кристаллизация. Наконец, к тепловым процессам относятся про­цессы фазового превращения — выпаривание и конденсация, также широко применяемые в пищевых производствах. Перенос теплоты осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией, радиацией.

Теплопроводность. Перенос теплоты внутри твердого тела, неподвижной жидкости или газа называется теплопроводностью.

Конвекция. В неподвижной жидкости или газе теплота переносится за счет теплопроводности, в движущейся жидкости появляется еще один механизм переноса теплоты за счет перемешивания. Нагретые частицы жидкости, попадая в окружение холодных частиц, отдают им свою теплоту.

Радиация. Перенос теплоты излучением (радиацией) имеет место в хлебопекарных радиационных печах и радиационных сушилках, применение которых ограничено из-за довольно высокой энергоемкости.

Самый распространенный промышленный теплоноситель – насыщенный водяной пар, обладающий рядом замечательных свойств. Прежде всего, это высокая аккумулирующая способность теплоты и высокие коэффициенты теплоотдачи. Скрытая теплота конденсации насыщенного пара при атмосферном давлении 2260 кДж/кг. Это позволяет при небольшом расходе пара и небольших поверхностях нагрева передавать большое количество теплоты. Так как при неизменном давлении температура конденсации постоянна, легко поддерживать постоянство темпе­ратуры теплоносителя аппарате. Главным недостатком водяного пара является значительное возрастание давления при увеличении температуры. Практически насыщенный водяной пар применяют при температуре до 180...190 °С и давлении до 12*10⁵ Па. Перегретый пар редко используют в качестве теплоносителя из-за низких значений коэффициентов теплоотдачи.

Чистая вода широко используется в качестве теплоносителя. К достоинствам воды как теплоносителя следует отнести доступ­ность и дешевизну, сравнительно высокие, но значительно мень­шие, чем у конденсирующего пара, значения коэффициентов теплоотдачи. К недостаткам этого теплоносителя относятся срав­нительно небольшая удельная теплоемкость и связанная с этим аккумулирующая способность теплоты.

Повышение температуры воды выше 100 °С связано с резким увеличением давления, поэтому перегретая вода за редким ис­ключением в качестве теплоносителя не используется.

Топочные газы широко используются в схемах утилизации теплоты на предприятиях, имеющих собственные котельные. Температура топочных газов достигает 1000...1800 °С при атмо­сферном давлении, что позволяет использовать промежуточный теплоноситель для обогрева в теплообменных аппаратах. В каче­стве промежуточного теплоносителя можно использовать воздух или минеральное масло. К недостаткам топочных газов как теп­лоносителей относят наличие в них включений, вызывающих загрязнение поверхности теплообмена и низкий коэффициент теплоотдачи.

Минеральное масло (цилиндровое, компрессорное) — один из распространенных промежуточных теплоносителей для проведе­ния тепловой обработки пищевых продуктов при высокой (до 800 °С) температуре, например обжаривания кофе и какао-бобов. Масло можно нагревать до более высоких температур, как отмечалось выше; в топках печей или с помощью электрических нагревателей. Масла — сравнительно дешевые теплоносители, но обладают относительно низкими значениями коэффициентов теплоотдачи, частично разлагаются в процессе эксплуатации, об­разуя на нагреваемой поверхности слой кокса, ухудшающий теплообмен.

При кипении растворов концентрация растворенных веществ увеличивается за счет превращения в пар части растворителя. Процесс концентрирования растворов называется выпариванием.

Превращение жидкости с ее свободной поверхности в пар называется испарением.

В пищевой промышленности обычно выпаривают водные растворы: свекловичный сок, барду, молоко и т.п. Поэтому образующийся при выпаривании пар, называемый вторичным паром, является насыщенным водяным паром, который может быть использован как горячий теплоноситель в других аппаратах. На выпаривание растворов расходуется огромное количество теплоты, поэтому от рациональной организации процессов выпаривания в значительной степени зависит рентабельность производства.

Затраты теплоты на выпаривание зависят от давления и тем­пературы, при которых осуществляется процесс.

При этом скрытая теплота парообразования тем выше, чем ниже давление.

Расход энергии на выпаривание под вакуумом выше, чем при выпаривании при атмосферном или избыточном давлении. Од­нако термолабильность растворов в пищевой промышленности ограничивает допустимую температуру кипения. Так, например, растворы красящих веществ, содержащиеся в экстрактах, полу­ченных из растительного сырья, разлагаются при нагревании до 50...60 °С. Аскорбиновая кислота и другие витамины и биологически активные вещества, содержащиеся в растворах, при нагревании также разлагаются. Вот почему в пищевой промышленности широко используется выпаривание под вакуумом

Химические процессы

В основе ряда пищевых технологий лежат химические превращения. К ним относятся получение патоки, кристаллической глюкозы путем кислотного гидролиза крахмала, различных жиров способом гидрогенизации и переэтерификации, инвертного сахара путем кислотного 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.

В зависимости от агрегатного состояния взаимодействующих веществ химические реакции могут быть гомогенными и гетерогенными. В гомогенных системах реагирующие вещества находятся в одной какой-либо фазе: газовой (Г), жидкой (Ж) или твердой (Т); в гетерогенных — в разных фазах. На практике.наиболее часто встречаются следующие гетерогенные системы: Г— Ж, Г—Т, Ж—Т. В некоторых случаях такие системы могут быть трехфазными, например Г-Ж—Т. Г—Т—Т. Реакции в гомогенных системах протекают обычно быстрее, чем в гетерогенных; механизм технологического процесса проще и управлять им легче, поэтому на производстве, если это возможно., стремятся перевести твердые вещества в жидкое состояние, например, путем растворения.

Основные факторы, влияющие на скорость всех реакций, — это концентрация реагирующих веществ, температура, наличие катализатора.

Влияние концентрации. Увеличение концентрации взаимодействующих веществ — один из самых распространенных приемов интенсификации процессов. 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.

Влияние температуры. Температура — важный фактор, опреде­ляющий скорость реакции. С повышением температуры скорость реакции возрастет, что связано с увеличением константы скорости реакции. Согласно правилу Вант-Гоффа повышение температуры на 10 °С увеличивает скорость реакции в 2...4 раза (в среднем в 3 раза) Это правило приближенное и применимо к реакциям, протекающим в области температур от 0 до 300 °С и в небольшом температурном интервале.

Для протекания химических реакций необходимо разорвать внутримолекулярные связи в молекулах реагирующих веществ. Если сталкивающиеся молекулы обладают большой энергией и ее достаточно для разрыва связей, то реакция пойдет; если энергия молекул меньше необходимой, то столкновение будет неэффективным и реакция не пойдет.

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 возрастает, в результате увеличивается скорость реакции.

Влияние катализатора. Катализатор—это вещество, которое резко изменяет скорость реакции. В присутствии катализаторов реакции ускоряются в тысячи раз, могут протекать при более низких температурах, что экономически выгодно. Велико значение катализаторов в органическом синтезе—в процессах окисления, гидрирования, дегидрирования, гидратации и др. Чем активнее катализатор, тем быстрее идут каталитические реакции. Катализаторы могут ускорять одну реакцию, группу реакций или реакции разных типов, т.е. они обладают индивидуальной или групповой специфичностью, а некоторые из них пригодны для многих реакций. Например, ионы водорода ускоряют реакции гидролиза белков, крахмала и других соединений, реакции гидратации и т. д. Существуют каталитические реакции, в которых катализатор является одним из промежуточных или конечных продуктов реакции. Эти реакции идут с малой скоростью в начальный период и с возрастающей — в последующий.

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

Присутствие в среде, где протекает реакция, посторонних веществ оказывает на катализатор различное влияние, одни нейтральны, другие усиливают действие катализатора, третьи его ослабляют или подавляют. Вещества, отравляющие катализатор, называются каталитическими ядами.

В зависимости от того, находится ли катализатор в той же фазе что и реагирующие вещества, будучи равномерно распределенным, в реакционной среде, или образует самостоятельную фазу, говорят о гомогенном или гетерогенном катализе. В гетерогенном катализе реагирующие вещества, как правило, находятся в жидком или газообразном состоянии, а катализатор — в твердом, при этом реакция протекает на границе двух фаз, т. е. на поверхности твердого катализатора. Например, каталитическая реакция гидрирования жиров — трехфазная: катализатор — металлический никель — образует твердую фазу, водород — газообразную, а жир — жидкую. Поэтому в данном случае речь идет о гетерогенном катализе.

При гетерогенном катализе большое значение имеют способ получения катализатора, условия проведения процесса, состав примесей и т.д. Катализаторы должны обладать значительной селективностью, активностью и сохранять эти свойства длительное время.

Большинство каталитических реакций положительно, т. е. в присутствии катализатора их скорость возрастает. Однако встречается отрицательный катализ, когда катализатор замедляет скорость реакции. В данном случае катализатор называют ингибитором, Если ингибитор тормозит процесс окисления, его называют антиокислителем или антиоксидантом.

Получение и хранение самых разнообразных пищевых продуктов сопровождаются протеканием химических процессов. Одни из них связаны с реакциями гидролиза, другие – с окислительно-восстановительными реакциями (меланоидинообразованием, сульфитацией, окислением и др.).

Гидролиз. Это реакция разложения сложных веществ (белков, жиров, углеводов) до более простых под действием кислот и щелочей с присоединением молекул 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 скорость гидролиза, при этих же условиях таких дисахаридов как мальтоза или лактоза.

Гидролиз крахмала — процесс каталитический. В качестве катализатора при гидролизе крахмала применяют минеральные кислоты, обычно хлороводородную кислоту. На скорость реакции оказывают влияние примеси, содержащиеся в крахмале. Реагируя с кислотой, они понижают ее концентрацию в растворе, в результате чего скорость реакции уменьшается. Наиболее сильно связывают кислоту фосфаты и аминокислоты.

Меланоидинообразование. Это сложный окислительно-восстанови-тельный 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 аминно 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 как аминокислоты, так и реагирующего с ней восстанавливающего сахара. При этом из аминокислоты образуются соответствующий альдегид, аммиак и диоксид углерода, а из сахара — фурфурол и оксиметилфурфурол. Альдегиды обладают определенным запахом, от которого зависит в значительной степени аромат многих пищевых продуктов. Фурфурол и оксиметилфурфурол легко вступают в соединение- с аминокислотами, образуя темноокрашенные продукты, называемые меланоидинами. Белки тоже могут вступать во взаимодействие с сахарами, но менее активно, чем аминокислоты, так как содержат меньше свободных аминных групп.

Образование меланоидинов — основная причина потемнения пищевых продуктов в процессе их изготовления, сушки и хранения. Особенно интенсивно эта реакция протекает при повышенных температурах во время выпечки хлебобулочных и мучных кондитерских изделии; в процессе уваривания сахарных растворов при производстве сахарного песка; при сушке солода; при самосогревании зерна; в процессе тепловой обработки вин; при приготовлении ирисных и помадных масс типа крем-брюле. Реакция меланоидинообразования сопровождается потемнением получаемых продуктов (фруктово-ягодного пюре, соков, повидла, хлеба), которое наблюдается при длительном нагревании этих продуктов при высокой температуре, а также при их фасовании в горячем виде и хранении при повышенной температуре.

При производстве ряда пищевых продуктов создают специальные условия для реакции меланоидинообразования. В хлебопечении, например, для получения пшеничного хлеба приятного вкуса, аромата, с румяной корочкой технологический процесс необходимо вести таким образом, чтобы к моменту выпечки в тесте содержалось определенное количество сахара (около 2...3 % к массе сухих веществ муки) и необходимое количество аминокислот, которые могут вступать в химическое взаимодействие.

Дегидратация. Одна из реакций, протекающая 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 сахара (сахарозу, глюкозу, фруктозу), вызывая ряд их превращений. Характер этих превращений различен и зависит от условий нагревания (степени и продолжительности теплового воздействия), реакции среды и концентрации сахара. Моносахариды, в частности глюкоза, при нагревании в кислой или нейтральной среде дегидратируют, т. е. разлагаются с выделением одной или двух молекул воды и образованием ангидридов глюкозы. Эти соединения являются реакционноспособными и могут соединяться друг с другом или с неизмененной молекулой глюкозы и образовывать так называемые продукты конденсации (реверсии). При длительном тепловом воздействии 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.

Сульфитация. При производстве ряда пищевых продуктов реакция меланоидинообразования нежелательна, например при получении сахара-песка. Существуют и другие причины, например, при переработке овощей и плодов потемнение происходит за счет протекания биохимических процессов и образования меланинов. С образованием меланинов связано потемнение очищенных и нарезанных яблок, картофеля при непродолжительном хранении на воздухе. Для предотвращения потемнения пищевых продуктов их сульфитируют, т.е. обрабатывают диоксидом серы или его производными, чаще всего Н₂SО₃. Диоксид серы как химический агент вызывает обесцвечивание многих растительных красящих пигментов и может быть использован для улучшения внешнего вида готового продукта. Диоксид серы получают путем сжигания серы в специальных печах, пропуская через них воздух.

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

S0₂ + Н₂О = Н₂SО₃.

Частично сернистая кислота переходит в серную:

H₂SO₃ + Н₂О = Н₂S0₄ + 2Н.

Выделяющийся при этом водород оказывает обесцвечивающее действие. Органические красящие вещества всегда содержат непредельные хромофорные группы (— С = С—), при восстановлении их сернистой кислотой по месту разрыва двойных связей присоединяется водород, в результате окрашенные вещества превращаются в бесцветные лейкосоединения. Эффект обесцвечивания может достигать 30 %.

Сульфитации подвергают диффузионный сок при его очистке в сахарном производстве, овощи и плоды при их переработке. Кратковременная, в течение нескольких минут, обработка картофеля, абрикосов, яблок перед сушкой позволяет улучшить внешний вид готового продукта, предотвратить его потемнение.

Диоксид серы, сернистая кислота и ее соли так же выполняют и роль антисептика, вызывая глубокие изменения в клетках микроорганизмов, особенно молочнокислых и уксуснокислых бактерий. Действие ее на микроорганизмы связано с восстанавливающими свойствами: являясь акцептором кислорода, сернистая кислота задерживает дыхание микроорганизмов, а реагируя с промежуточными продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, а также с ферментами, нарушает обмен веществ. Все это ведет к гибели микрофлоры.

Сернистая кислота оказывает влияние на растительную ткань сульфитированных продуктов. Под ее влиянием происходит коагуляция протоплазмы клеток нарушается тугор и сок частично выходит в межклеточное пространство, в результате чего ткань плода размягчается.

Являясь сильным восстановителем, сернистая кислота препятствует окислению химических веществ плодов. Блокируя ферменты, катализирующие необратимое окисление витамина С, сернистая кислота способствует его сохранению.

Вступая в соединение с красящими веществами плодов, сернистая кислота вызывает сильное обесцвечивание продукта. Все плоды и ягоды, имеющие красную, синюю и другую окраску (вишня, слива, малина, черная смородина и т. п.), после сульфитации теряют свой первоначальный цвет.

Окисление. Этот процесс играет большую роль при хранении жиров, масел и жиросодержащих продуктов. Жиры при длительном хранении приобретают неприятные вкус и запах — прогоркают, что связано как с химическими превращениями под действием света и кислорода воздуха, так и с действием некоторых ферментов. Наиболее простой случай прогоркания, часто наблюдаемый при хранении коровьего масла и маргарина, заключается в омылении жира и появлении в свободном виде масляной кислоты, которая придает продукту неприятный запах, свойственный этой кислоте.

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 разложения перекисей жирных кислот образуются альдегиды, придающие жиру неприятные запах и вкус.

При отсутствии кислорода воздуха процесс не идет, таким образом, при хранении жира в вакууме он не прогоркает. Присутствие в жирах солей металлов, особенно меди, которые являются катализаторами, увеличивается скорость окисления. На интенсивность реакции окисления жиров влияет степень ненасыщенности жирных кислот, чем ненасыщенность выше, тем быстрее жир окисляется. Наличие в жире белковых и слизистых веществ также ускоряет порчу жира, поэтому при получении жиров стремятся в максимальной степени избавиться от этих примесей.

В то же время присутствие в жирах и жиросодержащих продуктах антиоксидантов снижает скорость их окисления. Наиболее активными естественными антиокислителями являются токоферолы (витамин Е). Медленное окисление какао-масла, кунжутного масла и длительное хранение халвы, особенно тахинной, приготовленной на основе кунжута и продуктов его переработки, объясняется наличием в этих маслах природных антиокислителей. При производстве и очистке жиров антиокислители частично удаляют, что резко снижает стойкость жиров при хранении. Аналогичные процессы протекают при тепловой обработке пищеконцентратов, в результате которой жиры легко прогоркают. Добавление к ним антиокислителей позволяет значительно увеличить сроки хранения.

Животные жиры, как правило, очень бедны токоферолами, поэтому введение в состав жиров антиокислителей резко повышает стойкость их к прогорканию.

В последние годы синтезирован ряд веществ, обладающих антиокислительным действием. К ним относятся производные фенолов — бутилоксианизол, бутилокситолуол и др. Введение этих соединений в малых количествах (0,01 % к массе жира) резко замедляет процесс прогоркания жира. Фенолы и их производные входят в состав коптильной жидкости, содержатся в древесном дыме, поэтому копченые продукты, как правило, обладают стойкостью при хранении.

Использование смесей антиокислителей даст больший эффект, чем применение отдельного антиоксиданта. Суммарное действие смеси веществ, превышающее действие каждого компонента в отдельности, называется синергизмом. Подобным действием обладают также вещества, не являющиеся антиокислителями. К таким веществам относятся лимонная, аскорбиновая, виннокаменная кислоты, фосфатиды, сульфгидрильные соединения и др.