Превращение углеводов при производстве пищевых продуктов

Основные превращения углеводов при производстве пищевых продуктов: гидролиз углеводов под действием кислот и ферментов; дегидратация и термическая деградация углеводов; реакции образования коричневых продуктов (карамелизация и меланоидинообразование); окисление в альдоновые, дикарбоновые и уроновые кислоты под действием окислителей и ферментов; брожение (спиртовое, молочнокислое и другие).

Гидролиз углеводов. Во многих пищевых производствах имеет место гидролиз пищевых гликозидов, олигосахаридов и полисахаридов. Гидролиз зависит от мно­гих факторов: рН, температуры, аномерной конфигурации, комплекса ферментов. Он важен не только для процессов получения пищевых про­дуктов, но также и для процессов их хранения. В последнем случае реак­ции гидролиза могут приводить к нежелательным изменениям цвета или, в случае полисахаридов, могут приводить к неспособности их образовы­вать гели.

Большое внимание сейчас уделяется получению различных зерновых сахарных сиропов из дешевого крахмалсодержащего сырья и крахмала (рожь, кукуруза, сорго и др.). Их получение сводится к использованию разных комбинаций амилолитических ферментных препаратов (a-амилазы, глюкоамилазы, b-амилазы). Возможности ферментативного спо­соба получения разных сахаристых продуктов позволяют получать глюкозофруктозные и высокофруктозные сиропы, применение которых позволяет заменять во многих производствах сахарозу.

Гидролиз крахмала. 1. При гидролизе крахмала под действием кислот сначала имеет место ослабление и разрыв ассоциативных свя­зей между макромолекулами амилозы и амилопектина. Это сопровожда­ется нарушением структуры крахмальных зерен и образованием гомо­генной массы. Далее идет разрыв a-D-(l,4)- и a-D-(1,6)-связей с присо­единением по месту разрыва молекулы воды. В процессе гидролиза на­растает число свободных альдегидных групп, уменьшается степень по­лимеризации. По мере гидролиза и нарастания редуцирующих (восстанавливающих) веществ содержание декстринов уменьшается, глюкозы — увеличивается, концентрация мальтозы, три- и тетрасахаров сначала увеличивается, затем их количество снижается. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза. На промежуточных стадиях об­разуются декстрины, три- и тетрасахара, мальтоза. Определенному зна­чению глюкозного эквивалента соответствует определенное соотноше­ние этих продуктов, и, варьируя длительностью гидролиза и условиями его проведения, можно получать различные соотношения отдельных про­дуктов гидролиза при той или иной величине глюкозного эквивалента.

Кислотный гидролиз долгое время был главным при получении глю­козы из крахмала. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, ко­торые связаны с использованием высоких концентраций кислот и высо­кой температуры, что приводит к образованию продуктов термической деградации и дегидратации углеводов и реакции трансгликозилирования.

2. Крахмал гидролизуется также и под действием амилолитических ферментов. К группе амилолитических ферментов относятся a- и b-амилаза, глюкоамилаза, пуллуланаза и некоторые другие фермен­ты. Амилазы бывают двух типов: эндо- и экзоамилазы.

Четко выраженной эндоамилазой является a-амилаза, способная к разрыву внутримолекулярных связей в высокополимерных цепях субстра­та. Глюкоамилаза и b-амилаза являются экзоамилазами, т. е. фермента­ми, атакующими субстрат с нередуцирующего конца.

a-Амилаза, действуя на целое крахмальное зерно, атакует его, разрых­ляя поверхность и образуя каналы и бороздки, то есть как бы раскалыва­ет зерно на части. Клейстеризованный крахмал гидролизу­ется ею с образованием не окрашиваемых иодом продуктов — в основ­ном низкомолекулярных декстринов. Процесс гидролиза крахмала мно­гостадийный. В результате воздействия a-амилазы на первых стадиях процесса в гидролизате накапливаются декстрины, затем появляются нео­крашиваемые иодом тетра- и тримальтоза, которые очень медленно гидролизуются a-амилазой до ди- и моносахаридов.

Схему гидролиза крахмала (гликогена) a -амилазой можно предста­вить так:

a -амилаза

крахмал —————> a-декстрины + мальтоза + глюкоза

(много) (мало) (мало)

b-Амилаза (a-1,4-глюканмальтогидролаза) является экзоамилазой, проявляющей сродство к предпоследней a- (1,4)-связи с нередуцирую­щего конца линейного участка амилозы или амилопектина. В отличие от a-амилазы, b-амилаза практически не гидролизует нативный крахмал; клейстеризованный крахмал гидролизуется до мальтозы в b-конфигурации.

Схему гидролиза можно записать следующим образом:

b -амилаза

крахмал —————> мальтоза + b-декстрины

(гликоген ) (54-58%) (42-46%)

Ферментативный гидролиз крахмала присутствует во многих пище­вых технологиях, как один из необходимых процессов, обеспечивающих качество конечного продукта — в хлебопечении (приготовление теста и выпечка хлеба), производстве пива (получение пивного сусла, сушка солода), кваса (получение квасных хлебцев), спирта (подготовка сырья для брожения), различных сахаристых крахмалопродуктов (глю­козы, патоки, сахарных сиропов).

Гидролиз сахарозы. Поскольку сахароза как сырье используется во многих пищевых производствах, необходимо учитывать ее исключитель­ную способность к гидролизу. Это может иметь место при нагревании в присутствии небольшого количества пищевых кислот. Образующиеся при этом редуцирующие сахара (глюкоза, фруктоза) могут участвовать в ре­акциях дегидратации, карамелизации и меланоидинообразования, обра­зуя окрашенные и ароматические вещества. В ряде случаев это может быть нежелательно.

Ферментативный гидролиз сахарозы под действием фермента b-фрукто-фуранозидазы (сахаразы, инвертазы) играет положительную роль в ряде пищевых технологий. При действии b-фруктофуранозидазы на сахарозу образуются глюкоза и фруктоза. Благодаря этому, в кондитерских изде­лиях (в частности, в помадных конфетах) добавление b-фруктофурано­зидазы предупреждает черствение конфет, в хлебопекарных изделиях — способствует улучшению аромата. Инверсия сахарозы под действием b-фруктофуранозидазы имеет место на начальной стадии производства виноградных вин. Инвертные сиропы, полученные действием b-фрук­тофуранозидазы на сахарозу, используются при производстве безалко­гольных напитков.

Ферментативный гидролиз некрахмалистых полисахаридов. Он имеет место под действием ферментов целлюлолитического, гемицеллюлазного и пектолитического комплекса. Используется в пищевой технологии для более полной переработки сырья и улучшения качества продукции. Например, гидролиз некрахмалистых полисахаридов (пентозанов и др.) при солодоращении имеет значение в последующем для образования окрашенных и ароматических продуктов (при сушке солода и создании определенных органолептических свойств пива). В производстве соков и в виноделии — для осветления, увеличения выхода сока, улучшения условий фильтрации.

Гидролиз целлюлозы происходит под действием комплекса целлюло-литических ферментов.

По современным представлениям гидролиз целлюлозы под действи­ем ферментов целлюлолитического комплекса можно представить сле­дующим образом:

эндоглюканаза целлобиогидролаза

целлюлоза —————> целлоолитосахариды —————> целлобиоза

глюкоза

Гемицеллюлозы вместе с пектиновыми веществами образуют основ­ное вещество клеточных оболочек растений. Гидролиз гемицеллюлоз име­ет место под действием обширного комплекса гемицеллюлазных фер­ментов. Эта группа полисахаридов, разнородная по строению, молеку­лярной массе и составу, при гидролизе дает разнообразный на­бор соединений: глюкозу, фруктозу, маннозу, галактозу, ксилозу, арабинозу, глюкуроновую и галактуроновую кислоты.

Гидролиз пектиновых веществ происходит под действием пектолитических ферментов. Пектинэстераза гидролизует сложные эфирные связи в пектиновой кислоте и пектине и отщепляет метиловый спирт. Полигалактуроназа осуществляет гидролитическое расщепление a-1,4-гликозидных связей в цепи пектиновых веществ и по своему дей­ствию на пектиновые вещества разделяется на эндо- и экзоферменты.

Протопектиназа — это фермент, действующий на протопектин. Од­нако вопрос о существовании протопектиназы до последнего времени остается спорным, хотя нельзя отрицать, что при воздействии комплек­са пектолитических ферментов на срединные пластинки растительной ткани резко снижается вязкость раствора, уменьшается молекулярная масса пектина без нарастания отщепленных редуцирующих групп.

К основным функциям углеводов в пищевых продуктах относят гидрофильность, связывание ароматических веществ, образование продуктов неферментативного потемнения и пищевого аромата, сладость, структурообразование.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие органические вещества относят к классу углеводов?

2. Классификация и основные свойства углеводов.

3. Особенности физиологического значения усваиваемых углеводов. Источники углеводов в питании.

4. Что такое крахмал?

5. Что такое гликоген?

6. Что такое пектиновые вещества?

7. Влияние неусваиваемых углеводов (пищевых волокон) на жизнедеятельность организма человека.

8. Нормы физиологической потребности в усваиваемых и неусваиваемых углеводах.

9. Превращение углеводов при хранении и технологической обработке сырья и пищевых продуктов.

10. Какие функции углеводов в пищевых продуктах Вы знаете?