Фізико-хімічні зміни моносахаридів, дисахаридів та крохмалю

Крохмаль — білий порошок, що нагадує борошно. Вміст води близько 10—20%, крохмаль гігроскопічний. Крохмаль складається зі сполук гігантських молекул, у яких число лишків глюкози неоднакове. Крохмаль має дві основні фракції — амілозу (10—20%) і амілопектин (80—90%) Молекула амілози має слабко розгалужену структуру і її розглядають як прямий ланцюг, що складається з глюкозних залишків, зв'язаних глікозидними зв'язками між першим і четвертим вуглецевими атомами. Число залишків у залежності від 200 до 1000.

Існує два типи амілоз:

З відповідно низьким ступенем полімеризації (порядку 2000), цілком розчіплюється б-амілозою;

З великим ступенем полімеризації (понад 6000), розчеплення складає 60%.

Амілоза розчиняється у гарячій воді, але ці розчини не стійкі; при відстоюванні випадає осадок амілози. При додаванні в розчин амілози йоду виникає інтенсивне забарвлення.

Молекули амілопектину подібно до молекул амілози складаються з ланцюгів глюкозних сильно розгалужених залишків. У містях розгалужень ланцюгу є б-глюкозидні зв'язки. Перший атом вуглецю одного глюкозидного залишку зв'язаний із шостим іншого за допомогою б-глюкозидного зв'язку. Розчин амілопектину зафарбовується йодом у червоно-фіолетовий колір.

Набухання і клейстеризація. Набухання зерна супроводжується розчепленням структури полісахаридів, в результаті проникнення дисоційованих молекул гарячої води між щільно упакованими крохмальними полісахаридами в результаті зменшення міцності водневих зв'язків при підвищенні температури. Тепло, що поглинається на цьому етапі, відповідає енергії, затрачуваній для руйнування одного-двох водневих містків кожного глюкозного залишку.

При подальшому нагріванні (до досягнення максимуму в'язкості) виникає розрив водневих зв'язків, і дисоційовані молекули води зв'язуються гідроксильними групами полісахаридів за схемою

Надалі енергія, що підводиться, і тепловий рух полісахаридних ланцюгів приводять до руйнування водневих містків між водою й гідроксильними групами. Набухлі зерна починають розпадатися, унаслідок чого знижується в'язкість клейстеру.

Процес клейстеризації має декілька стадій:

Перша стадія – при температурі 50-60ºС крохмальні зерна збільшуються зберігаючи при цьому шаровану форму. Перша стадія клейстеризації крохмальних зерен не однакова в залежності від назви крохмалю.

На цій стадії вода, що знаходиться в середину крохмальних зерен, розчи- няє певну кількість полісахаридів. Невелика кількість їх (в основному амілоза) переходять із крохмальних зерен у навколишнє середовище — воду.

Тому не можна визначити температуру клейстеризації, а можна лише вкавказати температурний інтервал, у якому клейстеризуються усі зерна того чи іншого крохмалю (табл. 14).

Таблиця 14. Температура клейстеризації крохмалю,°С

Крохмаль	Середня температура клейстеризації	Інтервал клейстеризації
початок	кінець
Картопляний	62,8	56,4	69,3
Пшеничний	64,01	54,05	73,97
Кукурудзяний	67,80	60,70	75,20
Рисовий	67,70	50,60	77,80

Нагрівання вище від температури, що викликає першу стадію клейстеризації, спричиняє більш сильне руйнування нативної структури крохмальних зерен. Шарована будова їх зникає. Зерна збільшуються за розміром у кілька десятків разів і перетворюються на пухирці наповнені розчиненою амілозою, а також сильно набухлим амілопектином, що в більшій або меншій мірі розчинився. Значно збільшується надходження полісахаридів у воду, яка оточує крохмальні пухирці. Завдяки постійно зростаючому набуханню крохмальних пухирців кількість води в них сильно зменшується.

У результаті зазначених змін клейстер, зберігаючи властивості золю, стає більш в'язким. При порівнянні в'язкості клейстерів, приготовлених із картопляного крохмалю десятихвилинним нагріванням при температурі 70-80°С, видно, що вона збільшується майже у 3 рази порівняно з першою стадією.

Нагрівання клейстеру вище 80°С приводить до розпаду крохмальних зерен і диспергування полісахаридів. Процес цей проходить інтенсивніше, чим вища температура, і супроводжується зниженням в'язкості клейстеру (рис. 5).

Присутність у воді солей, цукрів та інших речовин впливає на температуру клейстеризації крохмалю та в'язкість клейстеру. Кухонна сіль навіть у дуже малих концентраціях підвищує температуру клейстеризації й зменшує набухання крохмальних зерен, наслідком чого є помітне зниження в'язкості клейстеру. Цукор також підвищують температуру клейстеризації.

Зменшення в'язкості клейстеру спостерігається при зниженні рН середовища. В харчових продуктах рН становить 4—7. нижчих значеннях (рН близько 2,5- в'язкість різко падає.

У процесі кулінарної обробки продуктів крохмаль піддається нагріванню близько до 100°С, із різною кількістю води. Залежно від стану крохмалю й води, отриманий клейстер має характер золю або гелю.

Крохмальні золі різної в'язкості є основою таких кулінарих виробів, як киселі пюре та соуси (вміст крохмалю2%). Розрідження киселів виникає при розпаді крохмальних пухирців і відбувається у разі, коли кисіль варять довше, ніж потрібно, або коли його повільно прохолоджують після приготування.

Клейстер набуває характеру гелю, коли крохмальні пухирці тісно стикаються між собою внаслідок повного поглинання ними води. Полісахариди, що перейшли у розчин, скріплюють поверхні прилягаючих одне до одного зерен, що надає гелю певну міцність, котра зростає при охолодженні. Густі киселі, у яких міститься 6—8% крохмалю, утворюють собою досить міцні гелі.

У кулінарних виробах гелі складаються із крохмальних пухирців, наповнених желеподібним вмістом.

У виробах із зернових продуктів і картоплі крохмальний гель заповнює клітини паренхімної тканини, закапсульованим у клітинних оболонках. У макаронних виробах він розподілений між білковими плівками.

У хлібобулочних і кондитерських виробах крохмальний гель мало зволожений. Тісто містить обмежену кількість води. Тому, хоча під час випічки й прогрівається вся маса виробів до температури 100°С, крохмаль досягає тільки першої стадії клейстеризації при цьому зерна крохмалю зберігають шаровану будову.

Розчинення крохмальних полісахаридів у процесі клейстеризації сприяє збільшенню водорозчинних речовин у продуктах, що містять крохмаль і піддаються тепловій обробці. Так, вміст водорозчинних речовин у кашах у кілька разів вищий, ніж у крупах, незважаючи на те, що при варінні каш водорозчинні білки круп у результаті денатурації переходять у нерозчинений стан.

Старіння клейстеризованого крохмалю. При охолодженні й зберіганні кулінарних виробів, відбувається старіння клейстеризованого крохмалю. Це зменшення вмісту розчинених речовин в результаті руйнування клейстеризованих крохмальних зерен.

Старіння клейстеризованого крохмалю у кашах і відварені вермішелі спостерігається через 2 год. з моменту їхнього при готування. Надалі зниження вмісту розчинних речовин продовжується, причому у кашах, приготовлених з однакових круп, старіння крохмалю залежить від вихідної вологості. Чим вища вологість, тим у більші мірі зменшується кількість розчинних речовин. Крім того, спостерігається неоднакове старіння клейстеризованого крохмалю у кашах, приготовлених із різних круп, але з однаковою вихідною вологістю. У кашах із вологістю 78 % зменшення водорозчинних речовин складає, % до початкового: через 4 год. Після їхнього приготування — у пшоняної — 19,4, рисової— 14, гречаної —12,2, манної — 8; після добового зберігання — у пшоняної — 24,5, рисової 18,5, гречаної— 14,9, манної — 13.

Таким чином, у пшоняній каші міра старіння клейстеризованого крохмалю сильніша, ніжу манної й гречаної. Підвищення температури зберігання відбивається на динаміці процесу старіння

Протягом 4 год. каші та відварена вермішель зберігаються, свіжому вигляді при температурі 70—80ºС. Після 24-г динного зберігання при температурі 2-6ºС вироби нагріти до 95 °С, кількість водорозчинних речовин збільшується (табл.17).

Таблиця 17. Збільшення вмісту водорозчинних речовин при підігріванні охолоджених виробів

Вибір	Водорозчинні речовини. % на абсолютно суху речовину	Водорозчинні речовини. % до вихідного у виробах, що зберігалися 24 год.
каші	Щойно приготовлені	зберігалися 24 год.	холодні	нагріті до 95ºС
		холодні	нагріті
Гречана Пшенична рисова	17,9   18.2   26,6	15.2   13.8   21.8	17,9   15.8   22,8	84.9   75,9	95,8<
Вермішель відварена		17.2	19,7	85,9	98.3

Це свідчить про те, що старіння клейстеризованого крохмалю - процес у більшій чи меншій мірі зворотний.

Ферментативне розщеплення крохмалю. Існує два типи ферментативного гідролізу крохмалю: розрідження — утворення порівняно великих високомолекулярних осколків декстринів і сахарифінація - утворення переважно низькомолекулярних вуглеводів (дисахариду мальтози, що складається з двох молекул глюкози). У найбільш загальній формі різних амілаз можна показати в такий спосіб:

а -амілаза

Крохмаль._____________Декстрин+Мальтоза.

розріджуюча

В-амілаза

Крохмаль_____________ Мальтоза + Обмежена кількість декстринів.

сахарифінуюча

Декстриназа

Декстрини Мальтаза

Амілоглюкозидаза

Крохмаль або декстрини Глюкоза

Крохмаль не є однорідною речовиною, а утворює собою суміш двох структурно різних полісахаридів амілози 15-25% й амілопектину 85-75%.

Кінцевими продуктами розщеплення крохмалю є мальтоза й високомолекулярні декстрини.

Крохмалі, властивості яких змінюються у результаті спеціальної обробки, називаються модифікованими. Останні поділяються на дві групи:

розщеплені крохмалі, при обробці яких відбувається розщеплення полісахаридних ланцюгів;

заміщені крохмалі, властивості яких змінюються переважно в результаті приєднання хімічних радикалів або спільної полімеризації з іншими високомолекулярними сполуками.

Модифіковані крохмалі широко використовуються в харчовій промисловості.

Клейстери розщеплених крохмалів мають, як правило, знижену в'язкість, вищу прозорість і підвищену стабільність при зберіганні. Розщеплені крохмалі на підприємствах громадського харчування використовують при виробництві охолодженої й замороженої кулінарної продукції.

4. 3. Зміна вуглеводів клітинних стінок харчових продуктів

До вуглеводів клітинних стінок належать пектин, целюлоза, геміцелюлоза, а також інші сполуки.

До складу клітинної оболонки входить клітковина інкрустована геміцелюлозою, лігніном, пектиновими речовинами. Окремі рослинні клітини з'єднані між собою серединними пластинками, котрі складаються з протопектину.

Кількість клітинних стінок у рослинних харчових продуктах залежить від виду й сорту продукту. Наприклад, у коренеплодах (буряку, моркві), у листових овочах (капусті білокачанній, салаті, шпинаті) їх міститься 1,4—2, в овочах плодової групи (помідорах, кабачках) —0,7%. У крупах клітинні стінки складають 1,5—5%, особливо у зернобобових — 7—10%.

Серединні пластинки складаються переважно з протопектину, який у старих тканинах може супроводжуватися лігніном.

У більшості овочів клітковина складає 30— 45% клітинних стінок, у деяких — до 50% (редька) й навіть 60 % (кольрабі).

Геміцелюлози клітинних оболонок харчових продуктів (арабан, глюкан, галактарабан, арабаноксілан) вивчені мало. У клітинних стінках овочів і картоплі визначаються тільки пентозани 20—25%.

Лігнін, не будучи полісахаридом, безпосередньо стосується структури й міцності клітинних стінок Він не розчиняється у не є складовою частиною клітинних оболонок і зустрічається у невеликих кількостях. У клітинних стінках буряка його міститься близько 10%.

У продуктах міститься від 2 до 6%. у яблуках, айві, сливі, смородині — до 10, у моркві—15% протопектину.

Пектиновими речовинами називають поліураніди, котрі присутні у всіх наземних рослинах у водоростях. Зустрічаються нерозчинні й розчинні пектинові речовини (протопектину). Головним моносахаридом, котрий входить до складу виділених у такий спосіб речовин, є D-галактуронова кислота.

Гідротермічна обробка продуктів рослинного походження, що містять протопектин у серединних пластинах, приводить до того, що утворюється нова речовина — пектин, котрий має здатність розчинятися в холодній воді (желеутворення).

Полігалактуронові (пектинові ланцюжки), будучи структурними елементами протопектину, можуть бути зв'язані в ньому різними містками — сольовими, ефірними, ангідридними тощо. Постійна присутність у клітинних стінках Са й М§ вказує ймовірність їхньої участі в утворенні сольових містків шляхом заміщення водню в неетерифікованих СООН групах двох пектинових ланцюжків.

Вплив теплової дії на зміну вуглеводів клітинних стінок рослинних продуктів

Целюлоза й велика частина геміцелюлоз при нагріванні у воді розчиняються частково, а глюкан і галактан повністю. У залежності від властивостей вихідного протопектину й умов теплової обробки одержують пектин, котрий складається з полігалактуронових кислот, різних за мірою полімеризації та вмістом метаксильних груп.

На перехід протопектину в розчинний пектин істотно впливають режим і тривалість теплової обробки. Так, при варінні буряка протягом 1год. руйнується 10—15%, а 1,5 год. — до 20% від загальної кількості її пектинових речовин. Розчеплення протопектину приводить до зменшення міцності серединних пластинок, унаслідок чого послаблюється зв'язок між клітинами тканини.

Незважаючи на розпушення, клітинні оболонки у процесі теплової обробки, як правило, залишаються цілими. При тривалому варінні, коли серединні пластинки повністю руйнуються (мацерація), паренхімна тканина розпадається на окремі клітини зі збереженням цілісності оболонок. Клітинні оболонки не розриваються й при протиранні деяких зварених продуктів у гарячому стані. При охолодженні зварених продуктів клітинні оболонки, втрачають еластичність і стають крихкими, а пектин знову склеює клітини, хоча й значно слабкіше. Це служить причиною розриву клітинних оболонок при протиранні охолоджених продуктів, що особливо сильно виражено в картоплі. Мікроскопія препаратів пюре, отриманого шляхом протирання охолодженої вареної картоплі, і показує, що у значної частини клітин, оболонки розірвані. Клейстер що звільнюється з клітин, дає пюре клейким, тягучим. Пюре, приготовлене з гарячої картоплі, завдяки збереженню цілості клітин, пухке й об’ємне.

Фактори, що впливають на швидкість переходу протопектину в розчинний пектин

На швидкість зниження міцності паренхімної тканин розщеплення протопектину, впливають три основні фактори — температура, реакція середовища властивості продукту.

Вплив температури. Рослинні продукти нагрівають і доводять до готовності звично при температурі близькій до 100°С. При вищій температурі розщеплення протопектину прискорюється, тоді як при нижчій температурі процеси значно сповільнюються. Так, якщо очищену бульбу картоплі розрізати на 4 рівні частини, покласти у воду з температурою 100, 95, 90, 85ºС, то для доведення картоплі до готовності потрібно відповідно 19,27,36,73 хв. Отже, зменшення температури від 100 до 95 "С сповільнює розщеплення протопектину серединних пластинок картоплі у 1,5 рази, до 90 "С—у 2 рази при 85ºС.

Вплив реакції середовища. Швидкість розщеплення протопектину залежить від рН середовища. Наприклад, буряк, тушкований з оцтом твердіший, ніж без оцту. Якщо при варінні капусняку картоплю покласти одночасно з квашеною капустою або після неї, то вона залишиться твердою. Таким чином, чим вища концентрація водневих іонів розчину, тим менше утворюється пектину й тим твердіша консистенція продукту.

Вплив властивостей продукту. Швидкість зменшення міцності паренхімної тканини обумовлюється не тільки зовнішніми факторами, але й від властивостей продукту. Сорти гороху, що легко розварюються, містять значно більше мезоїнозитгексафосфорної кислоти (фітину), ніж сорти, що довго розварюються. Розщеплення протопектину регулюється іонообмінною реакцією, яка відбувається між іонами К. і Nа з одного боку, і Са, М§ — з іншого. Роль обмін виконують серединні пластинки, у яких Са і М§ утворюють сольові містки, котрі зв'язують полігалактуронові ланцюжки у міцний протопектиновий комплекс.

Чим багатший горох на фітинову кислоту, тим більше у процесі його варіння осаджується двовалентних іонів, більше виводиться їх із серединних пластинок і заміщується одновалентними іонами і отже, тим інтенсивніше йде розщеплення протопектину. І навпаки чим нижчий вміст її в горосі, тим менше осаджується іонів Са і М§, заміщення їхніми іонами К й Nа протікає слабко і на певній стадії зупиняється. У першому випадку горох швидко досягає готовності у другому — довго вариться й недостатньо розм'якшується.

Погіршення розварюваності гороху після зберігання пояснюється зменшенням вмісту фітинової кислоти, що гідролізується фітазою.

Тема 5. ЗМІНА ВМІСТУ ВІТАМІНІВ НА РІЗНИХ СТАДІЯХ

ВИРОБНИЧОГО ПРОЦЕСУ