Изменение белков овощей, фруктов,

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.