Реакции дегидратации и термической деградации углеводов

Эти процессы катализируются кислотами и щелочами. Пентозы, как главный продукт дегидратации дают фурфурол, гексозы – оксиметилфурфурол и другие продукты. Некоторые образовавшиеся продукты, имеют определенный запах, поэтому могут сообщать продукту желательный или нежелательный аромат. Реакции идут при высокой температуре.

При переработке пищевого сырья в пищевые продукты эти реакции занимают важное место. Они катализируются кислотами и щелочами, и многие из них идут по типу β -элиминации. Пентозы, как главный продукт дегидратации, дают фурфурол, гексозы – оксиметилфурфурол и другие продукты, такие как 2-гидроксиацетилфуран, изомальтол и мальтол. Фрагментация углеродных цепей этих продуктов дегидратации приводит к образованию левулиновой, муравьиной, молочной, уксусной кислот и ряда других соединений. Некоторые из образующихся продуктов обладают определенным запахом и способны сообщать пищевому продукту желательный или, наоборот, нежелательный аромат. Эти реакции требуют высокой температуры. Фурфурол и оксиметилфурфурол образуются при тепловой обработке фруктовых соков. Токсичность этих продуктов изучалась на крысах, и было отмечено, что фурфурол токсичнее оксиметилфурфурола. (В случае последнего не было обнаружено токсичного действия даже при очень высоких дозировках – 450 мг/кг массы тела.)

Ключевым соединением в реакции дегидратации является 3-дезоксиглюкозон.

Реакция β -элиминации может продолжаться с енольной формой 3-дезоксиглюкозона. Конечным продуктом является оксиметилфурфурол.

Принцип β -элиминации может быть использован, чтобы предсказать первичные продукты дегидратации из большинства альдоз и кетоз. В случае с кетозами, в частности, имеется две возможности для β -элиминации: элиминация из С4-положения ведет к образованию 2-гидроксиацетилфурана, а элиминация в С1-положении – к изомальтолу (2-ацетил-3-гидроксифуран) или к мальтолу (3-гидрокси-2-метилпирен).

 

3. Реакции образования коричневых продуктов

1. Неокислительное или неферментативное потемнение представлено в пищевых продуктах очень широко. Оно связано с реакциями углеводов и включает явление карамелизации и взаимодействие углеводов с белка­ми или аминами..

1а. Карамелизация. Прямой нагрев сахаров и сахарных сиропов, катализаторами реакции являются небольшие концентрации кислот, щелочей, некоторых солей. Реакции происходят при температуре 100 ^оС и выше, приводят к изменению химического состава моно и дисахаридов, при этом повышается цветность продуктов, увеличивается содержание редуцирующих сахаров. Карамелизация фруктозы проходит быстрее. В ходе карамелизации происходят реакции дегидратации (отщепление молекулы воды) и конденсации продуктов дегидратации, образуются темноокрашенные соединения фурфурол, оксиметилфурфурол, карамелан карамелен, последующие реакции отщепления приводят к образованию летучих жирных кислот (муравьиной, левулиновой). При изготовлении кондитерских изделий основные продукты карамелизации – ангидрида и продукты их конденсации.

Кроме того, эти продукты имеют сладкий вкус, что также определяет их положительную роль в пищевых продуктах.

1.б. Меланоццинобразование. Реакция Майяра является первой стадией реакции неферментативного потемнения пищевых про­дуктов. Под меланоидинообразованием понимают взаимодействие восстанавливающих сахаров с аминокислотами, пептидами, белками с образованием темноокрашенных соединений – меланоидинов. Процесс состоит из последовательно и параллельно протекающих реакций, до конца не изучен. Много образуется промежуточных продуктов. Четко изучена первая реакция процесса – образование аминосахаров – реакция Майяра.

Сначалаобразуется соединения, называемые аминосахара (например, глюкозоглицин или др.). Далее превращения идут по пути превращения глюкозоаминов во фруктозоамины или полимеризации с образованием дифруктозоаминов. Затем реакции проходят по пути енолизации (перемещения двойных связей в цепи молекулы) или разрушения углеродной цепи. Продукты реакции взаимодействуют между собой и образуют соединения с сопряженными двойными связями, которые могут поглощать свет определенной длины волны и выглядят темноокрашенными.

При меланоидинообразовании часто образуется посторонний запах, что нежелательно. Поэтому надо знать факторы, которые влияют на эту реакцию, чтобы управлять ею. К этим факторам относятся:

- Влияние pH среды. Наиболее благоприятное значение кислотности при pH 7, 8-9, 2, менее значительно потемнение при pH 6.

- Влажность. При очень низком или очень высоком содержании влаги в пищевой системе (а_w=0; a_w=1) не наблюдается потемнения. Максимальное потемнение происходит при промежуточном влагосодержании.

-Температура. При повышении температуры скорость реакции увеличивается. Повышение температуры на 10 ^оС дает увеличение скорости в 2-3 раза.

- Ионы металлов – интенсивное потемнение в присутствии ионов меди или железа.

- Структура сахара. Скорость образования темноокрашенных соединений уменьшается в ряду: ксилоза             арабиноза;  галактоза → манноза → глюкоза → фруктоза; мальтоза → лактоза → сахароза.

-  Характер аминокислоты. Чем дальше расположена в структуре аминокислоты аминогруппа (–NH₂) от карбоксильной, тем активнее участвуют сахара в реакции Майяра.

Если реакция нежелательна, ее можно ингибировать, изменяя факторы, или удалить один из компонентов (обычно сахар).

Можно выделить важные моменты реакции меланоидинообразования:

- образование меланоидиновых пигментов, желательных и нежелательных, так же как и развитие запаха зависит от вида продукта;

- потеря незаменимых аминокислот, т.е. биологическая ценности продукта снижается;

- некоторые продукты могут быть мутагенными, хотя не доказано окончательно;

- промежуточные продукты обладают антиокислительной способностью. Это связано с тем, что промежуточные продукты распада фруктозоамина, соединяясь с пероксидами или свободными радикалами, замедляют окислительный процесс. Это положительно сказывается на качестве пищевого продукта в процессе хранения;

- образовавшиеся продукты затрудняют усвоение белка.

Продукты реакции неферментативного потемнения могут не только придавать цвет и запах продукту, но и влиять на другие его свойства. Мальтол и этилмальтол имеют сильный карамельный аромат и обладают сладостью, кро­ме того, мальтол влияет на текстуру пищевого продукта, давая эффект большей «бархатистости». При взаимодействии D-глюкозы с глицином при 100 ^оС может проду­цироваться карамельный аромат, аромат ржаного хлеба (валин), шоколада (глютамин). При реакции D-глюкозы с валином при 100 °С ощущается аромат ржаного хлеба, а при 180 °С – аромат шоколада.

 4. Процессы брожения и окисления углеводов при производстве продуктов питания

Брожение – процесс (в котором участвуют углеводы), используемый в ряде пищевых технологий: во время тестоприготовления при изготовле­нии хлеба, в производстве пива, кваса, спирта, вина и других продуктов.

Спиртовое брожение осуществляется при участии ферментов дрожжей по следующей схеме:

                

                            Дрожжи (ферменты)

         С₆ Н₁₂ О₆ → 2СО₂ ↑ + 2С₂ Н₅ ОН+ 57 ккал

глюкоза (фруктоза)

 

В результате реакции спиртового брожения, под действием комплекса ферментов дрожжей, образуется две молекулы этилового спирта и две молекулы диоксида углерода. Моносахариды сбраживаются дрожжами с различной скоростью. Наиболее легко сбраживается глюкоза и фруктоза, труднее манноза, практически не сбраживается галактоза – основной углевод молока. Пентозы дрожжами не сбраживаются. Наряду с моносахаридами глюкоза и фруктоза, дрожжи могут сбраживать дисахариды мальтоза и сахароза, так как дрожжи обладают ферментами, способными разложить молекулы этих двух дисахаридов до глюкозы и фруктозы (ά -гликозидаза и β -фруктофуранозидаза). Спиртовое брожение играет важную роль в процессе производства пива, спирта, вина, кваса, в хлебопечении. Наряду с главными продуктами брожения – этиловым спиртом и диоксидом углерода, при спиртовом брожении образуются побочные и вторичные продукты брожения: глицерин, уксусный альдегид, уксусная кислота, изоамиловый и другие высшие спирты. Эти продукты влияют на органолептические свойства продуктов, часто ухудшают их качество.

Молочнокислое брожение осуществляется при участии ферментов молочнокислых бактерий:

 

    молочнокислые

    бактерии (ферменты)

С₆ Н₁₂ О₆ → 2СН₃ − СН (ОН) − СООН +52 ккал

глюкоза (фруктоза)

 

В результате реакции молочнокислого брожения под действием комплекса ферментов образуется две молекулы молочной кислоты. Молочнокислое брожение играет важную роль в процессе производства кисломолочных продуктов, кваса, квашении капусты.

Маслянокислое брожение осуществляется при участии ферментов маслянокислых бактерий:

 

          маслянокислые

          бактерии (ферменты)

С₆Н₁₂О₆ → СН₃ − СН₂ − СН₂ − СООН + 2СО₂ ↑ +2 Н₂ ↑

Моносахариды

 

В результате реакции маслянокислого брожения образуется молекула масляной кислоты две молекулы диоксида углерода и водород. Этот процесс происходит на дне болот при разложении растительных остатков, а также при возникновении инфекции маслянокислыми микроорганизмами в процессе производства продуктов питания.

Лимоннокислое брожение осуществляется при участии ферментов плесневого гриба Aspergillus niger:

                                                          ОН

        плесневый гриб (ферменты)    |

С₆ Н₁₂ О₆ + [О] → СООН − СН₂ − С − СН₂ − СООН

глюкоза (фруктоза)                             ‌ ‌ |

                                                     СООН

 

В результате реакции лимоннокислого брожения образуется молекула лимонной кислоты. В основе этой реакции лежит процесс получения лимонной кислоты.

Окисление углеводов в альдоновые, дикарбоновые и уроновые кислоты под действием окислителей и ферментов

Продуктами окисления являются лактоны и альдоновые кислоты, дикарбоновые кислоты. Уроновые кислоты распространены в природе. Некоторые из них – структурные компоненты полисахаридов, имеющие значение в пищевых процессах (гелеобразование и загустение) – это пектин, альгиновая кислота морских водорослей. Способность альдоз к окислению имеет важное значение для пищевых продуктов.

Пищевая ценность углеводов

Одна из важнейших функций низкомолекулярных углеводов это придание сладкого вкуса продуктам питания. В таблице 1 приведена характеристика относительной сладости различных углеводов и сахарозаменителей по сравнению с сахарозой, сладость которой принята за 1 единицу.

Углеводы являются основным источником энергии для человека, при усвоении 1 г моно или дисахарида выделяется 4 ккал энергии. Суточная потребность человека в углеводах составляет 400 - 500 г, в том числе моно и дисахаридов 50 - 100 г. Балластных углеводов (пищевых волокон) – целлюлозы и пектиновых веществ в сутки необходимо употреблять 10 - 15 г, они способствуют очищению кишечника и нормализуют его деятельность. Избыток углеводов в питании приводит к ожирению, так как углеводы используются для построения жирных кислот, а также приводит к нарушению деятельности нервной системы, к аллергическим реакциям.

 

Таблица 1 – Относительная сладость (ОС) углеводов и сахарозаменителей

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: