Превращения углеводов в технологических процессах (клейстеризация и гидролиз крахмала, карамелизация сахаров и меланоидинообразование)

Биологические функции и пищевая ценность углеводов. Классификация углеводов, нормы потребления

Гликозиды растений.

Превращение углеводов в технологических процессах (клейстеризация и гидролиз крахмала, карамелизация сахаров и мелоноидинообразование).

Биологические функции и пищевая ценность углеводов. Классификация углеводов, нормы потребления.

Углеводы в сырье и продуктах питания

Углеводы наряду с жирами, белками и минеральными веществами являются основным компонентом пищи человека и животных.

В клетках живых организмов они являются источниками и аккумуляторами энергии в растениях (на их долю приходится 90% СВ) играют роль скелетного материала. Входят в состав многих важных природных соединений. Выступают в качестве регуляторов ряда важных биохимических реакций. В соединениях с белками и липидами углеводы образуют сложные высоко молекулярные комплексы представляющие основу субклеточных структур. Они входят в состав нуклеиновых кислот, участвующих в передачи наследственной информации.

Углеводы образуются в растениях в ходе фотосинтеза из углекислого газа и воды. Живые организмы не способны синтезировать углеводы, и получают их с различными пищевыми продуктами. Углеводы являются единственными органическими веществами в кругообороте углерода в природе. Углеводы имеют широчайшее применение, начиная от их промышленного использования до тончайших биохимических процессов.

Они обеспечивают ряд важнейших функций организмов, а именно входят в состав ферментов. Производные углеводов выступают в качестве жизнеобеспечения веществ. Некоторые витамины содержат разнообразные углеводные компоненты. Со сложными углеводами связаны многие явления: иммунитет, специфичность групп крови, специфичность тканей человека.

Многие антибиотики представляют собой гликозиды, производные углеводов.

Помимо питательной ценности углеводы в пищевой технологии играют особую роль, являясь студнеобразователем и загустителем, обеспечивая вкус и аромат получаемых продуктов.

В ходе технологического процесса углеводы претерпевают разнообразные сложные превращения: кислотный и ферментативный гидролиз, брожение, меланоидинообразование, карамелизацию и т.д. Это расширяет область их практического использования, придаёт готовым продуктам соответствующие органолептические характеристики.

Классификация углеводов. По основной классификации углеводы подразделяют на две основные группы:

1. простые углеводы-моносахариды, не способные гидролизоваться;

2. сложные углеводы − полисахариды, состоящие из различного числа остатков простых углеводов и способные к гидролизу до моносахаридов.

С точки зрения химии, углеводы по усвояемости в организме условно делятся на две группы:

1. углеводы усвояемые организмом человека;

2. углеводы неусвояемые организмом человека.

Основным источником углеводов в питании являются продукты растительного происхождения. Пищевые продукты, как источники углеводов подразделяют на три группы:

1. хлеб и хлебопродукты;

2. сахаристые продукты;

3. овощи и фрукты.

Усвояемые углеводы. Основными являются следующие: глюкоза, фруктоза, галактоза, сахароза, мальтоза, декстрины, крахмал. Из углеводов первой группы легче всего усваиваются фруктоза и глюкоза, затем сахароза, мальтоза и лактоза.

После их гидролиза ферментами пищеварительного тракта до соответствующих моноз. Крахмал и декстрины усваиваются медленнее. Предварительно должна пройти их деполимеризация, то есть гидролиз до глюкозы, поэтому потребление крахмала в отличие от моносахаридов и дисахаридов не приводит к быстрому увеличению содержания глюкозы в крови.

Крахмал − основной полисахарид, используемый в питании (до 80% от всех углеводов). Относительную сладость моносахаридов и дисахаридов можно выделить в условных единицах: сахароза-100, фруктоза-173, глюкоза-74, галактоза-32,1, мальтоза-32,5, лактоза-16, инвертный сахар-130.

Неусвояемые углеводы. К ним относятся пищевые волокна или балластные вещества, т. е. целлюлоза, пектиновые вещества. Человек непосредственно не усваивает пищевые волокна, т.к. в его организме нет ферментов, необходимых для их расщепления. Частичное расщепление балластных веществ, происходит под действием ферментов, которые выделяют имеющиеся в кишечнике микроорганизмы. Балластные вещества влияют на перистальтику кишечника, создавая необходимые условия в продвижении пищи по ЖКТ. Они способствуют выделению из организма холестерина, препятствуют всасыванию ядовитых веществ. Недостаток балластных веществ, способствует ожирению, развитию желчнокаменной болезни, сердечнососудистых заболеваний, с их недостатком связывают рост заболеваний раком толстой кишки. Следует также отметить, что балластные вещества создают чувство насыщенности, снижают аппетит. Это следует помнить, создавая новые виды продуктов, особенно рафинирование, в тоже время увеличение содержания клетчатки в рационе приводит к снижению усвоения многих компонентов пищи, особенно минеральных веществ, и может вызвать нарушение деятельности ЖКТ.

Основные источники балластных веществ в питании: хлеб грубого помола, картофель, капуста, морковь. Из усвояемых углеводов первостепенное значение принадлежит сахарозе широко используемой в приготовлении кондитерских и хлебобулочных изделий, варенье и сладких продуктов.

Содержание сахарозы в потребляемом сахаре составляет 99,8%. Широко распространены глюкоза и фруктоза. В питании предпочтительнее употреблять фруктозу чем глюкозу.

Фруктоза слаще глюкозы, поэтому для получения продукта с той же сладостью необходимо меньше её количество. Превращение фруктозы в организме протекает несколько иначе, чем глюкозы, что важно для больных сахарным диабетом. Источником фруктозы в питании является мёд (), свекла, фрукты, сахароза.

Из дисахаридов необходимо отметить лактозу, в коровьем молоке 4,8%, в молоке матери 7,7%. Лактоза способствует развитию молочно-кислых бактерий, антагонистов гнилостных микроорганизмов в пищеварительном тракте. У многих людей отсутствует или недостаточно активного фермента, гидролизующего лактозу, поэтому они страдают непереносимостью молока.

Для нормальной жизнедеятельности в крови человека натощак должно содержаться от 80 до 100 мг глюкозы на 100 мг крови. Избыток сахара накапливается в печени и мышцах в виде гликогена.

Потребность человека в углеводах связана его энергетическими затратами и составляет в среднем от 365-500г в сутки, в том числе доля крахмала составляет 350-400г, а моносахаридов и дисахаридов 50-100г.

Доля балластных веществ составляет до 25г в сутки, в том числе непосредственно клетчатки и пектиновых веществ 10-15г. Рекомендуемую дозу моносахаридов и дисахаридов следует распределять на 3-4 приёма по 20-25г.

Избыток углеводов способствует ожирению, нарушению деятельности нервной системы и аллергизации организма.

Норма углеводов должна быть уменьшена при сахарном диабете, аллергиях, в усвоительных процессах, а также для людей, не занимающихся физическим трудом и пожилого возраста.

В последние годы пришли к выводу, что необходимо снижать потребление рафинированных углеводов, они легко доступны ферментам пищеварительного тракта и являются источником так называемых пустых калорий.

Для уменьшения доли рафинированных и увеличения нерафинированных продуктов обеспечивают необходимое количество балластных веществ. Требуется уменьшение потребления сахара, многих кондитерских изделий, хлеба из муки высшего сорта, манной крупы, макарон и увеличение хлеба из ржаной муки, из целого зерна, овсяной крупы, овощей или фруктов. Для подслащивания пищи рекомендуется потребление варенья, ягод, протёртых с сахаром. Использование для кондитерских изделий фруктово-ягодных начинок, то есть продуктов с повышенным содержанием крахмала, пектиновых веществ, а не сахарозы, глюкозы и фруктозы.

Людям пожилого возраста и ведущим малоподвижный образ жизни необходимо, чтобы потребление сахарозы составляло не более 15% от суточного потребления углеводов.

Углеводы при хранении пищевого сырья и его переработки в готовые продукты претерпевают разнообразные и сложные превращения. Они зависят от состава углеводного комплекса, условий процесса, наличие фермента, присутствие в перерабатываемых продуктах других компонентов, взаимодействующих с углеводами. Из этих превращений необходимо, в первую очередь, отметить кислотный и ферментативный гидролиз дисахаридов и полисахаридов, брожение моноз, меланоидинообразование и карамелизацию.

Клейстеризация и гидролиз крахмала. В ходе технологической обработки под воздействием влаги и тесла крахмал и крахмалосодержащее сырьё способны адсорбировать воду, набухать, клейстеризоваться, подвергаться деструкции. Интенсивность этих процессов зависит от вида крахмала, режимов обработки и характера катализатора. Крахмальные зёрна при обычной температуре не растворяются в воде, при повышении температуры набухают, образуя вязкий коллоидный раствор. При его охлаждении образуется устойчивый гель − крахмальный клейстер, этот процесс получил название клейстеризации крахмала.

Крахмалы различного происхождения клейстеризуются при разных температурах (). Способность крахмала к набуханию и клейстеризации связана с содержанием амилазной фракции. Под действием ферментов или кислот крахмал при нагревании присоединяет воду и гидролизуется, глубина гидролиза зависит от условий его проведения и вида катализатора.

В общем, схема превращения крахмала при гидролизе может быть представлена:

Деструкция крахмала происходит при получении многих пищевых продуктов (патоки, глюкозы, спирта).

Меланоидинообразование. Это реакция, протекающая между редуцирующими сахарами и аминокислотами, пептидами и белками, приводящая к образованию окрашенных продуктов − меланоидов.

Это окислительно-восстановительный процесс, который представляет собой совокупность последовательно и параллельно идущих реакций. Механизм его очень сложен, реакция сопровождается образованием большого числа промежуточных продуктов, которые на следующих этапах взаимодействуют между собой и с исходными веществами.

Скорость и глубина процесса зависят от состава взаимодействующих продуктов, соотношения отдельных компонентов, pH среды, температуры и влажности. Наиболее сильно она протекает в нейтральной и щелочной средах. Образующиеся при этом соединения (фурфурол, оксиметилфурфурол, ацетальдегид, изовалериановый альдегид, диацетил и др.) принимают участие в формировании аромата и в какой-то степени вкуса готовых продуктов. Активность аминокислот и сахаров в реакции Майяра снижается в следующем ряду:

аминокислоты −

лизин >глицин > метионин > аланин > валин > глутамин > фенилаланин > цистин

тирозин;

сахара −

ксилоза > арабиноза > глюкоза > лактоза > мальтоза > фруктоза.

Меланоидинообразование включает семь основных типов реакций происходящих последовательно или параллельно. По развитию окраски их можно разделить на три последовательно идущие стадии −

1. Начальная стадия (образуются вещества, не поглощающие света в ультрафиолетовой области спектра).

К ним относятся следующие реакции:

Сахароаминная конденсация, то есть взаимодействие сахаров и аминокислот с образованием N-гликозидов. При этом соотношение сахара и свободных аминогрупп должно быть 1:1.

Перегруппировка амадори, то есть внутримолекулярное преобразование, происходящее в процессе нагревания или длительного хранения. При этом идёт изомеризация N-гликозидов 1-амино-1-дазокси-2-кетозо.

2. Промежуточная стадия

Образуются вещества, обладающие сильным поглощением в ультрафиолетовом спектре.

Дегидратация сахаров с образованием фурфурола и оксиметилфуфурола.

Разложение сахаров с образованием с образованием альдегидов, влияющих на вкус продуктов.

Разложение аминокислот с образованием альдегидов, придающих аромат при термической обработке продуктов.

3. Конечная стадия

Образуются тёмно-окрашенные соединения – меланоидины.

Альдольная конденсация безазотистых соединенийю

Альдегид аминная полимеризация, образование гетероциклических азотистых соелинений.

С меланоидинообразованием связаны многие процессы, происходящие при переработке пищевого сырья, а именно: выпечка хлеба, сушка овощей, фруктов, получение сухого молока и т.д. С меланоидинообразованием связано также потемнение сахарного сиропа при его упаривании, снижение выхода спирта при переработке кукурузы низкого качества, образование цвета и аромата при томлении красного солода и затора в пивоварении.

Образование хрустящей, золотисто-коричневой корочки хлеба, а также его вкус и аромат во многом связанные с меланоидинообразованием, то есть особенно интенсивно идёт процесс при повышенных температурах. В результате этой реакции в отдельных видах сырья и полуфабрикатах уменьшается содержание сахаров, ценных аминокислот, белком, повышается их пищевая ценность. Наравне с несколькими десятками ароматических веществ, улучшающих вкус готовых изделий, образуются сотни неизвестных пока по физико-химическим свойствам новых веществ. Полезность их присутствия в пищевых продуктах сомнительна, поэтому, чем меньше образуется меланоидинов, тем лучшего качества будут готовые изделия.

Карамелизация сахаров. Нагревание моносахаридов и дисахаридов при температуре С и выше приводит к изменению их химического состава, улучшению цветности продуктов, увеличению содержания редуцирующих веществ. Глубина этих процессов, а следовательно и состав, образующихся веществ зависят от состава сахаров, их концентрации, степени и продолжительности теплового воздействия, pH среды, присутствия примесей.

В пищевой промышленности особое значение имеет карамелизация сахарозы, глюкозы и фруктозы. Особенно чувствительна к нагреванию фруктоза, поэтому она карамелизуется в 6-7 раз быстрее, чем глюкоза. Сахароза при нагревании в ходе технологического процесса в слабокислой или нейтральной среде подвергается частичной инверсии с образованием глюкозы и фруктозы, которые претерпевают дальнейшее превращение. Например, от молекулы глюкозы может отщепиться одна или две молекулы воды (дегидратация), а образовавшиеся продукты соединяются друг с другом или с молекулой сахарозы, или могут отщепить 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 карамелен () − раствор в виде соединения желтого цвета.

При отщеплении трёх молекул воды образуется карамелен(), имеющий ярко-коричневый цвет, затем образуется карамелин-трудно растворимое в воде соединение. Степень полимеризации образующихся продуктов может быть различной.

Если концентрация углеводов невелика (10-30%), то легче протекает образование оксиметилфурфурола. При повышенных концентрациях (70-80%) активнее идут процессы конденсации. В общем упрощенном виде схему превращения сахаров при нагревании можно представить следующим образом:

При изготовлении кондитерских изделий, например, карамели, температурным воздействиям подвергаются высококонцентрированные растворы сахаров(до 80%), поэтому основными продуктами карамелизации являются ангедриды и продукты их конденсации. При взаимодействии с металлами и аминокислотами образуются разнообразные и сложные по составу соединения, которые ухудшают качество, увеличивают цветность и гигроскопичность готовых продуктов.

Дата добавления: 2013-12-12