Изменения сахаров

В процессе технологической обработки пищевых продуктов сахара могут подвергаться кислотному и ферментативному гидролизу, а также глубоким изменениям, связанным с образованием окрашенных веществ (карамелей и меланоидинов).

Гидролиз дисахаридов. При нагревании дисахариды под действием кислот или в присутствии ферментов распадаются на составляющие их моносахариды. Сахароза в водных растворах под влиянием кислот присоединяет молекулу воды и расщепляется на равные количества глюкозы и фруктозы. При этом ион водорода кислоты действует как катализатор. Полученная смесь глюкозы и фруктозы вращает плоскость поляризации не вправо, как сахароза, а влево. Такое преобразование правовращающей сахарозы в левовращающую смесь моносахаридов называется инверсией, а эквимолекулярная смесь глюкозы и фруктозы – инвертным сахаром. Последний имеет более сладкий вкус, чем сахароза. Инвертный сахар образуется, например, при варке киселей, компотов, запекании яблок с сахаром.

Степень инверсии сахарозы зависит от продолжительности тепловой обработки, а также вида и концентрации содержащейся в продукте кислоты. Наибольшей инверсионной способностью обладает щавелевая кислота, в 10 раз меньшей, чем щавелевая, – лимонная, в 15 – яблочная, в 17 – молочная, в 35 – янтарная и в 45 раз меньшей – уксусная кислота.

Если готовить сахарные сиропы высокой концентрации (для помад) в присутствии кислоты или фермента инвертазы, то из сахарозы образуются не только глюкоза и фруктоза, но и продукты их изменения. В сиропе при получении инвертного сахара в присутствии фермента инвертазы обнаруживаются соединения фруктозы с сахарозой (кестоза), которые предохраняют сироп от засахаривания. Сироп, полученный в результате кислотного гидролиза сахарозы, засахаривается быстрее, чем сироп, приготовленный с инвертазой.

Карамелизация. Нагревание Сахаров при температурах, превышающих 100 °С, в слабокислой и нейтральной средах приводит к образованию сложной смеси продуктов, свойства и состав которой изменяются в зависимости от степени воздействия среды, вида и концентрации сахара, условий нагревания и т.д.

Наиболее изучен механизм превращения глюкозы. Нагревание пюкозы в слабокислой и нейтральной средах вызывает дегидратацию сахара с выделением одной или двух молекул воды. Ангидриды Сахаров могут соединяться друг с другом или с неизмененным сахаром и образовывать так называемые продукты реверсии (конденсации). Под продуктами реверсии, образующимися при разложении Сахаров, понимают соединения с большим числом глюкозных единиц в молекуле, чем у исходною сахара.

Последующее тепловое воздействие вызывает выделение третьей молекулы воды с образованием оксиметилфурфурола, который при дальнейшем нагревании может распадаться с разрушением У1леводного скелета и образованием муравьиной и левулиновой кислот или образовывать конденсированные (окрашенные) соединения.

Промежуточным продуктом при образовании левулиновой кислоты из оксиметилфурфурола может быть б-оксилевулиновый альдегид.

Вода, присутствующая в растворах Сахаров, способствует их необратимым изменениям. Уменьшение свободной воды при реакции разложения приводит к появлению значительных количеств продуктов реверсии (конденсации).

По мере нагревания сухой сахарозы отщепляется все больше молекул воды, в результате чего образуется большое количество продуктов разложения, в том числе производных фурфурола, альдегидов, акролеина, двуокиси углерода, смеси ангидридов.

При отщеплении от молекул сахарозы двух молекул воды образуется карамелан (С12Н18О9) – вещество светло-соломенного цвета, растворяющееся в холодной воде. При отщеплении от трех молекул сахарозы восьми молекул воды образуется карамелей (С36Н50О2^), имеющий ярко-коричневый цвет с рубиновым оттенком. Карамелей растворяется в холодной и кипящей воде. Более сильное обезвоживание нагреваемой массы приводит к образованию темно-коричневого вещества – карамелина (С24НзоО15), которое растворяется только в кипящей воде. При длительном нагревании образуются гуминовые вещества, растворимые только в щелочах.

Продукты карамелизации сахарозы являются смесью веществ различной степени полимеризации, поэтому деление их на караме-лен, карамелан, карамелин условное; все эти вещества можно получить одновременно. Отсюда состав различных продуктов карамелизации сахарозы выражают формулой С, «(Н2О)». Под влиянием пиролиза у них меняется отношение т: п–от 1,09 (у сахарозы) до 3,0. По достижении значения 1,3 продукты карамелизации Сахаров приобретают цвет. Некоторые продукты распада обладают повышенной люминесценцией, а иногда и горьким вкусом. Свойства красящих веществ, образующихся из сахарозы или гексоз, не зависят от вида сахара, из которого они получены.

Продукты карамелизации сахарозы могут образовывать соли и комплексные соединения с железом и некоторыми другими металлами. Подобно сахарам они реагируют с аминокислотами и обладают редуцирующей способностью.

В процессе производства кулинарных и кондитерских изделий, содержащих сахара, все перечисленные изменения могут протекать одновременно, а конечный продукт может представлять собой смесь веществ. Состав этой смеси зависит от многих факторов, основной из которых – термоустойчивость Сахаров.

Нагревание 4–0-замещенных производных глюкозы, таких, как мальтоза, лактоза, до высокой температуры (карамелизация) приводит к появлению веществ, влияющих на образование аромата. К таким соединениям относится мальтол. При наличии аминокислот это вещество образуется в большем количестве. Мальтол усиливает сладкий вкус, поэтому его применяют при производстве кондитерских изделий, а также в составе подслащивающих веществ, заменяющих сахар. Для ароматизации используют и метил-циклопентанолы с преобладающим сладким (лакричным) вкусом.

В процессе карамелизации образуются и другие компоненты с подобными свойствами.

Меланоидинообразование. (При взаимодействии альдегидных групп альдосахаров с аминогруппами белков, аминокислот образуются различные карбонильные соединения и темноокрашенные продукты – меланоидины. Реакция впервые была описана в 1912 г. Майаром и была названа по фамилии ее автора.

Начальная стадия – образование бесцветных соединений, не поглощающих свет: А – сахароаминная реакция, Б – перегруппировка Амадори и образование 1-амино-1-дезокси-2-кетозы в % 1,2 – енольной форме. Эти стадии реакции невозможно обнаружить измерением оптической плотности в видимой и УФ-областях спектра.

Промежуточная стадия – образование бесцветных и слабожелтых продуктов. Еще до появления видимой цветности они сильно поглощают свет в ультрафиолетовой области спектра: В-дегидратация Сахаров; Г – разложение Сахаров; Д – разложение аминокислот (по Штрекеру).

Конечная стадия характеризуется интенсивным нарастанием цветности: Е – альдольная конденсация (реакция конденсации

В результате реакции образуются также ароматические вкусовые вещества, причем по сравнению с реакцией карамелизации- в данном случае преобладают летучие компоненты, сильно влияющие на аромат.

Сахароаминная конденсация (взаимодействие Сахаров с аминокислотами с образованием N-гликозидов) – обратимая реакция, которая протекает при соотношении сахара и свободных аминогрупп 1:1. Енаминол – форма N-гликозида – далее может реагировать в двух направлениях. Первое направление – перегруппировка Амадори. В процессе нагревания или длительного хранения в N-гликозиде самопроизвольно происходит перемещение еноль-ного водорода к атому углерода с образованием двойной связи между первым и вторым атомами углерода и возникновение енольной формы 1-амино-1-дезокси-2-кетозы. Вначале образуется 2,3 – ендиол, а после отщепления амина – дикарбонильные соединения и редуктоны.

Блокирование в N-замещенных альдозиламинах ОН-группы у второго атома углерода исключает возможность перегруппировки Амадори, а следовательно, и образования цветности (покоричневения). Поэтому считается, что указанная перегруппировка является необходимым этапом реакции.

Реакционноспособные и ненасыщенные кетоны могут либо полимеризовываться в высокомолекулярные коричнево-черные меланоидины, либо расщепляться на простые летучие ароматообра-зующие вещества (метилглиоксаль, диацетил, ацетон и ацетальдегид). Они или непосредственно влияют на аромат, или вторично вступают в реакции с аминами до образования меланоидинов.

Второе направление реакции – образование дезоксиозонов через элиминирование гидроксильных групп у третьего углеродного атома.

Дезоксиозоны при отщеплении воды замыкаются в. кольцо с образованием фурфурола (пентоза) и 5-оксиметилфур - %фурола (гексоза). Одновременно в процессе расщепления аминного компонента появляются вещества, участвующие в образовании аромата.

Большая часть реакций, представленных на рис. 9, в основном касается компонентов сахара и может быть осуществлена при отсутствии аминов. Это указывает на определенную связь между реакцией карамелизации и меланоидинообразования.

Общей для структурных соединений, образующихся в результате реакции Майара, является группа СН3–С = С – СО –.I I ОН

Соединения, содержащие эту группу, обнаружены в пищевых продуктах, подвергшихся обжариванию (хлеб, кофе, какао, солод), при котором под воздействием высоких температур происходит неферментативное потемнение.

При термическом воздействии аромат образуется вследствие расщепления аминокислот по Штрекеру – процесс окислительного дезаминирования и декарбоксилирования аминокислот в альдегид (или кетон), содержащий на один. атом углерода меньше, чем исходная аминокислота.

Альдегиды, полученные из аминокислот, являются эффективными ароматообразующими веществами, незначительной концентрации которых достаточно для ощущения аромата. Так, лейцин превращается в 2-метилбутаналь; метионин-метиональ, изолейцин – в 3-метилбутаналь; фенилаланин – в фенилэтаналь. При наличии аминокислотных альдегидов значительно расширяется количество веществ, образующихся при реакции Майара.

Недостаточно изучены труднолетучие (например, горькие) вещества реакции Майара, а также сложные по структуре вещества с солодовым, карамелеобразным, хлебоподобным, горьким или «пригорелым» ароматом.

Сравнительно простую структуру имеют другие вещества, образующиеся в процессе покоричневения, – пиразины, среди которых преобладают короткоцепочечные соединения.

Пиразины в миллионных долях содержатся в продуктах, которые подвергались обжариванию (жареное мясо, хрустящий картофель, кофе, какао и др.).

На конечной стадии меланоидинообразования наблюдается сложное сочетание различных реакций полимеризации, приводящих к образованию как растворимых, так и нерастворимых (на последних этапах) красящих веществ, являющихся ненасыщенными флюоресцирующими полимерами. Полученные в результате альдольной конденсации различные безазотистые полимеры, а в результате альдегидами иной полимеризации и образования гетероциклических соединений – меланоидины обладают интенсивным цветом и в зависимости от условий образования содержат различное количество азота, имеют много непредельных связей и характеризуются восстанавливающими свойствами.

Продукты реакций меланоидинообразования оказывают различное влияние на органолептические свойства готовых изделий: заметно улучшают качество жареного и тушеного мяса, котлет, но ухудшают вкус, цвет и запах бульонных кубиков, мясных экстрактов и других концентратов.

Продукты реакции Майара обусловливают аромат сыра, свежевыпеченного хлеба, обжаренных орехов. Образование тех или иных ароматических веществ зависит от природы аминокислот, вступающих в реакцию с сахарами, а также от стадии реакции. Каждая аминокислота может образовывать несколько веществ, участвующих в формировании аромата пищевых продуктов.

Следствием меланоидинообразования являются нежелательные потемнение и изменение аромата и вкуса в процессе нагревания плодовых соков, джемов, желе, сухих фруктов и овощей, что обусловливает увеличение содержания альдегидов и потери некоторых аминокислот и Сахаров.

При невысоких температурах реакции протекают медленно, при температурах, близких к 100 °С и выше, ускоряются. Чтобы задержать нежелательные изменения, используют соединения, легко связывающиеся с карбонильными группами, такие, как, например, перекись водорода, сернистая кислота. Блокировка этих реакций может быть осуществлена путем устранения одного из взаимодействующих соединений, например глюкозы, или добавления фермента глюкозооксидазы, что используется при производстве яичного порошка.

Чем выше интенсивность образования коричневой окраски, тем ниже пищевая ценность белковых продуктов. В результате теряется от 20 до 50% свободных аминокислот, причем с увеличением продолжительности нагревания эти потери возрастают.

Так, при обжаривании мяса потери аминокислот и Сахаров наиболее значительны.

Таким образом, процесс меланоидинообразования, с одной стороны, снижает пищевую ценность готового продукта вследствие потери ценных пищевых веществ, с другой стороны, улучшает органолептические показатели кулинарных изделий.

Весьма перспективно использование меланоидиновых препаратов для имитации цвета, вкуса и запаха жареных продуктов, так как это позволит исключить жарку.

В настоящее время проводятся работы по выяснению биологической ценности продуктов меланоидинообразования.