Физическая и коллоидная химия

Смачиваемость поверхности частиц дисперсной фазы дисперсной средой.

Наличие стабилизатора. Добавляемый стабилизатор вводят в виде ионов, заряжающих и стабилизирующих частицы суспензии, или в виде ПАВ, либо в виде защитного высокомолекулярного соединения. Если стабилизатор отсутствует, то частицы смачиваются дисперсной средой и на их поверхности образуется оболочка, обладающая упругими свойствами и препятствующая соединению частиц в крупные агрегаты.

Вязкость разбавленных суспензий мало отличается от вязкости дисперсионной среды. В высококонцентрированных суспензиях (пастах) наблюдается структурирование, т.е. образование из частиц дисперсной фазы некоторой пространственной сетки, в петлях которой находится дисперсная среда. Внешне это выражается чрезмерно большой вязкостью и переходом при длительном покое в твердое состояние - гелеобразованием.

2.3.3 Эмульсии

Эмульсии - грубодисперсные системы из взаимно нерастворимых жидкостей, в которых одна из жидкостей взвешена в другой в виде капелек.

Классификация эмульсий может быть основана на различных признаках. В зависимости от полярности фаз различают два типа эмульсий.

Прямые (эмульсии 1-го рода), которые состоят из полярно дисперсионной среды (воды) и неполярной дисперсной фазы (масло); их обозначают условно м/в.

Обратные (эмульсии 2-го рода) - имеют неполярную дисперсионную среду (масло) и полярную дисперсную фазу (вода); их условно обозначают в/м.

Примером эмульсии 1-го рода может служить молоко (эмульсия жира в гидрозоле белка), а 2-го рода - природная нефть, различные медицинские мази (эмульсии воды в масле), сливочное масло.

Обычный способ получения эмульсий - диспергирование, проводимое в присутствии эмульгаторов, т.е. ПАВ, способствующих образованию эмульсий. Для диспергирования используют различные мешалки, смесители, коллоидные мельницы, ультразвук и другие средства.

Устойчивость эмульсий в случае чистых жидкостей невысока, легко происходит самопроизвольное слияние капелек дисперсной фазы с последующим расслоением жидкостей. Слияние капель эмульсии называют коалесценцией.

Вещества, стабилизирующие эмульсию, называют стабилизаторами или эмульгаторами, они адсорбируются на поверхности капель эмульсии и препятствуют их слиянию. Эмульгатор должен быть подобен той жидкости, которая образует дисперсионную среду. Например, эмульсии типа м/ стабилизируются растворимыми в воде ВМС, например, белками или мылами. Эмульгаторами при получении эмульсии в/м служат ВМС, нерастворимые в воде, но хорошо растворимые в органических растворителях (каучук, смолы), а также нерастворимые в воде мыла.

Специфическим свойством большинства эмульсий является взаимное превращение эмульсий двух типов: м/в в/м. Этот процесс называется обращением фаз, осуществляется введением ПАВ, которое стабилизирует обратный тип эмульсии. Обращение эмульсии иногда может быть вызвано длительным механическим воздействием. Так, сбивание сливок (эмульсия типа м/в) приводит к получению масла (в/м).

Биологическое значение эмульсий очень велико. Например, сметана, майонез, молоко, яичный белок, сливочное масло, маргарин, мороженое представляют собой эмульсии. Усвоение жиров в организме осуществляется через их эмульгирование под влиянием желчи. Эмульгирование жира оказывает исключительное влияние на вкусовые свойства при производстве маргарина и, особенно при производстве мороженого. Млечный сок каучуконосных растений (латекс) также представляет эмульсию. Эмульсии находят широкое применение в промышленности; например, при омылении жиров в мыловарении, битумные эмульсии для асфальтирования, краски. Эмульсии широко применяются в медицине, фармации, косметике.

Но на практике часто требуется и разрушать эмульсии. Разрушение эмульсий (деэмульгирование) осуществляется следующими способами:

разрушением защитных пленок сильными реагентами (кислотами);

вытеснением эмульгатора веществом, которое лучше адсорбируется, чем эмульгатор, но не является эмульгатором;

использованием механического воздействия: сбивание, центрифугирование, фильтрование;

применением полей высокого напряжения;

нагреванием, ведущим к десорбции эмульгатора.

2.3.4 Аэрозоли

Аэрозоли - дисперсные системы, дисперсионной средой которых является газ, а дисперсной фазой могут быть твердые частицы или капельки жидкости.

Обычно аэрозоли классифицируют по агрегатному состоянию дисперсной фазы. Аэрозоли с жидкой дисперсной фазой называют туманами, с твердыми частицами - дымами.

Как и любые дисперсные системы, аэрозоли образуются двумя методами - конденсационным и диспергационным.

К конденсационным относится возникновение тумана при охлаждении. При диспергационных - твердые или жидкие капельки размельчаются механическим путем, а затем распределяются в газе. Например, пневматическое распыление жидкостей осуществляется с помощью так называемых аэрозольных баллончиков при получении парфюмерно-косметических аэрозолей, аэрозолей-инсектицидов, эмалей.

По оптическим свойствам аэрозоли очень близки к растворам коллоидов. Для них также характерно светорассеяние. Однако вследствие большой разницы в показателях преломления газовой дисперсной среды и жидкой или твердой дисперсной фазы светорассеяние у аэрозолей более интенсивно, и они не пропускают свет. На этом свойстве аэрозолей основано применение маскировочных дымовых завес. Благодаря сильному светорассеянию аэрозоли, находящиеся в верхних слоях атмосферы, уменьшают интенсивность солнечной радиации и влияют на климатические условия.

Специфические свойства аэрозолей - термофорез и теплопреципитация, т.е. удаление дисперсных частиц от нагретой поверхности и оседание частиц дисперсной фазы аэрозолей на холодной поверхности. Эти свойства объясняются тем, что молекулы газа движутся от более горячей поверхности с большой скоростью и "толкают" дисперсные частицы аэрозолей к более холодным участкам пространства.

Другое свойство аэрозолей - фотофорез, т.е. движение частиц по направлению к источнику света или от источника света. Пока фотофорез не имеет обоснованного теоретического объяснения.

Аэрозоли используются в военном деле для маскировки в виде дымовых завес. В сельском хозяйстве - для борьбы с вредителями, для защиты растений от внезапных заморозков. В медицине широко используется аэрозольный метод лекарственной терапии. Различные поверхности часто окрашивают путем пневматического распыления красок и лака. Этот метод окраски более производителен, чем обычный, и обеспечивает равномерное покрытие высокого качества. Жидкое и твердое топливо эффективно сжигать в распыленном состоянии, в виде аэрозоля, так как чем лучше оно перемешивается с воздухом, тем полнее сгорает. Поэтому в камеру сгорания двигателей топливо поступает в мелкодисперсном состоянии.

Мероприятия, направленные на охрану природы и здоровья людей - это очистка воздуха от взвешенных в нем частиц перед выбросом в атмосферу и разрушение аэрозолей, образующихся в производственных помещениях.

Для разрушения аэрозолей используют: инерционное осаждение, фильтрацию, электростатическое осаждение и коагуляцию.

Инерционное осаждение проводят в устройствах, называемых циклонами. Циклон представляет собой металлический цилиндр, в котором поток воздуха с частицами пыли движется по спирали. При этом частицы отбрасываются на стенки и оседают на них. Циклоны применяют для разделения грубых аэрозолей с крупными частицами.

Мелкие частицы можно отделить на тканевых или волокнистых фильтрах. Для этого обычно применяют хлопчатобумажные, синтетические или шерстяные ткани. Действие фильтров основано на механическом задержании частиц и осаждении их на фильтре.

Частицы дисперсной фазы аэрозолей могут электризоваться вследствие трения друг от друга. Поэтому разрушать аэрозоли можно действием электрического поля в электрофильтрах.

Большое значение для сельского хозяйства имеет борьба с ливнями и градом, основанная на разрушении градовых и ливневых облаков коагуляцией. Для этого в них вводят распылением искусственные центры кристаллизации: кристаллическую углекислоту, песок и т. д. Эти центры способствуют быстрому укрупнению частиц аэрозоля путем их перекристаллизации.

Вопросы для самоконтроля:

Чем отличаются микрогетерогенные дисперсные системы от коллоидных систем?

Что называется суспензией?

От чего зависит агрегативная устойчивость суспензий?

Каковы основные свойства суспензий?

Что такое эмульсия, и как их классифицируют?

Что такое опалесценция?

Каковы методы стабилизации эмульсий?

Как можно разрушить эмульсию?

Какие дисперсные системы называются пенами?

От чего зависит устойчивость пены? Как можно разрушить пену?

Что такое аэрозоли, и какие у них основные свойства?

Где применяются аэрозоли?

Какие существуют способы разрушения аэрозолей?

Какие дисперсные системы называют порошками, чем они отличаются от аэрозолей?

2.4 Физико-химические изменения органических веществ пищевых продуктов

К высокомолекулярным соединениям (ВМС) относится обширный класс веществ, первыми признаками которых являются высокая молекулярная масса (превосходит 10000 у.е. и нередко достигает нескольких миллионов) и большой размер молекул (размер частиц в растворе составляет 10^-6-10^-7 см).

Свойства ВМС определяются не только их химическим составом, но также размерами и формой макромолекулы. Механические свойства ВМС представляют собой сочетание свойств твердых тел и жидкостей. Они прочны и способны к значительным высокоэластичным деформациям, набухают в жидкостях и образуют ряд систем, промежуточных между твердым и жидким состояниями. Примерами высокомолекулярных веществ, содержащихся в продуктах, являются белки, крахмал, клетчатка.

2.4.1 Белки, их химическое строение и аминокислотный состав

Белками, или белковыми веществами (протеинами) называют высокомолекулярные природные полимеры, молекулы которых построены из остатков аминокислот. Число последних значительно колеблется и иногда достигает нескольких тысяч. Каждый белок обладает своей, присущей ему последовательностью расположения аминокислотных остатков.

Белки являются основой биомембран, важнейшей частью клетки и клеточных компонентов. Они играют ключевую роль в жизни клетки, составляя как бы материальную основу ее химической деятельности. Исключительные свойства белка - самоорганизация структуры, т.е. его способность самопроизвольно создавать определенную, свойственную только данному белку пространственную структуру. По существу, вся деятельность организма (развитие, движение, выполнение функций и др.) связана с белковыми веществами. Без белков невозможна жизнь.

Белки - важнейшая составная часть пищи человека и животных, поставщик необходимых аминокислот.

Ослабление межмолекулярных сил, способствующее усилению эластических свойств белков, достигается добавкой растворителя или пластификатора-размягчителя. Наличие в белковой молекуле прочной пептидной цепи определяет способность белков к химическим реакциям с самыми разнообразными соединениями - кислотами, щелочами, различными солями и др. Однако реакции протекают без глубоких структурных изменений в самой макромолекуле. Кроме того, белки проявляют коллоидные свойства. Исключительная реакционная способность белковой молекулы объясняется тем, что в ней содержатся разнообразные реакционноспособные атомные группы и радикалы - аминные, карбоксильные, гидроксильные и др.

Белковая молекула включает две полярные группы - основную - NH₂ и кислотную - СООН, которые сообщают макромолекуле амфотерные свойства. Поэтому строение макромолекулы белка в нейтральном состоянии можно представить в форме амфиона: R(NH₃⁺)(COO^-).

Макромолекулы белков имеют спиралевидную конфигурацию с множеством внутримолекулярных химических, ионных и других связей, которая придает молекуле такие механические свойства, как жесткость и упругость. Гибкость и способность белковых макромолекул скручиваться, а также производить вращательно-колебательные движения объясняются различием знака заряда отдельных участков нитевидной макромолекулы. В нейтральном состоянии белка противоположно заряженные ионы NH₃⁺ и СОО^- испытывают сильное притяжение друг к другу и тем самым вызывают укорачивание белковой нити и даже скручивание ее в виде спирали. В кислой и щелочной средах происходит отталкивание отдельных групп и растягивание цепи в целом (раскручивание спирали).

В зависимости от формы молекул белки подразделяют на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки (округлой, эллипсовидной формы) - это соединения, растворимые в воде и слабых солевых растворах с образованием коллоидных систем, например, альбумины яичного белка, молока. К фибриллярным белкам (в виде волоконец) относят: миозин - белок мышц, кератин - белок волоса и рога, коллаген и эластин - белки соединительных тканей, кожи и сухожилий. Фибриллярные белки не растворимы в воде.

По степени сложности белки делят на протеины и протеиды.

Протеины (простые белки) - запасные, скелетные, отдельные ферментные белки. По растворимости они разделяются на следующие виды:

- альбумины - белки с небольшой молекулярной массой, хорошо растворимые в воде и в слабых солевых растворах (например, белок яйца - овальбумин);

- глобулины - растворяются в водных растворах солей. Это очень распространенные белки, входят в состав мышечных волокон, молока, крови, составляют большую часть бобовых, масличных культур. Представителем глобулинов животного происхождения является лактоглобулин молока;

- проламин - растворяется в 60-80 %-ном растворе этилового спирта; это белки семян злаков (пшеницы, ржи, овса, ячменя).

Протеиды - сложные белки. К ним относятся:

- нуклеопротеиды, которые кроме белка включают нуклеиновые кислоты - важнейшие биополимеры;

- липопротеиды - содержат кроме белка липиды, принимают участие в формировании клейковинных белков;

- фосфопротеиды (казеин) - белок молока.

Растворы высокополимеров по сравнению с коллоидными растворами низкомолекулярных соединений одинаковой процентной концентрации отличаются прежде всего высокой вязкостью. Вязкость (внутреннее трение) - мера сопротивления среды движению, характеризуемая коэффициентом вязкости з.

С повышением концентрации в этих растворах наблюдается аномалия вязкости: вязкость падает с увеличением скорости течения раствора. Первая причина аномалии - изменение формы макромолекул. Если в неподвижном растворе макромолекулы свернуты в клубки, то при течении жидкости через капилляр клубки распрямляются и превращаются в линейные молекулы, ориентирующиеся вдоль капилляра в направлении течения. Такая ориентация молекул уменьшает сопротивление движущейся жидкости и вязкость. Вторая причина аномалии вязкости, которая играет заметную роль в более концентрированных растворах высокополимеров, - взаимодействие макромолекул между собой с образованием ассоциатов и отдельных сетчатых структур, повышающих сопротивление течения. При увеличении скорости течения раствора структуры и ассоциаты разрушаются, в связи с чем вязкость уменьшается. Вязкость жидкостей, обусловленную рыхлой структурой и зависящую от градиента скорости течения, называют структурной вязкостью. При определенной для каждой системы скорости течения межмолекулярная структура разрушается, после чего система проявляет нормальную вязкость, подчиняющуюся закону Ньютона.

Другое существенное отличие растворов высокополимеров - резкое возрастание вязкости с ростом концентрации раствора, что свидетельствует об отступлении от закона Эйнштейна. Причина этой аномалии заключается в следующем. С одной стороны, свернутые в клубки макромолекулы содержат механически связанный растворитель, что уменьшает количество свободного растворителя и как бы увеличивает концентрацию раствора, а с другой стороны, увеличение концентрации раствора усиливает отмеченное выше структурообразование, в результате чего возникает структурная вязкость.

На вязкость растворов высокополимеров значительно влияют молекулярные вес и форма молекул полимера. С увеличением размеров молекул усиливается и сопротивление течению, что приводит к возрастанию вязкости.

Повышение пластичности полимера при небольшом количестве низкомолекулярных соединений называется пластификацией полимера.

При контакте полимера (высокомолекулярного соединения) и растворителя (низкомолекулярного соединения) происходят набухание, а затем растворение полимера. Набуханием называют проникновение растворителя в полимерное вещество, сопровождаемое увеличением его объема и массы.

Степень набухания зависит от жесткости полимерных цепей. У жестких полимеров с большим числом поперечных связей (сшивок) между цепями степень набухания невелика. Например, желатин характеризуется ограниченным набуханием в холодной воде. Но добавление горячей воды приводит к неограниченному набуханию этого полимера. Жидкая сметана образуется в результате сквашивания сливок. Для получения ее со свойственной ей консистенцией сметану выдерживают определенное время при 5-6⁰С. При этом жир затвердевает и кристаллизуется, а белки набухают.

Скорость набухания находится в прямой зависимости от степени измельчения ВМС. Действительно, чем меньше частицы вещества, тем больше поверхность и тем больше молекул низкомолекулярной жидкости проникает в единицу времени в глубь полимера. Это имеет практическое значение при разваривании пищевых продуктов.

Возраст полимера также влияет на скорость и степень набухания. Так, свежие сухари быстрее и полнее набухают, чем полежавшие.

Белки проявляют гидрофильные свойства - связывают воду. При этом они набухают, увеличивается их масса и объем. Набухание белка сопровождается его частичным растворением. При ограниченном набухании концентрированные белковые растворы образуют сложные системы, студни. Студни не текучи, упруги, обладают пластичностью, определенной механической прочностью, способны сохранять свою форму. Клетки и ткани живых организмов в основном представляют собой студнеобразные системы.

В общественном питании и пищевой промышленности имеют большое значение гидрофильные свойства белков, т.е. их способность набухать, образовывать студни, стабилизовать суспензии, эмульсии и пены. Сильно гидратированный студень - сырая клейковина, выделенная из пшеничного теста, она содержит до 65 % воды. Гидрофильность клейковинных белков - один из признаков, характеризующих качество зерна пшеницы и получаемой из нее муки. Гидрофильность белков зерна играет большую роль в хлебопекарном производстве, при изготовлении мучных, кондитерских изделий, представляет собой набухший в воде белок, концентрированный студень, содержащий зерна крахмала. Набухание играет важную роль в ряде технологических процессов. Так, главный прием в кулинарии - варка с применением повышенных температур и давлений (в автоклавах) - типичный процесс набухания. Предварительная подготовка продуктов питания (муки, круп, макаронных изделий, овощей и мяса), а также приготовление пищи сводятся в основном к процессам набухания.

Главную роль в набухании играет связанная вода. Так, белки муки при замесе и брожении теста поглощают и удерживают около 200 % воды по отношению к их массе. При гидратации полярных групп белковых макромолекул поглощается всего ј всей удерживаемой ими воды. Остальное количество связанной воды определяет набухание белков с образованием клейковины.

Варка зерновых продуктов и выпекание теста приводит к свертыванию денатурированных белков. В результате уплотняются обводненные белковые гели за счет выпрессовывания значительного количества содержащейся в них влаги. Влага остается в продукте и поглощается клейстеризующимся крахмалом. Белки зерномучных продуктов свертываются при 50-70 ⁰С.

Тепловая обработка растительных продуктов приводит к их сильному размягчению. При этом происходят глубокие физико-химические изменения углеводов клеточных стенок. Отдельные же клетки скреплены прослойками из протопектина. Пектиновые вещества содержатся и в материале клеточных стенок.

Тепловая обработка мяса приводит к денатурации мышечных белков, которая начинается уже при 30-35⁰С. Мясо полностью прогревается при 60-65⁰С; в это время 90 % всех растворимых белков денатурируется и уже не растворяется. Глобулины при наличии солей растворяются лучше, чем без них.

Фибриллярные белки - коллагеновые волокна - свертываются и сокращаются вдвое в длину при температуре около 60⁰С. Куски мяса деформируются, мясной сок вместе с растворенными белками и солями выделяется в окружающую среду. Одновременно с этим нарушается структура коллагеновых волокон, которые превращаются в однородную стекловидную массу. Такое изменение коллагеновых волокон называют свариванием. Сваривание коллагена необратимо. Дальнейшее повышение температуры приводит к разрыву всех поперечных связей между полипептидными цепями коллагена. Наступает состояние необратимой дезагрегации - превращения коллагена в глютин, хорошо растворимый в горячей воде.

Кости содержат фибриллярный белок - оссеин, близкий по строению к коллагену. При варке костных бульонов часть оссеина переходит в глютин. Растворы с содержанием более 1 % глютина при охлаждении застывают в студни. На этом свойстве основаны приготовление заливных холодных блюд с желатином и варка студней. Характер изменения мышечных белков рыбы такой же, как и мяса. При варке мяса и рыбы уплотняется белковый гель - миофибрилл, что и вызывает уменьшение веса и объема продукта.

Осветление бульонов основано на свертывании белков при тепловой обработке. Введенный в мутный бульон белок яйца коагулирует и образует пористую массу. Последняя имеет большую удельную поверхность, на которой адсорбируются взвешенные и эмульгированные частицы жира, сообщающие бульону мутность.

Белки молока входят в состав молока в следующем количестве: казеин - 82 %, альбумин - 12 % и глобулин - 6 % по массе. Выделенный из молока казеин (белковая творожистая масса) в воде не растворим. В молоко он входит в виде _аазеиновокислого кальция. Эта соль в воде растворяется, но сильно набухает, образуя коллоидные растворы. При нагревании в кислой среде казеиновокаль-циевые соли свертываются, это наблюдается при нагревании молока, имеющего повышенную кислотность. При этом часть кальция отнимается от казеиновокислого кальция молочной кислотой, образовавшейся в молоке. Когда весь кальций будет замещен, казеин выпадает в осадок в виде сгустка. Происходит скисание молока (оно наступает при рН = 4,6). Скисание молока используется при изготовлении простокваш и других кисломолочных продуктов.

2.4.2 Углеводы - высокомолекулярные полисахариды

Углеводы - широко распространенные в природе органические вещества, преобладающие в пище человека и являющиеся основным источником необходимой организму энергии. Источником углеводов служат главным образом продукты растительного происхождения - хлеб, крупа, картофель, овощи, фрукты, _асды. Все углеводы делят на две группы: простые (моносахариды, монозы) - это углеводы, которые не способны гидролизоваться с образованием более простых соединений. Обычно в составе число атомов углерода равно числу атомов кислорода; сложные (полисахариды, полиозы) - углероды, способные гидролизоваться на более простые. У них число атомов углерода не равно числу атомов кислорода. Сложные углероды весьма разнообразны по составу, молекулярной массе и свойствам. Их делят на две группы: низкомолекулярные (сахароподобные, или олигосахариды) и высокомолекулярные (несахароподобные полисахариды). Последние - соединения с большой молекулярной массой, в состав которых могут входить остатки сотен тысяч простых углеводов.

Представителями наиболее простых моносахаридов являются глюкоза, фруктоза, галактоза; олигосахаридов - дисахарид сахароза (свекловичный или тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар) и трисахарид - раффиноза.

Особое место в превращениях моносахаридов занимают процессы дыхания и брожения.

Дыхание - это экзотермический процесс ферментативного окисления моноз до воды и углекислого газа. На каждый моль израсходованной глюкозы (180 г) выделяется 2870 кДж (672 ккал) энергии. Различают аэробное (кислородное) дыхание - дыхание при достаточном количестве воздуха и анаэробное (бескислородное) дыхание, являющееся спиртовым брожением.

Спиртовое брожение протекает под влиянием микроорганизмов и играет исключительную роль в производстве спирта, вин и хлебобулочных изделий. Кроме того, существует молочнокислое брожение - моноз - основной процесс при получении простокваши, кефира и других молочных продуктов, а также при квашении капусты. Брожение моноз может приводить к образованию масляной кислоты (маслянокислое брожение).

Моносахариды - твердые кристаллические вещества, они гигроскопичны, хорошо растворяются в воде, образуя сиропы, трудно растворимы в спирте.

Высокомолекулярные несахароподобные полисахариды построены из огромного количества (до 6-10 тыс.) остатков моноз. Большинство полисахаридов состоит из молекул глюкозы, соединенных между собой в цепи. В зависимости от способа расположения глюкозы в цепи и степени ее ветвления образуются разные полисахариды - крахмал, гликоген, или животный крахмал, клетчатка. В _астениииях полисахариды выполняют в основном две функции: они служат запасными питательными веществами (крахмал) и являются главной составной частью опорной ткани растений (клетчатка). Запасные питательные вещества откладываются в виде крахмальных зерен в растительных тканях. Запасы крахмала могут достигать: в картофеле - свыше 20 % и более, в зернах пшеницы и риса - иногда до 70 %. Биологическое значение крахмала очень велико. Он образуется в растениях из углекислоты и воды в результате фотосинтеза. У животных в качестве запасного питательного материала в тканях тела откладывается гликоген. По мере надобности он расходуется, распадаясь до глюкозы.

Крахмал - смесь полисахаридов состава С₆Н₁₀О₅, имеющая более или менее выраженное микрокристаллическое строение. При настаивании в теплой воде зерна крахмала разбухают, и большая часть полисахаридов крахмала переходит в раствор. Полисахариды крахмала разделяются на две фракции - амилозу и амилопектин.

Клейстеризация крахмала происходит при его нагревании в присутствии воды. Этот сложный процесс протекает в три стадии. На первой стадии крахмальные зерна обратимо набухают за счет присоединения небольших количеств воды. На второй стадии при повышении температуры отмечается сильное набухание зерен с увеличением их объема в сотни раз за счет присоединения больших количеств воды. Эта стадия клейстеризации необратима. При набухании крахмала происходят разрыв водородных связей и гидратация макромолекул полисахаридов, увеличивается вязкость раствора. На третьей стадии извлекаются водой растворимые полисахариды, зерна теряют форму.

Установлено, что первая стадия клейстеризации у различных видов крахмала наступает при разных температурах. Поэтому нельзя указать точную температуру клейстеризации, а можно только отметить температурный интервал, в котором клейстеризуются все зерна крахмала.

В зависимости от соотношения количества крахмала и воды получается клейстер в виде золя или геля. Если крахмальные мешочки при поглощении ими большого количества воды тесно соприкасаются друг с другом, клейстер имеет характер геля. Густые кисели с 6-8%-ным содержанием крахмала относятся к прочным гелям. В процессе варки круп, бобовых, макаронных изделий образуются еще более прочные гели. Установлено, что оклейстеризованный крахмал наиболее сильно стареет в пшенной каше, меньше - в рисовой и еще меньше - в гречневой. Старение оклейстеризованного крахмала предотвращается выдержкой изделий в горячем состоянии до момента их употребления.

Крахмальные гели различной вязкости служат основой для киселей, супов-пюре и соусов. Для ягодных киселей пригоден картофельный крахмал, образующий прозрачный, почти бесцветный гель. Для молочных киселей можно применять маисовый крахмал, дающий непрозрачный, молочно-белый гель. При нагревании до 10 ⁰С крахмальный клейстер разжижается, а при 120-130 ⁰С становится жидким. При охлаждении до 55-65 ⁰С крахмальный раствор превращается в студень.

Крахмал широко применяется в общественном питании и в производстве пищевых продуктов. Из него вырабатывают крупу саго, патоку, кристаллическую глюкозу. В кондитерском производстве крахмал добавляют к пшеничной муке для ослабления влияния клейковины при изготовлении бисквитов и пирожных; используют как формовочный материал при отливке помадных и ликерных конфет. В колбасном производстве крахмал вводят в состав мясного фарша: он связывает его и придает вареной колбасе сочность и упругость. В кулинарии с крахмалом готовят кисели, соусы, пудинги.

Меланоидинообразование - взаимодействие восстанавливающих сахаров (монозы и восстанавливающие дисахариды, как содержащиеся в продукте, так и образующиеся при гидролизе более сложных углеводов) с аминокислотами, пептидами и белками, приводящее к образованию темно-окрашенных продуктов - меланоидинов. Характерные признаки - потемнение продуктов в результате образования трудно- или нерастворимых в воде темно-окрашенных соединений. Скорость и глубина меланоидинообразования зависят от состава взаимодействующих продуктов, соотношения отдельных компонентов, рН среды, температуры и влажности. Реакция меланоидинообразования играет большую роль в процессах, происходящих при выпечке хлебобулочных изделий, сушке овощей и фруктов, в пивоварении. С реакцией меланоидинообразования связаны внешний вид, вкус и запах жареных мясных блюд.

Карамелизация сахаров. Нагревание моно- и дисахаридов при температуре 100⁰С и выше приводит к изменению их химического состава, повышению цветности продуктов, увеличению содержания редуцированных веществ. Глубина этих процессов, следовательно, и состав образующихся веществ зависят от состава Сахаров, их концентрации, степени и продолжительности теплового воздействия, рН среды, присутствия примесей. В общественном питании и пищевой промышленности особое значение имеет карамелизация сахарозы, глюкозы и фруктозы. Особенно чувствительна к нагреванию фруктоза, карамелизация которой протекает в 6-7 раз быстрее, чем глюкозы. Основной углеводный компонент кондитерских изделий - сахароза, которая при нагревании в ходе технологического процесса в слабокислой или нейтральной среде подвергается частичной инверсии с образованием глюкозы и фруктозы, претерпевающих дальнейшие превращения. Например, от молекулы глюкозы может отщепиться одна или две молекулы воды (дегидратация), а образовавшиеся продукты соединятся друг с другом или с молекулой сахарозы, или может отщепиться три молекулы воды с образованием оксиметилфурфурола, дальнейшие превращения которого сопровождаются разрушением углеродного скелета и образованием разнообразных продуктов деструкции (муравьиная, левулиновая кислоты). При отщеплении двух молекул воды от сахарозы образуется карамелан С ₂Н ₁₈О ₉ - растворимое в воде соединение желтого цвета, при отщеплении трех молекул - карамелен СзбН ₅0₂₅, имеющий ярко-коричневый цвет, затем - карамелин - трудно растворимое в воде соединение. Степень полимеризации образовавшихся продуктов может быть различной. Если концентрация углеводов невелика (10-30 %), то легче протекает образование оксиметилфурфурола, при повышенных концентрациях (70-80 %) активней идут процессы конденсации.

При изготовлении кондитерских изделий, например, карамели, температурным воздействиям подвергаются высококонцентрированные растворы Сахаров (до 80 %), поэтому основным продуктом карамелизации являются ангидриды и продукты их конденсации. При их взаимодействии с металлами и аминокислотами образуются разнообразные и сложные по составу соединения, которые ухудшают качество, но повышают ценность и гигроскопичность готовых продуктов. В общественном питании для оформления тортов изготовляют карамельную массу, а для подкрашивания кремов используют вареный сахар (жженку).

2.4.3 Жиры

Наряду с углеводами и белками жиры - один из главных компонентов питания.

Жиры - это полные сложные эфиры глицерина (три-глицериды) и одноосновных карбоновых (жирных) кислот, входят в класс липидов. Строение жиров отвечает общей формуле:

где R₁, R₂, R₃ - радикалы жирных кислот.

Все природные жиры содержат в своем составе три различных кислотных радикала, имеющих неразветвленную структуру и, как правило, четное число атомов углерода.

Физико-химические свойства жиров определяются соотношением входящих в их состав насыщенных и ненасыщенных карбоновых (жирных) кислот. В твердых жирах преобладают насыщенные кислоты, и они в обычных условиях имеют твердую консистенцию и сравнительно высокие температуры плавления. Жидкие жиры - масла - в основном состоят из ненасыщенных карбоновых кислот. Природные жиры являются смесью различных триглицеридов и не имеют четкой температуры плавления. Все жиры характеризуются значительным увеличением объема при плавлении.

При охлаждении жиры могут кристаллизоваться в нескольких полиморфных формах. При постепенном охлаждении жидкие жиры кристаллизуются частично и приобретают форму твердого тела, обладающего пластичностью. Пластичность характерна для жиров, содержащих 10-30 % кристаллической фазы. В пластичном жире кристаллы твердых триглицеридов образуют решетку, внутри которой находится значительное количество жидкой фазы. При дальнейшем охлаждении все триглицериды кристаллизуются и жир теряет пластичность. Пластичность является ценным свойством жиров, особенно пищевых.

Жиры обладают низким давлением паров и кипят только в высоком вакууме (250 ⁰С при 0,001 мм рт.ст.). Плотность жиров зависит от молярной массы карбоновых кислот и степени их насыщенности.

Температура воспламенения большинства жиров 270-330 ⁰С. Характеристикой жиров является также и так называемая температура дымообразования, при которой происходит визуально заметное образование дыма вследствие разложения жира. Она падает с ростом кислотного числа жира и лежит в пределах 160-230⁰С.

Жиры нерастворимы в воде, но образуют с ней эмульсии. Они хорошо растворимы в органических растворителях, но обычно плохо растворимы в спирте. При обработке перегретым паром, минеральными кислотами или щелочью жиры подвергаются гидролизу (омылению) с образованием глицерина и жирных кислот или их солей (мыла). При сильном взбалтывании с водой образуют эмульсии. Примером стойкой эмульсии жиров в воде является молоко, содержание жира в котором от 2,7 до 6,0 %. Эмульгирование жиров в кишечнике (необходимое условие их всасывания) осуществляется солями желчных кислот.

Под действием химических и биохимических факторов жиры прогоркают, что приводит к появлению специфического запаха и неприятного вкуса, вызванных образованием низкомолекулярных карбоновых кислот. Прогоркание жиров обусловлено рядом химических процессов. Различают два вида прогоркания - биохимическое и химическое.

Биохимическое прогоркание характерно для жиров, содержащих значительное количество воды и примесей белков и углеводов (например, для коровьего масла). Под воздействием содержащихся в белках ферментов (липаз) происходит гидролиз жиров и образование свободных жирных кислот. Увеличение кислотности может не сопровождаться появлением прогорклости. Микроорганизмы, развивающиеся в жирах, выделяют другие ферменты - липооксидазы, под действием которых жирные кислоты окисляются до в-кетокислот. Метилалкилкетоны, образующиеся при распаде последних, являются причиной изменения вкуса и запаха жира. Во избежание этого производится тщательная очистка жира от примесей белковых веществ, хранение в условиях, исключающих попадание микроорганизмов, и при низкой температуре, а также добавка консервантов (NaCl, бензойная кислота). Химическое прогоркание - результат окисления жиров под действием кислорода воздуха (автоокисление). Первая стадия - образование пероксильных радикалов при атаке молекулярным О ₂ углеводородных остатков как насыщенных, так и ненасыщенных карбоновых кислот. Реакция промотируется светом, теплом и соединениями, образующими свободные радикалы (пероксиды, переходные металлы). Пероксильные радикалы инициируют неразветвленные и разветвленные цепные реакции, а также распадаются с образованием ряда вторичных продуктов - гидроксикислот, эпоксидов, кетонов и альдегидов. Последние и вызывают изменение вкуса и запаха жира. Для жиров, в которых преобладают насыщенные карбоновые кислоты, характерно образование кетонов (кетонное прогоркание), для жиров с высоким содержанием ненасыщенных кислот - альдегидное прогоркание. Для замедления и предотвращения химического прогоркания используют ингибиторы радикальных реакций.

2.4.4 Студни

Студни - это такие системы, в которых частицы дисперсной фазы связаны между собой в сетчатый каркас, а дисперсная среда заключена в промежутках между ними. Таким образом, это структурирование системы со свойствами эластичных твердых тел.

Студни могут быть получены двумя способами: методом застудневания растворов полимеров или золей и методом набухания сухих высокомолекулярных веществ в жидкостях.

Процесс перехода растворов полимеров золя в студень связан с увеличением вязкости и замедлением броуновского движения и заключается в объединении частиц дисперсной фазы в форме сетки или ячеек и связывании при этом всего растворителя.

Процесс застудневания зависит от природы растворенных веществ, формы их частиц, концентрации, температуры, времени и примесей других веществ, особенно электролитов.

Способность застудневать характерна для растворов, состоящих из палочковидных и лентообразных по форме частиц. При наличии таких форм возникают крупноячеистые структуры и могут поглощаться большие количества жидкости.

С повышением концентрации способность к застудневанию увеличивается, так как при этом уменьшается расстояние между частицами. Для каждого раствора при данной температуре существует некоторая предельная концентрация, ниже которой он не застудневает. Так, для желатина при комнатной температуре предельной концентрацией является 0,5 %, для агар-агара - 0,2 %.

Способность застудневать увеличивается при понижении температуры, так как при этом уменьшается подвижность частиц и облегчается процесс сцепления их.

Процесс застудневания даже при низкой температуре не происходит мгновенно и нередко требует продолжительного времени для формирования ячеистой объемной сетки. Время, необходимое для застудневания, называется периодом созревания.

Студни, полученные из растворов ВМС, при высушивании могут уменьшаться в объеме, уплотняться, но все же сохранять эластичность и способность снова набухать в жидкостях.

Таким образом, студни ВМС могут быть получены не только методом застудневания, но и методом набухания. Ограниченное набухание заканчивается образованием студня и не переходит в растворение.

В кулинарной практике для получения студней применяют комбинированный метод, объединяющий набухание сухих веществ и застудневание растворов. Например, сухие вещества крахмал, агар-агар и желатин, сначала набухая, дают студни, которые при повышении температуры плавятся и переходят в раствор, застудневающий при охлаждении.

Студни характеризуются рядом свойств твердого тела. Они сохраняют форму, обладают упругими свойствами и эластичностью.

При нагревании студни переходят в вязкотекучее состояние. Этот процесс называется плавлением. Он обратим, так как при охлаждении раствор снова застудневает.

Многие студни способны разжижаться и переходить в растворы при механическом воздействии (встряхивании, перемешивании). Этот процесс обратим, так как в состоянии покоя через некоторое время раствор застудневает. Свойство студней многократно изотермически разжижаться при механических воздействиях и застудневать в состоянии покоя называется тиксотропией.

Кроме свойств твердых тел студни обладают и свойствами жидкого тела, там могут протекать такие процессы, как диффузия и химические реакции между веществами. Диффузия в студнях зависит от размеров диффундирующих частиц и от концентрации вещества студня.

Диффузия имеет большое значение в таких производствах, как крашение и дубление, так как набухшее волокно и шкуры животных являются студнями. В пищевой промышленности наблюдается и диффузия соли, сахара в тесте, красителей и вкусовых веществ в желе и мармеладе.

Студни с течением времени "стареют". При старении на поверхности студня начинают появляться капельки жидкости. Происходит разделение студня на две фазы. Это явление называется синерезисом. В процессе синерезиса структурная сетка студня стягивается и выжимает из себя значительную часть растворителя, что способствует уменьшению объема студня.

Процесс синерезиса у студней, образованных полимерами, обратим, иногда достаточно нагревания, чтобы студень вернуть в исходное состояние. Этим пользуются для освежения каш, пюре.

Чаще всего синерезис в быту и промышленности нежелателен. Это черствение хлеба, отмокание мармелада, желе, карамели, фруктовых джемов. Синерезис происходит при хранении мыла, клея и т.п.

Синерезис протекает в мышечных и костных тканях в процессе жизнедеятельности, вызывая изменения при старении организма. Мясо старых животных намного плотнее, а кости значительно тоньше, чем у молодых.

Примером положительного синерезиса может служить самопроизвольное отделение жидкости от творога в процессе созревания сыра при сыроварении.

Синерезису способствует низкая температура, большое содержание полимера в растворе и длительный покой системы.

Вопросы для самоконтроля:

По какому признаку вещества относят к высокомолекулярным соединениям?

В чем особенности строения молекул высокомолекулярных соединений?

Приведите примеры высокомолекулярных веществ, входящих в состав пищевых продуктов.

Что такое набухание? Какие стадии в нем различают?

Опишите, как изменяются белки и углеводы при тепловой обработке пищевых продуктов.

Расскажите о пищевых добавках, изменяющих структуру и физико-химические свойства продуктов.

Какой процесс называется прогорканием?

Какие существуют методы получения студней?

Библиографический список

1. Горбунова С.К. Физическая и коллоидная химия (в общественном питании): учебное пособие / С. К. Горбунова, Э.А. Муллоярова. - М: Альфа-М, 2006.

2. Жарких Н.А. Химия для экономических колледжей / Н.А Жарких. - Р.н/Д.: Феникс, 2004.

3. Евстратова К.И. Физическая и коллоидная химия. / К.И. Евстратова, Н.А. Купина, Е.Е. Малахова. - М: Высшая школа, 1988.

4. Ахметов Б.В. Задачи и упражнения по физической и коллоидной химии / Б.В. Ахметов. - Ленинград: Химия, 1989.

5. Зимон А.Д. Физическая химия: Учебник для вузов / А.Д. Зимон, Н.Ф. Лещенко. - М: Химия, 2000.

6. Зимон А.Д. Коллоидная химия: Учебник для вузов / А.Д. Зимон. - М: Агар, 2003.

7. Мушкамбаров Н.Н. Физическая и коллоидная химия: курс лекций / Н.Н. Мушкамбаров. - М. ГЭОТАР - МЕД, 2002.

8. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебник для вузов / Н.Л. Глинка. - М: ИНТЕГРАЛ - Пресс, 2002.



Размещено на Allbest.ru

...