Факторы, влияющие на температуру клейстеризации

Добавление соли даже в очень небольших количествах повышает температуру клейстеризации и уменьшает набухаемость крахмальных зёрен.

Сахара и спирт также повышают температуру клейстеризации.

Фосфатиды и лецитин - повышают температуру клейстеризации, увеличивают вязкость клейстера.

На вязкость клейстера влияют ПАВ (глицериды), которые снижают её, но одновременно являются стабилизаторами вязкости, особенно моноглицериды - они снижают липкость макаронных изделий, предупреждают образованию студня в супах, соусах, задерживают черствение хлеба.

Белки оказывают стабилизирующее действие на процесс клейстеризации. Так, соусы с мукой более стабильны при хранении, замораживание и оттаивание, чем клейстеры на очищенном крахмале.

В охлаждённом состоянии клейстер высокой концентрации превращается в студень.

Старение - процесс, обратный клейстеризации. Если в процессе клейстеризации увеличивается количество водорастворимых веществ, то в процессе старения - уменьшается за счёт ретроградации амилозы.

Где в кулинарной практике мы встречаемся с этим явлением?

При остывании и долгом хранении в остывшем состоянии кулинарных изделий содержащих оклейстеризованный крахмал. Так, если каши или кисель долго хранятся, то на поверхности появляется вода; при хранении булок, хлеба они черствеют. Вызывают эти процессы старение оклейстеризованного крахмала, что ухудшает качество кулинарных изделий. Явление носит название ретроградации.

Ретроградация - это возвращение оклейстеризованного крахмала в нерастворимую форму путём соединения молекулярных цепей в агрегат. При этом не всегда образуется видимый осадок, т. к. амилоза связывается в основном с цепочками амилопектина, а также связи обратимы. Самоагрегация амилозы приводит к образованию нерастворимых комплексов, имеющих двойное лучепреломление. Это явление можно наблюдать, если оставить крахмальный клейстер (1%) на хранение в холодильнике. При этом часть полисахаридов выпадает в осадок.

Часть цепочек полисахаридов может закручиваться, образуя двойную спираль, но так как они сильно обводнены, то дальнейшая агрегация их затруднена.

Разрыв глюкозидных связей вызывает сильное сжатие агрегатов, и они могут выпадать в осадок.

От чего зависит скорость старения?

От времени- чем продолжительнее сроки хранения, тем сильнее старение. Так, в кашах, отварной вермишели старение обнаруживается уже через два часа после их варки и нарастает по мере хранения.

От природы крахмала - для каш с одинаковой вязкостью (78%) из различных круп через 4 часа после изготовления количество водорастворимых веществ уменьшается (в % к первоначальному):

Ø в пшеничной - на 19,4%

Ø в рисовой - на 14,0%

Ø в гречневой - на 12,2%

Ø в манной - на 8,0%

От первоначальной влажности изделий - чем она больше, тем быстрее протекает старение. Так, в пшеничной каше влажностью 66% снижение растворимых веществ происходит на 10,4%, с 78% влажности - на 13,6%.

Ретроградация усиливается после охлаждения и особенно после замораживания. Если крахмальную суспензию подвергнуть несколько раз замораживанию и оттаиванию, то она полностью и необратимо ретроградирует.

Ретроградацию можно частично устранить нагреванием, но с растворами амилозы это сделать гораздо труднее, чем с ретроградированными растворами амилопектина. Поэтому, для предотвращения старения оклейстеризованного крахмала изделия до момента потребления необходимо хранить в горячем состоянии.

В кулинарной практике с явлением ферментативного расщепления крахмала встречаемся при брожении и выпечке изделия из дрожжевого теста, при варке картофеля.

Для ферментативного расщепления крахмала необходимо создать следующие условия.

1. Присутствие амилолитических ферментов α и β- амилаз;

2. Наличие температуры (хотя бы небольшой).

Ферментативное расщепление ускоряется, если крахмал находится в оклейстеризованном состоянии. При действии амилаз на крахмальный клейстер отмечается следующее:

Ø разжижение крахмального клейстера;

Ø накопление декстринов;

Ø осахаривание (накопление мальтозы).

Гидролиз амилопектина

Рис. 5.3. Гидролиз крахмала α-амилазой

α-амилаза вызывает частичную деполимеризацию крахмала с образованием низкомолекулярных полисахаридов (Рис. 5.3.), а продолжительный гидролиз приводит к образованию мальтозы и глюкозы, поэтому она называется декстриногенной. Повышена активность α – амилазы обычно в муке из дефектного зерна (проросшего), это приводит к получению изделий низкого качества, снижению способности муки к набуханию, понижению вязкости. В крахмале, а также в картофеле нормального хранения α - амилаза отсутствует или имеется в виде следов и не оказывает существенного влияния на изменение их качества.

β-амилаза гидролизует амилозу и боковые цепи амилопектина по месту α-1,4-связей до мальтозы (Рис.5.4.). Поскольку этот фермент не обладает способностью разрушать связи в точках

Рис. 5.4. Действие β-амилазы на крахмал

ветвления амилопектина, то конечным продуктом являются высокомолекулярные остаточные декстрины. Этот фермент называют сахарогенным. Накопление мальтозы в тесте в результате действия β-амилазы интенсифицирует процесс брожения, так как этот сахар является субстратом для жизнедеятельности дрожжей.

Процессы β-амилазной ферментативной деградации протекают при замесе теста и в первоначальной стадии его выпечки, при варке крахмалосодержащих продуктов до момента, пока не наступит инактивация ферментов. Для β-амилазы это температура до 65^оС. Скорость инактивации зависит от величины выпекаемых изделий.

Степень деструкции крахмала под действием β-амилазы увеличивается с повышением температуры теста и продолжительности замеса. Кроме того, она зависит о крупности помола муки и степени повреждения крахмальных зерен. Чем больше поврежденных крахмальных зерен в муке, тем быстрее протекает ферментативная деструкция. Обычно в муке содержится не более 5 -8% поврежденных зерен.

Во время выпечки по мере повышения температуры расщепление крахмала усиливается вследствие активации фермента β-амилазы, оптимум действия которой лежит в интервале 49…54⁰С и благодаря тому, что оклейстеризованный крахмал легче гидролизуется ферментами.

При повышенной активности α-амилазы образуются продукты деструкции, ухудшающие качество изделий из теста – мякиш получается липким, изделия кажутся непропеченными. Это объясняется тем, что скорость инактивации α-амилазы (80^оС) выше, чем β-амилазы, и ее действие продолжается при выпечке, в результате накапливается значительное количество низкомолекулярных водорастворимых полисахсаридов, снижается способность крахмала связывать воду.

Получение мальтозы из крахмала происходит через промежуточные продукты, так называемые декстрины. Декстрины представляют собой вещества коллоидной природы, менее сложные по составу, чем крахмал, но более сложные, чем мальтоза.

Амилопектин расщепляется только до точек ветвления, образуя в основном высокомолекулярные декстрины, из него образуется до 54% мальтозы.

Какие же факторы влияют на интенсивность ферментативного гидролиза крахмала?

1) Температура воды. Чем она выше, до известных пределов, тем сильнее осахаривание крахмала.

2) Продолжительность замеса теста. Чем дольше и интенсивнее, тем выше степень гидролиза.

3) Крупность помола муки. Чем мельче помол, тем больше удельная поверхность и увеличивается степень воздействия фермента на крахмал.

4) Количество повреждённых зёрен крахмала при помоле. Чем больше, тем сильнее ферментативный процесс.

5) Добавление амилолитических ферментов при замесе теста для интенсификации процесса. В ферментных препаратах содержится грибная α-амилаза, которая инактивируется при более низких температурах, чем зерновая и полученные низкомолекулярные полисахариды быстрее гидролизуются β-амилазой, вследствие чего процесс брожения интенсифицируется.

6) Степень клейстеризации крахмала. Повышение степени клейстеризации усиливает гидролиз в процессе выпечки.

Изменение крахмала при нагреве его без воды при температурах больше 120⁰С вызывает его значительные изменения с образованием новых веществ - декстринов, имеющих различную окраску от жёлтого до коричневого цвета. При этом происходит расщепление крахмальных полисахаридов и образуются растворимые в холодной воде высокомолекулярные вещества - пиродекстрины, одновременно выделяется СО₂, СО, пары Н₂О. Слабоокрашенные продукты появляются уже при температуре 115-120⁰С, а при дальнейшем нагревании окрашивание усиливается и переходит в светло-коричневое.

Что же происходит с молекулой крахмальных полисахаридов?

Изменяется строение молекулы крахмала:

1) В амилозе гидролизуются глюкозидные связи, отмечается меж- и внутримолекулярная конденсация за счёт образования эфирных связей между гидроксильными группами полисахаридов.

2) Трансглюкозидирование - превращение частей связей (1-4) в связи (1-6).

Появляются новые связи (1-2), амилоза приобретает высоко ветвистую структуру, что уменьшает способность связывать йод и снижает действие на неё α-амилазы.

Декстрины хорошо растворяются в холодной воде, более легко, чем крахмал, подвергаются гидролизу. Их по сложности строения можно разделить на несколько групп:

1) На первой стадии гидролиза из крахмала образуются амилодекстрины - которые по свойствам близки к крахмалу и образуют с йодом синее окрашивание.

2) Эритродекстрины - растворимые в холодной воде вещества, дающие с йодом красно-бурое окрашивание.

3) Ахродекстрины - легко растворимые в воде и не окрашиваются йодом.

4) Мальтодекстрины - очень мелкие частицы, йодом не окрашиваются, по свойствам приближаются к мальтозе.

5) Мальтоза - конечный продукт деградации крахмала под действием фермента β- амилазы.

Если произвести сухой нагрев крахмальных зёрен при различной температуре, а затем прогреть в воде, то прогретые при t=160⁰С частично распадаются на концентрические сильно набухшие слои, а некоторые количество зёрен совсем распадается.

При t=180⁰С - крахмальные зёрна распадаются на волнистые слои, образуются пиродектрины.

При t=200⁰С - крахмал полностью распадается в воде.

То есть увеличение температуры нагрева сухого крахмала усиливает деструкцию полисахаридов, амилоза деполимеризуется до такой степени, что вымывается холодной водой. При этом появляется и растворимая фракция амилопектина. Этот процесс используется в процессе предварительной тепловой обработки некоторых крахмалсодержащих продуктов (пассерование муки, обжаривание круп). При последующей варке полученные из них изделия отличаются по консистенции от изделий из необработанных продуктов.

Крахмал, подвергнутый сухому нагреву, теряет способность клейстеризоваться. Например, степень набухания крахмальных зерен красной пассеровки (160^оС) почти втрое меньше, чем белой (120^оС). Поэтому консистенция соусов на белой мучной пассеровке более густая, чем на красной пассеровке. Для получения рассыпчатых каш гречневую крупу рекомендуется прожаривать, а рисовую и манную подсушивать. В результате протекающей при этом деструкции крахмала снижается его способность к набуханию и клейстеризации.

В последнее время на предприятиях питания все чаще используются продукты экструзии. Экструзия это процесс обработки продукта в специальных аппаратах с целью получения новых продуктов определенной формы и с новыми физико-химическими свойствами. Одной из причин получения новых свойств продукта является очень интенсивная и глубокая деструкция крахмала, после чего он легко растворяется в холодной воде, так как почти полностью теряет способность к набуханию и клейстеризации. Используется при приготовлении сухих завтраков, снеков различных поколений, взорванных зерен и т.д.

В пищевой промышленности широко используют способ получения продуктов методами экструзии, которые можно разделить на три группы:

Ø холодное формование;

Ø тепловая обработка и формование при низком давлении;

Ø тепловая обработка и формование при высоком давлении.

Для повышения стойкости крахмалов к действию различных технологических факторов, таких как нагревание, стерилизация, темперирование, действия кислот, щелочей, повышения сроков хранения крахмалы подвергают предварительной обработке , которая называется модификацией, а конечный продукт – модифицированным крахмалом.

В отличие от нативных растительных крахмалов модифицированные принадлежат к группе пищевых добавок (Е 1400 – Е 1451).

По изменениям, которые проходят в крахмале, выделяют четыре основных типа модификации:

Ø набухание;

Ø деполимеризация;

Ø стабилизация;

Ø образование поперечносшитых полимерных цепей.

Согласно кодекса статус пищевых крахмалов имеют 19 видов модифицированных крахмалов.

Таблица 5.2. Виды модификции крахмалов

При модификации изменяются физические и появляются "полезные" свойства:

1) Крахмал может клейстеризоваться в присутствии веществ, повышающих температуру клейстеризации.

2) Становится устойчивым к механическим воздействиям при высокой температуре.

3) Приобретают свойства повышенной подвижности или высокой вязкости.

4) Не изменяется в процессе замораживания изделий.

Виды модифицированного крахмала.

Набухающий - крахмал вначале подвергают частичной клейстеризации, а затем высушивают. С холодной водой или молоком образует прочные, нежные гели.

Фосфатный - на крахмал воздействует водорастворимыми фосфатами при этом образуются дополнительные связи между фосфатами и гидроксильными группами полисахаридов. В зависимости от количества присоединённых фосфорных групп фосфатный крахмал имеет различные свойства. Так, фосфатные зерновые крахмалы образуют устойчивые, не ретроградирующие прозрачные клейстеры. Они могут применяться в качестве загустителей при производстве блюд для замораживания (супы, соусы).

Могут использоваться и как фруктовые начинки, отделочные полуфабрикаты для мучных изделий, эмульгаторы для соусов на растительном и сливочном масле, добавляются в бисквит и вафельное тесто для улучшения структуры.

Пудинговый крахмал - получают путём кислотной модификации кукурузного крахмала. 35% крахмальную суспензию нагревают с 0,5% раствором НСL при Т=50-52⁰С в течении 20 минут. Затем крахмал промывают в холодной воде до нейтральной реакции и высушивают до 13% влажности.

Кислота, проникая через поры, гидролизует некоторые глюкозидные связи, ослабляет внутреннею структуру зерна, поэтому такие зёрна меньше набухают при высокой температуре и гораздо быстрее разрушаются, давая растворы с низкой вязкостью, снижается также и температура клейстеризации.

Желирующие свойства клейстера крахмала после модификации сохраняются. По-видимому, происходит расщепление разветвлённых молекул полисахаридов крахмала и образуются крупные фрагменты, имеющие линейную структуру значительной длины, способных образовывать прочные студни.

Из крахмала кислотной модификации можно в предприятиях массового питания готовить пудинги с нежной консистенцией, приятным вкусом, а также кремы.

Контрольные вопросы

1. Дайте характеристику крахмалов пищевых продуктов.

2. Какие технологические функции выполняет крахмал в технологии продуктов питания?

3. В чем состоит сущность клейстеризации крахмала?

4. Какие факторы обуславливают степень клейстеризации крахмала?

5. Что такое старение оклейсттеризованного крахмала и как этот процесс влияет на качество крахмалсодержащих продуктов?

6. В чем заключается физическая сущность процесса декстринизации крахмала при сухом нагреве?

7. Сущность ферментативного гидролиза крахмала и его значимость в технологическом процессе?

8. Основные направления модификации крахмала?

Характеристика углеводов клеточных стенок растительной ткани

Для приготовления продуктов питания используется широкий ассортимент подов, ягод и овощей, которые чаще всего поступают на предприятие в сыром виде, реже – в консервированном, замороженном, квашеном, соленом.

Из курса товароведения известно, что в питании человека овощи являются важнейшим источником углеводов, витаминов, минеральных веществ.

Азотистых веществ в овощах мало: не более 3% в пересчете на белок. Больше всего их в бобовых и картофеле (4...6 %), представлены они в основном свободными аминокислотами и полипептидами. Аминокислотный состав продуктов растительного происхождения весьма неблагоприятный, так как в них мало незаменимых аминокислот и, в частности, серосодержащих – метионина и цистеина. Поэтому значение овощей и фруктов как источника белка незначительное. Но особое место занимает картофель, так как потребление его в сутки в среднем составляет до 330 г и он, таким образом, удовлетворяет 8…10% потребности человека в белке. Кроме того, необходимо помнить, что ферменты, относящиеся к группе азотистых веществ, играют значительную роль в процессе созревания и хранения овощей, определяют сроки хранения их и технологические свойства.

Липидов в растительных продуктах немного 0,1…0,3%, за исключением масличных культур.

Наиболее важное значение свежих овощей, ягод и фруктов определяется содержанием витаминов, особенно витамина С. В растительных продуктах содержатся практически все витамины, кроме В₁₂ и D. Много витамина С в черной смородине, облепихе, шиповнике (200…2000 мг), капустных овощах (45 мг). Витамины группы В находятся в основном в листовых овощах.

Витамин Р биологический эффект витамина С, так как способен задерживать его окисление. Р-витаминной активностью обладают многие вещества фенольной природы, например, биофлавоноиды (рутин, кверцитин). Средняя суточная потребность человека в витамине Р составляет 25 мг В растительной ткани найдены и важные витаминоподобные вещества.

Витамин «U» - антиязвенный фактор - содержится в капустных овощах (85 мг на 100 г сухой массы) и побегах спаржи (100…160 мг 100 г сухой массы).

Фолацин (фолиевая кислота) содержится в овощах и плодах в относительно больших количествах (от1 до 300мкг на 100 г) особенно богаты им зеленые овощи:капуста брюссельская, фасоль стручковая, шпинат и зелень петрушки.

В яблоках и смородине содержатся биофлавоноиды, повышающие эффективность витамина С, в черноплодной рябине и смородине – производные нафтохинона, обладающие эффективностью витамина К.

Каротиноиды содержатся во многих плодах и овощах. Источником провитамина А является морковь (9 мг в виде β-каротина), помидоры (1,2 мг). Достаточно много β-каротина в шпинате и других зеленых овощах.

Минеральных веществ в растительной ткани так же немного – 0,5…1%, они находятся, как правило, в легко усваиваемой форме и поэтому играют заметную роль в питании. Больше всего в растениях калия – в картофеле, в персиках, абрикосах, что учитывается в лечебном питании при гипертонии. Из микроэлементов важнейшим является железо (черная смородина, хурма, айва, яблоки), поэтому они рекомендуются при малокровии.

Овощи ценны и как источник полифенольных соединений, гликозидов, эфирных масел и др. Эфирные масла обладают бактерицидными свойствами, особенно лук и чеснок. Хрен, горчица, перец содержат значительное количество гликозидов, которые обладают способностью раздражать слизистую желудка и печени, а пряные овощи – укроп, петрушка, кинза, мелисса – придают пище вкус, аромат, способствуют пищеварению.

При механической и кулинарной обработке растительного сырья изменяются их пищевая ценность, вкус, аромат, консистенция. Глубина и степень изменения зависит от технологических свойств сырья, которые обуславливаются его химическим составом и, в первую очередь, строением растительной клетки.

Рис 6.1. Строение растительной клетки

Ткань овощей и плодов состоит из тонкостенных клеток, одинаково разросшихся во всех направлениях. Такая ткань называется паренхимной. Содержимоеклетки представляет собой полужидкую массу – цитоплазму, в которую погружены отдельные клеточные элементы, называемые органеллы.

Вакуоль расположена в центре клетки и является самым крупным элементом. Это пузырек, заполненный жидким клеточным соком, в котором растворены основные питательные вещества.

Цитоплазма занимает пристенное положение, в нее погружены пластиды, ядро.

Мембраны отделяют все органеллы клетки друг от друга. Вакуоль окружена простой мембраной, которая называется тонопластом. Поверхность остальных органелл покрыта двойной мембраной, состоящей из двух рядов простых мембран с промежутком между ними, заполненном жидкостью типа сыворотки. Мембраны регулируют клеточную проницаемость, препятствуют смешиванию двух соседних органелл.

Цитоплазма на границе с клеточной оболочкой покрыта простой мембраной, называемой плазмалеммой.

Каждая клетка покрыта оболочкой, представляющей собой первичную клеточную стенку. В отличие от мембран она характеризуется полной непроницаемостью. Оболочки каждых двух соседних клеток скрепляются с помощью так называемой срединной пластинки и образуют остов паренхимной ткани. Поверхность отдельных экземпляров плодов и овощей покрыта покровной тканью эпидермисом (наземные экземпляры) и перидермой (картофель, свекла, репа). Способность свежих овощей и плодов сохранять форму при достаточно высокой влажности (75…95%) объясняется присутствием в них белков и углеводов, способных удерживать значительное количество влаги. Это обеспечивает высокое тургорное давление в тканях. Тургорное давление может снижаться в процессе хранения плодов и овощей при их увядании или подсыхании, или возрастать при погружении их в воду. Это свойство учитывается в технологическом процессе обработки, например увядшие картофель и корнеплоды перед механической очисткой замачивают для снижения количества отходов и облегчения технологического процесса.

При обработке экземпляров раствором поваренной соли наблюдается плазмолиз– отделение цитоплазмы от клеточной оболочки, что происходит в результате перехода воды из клетки в окружающую среду из-за разницы осмотического давления.

Вакуоли являются наиболее гидратированными элементами растительной ткани – 95…98% воды. В состав сухого остатка клеточного сока входят практически все водорастворимые пищевые вещества. Это основная масса сахаров, содержащихся в свободном состоянии, растворимый пектин, органические кислоты, водорастворимые витамины, полифенольные соединения. В клеточном соке содержится 60…80% минеральных веществ. Соли одновалентных металлов - калия, натрия - практически полностью концентрируются в клеточном соке. В клеточном соке содержатся свободные аминокислоты и белки.

В состав цитоплазмы входят в основном белки, ферменты и небольшом количестве липиды. Белки в цитоплазме, как и в вакуолях, находятся в виде раствора.

Мембраны содержат белки и липиды, построены из двух слоев глобулярного белка с биомолекулярной прослойкой липидов.

Пластиды бывают окрашенными и бесцветными. Хлоропласты – зеленые, хромопласты – окрашены в желтые и красные тона, лейкопласты – бесцветны.

Хлоропласты, состоящие из белков и липидов, содержат различные пигменты, в основном хлорофилл, меньше – каротиноиды. Присутствие этих пигментов обуславливает различные оттенки желто-зеленой окраски.

Хромопласты образуются, как правило, из хлоропластов или лейкопластов. В них образуются крупные кристаллы, содержащие каротиноиды, в том числе и каротин, что обуславливает желто-оранжевую окраску овощей и плодов (морковь, абрикос). Окраска цитрусовых плодов обусловлена пигментом криптоксантином.

В лейкопластах накапливаются запасные вещества, например крахмал в клубнях картофеля.

Клеточные стенкисоставляют 0,7…5% сырой массы овощей и плодов. В состав клеточных стенок входят в основном полисахариды (80…95%), такие как клетчатка, гемицеллюлозы и протопектин, поэтому их часто называют углеводами клеточных стенок. Срединные пластинки состоят в основном из протопектина. Кроме углеводов в клеточных стенках содержатся азотистые вещества, лигнин, липиды, воска, минеральные вещества.

Из азотистых веществ в клеточных стенках присутствует структурный белок экстенсин, напоминающий по строению коллаген (состоит в основном из оксипролина) и выполняющий аналогичные функции. Содержание экстенсина неодинаково в различных видах овощей и плодов (Табл. 6.1.)

Таблица 6.1. Содержание экстенсина и оксипролина в клеточных стенках некоторых продуктов (%)

Технологические свойства растительного сырья определяются, в основном составом и количественным содержанием углеводов клеточных стенок, их функциональным состоянием и особенностью строения.

Клеточные стенки – сложный и многослойный комплекс, состоящий из многих полимеров, в образовании которого основная роль принадлежит аппарату Гольджи клетки.

Срединная пластинка состоит, в основном, из гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Пол обе стороны от срединной пластинки две дочерние клетки образуют так называемую первичную оболочку, где между молекулами гемицеллюлоз и пектиновых веществ встроены фибриллы целлюлозы. Дальше она становится толще за счет наслоения дополнительных слоев биополимеров, которые образуют вторичную оболочку. Отличить первичную оболочку от вторичной очень трудно, но в последней содержится больше целлюлозы. Насквозь все структуры пронизывает изотропное межклеточное вещество матрикс и лигнин.

Гемицеллюлоза(полуклетчатка) – большая группа веществ, которые по характеру строения принадлежат к полисахаридам, по структурному значению определяют строение клетки растительной ткани, в технологическом аспекте определяет такие

Рис 6.3. Структура первичной клеточной стенки

1- микрофибрилла целлюлозы, 2- ксилоглюкан; 3 – главные

рамногалактуроновые цепи пектиновых веществ; 4 – боковые галактановые цепи пектиновых веществ; 5 – структурный белок с арабинозными тетрасахаридами; 6 6 - арабиногалактан

параметры как продолжительность технологической обработки, температура, способ обработки, параметры варочной среды (присутствие солей, рН среды), порядок закладки овощей.

Гемицеллюлоза – сложный по строению высокомолекулярный полисахарид, не растворимый в холодной воде, растворим в 10%-м растворе NaОН и легко гидролизуется под влиянием слабых растворов кислот.

По характеру мономеров различают гомогемицеллюлозу (ксилан, арабан, манан, галактан, которые при мягком гидролизе дают смесь мономеров) и гетерогемицеллюлозу - галактоарабан, арабаноксилан и т.д., т.е. вещества которые в процессе гидролиза дают смесь пентоз и гексоз. Гемицеллюлозы являются спутниками клетчатки, принадлежат к структурным углеводам клеточных стенок. Их содержание в овощах и плодах 0,1…0,7%. Благодаря значительному количеству гидроксильных групп гемицеллюлоза гидрофильна, удерживает воду в плодах и овощах, способна к гидратации (набухание высушенных овощей и фруктов). За счет карбоксильных групп гемицеллюлоза может смягчать воду, связывать ионы металлов, органические вещества, имеющие активные щелочные группы. Гемицеллюлоза не переваривается в желудке, способна к набуханию в кишечнике.

Клетчатка (целлюлоза) – один из основных полисахаридов клеточной стенки, содержание которой составляет 0,3…3,0%. Повышенное содержание клетчатки в пастернаке (2,4%), хрене (2,8%), укропе (3,5%). Но ее содержание зависит от степени зрелости экземпляров. Среди ягод большим содержанием клетчатки отличается малина (5,1%), облепиха (4,7%).

Технологическая стойкость клетчатки, ее инертность в химическом плане, стойкость к действию ферментов обусловлена особенностями строения. Это линейный полисахарид (С₆ Н₁₀О₅)_n, построенный из остатков β-глюкозы, степень полимеризации – 300…12000 остатков. Целлюлоза характеризуется большой механической прочностью, что обуславливает изменение консистенции продукта при ее увеличении. Не растворима в воде, способна к гидролизу в жестких кислых условиях при кипячении с образованием глюкозы, что используется при получении гидролизного спирта.

Линейные полисахариды целлюлозы в растительной ткани скомпонованы в пучки, которые называются мицеллами.Мицеллы определенным образом ориентированы и погружены в непрерывную аморфную массу – матрикс,который состоит из гемицеллюлоз, пектиновых веществ и лигнина.

Будучи многоатомным соединением, клетчатка способна образовывать простые и сложные эфиры. Наибольшей значимостью для пищевой промышленности обладает способность целлюлозы образовывать метиловые эфиры. Например, метилцеллюлоза – достаточно распространенный продукт во многих отраслях пищевой промышленности и общественном питании, обладает повышенной гидрофильностью, а, значит, и гигроскопичностью.

Метилцеллюлоза (МЦ) характеризуется структурной, физиологической функцией, а так же способностью регулировать сенсорные чувства. Важным показателем МЦ является ее способность образовывать растворы заданной вязкости, изменение которой возможно в широких пределах введением таких корригирующих добавок как соль, сахар, спирт, крахмал. МЦ может образовывать и стабилизировать пены, эмульсии, суспензии, регулировать реологические, осмотические свойства пищевых систем. Физиологическая функция МЦ определяется ее принадлежностью к пищевым волокнам.

Технологическое значение имеет и натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (NаКМЦ), которая используется как загуститель, защитный коллоид и эмульгатор для прямых эмульсий «масло-вода».

Пектиновые вещества – являются очень важным компонентом клеточных стенок растительной ткани. Их содержание может колебаться в широких пределах. Понятие пектиновые вещества объединяет несколько самостоятельных веществ, растворимых и нерастворимых в воде.

Химический состав и содержание пектиновых веществ неодинаков в различных растениях, зависит от метеорологических условий, географической зоны, сортовой принадлежности, периода развития и возраста растения. Так, в яблоках и айве их содержится до 2%, грушах – 0,8%, косточковых культурах – от 0,5 до 2,3% Богаты пектином абрикосы, смородина, из овощей – морковь и перец, много их в кожице яблок.

Пектиновые вещества являются полимерами, преимущественным структурным компонентом которых являются полигалактуроновые кислоты (ПГК) с молекулярной массой от 10 до сотен тысяч и складываются, в основном, из остатков Д-галактуроновой кислоты, связанной α-1-4-гликозидными связями. Свободные карбоксильные группы могут образовывать сложные эфиры со спиртами. Степень этерификации метанолом карбоксильных групп ПГК изменяется в широких пределах в зависимости от вида растений и степени их зрелости.

Под термином “пектиновые вещества” объединяют пектиновые и пектовые кислоты, протопектин и пектин. В основе структуры пектиновых веществ, пектина и протопектина лежит пектиновая кислота.

По природе пектиновая кислота представляет собой ПГК, часть карбоксильных групп которой этерифицирована (метоксилирована). Этим пектиновая кислота отличается от пектовой, где карбоксильная группа не метоксилирована.

Под пектинами, которые входят в состав клеточных стенок, подразумевают полимеры пектиновых кислот, карбоксильные группы которых в разной степени метоксилированы и нейтрализованы.

Рис. 6.4. Структура пектиновой молекулы (по Альберсхейму)

Протопектины - характеризуются нерастворимостью в воде и способны при гидролизе образовывать пектиновые кислоты. Протопектин имеет сложную разветвленную структуру. Главная цепь состоит из остатков молекул галактуроновых и пектиновых кислот, в той или иной степени этерифицированных метиловым спиртом. В состав главной цепи может входить и нейтральные сахара рамноза, арабиноза (рамногалактуронан). К главной цепи ковалентными связями присоединены боковые цепочки гемицеллюлоз – галактанов и арабинанов. Молекулярная масса, степень полимеризации протопектина, количество полимеров точно не определено, так как в чистом виде его не удается выделить.

Ниже представлен фрагмент рамногалактурононана, состоящий из остатков ПГК, в которой часть карбоксильных групп метоксилирована.

Несколько главных цепей протопектина могут связываться между собой с помощью двухвалентных металлов кальция и магния. Это дает возможность предположить возникновение солевых мостиков:

________

СОО

Са (Mg)

СОО

________

В клеточных стенках всегда присутствует фосфорная кислота, которая может взаимодействовать со свободными гидроксилами.

________ - главная рамногалактуроновая цепь

О

ОН= Р - ОН

О

________

Пектины – сложные биополимерные соединения, в которые наряду с галактуронами входят и нейтральные составные – арабинаны, галактаны, арабиногалактин. Пектин обладает желирующими свойствами, которые проявляются тем сильнее, чем больше в его молекуле метоксильных групп.

Таким образом, пектиновые вещества составляют, с одной стороны, часть пищевых волокон, с другой, определяют товароведные (лежкость) и технологические свойства растительной ткани. Пектиновые вещества, в том числе протопектин, характеризуются относительной стабильностью в процессе хранения. Их количественный состав, содержание, соотношение и взаимные превращения определяют индивидуальную консистенцию плодов и ягод. Так, в процессе хранения плоды и овощи способны дозревать, т.е. становиться более мягкими. Причиной является значительная деполимеризация пектиновых веществ и переход нерастворимого протопектина в вещества с меньшей молекулярной массой, способные к частичному растворению. Особенно это характерно для плодов и ягод.

С точки зрения технологии состояние пектиновых веществ определяет многие технологические параметры и влияют на качественные показатели готового продукта.

В технологиях, связанных с термообработкой, в связи с особенностями состава, строения, содержания протопектина определяются как порядок внесения пищевых продуктов, так и условия их термообработки. Из вопроса строения растительной ткани определено, что основная часть пектиновых веществ размещена в срединных пластинках, тогда как стойкая к термообработке целлюлоза и гемицеллюлоза размещена по структуре достаточно равномерно. Поэтому трансформация протопектина в более или менее растворимый пектин снижает прочность клеточных структур в растительной ткани, что, наконец, при достижении определенных значений определяет понятие «консистенция» готового продукта. В общем, плане распад растительной ткани на отдельные клетки носит название мацерация.

Изменение углеводов. В процессе тепловой обработки в плодах и овощах, как и в продуктах животного происхождения, происходит целая цепь физико-химических изменений, которые приводят к кулинарной готовности продукта. Одним из таких изменений является размягчение продукта. В результате тепловой обработки продукты легче раскусываются, разрезаются, протираются. Микроскопические исследования показывают, что в вареных продуктах клетки сохраняют целостность даже при длительном нагревании, когда сама ткань распадается. Клеточные оболочки остаются целыми при протирании вареных продуктов в горячем состоянии, поэтому мы не ощущаем вкус крахмального клейстера в картофельном пюре, приготовленном правильно по технологии. При остывании вареных продуктов эластичность оболочки клетки теряется, они становятся более хрупкими и в процессе протирании легко разрушаются (протирание охлажденного картофеля). Но главное – это ослабление связи между клетками за счет разрушения срединных пластинок. Какие именно изменения компонентов приводят к этому?

Известно, что срединная пластинка приблизительно на 90% состоит из протопектина, он же входит и в состав клеточных стенок.

Установлено, что в процессе тепловой обработки происходит расщепление молекулы протопектина и его превращение в растворимый пектин.

Таблица 6.2. Содержание протопектина в некоторых овощах до и после варки

Реакции, приводящие к таким изменениям, разнообразны. Прежде всего, разрушается связь между отдельными пектиновыми цепями, то есть:

Ø распадаются водородные связи между этерифицированными остатками галактуроновой кислоты;

Ø разрушаются солевые мостики.

Распад водородных связей возможен только при наличии определенного количества влаги. Стойкость гликозидной связи к гидролизу зависит от степени метоксилирования пектиновой кислоты: высокометоксилированные кислоты легче гидролизуются.

Солевые мостики разрушаются только в ходе ионообменных реакций по схеме:

________ __________

СОО COOK(Na)

Са (Mg) +2K⁺ (Na⁺) + Ca⁺⁺(Mg⁺⁺)

СОО COOK(Na)

________ ____________

Реакция расщепления солевых мостиков обратима. Она будет идти вправо, если ионы двухвалентных металлов будут осаждаться. В овощах и плодах роль осадителя могут выполнять органические кислоты – щавелевая, лимонная, фитиновая, яблочная и др. Почему эта реакция не происходит в сырых овощах? Считается, что ионы натрия и калия находятся в клеточном соке, который не имеет доступа к срединным пластинкам из-за полупроницаемости мембран. В процессе тепловой обработки белки мембран денатурируют, мембраны разрушаются, сворачиваются и становятся проницаемыми.

Но в процессе хранения фруктов в период их дозревания происходит расщепление протопектина без действия тепла. В этом случае процесс идет под действием фермента протопектиназы.

В разных продуктах в зависимости от особенностей строения протопектина доминирующую роль играет тот или иной механизм его расщепления. Степень и скорость размягчения продуктов зависит не только от характера реакций, а и от растворимости веществ, которые образуются. Так, полигалактуроновая кислота нерастворима в воде, а ее соли – натриевые или калиевые и пектин со средней или высокой степенью метоксилирования – хорошо растворимы. Можно сделать вывод, что механизм деструкции определяется, прежде всего, степенью этерификации остатков полигалактуроновых кислот в протопектине. Если степень этерификации в свекле 72%, моркови – 59%, капусте белокочанной – 65%, то, следовательно, ионообменные процессы при деструкции клеточных стенок моркови играют большую роль, чем при деструкции свеклы и капусты белокочанной. Особенно важно значение ионообменных процессов при деструкции протопектина в клеточных стенках таких продуктов, как кабачки, картофель, в которых степень этерификации полигалактуроновых кислот близка к 40%.

Таким образом, жарить можно овощи, в которых степень этерификации полигалактуроновых кислот близка к 40% и где решающую роль в деструкции протопектина играют ионообменные процессы. Доводить до состояния готовности нельзя такие овощи, в которых степень этерификации составляет 60% и более. Это объясняется тем, что важную роль в деструкции протопектина играет вода, которая непрерывно испаряется при этом способе обработке из продукта и не переходит из клеточного сока в клеточные стенки в необходимом для процесса деструкции количестве.

Образующиеся в результате деструкции протопектина растворимые в воде продукты вымываются из клеточных стенок, что приводит к их разрыхлению и ослаблению связей между клетками. Деструкция протопектина начинается при 60 ⁰С, с повышением температуры процесс интенсифицируется.

Разрыхлению клеточных оболочек могут способствовать процессы набухания и частичного гидролиза клетчатки и гемицеллюлозы.

Деструкция гемицеллюлоз. При тепловой кулинарной обработке овощей наряду и параллельно с деструкцией протопектина происходит деструкция гемицеллюлоз с образованием растворимых веществ. Гемицеллюлозы при тепловой обработке частично набухают, подвергаются гидролизу, что подтверждается накапливанием в отварах и готовых продуктах нейтральных сахаров – арабинозы, галактозы и др.

Наличие уроновых кислот в гемицеллюлозах позволяет предполагать, что другим элементом механизма их деструкции при гидротермической обработке овощей и плодов являются ионообменные процессы, подобные протекающим в пектиновых веществах. Исследования показывают, что степень деструкции гемицеллюлоз несколько уступает степени деструкции протопектина, однако она достаточно высокая и, по-видимому, оказывает заметное влияние на деструкцию клеточных стенок, содержащих значительное количество гемицеллюлоз.

Деструкция гемицеллюлоз начинается при более высоких температурах, чем деструкция протопектина (70…80^оС). При более высоких температурах процесс ускоряется. При понижении температуры гемицеллюлозы регенерируют и отдают часть воды, поглощенной при набухании и деструкции.

Деструкция экстенсина. Структурный белок клеточных стенок в процессе тепловой обработки подвергается деструкции с образованием растворимых продуктов. Деструкция экстенсина начинается при более низких температурах, чем протопектина и гемицеллюлоз. Так, при нагревании нарезанных корнеплодов в воде при температуре 50^оС в течение 1 часа отмечается заметное снижение количества оксипролина. Механическая прочность при этом снижается, а содержание протопектина практически не изменяется.

Интересно такое явление: если свеклу на протяжении часа варить, а потом положить в холодную воду, она так же размягчается. Это связано с тем, что при остывании корнеплодов набухшая целлюлоза и гемицеллюлоза частично восстанавливают структуру и выделяют поглощенную при набухании воду, в которой и растворяются продукты деструкции протопектина. Это может произойти только в том случае, когда температура внутри корнеплода была близка к 100 ⁰С, т.е. когда углеводы клеточных стенок и экстенсин уже подверглись определенной деструкции и для ее завершения и растворения продуктов деструкции необходимо дополнительное количество влаги. Эта влага поступает либо из клетки при дальнейшей варке свеклы, либо из набухших углеводов в результате их регенерации.

Описанный механизм деструкции компонентов клеточных стенок овощей при тепловой кулинарной обработке позволяет объяснить причины образования клейкого и тягучего картофельного пюре при протирании остывшего картофеля. В сваренном горячем картофеле оболочки клеток паренхимной ткани обладают достаточной прочностью и эластичностью и не разрушаются при приготовлении пюре. Ткань разрушается по резко ослабленным срединным пластинкам и готовое пюре имеет сухую рассыпчатую консистенцию.

При охлаждении вареного картофеля в результате уменьшения набухания клетчатки и гемицеллюлоз и растворимости продуктов деструкции гемицеллюлоз происходит определенное упорядочение элементов их нарушенной структуры, в результате эластичность клеточных стенок снижается, а жесткость (хрупкость) возрастает. Кроме того амилоза, перешедшая в срединные пластинки, ретроградирует, связь между клетками усиливается, жесткость студня внутри клейстеризованного крахмального зерна возрастает. И при механическом воздействии на клетки остывшего картофеля происходит разрушение клеток и зерен клейстеризованного крахмала и вытекающий из них клейстер придает структуре пюре нежелательную клейкость.

Известно, что состав, а следовательно, и технологические свойства овощей и плодов зависят от условий их произрастания.

Из кулинарной практики известно, что продолжительность варки различных овощей неодинакова. Какие же факторы влияют на продолжительность тепловой обработки?

Строение продукта. Различия в продолжительности тепловой обработки овощей зависит, прежде всего, от термоустойчивости клеточных стенок и разного характера деструкции их компонентов. Так, корнеплоды содержат больше клеточных стенок, а картофель и кабачки содержат их меньше и варятся быстрее. Но в свекле и моркови (относятся к корнеплодам) содержание клеточных стенок одинаково, а срок варки свеклы в три раза больше, чем моркови. В корнях петрушки содержание клеточных стенок выше, чем в свекле, а варятся они быстрее. Почему?

Содержание протопектина и экстенсина. В целом прослеживается прямая зависимость между содержанием протопектина и сроками тепловой обработки продуктов. Между содержанием экстенсина и длительностью тепловой обработки зависимости не установлено. Про термостойкость клеточных стенок судят по степени уменьшения их массы в процессе нагревания. Так, при нагревании в воде клеточных стенок моркови масса их уменьшилась значительно больше, чем клеточных стенок свеклы при одинаковых условиях нагревания. Термостойкость стенок зависит от термостойкости протопектина и экстенсина. Протопектин моркови более стойкий, чем в свекле, а экстенсин, соответственно, менее стойкий. Масса клеточных стенок свеклы уменьшается, в основном, за счет расщепления протопектина (70%), в меньшей степени – за счет белка, а в моркови и петрушке – наоборот.

Соотношение двухвалентных и одновалентных металлов. Для овощей с примерно одинаковой степенью этерификации протопектина и соответственно равным содержанием ионов кальция и магния установлена следующая зависимость: чем больше в их клеточном соке содержится органических солей и их кислот, принимающих участие в ионообменных процессах, тем продукты быстрее достигают кулинарной готовности.

Поэтому различия в продолжительности тепловой обработки разных сортов одного и того же вида овощей связывают с так называемой Са-осадительной способностью сока, которая определяется содержанием указанных выше органических кислот и их солей. Чем выше соотношение (Cа⁺⁺ + Мg⁺⁺)/( Na⁺ + K⁺) тем медленнее разваривается продукт.

Способ обработки. При варке овощей в воде или на пару значительных различий не наблюдается. В СВЧ-аппаратах сроки тепловой обработки сокращается в 3…10 раз. При измельчении овощей срок обработки снижается тем больше, чем меньше толщина кусочков.

При обработке овощей и плодов в СВЧ-аппаратах размеры их кусков практически не влияют на продолжительность тепловой кулинарной обработки, так как продукт нагревается по всему объему.

Температура варочной среды. С повышением температуры степень деструкции углеводов клеточных стенок и экстенсина возрастает, следовательно, сокращаются сроки тепловой обработки. При температуре 90…95^оС срок тепловой обработки картофеля увеличивается примерно в 1,5…2 раза по сравнению с кипением, при 77…80^оС достигает 6 часов, при 55^оС не разваривается даже при длительной варке.

Реакция среды. Органические кислоты замедляют размягчение плодов и овощей. Причем чем выше кислотность, тем больше замедление. Но для свеклы, яблок, груш, чернослива зависимость имеет другой характер: при снижении рН среды до определенного значения размягчение замедляется, при дальнейшем повышении – размягчение начинает ускоряться. Точка перелома для свеклы при рН 5,7, яблок – 5,1.