Глава 3. Процессы, оказывающие влияние на качество пищевых продуктов при их кулинарной обработке

 

Кулинарная обработка, особенно тепловая, вызывает в продуктах глубокие физико-химические и коллоидно-химические изменения. Эти изменения могут приводить к потерям питательных веществ, существенно влиять на усвояемость и пищевую ценность продуктов, изменять их цвет, приводить к образованию новых вкусовых и ароматических веществ. Без знания сущности происходящих процессов нельзя сознательно подходить к выбору режимов технологической обработки, обеспечить высокое качество готовых блюд, уменьшить потери питательных веществ.

Теплообменные процессы

Задачей тепловой обработки является создание и поддержание в продукте определенного температурного поля.

Тепловая обработка продуктов осуществляется различными способами: по­гружением в жидкую среду, обработкой паровоздушной и пароводяной смесями, острым паром, нагревом в поле сверхвысокочастотных электромагнитных коле­баний (СВЧ), инфракрасным облучением, контактным нагревом.

Все способы нагрева пищевых продуктов можно разделить на две группы: поверхностный и объемный нагрев.

Поверхностный нагрев. Этот вид нагрева может быть контактным, конвек­тивным или радиационным.

При контактном нагреве продукт помещают на нагретые поверхности. Вна­чале в результате контакта с теплопередающей поверхностью нагревается по­верхность продукта. От нагретой поверхности тепло передается за счет тепло­проводности вглубь продукта, и вся его масса постепенно прогревается. Создается перепад температур между наружными и внутренними слоями и определенный температурный градиент от поверхности к центру продукта.

При помещении на нагретую поверхность продукт нагревается только с одной стороны, и в процессе обработки его надо переворачивать.

При конвективном нагреве продукт помещают в греющую среду (воду, пар, жир, нагретый воздух). Вначале в результате конвективного теплообмена с гре­ющей средой нагревается поверхность продукта. От нагретой поверхности теп­ло передается вглубь продукта за счет теплопроводности. При длительном на­гревании (например, при варке продукта в воде) температура на поверхности и в центре продукта практически выравнивается, и температурный градиент ста­новится незначительным.

При радиационном нагреве продукт облучают инфракрасными лучами (ИКЛ). Источником ИКЛ могут быть нагретые поверхности (стенки жарочных шкафов, электронагревательные элементы и др.) или специальные источники ИК-излучения. ИКЛ проникают в продукт на глубину 1-2 мм, и в этом слое энергия излучения превращается в тепловую. Поэтому поверхность продукта очень бы­стро нагревается, и образуется обезвоженная корочка, в которой температура быстро достигает 130-150 °С. От нагретой поверхности тепло передается вглубь продукта за счет теплопроводности. Этот способ нагрева используется в гриль-аппаратах и шашлычных печах.

При всех способах поверхностного нагрева создается разность температур между поверхностью и внутренними частями изделия. Перепад температуры усиливает перемещение влаги в капиллярах от поверхности к центру изделия (термокапиллярный эффект). Он способствует более быстрому образова­нию на поверхности продукта корочки и уменьшению испарения влаги при жар­ке, а также снижению интенсивности экстракции водорастворимых компонентов при варке. Вопросы термовлагопереноса более подробно рассмотрены далее.

Объемный нагрев. При объемном нагреве энергия электромагнитных коле­баний или электрического тока превращается в тепловую энергию во всем объе­ме продукта, и почти вся его масса нагревается практически одновременно. Существуют два способа объемного нагрева: электроконтактный и сверхвысоко­частотный (СВЧ-нагрев).

При электроконтактном способе через продукт пропускают электрический ток. В соответствии с законом Джоуля-Ленца при прохождении тока через про­водник выделяется тепло. Однако при этом в продукте происходит коагуляция белков и другие необратимые изменения пищевых веществ, поэтому электро­контактный способ применяют очень редко.

При СВЧ-нагреве продукт помещают в переменное СВЧ-электромагнитное поле, специфически воздействующее на дипольные молекулы, в которых элек­трические заряды пространственно разделены.

Например, молекула воды поляризована таким образом, что один конец ее (атомы водорода) несет частичный положительный заряд, а другой — частичный отрицательный заряд (два неспаренных электрона у атома кислорода).

Кроме того, даже неполяризованные молекулы в электрическом поле могут стать диполями. Объясняется это тем, что симметрично расположенные в них заряды могут сдвигаться под действием внешних полей (происходит вторичная поляризация).

Если дипольную молекулу поместить в электромагнитное поле, то она повер­нется так, чтобы расположиться вдоль силовых линий. В переменном СВЧ-электромагнитном поле диполи начинают колебаться, выделяется кинетическая энер­гия движения молекул, и продукт быстро нагревается.

Глубина проникновения электромагнитных колебаний в продукт зависит от их частоты и диэлектрических характеристик продукта.

При использовании СВЧ-нагрева сокращаются сроки тепловой обработки, уменьшается расход электроэнергии, снижаются потери массы и растворимых веществ, в меньшей степени денатурируют белки и окисляются ненасыщенные жирные кислоты.

Изменения пищевых веществ под действием СВЧ-нагрева, их влияние на орга­низм человека еще недостаточно изучены. СВЧ-нагрев рекомендуется исполь­зовать в основном для разогрева охлажденных и замороженных блюд, для отта­ивания замороженных продуктов.

При объемном нагреве не возникает перепада температур внутри продукта, Температура на поверхности продукта не достигает 130 ^оС, и поэтому не образу­ется корочка. СВЧ-нагрев можно сравнить с варкой в собственном соку — припусканием.

 

 

3.2. Процессы массопереноса

Как отмечалось выше, тепловая обработка продуктов сопровождается явлени­ями массопереноса воды, водо- и жирорастворимых компонентов самого про­дукта. Кроме того, при использовании некоторых пищевых компонентов (поваренная соль, ли­монная кислота, сахар, вкусовые добавки, специи и др.) возникает задача более или менее равномерного распределения этих добавок в массе продукта, то есть создания поля концентраций определенных компонентов.

Наоборот, при вымачивании соленой рыбы, грибов, при отваривании почек возникает задача освобождения этих продуктов от излишка поваренной соли, горечи, некоторых природных компонентов, неблагоприятно влияющих на орга­низм.

Массоперенос ускоряется при добавлении компонентов к измельченным или жидким продуктам (напитки, фарши, пасты, измельченные овощи), особенно при достаточном перемешивании.

Если же кулинарная продукция сохраняет природную структуру и разделена на части определенного размера, протекающие процессы массопереноса опреде­ляются интенсивностью диффузии компонентов в жидких средах и эффективно­стью их водной или масляной экстракции из твердых пористых тел.

Влияние клеточной структуры тканей пищевых продуктов на интенсивность процессов массопереноса. Продовольственное сырье и пищевые продукты представляют собой сложные многокомпонентные биологические си­стемы, претерпевающие необратимые изменения на различных стадиях техно­логического процесса производства продукции общественного питания. Интен­сивность процессов массопереноса в этих системах в определенной степени зависит от сохранения прижизненной клеточной структуры тканей, а также от степени удерживания влаги основными биополимерами пищевых продуктов — белками и полисахаридами.

Растительные продукты — плоды и овощи – представляют собой живые организмы, которые сохраняют дыхание и обмен веществ, хотя и с не­сколько уменьшенной интенсивностью.

В живой растительной клетке поверхность ядер, пластид и других цитоплазматических структур покрыта двойной полупроницаемой мембраной Цитоплаз­матические мембраны регулируют клеточную проницаемость, избирательно за­держивая либо пропуская молекулы и ионы тех или иных компонентов в клетку и за ее пределы.

Мышечная ткань теплокровных животных и рыб находится в состоянии по­смертных изменений (автолиза), интенсивность которых зависит от сроков и температурных режимов сохранения продукта. Однако и в этом случае сохраня­ется роль полупроницаемых клеточных мембран, отвечающих в значительной степени за концентрацию внутриклеточных растворов и перераспределение влаги в мышечных волокнах при различных изменениях гидратации белков.

Имеющиеся экспериментальные данные позволяют рассматривать продоволь­ственное сырье и пищевые продукты как дисперсные коллоидные системы и коллоидные капиллярно-пористые тела. Массо- и влагоперенос в таких систе­мах осуществляется путем диффузии, осмоса и капиллярного переноса.

Диффузия. Диффузией называется процесс самопроизвольного выравнива­ния концентраций растворенных веществ в жидкой или газовой фазе в условиях, исключающих конвекцию. Диффузия происходит без перемешивания раствора, движущей силой процесса является разность концентраций растворенного ве­щества.

В кулинарной практике диффузия происходит при посоле, мариновании и в других случаях, когда распределение пищевых добавок происходит без переме­шивания, в жидких продуктах или в жидкости, заполняющей капилляры капил­лярно-пористых твердых тел.

Диффузия подчиняется закону Фика, согласно которому количество вещества, переносимое через сечение, нормальное к направлению диффузии, пропорцио­нально площади сечения, градиенту концентрации растворенного вещества, вре­мени и коэффициенту диффузии. Как следует из формулы Эйнштейна, величина коэффициента диффузии обратно пропорциональна радиусу растворенных моле­кул (или коллоидных частиц в коллоидных растворах) и вязкости раствора.

Порядок величин коэффициента диффузии составляет 10^-5 для обычных моле­кул и 10^-7 – 10^-9 см²/с для коллоидных частиц и молекул высокомолекулярных соединений (белков, полисахаридов).

Исследования показали, что для обычных молекул время диффузии на 1 см составляет несколько часов, а для молекул высокомолекулярных соединений (белков и других биополимеров) и коллоидных частиц — около 3 лет.

Таким образом, в реальных условиях следует учитывать диффузию только небольших молекул и ионов: поваренной соли, органических кислот, моно- и дисахаридов, низкомолекулярных водорастворимых белков и др. При посоле крупнокусковых полуфабрикатов продукт следует выдержать достаточное время для равномерного распределения соли в толще продукта. Для ускорения этого процесса применяют шпигование продуктов, а особо крупные экземпляры рыбы шприцуют раствором соли.

Осмос. Осмосом называется диффузия молекул растворителя через полу­проницаемую перегородку. Причина возникновения диффузии и осмоса одна и та же — выравнивание концентрации. Однако способы выравнивания резко от­личаются друг от друга. Диффузия осуществляется перемещением растворен­ного вещества, а осмос — перемещением молекул растворителя и возникает при наличии полупроницаемой перегородки. Этой перегородкой в растительных и животных клетках служит мембрана. Таким образом, осмотический перенос воды происходит только в тех случаях, когда при кулинарной обработке расти­тельных и животных продуктов сохраняются полупроницаемые мембраны.

В соответствии с законом Вант-Гоффа, в идеальных растворах осмотическое давление пропорционально молярной концентрации частиц растворенного веще­ства. Например, осмотическое давление раствора яичного альбумина концентраци­ей 0,001 М (34 г/дм³) составляет 22 см. вод. ст. (2,24 кПа). Осмотическое давление равного по массовой концентрации раствора хлористого натрия (0,586 М), каждая молекула которого диссоциирует на два иона, составляет около 2,6 МПа.

Следовательно, внутриклеточное осмотическое давление определяется, в первую очередь, концентрацией солей и низкомолекулярных соединений в кле­точном соке. Осмотическое давление растворов высокомолекулярных соедине­ний (белков и других биополимеров) крайне мало.

В кулинарной практике явление осмоса используется при замачивании час­тично увядших корнеплодов, клубней картофеля, корней хрена для облегчения очистки, снижения количества отходов. При замачивании овощей вода поступает через полупроницаемую мембрану внутрь клетки до наступления концентраци­онного равновесия, объем раствора в клетке увеличивается, возникает избыточ­ное осмотическое давление. Осмотическое давление в растительных клетках придает овощам и другим растительным продуктам прочность, упругость, назы­ваемую тургором.

Если поместить овощи или фрукты в раствор с высокой концентрацией сахара или соли, то наблюдается явление, обратное осмосу — плазмолиз. Оно заклю­чается в обезвоживании клеток и имеет место при консервировании плодов и овощей, при квашении капусты, солении огурцов и др.

При плазмолизе осмотическое давление внешнего раствора больше, чем дав­ление внутри клетки. В результате происходит выделение воды из клетки через полупроницаемую перегородку, концентрирование компонентов клеточного сока, уменьшение объема клетки, нарушение нормального протекания в ней физичес­ких и химических процессов. Таким образом, действие плазмолиза эквивалентно высушиванию продукта и способствует его консервированию.

Подбирая концентрацию раствора (например, сахара при варке фруктов в си­ропе), температурный режим варки и ее продолжительность, можно избежать сморщивания плодов, уменьшения их объема, ухудшения внешнего вида.

Экстракция. При промывании, замачивании, варке и припускании продукты соприкасаются с водой, и из них могут извлекаться водорастворимые вещества. Процесс этот по существу является водной экстракцией водорастворимых ком­понентов из капиллярно-пористых твердых тел.

Интенсивность экстрагирования водорастворимых компонентов пропорцио­нальна площади поверхности продукта и разности концентраций извлекаемого компонента на поверхности продукта и в контактирующей с ним жидкой среде. Это необходимо учитывать при хранении очищенных овощей в воде или при их промывании, варке.

Так, площадь поверхности клубней 1 кг картофеля среднего размера постав­ляет примерно 160 - 180 см², а нарезанного брусочками — более 4500 см², то есть в 25 - 30 раз больше. Соответственно, из нарезанного картофеля будет извлечено растворимых веществ несколько больше, чем из целых клубней за один и тот же период хранения. Поэтому не следует хранить в воде или варить основным способом предварительно нарезанные овощи.

Следует учитывать, что интенсивность экстракции зависит не только от пло­щади поверхности продукта, но и от концентрации растворимых веществ на поверхности продукта и в экстрагирующей среде.

Концентрация растворимых компонентов в продукте может быть очень значитель­ной. Например, концентрация сахаров в свекле составляет 8 - 10 %, моркови — 6,5 %, брюкве — 6 %. При погружении овощей в воду экстракция растворимых веществ вначале идет с большой скоростью из-за значительной разницы концентраций, а затем постепенно замедляется и при выравнивании концентраций прекращается.

Концентрационное равновесие наступает тем быстрее, чем меньше объем жидкости. Поэтому при припускании и варке продуктов паром потери растворимых веществ меньше, чем при варке основным способом.

Внешняя диффузия растворимых компонентов происходит с поверхности продукта в слой жидкости, граничащий с его поверхностью. Если варка идет без интенсивного кипения и перемешивания, концентрация извлекаемых веществ в пограничном слое будет больше, и интенсивность экстракции будет снижаться. Наоборот, при интенсивном кипении пограничный слой будет быстро перемешиваться с основной массой варочной среды, при этом интенсивность экстракции повышается.

Для уменьшения потерь питательных веществ при варке продуктов жидкость берут с таким расчетом, чтобы только покрыть продукт. И, наоборот, если надо извлечь как можно больше растворимых веществ (варка говяжьих почек, отваривание некоторых грибов перед жаркой и др.), то воды для варки должно быть больше.

Экстракция растворимых веществ осложняется особенностями структуры пищевых продуктов. Растворимые вещества, прежде чем перейти в варочную среду с поверхности продукта, должны подойти к поверхности продукта по капиллярам из глубинных слоев. Следовательно, лимитирующей стадией всего процесса является внутренний массоперенос.

Уменьшить переход питательных веществ из продукта в варочную среду можно, не только сократив объем жидкости, взятой для варки, но и замедлив внутренний массоперенос растворимых веществ в самом продукте. Для этого овощи для винегрета рекомендуется отваривать целиком, не измельчая их. По той же причине мясо и рыбу для салатов отваривают кусками среднего размера.

Если надо извлечь как можно больше растворимых веществ, продукт рекомендуется нарезать более мелкими кусками и при варке закладывать в холодную воду.

Аналогичным образом при пассеровании овощных смесей происходит масляная экстракция растворимых в масле красящих веществ, вкусовых и ароматических компонентов.

Капиллярные явления и капиллярный массоперенос. Многие пищевые продукты могут рассматриваться как капиллярно-пористые тела. Вода удержива­ется в капиллярах под действием сил поверхностного натяжения, создающих капиллярный потенциал. Высота подъема воды в капиллярах обратно пропорци­ональна диаметру капилляра.

В зависимости от вида продукта капилляры могут быть различного диаметра (микрокапилляры диаметром менее 10^-7 м или макрокапилляры диаметром бо­лее 10^-7 м), цилиндрической или конической формы, открытые с одного конца или с обоих концов. В капиллярах таких размеров вода поднимается на сотни метров: при радиусе капилляра 1 мм высота подъема воды 1,5 см, при радиусе 0,01 мм— 1,5 м, при радиусе 10^-7 м —150 м. Таким образом, в реальных условиях капилляры мышечной ткани мяса, рыбы, свежих овощей и плодов полностью заполнены водой. Только очень крупные капилляры мышечной ткани мяса (крове­носные сосуды) могут легко отдавать влагу.

При замачивании сухих грибов, сухофруктов и других сухих продуктов вода очень быстро и полностью заполняет капилляры продукта, и начинается процесс набухания частично обезвоженных студней белков и полисахаридов.

В капиллярах цилиндрической формы, открытых с обоих концов, жидкость с двух сторон ограничена менисками и находится под действием сил, направлен­ных в разные стороны. Если эти силы равны, то жидкость в капиллярах находится в равновесии.

Силы поверхностного натяжения, а значит и капиллярный потенциал, уменьша­ются при нагревании. Поэтому, если нагреть один конец открытого капилляра, то с этой стороны капиллярный потенциал уменьшится, и жидкость перемещается от нагретого конца к холодному.

При варке овощей с погружением в кипящую воду поверхность их быстро нагре­вается, а в центре еще сохраняется первоначальная температура. Перепад темпе­ратур составляет 60-80 ^оС и теоретически может способствовать переносу влаги и растворенных в ней веществ по ходу теплового потока, то есть от наружных слоев клубней, корнеплодов к их центральным слоям. Однако на практике капилляры овощей и плодов полностью заполнены водными растворами, так что при равно­мерном нагреве продукта со всех сторон перемещения влаги не происходит.

Если же при кулинарной обработке продуктов одновременно происходят про­цессы со значительным поглощением влаги (клейстеризация крахмала, разва­ривание коллагена), термокапиллярный перенос водных растворов от наружных слоев вглубь продукта может способствовать сохранению питательных веществ и получению более сочного продукта.

При жарке продуктов на хорошо разогретой жарочной поверхности влага в капиллярах поверхностных слоев продукта частично испаряется, а частично пе­ремещается вверх, к менее нагретой части. Это приводит к быстрому образова­нию обезвоженной корочки, в которой температура достигает 120-130 ^оС, и происходят реакции меланоидинообразования и карамелизации.

Следует отметить, что и при одностороннем нагреве продукта, и при его на­греве со всех сторон действие термокапиллярного эффекта направлено в ту же сторону, что и действие капиллярного поднятия жидкости.

В капиллярах, закрытых с одного конца, влага удерживается капиллярными силами даже после частичного испарения ее из открытого конца капилляра. Таким образом, не происходит пополнения поверхностных слоев продукта вла­гой по мере их обезвоживания за счет испарения во внешнюю среду. В резуль­тате изделия получаются сочными и ароматными.

При погружении продуктов в холодный жир обезвоживание их происходит за счет испарения в течение более длительного времени, при этом образуется более толстая корочка.

Аналогичными явлениями капиллярного массопереноса объясняется образо­вание корочки у выпечных изделий и повышенная влажность в центре их при выпечке.

Капиллярная конденсация. При хранении сухих и частично обезвоженных продуктов (мука, крупа, сухофрукты, сухие грибы и овощи, картофельные чипсы, воздушная кукуруза, печенье, вафли и др.) без герметичной упаковки происхо­дит их увлажнение за счет поглощения влаги из воздуха — капиллярной конден­сации.

Предполагается, что конденсация водяных паров из воздуха начинается в ка­пиллярах постоянного диаметра (цилиндрических) и в капиллярах, сужающихся к центру продукта (конических), открытых с одного конца. В результате адсорбции пара на внутренней поверхности капилляра образуется жидкий адсорбирован­ный слой, обладающий кривизной. На поверхности вогнутого мениска жидкости водяные пары конденсируются под давлением тем меньшим, чем меньше ради­ус кривизны.

Таким образом, раньше заполняются конденсатом наиболее тонкие ка­пилляры. Постепенное заполнение капилляра жидкостью происходит вплоть до заполнения всего капилляра и выравнивания мениска.

 

3.3. Коллоидно-химические процессы структурообразования

Набухание. Сухие порошки белков и полисахаридов (желатина, казеина, су­хого обезжиренного молока, крахмала, целлюлозы) и частично обезвоженные продукты, содержащие высохшие гели этих биополимеров, способны набухать - поглощать жидкость, при этом их объем и масса значительно увеличиваются.

Набухание следует отличать от впитывания жидкости порошкообразными или капиллярно-пористыми телами без увеличения объема, хотя эти два процесса часто происходят одновременно.

Набухание, как и растворение, носит избирательный характер. Белки (поляр­ные биополимеры) хорошо набухают в полярных жидкостях. Например, желатин хорошо набухает в воде. Мерой набухания служит степень набухания — отноше­ние прироста массы набухшего биополимера к массе исходного биополимера.

Набухание представляет собой взаимодействие биополимеров с растворите­лем. Специфика процесса заключается в том, что взаимодействуют и смешива­ются молекулы, резко различающиеся по своим размерам и подвижности. По­этому переход макромолекул в фазу растворителя происходит очень медленно, тогда как молекулы растворителя быстро проникают в сетку полимера, раздвигая цепи и увеличивая его объем.

Таким образом, процесс набухания представляет собой одностороннее смешение, обусловленное большим различием в размерах молекул. Оно протекает с выделением теплоты набухания. Растворитель, вступающий в структуру биополимера, создает в ней значительное осмотическое давление, равное давлению набухания. Это давление достигает десятков атмосфер и может служить причиной разрыва емкостей, заполненных набухающими материалами (горохом, зерном и др.).

В зависимости от структуры биополимера набухание может быть ограниченным (набухшее вещество остается в состоянии студня) и неограниченным (вещество после набухания переходит в раствор). При повышении температуры ограниченное набухание часто переходит в неограниченное. Так, желатин при температуре 20 - 22 °С набухает ограниченно, а при более высокой — неограниченно (растворяется практически полностью).

Пространственно сшитые полимеры (например, целлюлоза) набухают ограниченно.

Набухание либо является целью обработки (замачивание сушеных грибов, овощей, круп, бобовых, желатина), либо сопровождает другие способы обработки (варка крупы, макарон и других продуктов).

Увеличение массы крупы, бобовых, сушеных грибов и овощей при замачивании обусловливается не только набуханием белковых и углеводных студней, но и осмосом и капиллярным впитыванием. Замачивание ускоряет последующую тепловую обработку продуктов, способствует равномерному провариванию их.

Изменение адгезии. Адгезия (от лат. adhaesio) — слипание поверхности двух разнородных тел. Сухие поверхности не слипаются. Адгезия тем больше, чем больше смачивание.

В кулинарной практике явление адгезии довольно широко распространено и часто играет отрицательную роль. Так, при жарке мясных и рыбных полуфабрикатов прилипание их к жарочной поверхности крайне нежелательно. Для уменьшения адгезии полуфабрикаты панируют в муке или сухарях и используют при жарке жир.

Отрицательную роль играет адгезия и при транспортировке мясного фарша по трубам в поточных линиях при производстве котлет. Трубопроводы засаливаются, на их стенках нарастает слой жира. Адгезия затрудняет и формовку изделий.

Уменьшение адгезии весьма актуально при выпечке изделий из теста, а также при изготовлении самого теста (потери в деже, на лопастях тестомесильных машин, на разделочных столах и т.д.). Одним из способов снижения степени адгезии является использование муки «на подпыл» при формовке изделий.

Для предупреждения прилипания кулинарной продукции в процессе ее тепловой обработки в последние годы широко используют оборудование и инвентарь со специальным покрытием, прослойки из полимерных материалов, так называемых антиадгезивов (силиконовые формочки, коврики, покрытия из тефлона).

Использование антиадгезивов повышает культуру производства и производительность труда. Обязательным условием применения полимерных материалов является их безопасность, инертность по отношению к пищевому продукту и устойчивость при нагревании, причем термостойкость должна сохраняться длительное время.

Эмульгирование. Для получения некоторых кулинарных изделий применяют эмульгирование. При эмульгировании одну жидкость (дисперсную фазу) диспер­гируют мелкими каплями в другой жидкости (дисперсионная среда). Для этого соединяют две несмешивающиеся жидкости (масло и воду) и интенсивно разме­шивают их, при этом значительно возрастает поверхность раздела жидкостей.

В поверхностном слое капли действуют силы поверхностного натяжения, и поэтому отдельные капельки стремятся укрупниться, в результате чего умень­шается свободная энергия. Постепенное укрупнение капель в результате их слияния (коалесценции) приводит к разрушению эмульсии.

Чтобы придать эмульсии стойкость, применяют эмульгаторы. Это вещества, которые либо уменьшают поверхностное натяжение, либо образуют вокруг капе­лек раздробленной жидкости (масла) защитные пленки.

Эмульгаторы бывают двух типов: порошкообразные и молекулярные.

Порошкообразные эмульгаторы — это тонкие порошки горчицы, молотого перца и других продуктов, которые на границе раздела двух жидкостей создают защитный слой и мешают капелькам слипаться. Порошкообразные эмульгаторы используют для получения малостойких эмульсий (заправки на растительном масле).

Молекулярные эмульгаторы — это вещества, молекулы которых состоят из двух частей: длинных углеводородных цепей, имеющих сродство с жиром, и полярных групп, имеющих сродство с водой. Молекулы эмульгатора располага­ются на поверхности раздела двух жидкостей так, что углеводородные цепи направлены в сторону жировой фазы, а полярные радикалы — в сторону водной. Таким путем на поверхности капелек эмульсии образуется прочная защитная пленка, обеспечивающая устойчивость эмульсии.

Молекулярные эмульгаторы (например, фосфолипиды, содержащиеся в яич­ных желтках) используют для приготовления стойких эмульсий, например, соуса майонез и голландского.

Пенообразование (взбивание) заключается в интенсивном перемешива­нии одного или нескольких продуктов для получения вспененной массы.

Пенообразование, так же как эмульгирование, связано с увеличением повер­хности раздела двух несмешивающихся фаз: газа и жидкости. В пенах газовые пузырьки разделены тончайшими пленками жидкости, образующими пленочный каркас. Устойчивость пен зависит от прочности этого каркаса, которая обеспечивается присутствием поверхностно-активных веществ – пенообразователей.

Двойной ряд ориентированных слоев эмульгатора, между которыми заключена дисперсионная среда, обусловливает прочность тонких пленок жидкости и сообщает системе твердообразные свойства. Например, эффективным пенообразователем является белок яйца.

Пены характеризуются двумя показателями: кратностью и стойкостью.

Кратностью называется отношение объема пены к объему жидкой фазы. Для «влажных» пен, состоящих из сферических пузырьков газа, разделенных довольно толстыми прослойками жидкости, кратность пены меньше 10.

Стой­кость — это время полураспада пены при ее хранении.

Если объем газовой фазы близок к 74 % от общего объема пены, то пена приобретает структурно-механическую прочность, и взбитые изделия хорошо сохраняют форму и долго не оседают. Кратность пены в этом случае примерно равна 4 (100/26).

Можно добиться еще большего объема газовой фазы (более 74 %), но в этом случае оболочки пузырьков теряют эластичность и при нагревании (выпечка бисквита, бизе, суфле и др.) лопаются, вследствие чего изделия оседают. Такую пену кулинары называют «перебитой».

В кулинарной практике приходится взбивать сливки, белки яиц, крахмальные отвары (муссы на манной крупе), растворы желатина (муссы, самбуки).

 

Глава 4. Изменения основных пищевых веществ при кулинарной обработке

4.1. Изменения белков

Белки относятся к основным пищевым веществам. Они имеют и другое назва­ние — протеины, которое подчеркивает первостепенное биологическое значе­ние этой группы пищевых веществ (от греческого protos — первый, важнейший).

Химическая природа и строение белков. Белки — это природные поли­амиды, состоящие из остатков сотен и тысяч аминокислот, соединенных пептид­ной связью. От набора аминокислот и их порядка в полипептидных цепях зависят индивидуальные химические и физические свойства белков.

Последовательность соединения аминокислотных остатков в полипептидной цепи получила название первичной структуры белка. Для белков, строение кото­рых отличается исключительной сложностью, кроме первичной структуры раз­личают и более высокие уровни структурной организации: вторичную, третич­ную, а иногда и четвертичную структуры.

Полипептидные цепи за счет водородных связей между пептидными группами аминокислотных остатков приобретают вторичную структуру. Чаще всего образу­ется вторичная спиралевидная структура (альфа-структура) с определенными параметрами спирали, содержащая в каждом витке 3,7 аминокислотных остатка. Спиралевидной альфа-структурой обладает большая часть белков, правда не всегда на всем протяжении полипептидной цепи,

Водородные связи могут обеспечить также соединение соседних (вытянутых) полипептидных цепочек с образованием вторичной структуры другого типа — складчатой бета-структуры.

Полипептидные цепочки с определенной вторичной структурой могут быть по-разному расположены в пространстве, это пространственное расположение получило название третичной структуры. В формировании третичной структуры, кроме водородных связей, большую, роль играет ионное и гидрофобное взаимо­действие.

В результате конформационных изменений макромолекулы могут либо свер­тываться, образуя глобулы и статистические клубки, либо выпрямляться и укла­дываться в ориентированные структуры — пачки, протофибриллы.

Для глобулярных белков более характерна альфа-спиральная структура, спи­рали изогнуты, «свернуты». Макромолекулы имеют сферическую форму. Они растворяются в воде и солевых растворах с образованием истинных растворов, обладающих свойствами коллоидных систем.

Для фибриллярных белков более характерна бета-структура. Макромолекулы вытянуты, имеют форму волокна. Они, как правило, не растворяются в воде.

Большая часть белков животных, растений и микроорганизмов относится к гло­булярным белкам. Фибриллярные белки обычно выполняют структурообразую­щие функции. Их свойства (прочность, растяжимость) зависят от способа упаков­ки полипептидных цепочек. Примером фибриллярных белков служат белки мышечной ткани (миозин), соединительной ткани (коллаген, эластин), структурный белок клеток растительной ткани (экстенсин):

В ряде случаев отдельные субъединицы белка с помощью водородных связей, ионного и межмолекулярного взаимодействия образуют сложные ансамбли. В этом случае образуется четвертичная структура белков. Однако следует еще раз от­метить, что в организации более высоких структур белка исключительная роль принадлежит первичной структуре.

По растворимости все белки делятся на следующие группы:

· растворимые в воде — альбумины;

· растворимые в солевых растворах — глобулины;

· растворимые в спирте — проламины;

· растворимые в щелочах— глютелины.

По молекулярной структуре белки делятся на:

· протеины (простые белки), состоящие только из остатков аминокислот;

· протеиды (сложные белки), состоящие из белковой и небелковой частей.

Молекулы белка обладают свободными карбоксильными группами (кислотны­ми) и аминогруппами (основными), в результате чего они амфотерны, то есть в зависимости от реакции среды проявляют себя как кислоты или как щелочи.

В результате ионизации карбоксильных групп образуются отрицательно заря­женные ионы –COO^-, а протоны присоединяются к аминогруппам с образованием положительно заряженных ионов –NH₃⁺, и молекула белка в целом приобретает цвиттер-ионный характер.

В кислой среде подавляется ионизация карбоксильных групп, молекулы белка приобретают положительный заряд и проявляют щелочные свойства. В щелоч­ной среде подавляется присоединение протонов к аминогруппам, молекулы белка становятся отрицательно заряженными и проявляют кислотные свойства.

При определенном значении рН среды (изоэлектрическая точка) число поло­жительных и отрицательных зарядов в молекуле белка одинаково. Молекулы белка в этой точке электронейтральны, а их растворимость и вязкость растворов наименьшие. Для большинства белков изоэлектрическая точка лежит в слабо­кислой среде.

Наиболее важными технологическими свойствами белков являются гид­ратация и дегидратация, набухание в воде, денатурация, способность образовы­вать пену, деструкция и др.

Гидратация и дегидратация белков. Г идратацией называется способ­ность белков прочно связывать значительное количество влаги.

Гидрофильность отдельных белков зависит от их строения. Расположенные на поверхности белковой глобулы гидрофильные группы (аминные, карбоксиль­ные, гидроксильные и др.) притягивают молекулы воды, строго ориентируя их на поверхности. Различают два вида адсорбции воды: ионную и молекулярную.

Ионная адсорбция —связывание воды ионизированными карбоксильными и аминогруппами (-NH₃⁺, -COO^-). Величина ионной адсорбции зав