Подрумянивание пищи

Процесс приготовления пищи

Поджаривание яблок сорта Фуджи — 32 минуты за 16 секунд (видео)

Потемнение — это процесс потемнения пищи из -за химических реакций , происходящих внутри. Процесс потемнения — это одна из химических реакций, происходящих в пищевой химии , и представляет собой интересную тему для исследований в области здоровья, питания и пищевых технологий . Хотя существует множество различных способов, которыми пища химически изменяется с течением времени, потемнение в частности делится на две основные категории: ферментативные и неферментативные процессы потемнения.

Потемнение имеет много важных последствий для пищевой промышленности, касающихся питания, технологии и экономических затрат. ^[1] Исследователи особенно заинтересованы в изучении контроля (ингибирования) потемнения и различных методов, которые могут быть использованы для максимального подавления этого ингибирования и в конечном итоге продления срока годности продуктов питания. ^[2]

Ферментативное потемнение

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

Ферментативное потемнение является одной из важнейших реакций, которая происходит 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 (ПФО), катехолоксидазы и других ферментов , которые создают меланины и бензохинон из природных фенолов . Ферментативное потемнение (также называемое окислением продуктов) требует воздействия кислорода . Оно начинается с окисления фенолов полифенолоксидазой в хиноны , ^[4] сильное электрофильное состояние которых вызывает высокую восприимчивость к нуклеофильной атаке со стороны других белков. ^[4] Затем эти хиноны полимеризуются в серии 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] Таким образом, большинство исследований методов предотвращения ферментативного потемнения были направлены на ингибирование активности полифенолоксидазы. ^[1] Однако не все потемнения пищи вызывают негативные эффекты. ^[1]

Примеры полезного ферментативного потемнения:

• Развитие цвета и вкуса в кофе , какао-бобах и чае . ^[6]
• Развитие цвета и вкуса у сухофруктов, таких как инжир и изюм .

Примеры неполезного 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 продуктов питания используются различные подходы, каждый из которых направлен на определенные этапы химической реакции. Различные типы контроля ферментативного потемнения можно разделить на две большие группы: физические и химические. Обычно используются несколько методов. Использование сульфитов (мощных анти-потемневших химикатов) было пересмотрено из-за потенциальных опасностей, которые они вызывают вместе с их активностью. ^[8] Было проведено много исследований относительно точных типов механизмов контроля, которые имеют место при столкновении с ферментативным процессом. Помимо профилактики, контроль потемнения также включает меры, направленные на восстановление цвета продуктов питания после их потемнения. Например, ионообменная фильтрация или ультрафильтрация могут использоваться в виноделии для удаления осадков коричневого цвета в растворе. ^[9]

Физические методы

• Термическая обработка — обработка пищи теплом, например бланширование или обжаривание , денатурирует ферменты и разрушает реагенты, ответственные за потемнение. Бланширование используется, например, в виноделии , ^[10] обработке чая , хранении орехов и бекона , а также в подготовке овощей к заморозке . ^{[11] [12] [13]} Мясо часто частично подрумянивают при сильном жаре, прежде чем включить в более крупное блюдо, которое готовится при более низкой температуре, что приводит к меньшему потемнению.

• Холодная обработка − Охлаждение и замораживание являются наиболее распространенными способами хранения продуктов питания, предотвращающими порчу. 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 дистрибуции и розничной продаже фруктов и овощей.

• Устранение кислорода − Наличие кислорода имеет решающее значение для ферментативного потемнения, поэтому устранение кислорода из окружающей среды помогает замедлить реакцию потемнения. Удаление воздуха или замена его другими газами (например, N 2 или CO 2 ) во время сохранения, например, при вакуумной упаковке или упаковке в модифицированной атмосфере , ^[14] розливе вина или сока, ^[15] использовании непроницаемых пленок или съедобных покрытий , погружении в соляные или сахарные растворы, предохраняет пищу от прямого контакта с кислородом. ^[16] Непроницаемые пленки из пластика или других материалов предотвращают воздействие кислорода на пищу в воздухе и предотвращают потерю влаги. Растет активность в разработке упаковочных материалов, пропитанных антиоксидантами , противомикробными и противогрибковыми веществами, такими как бутилированный гидрокситолуол (BHT) и бутилированный гидроксианизол (BHA), токоферолы , хинокитиол , лизоцим , низин , натамицин , хитозан и ε-полилизин . ^{[17] [18]} Съедобные покрытия могут быть изготовлены из полисахаридов , белков , липидов , овощной кожуры , растений или других натуральных продуктов. ^[19]

• Облучение − Облучение пищевых продуктов с использованием УФ-С , гамма-лучей , рентгеновских лучей и электронных пучков является еще одним методом продления срока годности пищевых продуктов . Ионизирующее излучение подавляет жизнеспособность 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, PPO проявляет оптимальную активность при pH 5-7 и ингибируется ниже pH 3. ^[16] Подкисляющие агенты 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 агентов против потемнения. 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 — примеры антиоксидантов, которые были изучены на предмет их свойств против потемнения.

• Хелатирующие агенты − Полифенолоксидаза требует медь в качестве кофактора для своей функциональности, поэтому хелатирующие агенты меди подавляют активность этого фермента. Многие агенты, обладающие хелатирующей активностью, были изучены и использованы в различных областях пищевой промышленности, таких как лимонная кислота , сорбиновая кислота , полифосфаты , хинокитиол , койевая кислота , ЭДТА , порфирины , поликарбоновые кислоты, различные белки. ^{[16] [18]} Некоторые из этих соединений также обладают другими анти-коричневыми эффектами, 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 проявляют мощные анти-коричневые свойства, ингибируя активность PPO. Ананасовый сок, как было показано, обладает анти-коричневым эффектом на яблоках и бананах. Лимонный сок используется при приготовлении теста, чтобы сделать кондитерские изделия более яркими. Этот эффект, возможно, объясняется анти-коричневыми свойствами лимонной и аскорбиновой кислот в лимонном соке.

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

Неферментативное потемнение

Корочка хлеба бриошь , которая приобретает золотисто-коричневый цвет из-за реакции Майяра.

Второй тип потемнения, неферментативное потемнение, представляет собой процесс, который также производит коричневую пигментацию в пищевых продуктах, но без активности ферментов. Две основные формы неферментативного потемнения — это 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 — это процесс, включающий пиролиз сахара . Он широко используется в кулинарии для получения желаемого орехового вкуса и коричневого цвета. В ходе этого процесса выделяются летучие химические вещества, что создает характерный карамельный вкус.

Пример карамелизации столового сахара (сахарозы) с образованием коричневого вещества с ореховым вкусом (фуран и мальтол)

Обзор механизма неферментативной реакции Майяра в пищевых продуктах. Основание Шиффа теряет молекулу CO2 _и присоединяется к воде. Обратите внимание на взаимодействие между аминогруппой аминокислоты (в данном случае аспарагин) и карбонильным углеродом сахара (глюкозы). Конечный продукт — акриламид . Для получения дополнительной информации посетите страницу Реакция Майяра .

Другая неферментативная реакция — реакция Майяра . Эта реакция отвечает за производство аромата при приготовлении пищи. Примерами продуктов, которые подвергаются реакции Майяра, являются хлеб, стейки и картофель. Это химическая реакция, которая происходит между аминогруппой свободной аминокислоты и карбонильной группой восстанавливающего сахара , [ ^1] обычно с добавлением тепла. Сахар взаимодействует с аминокислотой, производя различные запахи и вкусы. Реакция Майяра является основой для производства искусственных ароматизаторов для обработанных пищевых продуктов в индустрии ароматизаторов ^[23], поскольку тип задействованной аминокислоты определяет полученный вкус.

Меланоидины — это коричневые высокомолекулярные гетерогенные полимеры, которые образуются при соединении сахаров и аминокислот в ходе реакции Майяра при высоких температурах и низкой активности воды. Меланоидины обычно присутствуют в пищевых продуктах, которые подверглись той или иной форме неферментативного потемнения, таких как ячменный солод (венский и мюнхенский), хлебная корка, хлебобулочные изделия и кофе. Они также присутствуют в сточных водах сахарных заводов, что требует очистки, чтобы избежать загрязнения вокруг выхода этих заводов.

Потемнение винограда в процессе виноделия

Как и большинство фруктов, виноград различается по количеству фенольных соединений, которые он имеет. 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] Рост численности населения и последующее истощение природных ресурсов побудили многих биохимиков и инженеров пищевой промышленности найти новые или улучшенные методы сохранения продуктов питания и на более длительный срок с помощью методов ингибирования реакции потемнения. Это эффективно увеличивает срок хранения продуктов, решая эту часть проблемы отходов. Лучшее понимание механизмов ферментативного потемнения, в частности, понимание свойств ферментов и субстратов, которые участвуют в реакции, может помочь технологам пищевой промышленности контролировать определенные этапы механизма и в конечном итоге применять эти знания для ингибирования потемнения.

Яблоки — это фрукты, которые обычно изучаются исследователями из-за их высокого содержания фенолов, что делает их весьма восприимчивыми к ферментативному потемнению. ^[3] В соответствии с другими выводами, касающимися яблок и активности потемнения, была обнаружена корреляция между более высоким содержанием фенолов и повышенной ферментативной активностью в яблоках. ^[3] Это дает потенциальную цель и, таким образом, надежду для пищевой промышленности, желающей генетически модифицировать продукты питания для снижения активности полифенолоксидазы и, таким образом, уменьшения потемнения. Примером таких достижений в области пищевой инженерии является производство арктических яблок . Эти яблоки, разработанные Okanagan Specialty Fruits Inc, являются результатом применения сплайсинга генов , лабораторной техники, которая позволила снизить полифенолоксидазу.

Другой тип проблемы, которая тщательно изучается, — это потемнение морепродуктов. ^[7] Морепродукты , в частности креветки, являются основным продуктом питания, потребляемым людьми во всем мире. Потемнение креветок, которое на самом деле называется меланозом , вызывает большую озабоченность у обработчиков пищевых продуктов и потребителей. Меланоз в основном возникает во время обработки после смерти и хранения в холодильнике. ^[7] Недавние исследования показали, что растительный экстракт, который действует как ингибитор полифенолоксидазы антимелатонина, выполняет ту же функцию, что и сульфиты, но без риска для здоровья. ^[7]

Смотрите также

• Подрумянивание (частичное приготовление)
• Разложение
• Подливка
• Водная активность

Ссылки

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. Kaanane, A.; Labuza, TP (1989-01-01). «Реакция Майяра в пищевых продуктах». Progress in Clinical and Biological Research . 304 : 301–327. ISSN  0361-7742. PMID  2675033.
3. Holderbaum, Daniel (2010). «Ферментативное потемнение, активность полифенолоксидазы и полифенолы в четырех сортах яблок: динамика в процессе развития плодов». HortScience . 45 (8): 1150–1154. doi : 10.21273/HORTSCI.45.8.1150 .
4. Macheix, JJ; Sapis, JC; Fleuriet, A. (1991-01-01). «Фенольные соединения и полифенолоксидаза в связи с потемнением винограда и вин». Critical Reviews in Food Science and Nutrition . 30 (4): 441–486. doi :10.1080/10408399109527552. ISSN  1040-8398. PMID  1910524.
5. Николас, Дж. Дж.; Ришар-Форже, ФК; Гупи, П. М.; Амио, М. Дж.; Обер, С. Ю. (1994-01-01). «Ферментативные реакции потемнения в яблоках и яблочных продуктах». Критические обзоры в области пищевой науки и питания . 34 (2): 109–157. doi :10.1080/10408399409527653. ISSN  1040-8398. PMID  8011143.
6. He, Quiang (2008). «Выяснение механизма ингибирования ферментативного потемнения хлоритом натрия». Пищевая химия . 110 (4). El Sevier: 847–51. doi :10.1016/j.foodchem.2008.02.070. PMID  26047269. Архивировано из оригинала 2017-01-12 . Получено 2016-11-06 .
7. Nirmal, Nilesh Prakash; Benjakul, Soottawat; Ahmad, Mehraj; Arfat, Yasir Ali; Panichayupakaranant, Pharkphoom (2015-01-01). "Нежелательное ферментативное потемнение у ракообразных: причинные эффекты и его ингибирование фенольными соединениями". Critical Reviews in Food Science and Nutrition . 55 (14): 1992–2003. doi : 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». Advances in Food Research . 30 : 1–76. doi :10.1016/s0065-2628(08)60347-x. ISBN 9780120164301. PMID  3526827.
9. Macheix, JJ; Sapis, JC; Fleuriet, A. (1991-01-01). «Фенольные соединения и полифенолоксидаза в связи с потемнением винограда и вин». Critical Reviews in Food Science and Nutrition . 30 (4): 441–486. doi :10.1080/10408399109527552. ISSN  1040-8398. PMID  1910524.
10. Машей, Жан-Жак; Сапис, Жан-Клод; Флёрье, Энни; Ли, CY (январь 1991 г.). «Фенольные соединения и полифенолоксидаза в связи с потемнением винограда и вин». Критические обзоры в области пищевой науки и питания . 30 (4): 441–486. doi :10.1080/10408399109527552. PMID  1910524.
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. Bibcode :2017IPAgr...4..101X. doi : 10.1016/j.inpa.2017.02.001 .
12. Гранди, Мириам Мари-Луиз; Лапсли, Карен; Эллис, Питер Рори (2016). «Обзор влияния обработки на биодоступность питательных веществ и усвоение миндаля». Международный журнал пищевой науки и технологии . 51 (9): 1937–1946. doi : 10.1111/ijfs.13192 . PMC 5003169. PMID  27642234 . 
13. "Национальный центр домашнего хранения продуктов питания | Как мне это сделать? Заморозить". nchfp.uga.edu .
14. He, Qiang; Luo, Yaguang (1 декабря 2007 г.). «Ферментативное потемнение и его контроль в свежесрезанных продуктах». Stewart Postharvest Review . 3 (6): 1–7. doi :10.2212/spr.2007.6.3.
15. Мартинес, М. Виктория; Уитакер, Джон Р. (1 июня 1995 г.). «Биохимия и контроль ферментативного потемнения». Тенденции в пищевой науке и технологии . 6 (6): 195–200. doi :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 фруктовых и овощных продуктов». Molecules . 25 (12): 2754. doi : 10.3390/molecules25122754 . PMC 7355983 . PMID  32549214. 
17. Йилдирим, Сельчук; Рёккер, Беттина; Петтерсен, Марит Квалвог; Нильсен-Нюгаард, Джули; Айхан, Зехра; Руткайте, Рамуне; Радусин, Таня; Суминска, Патрисия; Маркос, Бегонья; Кома, Вероник (январь 2018 г.). «Активные упаковочные приложения для пищевых продуктов: Активные упаковочные приложения для пищевых продуктов…». Комплексные обзоры по пищевой науке и безопасности пищевых продуктов . 17 (1): 165–199. doi : 10.1111/1541-4337.12322 . hdl : 20.500.12327/362 .
18. L. Броди, Аарон; Струпинский, Э.П.; Клайн, Лаури Р. (2001). Активная упаковка для пищевых продуктов (1-е изд.). CRC Press. ISBN 9780367397289.
19. Юсуф, Башарат; Кадри, Оваис Шафик; Шривастава, Абхайя Кумар (март 2018 г.). «Последние разработки в области продления срока годности свежесрезанных фруктов и овощей путем нанесения различных съедобных покрытий: обзор». LWT . 89 : 198–209. doi :10.1016/j.lwt.2017.10.051.
20. "Ингибирование и контроль потемнения". Fruit Manufacturing . 2006. С. 183–215. doi :10.1007/978-0-387-30616-2_8. ISBN 978-0-387-30614-8.
21. "PPO silencing". Okanagan Specialty Fruits, Inc. 2019. Архивировано из оригинала 27 апреля 2021 г. Получено 14 ноября 2019 г.
22. "США: ГМ-нетемнеющие арктические яблоки проникают в сферу общественного питания". Fresh Fruit Portal. 13 августа 2019 г. Получено 14 ноября 2019 г.
23. Таманна, Нахид (2015). «Продукты переработки пищевых продуктов и реакции Майяра: влияние на здоровье и питание человека». Международный журнал пищевой науки . 2015 : 526762. doi : 10.1155/2015/526762 . PMC 4745522. PMID  26904661 .