Физическая и коллоидная химия, опорный конспект лекций для специальности: 260502 Технология продукции общественного питания (стр. 4 )

Пены имеют разнообразное применение. Их исполь­зуют при обогащении полезных ископаемых флотаци­ей, при стирке и мойке, при тушении пожаров, в произ­водстве высокопористых строительных и изоляционных материалов (пенобетон, пеностекло), в производстве пенопластов (поролон, пенополистирол, пенорезина, пенофенопласты и т. д.). Пены обеспечивают оптимальный технологический процесс в виноделии и в кондитерском про­изводстве.

Очень распространены пенообразующие системы в пищевой промышленности. Такие продукты, как хлеб и ряд кондитерских изделий, имеют структуры пены, и это определяет не только их вкусовые свойства, но и пище­вую ценность. Для приготовления вспененных кондитер­ских изделий (пастила, зефир, суфле) в качестве пенооб­разователей применяют белок, иногда экстракт чая, метилцеллюлозу.

Иногда образование пены приводит к нежелательным последствиям. Например, она мешает при перегонке, выпаривании, перемешивании. Большой вред наносят пены, образующиеся в сточных водах, которые содержат пенообразователи. Эти пены покрывают поверхность во­доемов и закрывают доступ кислороду, что делает невоз­можным развитие любых организмов.

Для разрушения пен используют пеногасители, кото­рые, будучи более активными, вытесняют пенообразова­тели. Таковы спирты, эфиры, силиконовые масла и т. п. Разрушению пен способствует и механическое воздей­ствие.

2. Суспензии

Суспензии – дисперсные системы с жидкой дисперсион­ной средой и твердой дисперсной фазой.

Примерами суспензий являются глинистые, цементные и известковые растворы, глины, масляные густотертые краски, крахмальное молоко, протертые супы. Шоколад при температуре 3500С представляет собой суспензию ча­стиц какао и кристалликов сахара в жидком какао-масле, помадные массы кондитерского производства и т. д.

В зависимости от относительного содержания диспер­сной фазы суспензии подразделяют на три типа: разбав­ленные, концентрированные и высококонцентрированные. Последние обычно называют пастами.

Суспензии могут быть получены диспергационными и конденсационными способами.

Вследствие больших размеров частиц дисперсной фазы в суспензиях отсутствует броуновское движение. Явле­ния диффузии и осмоса им также не свойственны. Про­хождение света не вызывает опалесценции, а проявляет­ся в виде мутности, так как световые лучи преломляются и отражаются частицами суспензии, а не рассеиваются.

Седиментационная устойчивость обычно очень мала вследствие крупных частиц, а для достижения агрегативной устойчивости необходимо выполнение, по край­ней мере, одного из двух условий:

1.  Смачиваемость поверхности частиц дисперсной фазы дисперсной средой.

2.  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.

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.

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

2.  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/в 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.

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:

1.  Чем отличаются микрогетерогенные дисперсные системы от коллоидных систем?

2.  Что называется суспензией?

3.  От чего зависит агрегативная устойчивость сус­пензий?

4.  Каковы основные свойства суспензий?

5.  Что такое эмульсия, и как их классифицируют?

6.  Что такое опалесценция?

7.  Каковы методы стабилизации эмульсий?

8.  Как можно разрушить эмульсию?

9.  Какие дисперсные системы называются пенами?

10.  От чего зависит устойчивость пены? Как можно разрушить пену?

11.  Что такое аэрозоли, и какие у них основные свой­ства?

12.  Где применяются аэрозоли?

13.  Какие существуют способы разрушения аэрозолей?

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

Тема 2.4. Физико-химические изменения органических

веществ пищевых продуктов

1. Белки, их химическое строение и аминокислотный состав.

2. Углеводы – высокомолекулярные полисахариды.

3. Жиры.

4. Студни.

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.

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 η.

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 ¼ 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 выпреесовывания значитель­ного количества содержащейся в них влаги. Влага остается в про­дукте и поглощается клейстеризующимся крахмалом. Белки зерномучных продуктов свертываются при 50-700С.

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. 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 молочно-кислое 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 (масляно-кислое 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 100С крахмальный клейстер разжижается, а при С становится жидким. При охлаждении до 55-650С 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 С2Н18О9 – рас­творимое в воде соединение желтого цвета, при отщеплении трех молекул – карамелен СзбН5025, 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).

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 (2500С при 0,001 мм рт. ст.). Плот­ность жиров зависит от молярной массы карбоновых кис­лот и степени их насыщенности.

Температура воспламенения большинства жиров С. 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 С.

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 β-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 О2 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.

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:

1.  По какому признаку вещества относят к высокомолекулярным соединениям?

2.  В чем особенности строения молекул высокомолекулярных соединений?

3.  Приведите примеры высокомолекулярных веществ, входящих в состав пище­вых продуктов.

4.  Что такое набухание? Какие стадии в нем различают?

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

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

7.  Какой процесс называется прогорканием?

8.  Какие существуют методы получения студней?

Библиографический список

1.  Горбунова и коллоидная химия (в общественном питании): учебное пособие / , . – М: Альфа-М, 2006.

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

3.  Евстратова и коллоидная химия. / , , . – М: Высшая школа, 1988.

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

5.  Зимон химия: Учебник для вузов / , . – М: Химия, 2000.

6.  Зимон химия: Учебник для вузов / . – М: Агар, 2003.

7.  Мушкамбаров и коллоидная химия: курс лекций / . – М. ГЭОТАР – МЕД, 2002.

8.  Глинка химия: Учебник для вузов / . – М: ИНТЕГРАЛ – Пресс, 2002.

Физическая и коллоидная химия:

опорный конспект лекций по специальности:

260502 Технология продукции общественного питания

Рецензенты:

, преподаватель естественных дисциплин ФГОУ СПО «ОКТЭС»;

, преподаватель, председатель ПУК химических дисциплин

ФГОУ СПО «Омский химико-механический колледж»

Компьютерная верстка:

Ответственный за выпуск:

Подписано в печать: 29.06.2010. Формат 60х90/16

Бумага офсетная. Печать RISO.

Усл. печ. л. 4,2 Тираж 1 экз.

Отпечатано в типографии ФГОУ СПО «ОКТЭС»: г. Омск, Б