Физические процессы

Физические процессы

Все физические процессы протекают под действием факторов внешней среды. К основным физическим изменениям, протекающим в пищевых продуктах, относят увлажнение и высыхание. Эти процессы изменяют состояние и свойства продуктов, а также влияют на активность химических и биохимических процессов. Усыхание и увлажнение приводят к потемнению массы продукта. Замедлить эти изменения можно соблюдением соответствующих температурных режимов.

Вода в пищевых продуктах играет важную роль, так как обусловливает консистенцию и структуру продукта, а ее взаимодействие с присутствующими компонентами определяет устойчивость продукта при хранении.

Общая влажность продукта указывает на количество влаги в нем, но не характеризует ее причастность к химическим, биохимическим и микробиологическим изменениям в продукте. В обеспечении устойчивости при хранении пищевого продукта важную роль играет соотношение свободной и связанной влаги.

Свободная влага – это влага, не связанная полимером и доступная для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций.

Связанная влага – это ассоциированная вода, прочно связанная с различными компонентами (белками, липидами и углеводами) химическими и физическими связями. Она существует вблизи растворенного вещества и других неводных компонентов, имеет уменьшенную молекулярную подвижность и другие свойства, отличающиеся от свойств общей массы воды в той же системе, и не замерзает при –4 °С. Действительное содержание связанной влаги изменяется в зависимости от вида продукта.

Большая часть воды в продукте может быть превращена в лед при –5 °С, а полное замерзание наступает при –50 °С и ниже. Однако определенная доля прочно связанной влаги не замерзает даже при температуре –60 °С.

Наиболее прочно связанной является так называемая органически связанная вода. Она представляет собой очень малую часть воды в высоковлажных пищевых продуктах и находится, например, в щелевых областях белка или в составе химических гидратов. Другой весьма прочно связанной водой является близлежащая влага, представляющая собой монослой при большинстве гидрофильных групп неводного компонента. Вода, ассоциированная таким образом с ионами и ионными группами, является наиболее прочно связанным типом близлежащей воды. К монослою примыкает мультислойная вода, образующая несколько слоев за близлежащей водой. Хотя мультислой – это менее прочно связанная влага, чем близлежащая влага, она все же еще достаточно тесно связана с неводным компонентом, поэтому ее свойства существенно отличаются от чистой воды.

В пищевых продуктах имеется также вода, удерживаемая макромолекулярной матрицей. Например, гели пектина и крахмала, растительные и животные ткани при небольшом количестве органического материала могут физически удерживать большие количества воды.

Эта вода не выделяется из пищевого продукта даже при большом механическом усилии, но в технологических процессах обработки она ведет себя, почти как чистая вода. Ее, например, можно удалить при высушивании или превратить в лед при замораживании. Таким образом, свойства этой воды как свободной несколько ограничены, но ее молекулы ведут себя подобно водным молекулам в разбавленных солевых растворах.

Именно эта вода составляет главную часть воды в клетках и гелях, и изменение ее количества существенно влияет на качество пищевых продуктов. Например, хранение гелей часто приводит к потере их качества из-за потери этой воды (так называемого синерезиса). Консервирование замораживанием тканей часто приводит к нежелательному уменьшению способности к удерживанию воды в процессе оттаивания.

Существует взаимосвязь между влагосодержанием пищевых продуктов и их сохранностью (или порчей). Поэтому основным методом удлинения сроков хранения пищевых продуктов всегда было уменьшение содержания влаги путем концентрирования или дегидратации.

Однако часто различные пищевые продукты с одним и тем же содержанием влаги портятся по-разному. В частности, было установлено, что при этом имеет значение, насколько вода ассоциирована с неводными компонентами: вода, которая сильнее связана, в меньшей степени способна поддержать процессы, разрушающие (портящие) пищевые продукты, такие как рост микроорганизмов и гидролитические химические реакции.

При одном и том же содержании влаги пищевые продукты могут по-разному храниться, это связано с показателем активность воды (а_w).

Активность воды (a_w) – это отношение давления паров воды над данным продуктом к давлению паров над чистой водой при той же температуре:

a_w = P_w/P₀ = POB/100,

где Pw – давление водяного пара в системе пищевого продукта;

Ро – давление пара чистой воды; РОВ – относительная влажность в состоянии равновесия, при которой продукт не впитывает влагу и не теряет ее в атмосферу, %.

Активность воды может быть измерена и использована для оценки состояния воды в пищевых продуктах и ее причастности к химическим и биохимическим изменениям. По величине активности воды выделяют: продукты с высокой влажностью (aw составляет 1,0–0,9); продукты с промежуточной влажностью (aw составляет 0,9–0,6); продукты с низкой влажностью (aw составляет 0,6–0,0).

Стабильность пищевых продуктов и активность воды тесно связаны.

В продуктах с низкой влажностью могут происходить окисление жиров, неферментативное потемнение, потеря водорастворимых веществ (витаминов), порча, вызванная ферментами. Активность микроорганизмов здесь подавлена. При хранении пищевых продуктов активность воды оказывает влияние на жизнеспособность микроорганизмов. Поэтому активность воды в продукте имеет значение для предотвращения его микробиологической порчи.

Для большинства химических реакций большая или максимальная скорость имеет место, как правило, в области aw, характерной для продуктов с промежуточной влажностью (0,7–0,9).

Ферментативные реакции могут протекать при более высоком содержании влаги, чем влага монослоя, т.е. тогда, когда есть свободная вода. Она необходима для переноса субстрата.

Продукты с содержанием aw в пределах 1,0–0,9 – это продукты с высокой влажностью, они доступны для жизнедеятельности всех групп микроорганизмов, не стойки при хранении, к ним относится большинство пищевых продуктов.

Для большинства бактерий предельное значение aw = 0,9, но, например, для золотистого стафилококка aw = 0,86. Дрожжи и плесени могут расти при более низких значениях активности воды.

В зависимости от активности воды продукты подразделяются на продукты с промежуточной (aw составляет 0,9–0,6) влажностью и низкой влажностью (aw составляет 0,6–0,0). В основном порчу продуктов с промежуточной влажностью вызывают дрожжи и плесени, в меньшей степени – бактерии. Дрожжи вызывают порчу сиропов, кондитерских изделий, джемов, паст, сгущенных продуктов; плесени – мяса, джемов, пирожных, печенья, сушеных фруктов.

Продукты с низкой влажностью, как правило, сухие, недоступны для микроорганизмов, но в них могут проходить реакции неферментативного потемнения. Снижают значение активности воды такие технологические операции, как сушка, замораживание, вяление. Добавление таких веществ, как соль, сахар и специальные увлажнители (крахмал, глицерин, молочная кислота), увеличивают влажность продукта, но при этом не изменяют активности воды.

Помимо влияния на химические реакции и рост микроорганизмов активность воды имеет значение и для текстуры продуктов. Например, максимальная активность воды, допустимая в сухих продуктах без потери желаемых свойств, может изменяться в пределах 0,35–0,5 в зависимости от вида продукта (сухое молоко, крекеры и т.п.).

Замораживание является наиболее распространенным способом консервирования (сохранения) многих пищевых продуктов. Необходимый эффект при этом достигается в большей степени от воздействия низкой температуры, чем от образования льда. Образование льда в клеточных структурах пищевых продуктов и гелях имеет два важных следствия:

а) неводные компоненты концентрируются в незамерзающей фазе (незамерзающая фаза существует в пищевых продуктах при всех температурах хранения);

б) вся вода, превращаемая в лед, увеличивается – на 9% в объеме.

Во время замораживания вода переходит в кристаллы льда различной, но достаточно высокой степени чистоты. Все неводные компоненты поэтому концентрируются в уменьшенном количестве незамерзшей воды. Благодаря этому эффекту незамерзшая фаза существенно изменяет свои свойства, такие как рН, титруемая кислотность, ионная сила, вязкость, точка замерзания, поверхностное натяжение, окислительно-восстановительный потенциал.

Эти изменения могут увеличить скорости реакций. Например, наблюдается увеличение при замораживании скорости реакций неферментативного потемнения при кислотном гидролизе сахарозы или в процессе окисления аскорбиновой кислоты, сливочного масла, липидов в говядине, токоферола в жареных картофельных продуктах, бета-каротина и витамина А в жирах.

Фактор возможности увеличения скорости различных реакций в замороженных продуктах необходимо учитывать при их хранении, поскольку этот фактор будет влиять на качество продукта.

Как правило, существенное снижение скорости реакций (более чем в 2 раза) имеет место при хранении пищевых продуктов в условиях достаточно низкой температуры (–18 °С).

При отрицательных температурах, достаточно близких к температуре замерзания воды (0 °С), имеет место увеличение доли денатурации белка. При температуре –18 °С денатурация белка уменьшается существенно, это создает оптимальные условия для хранения продуктов.

Все нормативные документы о пищевых продуктах регламентируют определение влажности товара.

Наиболее распространенными физико-химическими процессами являются сорбция и десорбция паров воды и газов. При сорбции влаги масса продуктов возрастает, при этом гигроскопичные продукты размягчаются (сухари, печенье, вафли), теряют сыпучесть и слеживаемость (сахар-песок, соль, мука), становятся липкими (карамельные изделия).

Также неблагоприятно влияет на качество продукта десорбция. При высыхании наряду с потерей массы продукта происходит ухудшение его качества, а испарение воды из продукта часто вызывает физико-химические изменения в его структуре и свойствах (хлеб, печенье, баранки, сухари и т.д.). Этот процесс очень характерен для свежих плодов, овощей и жидких продуктов. Испарение влаги из плодов и овощей приводит к их увяданию, ослаблению тургора клеток, нарушению обмена веществ и порче.

На интенсивность испарения влияют температура и относительная влажность воздуха, скорость его движения, вид тары, способ укладки товара. Обычно способствуют испарению высокая температура, низкая относительная влажность воздуха, активная вентиляция. Наружные слои продукта более интенсивно теряют влагу, чем внутренние. При штабельной укладке товара процесс усушки в верхних и наружных слоях активнее, чем во внутренних.

Ряду пищевых продуктов (например, алкогольным напиткам) свойственны потери за счет испарения летучих веществ.

Некоторые пищевые продукты могут терять при хранении ароматические вещества либо приобретать нежелательные вкус и запах. Это происходит вследствие диффузии ароматических веществ во внешнюю среду либо в результате поглощения продуктом летучих веществ, выделившихся из хранящегося рядом товара. Поэтому при размещении товаров для хранения обязательно соблюдение товарного соседства. Товары, обладающие сильно выраженным запахом и легко отдающие его в окружающую среду (сыры, мясокопчености и др.), нельзя хранить рядом с продуктами, легко поглощающими этот запах (сливочное масло, кондитерские изделия).

Продукты, содержащие ароматические вещества (чай, кофе, пряности), должны быть упакованы в газопаронепроницаемую тару. Причинами появления постороннего запаха могут быть также тара, упаковочная бумага, складское помещение.

Черствение мякиша хлеба представляет собой физико-химические процессы, связанные со старением денатурированных белков и клейстеризованного крахмала. Одним из них является ретроградация – восстановление кристаллической структуры крахмала. В свежевыпеченном хлебе крахмал находится в аморфном, клейстеризованном виде, но спустя несколько часов происходит частичный обратный переход крахмала в кристаллическое состояние, что сопровождается сжатием и уменьшением его объема и переходом связанной воды в свободную. При этом изменяются также белковые вещества мякиша хлеба: уплотняется их структура, снижается гидратационная способность. Хлеб становится крошливым, изменяются его вкус и запах. Ретроградация крахмала характерна также для некоторых продуктов переработки картофеля и круп.

При хранении некоторых продуктов происходит процесс кристаллизации. Кристаллизация сахара в некоторых видах кондитерских изделий и меде ухудшает внешний вид продукта, его консистенцию, вкус. Она может быть двух видов: сахарозной и глюкозной. Первая сопровождается выделением крупных кристаллов сахарозы (варенье, джем, помадные конфеты), вторая развивается при повышенном содержании (до 4% и выше) инвертного сахара (мед), и в этом случае засахаривание происходит за счет менее растворимого сахара (глюкозы). При колебаниях температур во время хранения в мороженом происходит перекристаллизация продукта, увеличиваются размеры кристаллов льда, лактозы, что делает структуру мороженого грубой, а консистенцию более уплотненной («песчанитость» мороженого).

Для некоторых видов товаров характерно старение белков и коллоидов. Этот процесс протекает при хранении муки, круп, бобовых культур и др. Он сопровождается снижением способности белков к набуханию, растворимости. При старении крупы увеличивается время варки, уменьшается объем, ухудшаются вкус и консистенция каш. При высоких температурах хранения расслаивается белковый студень в кефире, простокваше.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.