Превращения углеводов при производстве продуктов питания

При хранении сырья и его переработке, углеводы подвергаются разнообразным превращениям. Направленность этих процессов зависит от состава углеводного комплекса, технологических условий (влажности, рН среды, температуры), наличия ферментов, присутствия других компонентов, взаимодействующих с углеводами. Из превращений наиболее важными и распространенными в пищевой технологии являются процессы:

- брожения моносахаридов;

- карамелизации и меланоидинообразия;

- кислотного и ферментативного гидролиза полисахаридов.

Превращения моно и дисахаридов

Дыхание это экзотермический процесс ферментативного окисления моносахаридов до воды и диоксида углерода:

С₆ Н₁₂ О₆ + 6О₂ → 6СО₂ ↑ + 6Н₂ О + 672 ккал

глюкоза (фруктоза)

Дыхание является важнейшим источником энергии для человека. Для осуществления процесса дыхания необходимо большое количество кислорода.

При недостатке кислорода или его отсутствии происходит процесс брожения моносахаридов. Существует несколько видов брожения, в которых принимают участие различные микроорганизмы.

Спиртовое брожение осуществляется при участии ферментов дрожжей по следующей схеме:

Дрожжи (ферменты)

С₆ Н₁₂ О₆ → 2СО₂ ↑ + 2С₂ Н₅ ОН + 2СО₂ ↑+ 57 ккал

глюкоза (фруктоза)

В результате реакции спиртового брожения, под действием комплекса ферментов дрожжей, образуется две молекулы этилового спирта и две молекулы диоксида углерода. Моносахариды сбраживаются дрожжами с различной скоростью. Наиболее легко сбраживается глюкоза и фруктоза, труднее манноза, практически не сбраживается галактоза – основной углевод молока. Пентозы дрожжами не сбраживаются. Наряду с моносахаридами (глюкоза, и фруктоза), дрожжи могут сбраживать дисахариды (мальтоза, исахароза). , так как дрожжи обладают ферментами, способными разложить молекулы этих двух дисахаридов до глюкозы и фруктозы (ά -гликозидаза и β-фруктофуранозидаза). Спиртовое брожение играет важную роль в процессе производства пива, спирта, вина, кваса, в хлебопечении. Наряду с главными продуктами брожения – этиловым спиртом и диоксидом углерода, при спиртовом брожении образуются побочные и вторичные продукты брожения: глицерин, уксусный альдегид, уксусная кислота, изоамиловый и другие высшие спирты. Эти продукты влияют на органолептические свойства продуктов, часто ухудшают их качество.

Молочнокислое брожение осуществляется при участии ферментов молочнокислых бактерий:

молочнокислые

бактерии (ферменты)

С₆ Н₁₂ О₆ → 2СН₃ − СН (ОН) − СООН +52 ккал

глюкоза (фруктоза)

В результате реакции молочнокислого брожения под действием комплекса ферментов образуется две молекулы молочной кислоты. Молочнокислое брожение играет важную роль в процессе производства кисломолочных продуктов, кваса, квашении капусты.

Маслянокислое брожение осуществляется при участии ферментов маслянокислых бактерий:

маслянокислые

бактерии (ферменты)

С₆Н₁₂О₆ → СН₃ − СН₂ − СН₂ − СООН + 2СО₂ ↑ +2 Н₂ ↑

Моносахариды

В результате реакции маслянокислого брожения образуется молекула масляной кислоты две молекулы диоксида углерода и водород. Этот процесс происходит на дне болот при разложении растительных остатков, а также при возникновении инфекции маслянокислыми микроорганизмами в процессе производства продуктов питания.

Лимоннокислое брожение осуществляется при участии ферментов плесневого гриба Aspergillus niger:

ОН

плесневый гриб (ферменты) |

С₆ Н₁₂ О₆ + [О] → СООН − СН₂ − С − СН₂ − С − СООН

глюкоза (фруктоза) ‌‌ |

СООН

В результате реакции лимоннокислого брожения образуется молекула лимонной кислоты. В основе этой реакции лежит процесс получения лимонной кислоты.

Гидролиз крахмала. 3.3 ГФерментативный гидролиз полисахаридов

Под действием ферментов или кислот при нагревании крахмал присоединяет воду и гидролизируется. Глубина гидролиза зависит от условий его проведения и вида катализатора. В общем виде схема превращения крахмала при гидролизе может быть представлена следующим образом:

Н ₂О Н ₂О Н ₂О

(С₆ Н₁₀ О₅ )n (С ₆Н ₁₀О₅)x C₁₂ Н₂₂ О ₁₁ С ₆Н ₁₂О ₆

крахмал декстрины мальтоза глюкоза

При гидролизе идет деполимеризация крахмала и образование декстринов различной молекулярной массы (амило-, эритро-,ахро -, мальтодекстрины), затем мальтозы, а при полном гидролизе - глюкоза.

Кислотный гидролиз крахмала осуществляется в присутствии соляной и серной кислот, а ферментативный - под действием амилаз. По характеру действия различают a-амилазу, b- амилазу и глюкоамилазу.

Фермент α-амилаза гидролизует крахмал действуя хаотично, разрывает 1,4 связь с образованием декстринов и небольшого количества мальтозы. Фермент α-амилаза действуя на крахмальное зерно образует каналы, раскалывая полисахарид на части.

Фермент ß-амилаза гидролизует крахмал действуя с конца цепочки, разравыет связь 1,4 и образует мальтозу, в местах разветвления амилопектина действие ß -амилазы прекращается, в этом случае остается небольшое количество декстринов.

Фермент глюкоамилаза действует с конца цепочки, отщепляет одну молекулу глюкозы, разрывает 1,4 связь, в местах разветвления амилопектина действие глюкоамилазы прекращается и остается небольшое количество непрогидролизовавшихся декстринов. Фермент олиго-1,6- гликозидаза расщепляет 1,6 связь с образованием декстринов. Фермент изомальтаза гидролизует дисахарид изомальтоза до глюкозы. Гидролиз крахмала является важнейшей реакцией, происходящей при технологической переработке сырья в производстве пива, спирта патоки, глюкозы, хлебобулочных изделий и др.

низкомолекулярные + мальтоза декстрины декстрины

a -амилаза

мальтоза + высокомолекулярные декстрины декстрины

крахмал b - амилаза

	глюкоза + декстрины

глюкоамилаза

Гидролиз крахмала происходит при получении многих пищевых продуктов: патоки, глюкозы, хлебобулочных изделий и др.

Гидролиз сахарозы получил название инверсии, а смесь образующихся равных количеств глюкозы и фруктозы - инвертным сахаром.

Кислотный гидролиз сахарозы проводят при температуре 70 С, используя в качестве катализаторов уксусную, молочную или соляную кислоты.

+Н

С₁₂Н₂₂О₁₁+ Н₂О С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

t

сахароза глюкоза фруктоза

С использованием этой реакции в кондитерском производстве получают инвертный сироп, который применяется при производстве карамели, помадных конфет и других видов кондитерских изделий как заменитель крахмальной патоки.

Ферментативный гидролиз сахарозы происходит в присутствии фермента b - фруктофуранозидазы, который содержится в растительном сырье, микроорганизмах. Особенно активен этот фермент в дрожжах.

При гидролизе мальтозы образуется 2 молекулы глюкозы:

С₁₂Н₂₂О₁₁+ Н₂О 2С₆Н₁₂О₆

мальтоза глюкоза

Этот процесс под действием фермента a - глюкозидазы играет большую роль в пищевой технологии, например, при брожении теста

При гидролизе лактозы образуется глюкоза и галактоза:

С₁₂Н₂₂О₁₁+ Н₂О С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

лактоза глюкоза галактоза

Под действием фермента b - галактозидазы с этого процесса начинаются все виды брожения молочного сахара.

Гидролиз крахмала осуществляют амилолитические ферменты. Фермент α-амилаза гидролизует крахмал действуя хаотично, разрывает 1,4 связь с образованием декстринов и небольшого количества мальтозы. Фермент α-амилаза действуя на крахмальное зерно образует каналы, раскалывая полисахарид на части. Схема гидролиза крахмала приведена на рисунке 32.1.

α-амилаза

КРАХМАЛ (ГЛИКОГЕН) → ДЕКСТРИНЫ + МАЛЬТОЗА + ГЛЮКОЗА

(много) (мало) (мало)

Рис. 32.1- Схема гидролиза крахмала ферментом α-амилаза

Фермент ß-амилаза гидролизует крахмал действуя с конца цепочки, разравыет связь 1,4 и образует мальтозу, в местах разветвления амилопектина действие ß -амилазы прекращается, в этом случае остается небольшое количество декстринов. Схема гидролиза крахмала ферментом ß –амилаза представлена на рисунке 32.2.

β-амилаза

КРАХМАЛ (ГЛИКОГЕН) → МАЛЬТОЗА + ДЕКСТРИНЫ

(много) (мало)

Рис. 32.2- Схема гидролиза крахмала ферментом ß –амилаза

Фермент глюкоамилаза действует с конца цепочки, отщепляет одну молекулу глюкозы, разрывает 1,4 связь, в местах разветвления амилопектина действие глюкоамилазы прекращается и остается небольшое количество непрогидролизовавшихся декстринов. Фермент олиго- 1,6- гликозидаза расщепляет 1,6 связь с образованием декстринов. Фермент изомальтаза гидролизует дисахарид изомальтоза до глюкозы. Гидролиз крахмала является важнейшей реакцией, происходящей при технологической переработке сырья в производстве пива, спирта.

Гидролиз гликогена осуществляют амилолитические ферменты.

Гидролиз пектина осуществляют пектолитические ферменты.

Растворимый пектин переходит из нерастворимого пектина в растворимое состояние при действии фермента протопектиназа или в присутствии разбавленных кислот. При этом пектин отщепляется от гемицеллюлозы или других связывающих компонентов. Растворимый пектин способен в кислой среде и в присутствии сахара образовывать желе и гели;

Пектовые кислоты образуются из растворимого пектина при действии ферментапектаза (пектинэстереза) или в присутствии разбавленных щелочей, при этом пектовая кислота теряет способность образовывать желе и гели. В результате действия фермента пектаза от растворимого пектина отщепляется метиловый спирт. Ферментативный гидролиз пектина можно представить в виде схемы:

Гидролиз гемицеллюлоз осуществляют цитолитические ферменты, которые включают эндо-ß- глюканазу, арабинозидазу и ксиланазу.Гемицеллюлозы не способны растворяться в воде, значительно затрудняют гидролиз крахмала.При действии фермента эндо-ß- глюканаза отщепляется остаток глюкозы, при действии фермента арабинозидаза отщепляется остаток арабинозы, а при действии фермента ксилоназа отщепляется остаток ксилозы. При частичном гидролизе гемицеллюлозы образуются гуммивещества или амиланы, которые имеют меньшую молекулярную массу, растворяются в воде, образуя вязкие растворы. От степени гидролиза гемицеллюлоз зависит скорость гидролиза крахмала при осахаривании солода в производстве пива, длительность фильтрации затора.

Гидролиз сахарозы получил название инверсии, а смесь образующихся равных количеств глюкозы и фруктозы - инвертным сахаром.

Кислотный гидролиз сахарозы проводят при температуре 70 С, используя в качестве катализаторов уксусную, молочную или соляную кислоты.

+Н

С₁₂Н₂₂О₁₁+ Н₂О С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

t

сахароза глюкоза фруктоза

С использованием этой реакции в кондитерском производстве получают инвертный сироп, который применяется при производстве карамели, помадных конфет и других видов кондитерских изделий как заменитель крахмальной патоки.

Ферментативный гидролиз сахарозы происходит в присутствии фермента b - фруктофуранозидазы, который содержится в растительном сырье, микроорганизмах. Особенно активен этот фермент в дрожжах.

При гидролизе мальтозы образуется 2 молекулы глюкозы:

С₁₂Н₂₂О₁₁+ Н₂О 2С₆Н₁₂О₆

мальтоза глюкоза

Этот процесс под действием фермента a - глюкозидазы играет большую роль в пищевой технологии, например, при брожении теста

При гидролизе лактозы образуется глюкоза и галактоза:

С₁₂Н₂₂О₁₁+ Н₂О С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

лактоза глюкоза галактоза

Под действием фермента b - галактозидазы с этого процесса начинаются все виды брожения молочного сахара.

Контрольные вопросы

1.Что такое усваиваемые и неусвояемые углеводы?

2.1.Какие функции в организме выполняют усваиваемые и неусвояемые углеводы?

3.1.Какими технологическими свойствами обладает клетчатка и крахмал?

4.1.Назовите рекомендуемые нормы потребления пищевых волокон. Приведите примеры продуктов, в рецептурный состав которых входят пищевые волокна.

5.1.Проведите сравнительный анализ состава углеводов злаковых, масличных и плодово-ягодных культур. В чем различие названных сырьевых компонентов?

6.1.В чем заключается сущность, и методика определения содержания клетчатки в сырье и готовой продукции?[м11]

22.1.23 Определение содержания пектиновых веществ в пищевом сырье

Теоретические положения

Пектиновые вещества (Е 440) - представляют собой группу высокомолекулярных полисахаридов, входящих в состав клеточных стенок и межклеточных образований совместно с целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином.

В пищевой промышленности пектин получают гидролизом пектин содержащего материала в кислой среде. Выпускается несколько видов пектинов, различающихся по составу и функциональным свойствам: яблочный, цитрусовый, свекольный, пектин из корзинок подсолнечника, а также комбинированные пектины из смешанного сырья.

Отличительными особенностями пектинов являются: молекулярная масса, степень этерификации, наличие ацетилированных гидроксильных групп, характер распределения карбоксильных групп по длине полимерной цепи. Пектины, выделенные из яблочных выжимок и корзинок подсолнечника, являются высокомолекулярными (степень этерификации не менее 50%); свекловичный и цитрусовый пектины - низкомолекулярные (степень этерификации не более 50%).

Как пищевые волокна, пектины являются физиологически ценными пищевыми добавками. Они способны связывать ионы металлов и радионуклидов, способствуя их выводу из организма. Студнеобразующая способность пектиновых веществ зависит от молекулярной массы, которая колеблется от 20000 до 50000, а также от количества метильных групп, входящих в состав его молекулы (степень метоксилирования), от содержания свободных карбоксильных групп и замещения их металлами. В зависимости от степени этерификации карбоксильных групп различают низко- и высокоэтерифицированные пектины, полученные из исходного сырья либо кислотной или щелочной экстракцией, либо путем ферментативного расщепления. Лучшие пектины получают из корочки цитрусовых и яблок, а пектины из свекловичного жома отличаются более низким качеством.

Высокоэтерифицированные пектины применяют в качестве студнеобразующего вещества при производстве мармелада, пастилы, джемов, в производстве фруктовых соков, мороженого, рыбных консервов и майонеза. Низкоэтерифицированные пектины применяют при изготовлении овощных желе, паштетов и студней. Также пектиновые вещества применяют в хлебопекарной и сыродельной промышленности.

В организме пектин используется примерно на 90%.

Сущность метода: метод основан на осаждении пектиновой кислоты сульфатом меди с последующим объемным йодометрическим определением связанной меди.

Реактивы и оборудование: НСl концентрацией 0,3 моль/дм³; 1 %-ный раствор лимоннокислого аммония; 10 %-ный раствор NаОН; 0,4 %-ный раствор NаОН; уксусная кислота концентрацией 1 моль/ дм³; 50 %-ный раствор СuSО₄; 25 %-ный раствор аммиака; раствор Н₂SО₄ концентрацией 1 моль/дм³; раствор Nа₂S₂О₃ концентрацией 1 моль/дм³;фарфоровая ступка с пестиком, коническая колба на 150-250 см³ - 2 шт, цилиндр мерный на 50 - 100 см³, стеклянная воронка, бумага фильтровальная, мерная колба на 250 см³, пипетка на 50 см³, пипетки на 10 и 50 см³, беззольный фильтр с белой или красной лентой, коническая колба на 150-200 см³, стеклянный стакан на 300-400 см³.

Техника определения: на технических весах взвешивают навеску исследуемого продукта и растирают ее в фарфоровой чашке. Растертую в ступке до однородного состояния навеску продукта переносят в колбу вместимостью 100-150 см³ и заливают 50 см³ соляной кислоты концентрацией 0,3 моль/дм³, нагревают с обратным холодильником в течение 30 мин на водяной бане. Полученный гидролизат фильтруют через складчатый фильтр в мерную колбу вместимостью 250 см³.

Осадок с фильтром возвращают в колбу, заливают 50 см³ 1 %-ного раствора лимоннокислого аммония и вновь помещают на 30 мин на кипящую водяную баню. Фильтрат собирают в ту же мерную колбу. После охлаждения и нейтрализации 10 %-ным раствором NаОН содержимое колбы доводят до метки. Пектиновые вещества, включая протопектин, находятся в форме пектиновой кислоты.

Далее берут пипеткой 50 см³ фильтрата, добавляют такой же объем 0,4 %-ного раствора NаОН и оставляют при комнатной температуре для омыления метоксильных групп.

Подготовленный образец нейтрализуют 50 см³ уксусной кислоты концентрацией 1 моль/дм³ и через несколько минут прибавляют 50 см³ 5 %-ного раствора сульфата меди. Через 30-40 мин содержимое колбы фильтруют через беззольный фильтр с белой или красной лентой.

Осадок на фильтре (медная соль полигалактуроновой кислоты) многократно промывают дистиллированной водой, так как избыток ионов меди приводит к искажению результатов анализа.

Осадок вместе с фильтром переносят в коническую колбу, заливают 30-40 см³ горячей воды и для растворения вносят несколько капель аммиака. В колбе образуется Сu(NH₃)₄(ОН)₂ синего цвета. Затем туда же добавляют 8-10 см³ раствора Н₂SО₄ концентрацией 1 моль/дм³ и 5 г КI. Проходит окислительно-восстановительная реакция:

2Сu⁺² + 4I^-1 = Сu₂⁺²I₂ + I₂⁰

Выделившейся йод оттитровывают из микробюретки раствором Nа₂S₂О₃ (0,01 моль/дм³) в присутствии раствора крахмала.

Количество меди Х_cu (в %) вычисляют по формуле

Х_cu = 100 • V • С • М -V₁ /(1000 • m • V₂)

где V - объем пошедшего на титрование раствора Nа₂S₂О_3, см³;

С - молярная концентрация Nа₂S₂О₃, моль/дм³;

М - молекулярная эквивалентная масса меди, г/моль;

V₁ - объем вытяжки, см3;

m - масса навески, г;

V₂ - объем, взятый для анализа, см³.

Средний коэффициент перевода процента меди на пектин 6,5 • 0,9235.

Анализ и оформление результатов исследования

Анализ результатов работы

Полученные результаты работы сводят в табл. 2.1 и делают выводы о содержании пектинов в исследуемых образцах.

Таблица 2.13 - Результаты исследования

Наименование показателя	Ед. измерения	Объект исследования