Контрольная работа по химическим основам технологии пищевых производств

Большое внимание сейчас уделяется получению  различных зерновых сахарных сиропов  из дешевого крахмалсодержащего сырья  и крахмала (рожь, кукуруза, сорго  и др.). Их получение сводится к  использованию разных комбинаций амилолитических ферментных препаратов (α-амилазы, глюкоамилазы, β-амилазы). Возможности ферментативного способа получения разных сахаристых продуктов видны на диаграммах (см. рис. 3.4). Получение глюкозы (с помощью глюкоамилазы), а затем действие глюкозоизомеразы дает возможность получения глюкозофруктозных и высокофруктозных сиропов, применение которых позволяет заменять во многих производствах сахарозу. В табл. 3.5 представлены данные по "сладости" различных сиропов.

     При получении сахарных сиропов из крахмала степень конверсии крахмала в D-глюкозу  измеряют в единицах глюкозного эквивалента (ГЭ) – это содержание (в %) образующихся редуцирующих сахаров, выраженное в  глюкозе на сухие вещества (СВ) сиропа.

     Гидролиз  крахмала.

     1. При гидролизе крахмала под  действием кислот сначала имеет  место ослабление и разрыв  ассоциативных связей между макромолекулами  амилозы и амилопектина. Это сопровождается  нарушением структуры крахмальных  зерен и образованием гомогенной  массы. Далее идет разрыв α-D-(l,4)- и α-D-(1,6)-связей с присоединением  по месту разрыва молекулы  воды. В процессе гидролиза нарастает  число свободных альдегидных  групп, уменьшается степень полимеризации.  По мере гидролиза и нарастания  редуцирующих (восстанавливающих) веществ  содержание декстринов уменьшается,  глюкозы – увеличивается, концентрация  мальтозы, три- и тетрасахаров сначала увеличивается, затем их количество снижается. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза. На промежуточных стадиях образуются декстрины, три- и тетрасахара, мальтоза. Определенному значению глюкозного эквивалента соответствует определенное соотношение этих продуктов, и, варьируя длительностью гидролиза и условиями его проведения, можно получать различные соотношения отдельных продуктов гидролиза при той или иной величине глюкозного эквивалента.

 Кислотный гидролиз долгое время был главным при получении глюкозы из крахмала. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, которые связаны с использованием высоких концентраций кислот и высокой температуры, что приводит к образованию продуктов термической деградации и дегидратации углеводов и реакции трансгликозилирования.

     2. Крахмал гидролизуется также и под действием амилолитических ферментов. К группе амилолитических ферментов относятся α- и β-амилаза, глюкоамилаза, пуллуланаза и некоторые другие ферменты. Амилазы бывают двух типов: эндо- и экзоамилазы. Четко выраженной эндоамилазой является α-амилаза, способная к разрыву внутримолекулярных связей в высокополимерных цепях субстрата. Глюкоамилаза и β-амилаза являются экзоамилазами, т. е. ферментами, атакующими субстрат с нередуцирующего конца. α-Амилаза, действуя на целое крахмальное зерно, атакует его, разрыхляя поверхность и образуя каналы и бороздки, то есть как бы раскалывает зерно на части. Клейстеризованный крахмал гидролизуется ею с образованием не окрашиваемых иодом продуктов – в основном низкомолекулярных декстринов. Процесс гидролиза крахмала многостадийный. В результате воздействия α-амилазы на первых стадиях процесса в гидролизате накапливаются декстрины, затем появляются неокрашиваемые иодом тетра- и тримальтоза, которые очень медленно гидролизуются α-амилазой до ди- и моносахаридов.

 β-Амилаза (α-1,4-глюканмальтогидролаза) является экзоамилазой, проявляющей сродство к предпоследней α-(1,4)-связи с нередуцирующего конца линейного участка амилозы или амилопектина (см. рис. 3.7). В отличие от α-амилазы, β-амилаза практически не гидролизует нативный крахмал; клейстеризованный крахмал гидролизуется до мальтозы в β-конфигурации. Схему можно записать следующим образом.

Глюкоамилаза α-(1,4)-глюканглюкогидролаза является экзоферментом, катализирующим последовательно отщепление концевых остатков α-D-глюкозы с нередуцирующего конца крахмальной цепи. Многие глюкоамилазы обладают способностью так же быстро, как и α-1,4-связь, гидролизовать α-1,6-глюкозидные связи. Но это происходит только в том случае, когда за α-1,6-связью следует α-1,4-связь, поэтому декстран ими не гидролизуется. Отличительной особенностью глюкоамилаз является способность в десятки раз быстрее гидролизовать высокополимеризованный субстрат, чем олиго- и дисахариды.

     Ферментативный  гидролиз крахмала присутствует во многих пищевых технологиях как один из необходимых процессов, обеспечивающих качество конечного продукта – в  хлебопечении (процесс тестоприготовления и выпечки хлеба), производстве пива (получение пивного сусла, сушка солода), кваса (получение квасных хлебцев), спирта (подготовка сырья для брожения), различных сахаристых крахмалопродуктов (глюкозы, патоки, сахарных сиропов).

   Гидролиз сахарозы.

     Поскольку сахароза как сырье используется во многих производствах, необходимо учитывать  ее исключительную способность к  гидролизу. Это может иметь место  при нагревании в присутствии  небольшого количества пищевых кислот. Образующиеся при этом редуцирующие сахара (глюкоза, фруктоза) могут участвовать  в реакциях дегидратации, карамелизации и меланоидинообразования, образуя окрашенные и ароматические вещества. В ряде случаев это может быть нежелательно.

Ферментативный  гидролиз сахарозы под действием  β-фруктофуранозидазы (сахаразы, инвертазы) играет положительную роль в ряде пищевых технологий. При действии β-фруктофуранозидазы на сахарозу образуются глюкоза и фруктоза. Благодаря этому в кондитерских изделиях (в частности, в помадных конфетах) добавление β-фруктофуранозидазы предупреждает черствение конфет, в хлебопекарных изделиях – способствует улучшению аромата. Инверсия сахарозы под действием β-фруктофуранозидазы имеет место на начальной стадии производства виноградных вин. Инвертные сиропы, полученные действием β-фруктофуранозидазы на сахарозу, используются при производстве безалкогольных напитков.

Ферментативный  гидролиз некрахмалистых полисахаридов. Этот гидролиз имеет место под действием ферментов целлюлолитического, гемицеллюлазного и пектолитического комплекса. Используется в пищевой технологии для более полной переработки сырья и улучшения качества продукции. Например, гидролиз некрахмалистых полисахаридов (пентозанов и др.) при солодоращении имеет значение в последующем для образования окрашенных и ароматических продуктов (при сушке солода и создании определенных органолептических свойств пива). В производстве соков и в виноделии – для осветления, увеличения выхода сока, улучшения условий фильтрации.

     Гидролиз  целлюлозы происходит под действием  комплекса целлюлолитических ферментов. По современным представлениям гидролиз целлюлозы под действием ферментов целлюлолитического комплекса можно представить следующим образом.

     Гемицеллюлозы вместе с пектиновыми веществами образуют основное вещество клеточных  оболочек растений. Гидролиз гемицеллюлоз имеет место под действием  обширного комплекса гемицеллюлазных ферментов. Эта группа полисахаридов, разнородная по строению, молекулярной массе и составу, при гидролизе дает довольно разнообразный набор соединений: глюкозу, фруктозу, маннозу, галактозу, ксилозу, арабинозу, глюкуроновую и галактуроновую кислоты. Гидролиз пектиновых веществ имеет место под действием пектолитических ферментов.

     Пектинэстераза гидролизует сложные эфирные связи в пектиновой кислоте и пектине и отщепляет метиловый спирт. Механизм действия пектинэстеразы можно представить следующим образом

Полигалактуроназа осуществляет гидролитическое расщепление α-1,4-гликозидных связей в цепи пектиновых веществ и по своему действию на пектиновые вещества разделяется на эндо- и экзоферменты.

Протопектиназа – это фермент, действующий на протопектин. Однако вопрос о существовании протопектиназы до последнего времени остается спорным, хотя нельзя отрицать, что при воздействии комплекса пектолитических ферментов на срединные пластинки растительной ткани резко снижается вязкость раствора, уменьшается молекулярная масса пектина без нарастания отщепленных редуцирующих групп. С пектиновыми веществами происходят какие-то превращения, существенно отличающиеся от тех, которые возникают при воздействии известных пектолитических ферментов. Структурно-функциональные свойства полисахаридов

Все полисахариды, присутствующие в пищевых продуктах, выполняют ту или иную полезную роль, связанную с их молекулярной архитектурой, размером и наличием межмолекулярных  взаимодействий, обусловленных, в первую очередь, водородными связями. Целый  ряд полисахаридов являются неусваиваемыми. Это, главным образом, целлюлоза, гемицеллюлоза и пектиновые компоненты клеточных стенок овощей, фруктов и семян. Эти компоненты придают многим продуктам плотность, хрупкость, а также приятное ощущение во рту. И, кроме того, они важны (как пищевые волокна) в нормальной жизнедеятельности человеческого организма.

     Полисахариды, присутствующие в пищевых продуктах, выполняют важную функцию, которая  заключается в обеспечении их качества и текстуры: твердости, хрупкости, плотности, загустевания, вязкости, липкости, гелеобразующей способности, ощущения во рту. Именно благодаря полисахаридам образуется структура пищевого продукта – мягкая или хрупкая, набухшая или желеобразная.

В принципе, полисахариды должны быть растворимы, поскольку они состоят из гликозидных единиц (гексоз или пентоз), а каждая гликозидная единица имеет несколько точек для образования водородных связей.

Так, например, в глюкане пять кислородов в цепи могут участвовать в образовании водородных связей.

     Каждый  гидроксильный водород или кислород может потенциально связывать молекулу воды, и таким образом каждая единица  в цепи может быть полностью гидратирована, что должно было бы привести к растворимости  всей молекулы. Но полисахариды не растворимы в воде, если доступ к воде ограничен. Это имеет место у полностью  линейных молекул, где цепи полностью  растянуты и, вследствие этого, могут  тесно примыкать друг к другу  вдоль всей длины. Это, в первую очередь, относится к целлюлозе. Одна линейная молекула может за счет водородных связей связываться с другой линейной молекулой, образуя кристаллическую  структуру. При таком упорядоченном  устройстве не остается мест связывания для образования в системе  вода–целлюлоза водородных связей, и  поэтому эти кристаллические  области нерастворимы в воде и  очень стабильны. Известно, например, что деревья растут и существуют веками. Тем не менее, не вся целлюлозная  молекула вовлекается в кристаллические  образования, благодаря чему остаются области, доступные для образования  водородных связей между молекулой  целлюлозы и водой. Это аморфные, неструктурированные области, которые  являются высокогидратированными. Подобное имеет место в том случае, если некоторые секции одной целлюлозной молекулы связаны с некоторыми секциями другой целлюлозной молекулы в "спагетти-манере", делая взаимодействие между цепями невозможным.

     Если  единообразные линейные молекулы перенесены в раствор при нейтральном  значении рН, то они могут взаимодействовать  между собой таким образом, как при образовании кристаллических зон в целлюлозе, то есть вода будет исключена из зон связывания. Если температура недостаточна высока, чтобы растянуть сегменты цепей, то эти комбинированные сегменты не только будут оставаться, но и могут даже расти, вовлекая соседние единицы других цепей в образование зон связывания. Если много молекул вносят вклад в образование этих зон, то со временем может возникнуть частица, которая достигает размера, при котором гравитационный эффект заставляет ее осаждаться. Этот эффект, наблюдающийся при стоянии амилозных клейстеров, когда длинные и сравнительно неширокие молекулы начинают кристаллизоваться, называют

ретроградацией крахмала. Процесс исключения воды, который сопровождает ретроградацию, называется синерезисом.

     В ряде случаев зоны взаимодействия не растут по размеру так, как описано  выше, а остаются в виде сегментов  только двух молекул. Новая зона взаимодействия одной из этих молекул с новой  молекулой образуется совершенно в  другом месте. Таким образом, каждая полисахаридная молекула будет участвовать  в двух и более зонах соединения. Эти молекулярные ассоциации образуют трехмерную сетку с растворителем, в которой молекулы воды распределены везде. В результате образуется уникальная структура: вначале был раствор, затем образовался гель. Образование гелей, например, имеет место при быстром охлаждении концентрированных амилозных крахмальных клейстеров.

     Сила  геля зависит от силы зон связывания, которые держат всю структуру  вместе. Если протяженность зон связывания небольшая, силы, удерживающие цепи соседних молекул, невелики, и молекулы могут  разделиться под внешним давлением  или при небольшом увеличении температуры, которая способствует увеличению движения полимерных цепей. Такие гели называют слабыми, они  термически нестабильны. Если протяженность  зон связывания велика, то силы, удерживающие цепи соседних молекул достаточны, чтобы противостоять воздействию  температуры и внешнего давления. Такие гели называют твердыми, они  термостабильны. Силой гелей можно  управлять контролируя зоны связывания, что очень важно для технологии многих пищевых продуктов.

     Разветвленные полисахариды (например, амилопектин) или гетерополигликаны не могут тесно располагаться друг к другу, поэтому и не могут формировать зоны связывания существенных размеров и силы, чтобы образовать гель. Такие молекулы просто образуют вязкие стабильные растворы. Это же относится к заряженным полисахаридам, содержащим –СООН группы. Наличие отрицательного заряда приводит к отталкиванию приближающихся сегментов цепей и таким образом предотвращает образование зон связывания.