Продукты растительного происхождения
Целью тепловой стерилизации является продление срока годности пищевых продуктов при минимизации изменений их питательной ценности и пищевых качеств. Различия между термическими характеристиками микроорганизмов, ферментов и сенсорных или питательных компонентов пищевых продуктов используются для оптимизации процессов сохранения питательных и сенсорных качеств. На практике это достигается за счет уменьшения размеров или площади поперечного сечения контейнеров, перемешивания во время обработки или асептической обработки.
Степень термической обработки, которой подвергается пища, зависит от состава и физических характеристик продукта и является результатом сочетания времени и температуры. Физико-химические изменения, происходящие в процессе переработки и хранения, являются факторами, определяющими качество продукта как с точки зрения его органолептических свойств, так и с точки зрения обеспечения потребителя питательными веществами. Реакции происходят как в ходе самого процесса, так и при последующем хранении.
Как правило, изменения, происходящие во время хранения, являются медленными, особенно по сравнению с теми, которые происходят в эквивалентном необработанном материале, и именно на этой основе сохранение тепла эффективно при обеспечении материалов вне их обычных сезонов и в удобно приготовленной, часто приготовленной, форме, готовой к употреблению или разогреву и последующему употреблению. Физические и химические реакции, происходящие во время обработки, могут быть желательными или нежелательными, часто они более значительны и, конечно, происходят гораздо быстрее, чем реакции во время хранения. Степень термической обработки варьируется в зависимости от продукта. В свою очередь, на изменения, происходящие при обработке, влияют время и температура процесса, состав и свойства пищевого материала, а также его окружающая среда.
Сенсорное качество
Сам тепловой процесс оказывает существенное влияние на качество пищевого продукта и ответственен за ряд происходящих изменений. Желатинизация крахмала и денатурация структурных белков оказывают прямое влияние на текстуру пищи. Реакции, вызванные нагреванием, такие как реакция Майяра, влияют на цвет и вкус, а также на питательный статус пищи. В целом изменения, происходящие до термического процесса, менее важны, чем изменения во время или после обработки, поскольку именно манипулятивные и термические процедуры производства пищевых продуктов оказывают наибольшее влияние на повреждение тканей и, как следствие, на смешивание содержимого клеток из разных материалов.
Текстура
Повреждение тканей, возникающее при термическом процессе растительного материала, бывает двух типов. Это разрушение или повреждение полупроницаемых клеточных мембран, а также разрушение межклеточных структур с последующим разделением клеток. Последствиями этих типов повреждения тканей являются потеря тургора клеток и клеточной адгезии, что приводит к потере хрустящей корочки и размягчению термически обработанного продукта. Другое существенное влияние на текстуру разогретой пищи связано с денатурацией белков. Даже при относительно мягком нагревании можно наблюдать конформационные изменения, затрагивающие третичную структуру белка. Может последовать денатурация белков. Возникают водородные связи, поддерживающие вторичную и высшую структуру разрыва белка и преимущественно случайную конфигурацию клубка. Это приводит к значительным изменениям химических и физических свойств белков из-за потери растворимости, эластичности и гибкости.
Этот механизм также вызывает инактивацию ферментов и расщепление белковых токсинов и антинутриентов. Они вызывают помутнение, приводящее к образованию осадка или геля, что значительно изменяет их водоудерживающую способность, а также приводит к повышению термической стабильности. Во фруктах и овощах размягчение обусловлено гидролизом пектиновых веществ, желатинизацией крахмалов и частичной солюбилизацией гемицеллюлозы в сочетании с потерей тургора клеток. Соли кальция можно добавлять в воду для бланширования, рассол или сироп для образования нерастворимого пектата кальция и, таким образом, повышения твердости консервированного продукта. Для разных видов фруктов необходимы разные соли (например, гидроксид кальция для вишни, хлорид кальция для томатов и лактат кальция для яблок) из-за различий в пропорции деметилированного пектина в каждом продукте.
Цвет
Цвет пищевого продукта определяется состоянием и стабильностью любых натуральных или добавленных пигментов, а также развитием любой окраски во время обработки и хранения. Природные пигменты, как правило, представляют собой нестабильные соединения, которые разрушаются при нагревании, но стабильность которых зависит от многих факторов. Во фруктах и овощах хлорофилл превращается в феофитин, каротиноиды изомеризуются из 5,6-эпоксидов в менее интенсивно окрашенные 5,8-эпоксиды, а антоцианы разлагаются до коричневых пигментов.
Антоцианы являются достаточно термостабильными соединениями, но принимают участие в широком спектре реакций, например, с аскорбиновой кислотой, продуктами распада сахаров, такими как гидроксиметилфурфурол, и другими реакционноспособными фенольными соединениями, приводящими к их распаду. Факторы, ускоряющие разложение, включают высокий уровень кислорода в продукте и температуру хранения. И наоборот, антоцианы могут быть нежелательны в продукте и могут образовываться при термической обработке ленкоантоцианидина. Они приводят к таким дефектам, как очень темная фасоль и красный крыжовник.
Другие проблемы могут возникнуть с антоциановыми пигментами из-за образования металлокомплексов, например, посинение красных фруктов и розовение груш при воздействии олова. Флавоноид рутин, присутствующий в спарже, также может образовывать комплекс с железом, вызывая темное обесцвечивание лакированных банок, где может происходить растворение железа и в которых не образуется бесцветный комплекс олова. Каротиноиды в основном жирорастворимы и отвечают за желтую, оранжевую и красную окраску. Они представляют собой ненасыщенные соединения и поэтому подвержены окислению, что приводит к появлению неприятного привкуса и обесцвечиванию. Кроме того, могут происходить два типа изомеризации: цис-транс-изомеризация и эпоксидная изомеризация, которые могут приводить к осветлению окраски.
Считается, что температура хранения оказывает большее влияние на изомеризацию, чем на сам тепловой процесс. Двумя основными группами пигментов на основе порфиринов являются хлорофилл и гемовые соединения, обе из которых очень чувствительны к нагреванию. При обработке хлорофилл превращается в феофитин с сопутствующей потерей зеленого цвета [39]. Было предпринято несколько подходов, чтобы попытаться уменьшить потерю цвета, например, регулирование pH [40,41] и использование обработки HTST. В последнем случае, хотя улучшения и наблюдались после обработки, они терялись при хранении.
Беталины — водорастворимые пигменты, которые подвержены окислению и потере красного цвета. Потемнение продуктов из свеклы, консервированных при нагревании, является примером того, как остаточный кислород в продукте или свободном пространстве приводит к появлению шоколадно-коричневого цвета. Сама термическая обработка в присутствии кислорода оказывает существенное влияние на качество конечного продукта, о чем свидетельствует сравнение продуктов, упакованных в простые жестяные банки, с идентичным материалом, обработанным в лакированных банках или стеклянных банках.
В обычном контейнере из жести растворение банки во время обработки удаляет большую часть кислорода из упаковки, и его небольшая часть остается для реакции с пищевыми продуктами. Некоторые продукты, такие как бледные фрукты, помидоры и томатные смеси, грибы и молочные продукты, особенно восприимчивы к таким окислительным изменениям, вызванным нагреванием. Было продемонстрировано, что фасоль, смоченная томатным соусом и упакованная в контейнеры разных типов, приобретает коричневатый цвет. Аскорбиновая кислота часто используется в качестве антиоксиданта и может быть эффективна для улучшения цвета некоторых продуктов, например грибов. Его можно разложить с образованием реактивных соединений, которые в дальнейшем реагируют с образованием коричневых пигментов.
Вкус
Как правило, сохранение тепла существенно не меняет основные вкусы сладости, горечи, кислоты или соли. Во фруктах и овощах изменения происходят в результате сложных реакций, включающих разложение, рекомбинацию и улетучивание альдегидов, кетонов, сахаров, лактонов, аминокислот и органических кислот. Серьезные изменения могут произойти в летучих вкусовых компонентах. Одним из наиболее важных источников летучих веществ является окисление липидов или окислительное прогоркание. Включаются три стадии:
(i) инициация;
(ii) распространение, при котором образуются высокореактивные гидропероксиды, и
(iii) терминация.
Первоначальное поглощение кислорода происходит в присутствии катализатора, такого как ионы металлов или металлопротеины, но также может быть вызвано теплом или светом. Однако реакция имеет низкую энергию активации (4–5 ккал/моль). Образующиеся гидроперекиси участвуют во вторичных реакциях, образуя ряд летучих веществ, включая альдегиды, кетоны и спирты, и вызывают типичный прогорклый или несвежий неприятный привкус. Летучие ароматические соединения также производятся с помощью реакции Майяра. С тех пор, как была предложена первая схема реакции, было проведено большое количество исследований. Реакция происходит при нагревании и длительном хранении, зависит от активности воды, с оптимумом образования аромата при промежуточных значениях около 30%. вода и ускоряется под действием высокого pH и буферов, таких как фосфаты и цитраты.
Первая стадия реакции достаточно четко определена и включает конденсацию между карбонильными группами восстанавливающих углеводов и свободными аминокислотами или белком, а также перегруппировку с образованием аматорных соединений. Это приводит к потере питательной ценности белка, но не оказывает существенного влияния на сенсорные свойства.
Вторая стадия очень сложна и приводит к образованию множества продуктов, многие из которых летучие, и ответственны за многие характерные вкусы и неприятные привкусы пищевых материалов. Потеря летучих компонентов также может создать проблемы при хранении продуктов питания при нагревании. Распад эфирных масел в цитрусовых продуктах может быть результатом окисления. Упаковка также может оказывать прямое влияние на скальпинг волатильности.
Питательные вещества
В термоконсервированных пищевых продуктах происходят как физические, так и химические реакции, влияющие на пищевую ценность. Физические факторы, такие как потеря растворимых питательных веществ или выщелачивание, могут иметь существенное значение для продуктов, в которых перед употреблением выбрасывается несущая жидкость. Химические реакции включают тепловое повреждение нестабильных питательных веществ, таких как витамины. Одним из наиболее фундаментальных изменений, которые могут произойти в продукте, консервированном при нагревании, является движение воды и твердых веществ внутри пищевого материала во время обработки, хранения и повторного нагревания.
В готовом продукте или продукте, в котором потребляется все содержимое упаковки, такими изменениями можно в значительной степени пренебречь с точки зрения питания, поскольку они не изменяют общее количество потребляемых питательных веществ. Продукты, упакованные в спирт, который выбрасывают перед употреблением, часто демонстрируют разбавление, обезвоживание или потерю общего количества твердых веществ из съедобной части. Стерилизованные соевые мясные продукты могут иметь повышенную пищевую ценность из-за неустановленного фактора, который снижает стабильность ингибитора трипсина в соевых бобах.
Белки
Сохранение тепла может привести как к желательным, так и к нежелательным изменениям питательных качеств белков. Они чувствительны не только к теплу, но и к окислению, щелочной среде и реакции с другими компонентами пищи, такими как восстанавливающие сахара и окислительные продукты липидов. Общее количество сырого белка, как правило, остается относительно неизменным из-за термической обработки, но может страдать от выщелачивания в жидкий компонент некоторых продуктов. Однако уровни сырого белка кажутся стабильными при последующем хранении консервированных овощей. Происходящие изменения связаны с третичной структурой, функциональностью, химическими изменениями, связанными с усвояемостью и доступностью аминокислот.
Консервирование картофеля также приводит к потере аминокислот, хотя было показано, что это зависит от удельного веса картофеля. Лизин снова особенно уязвим: его доступность снижается примерно на 40%. Некоторые потери, обнаруженные в консервированном картофеле, могут быть связаны с выщелачиванием белка в рассол, хотя основной причиной потери аминокислот при сохранении тепла является реакция Майяра. Соевые бобы и многие другие бобовые также подвергаются улучшению усвояемости и биодоступности белков, особенно серосодержащих аминокислот, при нагревании из-за инактивации ингибиторов трипсина и развертывания основных глобулинов семян.
Витамины
Влияние сохранения тепла на витамины обычно вредно, хотя мягкие условия нагрева могут оказывать благотворное влияние на биодоступность некоторых витаминов, особенно биотина и ниацина. Это происходит за счет инактивации ферментов и инактивации связывающих агентов [52]. Стабильность витаминов варьируется в разных условиях, при этом витамин С и тиамин наиболее подвержены разложению при нагревании. Жирорастворимые витамины являются более стабильными из двух наборов, хотя они могут разрушаться в результате окисления, особенно при нагревании. Потери водорастворимых витаминов при переработке могут быть значительно выше.
Витамин С является наиболее лабильным из витаминов и может теряться при хранении свежего материала, приготовлении пищи, промывке и бланшировании, а также в результате разложения при нагревании и выщелачивания в несущую жидкость во время процесса. Исследования садового гороха и моркови показали, что при хранении свежих продуктов в течение 7 дней перед приготовлением может быть потеряно столько же витамина С, сколько и при консервировании. Большая часть витамина С, потерянного при консервировании, выщелачивается в консервный раствор.
Тиамин наиболее чувствителен к теплу из витаминов группы B, особенно в щелочных условиях, а также подвержен выщелачиванию на любых стадиях промывания или бланширования. Однако тиамин менее лабилен, чем витамин С, и при консервировании обычно сохраняется 60–90%. Фолиевая кислота и пиридоксин также подвержены разложению при нагревании и, в случае фолиевой кислоты, окислению. Консервирование картофеля может привести к потере витаминов до 30%.
И рибофлавин, и ниацин относительно стабильны при сохранении тепла, хотя рибофлавин очень чувствителен к свету и подвергается деградации в присутствии тепла и света одновременно. Продукты, консервированные при нагревании, часто требуют меньшего приготовления, чем свежие продукты, а разница в содержании витаминов между свежими и обработанными продуктами в момент потребления часто может быть незначительной. В консервированных фруктах и овощах могут наблюдаться значительные потери всех водорастворимых витаминов, особенно аскорбиновой кислоты/витамина С.
Минералы
Минералы, как правило, устойчивы к большинству условий, встречающихся при термоконсервации, например, теплу, воздуху, кислороду, кислоте или щелочи. Однако потери минералов могут произойти во время переработки, особенно овощей, из-за выщелачивания в консервный раствор. И наоборот, некоторые минералы, например, натрий и кальций, могут поглощаться пищей из жидкостей для приготовления пищи или консервирования.
Сравнение свежих и консервированных овощей показало более высокую зольность консервированных продуктов во всех случаях. Это связано с поглощением натрия и, в меньшей степени, кальция из рассола. От 15% до 50% калия может быть потеряно в основном в результате выщелачивания при консервировании овощей. В процессе переработки происходит незначительное выщелачивание цинка и незначительные изменения содержания железа. Было замечено, что нагревание увеличивает биодоступность железа в шпинате, а присутствие фруктозы также приводит к увеличению биодоступности железа.
Углеводы
Углеводы менее восприимчивы, чем большинство других пищевых соединений, к химическим изменениям во время сохранения тепла. Было обнаружено, что уровни общих и доступных углеводов в овощах очень стабильны при консервировании и последующем хранении консервированных овощей. Однако существует некоторое влияние тепла на различные углеводы. Влияние сахара на биодоступность белка и железа, а также взаимосвязь между крахмалом, текстурой и вкусовыми качествами являются более важными. Желатинизация крахмала также способствует усвояемости продуктов.
Хорошим примером этого является картофель, который в сыром виде практически не переваривается. Точное влияние сохранения тепла на различные типы и компоненты пищевых волокон полностью не исследовано. Целлюлоза, основной компонент пищевых волокон, гемицеллюлозы и пектины вместе отвечают за структуру и текстуру растительных продуктов и могут разрушаться при нагревании, что приводит к смягчению пищи и повышению ее вкусовых качеств, как обсуждалось ранее. как правило, без какой-либо потери физиологической ценности пищевых волокон.
Перегрев может привести к разрушению клеток, что приведет к вымыванию водорастворимых питательных веществ, например, некоторых минералов, витаминов и пектинов. Хотя считается, что пищевая клетчатка практически не подвержена термической обработке, точная взаимосвязь между временными и температурными условиями, распадом пищевых волокон и степенью потери питательных веществ из-за распада клетчатки требует дальнейшего изучения.
Липиды
Липиды, особенно ненасыщенные липиды, склонны к окислению при нагревании в присутствии воздуха или кислорода, что приводит к потере пищевой ценности пищевого продукта. Хотя основной эффект окисления липидов проявляется во вкусе пищевых продуктов, окисление может привести к превращению природных цис-жирных кислот в трансжирные кислоты. Переваривание и всасывание трансжирных кислот сравнимо с перевариванием и абсорбцией цис-жирных кислот, и их пищевая ценность как источника энергии не изменяется. Однако трансжирные кислоты обычно не обладают активностью незаменимых жирных кислот, т.е. не являются предшественниками простагландинов и тромбоксанов.
Эта активность зависит от системы двойных связей с цис-9, цис-12-метиленом, но при условии потребления достаточного количества линолевой кислоты трансжирные кислоты, по-видимому, не ингибируют метаболизм незаменимых жирных кислот. Окисление липидов также связано, как отмечалось ранее, с потерей качества белка и может ингибировать активность жирорастворимых витаминов А, D и Е, а также витаминов С и фолиевой кислоты. Однако окисление жиров в обработанных пищевых продуктах можно контролировать путем исключения или минимизации поступления кислорода и использования антиоксидантов. Таким образом, влияние сохранения тепла на пищевую ценность жиров в целом можно считать незначительным.
Продукты животного происхождения
Цвет
Комбинации времени и температуры, используемые при консервировании, оказывают существенное влияние на большинство природных пигментов в мясных продуктах. Красный пигмент оксимиоглобин превращается в коричневый метмиоглобин, а пурпурный миоглобин — в красно-коричневый миогемихромоген. Подрумянивание и карамелизация Майяра также влияют на цвет стерилизованного мяса. Однако это приемлемое изменение в приготовленном мясе. Нитрит и нитрат натрия добавляют в некоторые мясные продукты, чтобы снизить риск роста C. botulinum. Возникающая красно-розовая окраска обусловлена оксидом азота, миоглобином и нитритом метмиоглобина. Потеря цвета часто корректируется с помощью разрешенных синтетических красок.
Вкус и аромат
В мясных консервах происходят сложные изменения (например, пиролиз, дезаминирование и декарбоксилирование аминокислот, деградация, реакции Майяра и карамелизация углеводов до фурфурола и гидроксиметилфурфурола, окисление и декарбоксилирование липидов). Взаимодействие между этими компонентами приводит к образованию более 600 ароматических соединений в 10 химических классах. Было установлено, что другие летучие вещества оказывают существенное влияние на вкус пищевых продуктов, и, возможно, одним из наиболее драматичных является появление «кошачьего привкуса».
Это чрезвычайно неприятный и сильный запах, возникающий в результате реакции ненасыщенных кетонов, особенно мезитилоксида, с природными серосодержащими компонентами пищи. Нагревание играет важную роль в образовании налета, и инциденты были широко распространены из-за разнообразной доступности ненасыщенных кетонов. Примеры включают обработанные мясные продукты с использованием мяса из холодильных камер, окрашенного материалом, содержащим оксид мезитила в качестве загрязняющего растворителя, консервированные бычьи языки, подвешенные на крючках, покрытых защитным маслом, и свинину, упакованную в консервные банки. с лаком бокового шва, растворенным в нечистом растворителе.
Текстура
В мясных консервах изменения текстуры вызваны коагуляцией и потерей водоудерживающей способности белков, что приводит к усадке и уплотнению мышечных тканей. Размягчение происходит за счет гидролиза коллагена, растворения образующегося желатина, а также плавления и диспергирования жиров в продукте. Полифосфаты добавляются в некоторые продукты для связывания воды. Это повышает нежность изделия и уменьшает усадку. Небольшие изменения вязкости молока вызваны модификацией К-казеина, приводящей к повышенной чувствительности к осаждению кальция и коагуляции.
Питательные вещества
Консервирование вызывает гидролиз углеводов и липидов, но эти питательные вещества остаются доступными и на пищевую ценность пищи это не влияет. Белки коагулируются, а в мясных консервах потери аминокислот составляют 10–20%. Снижение содержания лизина пропорционально тяжести нагревания, но редко превышает 25%. Потеря триптофана и в меньшей степени метионина снижает биологическую ценность белков на 6–9%. Потери витаминов в основном ограничиваются тиамином (50–75%) и пантотеновой кислотой (20–35%). Однако существуют большие различия из-за различий в типах продуктов, наличии остаточного кислорода в контейнере и методах приготовления (очистка и нарезка ломтиками) или бланширования. В некоторых продуктах витамины переходят в рассол или сироп, который также употребляется в пищу. Таким образом, происходит меньшая потеря питательных веществ.
Тепловая стерилизация мяса приводит к снижению усвояемости белков мяса и порче аминокислот, особенно незаменимых серосодержащих аминокислот и лизина, при этом потери в говядине составляют 10–15%. Сохранение тепла на качество продуктов питания имеет два важных эффекта.
(i) Многие изменения (сенсорные или пищевые), которые происходят во время термического процесса, не ограничиваются пищевыми продуктами, консервированными при нагревании. Во многих случаях этот процесс заменяет традиционное приготовление пищи, которое происходит перед употреблением. Разогрев консервированных при нагревании продуктов является относительно мягкой обработкой, которая существенно не влияет на качество.
(ii) консервированные при нагревании пищевые продукты предоставляют потребителю более широкий выбор вкусовых ощущений и потребностей в питании без ограничений сезонности и бремени приготовления.