Физико-химические изменения, происходящие при предварительной тепловой обработке продуктов

Предварительную тепловую обработку продуктов широко применяют при производстве сахара из свеклы, в мясной, молочной, рыбной промышленности и в консервном производстве.

Предварительной тепловой обработкой называют кратковременное (5-15 мин) воздействие на сырье горячей (80-100°С) воды, пара, растительного масла или животного жира.

В различных технологических процессах предварительная тепловая обработка проводится с разными целями, например, с целью изменения объема, массы, размягчения сырья, увеличения клеточной проницаемости и так далее.

Изменение объема и массы сырья. Предварительная тепловая обработка может преследовать цель как увеличить объем и массу сырья, так и уменьшить их. Например, при изготовлении мясорастительных консервов, в рецептуру которых входят сухие бобовые продукты, сухой горох или фасоль, их бланшируют в течение 10-20 мин. При набухании зерен во время бланширования благодаря впитыванию воды объем и масса бобов увеличивается примерно в 2 раза.

Обычно бланшируют также рис, масса которого при этом увеличивается на 100%.

При изготовлении мясных и рыбных консервов, а также некоторых видов варенья и компотов сырье подвергают бланшированию и обжариванию, при которых теряется часть влаги в сырье, вследствие этого повышается массовая доля сухих веществ, и в банки, таким образом, закладываются более концентрированные продукты.

Размягчение сырья. Предварительной тепловой обработке для размягчения сырья подвергают главным образом растительное сырье. Размягчают плоды и овощи для того, чтобы их можно было плотнее уложить в банки, или для облегчения удаления несъедобных частей - кожицы, косточек, семян - при последующем протирании на ситах.

Размягчаются плоды при тепловой обработке по двум причинам.

При нагревании гидролизуется протопектин, склеивающий отдельные клетки между собой и цементирующий растительную ткань. При гидролизе протопектин переходит в растворимую форму, клетки отделяются друг от друга, плодовая ткань мацерируется, становится рыхлой и мягкой.

Однако для гидролиза протопектина требуется относительно продолжительное время тепловой обработки плодов (15-20 мин).

Известно, что при нагревании растительной ткани до 80-85°С в течение 3-4 мин плоды становятся мягкими. Это вызвано тем, что при нагревании коагулируются белки протоплазмы, цитоплазменная оболочка повреждается, осмотическое давление, обусловливающее твердость (упругость) плода, стравливается и плод размягчается.

Увеличение клеточной проницаемости. В ряде случаев цитоплазменные оболочки растительных клеток препятствуют протеканию технологических процессов, и их необходимо разрушить, так как именно эти полупроницаемые мембраны препятствуют полному извлечению плодовых соков при прессовании.

Без предварительной тепловой обработки свекловичной стружки практически невозможно извлечь сахар с требуемыми скоростью и глубиной, достигаемыми в производственных условиях. От того, насколько удачно будет проведен этот процесс, зависят степень извлечения сахара из свеклы, доброкачественность и рН диффузионного сока, неучтенные потери на диффузии и другие показатели.

Предварительная тепловая обработка свекловичной стружки проводится главным образом для того, чтобы разрушить основные барьеры на пути сахарозы из вакуоли клеток к верхней поверхности стружки и множество мембран на границе внешней и внутренней поверхности цитоплазмы, а также на границе разнообразных органелл, включенных в цитоплазму.

Главным фактором, определяющим пропускаемость свекловичной ткани в результате нагрева, является степень изменения (денатурация) белков цитоплазмы, где основную роль играют температура нагрева и концентрация сахарозы. Сахароза может тормозить денатурацию.

Наряду с денатурацией белков цитоплазмы в процессе предварительной тепловой обработки на проницаемость ткани влияют другие факторы: экстракция растворимых веществ как из вакуоли, так и из пектинцеллюлозных оболочек клеток, и физико-химические изменения оболочек клеток.

Режимы предварительной тепловой обработки, концентрации сахара и другие факторы могут по-разному влиять на проницаемость цитоплазмы и клеточных оболочек и приводить к разным суммарным эффектам. Например, повышение температуры усиливает денатурацию белков протоплазмы, улучшая ее проницаемость, но в то же время способствует более быстрому растворению гидрофильных составляющих клеточной оболочки, что ухудшает проницаемость последней.

Понижение концентрации сахарозы в растворе усиливает денатурацию белков, но в то же время способствует общему уменьшению коэффициента диффузии.

Для оценки предварительной обработки свекловичной стружки в процессе экстракции используют коэффициент степени проницаемости (отпаривания) φ, который представляет собой отношение коэффициента диффузии сахара из свекловичной стружки D к коэффициенту диффузии из стружки того же качества D_o, прошедшей оптимальную тепловую обработку (φ = D/D_о).

Существует три диапазона температур, при которых характер изменения проницаемости свекловичной стружки в зависимости от времени тепловой обработки имеет свои особенности.

В диапазоне температур 50-60°С существует индукционный период (3-5 мин), в течение которого тепловое воздействие не влияет на проницаемость стружки. В последующем проницаемость свекловичной стружки возрастает, но не достигает максимально возможной величины.

В диапазоне температур 60-75°С индукционный период отсутствует. Коэффициент диффузии возрастает в течение 10-15 мин теплового воздействия, после чего несколько уменьшается.

При температурах выше 75°С максимальные значения коэффициентов диффузии наблюдаются при самых непродолжительных периодах тепловой обработки - до 2,5 мин. После этого наступает период относительного постоянства величины коэффициента диффузии, который затем уменьшается.

Полагают, что наличие индукционного периода, выражающего сдвиг между началом теплового воздействия и изменением проницаемости ткани при температуре 50-60°С, связано с тем, что при этих температурах процессы денатурации, протекающие в несколько стадий, развиваются медленно. Поэтому от момента теплового воздействия до стадии денатурации, на которой начинает изменяться проницаемость протоплазмы, проходит определенный период времени - тем меньший, чем выше температура теплового воздействия: при 50°С - 5 мин, при 60°С - 3 мин. Один из наиболее эффективных технологических приемов, позволяющих повредить цитоплазменные мембраны, - бланширование плодов водой или паром. Повреждения цитоплазменных мембран и увеличения клеточной проницаемости можно достичь на разных температурных уровнях - начиная с 65°С, при соответствующей продолжительности обработки. Естественно, что чем выше температура бланширования, тем меньше необходимое время обработки.

Цитоплазменные мембраны являются препятствием также и в том случае, когда нужно не извлечь содержимое клеток, а наоборот, пропитать чем-либо клетку извне, например, сахаром или солью.

Непроницаемость цитоплазменных мембран является большой помехой при производстве варенья. При варке варенья протекают противоположные по направлению диффузионно-осмотические процессы, в результате которых из плодов извлекается влага, а внутрь клетки проникает сахар из окружающего плоды сиропа.

После варки плоды должны сохранять первоначальный объем и не быть сморщенными, соотношение между плодами и сиропом должно находиться на уровне 1:1. Исходя из этого, варенье надо варить так, чтобы количество извлекаемой при варке влаги W компенсировалось количеством впитываемого сахара С, то есть отношение W/C должно быть около единицы.

Если погрузить свежие плоды или их дольки в сахарный сироп, то в первые минуты, пока плоды еще не прогрелись и цела протоплазма, происходит лишь осмотическое отсасывание влаги, а диффузионное проникновение сахара внутрь плодовых клеток задерживается непроницаемой для сахара цитоплазменной оболочкой. Поэтому плоды сразу же и сморщиваются.

В дальнейшем цитоплазма при нагревании плодов повреждается, и сахар проникает в клетку. Но к этому моменту влаги извлечено уже слишком много, и нужной компенсации достичь не удается.

Если же плоды до варки пробланшировать, то клеточная проницаемость их возрастает, и при последующем погружении в сироп оба процесса - осмотическое отсасывание влаги из клеток и диффузионное перемещение сахара в клетку - будут идти одновременно. Плоды при этом останутся целыми, несморщенными.

Инактивирование ферментов. Кратковременное прогревание, или бланширование при 80-100°С, инактивирует большинство ферментов, прекращает их деятельность и тем самым предупреждает ферментативную порчу.

Потемнение нарезанных семечковых плодов на воздухе вызывается деятельностью окислительных ферментов. Схему окислительного процесса ферментативного потемнения нарезанных плодов можно выразить следующим образом.

На первой стадии фермент (обозначаемый буквой А) присоединяет молекулярный кислород воздуха и активирует его, образуя соединение типа пероксида:

А + О₂ → АО₂.

Если в плодах имеется соответствующий субстрат восстановительного характера (дубильные вещества, полифенолы, обозначаемые буквой В), то образовавшийся органический пероксид АО₂ отдает кислород уже в атомарном виде, окисляя таким образом дубильные вещества, которые молекулярным кислородом воздуха не окисляются. Поэтому вторая стадия ферментативного процесса протекает по схеме:

АО₂ + 2В → А + 2ВО.

При этом фермент восстанавливается в первоначальном виде, а образующийся оксид ВО представляет собой темноокрашенное соединение, называемое иногда флобафеном.

Для предотвращения действия ферментов при консервировании плодов и овощей применяют кратковременное (5-10 мин) бланширование в воде при температуре 85-100°С.

Инактивирование ферментов лучше протекает в кислой среде, поэтому при бланшировании воду подкисляют лимонной или винно-каменной кислотой до концентрации 0,1-0,2%.

Гидролиз протопектина. Желеобразную консистенцию фруктовой продукции (повидло, мармелад, желе) придает растворимый пектин. В присутствии сахара и кислоты пектин образует студни.

Полагают, что желе получается тогда, когда осаждение пектина происходит в агрегатах мицелл в присутствии сахара, который действует как обезвоживающий агент, поглощающий сольватные оболочки, и в присутствии водородных ионов, нейтрализующих отрицательные заряды пектиновых молекул. Образовавшееся желе представляет собой сплетение фибрилл из пектиновых молекул, промежутки между которыми заполнены сахарным сиропом.

В некоторых плодах пектина содержится мало, и при производстве желеобразной продукции приходится добавлять так называемые желирующие соки, то есть соки из плодов с большим содержанием пектина.

Иногда пектиновых веществ в плодах много, но они находятся главным образом в нерастворимой форме в виде протопектина. В этом случае плоды обрабатываются так, чтобы прошел гидролиз протопектина и он превратился в растворимую форму. Чтобы гидролизовать протопектин, плоды бланшируют паром в течение 10-20 мин.

Удаление воздуха. Содержащийся в межклеточных пространствах растительной ткани воздух попадает в готовую продукцию, а также действует на промежуточных этапах на сырье, вызывает ухудшение качества продукта, способствует коррозии металлической тары, вызывает повышенное давление в банках при стерилизации. При бланшировании большая часть воздуха из сырья удаляется.

Улучшение вкусовых свойств. Для улучшения вкусовых свойств, придания продукту специфических вкусовых качеств применяют обжаривание в жире - при производстве мясных консервов, или растительном масле - при производстве рыбных и овощных консервов.

Наряду с улучшением вкуса при обжаривании продукт теряет некоторое количество влаги, в результате в нем повышается содержание сухих веществ, следовательно, и его калорийность.

Механизм образования вкусовых веществ и отделения влаги при нагреве такой же, как при варке или жаренье, когда продукт доводится до состояния кулинарной готовности.