Какие функции в пищевых продуктах выполняют полисахариды

Соседние файлы в предмете Химия пищи

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Структурно-функциональные свойства полисахаридов.

Полисахариды пищевых продуктов выполняют важную функцию обеспечения их качества и текстуры: твердости, хрупкости, плотности, загустевания, вязкости, липкости, гелеобразующей способности, ощущения во рту. Именно благодаря полисахаридам образуется структура пищевого продукта – мягкая или хрупкая, набухшая или желеобразная.

Полностью линейные молекулы полисахаридов, например, целлюлозы, не растворимы в воде. Здесь цепи полностью растянуты и могут тесно примыкать друг к другу вдоль всей длины, не давая возможности связаться воде.

В ряде случаев каждая полисахаридная молекула участвует в двух или более зонах соединения, образуя трехмерную сетку с включением молекул воды – гель. Гели образуются при быстром охлаждении концентрированных амилозных крахмальных клейстеров.

Слабые гели имеют небольшую протяженность зон связывания и слабые силы, удерживающие цепи соседних молекул. Такие гели термически не стабильны.

Твердые гели имеют большую протяженность зон связывания и достаточно сильные связи между молекулами. Они термостабильны.

Силой гелей можно управлять, контролируя зоны связывания.

Разветвленные полисахариды (амилопектин) или гетерополигликаны не могут тесно располагаться друг к другу и образовывать гель. Такие молекулы образуют вязкие стабильные растворы. Заряженные полисахариды, содержащие СООН-группы, не могут образовать зоны связывания цепей друг с другом из-за отрицательного заряда.

Все растворимые полисахариды дают вязкие растворы из-за большого размера их молекул. Вязкость зависит от размера молекулы, формы и заряда.

Как правило, растворы линейных полисахаридов имеют бόльшую вязкость, чем разветвленных. Это объясняется тем, что все линейные молекулы, независимо от заряда, требуют для вращения больше пространства, чем высокоразветвленные с той же молекулярной массой.

Присутствие сахара приводит к образованию геля (например, в пектине), т.к. сахар связывает молекулы воды, которые теперь не могут взаимодействовать с полисахаридами. В связи с этим полисахаридные молекулы сворачиваются из-за образования водородных связей – происходит желирование.

Крахмал – растительный полисахарид сложного строения, состоит из амилозы (15-30%) и амилопектина (70-85%). Важный компонент пищевых продуктов; выполняет роль загустителя и связывающего агента; используется при выработке пудингов, концентратов супов, киселей, соусов, салатных приправ, начинок, майонез.

Модифицированные крахмалы (клейстерированные, кислотно-модифицированные, этерифицированные, сшитые) используются в целом ряде производств.

Целлюлоза состоит из линейных цепей β-D-(1,4)-глюкопиранозных единиц.

▲ При производстве пищевых продуктов используется микро-кристаллическая целлюлоза (МКЦ), получаемая кислотным гидролизом целлюлозы. Используется МКЦ как наполнитель и реологический компонент в низкокалорийных пищевых продуктах.

▲ Обработкой целлюлозы щелочью и хлоруксусной кислотой получают Na-соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ):

NaКМЦ нетоксична, усваивается организмом, имеет хорошие реологические свойства, широко используется (особенно за рубежом) как загуститель в начинках, пудингах, мягких сырах, фруктовых желе.NaКМЦ способна удерживать влагу, поэтому используется в пекарских изделиях, мороженом, других замороженных десертах, где она ингибирует рост кристаллов сахара в кондитерских изделиях, глазури и сиропах; стабилизирует эмульсии в соусах и приправах; используется в составе низкокалорийных продуктов; способствует сохранения СО2 в газированных напитках.

▲ Метилцеллюлозу получают действием на целлюлозу метилхлорида в щелочной среде. С ростом температуры вязкость метилцеллюлозы снижается; гелеобразование происходит при определенной температуре; организмом не усваивается. В пищевых продуктах выполняет роль водоудерживающего агента, ингибитора синерезиса (замороженные продукты), умягчителя и стабилизатора эмульсий (соусы, приправы); наполнителя для низкобелковых пищевых продуктов; улучшает текстуру и структуру изделий; используется в составе съедобных оболочек.

Гемицеллюлозы – полисахариды, не усваиваемые человеком. Основная гемицеллюлоза в пищевых продуктах – ксилан, состоящий из β-D-(1,4)-ксилопиранозных единиц, часто содержит β-L-арабинофуранозильные боковые цепи, а также метиловые эфиры D-глюкуроновой кислоты, D- и L- галактозу.

Гемицеллюлозы связывают воду, улучшают качество замеса при приготовлении пшеничного теста, уменьшают энергию перемешивания, участвуют в формировании структуры теста, в частности в формировании клейковины, тормозя черствение хлеба.

Гемицеллюлозы, как пищевые волокна, способны снизить риск сердечнососудистых заболеваний и рака прямой кишки; для диабетиков – снизить потребность в инсулине.

Пектиновые вещества относятся к пищевым волокнам и благодаря известным свойствам используются при производстве пищевых продуктов лечебно-профилактического назначения. Пектин обладает прекрасным желирующим свойством и широко используется при выработке кондитерских изделий, фруктовых желе и джемов.

Желирование пектинов зависит от степени этерификации (СЭ).

Пектин с СЭ = 50% лучше всего образуют гели при концентрации 1%.

Желирование высокоэтерифицированных пектинов – ВЭП (СЭ > 50%) происходит при добавлении сахара, вызывающего дегидратацию пектиновых молекул и их сближение, а также при снижении рН, когда подавляется диссоциация свободных СООН-групп и тем самым снижается электростатическое отталкивание цепей пектина. Этот процесс назван «сахарно-кислотным» желированием. Протекает оно при содержании сухих веществ в среде не менее 55% и рН 3.

Для желирования низкоэтерифицированных пектинов – НЭП (СЭ < 50%) не обязательно присутствие сахара, но бивалентные катионы (например, Са++) должны быть. Ионы Са++ образуют кальциевые мостики между молекулами пектина. Однако, передозировка Са приводит к тесному сближению пектиновых цепочек и пространственная структура не образуется. Кроме того, может выпасть осадок пектата Са. Низкоэтерифицированный пектин менее чувствителен к рН; используется в безсахарных и низкосахарных диетических джемах и желе. Добавление 10-20% сахара улучшает структуру геля из НЭП.

Влияние пектина на образование геля показано в табл.:

Желирование пектинов зависит также от молекулярной массы, распределения рамнозы по цепи пектина, наличия ацетильных групп, которые мешают образованию геля.

Функции полисахаридов связаны с их структурно-функциональными свойствами, т.е. молекулярной архитектурой, размерами и наличием межмолекулярных взаимодействий, которые обусловлены водородными связями. Полисахариды обеспечивают формирование структуры и качества пищевых продуктов – твердость, хрупкость, плотность, загустевание, вязкость, липкость и т.д. Именно благодаря полисахаридам образуется липкая или хрупкая, набухшая или желеобразная структура пищевых продуктов.

Гидролиз

Во многих пищевых продуктах имеет место гидролиз пищевых гликозидов, олигосахаридов. Гидролиз зависит от многих факторов, pH, температуры, активности ферментов и др. Гидролиз важен не только при получении, но и в процессе хранения продукта. При хранении реакции гидролиза могут привести к нежелательному изменению цвета, а гидролиз полисахаридов снижает их способность образовывать гели.

Гидролиз крахмала

а) под действием кислот – вначале ослабевают и рвутся ассоциативные связи между макромолекулами амилозы и амилопектина. Это сопровождается нарушением структуры крахмальных зерен и образованием гомогенной массы. Далее происходит разрыв б-Д (1-4) и б-Д (1-6) связей с присоединением по месту разрыва молекулы воды. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза. На промежуточных стадиях образуются декстрины, тетра-, трисахариды, мальтоза. Этот способ имеет ряд недостатков: используются высокие концентрации кислот, высокая температура – это ведет к образованию продуктов термической деградации углеводов и к реакциям трансгликозилирования;

б) Ферментативный гидролиз крахмала под действием амилолитических ферментов – б- и в-амилазы, глюкоамилазы, поллиназы и др.

Ферментативный гидролиз крахмала имеет место во многих пищевых технологиях, т.к. обеспечивает качество продуктов:

• – в хлебопечении – процесс тестоприготовления и выпечка хлеб;
• – производство пива – получение пивного сусла, сушка солода;
• – производство кваса – получение квасных хлебцев;
• – производство спирта – подготовка сырья для брожения.

Гидролиз сахарозы

Сахароза как сырье используется во многих пищевых производствах, поэтому надо учитывать ее способность к гидролизу. Гидролиз имеет место при нагревании в присутствии небольшого количества пищевых кислот. Образующиеся восстанавливающие сахара (глюкоза, фруктоза) могут участвовать в различных реакциях: дегидратация, карамелизация, меланоидинообразования и др. Часто эти процессы нежелательны.

Ферментативный гидролиз под действием в-фруктофуранозидазы (сахараза, инвертаза) играет положительную роль в ряде пищевых технологий. В результате реакции гидролиза образуются глюкоза и фруктоза. В кондитерском производстве добавление фермента предупреждает очерствение конфет, в хлебопечении – способствует улучшению аромата.

Инвертные сиропы (смеси глюкозы и фруктозы в соотношении 1:1), получают действием в-фруктофуранозидазы на сахарозу, используют при производстве безалкогольных напитков.

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.

Реакции образования коричневых продуктов

Потемнение пищевых продуктов может иметь место в реакциях окислительных или неокислительных процессов.

Окислительное или ферментативное потемнение – это реакция между фенольными веществами и кислородом, катализируется ферментами – пероксидазой, полифенолоксидазой – потемнение срезов яблок, бананов, груши, картофеля – не связано с углеводами.

Неокислительное или неферментативное потемнение – в пищевых продуктах встречается очень часто. Связано с превращением углеводов – это явление карамелизации и меланоидинообразования.

Реакция меланоидинообразования

• – это 1-я стадия реакций неферментативного потемнения. Часто образуется посторонний запах, что нежелательно. Поэтому надо знать факторы, которые влияют на эту реакцию, чтобы управлять ею. К этим факторам относятся:
  • 1) влияние pH среды. Наиболее благоприятное значение кислотности – pH 7,8-9,2, менее значительно потемнение при pH=6.
  • 2) влажность. При очень низком или очень высоком содержанием влаги (аw=0; aw=1) не наблюдается потемнения. Максимальное потемнение при промежуточном влагосодержании.
  • 3) Температура. При повышении температуры скорость реакции увеличивается. Повышение температуры на 100С дает увеличение скорости в 2-3 раза.
  • 4) Ионы металлов – интенсивное потемнение в присутствии ионов меди или железа.
  • 5) Структура сахара – уменьшается способ образовывать коричневые пигменты в ряду:

Пентозы: ксилозы арабиноза

Гексозы: галактоза > манноза > глюкоза > фруктоза

Дисахариды: мальтоза > лактоза > сахароза

6) характер аминокислоты: чем дальше расположена 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).

Таким образом, важные моменты реакции меланоидинообразования:

образование меланоидиновых пигментов, желательных и нежелательных, так же как и развитие запаха зависит от вида продукта. Может иметь место потеря незаменимых аминокислот, т.е. биологическая ценности продукта снижается.

Предполагают, что 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. Есть данные, что образовавшиеся продукты затрудняют усвоение белка.

пищевой ингредиент гигиенический физиологический