Подрумянивание еды

Пищевой процесс

Браунинг яблоко Фуджи – 32 минуты за 16 секунд (видео)

Потемнение – это процесс, когда пища становится коричневой из-за химических реакций , происходящих внутри. Процесс подрумянивания — это одна из химических реакций, происходящих в пищевой химии , которая представляет собой интересную тему исследований в области здравоохранения, питания и пищевых технологий . Хотя существует множество различных способов химического изменения продуктов питания с течением времени, потемнение, в частности, делится на две основные категории: ферментативные и неферментативные процессы потемнения.

Браунинг имеет множество важных последствий для пищевой промышленности, касающихся питания, технологий и экономических затрат. ^[1] 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. ^[2]

Ферментативное подрумянивание

Пример общей реакции полифенолов с полифенолоксидазой (PPO), которая катализирует ферментативное потемнение. Производство хинонов подвергается большему количеству реакций, которые в конечном итоге образуют коричневые пигменты на поверхности пищи.

Ферментативное потемнение — одна из наиболее важных реакций, происходящих в большинстве фруктов и овощей, а также в морепродуктах. ^[3] Эти процессы влияют на вкус, цвет и ценность таких продуктов. ^[3] Как правило, это химическая реакция с участием полифенолоксидазы (ПРО), катехолоксидазы и других ферментов , которые создают меланины и бензохинон из природных фенолов . Ферментативное потемнение (также называемое окислением продуктов) требует воздействия кислорода . Он начинается с окисления фенолов полифенолоксидазой в хиноны , ^[4] чье сильное электрофильное состояние вызывает высокую восприимчивость к нуклеофильной атаке со стороны других белков. ^[4] Эти хиноны затем полимеризуются в ходе ряда реакций, что в конечном итоге приводит к образованию коричневых пигментов ( меланоз ) на поверхности пищи. ^[5] Скорость ферментативного потемнения отражается количеством активных полифенолоксидаз, присутствующих в пище. ^[1] Следовательно, большинство исследований методов предотвращения ферментативного потемнения было направлено на ингибирование активности полифенолоксидазы. ^[1] Однако не всегда потемнение продуктов питания приводит к негативным последствиям. ^[1]

Примеры полезного ферментативного подрумянивания:

• Улучшение цвета и вкуса кофе , какао-бобов и чая . ^[6]
• Развитие цвета и вкуса сухофруктов, таких как инжир и изюм .

Примеры невыгодного ферментативного потемнения:

• Свежие фрукты и овощи, включая яблоки , картофель , бананы и авокадо .
• Окисление полифенолов является основной причиной меланоза у ракообразных, таких как креветки. ^[7]

Контроль ферментативного потемнения

Облученная гуава

Контроль ферментативного потемнения всегда был проблемой для пищевой промышленности. Для предотвращения или замедления ферментативного потемнения пищевых продуктов используются различные подходы, каждый из которых направлен на определенные этапы химической реакции. Различные типы ферментативного контроля потемнения можно разделить на две большие группы: физические и химические. Обычно используют несколько методов. Использование сульфитов (мощных химикатов, препятствующих потемнению) было пересмотрено из-за потенциальных опасностей, которые они вызывают вместе со своей активностью. ^[8] Было проведено много исследований относительно точных типов механизмов контроля, которые имеют место при взаимодействии с ферментативным процессом. Помимо профилактики, борьба с потемнением включает также меры, направленные на восстановление цвета пищевых продуктов после их потемнения. Например, в виноделии можно использовать ионообменную фильтрацию или ультрафильтрацию для удаления осадка коричневого цвета из раствора. ^[9]

Физические методы

• Термическая обработка . Термическая обработка продуктов питания, например бланширование или обжаривание , денатурирует ферменты и разрушает реагенты, ответственные за потемнение. Бланширование применяется, например, в виноделии , ^[10] обработке чая , хранении орехов и бекона , подготовке овощей к заморозке . ^{[11] [12] [13]} Мясо часто частично подрумянивается при сильном нагревании, прежде чем его добавляют в более крупный продукт, который готовится при более низкой температуре, что приводит к меньшему подрумяниванию.

• Обработка холодом . Охлаждение и замораживание — наиболее распространенные способы хранения продуктов, предотвращающие гниение. Активность ферментов потемнения, т. е. скорость реакции , падает при низких температурах. ^[14] Таким образом, охлаждение помогает сохранить первоначальный вид, цвет и вкус свежих овощей и фруктов. Охлаждение также используется при распределении и розничной торговле фруктами и овощами.

• Удаление кислорода . Наличие кислорода имеет решающее значение для ферментативного потемнения, поэтому удаление кислорода из окружающей среды помогает замедлить реакцию потемнения. Удаление воздуха или замена его другими газами (например, N 2 или CO 2 ) во время консервации, например, в вакуумной упаковке или упаковке в модифицированной атмосфере , ^[14] розлив вина или сока, ^[15] использование непроницаемых пленок или съедобных покрытий , окунание в растворы соли или сахара, предохраняет продукты от прямого контакта с кислородом. ^[16] Непроницаемые пленки из пластика или других материалов предотвращают воздействие кислорода на продукты питания и предотвращают потерю влаги. Возрастает активность по разработке упаковочных материалов, пропитанных антиоксидантами , противомикробными и противогрибковыми веществами, такими как бутилгидрокситолуол (БНТ) и бутилгидроксианизол (БНА), токоферолы , хинокитиол , лизоцим , низин , натамицин , хитозан и ε-полилизин . ^{[17] [18]} Съедобные покрытия могут быть изготовлены из полисахаридов , белков , липидов , кожуры овощей , растений или других натуральных продуктов. ^[19]

• Облучение . Облучение пищевых продуктов УФ -С , гамма-лучами , рентгеновскими лучами и электронными лучами является еще одним методом продления срока годности пищевых продуктов . Ионизирующее излучение подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, ответственных за порчу пищевых продуктов , и задерживает созревание и прорастание консервируемых овощей и фруктов. ^{[16] [20]}

Химические методы

• Подкисление . Ферменты потемнения, как и другие ферменты, активны в определенном диапазоне pH . Например, ППО проявляет оптимальную активность при pH 5–7 и ингибируется при pH ниже 3. ^[16] Подкислители и регуляторы кислотности широко используются в качестве пищевых добавок для поддержания желаемого pH в пищевых продуктах. Подкислители , такие как лимонная кислота , аскорбиновая кислота и глутатион , используются в качестве средств, препятствующих потемнению. Многие из этих агентов также проявляют другие эффекты против потемнения, такие как хелатирующая и антиоксидантная активность.

Выдержанное белое вино коричневого цвета.

• Антиоксиданты . Многие антиоксиданты используются в пищевой промышленности в качестве пищевых добавок. Эти соединения реагируют с кислородом и подавляют начало процесса потемнения. ^[16] Кроме того, они мешают промежуточным продуктам следующих реакций и ингибируют образование меланина . Аскорбиновая кислота , N-ацетилцистеин , L-цистеин , 4-гексилрезорцин , эриторбиновая кислота , гидрохлорид цистеина , глутатион являются примерами антиоксидантов, свойства которых были изучены на предмет предотвращения потемнения.

• Хелатирующие агенты . Полифенолоксидазе для своей функциональности требуется медь в качестве кофактора, поэтому медь- хелатирующие агенты ингибируют активность этого фермента. Многие агенты, обладающие хелатирующей активностью, изучены и применяются в различных областях пищевой промышленности, например, лимонная кислота , сорбиновая кислота , полифосфаты , хинокитиол , койевая кислота , ЭДТА , порфирины , поликарбоновые кислоты, различные белки. ^{[16] [18]} Некоторые из этих соединений также обладают другими эффектами против потемнения, такими как подкисление или антиоксидант. Хинокитиол используется в покрытиях для упаковки пищевых продуктов .

Другие методы

• Натуральные агенты . Известно , что различные натуральные продукты и их экстракты, такие как лук , ананас , лимон и белое вино , подавляют или замедляют потемнение некоторых продуктов. ^[16] Лук и его экстракт обладают мощными свойствами против потемнения, ингибируя активность PPO. Было доказано, что ананасовый сок предотвращает потемнение яблок и бананов. Лимонный сок используют при приготовлении теста, чтобы кондитерские изделия выглядели ярче. Этот эффект, возможно, объясняется свойствами лимонной и аскорбиновой кислот, содержащихся в лимонном соке, предотвращать потемнение.

• Генетическая модификация . Арктические яблоки были генетически модифицированы, чтобы заглушить экспрессию PPO , тем самым замедляя эффект потемнения и улучшая вкусовые качества яблок. ^{[21] [22]}

Неферментативное подрумянивание

Корочка бриоши становится золотисто-коричневой из-за реакции Майяра.

Второй тип потемнения, неферментативное потемнение, представляет собой процесс, который также вызывает коричневую пигментацию пищевых продуктов, но без активности ферментов. Двумя основными формами неферментативного потемнения являются карамелизация и реакция Майяра . Оба различаются по скорости реакции в зависимости от активности воды (в пищевой химии стандартное состояние активности воды чаще всего определяется как парциальное давление паров чистой воды при той же температуре).

Карамелизация — процесс пиролиза сахара . Его широко используют в кулинарии для достижения желаемого орехового вкуса и коричневого цвета. В ходе процесса выделяются летучие химические вещества, создающие характерный карамельный вкус.

Пример карамелизации столового сахара (сахарозы) до вещества с коричневым ореховым вкусом (фуран и мальтол)

Обзор механизма неферментативной реакции Майяра в пищевых продуктах. Основание Шиффа теряет молекулу CO ₂ и присоединяется к воде. Обратите внимание на взаимодействие между аминогруппой аминокислоты (здесь аспарагин) и карбонильным углеродом сахара (глюкозы). Конечный продукт — акриламид . Для получения дополнительной информации посетите Реакцию Майяра .

Другая неферментативная реакция — реакция Майяра . Эта реакция отвечает за образование вкуса при приготовлении пищи. Примеры продуктов, подвергающихся реакции Майяра, включают хлеб, стейки и картофель. Это химическая реакция, которая происходит между аминогруппой свободной аминокислоты и карбонильной группой редуцирующего сахара ^[1] , обычно с добавлением тепла. Сахар взаимодействует с аминокислотой, создавая разнообразные запахи и вкусы. Реакция Майяра является основой производства искусственных ароматизаторов для обработанных пищевых продуктов в ароматизирующей промышленности ^[23], поскольку тип задействованной аминокислоты определяет конечный вкус.

Меланоидины представляют собой коричневые высокомолекулярные гетерогенные полимеры, которые образуются 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 подрумянивания, таких как ячменный солод (Венский и Мюнхенский), хлебная корочка, хлебобулочные изделия и кофе. Они также присутствуют в сточных водах сахарных заводов, что требует очистки, чтобы избежать загрязнения в районе стоков этих заводов.

Подрумянивание винограда при виноделии

Как и большинство фруктов, виноград различается по количеству содержащихся в нем фенольных соединений. Эта характеристика используется в качестве параметра при оценке качества вина. ^[4] Общий процесс виноделия инициируется ферментативным окислением фенольных соединений полифенолоксидазами. ^[4] Контакт между фенольными соединениями в вакуоли виноградной клетки и ферментом полифенолоксидазой (расположенным в цитоплазме ) запускает окисление винограда. Таким образом, первоначальное потемнение винограда происходит в результате «модификации компартментализации» в клетках винограда. ^[4]

Последствия для пищевой промышленности и технологий

Ферментативное потемнение влияет на цвет, вкус и пищевую ценность продуктов, вызывая огромные экономические потери, если они не продаются потребителям вовремя. ^[1] По оценкам, более 50% продукции теряется в результате ферментативного потемнения. ^[2] Увеличение численности населения и, как следствие, истощение природных ресурсов побудили многих биохимиков и инженеров-пищевиков найти новые или улучшенные методы сохранения продуктов питания и на более длительный срок, используя методы подавления реакции потемнения. Это эффективно увеличивает срок хранения пищевых продуктов, решая эту часть проблемы отходов. Лучшее понимание ферментативных механизмов потемнения, в частности, понимание свойств ферментов и субстратов, которые участвуют в реакции, может помочь технологам пищевой промышленности контролировать определенные этапы этого механизма и в конечном итоге применять эти знания для предотвращения потемнения.

Яблоки — это фрукты, которые обычно изучаются исследователями из-за высокого содержания фенолов, что делает их очень восприимчивыми к ферментативному потемнению. ^[3] В соответствии с другими данными, касающимися яблок и активности потемнения, была обнаружена корреляция между более высокими количествами фенолов и повышенной ферментативной активностью в яблоках. ^[3] Это дает потенциальную цель и, следовательно, надежду для пищевой промышленности, желающей генетически модифицировать продукты питания, чтобы снизить активность полифенолоксидазы и, таким образом, уменьшить потемнение. Примером таких достижений в пищевой промышленности является производство арктических яблок . Эти яблоки, созданные компанией Okanagan Specialty Fruits Inc, являются результатом применения сплайсинга генов — лабораторного метода, который позволил снизить уровень полифенолоксидазы.

Еще одна проблема, которая тщательно изучается, — это потемнение морепродуктов. ^[7] Морепродукты , в частности креветки, являются основным продуктом питания людей во всем мире. Потемнение креветок, которое на самом деле называется меланозом , вызывает серьезную обеспокоенность у работников пищевой промышленности и потребителей. Меланоз в основном возникает во время послеубойной обработки и хранения в холодильнике. ^[7] Недавние исследования показали, что растительный экстракт, который действует как ингибитор антимелатониновой полифенолоксидазы, выполняет ту же функцию, что и сульфиты, но без риска для здоровья. ^[7]

Смотрите также

• Браунинг (частичное приготовление)
• Разложение
• соус
• Водная активность

Рекомендации

1. Корсо-Мартинес, Марта; Корсо, Ньевес; Вильямиэль, Мар; дель Кастильо, М. Долорес (1 января 2012 г.). Доктор философии, Бенджамин К. Симпсон (ред.). Пищевая биохимия и пищевая промышленность . Уайли-Блэквелл. стр. 56–83. дои : 10.1002/9781118308035.ch4. ISBN 9781118308035.
2. Каанане, А.; Лабуза, ТП (1 января 1989 г.). «Реакция Майяра в пищевых продуктах». Прогресс клинических и биологических исследований . 304 : 301–327. ISSN  0361-7742. ПМИД  2675033.
3. Холдербаум, Дэниел (2010). «Ферментативное потемнение, полифенолоксидазная активность и полифенолы в четырех сортах яблок: динамика во время развития плодов». ХортСайенс.
4. Macheix, JJ; Сапис, JC; Флерье, А. (1 января 1991 г.). «Фенольные соединения и полифенолоксидаза в отношении потемнения винограда и вина». Критические обзоры в области пищевой науки и питания . 30 (4): 441–486. дои : 10.1080/10408399109527552. ISSN  1040-8398. ПМИД  1910524.
5. Николас, Джей-Джей; Ришар-Форже, ФК; Гупи, премьер-министр; Амиот, MJ; Обер, Южная Дакота (1 января 1994 г.). «Ферментативные реакции потемнения яблок и яблочных продуктов». Критические обзоры в области пищевой науки и питания . 34 (2): 109–157. дои : 10.1080/10408399409527653. ISSN  1040-8398. ПМИД  8011143.
6. Он, Цян (2008). «Выяснение механизма ферментативного ингибирования потемнения хлоритом натрия». Пищевая химия . 110 (4). Эль-Севьер: 847–51. doi :10.1016/j.foodchem.2008.02.070. PMID  26047269. Архивировано из оригинала 12 января 2017 г. Проверено 6 ноября 2016 г.
7. Нирмал, Нилеш Пракаш; Бенджакул, Соттават; Ахмад, Мехрадж; Арфат, Ясир Али; Паничаюпакаранант, Фаркпхум (1 января 2015 г.). «Нежелательное ферментативное потемнение ракообразных: причинные эффекты и его ингибирование фенольными соединениями». Критические обзоры в области пищевой науки и питания . 55 (14): 1992–2003. дои : 10.1080/10408398.2012.755148. ISSN  1549-7852. PMID  25584522. S2CID  22348619.
8. Тейлор, Стив Л.; Хигли, Нэнси А.; Буш, Роберт К. (1986). «Сульфиты в пищевых продуктах: использование, аналитические методы, остатки, судьба, оценка воздействия, метаболизм, токсичность и гиперчувствительность». Достижения в области пищевых исследований . 30 :1–76. дои : 10.1016/s0065-2628(08)60347-x. ISBN 9780120164301.
9. Маше, Джей-Джей; Сапис, JC; Флерье, А. (1 января 1991 г.). «Фенольные соединения и полифенолоксидаза в отношении потемнения винограда и вина». Критические обзоры в области пищевой науки и питания . 30 (4): 441–486. дои : 10.1080/10408399109527552. ISSN  1040-8398. ПМИД  1910524.
10. Маше, Жан-Жак; Сапис, Жан-Клод; Флерье, Энни; Ли, Калифорния (январь 1991 г.). «Фенольные соединения и полифенолоксидаза в отношении потемнения винограда и вина». Критические обзоры в области пищевой науки и питания . 30 (4): 441–486. дои : 10.1080/10408399109527552.
11. Сяо, Хун-Вэй; Пан, Чжунли; Дэн, Ли-Чжэнь; Эль-Машад, Хамед М.; Ян, Сюй-Хай; Муджумдар, Арун С.; Гао, Чжэнь-Цзян; Чжан, Цянь (июнь 2017 г.). «Последние разработки и тенденции в области термического бланширования. Всесторонний обзор». Обработка информации в сельском хозяйстве . 4 (2): 101–127. дои : 10.1016/j.inpa.2017.02.001 .
12. Гранди, Мириам Мария-Луиза; Лэпсли, Карен; Эллис, Питер Рори (2016). «Обзор влияния обработки на биодоступность питательных веществ и переваривание миндаля». Международный журнал пищевой науки и технологий . 51 (9): 1937–1946. дои : 10.1111/ijfs.13192 . ПМК 5003169 . 
13. «Национальный центр домашнего хранения продуктов питания | Как мне? Заморозить» . nchfp.uga.edu .
14. Хэ, Цян; Ло, Ягуан (1 декабря 2007 г.). «Ферментативное потемнение и контроль над ним свежесрезанных продуктов». Обзор Стюарта после сбора урожая . 3 (6): 1–7. дои : 10.2212/сп.2007.6.3.
15. Мартинес, М. Виктория; Уитакер, Джон Р. (1 июня 1995 г.). «Биохимия и контроль ферментативного потемнения». Тенденции в пищевой науке и технологиях . 6 (6): 195–200. дои : 10.1016/S0924-2244(00)89054-8.
16. Мун, Кён Ми; Квон, Ын-Бин; Ли, Бонги; Ким, Чун Ён (15 июня 2020 г.). «Последние тенденции в контроле ферментативного потемнения фруктов и овощей». Молекулы . 25 (12): 2754. doi : 10,3390/molecules25122754 . ПМЦ 7355983 . ПМИД  32549214. 
17. Йылдирим, Сельчук; Рекер, Беттина; Петтерсен, Марит Квальвог; Нильсен-Нигаард, Джули; Айхан, Зехра; Руткайте, Рамуне; Радусин, Таня; Суминская, Патриция; Маркос, Бегония; Кома, Вероника (январь 2018 г.). «Применение активной упаковки для пищевых продуктов: применение активной упаковки для пищевых продуктов…». Комплексные обзоры в области пищевой науки и безопасности пищевых продуктов . 17 (1): 165–199. дои : 10.1111/1541-4337.12322 . hdl : 20.500.12327/362 .
18. Л. Броуди, Аарон; Струпинский, Е.П.; Клайн, Лаури Р. (2001). Активная упаковка для пищевых продуктов (1-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 9780367397289.
19. Юсуф, Башарат; Кадри, Овайс Шафик; Шривастава, Абхая Кумар (март 2018 г.). «Последние разработки в области продления срока годности свеженарезанных фруктов и овощей путем нанесения различных съедобных покрытий: обзор». ЛВТ . 89 : 198–209. дои : 10.1016/j.lwt.2017.10.051.
20. «Подавление и контроль браунинга». Производство фруктов : 183–215. 2006. doi : 10.1007/978-0-387-30616-2_8. ISBN 978-0-387-30614-8.
21. «Заглушение PPO» . Okanagan Specialty Fruits, Inc. 2019. Архивировано из оригинала 27 апреля 2021 года . Проверено 14 ноября 2019 г.
22. «Соединенные Штаты: ГМ-не темнеющее арктическое яблоко расширяется в сфере общественного питания» . Портал свежих фруктов. 13 августа 2019 года . Проверено 14 ноября 2019 г.
23. Таманна, Нахид (2015). «Продукты пищевой промышленности и реакции Майяра: влияние на здоровье и питание человека». Международный журнал пищевой науки . 2015 : 526762. doi : 10.1155/2015/526762 . ПМЦ 4745522 . ПМИД  26904661.