Коричневение продуктов: контроль и механизмы.

Введение

Процессы переработки пищевых продуктов, кулинарный процесс.

Потемнение – это процесс изменения цвета пищевых продуктов в сторону коричневого, вызванный происходящими в них химическими реакциями. Процесс потемнения является одной из химических реакций, происходящих в пищевой химии, и представляет собой интересную область исследований в отношении здоровья, питания и пищевых технологий. Хотя существует множество различных способов химического изменения пищи с течением времени, потемнение выделяется двумя основными категориями: ферментативное и неферментативное потемнение. Потемнение имеет важное значение для пищевой промышленности в контексте питания, технологий и экономических затрат. Исследователи особенно заинтересованы в изучении контроля (ингибирования) потемнения и различных методов, которые можно использовать для максимизации этого ингибирования и, в конечном итоге, продления срока годности пищевых продуктов.

Контроль за ферментативным покрытием

Контроль ферментативного потемнения всегда был сложной задачей для пищевой промышленности. Для предотвращения или замедления ферментативного потемнения продуктов питания используются различные подходы, каждый из которых направлен на конкретные стадии химической реакции. Различные типы контроля ферментативного потемнения можно классифицировать на две основные группы: физические и химические. Как правило, применяется несколько методов одновременно. Использование сульфитов (эффективных веществ, предотвращающих потемнение) пересматривается из-за потенциальной опасности, которую они представляют наряду со своей активностью. Проведено множество исследований, посвященных изучению точных механизмов контроля, возникающих при взаимодействии с ферментативным процессом. Помимо предотвращения, контроль потемнения также включает меры, направленные на восстановление цвета продукта после его потемнения. Например, ионообменная фильтрация или ультрафильтрация могут использоваться в виноделии для удаления коричневого осадка из раствора.

Физические методы

Тепловая обработка – обработка пищи теплом, такая как бланширование или обжаривание, денатурирует ферменты и разрушает реагенты, ответственные за потемнение. Бланширование используется, например, в виноделии, переработке чая, хранении орехов и бекона, а также при подготовке овощей к замораживанию. Мясо часто частично подрумянивается при высокой температуре перед включением в более сложное блюдо, которое будет готовиться при более низкой температуре, что приводит к меньшему потемнению. Холодовая обработка – охлаждение и замораживание являются наиболее распространенными способами хранения продуктов, предотвращая их порчу. Активность ферментов, вызывающих потемнение, то есть скорость реакции, снижается при низких температурах. Таким образом, охлаждение помогает сохранить первоначальный вид, цвет и вкус свежих овощей и фруктов. Охлаждение также используется при транспортировке и розничной продаже фруктов и овощей. Устранение кислорода – присутствие кислорода критически важно для ферментативного потемнения, поэтому устранение кислорода из окружающей среды помогает замедлить реакцию потемнения. Удаление воздуха или замена его другими газами (например, N2 или CO2) при консервировании, например, в вакуумной упаковке или упаковке с модифицированной атмосферой, с использованием непроницаемых пленок или съедобных покрытий, погружение в растворы соли или сахара, предотвращает прямой контакт пищи с кислородом. Непроницаемые пленки из пластика или других материалов предотвращают воздействие кислорода воздуха на продукт и уменьшают потерю влаги. Растет активность в разработке упаковочных материалов, пропитанных антиоксидантами, антимикробными и противогрибковыми веществами, такими как бутилированный гидрокситолуол (BHT) и бутилированный гидроксианизол (BHA), токоферолы, хинокитиол, лизоцим, низин, натамицин, хитозан и ε-полилизин. Съедобные покрытия могут быть изготовлены из полисахаридов, белков, липидов, растительных кожур, растений или других натуральных продуктов. Облучение – облучение пищевых продуктов с использованием УФ-С, гамма-лучей, рентгеновских лучей и электронных пучков является еще одним методом увеличения срока годности продуктов. Ионизирующее излучение подавляет жизнеспособность микроорганизмов, ответственных за порчу продуктов, и замедляет созревание и прорастание при хранении овощей и фруктов.

Heat treatment − Treating food with heat, such as blanching or roasting, de naturates enzymes and destroys the reactants responsible for browning. Blanching is used, for example, in winemaking, tea processing, storing nuts and bacon, and preparing vegetables for freezing preservation. Meat is often partially browned under high heat before being incorporated into a larger preparation to be cooked at a lower temperature which produces less browning. Cold treatment − Refrigeration and freezing are the most common ways of storing food, preventing decay. The activity of browning enzymes, i. e., rate of reaction, drops in low temperatures. Thus, refrigeration helps to keep the initial look, color, and flavour of fresh vegetables and fruits. Refrigeration is also used during distribution and retailing of fruits and vegetables. Oxygen elimination − Presence of oxygen is crucial for enzymatic browning, therefore eliminating oxygen from the environment helps to slow down the browning reaction. Withdrawing air or replacing it with other gases (e. g., N2 or CO2) during preservation, such as in vacuum packaging or modified atmosphere packaging, using impermeable films or edible coatings, dipping into salt or sugar solutions, keeps the food away from direct contact with oxygen. Impermeable films made of plastic or other materials prevent food being exposed to oxygen in the air and avoid moisture loss. There is an increasing activity in developing packaging materials impregnated with antioxidants, antimicrobial, and antifungal substances, such as butylated hydroxytoluene (BHT) and butylated hydroxyanisole (BHA), tocopherols, hinokitiol, lysozyme, nisin, natamycin, chitosan, and ε polylysine. Edible coatings can be made of polysaccharides, proteins, lipids, vegetable skins, plants or other natural products. Irradiation − Food irradiation using UV C, gamma rays, x rays, and electron beams is another method to extend the food shelf life. Ionizing radiation inhibits the vitality of microorganisms responsible for food spoilage and delays the maturation and sprouting of preserving vegetables and fruits.

Химические методы

Закисление – ферменты потемнения, как и другие ферменты, активны в определенном диапазоне pH. Например, PPO проявляет оптимальную активность при pH 5-7 и ингибируется при pH ниже 3.

Неферментативное покрытие

Второй тип потемнения, неферментативное потемнение, – это процесс, который также приводит к образованию коричневой пигментации в продуктах, но без участия ферментов. Две основные формы неферментативного потемнения – это карамелизация и реакция Майяра. Скорость обеих реакций изменяется в зависимости от активности воды (в пищевой химии стандартное состояние активности воды чаще всего определяется как парциальное давление водяного пара чистой воды при той же температуре). Карамелизация – это процесс, включающий пиролиз сахаров. Он широко используется в кулинарии для получения желаемого орехового вкуса и коричневого цвета. В процессе высвобождаются летучие вещества, формирующие характерный карамельный аромат. Другая неферментативная реакция – реакция Майяра. Эта реакция отвечает за формирование вкуса и аромата при приготовлении пищи. Примеры продуктов, в которых протекает реакция Майяра, включают хлеб, стейки и картофель. Это химическая реакция, происходящая между аминогруппой свободной аминокислоты и карбонильной группой редуцирующего сахара, поскольку тип участвующей аминокислоты определяет конечный вкус. Меланоидины – это коричневые, высокомолекулярные гетерогенные полимеры, образующиеся при соединении сахаров и аминокислот в результате реакции Майяра при высоких температурах и низкой активности воды. Меланоидины обычно присутствуют в продуктах, подвергшихся той или иной форме неферментативного потемнения, таких как ячменный солод (венский и мюнхенский), хлебная корочка, хлебобулочные изделия и кофе. Они также содержатся в сточных водах сахарных заводов, что требует очистки для предотвращения загрязнения вблизи выпусков этих заводов.

Окраска винограда в течение виноделия

Как и большинство фруктов, виноград различается по количеству содержащихся в нем фенольных соединений. Эта характеристика используется как параметр при оценке качества вина. Общий процесс виноделия инициируется ферментативным окислением фенольных соединений полифенолоксидазами. Контакт между фенольными соединениями в вакуоли клетки винограда и ферментом полифенолоксидазой (расположенным в цитоплазме) запускает окисление винограда. Таким образом, начальное потемнение винограда происходит в результате изменения компартментализации в клетках винограда.

Последствия для пищевой промышленности и технологий

Энзимное потемнение влияет на цвет, вкус и питательную ценность продуктов, вызывая огромные экономические потери, если они не реализованы потребителям вовремя. По оценкам, более 50% сельскохозяйственной продукции теряется в результате ферментативного потемнения. Рост численности населения и сопутствующее истощение природных ресурсов побудили многих биохимиков и инженеров-технологов пищевой промышленности искать новые или усовершенствованные методы сохранения продуктов питания на более длительный срок, используя способы ингибирования реакции потемнения. Это эффективно увеличивает срок годности продуктов, решая часть проблемы отходов. Более глубокое понимание механизмов ферментативного потемнения, в частности, свойств ферментов и субстратов, участвующих в реакции, может помочь пищевым технологам контролировать определенные стадии механизма и, в конечном итоге, применять эти знания для подавления потемнения. Яблоки – это фрукты, которые часто изучаются исследователями из-за высокого содержания фенольных соединений, что делает их особенно восприимчивыми к ферментативному потемнению. В соответствии с другими данными, касающимися яблок и их способности к потемнению, обнаружена корреляция между более высоким содержанием фенолов и повышенной ферментативной активностью в яблоках. Это предоставляет потенциальную мишень и, следовательно, надежду для пищевой промышленности, стремящейся генетически модифицировать продукты питания для снижения активности полифенолоксидазы и, таким образом, уменьшения потемнения. Примером таких достижений в пищевой инженерии является производство яблок Arctic. Эти яблоки, разработанные компанией Okanagan Specialty Fruits Inc., являются результатом применения генной инженерии – лабораторной техники, которая позволила снизить содержание полифенолоксидазы. Другой важный вопрос, который активно изучается, – это потемнение морепродуктов. Морепродукты, особенно креветки, являются основным продуктом питания для людей во всем мире. Потемнение креветок, которое фактически называется меланозом, вызывает серьезную обеспокоенность у работников пищевой промышленности и потребителей. Меланоз в основном возникает при послеубойной обработке и хранении в холодильнике. Недавние исследования показали, что растительный экстракт, действующий как ингибитор полифенолоксидазы, обладает антимеланозным действием и выполняет ту же функцию, что и сульфиты, но без рисков для здоровья.

Enzymatic browning affects the color, flavor, and nutritional value of foods, causing huge economic loss when not sold to consumers on time. It is estimated that more than 50% of produce is lost as a result of enzymatic browning. The increase in human population and consequential depletion in natural resources has prompted many biochemists and food engineers alike to find new or improved techniques to preserve food and for longer by using methods to inhibit the browning reaction. This effectively increases the shelf life of foods, solving this part of the waste problem. A better understanding of the enzymatic browning mechanisms, specifically, understanding the properties of the enzymes and substrates that are involved in the reaction may help food technologists to control certain stages in the mechanism and ultimately apply that knowledge to inhibit browning. Apples are fruits commonly studied by researchers due to their high phenolic content, which make them highly susceptible to enzymatic browning. In accordance with other findings regarding apples and browning activity, a correlation has been found between higher phenolic quantities and increased enzymatic activity in apples. This provides a potential target and thus hope for food industries wishing to genetically modify foods to decrease polyphenol oxidase activity and thus decrease browning. An example of such accomplishments in food engineering is in the production of Arctic apples. These apples, engineered by Okanagan Specialty Fruits Inc, are a result of applying gene splicing, a laboratory technique that has allowed for the reduction in polyphenol oxidase. Another type of issue that is closely studied is the browning of seafood. Seafood, in particular shrimp, is a staple consumed by people all over the world. The browning of shrimp, which is actually referred to as melanosis, creates a great concern for food handlers and consumers. Melanosis mainly occurs during postmortem handling and refrigerated storage. Recent studies have found a plant extract that acts as an anti melatonin polyphenol oxidase inhibitor serves the same function as sulfites but without the health risks.