Углеводы – высокомолекулярные полисахариды

Углеводы – широко распространенные в природе органические вещества, преобладающие в пище человека и являющиеся основным источником необходимой организму энергии. Источником углеводов служат главным образом продукты растительного происхождения – хлеб, крупа, картофель, овощи, фрукты, _асды. Все углеводы делят на две группы: простые (моносахариды, монозы) – это углеводы, которые не способны гидролизоваться с образованием более простых соединений. Обычно в составе число атомов углерода равно числу атомов кислорода; сложные (полисахариды, полиозы) – углероды, способные гидролизоваться на более простые. У них число атомов углерода не равно числу атомов кислорода. Сложные углероды весьма разнообразны по составу, молекулярной массе и свойствам. Их делят на две группы: низкомолекулярные (сахароподобные, или олигосахариды) и высокомолекулярные (несахароподобные полисахариды). Последние – соединения с большой молекулярной массой, в состав которых могут входить остатки сотен тысяч простых углеводов.

Представителями наиболее простых моносахаридов являются глюкоза, фруктоза, галактоза; олигосахаридов – дисахарид сахароза (свекловичный или тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар) и трисахарид – раффиноза.

Особое место в превращениях моносахаридов занимают процессы дыхания и брожения.

Дыхание – это экзотермический процесс ферментативного окисления моноз до воды и углекислого газа. На каждый моль израсходованной глюкозы (180 г) выделяется 2870 кДж (672 ккал) энергии. Различают аэробное (кислородное) дыхание – дыхание при достаточном количестве воздуха и анаэробное (бескислородное) дыхание, являющееся спиртовым брожением.

Спиртовое брожениепротекает под влиянием микроорганизмов и играет исключительную роль в производстве спирта, вин и хлебобулочных изделий. Кроме того, существует молочнокислое брожение – моноз – основной процесс при получении простокваши, кефира и других молочных продуктов, а также при квашении капусты. Брожение моноз может приводить к образованию масляной кислоты (маслянокислое брожение).

Моносахариды – твердые кристаллические вещества, они гигроскопичны, хорошо растворяются в воде, образуя сиропы, трудно растворимы в спирте.

Высокомолекулярные несахароподобные полисахаридыпостроены из огромного количества (до 6-10 тыс.) остатков моноз. Большинство полисахаридов состоит из молекул глюкозы, соединенных между собой в цепи. В зависимости от способа расположения глюкозы в цепи и степени ее ветвления образуются разные полисахариды – крахмал, гликоген, или животный крахмал, клетчатка. В _астениииях полисахариды выполняют в основном две функции: они служат запасными питательными веществами (крахмал) и являются главной составной частью опорной ткани растений (клетчатка). Запасные питательные вещества откладываются в виде крахмальных зерен в растительных тканях. Запасы крахмала могут достигать: в картофеле – свыше 20 % и более, в зернах пшеницы и риса – иногда до 70 %. Биологическое значение крахмала очень велико. Он образуется в растениях из углекислоты и воды в результате фотосинтеза. У животных в качестве запасного питательного материала в тканях тела откладывается гликоген. По мере надобности он расходуется, распадаясь до глюкозы.

Крахмал – смесь полисахаридов состава С₆Н₁₀О₅, имеющая более или менее выраженное микрокристаллическое строение. При настаивании в теплой воде зерна крахмала разбухают, и большая часть полисахаридов крахмала переходит в раствор. Полисахариды крахмала разделяются на две фракции – амилозу и амилопектин.

Клейстеризация крахмала происходит при его нагревании в присутствии воды. Этот сложный процесс протекает в три стадии. На первой стадии крахмальные зерна обратимо набухают за счет присоединения небольших количеств воды. На второй стадии при повышении температуры отмечается сильное набухание зерен с увеличением их объема в сотни раз за счет присоединения больших количеств воды. Эта стадия клейстеризации необратима. При набухании крахмала происходят разрыв водородных связей и гидратация макромолекул полисахаридов, увеличивается вязкость раствора. На третьей стадии извлекаются водой растворимые полисахариды, зерна теряют форму.

Установлено, что первая стадия клейстеризации у различных видов крахмала наступает при разных температурах. Поэтому нельзя указать точную температуру клейстеризации, а можно только отметить температурный интервал, в котором клейстеризуются все зерна крахмала.

В зависимости от соотношения количества крахмала и воды получается клейстер в виде золя или геля. Если крахмальные мешочки при поглощении ими большого количества воды тесно соприкасаются друг с другом, клейстер имеет характер геля. Густые кисели с 6-8%-ным содержанием крахмала относятся к прочным гелям. В процессе варки круп, бобовых, макаронных изделий образуются еще более прочные гели. Установлено, что оклейстеризованный крахмал наиболее сильно стареет в пшенной каше, меньше – в рисовой и еще меньше – в гречневой. Старение оклейстеризованного крахмала предотвращается выдержкой изделий в горячем состоянии до момента их употребления.

Крахмальные гели различной вязкости служат основой для киселей, супов-пюре и соусов. Для ягодных киселей пригоден картофельный крахмал, образующий прозрачный, почти бесцветный гель. Для молочных киселей можно применять маисовый крахмал, дающий непрозрачный, молочно-белый гель. При нагревании до 10 ⁰С крахмальный клейстер разжижается, а при 120-130 ⁰С становится жидким. При охлаждении до 55-65 ⁰С крахмальный раствор превращается в студень.

Крахмал широко применяется в общественном питании и в производстве пищевых продуктов. Из него вырабатывают крупу саго, патоку, кристаллическую глюкозу. В кондитерском производстве крахмал добавляют к пшеничной муке для ослабления влияния клейковины при изготовлении бисквитов и пирожных; используют как формовочный материал при отливке помадных и ликерных конфет. В колбасном производстве крахмал вводят в состав мясного фарша: он связывает его и придает вареной колбасе сочность и упругость. В кулинарии с крахмалом готовят кисели, соусы, пудинги.

Меланоидинообразование – взаимодействие восстанавливающих сахаров (монозы и восстанавливающие дисахариды, как содержащиеся в продукте, так и образующиеся при гидролизе более сложных углеводов) с аминокислотами, пептидами и белками, приводящее к образованию темно-окрашенных продуктов – меланоидинов. Характерные признаки – потемнение продуктов в результате образования трудно- или нерастворимых в воде темно-окрашенных соединений. Скорость и глубина меланоидинообразования зависят от состава взаимодействующих продуктов, соотношения отдельных компонентов, рН среды, температуры и влажности. Реакция меланоидинообразования играет большую роль в процессах, происходящих при выпечке хлебобулочных изделий, сушке овощей и фруктов, в пивоварении. С реакцией меланоидинообразования связаны внешний вид, вкус и запах жареных мясных блюд.

Карамелизация сахаров. Нагревание моно- и дисахаридов при температуре 100⁰С и выше приводит к изменению их химического состава, повышению цветности продуктов, увеличению содержания редуцированных веществ. Глубина этих процессов, следовательно, и состав образующихся веществ зависят от состава Сахаров, их концентрации, степени и продолжительности теплового воздействия, рН среды, присутствия примесей. В общественном питании и пищевой промышленности особое значение имеет карамелизация сахарозы, глюкозы и фруктозы. Особенно чувствительна к нагреванию фруктоза, карамелизация которой протекает в 6-7 раз быстрее, чем глюкозы. Основной углеводный компонент кондитерских изделий – сахароза, которая при нагревании в ходе технологического процесса в слабокислой или нейтральной среде подвергается частичной инверсии с образованием глюкозы и фруктозы, претерпевающих дальнейшие превращения. Например, от молекулы глюкозы может отщепиться одна или две молекулы воды (дегидратация), а образовавшиеся продукты соединятся друг с другом или с молекулой сахарозы, или может отщепиться три молекулы воды с образованием оксиметилфурфурола, дальнейшие превращения которого сопровождаются разрушением углеродного скелета и образованием разнообразных продуктов деструкции (муравьиная, левулиновая кислоты). При отщеплении двух молекул воды от сахарозы образуется карамелан С ₂Н ₁₈О ₉ – растворимое в воде соединение желтого цвета, при отщеплении трех молекул – карамелен СзбН ₅0₂₅, имеющий ярко-коричневый цвет, затем – карамелин – трудно растворимое в воде соединение. Степень полимеризации образовавшихся продуктов может быть различной. Если концентрация углеводов невелика (10-30 %), то легче протекает образование оксиметилфурфурола, при повышенных концентрациях (70-80 %) активней идут процессы конденсации.

При изготовлении кондитерских изделий, например, карамели, температурным воздействиям подвергаются высококонцентрированные растворы Сахаров (до 80 %), поэтому основным продуктом карамелизации являются ангидриды и продукты их конденсации. При их взаимодействии с металлами и аминокислотами образуются разнообразные и сложные по составу соединения, которые ухудшают качество, но повышают ценность и гигроскопичность готовых продуктов. В общественном питании для оформления тортов изготовляют карамельную массу, а для подкрашивания кремов используют вареный сахар (жженку).

Жиры

Наряду с углеводами и белками жиры – один из главных компонентов питания.

Жиры – это полные сложные эфиры глицерина (три-глицериды) и одноосновных карбоновых (жирных) кислот, входят в класс липидов. Строение жиров отвечает общей формуле:

 

 

где R₁, R₂, R₃ – радикалы жирных кислот.

Все природные жиры содержат в своем составе три различных кислотных радикала, имеющих неразветвленную структуру и, как правило, четное число атомов углерода.

Физико-химические свойства жиров определяются соотношением входящих в их состав насыщенных и ненасыщенных карбоновых (жирных) кислот. В твердых жирах преобладают насыщенные кислоты, и они в обычных условиях имеют твердую консистенцию и сравнительно высокие температуры плавления. Жидкие жиры – масла – в основном состоят из ненасыщенных карбоновых кислот. Природные жиры являются смесью различных триглицеридов и не имеют четкой температуры плавления. Все жиры характеризуются значительным увеличением объема при плавлении.

При охлаждении жиры могут кристаллизоваться в нескольких полиморфных формах. При постепенном охлаждении жидкие жиры кристаллизуются частично и приобретают форму твердого тела, обладающего пластичностью. Пластичность характерна для жиров, содержащих 10-30 % кристаллической фазы. В пластичном жире кристаллы твердых триглицеридов образуют решетку, внутри которой находится значительное количество жидкой фазы. При дальнейшем охлаждении все триглицериды кристаллизуются и жир теряет пластичность. Пластичность является ценным свойством жиров, особенно пищевых.

Жиры обладают низким давлением паров и кипят только в высоком вакууме (250 ⁰С при 0,001 мм рт.ст.). Плотность жиров зависит от молярной массы карбоновых кислот и степени их насыщенности.

Температура воспламенения большинства жиров 270-330 ⁰С. Характеристикой жиров является также и так называемая температура дымообразования, при которой происходит визуально заметное образование дыма вследствие разложения жира. Она падает с ростом кислотного числа жира и лежит в пределах 160-230⁰С.

Жиры нерастворимы в воде, но образуют с ней эмульсии. Они хорошо растворимы в органических растворителях, но обычно плохо растворимы в спирте. При обработке перегретым паром, минеральными кислотами или щелочью жиры подвергаются гидролизу (омылению) с образованием глицерина и жирных кислот или их солей (мыла). При сильном взбалтывании с водой образуют эмульсии. Примером стойкой эмульсии жиров в воде является молоко, содержание жира в котором от 2,7 до 6,0 %. Эмульгирование жиров в кишечнике (необходимое условие их всасывания) осуществляется солями желчных кислот.

Под действием химических и биохимических факторов жиры прогоркают, что приводит к появлению специфического запаха и неприятного вкуса, вызванных образованием низкомолекулярных карбоновых кислот. Прогоркание жиров обусловлено рядом химических процессов. Различают два вида прогоркания – биохимическое и химическое.

Биохимическое прогоркание характерно для жиров, содержащих значительное количество воды и примесей белков и углеводов (например, для коровьего масла). Под воздействием содержащихся в белках ферментов (липаз) происходит гидролиз жиров и образование свободных жирных кислот. Увеличение кислотности может не сопровождаться появлением прогорклости. Микроорганизмы, развивающиеся в жирах, выделяют другие ферменты – липооксидазы, под действием которых жирные кислоты окисляются до в-кетокислот. Метилалкилкетоны, образующиеся при распаде последних, являются причиной изменения вкуса и запаха жира. Во избежание этого производится тщательная очистка жира от примесей белковых веществ, хранение в условиях, исключающих попадание микроорганизмов, и при низкой температуре, а также добавка консервантов (NaCl, бензойная кислота). Химическое прогоркание – результат окисления жиров под действием кислорода воздуха (автоокисление). Первая стадия – образование пероксильных радикалов при атаке молекулярным О ₂ углеводородных остатков как насыщенных, так и ненасыщенных карбоновых кислот. Реакция промотируется светом, теплом и соединениями, образующими свободные радикалы (пероксиды, переходные металлы). Пероксильные радикалы инициируют неразветвленные и разветвленные цепные реакции, а также распадаются с образованием ряда вторичных продуктов – гидроксикислот, эпоксидов, кетонов и альдегидов. Последние и вызывают изменение вкуса и запаха жира. Для жиров, в которых преобладают насыщенные карбоновые кислоты, характерно образование кетонов (кетонное прогоркание), для жиров с высоким содержанием ненасыщенных кислот – альдегидное прогоркание. Для замедления и предотвращения химического прогоркания используют ингибиторы радикальных реакций.

Студни

Студни – это такие системы, в которых частицы дисперсной фазы связаны между собой в сетчатый каркас, а дисперсная среда заключена в промежутках между ними. Таким образом, это структурирование системы со свойствами эластичных твердых тел.

Студни могут быть получены двумя способами: методом застудневания растворов полимеров или золей и методом набухания сухих высокомолекулярных веществ в жидкостях.

Процесс перехода растворов полимеров золя в студень связан с увеличением вязкости и замедлением броуновского движения и заключается в объединении частиц дисперсной фазы в форме сетки или ячеек и связывании при этом всего растворителя.

Процесс застудневания зависит от природы растворенных веществ, формы их частиц, концентрации, температуры, времени и примесей других веществ, особенно электролитов.

Способность застудневать характерна для растворов, состоящих из палочковидных и лентообразных по форме частиц. При наличии таких форм возникают крупноячеистые структуры и могут поглощаться большие количества жидкости.

С повышением концентрации способность к застудневанию увеличивается, так как при этом уменьшается расстояние между частицами. Для каждого раствора при данной температуре существует некоторая предельная концентрация, ниже которой он не застудневает. Так, для желатина при комнатной температуре предельной концентрацией является 0,5 %, для агар-агара – 0,2 %.

Способность застудневать увеличивается при понижении температуры, так как при этом уменьшается подвижность частиц и облегчается процесс сцепления их.

Процесс застудневания даже при низкой температуре не происходит мгновенно и нередко требует продолжительного времени для формирования ячеистой объемной сетки. Время, необходимое для застудневания, называется периодом созревания.

Студни, полученные из растворов ВМС, при высушивании могут уменьшаться в объеме, уплотняться, но все же сохранять эластичность и способность снова набухать в жидкостях.

Таким образом, студни ВМС могут быть получены не только методом застудневания, но и методом набухания. Ограниченное набухание заканчивается образованием студня и не переходит в растворение.

В кулинарной практике для получения студней применяют комбинированный метод, объединяющий набухание сухих веществ и застудневание растворов. Например, сухие вещества крахмал, агар-агар и желатин, сначала набухая, дают студни, которые при повышении температуры плавятся и переходят в раствор, застудневающий при охлаждении.

Студни характеризуются рядом свойств твердого тела. Они сохраняют форму, обладают упругими свойствами и эластичностью.

При нагревании студни переходят в вязкотекучее состояние. Этот процесс называется плавлением. Он обратим, так как при охлаждении раствор снова застудневает.

Многие студни способны разжижаться и переходить в растворы при механическом воздействии (встряхивании, перемешивании). Этот процесс обратим, так как в состоянии покоя через некоторое время раствор застудневает. Свойство студней многократно изотермически разжижаться примеханических воздействиях и застудневать в состоянии покоя называется тиксотропией.

Кромесвойств твердых тел студни обладают и свойствами жидкого тела, там могут протекать такие процессы, как диффузия и химические реакции между веществами. Диффузия в студнях зависит от размеров диффундирующих частиц и от концентрации вещества студня.

Диффузия имеет большое значение в таких производствах, как крашение и дубление, так как набухшее волокно и шкуры животных являются студнями. В пищевой промышленности наблюдается и диффузия соли, сахара в тесте, красителей и вкусовых веществ в желе и мармеладе.

Студни с течением времени "стареют". При старении на поверхности студня начинают появляться капельки жидкости. Происходит разделение студня на две фазы. Это явление называется синерезисом. Впроцессе синерезиса структурная сетка студня стягивается и выжимает из себя значительную часть растворителя, что способствует уменьшению объема студня.

Процесс синерезиса у студней, образованных полимерами, обратим, иногда достаточно нагревания, чтобы студень вернуть в исходное состояние. Этим пользуются для освежения каш, пюре.

Чаще всего синерезис в быту и промышленности нежелателен. Это черствение хлеба, отмокание мармелада, желе, карамели, фруктовых джемов. Синерезис происходит при хранении мыла, клея и т.п.

Синерезис протекает в мышечных и костных тканях в процессе жизнедеятельности, вызывая изменения при старении организма. Мясо старых животных намного плотнее, а кости значительно тоньше, чем у молодых.

Примером положительного синерезиса может служить самопроизвольное отделение жидкости от творога в процессе созревания сыра при сыроварении.

Синерезису способствует низкая температура, большое содержание полимера в растворе и длительный покой системы.

Вопросы для самоконтроля:

1. По какому признаку вещества относят к высокомолекулярным соединениям?

2. В чем особенности строения молекул высокомолекулярных соединений?

3. Приведите примеры высокомолекулярных веществ, входящих в состав пищевых продуктов.

4. Что такое набухание? Какие стадии в нем различают?

5. Опишите, как изменяются белки и углеводы притепловой обработке пищевых продуктов.

6. Расскажите о пищевых добавках, изменяющих структуру и физико-химические свойства продуктов.

7. Какой процесс называется прогорканием?

8. Какие существуют методы получения студней?

 

Библиографический список

1. Горбунова С.К. Физическая и коллоидная химия (в общественном питании): учебное пособие / С. К. Горбунова, Э.А. Муллоярова. – М: Альфа-М, 2006.

2. Жарких Н.А. Химия для экономических колледжей / Н.А Жарких. – Р.н/Д.: Феникс, 2004.

3. Евстратова К.И. Физическая и коллоидная химия. / К.И. Евстратова, Н.А. Купина, Е.Е. Малахова. – М: Высшая школа, 1988.

4. Ахметов Б.В. Задачи и упражнения по физической и коллоидной химии / Б.В. Ахметов. – Ленинград: Химия, 1989.

5. Зимон А.Д. Физическая химия: Учебник для вузов / А.Д. Зимон, Н.Ф. Лещенко. – М: Химия, 2000.

6. Зимон А.Д. Коллоидная химия: Учебник для вузов / А.Д. Зимон. – М: Агар, 2003.

7. Мушкамбаров Н.Н. Физическая и коллоидная химия: курс лекций / Н.Н. Мушкамбаров. – М. ГЭОТАР – МЕД, 2002.

8. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебник для вузов / Н.Л. Глинка. – М: ИНТЕГРАЛ – Пресс, 2002.

 

 

 

 

 

Размещено на Allbest.r