Кислотный гидролиз (инверсия) сахаров

Сахароза пищевых продуктов при производстве блюд и изделий нагревается при варке до t =102⁰С, а при жарке до 135⁰С и выше. В присутствии кислот, под влиянием теплового воздействия сахара разлагаются, происходит их инверсия, т. е. расщепление на глюкозу и фруктозу.

Н⁺

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

сахароза глюкоза фруктоза

Смесь глюкозы и фруктозы называют инвертным сахаром. Он имеет более сладкий вкус, изменяет удельное вращение раствора с правого на левое, предохраняет растворы от засахаривания.

Это явление отмечается при тепловой обработке фруктов и ягод в присутствии сахара (варка компотов, джемов, варенья), варке помадки, выпекании яблок, приготовлении фруктово-ягодных напитков т. д.

Фруктоза инвертного сахара не только увеличивает его сладость, но и делает его самым гигроскопичным сахаром.

Повышенная гигроскопичность инвертного сахара и поглощение им воды из окружающей среды ограничивает применение её (фруктозы) в кондитерской промышленности. А для таких изделий как мармелад, некоторые виды пастилы, применение фруктозы и инвертного сахара, наоборот, желательно, т. к. эти кондитерские изделия не должны быстро высыхать.

Степень и скорость инверсии зависит от параметров технологического процесса. Среди них важнейшими являются продолжительность процесса, температура гидролиза, концентрация сахарозы, концентрация и вид кислоты.

С повышением температуры и увеличением сроков тепловой обработки степень гидролиза увеличивается. В менее концентрированных по сахару системах, при одинаковых условиях, гидролиз идет лучше, чем в более концентрированных.

Инверсия сахарозы ускоряется в присутствии кислот. В плодах и ягодах содержатся в основном лимонная и яблочная кислоты, в значительно меньшей степени такие кислоты как винная, щавелевая, янтарная, салициловая.

Лимонная кислота содержится в основном в цитрусовых плодах и в ягодах, как в свободном состоянии, так и в виде солей, а яблочная – в семечках и косточках плодов. Активная кислотность (рН) плодов и ягод от 2,6 до 6.

Так как ион водорода выполняет функцию катализатора процесса гидролиза, то важно знать его источник. Лучшими инверсионными способностями обладают минеральные кислоты, особенно соляная. Наибольшей инверсионной способностью среди органических кислот обладает щавелевая кислота

в 10 раз меньшей – лимонная,

в 15 раз – яблочная,

в 17 раз – молочная,

в 35 раз – янтарная,

в 45 раз – уксусная.

Количество инвертированной сахарозы в продукте зависит от продолжительности тепловой обработке. Так, если варить в сахарном сиропе (18%) очищенные и нарезанные яблоки, количество инвертированной сахарозы колеблется от 14 – 19% от общего количества. Если при варке яблок, варенья, компотов добавляют лимонную кислоту, то степень инверсии сахарозы повышается до 50%.

Однако варка моркови, свеклы (с высоким содержанием сахаров) не сопровождается инверсией содержащихся в них сахаров, т. к. активная кислотность этих овощей очень малая (рН 6,3 – 6,7), а содержащаяся в них яблочная кислота обладает небольшой инверсионной способностью.

Промышленностью выпускается инвертный сироп из сахарного сиропа. Он является водным раствором фруктозы и глюкозы. Он менее вязкий, чем патока, более гигроскопичен благодаря наличию фруктозы.

Мед – это природный инвертный сахар, который получается за счет действия фермента инвертазы. В результате колебаний температуры, охлаждения, длительного хранения он засахаривается за счет либо температурного перенасыщения, либо за счет снижения ферментативной активности инвертазы.

Глубокий распад сахаров наблюдается при проведении целого ряда кулинарных процессов.

1) При приготовлении и в начальной стадии выпечки дрожжевого теста - брожение.

2) В процессе нагревания сахара или сахарного сиропа - карамелизация.

3) При тепловой обработке пищевых продуктов, содержащих редуцирующие сахара и свободные аминокислоты - меланоидинообразование.

При производстве дрожжевого теста основную роль играет процесс брожения, при котором глубокому расщеплению подвергаются моносахариды (глюкоза и фруктоза), содержащиеся в муке и образующиеся в тесте в результате гидролиза сахарозы и мальтозы.

Среди многочисленных процессов протекающих при брожении теста, основную роль играет спиртовое брожение, в результате которого гексозы распадаются на углекислый газ и этиловый спирт.

С₆Н₁₂О₆ 2СО₂ + 2С₂Н₅ОН

Углекислый газ и этиловый спирт являются окончательными продуктами химических реакций, каждая из которых протекает под воздействием особого фермента.

При спиртовом брожении в незначительных количествах образуются побочные продукты: янтарная кислота, сивушные масла (смесь спирта амилового, изоамилового, бутилового и др.), уксусный альдегид, глицерин и др. Наиболее легко подвергается сбраживанию глюкоза и фруктоза, медленнее вступает в реакцию галактоза. Пентозы дрожжами не сбраживаются.

Дисахариды и мальтоза сбраживаются только после предварительного гидролиза на составляющие их моносахариды.

Глубокий распад гексоз происходит также в процессе молочнокислого брожения, сопутствующего спиртовому:

С₆Н₁₂О₆ 2СН₃СНОНСООН (молочная кислота)

Вызывается молочнокислое брожение попадающими в тесто с мукой гомо- и гетероферментативными молочнокислыми бактериями.

Гомоферментативные бактерии образуются из гексоз молочную кислоту, а гетеро- дополнительно ещё образуют уксусную кислоту, этиловый спирт и другие продукты. Такие процессы происходят так же в процессе приготовления кисломолочных продуктов (за счет лактозы), квасов, заквашивания овощей, фруктов.

Среди основных изменений углеводов, которые происходят под действием технологических факторов, являются изменения внешнего вида, цвета, вкуса, запаха и физико-химических показателей. Объединяющим признаком среди этих изменений является изменение цвета, поэтому их называют еще неэнзиматическое побурение (или неферментативное покоричневение).

Потемнение пищевых продуктов может происходить в результате окислительных или неокислительных реакций. Окислительное или ферментативное потемнение – это реакция между фенольным субстратом и кислородом, катализируемая ферментом полифенолоксидазой. Это потемнение, имеющее место на срезе яблок, бананов, груш, картофеля, не связано с углеводами.

Неокислительное или неэнзиматическое побурение представлено в пищевых продуктах очень широко. Оно связано с реакциями углеводов.

Продукты неэнзиматического побурения делятся на продукты, которые формируются за счет преобладания процесса карамелизации, и продукты, формирующиеся в процессе меланоидинообразования.

Карамелизация

Нагревание сахаров до высоких температур вызывает их глубокие изменения с появлением новых темно-окрашенных продуктов, при этом процесс называется карамелизация. Происходящие при этом процессы ещё не достаточно изучены, протекающие процессы зависят как от состава сахаров, так и от условий его нагрева.

Невысокие концентрации кислот, щелочей и некоторых солей каталитически ускоряют этот процесс. При нагревании сахарозы при температуре 160-185⁰С образуются моносахариды глюкоза и фруктоза. Наиболее чувствительна к последующему нагреванию фруктоза, скорость её изменения в 7 раз больше глюкозы. Поэтому при дальнейшем нагревании от фруктозы отщепляется вода и образуется фруктозан, а затем от глюкозы отщепляется вода и образуется ангидрид глюкозы глюкозан:

+Н₂О

С₁₂Н₂₂О₁₁ С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

сахароза глюкоза фруктоза

+ Н₂О

С₆Н₁₂О₆ С ₆Н₁₀О₅ (ангидрид)

фруктоза фруктозан

+Н₂О

С₆Н₁₂О₆ С₆Н₁₀О₅ (ангидрид)

глюкоза глюкозан

При дальнейшем повышении температуры оба ангидрида соединяясь, образуют изосахарозан (реверсия):

С₆Н₁₀О₅ + С₆Н₁₀О₅ = С₁₂Н₂₀О₁₀