зерномучных продуктов
Строение тканей картофеля, овощей, плодов. Ткань (мякоть) овощей и плодов состоит из тонкостенных клеток, разрастающихся примерно одинаково во всех направлениях. Такую ткань называют паренхимой.
Содержимое отдельных клеток представляет собой полужидкую массу — цитоплазму, в которую погружены различные клеточные элементы (органеллы) — вакуоли, пластиды, ядра, крахмальные зерна и др. Тонкий слой цитоплазмы с другими органеллами прилегает к стенкам клетки. В состав цитоплазмы входят в основном белки, ферменты и в небольшом количестве липиды (соотношение белков и липидов 90:1). В цитоплазме белки находятся в виде концентрированного раствора (10%).
Вакуоль — самый крупный элемент, расположенный в центре клетки. Клеточный сок, заполняющий вакуоль, представляет собой раствор слабой концентрации, содержащий растворимые белки, свободные аминокислоты, сахара, растворимый пектин, органические кислоты, водорастворимые витамины, полифенольные соединения, минеральные вещества.
Пластиды — это органеллы, которые присутствуют только в растительных клетках. Они бывают окрашенными и бесцветными. В зависимости от окраски пластиды подразделяются на хлоропласты — зеленые, хромопласты — окрашенные в желтые и красные тона, и лейкопласты — бесцветные.
Хлоропласты содержат различные пигменты, но в основном хлорофилл и каротиноиды. Сочетание этих пигментов обусловливает различные оттенки окраски различных овощей, некоторых плодов и ягод.
Хромопласты образуются, как правило, из хлоропластов или лейкопластов. В процессе развития хромопластов образуются крупные кристаллы, содержащие каротиноиды и каротины. Каротины придают желто-оранжевую окраску моркови, репе, абрикосам и др.
В лейкопластах накапливаются запасные вещества, например, крахмал в клетках клубня картофеля. Лейкопласты, содержащие крахмал, называются амилопластами.
Все органеллы клетки окружены мембранами — полупроницаемыми перегородками, состоящими из полярного белкового и неполярного липидного слоя. Имеются основания считать, что полупроницаемые мембраны — самоорганизующиеся структуры, связанные силами межмолекулярного взаимодействия. Цитоплазматические мембраны регулируют клеточную проницаемость, избирательно задерживая или пропуская молекулы и ионы тех или иных веществ в клетку и из нее.
Каждая клетка покрыта оболочкой, представляющей собой первичную клеточную стенку. Оболочки каждых двух соседних клеток скрепляются с помощью срединных пластинок, образуя остов паренхимной ткани.
Клеточные оболочки в совокупности со срединными пластинками называют клеточными стенками. В отличие от мембран они характеризуются полной проницаемостью.
В состав клеточных стенок входят в основном полисахариды (80 - 95 %) — клетчатка, гемицеллюлозы и протопектин, поэтому их часто называют углеводами клеточных стенок. Срединные пластинки состоят в основном из кислых полисахаридов (протопектина), играющих роль межклеточного цементирующего вещества, которому иногда сопутствуют протеины, а в наиболее старых тканях — лигнин.
Поверхность отдельных экземпляров овощей и плодов покрыта покровной тканью — эпидермисом (плоды, наземные овощи) или перидермой (картофель, свекла, репа и др.).
Покровные ткани клубней картофеля, корнеплодов и других овощей характеризуются пониженной пищевой ценностью из-за высокой концентрации в них клетчатки и гемицеллюлоз, поэтому при кулинарной обработке картофеля и большинства овощей эти ткани удаляют.
В процессе уборки урожая и хранения картофеля, овощей и плодов до их кулинарной обработки эти растительные продукты остаются живыми: они дышат, в них сохраняется, хотя и в замедленном темпе, обмен веществ.
При механической кулинарной обработке картофеля, овощей и плодов (очистка, нарезка, промывка, отжимание сока и др.) частично нарушается целостность их паренхимной ткани, а часть клеток и отдельных клеточных структур разрушается. Это облегчает переход основных пищевых веществ из разрушенных клеток в окружающую среду, а также смешивание содержимого их клеточных органелл. В результате масса продуктов и их пищевая ценность изменяются, возникают ферментативные, окислительные и другие процессы, вызывающие изменение органолептических показателей (цвета, вкуса, консистенции) продуктов.
Белковых веществ в овощах и фруктах сравнительно немного (не более 3 % от их массы). Они входят в состав цитоплазмы, ядер, пластид и клеточного сока в виде растворов разной концентрации. Это в основном глобулярные белки. В составе клеточных стенок обнаружен структурный белок фибриллярного характера — экстенсин.
Тепловая обработка картофеля, овощей и фруктов в начальный период может вызвать активирование содержащихся в них ферментов, вызывающих те или иные изменения пищевых веществ. При дальнейшем нагревании ферменты инактивируются, происходит денатурация и свертывание глобулярных белков с образованием хлопьев. При свертывании белков цитоплазмы клеточные мембраны разрушаются, и происходит переход отдельных компонентов клеточного сока (сахаров, витаминов, минеральных элементов) в окружающую среду.
В результате окислительных, гидролитических и других процессов изменяются химический состав продуктов, их структурно-механические характеристики и органолептические показатели.
Физико-химические процессы, происходящие в картофеле, овощах и плодах при тепловой кулинарной обработке, вызывают изменение механической прочности паренхимной ткани (размягчение), изменение консистенции, массы, содержания основных пищевых веществ, цвета, вкуса и аромата продуктов.
Бобовые, крупы и мучные продукты содержат значительное количество белков (соответственно 20 - 30 %, 7,6 - 13 %, не менее 12 %). Расположены белковые вещества между крахмальными зернами в виде мельчайших частиц высохшей цитоплазмы и более крупных образований — алейроновых зерен.
Большая часть белков зернобобовых относится к глобулинам. В крупах содержатся глобулины, проламины и глютелины. В пшеничной муке содержится ряд белков, из которых наибольшее значение имеют глиадин и глютенин.
Белки в зерномучных продуктах находятся в виде сухих бесструктурных частиц. При промывании, замачивании и варке круп, бобовых, макаронных изделий, при замесе теста эти частицы набухают, поглощая значительное количество воды. Происходит процесс гидратации белков.
При нагревании набухшие белки частично денатурируют. Это приводит к уплотнению гелей и выпрессовыванию воды. Однако она не выделяется в окружающую среду, как это имеет место при тепловой обработке мясопродуктов, а остается в изделии, поглощаясь клейстеризующимся крахмалом.
4.2. Изменения углеводов
При кулинарной обработке различным изменениям подвергаются следующие группы углеводов:
· моносахариды (глюкоза, фруктоза);
· олигосахариды (сахароза, мальтоза, лактоза и др.);
· полисахариды (крахмал, гликоген);
· пищевые волокна (пектиновые вещества, клетчатка, гемицеллюлозы).
4.2.1. Изменения сахаров
В процессе изготовления различных кулинарных изделий часть содержащихся в них сахаров расщепляется. В одних случаях расщепление ограничивается гидролизом дисахаридов, в других — происходит более глубокий распад сахаров (процессы брожения, карамелизации, меланоидинообразования).
Гидролиз дисахаридов. Дисахариды гидролизуются под действием как кислот, так и ферментов.
Кислотный гидролиз имеет место в таких технологических процессах, как варка плодов и ягод в растворах сахара различной концентрации (приготовление компотов, киселей, фруктово-ягодных начинок), запекание яблок, уваривание сахара с какой-либо пищевой кислотой (приготовление помадок).
Сахароза в водных растворах в присутствии кислот присоединяет молекулу воды и расщепляется на равные количества глюкозы и фруктозы (инверсия сахарозы). Образующийся инвертный сахар хорошо усваивается организмом, обладает высокой гигроскопичностью и способностью задерживать кристаллизацию сахарозы. Если сладость сахарозы принять за 100 %, то для глюкозы этот показатель составит 74 %, а для фруктозы —173 %. Поэтому следствием инверсии является некоторое повышение сладости сиропа и готовых изделий.
Степень инверсии сахарозы зависит от вида кислоты, ее концентрации, величины рН раствора, продолжительности нагрева. Органические кислоты по инверсионной способности можно расположить в следующем порядке: щавелевая, лимонная, яблочная и уксусная. В кулинарной практике, как правило, используют уксусную и лимонную кислоты.
Ферментативному гидролизу подвергаются сахароза и мальтоза при брожении и в начальный период выпечки дрожжевого теста. Сахароза под воздействием фермента сахаразы расщепляется на глюкозу и фруктозу, а мальтоза под действием фермента мальтазы—до двух молекул глюкозы.
Сахароза добавляется в тесто в соответствии с его рецептурой. Мальтоза образуется в процессе гидролиза из крахмала. Накапливающиеся моносахариды участвуют в разрыхлении дрожжевого теста.
Брожение. Глубокому распаду подвергаются сахара при брожении дрожжевого теста. Под действием ферментов дрожжей сахара превращаются в спирт и углекислый газ, последний разрыхляет тесто. Кроме того, под действием молочнокислых бактерий сахара в тесте превращаются в молочную кислоту, которая задерживает развитие гнилостных процессов и способствует набуханию белков клейковины.
Некоторые виды молочнокислых бактерий (гетероферментативные) наряду с молочной кислотой образуют целый комплекс органических кислот (уксусную, щавелевую, винную, пропионовую и др.), которые способствуют получению специфического аромата выпечных изделий.
Карамелизация. Глубокий распад сахаров при нагревании их выше температуры плавления с образованием темноокрашенных продуктов называется карамелизацией. Температура плавления фруктозы 98-102 °С, глюкозы—145–149 оС, сахарозы —160–185 оС. Происходящие при карамелизации процессы сложны и еще недостаточно изучены. Они в значительной степени зависят от вида и концентрации сахара, условий нагревания, рН среды и других факторов.
В кулинарной практике чаще всего приходится иметь дело с карамелизацией сахарозы. При нагревании расплавленной сахарозы в ходе технологического процесса в слабокислой или нейтральной среде происходит частичная инверсия с образованием глюкозы и фруктозы, которые претерпевают дальнейшие превращения в результате тепловой дегидратации:
· дегидратация — образование ангидридов моносахаров с отщеплением одной или двух молекул воды;
· реверсия —соединение ангидридов друг с другом или с молекулой сахарозы;
· отделение от ангидридов третьей молекулы воды с образованием окси метилфурфурола;
· изменение оксиметилфурфурола.
Образовавшийся оксиметилфурфурол при дальнейшем нагревании может распадаться с образованием муравьиной и левулиновой кислот или образовывать окрашенные соединения.
Окрашенные соединения представляют собой смесь веществ различной степени полимеризации: карамелана (вещество светло-соломенного цвета, растворяющееся в холодной воде), карамелена (вещество ярко-коричневого цвета с рубиновым оттенком, растворяющееся и в холодной, и в кипящей воде), кара мелина (вещество темно-коричневого цвета, растворяющееся только в кипящей воде) и др., превращающуюся в некристаллизующуюся массу (жженку). Жженку используют в качестве пищевого красителя.
Карамелизация сахаров происходит при подпекании лука и моркови для бульонов, при запекании яблок, при приготовлении многих кондитерских изделий и сладких блюд.
Меланоидинообразование — комплекс реакций восстанавливающих сахаров (моносахаридов и восстанавливающих дисахаридов, как содержащихся в самом продукте, так и образующихся при гидролизе более сложных углеводов) с аминокислотами, пептидами и белками, приводящих к образованию темноокрашенных продуктов—меланоидинов (от греческого melanos —темный). Этот процесс называют также реакцией Майара, по имени ученого, который в 1912 г. впервые его описал.
Ход реакций, приводящих к образованию меланоидинов, зависит от многих факторов и до настоящего времени окончательно не выяснен. Можно указать лишь в самых общих чертах предполагаемую схему этого процесса:
· вначале редуцирующие сахара (альдозы) вступают в реакцию с веществами, содержащими аминогруппы, и образуют сахароаминный комплекс (N-гликозид);
· N-гликозид в процессе нагревания или длительного хранения изомеризуется с превращением альдозы в кетозу (перегруппировка Амадори);
· сахарный компонент комплекса дегидратируется с образованием фурфурола и оксиметилфурфурола;
· аминокислотный компонент комплекса подвергается глубокому распаду с образованием альдегидов, углекислого газа и аммиака;
· фурфурол и оксиметилфурфурол реагируют с новыми молекулами аминокислотного компонента с образованием меланоидинов.
Следует отметить, что осуществление перегруппировки Амадори экспериментально не доказано, а основывается на косвенных доказательствах. Подобного рода перегруппировка происходит при образовании озазонов альдоз, однако при этом перегруппировке подвергается фенилгидразон моносахарида с отщеплением анилина. Возможность подобной перегруппировки N-гликозида вызывает определенные сомнения.
В любом случае при термообработке пищевых продуктов в достаточно жестких условиях происходят реакции карамелизации сахаров, окисления жиров, расщепления аминокислот по Штрекеру, приводящие к образованию карбонильных соединений (альдегидов и кетонов). Эти вещества вступают в реакцию меланоидинообразования с образованием широкого спектра соединений, оказывающих влияние на цвет, вкус и аромат продукта.
Реакция меланоидинообразования имеет большое значение в кулинарной практике. Ее положительная роль состоит в следующем: она обусловливает образование аппетитной корочки на жареных, запеченных блюдах из мяса, птицы, рыбы, выпечных изделиях из теста; побочные продукты этой реакции участвуют в образовании вкуса и аромата готовых блюд.
Отрицательная роль реакции меланоидинообразования заключается в том, что она вызывает потемнение фритюрного жира, фруктовых пюре, некоторых овощей; снижает биологическую ценность белков, поскольку связывает аминокислоты. Некоторые продукты реакции Майара обладают канцерогенными свойствами.
В реакцию меланоидинообразования особенно легко вступают такие аминокислоты, как лизин, метионин, которых чаще всего недостает в растительных белках. После соединения с сахарами эти аминокислоты становятся недоступными для пищеварительных ферментов и не всасываются в желудочно-кишечном тракте.
В кулинарной практике часто нагревают молоко с крупами, овощами. В результате взаимодействия лактозы и лизина биологическая ценность белков готовых блюд снижается.
4.2.2. Изменения крахмала
Строение крахмального зерна и свойства крахмальных полисахаридов. В значительных количествах крахмал содержится в крупе, бобовых, муке, макаронных изделиях, картофеле. Находится он в клетках растительных продуктов в виде крахмальных зерен различной величины и формы.
Крахмальные зерна представляют собой сложные биологические образования, в состав которых входят полисахариды (амилоза и амилопектин) и небольшие количества сопутствующих им веществ (кислоты: фосфорная, кремниевая и др.; минеральные элементы и т.д.).
Крахмальное зерно имеет слоистое строение. Слои состоят из частиц крахмальных полисахаридов, радиально расположенных и образующих зачатки кристаллической структуры. Благодаря этому, крахмальное зерно обладает анизотропией (двойным лучепреломлением).
Образующие зерно слои неоднородны: устойчивые к нагреванию чередуются с менее устойчивыми, более плотные — с менее плотными, Наружный слой более плотный, чем внутренние, и образует оболочку зерна. Все зерно пронизано порами и, благодаря этому, способно поглощать влагу.
Большинство видов крахмала содержит 15 - 20 % амилозы и 80 - 85 % амилопектина. Однако крахмал восковидных сортов кукурузы, риса и ячменя состоит в основном из амилопектина, а крахмал некоторых сортов кукурузы и гороха содержит 50...75 % амилозы.
Молекулы крахмальных полисахаридов состоят из остатков глюкозы, соединенных друг с другом в длинные цепи. В молекулы амилозы таких остатков входит около 1000. Чем длиннее цепь амилозы, тем она хуже растворяется в воде.
В молекулы амилопектина остатков глюкозы входит значительно больше. Кроме того, в молекулах амилозы цепи прямые, а у амилопектина они ветвятся. В крахмальном зерне молекулы полисахаридов изогнуты и расположены слоями.
Широкое использование крахмала в кулинарной практике обусловлено комплексом характерных для него технологических свойств: набуханием и клейстеризацией, гидролизом, декстринизацией (термическая деструкция).
Набухание и клейстеризация крахмала. Набухание — одно из важнейших свойств крахмала, которое влияет на консистенцию, форму, объем и выход готовых изделий.
При нагревании крахмала с водой (крахмальной суспензии) до температуры 50 - 55 °С крахмальные зерна медленно поглощают воду (до 50 % от своей массы) и ограниченно набухают. При этом повышения вязкости суспензии не наблюдается.
Набухание это обратимо: после охлаждения и сушки крахмал практически не изменяется.
При нагревании от 55 до 80 °С крахмальные зерна поглощают большое количество воды, увеличиваются в объеме в несколько раз, теряют кристаллическое строение, а следовательно анизотропию. Крахмальная суспензия превращается в клейстер. Процесс его образования называется клейстеризацией. Таким образом, клейстеризации — это разрушение нативной структуры крахмального зерна, сопровождаемое набуханием.
Температура, при которой анизотропия большинства зерен крахмала разрушена, называется температурой клейстеризации. Температура клейстеризации разных видов крахмала неодинакова. Так, клейстеризация картофельного крахмала наступает при 55 - 65 °С, пшеничного — при 60 - 80, кукурузного — при 60 - 71, рисового — при 70 - 80 °С.
Процесс клейстеризации крахмальных зерен идет поэтапно:
· при 55 - 70 °С зерна увеличиваются в объеме в несколько раз, теряют оптическую анизотропию, но еще сохраняют слоистое строение; в центре крахмального зерна образуется полость («пузырек»); взвесь зерен в воде npeвращается в клейстер — малоконцентрированный золь амилозы, в котором распределены набухшие зерна (первая стадия клейстеризации);
· при нагревании выше 70 °С в присутствии значительного количества воды крахмальные зерна увеличиваются в объеме в десятки раз, слоистая структура исчезает, значительно повышается вязкость системы (вторая стадия клейстеризации); на этой стадии увеличивается количество растворимой амилозы; раствор ее частично остается в зерне, а частично диффундирует в окружающую среду.
При длительном нагревании с избытком воды крахмальные пузырьки лопаются, и вязкость клейстера снижается. Примером этого в кулинарной практике является разжижение киселя в результате его чрезмерного нагрева.
Крахмал клубневых растений (картофель, топинамбур) образует прозрачные клейстеры желеобразной консистенции. Крахмал зерновых (кукуруза, рис, пшеница и др.) дает непрозрачные, молочно-белые клейстеры пастообразной консистенции.
Консистенция клейстера зависит от количества крахмала: при содержании его от 2 до 5 % клейстер получается жидким (жидкие кисели, соусы, супы-пюре); при 6 - 8 % — густым (густые кисели). Еще более густой клейстер образуется внутри клеток картофеля, в кашах, блюдах из макаронных изделий.
На вязкость клейстера влияет не только концентрация крахмала, но и присутствие различных пищевых веществ (сахаров, минеральных элементов, кислот, белков и др.). Так, сахароза повышает вязкость системы, соль снижает, белки оказывают стабилизирующее действие на крахмальные клейстеры.
При охлаждении крахмалосодержащих продуктов количество растворимой амилозы в них снижается в результате ретроградации (выпадения в осадок). При этом происходит старение крахмальных студней (синерезис), и изделия черствеют.
Скорость старения зависит от вида изделий, их влажности и температуры хранения. Чем выше влажность блюда, кулинарного изделия, тем интенсивнее снижается в нем количество водорастворимых веществ. Наиболее быстро старение протекает в пшенной каше, медленнее — в манной и гречневой.
Повышение температуры тормозит процесс ретроградации, поэтому блюда из крупы, макаронных изделий, которые хранятся на мармитах с температурой 70 - 80 °С, имеют хорошие органолептические показатели в течение 4 часов.
Гидролиз крахмала. Крахмальные полисахариды способны распадаться до молекул составляющих их моносахаридов. Процесс этот называется гидролизом, так как идет с присоединением воды.
Различают ферментативный и кислотный гидролиз. Ферменты, расщепляющие крахмал, носят название амилаз. Существует два вида их:
· альфа-амилаза, которая вызывает частичный распад цепей крахмальных полисахаридов с образованием низкомолекулярных соединений—декстринов; при продолжительном гидролизе возможно образование мальтозы и глюкозы;
· бета-амилаза, которая расщепляет крахмал до мальтозы.
Ферментативный гидролиз крахмала происходит при изготовлении дрожжевого теста и выпечке изделий из него, варке картофеля и др. В пшеничной муке обычно содержится бета-амилаза; мальтоза, образующаяся под ее воздействием, является питательной средой для дрожжей. В муке из проросшего зерна преобладает альфа-амилаза, образующиеся под ее воздействием декстрины придают изделиям липкость, неприятный вкус,
Степень гидролиза крахмала под действием бета-амилазы увеличивается с повышением температуры теста при замесе и в начальный период выпечки, с увеличением продолжительности замеса. Кроме того, она зависит от крупности помола муки и степени повреждения крахмальных зерен. Чем больше поврежденных зерен (чем тоньше помол муки), тем быстрее протекает гидролиз (или ферментативная деструкция) крахмала.
В картофеле также содержится бета-амилаза, превращающая крахмал в мальтозу. Мальтоза расходуется на дыхание клубней. При температуре, близкой к 0 °С, дыхание замедляется, мальтоза накапливается, и картофель становится сладким (подмороженный картофель).
При использовании подмороженный картофель рекомендуется выдержать некоторое время при комнатной температуре. В этом случае дыхание клубней усиливается, сладковатость их уменьшается.
Активность бета-амилазы возрастает в интервале от 35 до 40 °С, при температуре 65 °С фермент разрушается. Поэтому, если картофель перед варкой залить холодной водой, то за время прогрева клубней значительная часть крахмала успеет превратиться в мальтозу, она перейдет в отвар, и потери питательных веществ увеличатся. Если же картофель залить кипящей водой, то бета-амилаза дезактивируется, и потери питательных веществ будут меньше.
Кислотный гидролиз крахмала может происходить при нагревании его в присутствии кислот и воды, при этом образуется глюкоза. Кислотный гидролиз имеет место при варке красных соусов, при варке киселей и длительном хранении их в горячем состоянии.
Декстринизация (термическая деструкция) крахмала. Декстринизация— это разрушение структуры крахмального зерна при сухом нагреве его свыше 120 °С с образованием растворимых в воде декстринов и некоторого количества продуктов глубокого распада углеводов (углекислого газа, окиси углерода и др.). Декстрины имеют окраску от светло-желтой до темно-коричневой.
Разные виды крахмала обладают различной устойчивостью к сухому нагреву. Так, при нагревании до 180 °С разрушается до 90 % зерен картофельного крахмала, до 14 % — пшеничного, до 10 % — кукурузного. Чем выше температура, тем большее количество крахмальных полисахаридов превращается в декстрины.
В результате декстринизации снижается способность крахмала к набуханию в горячей воде и клейстеризации. Этим объясняется более густая консистенция соусов, изготовленных на белой пассеровке (температура пассерования муки 120 °С), по сравнению с соусами, изготовленными на красной пассеровке (температура пассерования муки 150 °С), при одном и том же расходе муки.
В кулинарной практике декстринизация крахмала происходит не только при пассеровании муки для соусов, но также при обжаривании гречневой крупы, подсушивании риса, вермишели, лапши перед варкой, при жарке картофеля, в корочке изделий из теста и др.