Автор: академик, профессор, доктор химических наук М.Иоелович.
В этой статье рассматривается состав пищевых продуктов и их взаимодействие с водой. В частности, дискуссируются процессы сорбции и десорбции паров воды, а также роль влаги, упаковок и различных добавок при хранении пищевых продуктов.
Ключевые слова: пищевые продукты, жиры, белки, углеводы, вода, хранение продуктов
M. Ioelovich
This article discusses the composition of food products and their interaction with water. In particular, the processes of sorption and desorption of water vapor, as well as the role of moisture, packaging, and various additives in food storage, are discussed.
Keywords: food products, fats, proteins, carbohydrates, water, storage of products
Как известно, пищевые продукты состоят из трех основных компонентов – жиров, белков и углеводов.
Жиры являются сложными эфирами глицерина и насыщенных или ненасыщенных жирных кислот, называемых также триглицеридами. Они имеют следующую общую формулу:
Жиры — это самый энергоемкий компонент пищи, имеющий среднюю калорийность порядка 9 ккал/г.
Белки — это высокомолекулярные соединения, состоящие из аминокислотных остатков, связанных в цепи посредством пептидных связей -СО-NH- .
Общая формула белка
Формула молочного белка – казеина
Белки имеют сложную структурную организацию. Наряду с первичной молекулярной структурой, они имеют вторичную спиральную структуру, которая в свою очередь образует пространственную третичную структуру. И наконец, имеется четвертичная структура, которая образуется путем соединения нескольких третичных структур в конечную форму, определяющую функцию и биологические свойства данного белка.
Калорийность белков, в среднем, более чем в 2 раза ниже, чем жиров, что важно учитывать при выборе диеты.
Углеводы — это широкий класс органических веществ, включающий моносахариды и их олигомеры, и полимеры. Типичным примером пищевого моносахарида является глюкоза, олигомерного углевода – природный трисахарид рафиноза, а полимерного углевода – крахмал и гликоген.
Формула глюкозы
Формула трисахарида — рафинозы
Общая формула крахмала
Общая формула гликогена
Средняя энергоемкость углеводов близка к энергоемкости белков и составляет приблизительно 4 ккал/г.
Производство, переработка и хранение пищевых продуктов непосредственно связано с водой. Например, муку следует хранить при низкой влажности воздуха, чтобы предотвратить ее увлажнение, набухание, комкование и порчу, а овощи — при повышенной влажности воздуха, чтобы предотвратить их высыхание.
Сорбция и десорбция воды из продуктов питания описывается графиками зависимости количества сорбированной или десорбированной воды (W) от относительной влажности воздуха (RH) при постоянной температуре, например при 298 К. Такие графики называются изотермами. Например, для изучения сорбции сухой образец вакуумируют или помещают в сосуд с сухой атмосферой, а затем сосуд заполняют небольшим количеством паров воды с заданной RH, выдерживают до установления равновесия после чего измеряют количество воды, сорбированной образцом W (г), в расчете на 1 г сухого образца. Затем увеличивают RH и снова измеряют равновесное значение W, и т.д. При десорбции, наоборот постепенно уменьшают RH в сосуде, который содержит влажный образец, и измеряют равновесное значение W.
Жиры являются гидрофобными веществами, которые практически не сорбируют воду. В отличие от них, белки и, особенно, углеводы являются гидрофильными веществами, благодаря наличию таких полярных групп как пептидные, амино, и гидроксильные группы. Поэтому пищевые продукты, содержащие значительное количество этих гидрофильных компонентов, способны сорбировать пары воды (ПВ) при хранении во влажной атмосфере. Поскольку изотермы сорбции ПВ для белков и углеводов имеют сигмоидальную форму, то и пищевые продукты, содержащие эти компоненты, также имеют сигмоидальные изотермы.
Рис. 1. Типичная сигмоидальная изотерма сорбции ПВ сухим пищевым продуктом
На этой изотерме можно выделить четыре основных участка: начальный участок I, где основные компоненты продукта с низким водосодержанием находятся в стеклообразном состоянии; средний линейный участок II, где происходит постепенное поглощение ПВ и начинается переход увлажненных рыхло-упакованных аморфных областей в высокоэластическое состояние, и конечный участок III, где происходит полный переход влажных аморфных областей всех компонентов в высокоэластическое состояние, что способствует резкому возрастанию дальнейшей сорбции ПВ. Кроме того, на участке IV при очень высоких значениях относительной влажности воздуха, RH>0.9, процесс сорбции ПВ в аморфных областях компонентов продукта может сопровождаться конденсацией ПВ в нано-размерных капиллярах.
Было доказано, что сорбция ПВ пищевыми продуктами и их гидрофильными компонентами – белками и углеводами, происходит по механизму поглощения (абсорбции) молекул воды полярными группами, находящимися в объеме аморфных областей компонентов. Известно также, что реальная удельная поверхность сухих пищевых продуктов и их компонентов, измеряемая путем адсорбции инертных газов и паров, очень мала и не превышает нескольких кв. м/г. Вследствие этого, такие популярные модели как моно-и мультимолекулярная адсорбция ПВ на поверхности пор следует исключить из рассмотрения. По этой же причине, бессмысленно использовать разнообразные уравнения поверхностной адсорбции для расчета изотерм сорбции ПВ пищевыми продуктами и их гидрофильными компонентами. Тем более, что такие расчеты дают совпадение с экспериментами лишь в очень ограниченной области относительной влажности воздуха и не позволяют адекватно рассчитать всю изотерму сорбции.
В наших работах на основе абсорбционного механизма и термодинамики взаимодействия было выведено следующее уравнение изотермы:
W=Wo/[1 – K ln(RH)] (1)
где Wo – максимальное значение сорбции при RH =1.
Для нахождения значения Wo и коэффициента К, это уравнение необходимо представить в линейной форме:
1/W = 1/Wo – (K/Wo) ln(RH) (2)
Например, для углевода – аморфизованного крахмала, изотерма ПВ действительно спрямляется в координатах ур. (2).
Рис. 2. Линеаризованная изотерма сорбции паров воды аморфизованным крахмалом при 298 К
Экстраполируя зависимость 1/W= f[-ln(RH)] до значения соответствующего -ln(RH) =0, находим значение 1/Wo и его обратную величину, Wo= 0.5, а из коэффициента наклона находим значение K/Wo, а затем параметр К=2.7. Тогда уравнение (1) для изотермы сорбции ПВ для аморфизованного крахмала будет следующим:
W=0.5/[1 – 2.7 ln(RH)] (3)
Как следует из рисунка 3, после исключения небольшого количества капиллярно-конденсированной воды экспериментальная сигмоидальная изотерма практически полностью совпадает с изотермой, рассчитанной по ур. (3), что свидетельствует об адекватности метода расчета, основанного на абсорбционном механизме процесса сорбции ПВ.
Рис. 3. Расчетная (точки) и экспериментальная (линия) изотермы сорбции паров воды аморфизованным крахмалом при 298 К
Рис. 4. Сорбционный гистерезис
Изотермы десорбции ПВ влажными пищевыми продуктами и их гидрофильными компонентами также имеет сигмоидальную форму. Однако, как видно из рисунка 4, для одного и того же образца изотерма десорбции (2) не совпадает с изотермой сорбции (1). Такое явление называется сорбционным гистерезисом.
Наиболее вероятным объяснением этого явления является то, что сухие компоненты пищевого продукта – белки и углеводы, находятся в стеклообразном состоянии, что ограничивает доступность молекул воды к полярным группам – центрам сорбции. С другой стороны, влажные компоненты при высоких значениях RH являются высокоэластичными и поэтому их сорбционные центры полностью доступны для молекул воды. Таким образом, число доступных для ПВ сорбционных центров при десорбции будет выше, чем при сорбции, что и вызывает явление гистерезиса.
После исключения капиллярно-конденсированной воды, изотерму десорбции можно рассчитать с помощью уравнения, аналогичного сорбционному уравнению (1), но с меньшим значением параметра K. Например, для аморфизованного крахмала параметр K в ур. (1) при десорбции ПВ при комнатной температуре будет составлять 2.2 вместо 2.7 при сорбции.
Для готового пищевого продукта, содержащего постоянное для него стандартное количество воды (Wc), важно знать величину относительной влажности воздуха (RHc) при хранении в герметичной упаковке при постоянной температуре (например, при 298 К). Для этого берут серию продуктов с различными значениями Wc, помещают в герметичные упаковки, снабженные гигрометром и после продолжительной выдержки измеряют величину относительной влажности воздуха, RHc. Было показано, что в таком случае для разных продуктов с различными стандартными водосодержаниями, Wc, можно получить следующий общий Г-образный график зависимости RHc от Wc.
Рис. 5. Зависимость RHc от Wc для разных пищевых продуктов
Эта завимсимость может быть выражена математически с помощью следующего уравнения:
Y = 1- Ae∧(- kXn) (4)
где Y=RHc, X=Wc, A=3.9, k=4.93, n=0.3.
Левая крутая ветвь графика на Рис. 5 относится к продуктам, имеющих лишь связанную абсорбированную воду, стандартное водосодержание которых не превышает 0.2 г/г, таким как крекеры, мука, хлебобулочные изделия, крупы, макароны, орехи, чай, кофе и т.п. Средняя пологая часть графика включает продукты с повышенным стандартным водосодержанием, от 0.2 до 0.6, например, брынза, мармелад, варенье, джем, и т.п. Эти продукты могут содержать абсорбированную и капиллярную воду, а также сравнительно небольшое количество свободной воды. Конец графика относится к пищевым продуктам с высоким содержанием свободной воды, таким как свежее мясо, свежие фрукты, молоко, соки и т.п.
Влажность играет определяющую роль при сохранности и порче продуктов питания во время хранения. Многочисленные исследования показали, что окисление жиров может происходить даже при комнатной температуре, если относительная влажность воздуха превышает 0.25 (Рис. 6).
Рис. 6. Зависимость химической и биологической активности от влажности атмосферы при окислении липидов и жиров (LO), кислотном гидролизе (AH), энзиматическом гидролизе (EH) и росте колоний плесени (MG), дрожжей (YG) и бактерий (BG)
Если продукт имеет кислое значение рН<6, то его олигомерные и полимерные углеводы могут гидролизоваться при комнатной температуре, если этот продукт хранился в атмосфере влажного воздухе с RH>0.3. Для предотвращения энзиматического гидролиза требуется хранение продукта в атмосфере пониженной влажности, RH<0.4, в то время как для предотвращения роста микроорганизмов в пищевых продуктах достаточно, чтобы относительная влажность воздуха при хранении не превышала 0.6.
Чтобы сохранить естественную влажность продуктов, но предотвратить их порчу, продукты должны быть герметично упакованы. В качестве упаковки используют пленки из полиэтилена, полипропилена, коробки и банки из полистирола и стекла, бутылки из ПЭТ и стекла. Кроме того, для увеличения срока хранения некоторых фруктов, например, яблок, их покрывают слоем воска. Некоторые напитки, например, молоко подвергают кратковременной тепловой обработке – пастеризации.
Для увеличения срока хранения в пищевой промышленности широко применяют различные консерванты. Так, сорбиновую кислоту и ее соли добавляют в молоко и молочные продукты. Пропионовая кислота применяется в качестве консерванта при производстве хлебобулочных и кондитерских изделий. При изготовлении колбасных изделий и некоторых других мясных продуктов применяются добавки таких консерваторов как нитраты и нитриты. Такие консерванты используются также в технологии брынзы и некоторых сортов сыров. Для предотвращения окисления жиров применяются добавки различных антиоксидантов, в качестве которых используются аскорбиновая кислота, окоферолы, бутилоксианизол и другие.
Для предохранения пищевых продуктов от окислитения и микроорганизмов широко применяются также защитные газы такие как углекислый газ, азот, гелий и др. Технология хранения продуктов в атмосфере защитных газов получила название МАР (modified atmosphere packing). Защитные газы могут быть использованы при бункерном хранении продуктов питания или вводиться внутрь герметичных упаковок различных продуктов.
Таким образом, в данной статье были рассмотрены процессы сорбции и десорбции паров воды пищевыми продуктами и их гидрофильными компонентами – белками и углеводами. Показана важная роль влаги и различных добавок при хранении пищевых продуктов.
Рекомендуемая литература
1. Barbosa-Cánovas G.V., Fontana A.J., Schmidt S.J., Labuza T.P. Water Activity in Food, Fundamentals and Application. Blackwell Publ.: Chicago, 2007.
2. Food and its Components. https://www.practically.com/studymaterial/blog/docs/class-6th/biology/food-and-its-cooking/
3. Вещества, способствующие увеличению срока годности продуктов.
https://znaytovar.ru/new360.html
4. Ioelovich M. Study of hydrophilic properties of polysaccharides. Organic Polym. Mater. Res., 2021, 3 (2), 12-23.
5. Ioelovich M. Models of water vapor sorption by hydrophilic polymers. Adv. Res. Org. & Inorg. Chem., 2022, 3 (1), 1-5.
Реплика редактора: превосходная статья и написана с необычного научного ракурса! Спасибо автору!
Иллюстрация: filter-kazan.ru
