1 лекция Основные процессы пищевых производств. 1. классификация пищевых процессов и основные законы, лежащие в их основе классификация пищевых процессов
 Скачать 279.75 Kb.
|
|
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОЦЕССОВ И ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ, ЛЕЖАЩИЕ В ИХ ОСНОВЕ 1.1. Классификация пищевых процессов Под термином «процесс» понимают производственный процесс, когда исходные материалы в результате физического, химического, механического и других воздействий превращаются в пищевые продукты. Эти превращения сопровождаются изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и химического состава вещества. Процессы протекают в технологических аппаратах или в машинах. Чаще всего аппарат представляет собой емкость, в которой неподвижно располагаются различные трубы, решетки, полки, кольца, тарелки, сепараторы для отделения капелек жидкости и т. д. Иногда в аппаратах монтируют вращающиеся механизмы для перемешивания жидких сред. В отличие от них машина – это механизм с внешним приводом, совершающий рабочими органами те же самые операции, которые выполняет человек подобными орудиями труда для совершения подобной работы. В технологии пищевых производств используются одни и те же фундаментальные законы и методы расчета, характерные для химической технологии. Тем не менее специфика, связанная с пищевыми производствами, находит естественное отражение в изложении курса. Процессы пищевых производств можно разделить на простые и сложные. Вместе с тем практически любой реальный процесс переработки продукта достаточно сложный. Он неизбежно включает не только процессы, относящиеся непосредственно к переработке, но и подготовительно-заключительные операции (подача продукта в рабочую зону и отвод из нее). Таким образом, почти каждый так называемый простой процесс можно разделить на еще более простые. Само понятие «процесс» предполагает некоторое преобразование материи, протекающее в пространстве и во времени. Оно происходит под воздействием побуждающих факторов и характеризуется начальным и конечным состояниями. Каждый элементарный акт проявления побуждающего фактора и его воздействия на продукт можно рассматривать как процесс, который, с одной стороны, является относительно простым, так как не приводит к полному преобразованию продукта, а с другой – допускает дальнейшее разбиение на более простые составляющие. Введенное представление о степени сложности процессов, хотя и достаточно условное, позволяет относительно произвольно выделить удобные для рассмотрения и дальнейшего использования их модели, из которых при необходимости можно строить более сложные комбинации. Одно из таких удобных разбиений процессов пищевых производств – классификация по научным дисциплинам, методы которых служат основой для объяснения их закономерностей. Такой классификацией является разделение процессов на гидравлические, механические, гидромеханические, тепловые, массообменные, биохимические и микробиологические. 1. Гидравлические процессы. Реализуются при течении ньютоновских жидкостей по трубопроводам и элементам гидравлических систем, а также в гидравлических машинах – насосах и двигателях. Это весьма распространенный класс процессов, подчиняющихся специфическим закономерностям. Без изучения гидравлических процессов невозможно правильное понимание большинства процессов в пищевых производствах. Этим объясняется их включение в классификацию. Течение неньютоновских жидкостей, к которым относятся многие продукты пищевых производств, изучает выделившаяся в самостоятельную науку реология. Неньютоновские жидкости в большинстве являются полимерами. Их механика – это целый мир своеобразных закономерностей, не имеющих аналогов в механике мономеров. Без их понимания невозможно понять многие процессы пищевых производств. 2. Механические процессы. К ним относят процессы измельчения (дробление и резание), сортирования, прессования и др. Они протекают под действием механических усилий, а их результатом является изменение размеров частиц продукта. Эти процессы реализуются в мельничных комплексах, дробилках, крупорушках, терках, волчках, измельчителях овощей и корнеплодов, прессах, штампах, валковых и шнековых нагнетателях, устройствах сепарирования сыпучих веществ и др. 3. Гидромеханические процессы. К ним относят процессы перемешивания жидких и сыпучих продуктов, фильтрования, осаждения, мойки корнеплодов, пневмо- и гидротранспортирования, псевдоожижения сыпучих продуктов и др. Они протекают под влиянием суммы механических (в частности, центробежных или гравитационных) и гидродинамических воздействий, а их результатом является пространственное перемещение отдельных агломератов продукта или элементов смеси продуктов. Эти процессы реализуются в пневматических и гидравлических классификаторах, фильтрах, осадителях, центрифугах, сепараторах, циклонах, пневмо-, гидро- и аэрозольных транспортирующих устройствах, гидромеханических моечных машинах, смесителях жидких и сыпучих продуктов, сушилках и др. 4. Тепловые и массообменные процессы. К тепловым процессам относят нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсацию, к массообменным – сушку, сорбцию, перегонку, кристаллизацию, растворение, экстрагирование, экстракцию и др. Они протекают под действием разностей температур или концентраций веществ. Результатом их является перемещение в пространстве теплоты (тепловой энергии) или отдельных компонентов смеси веществ. Данные процессы реализуются в нагревателях, охладителях, абсорберах, адсорберах, перегонных устройствах (кубовые аппараты, ректификационные колонны и др.), выпарных аппаратах, сушилках, конденсаторах, кристаллизаторах, растворителях, экстракторах и др. К тепловым процессам примыкают процессы получения холода. Они используют одни и те же термодинамические зависимости, одинаковые принципы решения теплотехнических проблем; часть теплотехнических устройств, используемых в них, являются одинаковыми. 5. Химические процессы. Многочисленные химические процессы пищевых производств выделены в самостоятельную группу, включающую биохимические и физико-химические процессы. К биохимическим относят процессы ферментации, брожения, стерилизации, пастеризации, дезинфекции, промывки тары и ее чистки и др. Результатом этих процессов является изменение в объеме продукта или на поверхности тары концентрации сахаров, дрожжевых культур, бактерии и продуктов их жизнедеятельности, спор, загрязняющих веществ и др. К физико-химическим процессам относят горение и взрывы. Подробно они изучаются специальными научными дисциплинами. В данном курсе дается лишь самое общее знакомство с ними, оправданное, в частности, необходимостью грамотной профилактики пожаро- и взрывоопасности мукомольных, комбикормовых и некоторых других производств. Другой классификационный признак процессов пищевых производств – течение их во времени. Основные процессы пищевой технологии делятся по способу организации на периодические и непрерывные. Периодические процессы характеризуются тем, что все стадии (загрузка сырья, обработка и выгрузка готового продукта) осуществляются в одном аппарате, но в разное время. Непрерывные процессы характеризуются тем, что все их стадии протекают одновременно, но разделены в пространстве, так как осуществляются либо в различных частях проточного аппарата, либо в разных аппаратах, составляющих данную установку. Основные преимущества непрерывных процессов по сравнению с периодическими заключаются в следующем: - отсутствуют затраты времени на загрузку исходного сырья и выгрузку готового продукта; - появляется возможность создания качественной системы регулирования режимных параметров, что позволяет обеспечить более высокую стабильность качества готовой продукции; - оборудование имеет меньшие габариты при равной производительности с периодически действующим оборудованием, что сокращает затраты на изготовление, ремонт, амортизационные отчисления, эксплуатацию и монтаж; - повышается тепловой коэффициент полезного действия, так как при отсутствии перерывов в работе более полно используется подводимая теплота, нет потерь ее при разгрузке продукции; - улучшаются условия обслуживания аппаратов путем устранения операций их загрузки и разгрузки, уменьшается потребность в обслуживающем персонале. В зависимости от изменения параметров во времени (скоростей, температуры, концентраций и др.) процессы могут быть разделены на установившиеся (стационарные) и неустановившиеся (нестационарные, или переходные). При установившемся процессе значение каждого из параметров зависит только от положения рассматриваемой точки в аппарате, но не зависит от времени. В неустановившихся процессах параметры переменные и зависят не только от положения рассматриваемой точки в объеме аппарата, но и от времени. Для непрерывных процессов изменение параметров во времени имеет место только в период пуска установок. 1.2. Основные законы науки, используемые в технологии пищевых производств Изучение процессов технологии пищевых производств невозможно без применения основных законов (рис. 1.1), на которых базируется теория конкретного процесса. Основные законы и принципы технологии пищевых производств Основные законы и принципы технологии пищевых производств За ко н со хр ан ен ия м ас сы За ко н со хр ан ен ия эн ер ги и За ко н ра вн ов ес ия си ст ем ы За ко н пе ре но са м ас сы и э не рг ии За ко н дв иж ущ ей си лы П ри нц ип ы оп ти м из ац ии пр ов ед ен ия пр оц ес со в П ри нц ип ы м ас ш та бн ог о пе ре хо да и м од ел ир ов ан ия Рис. 1.1. Основные законы и принципы пищевых технологий Закон сохранения массы и энергии. Данные законы играют одну из основных ролей в технологии пищевых производств. Они устанавливают, что в природе имеют место только такие превращения, при которых масса и энергия внутри системы остаются неизменными. На основании закона сохранения массы (материи) составляют материальный баланс, следуя принципу: приход материала = расход материала. Рассмотрим технологический процесс, протекающий в аппарате. В аппарат поступают компоненты А, В, С в количестве М А , М В , М С соответственно; из аппарата выходя компонент Dв количестве М D и компонент Е, как отход производства, в количестве М Е (рис. 1.2). Аппарат М А М В М С М D М Е Рис. 1.2. К уравнению материального баланса Уравнение (1.1) является уравнением материального баланса. На основании материального баланса определяют выход продукта, т.е. выраженное в процентах отношение полученного количества продукта к максимально возможному. Выход продукта, как правило, рассчитывают на единицу затраченного на его изготовление сырья. На основе закона сохранения материи можно записать М А + М В + М С = М D + М Е (1.1) или ∑ М вх = ∑ М вых Энергетический баланс. Этот баланс составляют на основе закона сохранения и превращения энергии. Закон формулируется следующим образом: в изолированной системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной, или энергия никогда не создается и не уничтожается – она только переходит из одной формы в другую. Отсюда следует вывод, что нельзя получить нечто из ничего. Если обнаруживается изменение энергии, которое не входит в современный список форм энергии, если выясняется, что энергия исчезает или появляется как бы из ничего, то приходится придумывать новый вид энергии, который учел бы эту разницу. Нейтрон, например, был обнаружен вследствие недостачи в энергетическом балансе атомного реактора. Разновидность энергетического баланса – тепловой баланс, который в общем виде записывается в виде уравнения (1.2) Q А + Q В + Q С +Q доп = Q D + Q Е + Q пот (1.2) или ∑ 𝑄 вх + 𝑄 доп = ∑ 𝑄 вых + 𝑄 пот , где ΣQ вх – теплота, поступающая в аппарат с исходными компонентами, Дж; Q доп – дополнительная теплота, подводимая к аппарату от внешних источников, Дж; ΣQ вых – теплота, уходящая из аппарата, Дж; Q пот – тепловые потери, Дж. Закон равновесия системы. Система, находящаяся в состоянии равновесия, не меняет своего состояния во времени. Для выведения такой системы из состояния равновесия необходимо влияние на нее извне. Исследование этого закона опирается на два положения термодинамики: принцип Ле-Шателье и правило фаз Гиббса. По принципу Ле-Шателье в системе, выведенной из состояния равновесия, происходят изменения, направление сил которых противоположно наплавлению сил, выводящих систему из равновесия. По правилу фаз Гиббса устанавливается зависимость между числами компонентов системы К, числом фаз f и числом степеней свободы S (1.3) 𝑆 = 𝐾 − 𝑓 + 2 (1.3) Под компонентом понимается чистые химические соединения (и них состоят фазы); фаза – определенное количество вещества физически однородное во всей массе (из них состоят системы); система – совокупность нескольких фаз. Закон переноса массы и энергии. Закон движущей силы. Для интенсификации производства необходимо, чтобы скорость процесса была, по возможности, максимальной. Закон, описывающий процессы массо- и энергопереноса, можно сформулировать следующим образом: скорость процесса переноса I прямо пропорциональна движущей силе Dи обратно пропорциональна сопротивлению переноса R (1.4) 𝐼 = 𝐷 𝑅 = 𝐷 · 𝐾, (1.4) где K=1/R–коэффициент скорости процесса, величина, обратная сопротивлению. Принцип оптимизации проведения процесса.При проведение любого процесса, как правило, возникает возможность выбора нескольких вариантов решения.выбор наиболее целесообразного варианта называется оптимизацией. В качестве критерия оптимизации могут выступать различные параметры процесса, но чаще всего, - это минимум времени и затрат на производство продукции. Оптимизация сводится к нахождению наиболее выгодного компромисса между значениями параметров, противоположно влияющих на процесс. Снижение затрат к минимуму достигается выбором рационального проведения процесса и его аппаратурного оформления. 1.3. Химические процессы пищевых производств В основе ряда пищевых технологий лежат химические превращения. К ним относят получение патоки, различных жиров, а также инвертного сахара и др. Важная роль отводится этим процессам на отдельных стадиях производства хлеба, мучных кондитерских изделий, сахара, растительных масел, а также при хранении продуктов. Скорость химических процессов имеет большое значение. Скорость химической реакции характеризуется изменением концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени. В зависимости от агрегатного состояния взаимодействующих веществ химические реакции могут быть гомогенными и гетерогенными. К основным факторам, влияющим на скорость всех реакций, относятся: концентрация реагирующих веществ, температура, наличие катализатора. 1. Влияние концентрации. Увеличение концентрации взаимодействующих веществ – один из самых распространенных приемов интенсификации процессов. Согласно закону действия масс скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени, равной стехиометрическому коэффициенту, стоящему перед формулой вещества в уравнении реакции. Молекулярность реакции определяется числом молекул, участвующих в элементарном акте химического взаимодействия. Если для этого требуется одна молекула, то реакции называются мономолекулярными. При участии двух молекул реакции называют бимолекулярными, трех – тримолекулярными. Порядок реакции – это сумма показателей степеней при концентрациях веществ в уравнении закона действия масс. Скорость реакции первого порядка пропорциональна концентрации в первой степени, скорости реакций второго и третьего порядков пропорциональны концентрациям во второй и третьей степени. Знание порядка и константы скорости реакции позволяет определить оптимальное время проведения реакции. 2. Температура – важный фактор, определяющий скорость реакции. С повышением температуры скорость реакции возрастает, что связано с увеличением константы скорости реакции. Согласно правилу Вант-Гоффа повышение температуры на 10ºС увеличивает скорость реакции в 2–4 раза. Характер влияния температуры и концентрации реагирующих веществ на скорость химических реакций можно объяснить теорией активных столкновений. Согласно этой теории химическое взаимодействие между молекулами возможно только при их столкновении, однако к химическим реакциям приводят эффективные столкновения, т.е. в реакцию вступают не все сталкивающиеся молекулы, а только молекулы, обладающие определенной энергией, избыточной по сравнению со средней. Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными. Избыточная энергия молекул называется энергией активации и зависит от природы вступающих в реакцию веществ. При повышении температуры количество активных молекул увеличивается, число столкновений между ними возрастает, в результате чего растет скорость реакции. С увеличением концентрации реагирующих веществ общее число столкновений, в том числе эффективных, также возрастает, в результате чего увеличивается скорость реакции. 3. Влияние катализатора. Катализатор – это вещество, которое резко изменяет скорость реакции. В присутствии катализаторов реакции ускоряются в тысячи раз, могут протекать при более низких температурах, что экономически выгодно. Велико значение катализаторов в органическом синтезе – в процессах окисления, гидрирования, дегидрирования, гидратации и др. Чем активнее катализатор, тем быстрее идут каталитические реакции. Катализаторы могут ускорять одну реакцию, группу реакций или реакции разных типов, т.е. они обладают индивидуальной или групповой специфичностью, а некоторые из них пригодны для многих реакций. Например, ионы водорода ускоряют реакции гидролиза белков, крахмала и других соединений, реакции гидратации и т.д. Катализаторами преимущественно служат металлы в чистом виде (никель, кобальт, железо, платина) и в виде оксидов или солей (окись ванадия, окись алюминия), соединения железа, магния , кальция, меди и т. п. Неорганические катализаторы термостабильны, и реакции с ними протекают при сравнительно высоких температурах. Присутствие в среде, где протекает реакция, посторонних веществ оказывает на катализатор различное влияние: одни нейтральны, другие усиливают действие катализатора, третьи ослабляют или подавляют его. Вещества, отравляющие катализатор, называются каталитическими ядами. В зависимости от того, находится ли катализатор в той же фазе, что и реагирующие вещества, говорят о гомогенном или гетерогенном катализе. В гетерогенном катализе реагирующие вещества находятся, как правило, в жидком или газообразном состоянии, а катализатор – в твердом, при этом реакция протекает на границе двух фаз, т.е. на поверхности твердого катализатора. Большинство каталитических реакций положительно, т.е. в присутствии катализатора их скорость возрастает. Однако встречается отрицательный катализ, когда катализатор замедляет скорость реакции. В данном случае катализатор называют ингибитором. Если ингибитор тормозит процесс окисления, его называют антиокислителем, или антиоксидантом. Сущность некоторых химических процессов и их роль. Получение и хранение самых разнообразных пищевых продуктов сопровождаются протеканием химических процессов. Одни из них связаны с реакциями гидролиза, другие – с окислительно- восстановительными реакциями (меланоидинообразованием, сульфитацией, окислением и др.). 1. Гидролиз – это реакция разложения сложных веществ (белков, жиров, углеводов) до более простых под действием кислот и щелочей с присоединением молекулы воды. Например, сахароза при нагревании с кислотами гидролизуется, образуя инвертный сахар (смесь равных количеств глюкозы и фруктозы) по уравнению С 12 Н 22 О 11 + Н 2 О = С 6 Н 12 О 6 + С 6 Н 12 О 6 Характерная особенность сахарозы – исключительная легкость ее гидролиза: скорость процесса примерно в тысячу раз больше, чем скорость гидролиза при этих же условиях таких дисахаридов, как мальтоза или лактоза. Инвертный сироп обладает свойством антикристаллизатора и гигроскопичностью. Гидролиз сахарозы может играть отрицательную роль, например, в сахарном производстве, так как при этом увеличиваются потери сахарозы за счет ее разложения. При получении сахара измельченную свеклу обрабатывают горячей водой, получая диффузионный сок, в котором растворены сахароза и другие вещества. Некоторые из этих соединений придают соку кислую реакцию. Для предотвращения гидролиза сахарозы диффузионный сок на первых стадиях очистки нейтрализуют. Не менее важная роль принадлежит гидролизу крахмала. При кипячении с кислотами крахмал превращается в глюкозу. В качестве промежуточных продуктов в большем или меньшем количестве образуются полисахариды разной молекулярной массы – декстрины. На первых этапах гидролиза появляются декстрины, мало отличающиеся от крахмала по размерам и свойствам. Они имеют довольно высокую молекулярную массу, в присутствии йода дают синюю или фиолетовую окраску. Это так называемые амилодекстрины. В процессе дальнейшего гидролиза крахмала молекулярная масса декстринов снижается, образуются эритродекстрины, которые в присутствии йода дают темно-бурое, затем красное окрашивание. Наконец появляются ахро- и мальтодекстрины, которые не изменяют цвета йодной пробы. По мере снижения молекулярной массы декстринов снижается их удельное вращение и уменьшается растворимость в спиртовых растворах. Продукт неполного гидролиза крахмала разбавленными кислотами или ферментами называется патокой. Кроме декстринов в ее состав входят мальтоза и глюкоза. Сырьем для получения патоки служит картофельный и кукурузный крахмал. Гидролиз крахмала – процесс каталитический. В качестве катализатора при гидролизе крахмала применяют минеральные кислоты, обычно хлороводородную кислоту. 2. Меланоидинообразование. Это сложный окислительно- восстано-вительный процесс, включающий в себя ряд реакций, которые протекают последовательно и параллельно. В упрощенном виде сущность этого процесса можно свести к следующему. Низкомолекулярные продукты распада белков (пептиды, аминокислоты), содержащие свободную аминную группу (–NH 2 ), могут вступать в реакцию с соединениями, в состав которых входит карбонильная группа =С=О (например, с различными альдегидами и восстанавливающими сахарами – фруктозой, глюкозой, мальтозой), в результате чего происходит разложение как аминокислоты, так и реагирующего с ней восстанавливающего сахара. При этом из аминокислоты образуются соответствующий альдегид, аммиак и диоксид углерода, а из сахара – фурфурол и оксиметилфурфурол. Альдегиды обладают определенным запахом, от которого зависит в значительной степени аромат многих пищевых продуктов. Фурфурол и оксиметилфурфурол легко вступают в соединение с аминокислотами и образуют темноокрашенные продукты, называемые меланоидинами. Белки тоже могут вступать во взаимодействие с сахарами, но менее активно, чем аминокислоты, так как содержат меньше свободных аминных групп. Образование меланоидинов – основная причина потемнения пищевых продуктов в процессе их изготовления, сушки и хранения. Особенно интенсивно эта реакция протекает при повышенных температурах во время выпечки хлебобулочных и мучных кондитерских изделий; в процессе уваривания сахарных растворов при производстве сахарного песка; при сушке солода; при самосогревании зерна; в процессе тепловой обработки вин; при приготовлении присных и помадных масс типа крем-брюле. Реакция меланоидинообразования сопровождается потемнением получаемых продуктов (фруктово-ягодного пюре, соков, повидла, хлеба), которое наблюдается в процессе длительного нагревания этих продуктов при высокой температуре, а также при их фасовании в горячем виде и хранении при повышенной температуре. При производстве ряда пищевых продуктов создают специальные условия для реакции меланоидинообразования (в хлебопечении). 3. Дегидратация. Одна из реакций, протекающих в процессе меланоидинообразования, связана с дегидратацией и разложением сахаров при нагревании. В то же время эта реакция может протекать самостоятельно под воздействием высоких температур на сахара (сахарозу, глюкозу, фруктозу), вызывая ряд их превращений. Характер этих превращений различен и зависит от условий нагревания (степени и продолжительности теплового воздействия), реакции среды и концентрации сахара. Моносахариды, в частности глюкоза, при нагревании в кислой или нейтральной среде дегидратируют, т.е. разлагаются с выделением одной или двух молекул воды и образованием ангидридов глюкозы. Эти соединения, являясь реакционноспособными, могут соединяться друг с другом или с неизмененной молекулой глюкозы и образовывать так называемые продукты конденсации (реверсии). При длительном тепловом воздействии отщепляется третья молекула воды и образуется оксиметилфурфурол, который при дальнейшем нагревании может распадаться с разрушением углеводного скелета и образованием муравьиной, левулиновой кислот и окрашенных соединений. 4. Сульфитация. При производстве ряда пищевых продуктов реакция меланоидинообразования нежелательна (например, при получении сахара-песка). Существуют и другие причины. К примеру, при переработке овощей и плодов потемнение происходит за счет протекания биохимических процессов и образования меланинов. С образованием меланинов связано потемнение очищенных яблок и картофеля при непродолжительном хранении их на воздухе. Для предотвращения потемнения пищевых продуктов их сульфитируют, т.е. обрабатывают диоксидом серы или его производными, чаще всего H 2 SO 3 . Диоксид серы как химический агент вызывает обесцвечивание многих растительных красящих пигментов и может быть использован для улучшения внешнего вида готового продукта. Сульфитации подвергают диффузионный сок при его очистке в сахарном производстве, овощи и плоды при их переработке. Кратковременная, в течение нескольких минут, обработка картофеля, абрикосов, яблок перед сушкой позволяет улучшить внешний вид готового продукта, предотвратить его потемнение. Диоксид серы, сернистая кислота и ее соли являются в этом случае антисептиками, вызывая глубокие изменения в клетках микроорганизмов, особенно молочнокислых и уксусно-кислых бактерий. Сернистая кислота оказывает влияние на растительную ткань сульфированных продуктов. Под ее влиянием происходит коагуляция протоплазмы клеток, нарушается тургор и сок частично выходит в межклеточное пространство, в результате чего ткань плода размягчается. Являясь сильным восстановителем, сернистая кислота препятствует окислению химических веществ плодов. Блокируя ферменты, катализирующие необратимое окисление витамина C, сернистая кислота способствует его сохранению. Вступая в соединение с красящими веществами, сернистая кислота вызывает сильное обесцвечивание продукта. Все плоды и ягоды, имеющие красную, синюю и другую окраску (вишня, слива, малина, черная смородина и т.п.), после сульфитации теряют свой первоначальный цвет. 5. Окисление. Жиры при длительном хранении приобретают неприятные вкус и запах – прогоркают, что связано как с химическими превращениями их под действием света и кислорода воздуха, так и с действием некоторых ферментов. Однако наиболее распространенный тип прогоркания жиров – это прогоркание, обусловленное окислением ненасыщенных жирных кислот кислородом воздуха. При этом кислород присоединяется по месту двойных связей, образуя пероксиды (рис. 1.3). Рис. 1.3. Схема образования пероксидов В результате дальнейшего разложения перекисей жирных кислот образуются альдегиды, придающие жиру неприятные запах и вкус. При отсутствии кислорода воздуха данного процесса не происходит, поэтому при хранении в вакууме жир не прогоркает. В то же время присутствие антиоксидантов в жирах и жиросодержащих продуктах снижает скорость их окисления. Наиболее активными естественными антиокислителями являются токоферолы (витамин Е). 1.4. Биохимические и ферментативные процессы пищевых производств Биохимические процессы протекают при участии ферментов и имеют большое практическое значение, так как лежат в основе технологий получения хлеба и хлебобулочных изделий, вина, пива, чая, аминокислот, органических кислот, витаминов и антибиотиков. Эти процессы играют важную роль при хранении пищевого сырья и готовой продукции (зерна, овощей, жира, жиросодержащих продуктов и др.). Зная характер протекания биохимических процессов в пищевом сырье, можно установить особенности процесса, определить дефекты данной партии сырья, наметить наиболее правильный режим технологического процесса. Факторы, влияющие на скорость биохимических процессов. Скорость биохимических процессов зависит от природы субстрата и его атакуемости, податливости действию фермента, которая зависит от структуры субстрата. Например, атакуемость амилазами крахмала, полученного из зерна различных культур или из разных частей одного и того же зерна, различна. Она увеличивается с уменьшением размера крахмальных зерен, т.е. с увеличением их относительной поверхности, а также при механическом воздействии на структуру зерен крахмала (например, при длительном помоле зерна). Атакуемость белка протеиназами зависит от строения белковой молекулы: чем плотнее и прочнее структура белка, тем ниже его атакуемость ферментами. Скорость биохимических процессов зависит от концентраций самого фермента и реагирующих веществ. При избытке субстрата скорость реакции определяется концентрацией фермента: чем она выше, тем быстрее идут реакции. Наибольшее влияние на активность ферментов и скорость биохимических процессов оказывают температура и реакция среды. С повышением температуры активность ферментов возрастает, достигает максимума, а затем снижается. Оптимальной для действия фермента является та температура, при которой его активность наибольшая. Температурный оптимум для растительных ферментов составляет около 40–50ºС. Каждый фермент проявляет свое действие в узких пределах значений рН. В определенной зоне активность фермента наибольшая – эта зона называется оптимальной зоной рН. Оптимальное значение рН для действия ферментов зависит в основном от субстрата. Например, при действии папаина на желатин оптимальное значение рН 5,0, а при действии на денатурированный яичный альбумин рН 7,5. Скорость биохимических процессов может быть увеличена в присутствии активаторов. Многие ферменты активизируются под действием соединений восстанавливающего характера, в частности веществами, которые содержат сульфгидрильные группы: цистеином, глютатионом. Ингибиторы ферментов подавляют их активность. Действие ингибиторов основано на блокировании сульфгидрильных связей фермента и превращении их в дисульфидные группы. По строению все ферменты можно разделить на две группы: однокомпонентные ферменты, состоящие только из белка, обладающего каталитическими свойствами; ферменты, состоящие из белковой части (апофермента) и связанного с ней органического вещества небелковой природы, называемого простетической группой. Ферменты и ферментные препараты. Биохимические процессы, протекающие при производстве пищевых продуктов и их хранении, связаны с действием собственных ферментов сырья, ферментов, вырабатываемых микроорганизмами и используемых в виде ферментных препаратов. Ферменты находятся в сырье в свободном и связанном виде. При прорастании зерна активность ферментов повышается, так как они полностью или частично становятся свободными. Каждый микроорганизм содержит комплекс разнообразных ферментов, многие из которых аналогичны ферментам растений и животных. Источником получения биомассы микроорганизмов, используемой для выделения данного фермента, являются культуры плесневых грибов, бактерий, дрожжей и актиномицетов. Ферментные препараты отличаются от ферментов тем, что помимо активного белка содержат балластные вещества. Подавляющее количество препаратов являются комплексными, содержащими, помимо основного, еще значительное количество сопутствующих ферментов, хотя существуют ферментные препараты, в состав которых входит какой-либо один фермент. В комплексном препарате один фермент может преобладать и иметь наибольшую активность. Роль ферментов в дыхании растительного сырья. Большую роль во взаимосвязи растительного сырья с окружающей средой играет дыхание, под которым понимают окислительно- восстановительные процессы, регулируемые ферментами. Различают аэробное дыхание, происходящее в присутствии кислорода воздуха, и анаэробное (интрамолекулярное), не требующее кислорода. В растительном сырье всегда происходят анаэробные процессы, однако отрицательное влияние их сказывается лишь в том случае, если они преобладают. Чтобы ослабить анаэробное дыхание, сырье хранят при доступе воздуха. Интенсивность дыхания зависит прежде всего от температуры и влажности сырья. Снижение этих параметров уменьшает интенсивность дыхания и увеличивает срок хранения сырья. Сухое сырье, например, зерно, отличается высокой лежкостью, т.е. способностью долго храниться (4–5 лет) без видимых признаков порчи. Сочное сырье (плоды, овощи) обладает меньшейлежкостью. Основной способ продления периода покоя этого сырья заключается в хранении его в охлажденном состоянии. Одновременно активность дыхания сочного сырья можно снизить путем частичной замены кислорода воздуха инертными газами (СО 2 , N 2 и др.). Роль оксидоредуктаз при производстве и хранении пищевых продуктов. Большое практическое значение из класса оксидоредуктаз имеет фермент полифенолоксидаза, который действует в присутствии кислорода воздуха на монофенолы, о- дифенолы, полифенолы, дубильные вещества с образованием темноокрашенных соединений – меланинов. В состав этого фермента входит медь. Если каким-либо способом связать медь, то фермент полностью теряет свою активность. Полифенолоксидазу используют при производстве чая. При переработке зеленые листья подсушиваются и скручиваются в трубочку. В процессе последней операции происходит механическое разрушение значительной части клеток, что обеспечивает хороший контакт дубильных веществ чайного листа (субстрата) с ферментом. Затем скрученный лист выдерживают определенное время при соответствующей температуре и высокой относительной влажности воздуха, т.е. создают условия для ферментации, при которой происходят окисление дубильных веществ полифенолоксидазой и образование темноокрашенных соединений, придающих цвет чаю. Процессы ферментации, связанные с окислением дубильных веществ ферментами, протекают также при обработке какао-бобов. Большое значение имеет этот фермент при производстве ржаного хлеба. При выпечке последнего происходит ферментативный процесс образования меланинов за счет действия полифенолоксидазы муки на свободный тирозин. В ряде производств эта биохимическая реакция может играть отрицательную роль, например, при использовании пшеничной муки, способной к потемнению при получении хлеба и макаронных изделий. Действием полифенолоксидазы объясняется потемнение на воздухе срезов картофеля, яблок, что ухудшает цвет продуктов их переработки (хрустящего картофеля, сухофруктов и др.). Существуют различные способы предотвращения нежелательного потемнения изделий. Один из них заключается в химической обработке продукта перед сушкой – сульфитации, другие – в термической обработке картофеля, плодов и овощей перед сушкой. Чаще всего этого достигают путем бланширования: продукт на несколько секунд погружают в кипяток или обрабатывают паром. Фермент при этом разрушается и в процессе сушки уже не действует, а продукт получается светлым. Аскорбинатоксидаза окисляет аскорбиновую кислоту в дегидроаскорбиновую. Действие этого фермента нежелательно при сушке различных пищевых продуктов, в частности яблок, картофеля, овощей, так как образующаяся дегидроаскорбиновая кислота легко подвергается распаду. В результате этого снижается содержание витамина C в продукте, что сказывается на его пищевой ценности. Для инактивации фермента применяют сульфитацию или бланширование продуктов. Липоксигеназа в присутствии кислорода воздуха окисляет ненасыщенные жирные кислоты, в основном линолевую и линоленовую, превращая их в пероксиды. Последние являются сильными окислителями: они действуют на насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, каротиноиды, витамин A, аскорбиновую кислоту и аминокислоты. В результате образуются альдегиды и кетоны, которые придают изделиям неприятный запах и вкус. Велика роль этого фермента при хранении различных продуктов переработки зерна. На первых стадиях хранения липоксигеназа оказывает на качество пшеничной муки благоприятное действие. Свежесмолотая мука для производства хлеба не используется. Такая мука дает мажущееся, липкое, расплывающееся тесто, которое связывает при замесе пониженное количество воды. Хлеб получается плотный, с плохой пористостью, с коркой, покрытой трещинами. При отлежке мука созревает. За счет окисления каротиноидов она становится светлее. В результате начального действия липоксигеназы и образования пероксидных соединений происходит укрепление структурно-механических свойств клейковины – и качество хлеба улучшается. В этом процессе важная роль также принадлежит ферменту липазе. Однако при длительном хранении мука прогоркает за счет образования в итоге большого количества альдегидов и кетонов. Этот же процесс наблюдается при прогоркании крупы. Роль гидролаз при производстве и хранении пищевых продуктов. К числу важнейших гидролаз относится липаза, гидролизующая распад жира с образованием глицерина и свободных жирных кислот. Действие липазы имеет большое значение при хранении муки и крупы, содержащих большое количество жира (например, овсяной). В целом зерне липаза и липоксигеназанеактивны. В продуктах переработки зерна их активность увеличивается, особенно если зерно или муку хранят при повышенной температуре и высокой относительной влажности воздуха. При этом вначале возрастает кислотность продукта. Для предотвращения прогоркания муки и крупы необходимо инактивировать оба фермента. Для этого зерно перед помолом обрабатывают паром. Наибольшее значение из амилолитических ферментов имеют α-, β-амилазы и глюкоамилаза. Фермент α-амилаза расщепляет крахмал с образованием низкомолекулярных декстринов и незначительного количества мальтозы. При действии β-амилазы на крахмал в основном образуются мальтоза и небольшое количество высокомолекулярных декстринов. Полное расщепление крахмала до мальтозы возможно при одновременном действии α- и β-амилаз. Глюкоамилазагидролизует крахмал с образованием преимущественно глюкозы и небольшого количества декстринов. Амилазы имеют большое значение при оценке хлебопекарных свойств пшеничной муки, а именно при оценке ее газо- и сахарообразующей способности. Источниками α-амилазы являются солод (проросшее зерно) и ферментные препараты. Реакция гидролиза крахмала ферментами является основной в ряде пищевых технологий. При получении жидких дрожжей в состав питательной среды для размножения дрожжевых клеток должны входить сахара. Они образуются за счет добавления в заваренную муку светлого солода, при этом клейстеризованный крахмал быстро гидролизуется амилазами солода до мальтозы. В спиртовой промышленности источником сахара, который сбраживается в дальнейшем дрожжами до спирта и диоксида углерода, обычно является крахмал зерна или картофеля. Сырье предварительно тонко измельчают, в результате чего улучшаются условия гидролиза его составных частей, в том числе частично целлюлозы, гемицеллюлоз и пентозанов клеточных стенок. При разваривании крахмалсодержащего сырья крахмал клейстеризуется и переходит в коллоидный раствор. Затем проводят его возможно более полное осахаривание солодом или ферментными препаратами плесневых грибов, которые содержат глюкоамилазу или смесь этого фермента и α-амилазы. Замена солода ферментными препаратами позволяет экономить солод, увеличивает выход спирта, снижает его себестоимость и значительно интенсифицирует процесс осахаривания. В пивоваренной промышленности основным сырьем является богатый ферментами ячменный солод. Протеолитические ферменты (протеиназы и пептидазы) катализируют расщепление пептидной связи белков и полипептидов. Под действием этих ферментов белок превращается в пептоны и полипептиды, а конечным продуктом реакции являются аминокислоты. Применение протеолитических ферментов позволяет гидролизовать белки, пептоны и полипептиды сырья до аминокислот, являющихся ценным азотистым питанием для дрожжей, что улучшает технологический процесс, особенно в пивоварении, виноделии и получении спирта. Пектолитические ферменты гидролизуют пектиновые вещества. Процесс гидролиза пектиновых веществ имеет большое значение для переработки плодов, ягод и овощей. Пектиновые вещества, являясь гидрофильными коллоидами, повышают водоудерживающую способность растительной ткани и тем самым препятствуют полному отделению сока, задерживают выделение взвешенных частиц в соке, сусле, вине, что приводит к образованию устойчивой неоседающей мути, придает соку высокую вязкость и затрудняет его осветление и фильтрование. Обработка плодов и ягод пектолитическими ферментами ведет к значительному расщеплению пектиновых веществ, прежде всего пектина, что увеличивает и ускоряет сокоотдачу, снижает вязкость сока, облегчает процесс его фильтрования и осветления. Пектолитические ферменты применяют также в качестве дополнительного компонента при кормлении сельскохозяйственных животных и птиц, особенно если в кормах присутствует свекловичный жом, что резко повышает их усвояемость. 1.5. Микробиологические процессы пищевых производств Микробиологические процессы широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. В их основе лежит использование в промышленности биологических систем и процессов, ими вызываемых. В основе многих производств лежат реакции обмена веществ, происходящие при росте и размножении некоторых микроорганизмов. В настоящее время с помощью микроорганизмов производят кормовые белки, ферменты, витамины, аминокислоты и антибиотики, органические кислоты, липиды, гормоны, препараты для сельского хозяйства и т. д. В пищевой промышленности микроорганизмы используются при получении ряда продуктов. Так, алкогольные напитки: вино, пиво, коньяк, спирт – и другие продукты получают при помощи дрожжей. В хлебопекарной промышленности используют дрожжи и бактерии, в молочной промышленности – молочно-кислые бактерии и т. д. Среди многообразия вызываемых микроорганизмами процессов одним из существенных является брожение, т.е. превращение углеводов и некоторых других органических соединений в новые вещества под воздействием ферментов, продуцируемых микроорганизмами. Известны различные виды брожения (спиртовое, молочно-кислое, уксусно-кислое и др.). Многие виды брожения: спиртовое, молочно-кислое, ацетонобутиловое, уксуснокислое, лимонно-кислое и другие, вызываемые различными микроорганизмами, – используют в промышленности. Например, в производстве этилового спирта, хлеба, пива, вина применяют дрожжи, в производстве лимонной кислоты – плесневые грибы, в производстве уксусной и молочной кислот, ацетона – бактерии. Основная цель указанных производств – превращение субстрата (питательной среды) под действием ферментов микроорганизмов в необходимые продукты. К основным группам микроорганизмов, используемых в отраслях пищевой промышленности, относятся бактерии, дрожжевые и плесневые грибы. 1. Бактерии. Культурные молочно-кислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту. В производстве ржаного хлеба важная роль принадлежит молочнокислым бактериям. В спиртовой промышленности молочно-кислое брожение может применяться для подкисления дрожжевого сусла. Уксусно-кислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), так как они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту. 2. Дрожжи. Дрожжи широко применяются в качестве возбудителей брожения при получении спирта и пива, в виноделии, в производстве хлебного кваса, а также в хлебопечении для разрыхления теста. Для пищевых производств имеют значение дрожжи – сахаромицеты, которые образуют споры, и несовершенные дрожжи – несахаромицеты (дрожжеподобные грибы), не образующие спор. Различают дрожжи верхового и низового брожения. В каждой из этих групп имеется несколько отдельных рас. Дрожжи верхового брожения в стадии интенсивного брожения выделяются на поверхности сбраживаемой среды в виде довольно толстого слоя пены и остаются в таком состоянии до окончания брожения. Затем они оседают, но не дают плотного осадка. Из культурных дрожжей к дрожжам низового брожения относится большинство винных и пивных дрожжей, а к дрожжам верхового брожения – спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей. Дрожжи обладают способностью сбраживать весьма высокие концентрации сахара – до 60%. Они выносят также высокие концентрации спирта. В спиртовом производстве применяют верховые дрожжи вида S. cerevisiae, которые обладают наибольшей энергией брожения, образуют максимум спирта и сбраживают моно- и дисахариды, а также часть декстринов. В хлебопекарных дрожжах ценят быстроразмножающиеся расы, обладающие хорошей подъемной силой и стойкостью при хранении. Подъемная сила определяется как особенностями рас дрожжей, так и способом ведения производства. В пивоварении используют дрожжи низового брожения, приспособленные к сравнительно низким температурам. Пивные дрожжи должны быть микробиологически чистыми, а также обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно бродильного аппарата и давать прозрачный напиток с определенными вкусом и ароматом. Зигомицеты играют большую роль в качестве продуцентов ферментов. Грибы рода Aspergillus продуцируют амилолитические, протеолитические, пектолитические и другие ферменты, которые используют в производстве спирта вместо солода для осахаривания крахмала, в пивоваренном производстве при частичной замене солода несоложенным зерном и т. д. Типы энергетического обмена у микроорганизмов. Для развития, роста и размножения микроорганизмов необходима энергия. Микроорганизмы, добывающие энергию только за счет окисления кислородом, называют облигатными аэробами. Но есть микроорганизмы, которые получают энергию без участия кислорода воздуха, а за счет сопряженного окисления – восстановления неорганических и органических соединений, находящихся в субстрате. Такие микроорганизмы называют облигатными анаэробами. Кислород подавляет их развитие. Существуют также промежуточные формы микроорганизмов: факультативные аэробы и анаэробы. Микроорганизмы, обладающие лабильным обменом веществ, т.е. живущие за счет окисления кислородом воздуха и сопряженных окислительно-восстановительных реакций без участия кислорода воздуха, называют факультативными аэробами. При недостатке кислорода они могут переходить на анаэробный способ существования. Микроорганизмы, которые могут жить как при доступе воздуха, так и без него, называют факультативными анаэробами. Они живут за счет сопряженного окисления-восстановления различных соединений, без вовлечения кислорода. Кислород для них не ядовит или слабо ядовит. Известны факультативные анаэробы (например, дрожжи), способные в зависимости от условий развития переключаться с анаэробного на аэробный тип получения энергии. Анаэробные микроорганизмы, к которым принадлежат многие бактерии и некоторые дрожжи, получают энергию для жизнедеятельности в процессе брожения. Факторы, регулирующие обмен веществ микроорганизмов. Один из важных факторов – питательная среда. Микроорганизмам требуется целый ряд необходимых элементов питания (углерод, азот, фосфор, макро- и микроэлементы, биологически активные вещества и др.). Источниками углерода для гетеротрофных микроорганизмов могут быть углеводы (моно- и полисахариды), спирты, кислоты и др. Для микробиологических процессов большое значение имеет реакция среды (рН). Для каждой культуры микроорганизмов есть свои пределы оптимума, максимума и минимума рН. Так, ацидофильным микроорганизмам (некоторые плесени, дрожжи, бактерии) необходимы рН 1,5–4,5, нейтрофильным – рН 6,5–8,0 и базофильным – рН 8,5–9,5. Но большинство микроорганизмов лучше всего развиваются в нейтральной среде при рН 7,0. Большое значение в жизнедеятельности микроорганизмов имеет кислород. Для аэробных микроорганизмов он жизненно необходим, а для анаэробных является ядом. Только для факультативно-анаэробных микроорганизмов, например, дрожжей, это не имеет существенного значения. Потребление кислорода зависит от концентрации клеток. Чем она выше, тем больше требуется кислорода. Режим аэрации должен обеспечивать скорость растворения кислорода, которая полностью соответствовала бы расходу. Очень велико значение температуры для роста и развития микроорганизмов. Большинство используемых в промышленности микроорганизмов являются по отношению к температуре мезофилами – их развитие происходит при температуре 25–37ºС. Психрофильные микроорганизмы растут в интервале температур от 0 до 15ºС, а термофильные –в интервале температур от 55 до 75ºС. Нормальное функционирование клетки, т.е. обмен веществ, рост и размножение, может происходить только тогда, когда в ней содержится достаточное количество воды и клетки погружены в водную среду с растворенными в ней питательными веществами. При уменьшении содержания воды снижается интенсивность биохимических реакций, а, следовательно, и интенсивность жизненных процессов. |