К каким структурам относятся пищевые продукты
Среди разнообразия свойств, обусловливающих качество продукции общественного питания, определяющими являются свойства, связанные со структурой продукции.
Именно формирование заданной структуры в конечном счете обусловливает качество кулинарных изделий и их кулинарную готовность.
Продукция общественного питания характеризуется многообразием структурных особенностей, которые определяются комплексом структурно-механических свойств
Большинство пищевых продуктов содержит значительное количество (50…85 %) воды, а в некоторых овощах (помидоры, переу сладкий, салат, щавель, огурцы и др.) ее еще больше (90…95 %), но благодаря особому внутреннему строению и свойствам содержащихся в них
компонентов (белки, углеводы, жиры) имеют определенную форму и структуру.
Одной из основных задач технологии продукции общественного питания является придание в процессе производства кулинарным полуфабрикатам, кулинарным, мучным кондитерским и булочным изделиям, а также блюдам заданной формы и структуры.
Структура (внутреннее строение) пищевых продуктов — это взаиморасположение
их составных частей и устойчивые связи между ними, которые, в конечном счете, обеспечивают их целостность и тождественность самим себе.
Почти все пищевые продукты, так же как и продукция общественного питания, представляют собой гетерогенные многокомпонентные, многофазные дисперсные системы (особенно в случае взаимопроникновения компонентов, как это происходит во влажных коллоидных пористых материалах), обладающие внутренней структурой и специфическими физико-химическими, структурно-механическими и органолептическими
свойствами.
Дисперсные системы пищевых продуктов чрезвычайно разнообразны по химической природе, составу, физическим свойствам и назначению.
Они состоят из двух и более фаз, в которых дисперсионной средой является непрерывная фаза, а дисперсной фазой — раздробленная фаза, состоящая из частиц, не контактирующих друг с другом.
Дисперсные системы пищевых продуктов могут быть подразделены на пять типов:
• I тип — двухфазные системы, включающие твердую дисперсную и газовую фазы (мука, сахар, крахмал, поваренная соль, яичный порошок, сухое молоко, пищевые кристаллические кислоты, сухая горчица, порошкообразные пряности, какао порошок и др.);
• II тип — двухфазные системы, содержащие твердую фазу в жидкой дисперсионной среде (все виды суспензий и паст: фруктовые пюре и подварки, томатное пюре, вафельное тесто, молочные продукты, инвертные сиропы, помадки и т. д.);
• III тип — трехфазные системы, образуемые твердой, жидкой и газообразными фазами (все виды сахарного и затяжного теста, бисквитное тесто, зефирная масса, дрожжевое тесто, выпеченный полуфабрикат из песочное теста и т. д.);
• IV тип — системы, образуемые жидкую фазу в жидкой дисперсионной среде (эмульсии);
• V тип — системы, содержащие газовую фазу в жидкой дисперсионной среде (пены).
Согласно классификации академика П. А. Ребиндера, в основе которой лежит характер связей между твердыми частицами, мицеллами и макромолекулами, структуры пищевых продуктов подразделяются на коагуляционные, конденсационно-кристаллизационные и смешанные — коагуляционно-кристаллизационные.
Одним из основных типов структур являются коагуляционные структуры, образующиеся в дисперсных системах путем взаимодействия между частицами и молекулами через прослойки дисперсионной среды за счет вандерваальсовых сил сцепления.
Толщина прослойки соответствует минимуму свободной энергии.
Термодинамически стабильны системы, у которых с поверхностью частиц прочно связаны фрагменты молекул, способные без утраты этой связи растворяться в дисперсионной
среде.
В свою очередь, дисперсионная среда находится в связанном состоянии.
Обычно эти структуры обладают способностью к самопроизвольному восстановлению после разрушения (тиксотропия).
Нарастание прочности после разрушения происходит постепенно, обычно до первоначальной прочности.
Толщина прослоек в определенной мере зависит от содержания дисперсионной среды.
При увеличении ее содержания значения сдвиговых свойств обычно уменьшаются, а система из твердообразной переходит в жидкообразную.
При этом степень дисперсности, то есть преобладающий размер частиц, даже при постоянной концентрации фазы оказывает влияние на состояние системы и ее прочность.
Коагуляционные структуры образуются в различных видах мучного теста на самых начальных стадиях смешения муки с водой; к ним относятся творожные массы, колбасные фарши, котлетные массы (мясные, рыбные, овощные) и др.
Наличие структуры придает дисперсной системе своеобразные механические свойства (упругость, пластичность, вязкость), которые непосредственно связаны с молекулярными взаимодействиями в этих системах, особенностями строения и теплового движения их структурных элементов (мицелл и макромолекул) и частиц твердых фаз с взаимодействием этих элементов друг с другом и с молекулами дисперсионной среды, которые определяют сопротивление, возникающее в структуре при механической обработке.
С другой стороны, упруго-пластично-вязкостные и прочностные свойства систем определяют характер деформационных процессов.
В свете представлений, развитых П. А. Ребиндером, механические свойства коагуляционных структурированных дисперсных систем обусловливаются совокупностью двух различных основных причин:
• молекулярным сцеплением частиц дисперсной фазы друг с другом в местах контакта, т. е. в местах наименьшей толщины прослоек дисперсионной среды между ними.
В предельном случае возможен полный фазовый контакт.
Коагуляционное взаимодействие частиц вызывает образование структур с явно выраженными обратимыми упругими свойствами;
• наличием тончайшей пленки в местах контакта между частицами.
Сближение двух частиц, окруженных оболочками жидкой дисперсионной среды, будет осуществляться без затраты работы и без изменения свободной энергии лишь до некоторого расстояния между ними.
Начиная с этого расстояния между частицами появляются силы отталкивания, являющиеся результатом молекулярного сцепления жидкой фазы с поверхностью частиц.
По данным некоторых исследователей, силы отталкивания появляются начиная с расстояния 0,1 мкм.
Снижение содержания жидкой дисперсионной среды в коагуляционных структурах сопровождается изменением прочностных характеристик структуры.
При обезвоживании коагуляционных структур (при увеличении дисперсной фазы) наблюдается переход к плотным и прочным структурам, в которых частицы связаны друг с другом прямыми точечными (атомными) контактами с площадью в несколько квадратных ангстрем, т. е. соизмеримой с размерами нескольких атомов или ячейкой кристаллической
решетки.
Прочность их повышается, но после определенного предела они перестают быть обратимо-тиксотропными.
Восстанавливаемость структуры сохраняется в пластично-вязкой среде, когда разрушение
пространственного каркаса происходит без нарушения сплошности.
При наибольшей степени уплотнения структуры и наименьшей толщине прослоек жидкой среды восстанавливаемость и пластичность исчезают, кривая прочности в зависимости от влажности дает излом.
При образовании коагуляционных структур во многих пищевых продуктах (продукции общественного питания) существенную роль играют поверхностно-активные вещества (ПАВ) и растворенные в воде белки, которые выступают в качестве эмульгаторов и стабилизаторов образуемых систем и могут существенно изменять их структурно-
механические свойства (СМС).
Конденсационно-кристаллизационные структуры присущи натуральным продуктам, однако могут образовываться из коагуляционных при удалении дисперсионной среды или при срастании частиц дисперсной фазы в расплавах или растворах.
В процессе образования эти структуры могут иметь ряд переходных состояний: коагуляционно- кристаллизационные, коагуляционно-конденсационные; их образование
характеризуется непрерывным нарастанием прочности.
Основные отличительные признаки структур такого типа следующие: большая по сравнению с коагуляционными прочность, обусловленная высокой прочностью самих контактов; отсутствие тиксотропии и необратимый характер разрушения; высокая хрупкость и упругость из-за жесткости скелета структуры; наличие внутренних напряжений,
возникающих в процессе образования фазовых контактов и влекущих за собой в последующем перекристаллизацию и самопроизвольное понижение прочности вплоть до нарушения сплошности, например растрескивание при сушке (выпеченные полуфабрикаты из теста — заварного, песочного и др.).
Рассматривая понятие «структура», выделяют три ее уровня: макроструктуру, видимую невооруженным глазом; микроструктуру, определяемую при помощи оптического микроскопа, и ультраструктуру, видимую только в электронном микроскопе.
Микро- и макроструктуры дают представление о биологическом и преимущественно технологическом аспектах образования или преобразования структуры пищевых продуктов, ультраструктура — о химическом, физико-химическом и биохимическом строении структуры элементов.
Пищевые продукты по структуре можно разделить на следующие группы:
жидкости (напитки, молоко и др.), плотные жидкости (масла, бульоны и др.),
пластичные пищевые продукты (масло сливочное,маргарин, творог, котлетные массы из мяса, птицы, рыбы, овощные и др.),
пластичные продукты гелевой структуры (желе, мармелад, студни, пудинги, муссы и др.),
плотные продукты клеточной структуры (овощи, плоды), плотные продукты фибриллярной структуры (мясо, рыба, птица).
Тип структуры и структурно-механические свойства пищевых продуктов определяют их консистенцию.
Консистенция является одним из сложнейших органолептических показателей как пищевых продуктов, так и приготовленной из них продукции общественного питания.
Под консистенцией продуктов питания понимают те особенности их строения и физическое состояние, которые наиболее полно обнаруживаются как комплекс осязательных ощущений, возникающих в полости рта при разжевывании и глотании пищи.
Поскольку потребитель в процессе пережевывании пищи кроме ощущения физического
состояния продукции воспринимает ее вкус, запах и другие свойства, то следует говорить о комплексном восприятии качества продукции, в котором показатель консистенции является более значимым для определения состояния кулинарной готовности.
Продукцию общественного питания по структуре можно разделить на две группы:
• первая — продукция с нативной (природной) структурой;
• вторая — продукция со структурой, сформированной в процессе ее производства.
Для продукции первой группы (мясо, рыба, птица, субпродукты, овощи, крупы, бобовые, макаронные изделия и др.) определяющим показателем кулинарной готовности является консистенция, которая должна быть такой, чтобы продукт легко раскусывался и разжевывался, сохраняя при этом первоначальную форму.
Продолжительность тепловой кулинарной обработки этой группы продукции до состояния
готовности определяется количеством и сложностью строения структурообразующих
ее компонентов.
Остальные показатели качества (вкус, запах, сочность и др.) формируются в течение времени, необходимого для доведения продуктов до состояния готовности.
Качество продукции этой группы в первую очередь определяется качеством исходного
сырья.
Для подавляющего большинства продукции второй группы структура (консистенция) формируется в ходе технологического процесса их производства: на стадии приготовления полуфабрикатов, при тепловой кулинарной обработке полуфабрикатов, при охлаждении и т. д.
В эту группу входят изделия и блюда из различных фаршей (мясных, рыбных, из птицы, овощей), муки, каш, яиц, творога, соусы, желированные блюда, крахмала, взбивные изделия, супы-пюре и др.
Структура (консистенция) продукции оценивается по органолептическим (нежность, жесткость, однородность, пористость, рыхлость, хрупкость, дисперсность, густота и др.) и структурно-механическим (вязкость, упругость, пластичность, напряжение сдвига, прочность и др.) показателям.
При органолептической оценке ощущаемая структура является результатом
комплексного восприятия нескольких показателей, среди которых, как правило, один является доминирующим.
Таким образом, структура продукции общественного питания характеризуется
совокупностью органолептических и структурно-механических свойств, которые являются производными микроструктуры, т. е. структуры, формирующейся вследствие физико-химических взаимодействий на молекулярном уровне между водой, белками, углеводами,
жирами и другими структурными компонентами, входящими в рецептуру продукции.
Для формирования устойчивых пищевых систем продукции второй группы, обладающей составом и структурой, отвечающим требованиям потребителей, в их технологиях определяющее значение имеют технологические факторы и структурообразующие свойства рецептурных компонентов.
К технологическим факторам в зависимости от вида продукции относятся: степень измельчения, дисперсность, интенсивность и продолжительность перемешивания, взбивания, температура нагревания или охлаждения, последовательность соединения рецептурных компонентов, формование и др.
Физические свойства пищевых продуктов во многом определяют их качество. Учитывая огромное многообразие сырья, перерабатываемого в пищевых производствах и системе общественного питания, целесообразно для успешного изучения всех особенностей производств рассмотреть некоторые свойства пищевых продуктов, связанные с его структурой. От структуры зависит влияние обработки сырья и продуктов механическими, химическими, электрофизическими и другими способами на качество готовой продукции.
Классификация сырья на основе его разделения по физической структуре может быть легко осуществлена, так как в большинстве случаев она просто устанавливается. В соответствии с этой классификацией можно выделить продукты:
— клеточного строения
— жидкие
— желеобразные (студни, гели)
— пастообразные
— жирнообразные
— стекловидные.
Кпродуктам клеточного строения, или волокнистым пищевым продуктам, относят пищевые продукты, состоящие из клеток, имеющие волокнистые структуры, которые образуют каркас (сетку), что в значительной мере определяет консистенцию продукта. Структурная волокнистая сетка, образующая каркас продукта, имеет нерегулярный характер, который зависит от вида, возраста, степени созревания продукта, поэтому прочностные свойства и консистенция продукта одного вида могут колебаться в широких пределах.
Продуктами клеточного строения являются мышечные ткани животных, основным структурным элементом мышечной ткани является мышечное волокно (клетка). Ткани фруктов и овощей также образованы растительными волокнами.
Качество целых или грубоизмельченных плодов и овощей, мяса и мясных продуктов во многом определяется свойствами клеточной структуры. Консистенция этих продуктов зависит от следующих факторов:
• действия межклеточных сил, связующих клетки друг с другом;
• механической прочности и жесткости клеточных стенок;
• набухания клеток вследствие осмотического давления внутриклеточной жидкости.
Потребительские свойства продуктов во многом определяются состоянием клеточной структуры, которое заметно меняется во время хранения продуктов. Это характерно как для растительных, так и для животных продуктов и рыбы. При тонком измельчении структура продуктов разрушается и такие продукты следует рассматривать как типичные дисперсные системы.
Кжидкимотносятся продукты, которые легко растекаются при комнатной температуре. Типичными жидкими продуктами являются молоко, соки, различные напитки, а также сиропы, некоторые соусы и др. К жидким продуктам часто относятся продукты с заметными включениями твердых частиц: соки с фруктовой мякотью, пюре и др.
Наиболее характерным фактором, определяющим свойства жидких пищевых продуктов, является вязкость. Вязкость молока возрастает с повышением процентного содержания жира и содержания белковых веществ при постоянном содержании жира. Гомогенное цельное молоко ведет себя в основном как ньютоновская жидкость1.
1 Ньютоновская жидкость — вязкая жидкость, то есть жидкость, подчиняющаяся при своем течении закону вязкого трения Ньютона. Подчинение течения жидкости закону Ньютона заключается в том, что если жидкость под влиянием приложенного извне напряжения сдвига Р течет по капилляру, то с увеличением напряжения сдвига пропорционально возрастает и скорость течения.
Сиропы и мед ведут себя как простые ньютоновские жидкости. Их вязкость в большой мере зависит от концентрации сахаров. Большинство соков, получаемых из фруктов и овощей, являются ньютоновскими жидкостями. Существует мнение, что соки с более высокой вязкостью имеют более высокое качество, чем с низкой. Однако для неосветленных соков вязкость является малопригодным показателем для определения их качества, так как она зависит от характера, размера и количественного содержания взвешенных частиц.
Кжелеобразным (студням, гелям) пищевым продуктам относят: фруктовые желе, желатиновые десерты и другие, состоящие в основном из полимерных углеводов (крахмал, пектин или агар) или из белков (глобулин, желатин). Качество желеобразных продуктов зависит от желеобразующей (студнеобразующей) способности этих веществ при определенной концентрации в воде.
В пищевой промышленности широко используются крахмальные, пектиновые гели, растительные камеди, желатин и яичный альбумин.
Водные суспензии натуральных крахмалов при нагревании до определенной температуры образуется гель, прочность которого зависит от типа и концентрации крахмала, условий его образования, реакции среды (рН), температуры. Пектин широко используется в кондитерской промышленности, т.к. способен образовывать сахаро-кислотные гели. При производстве кондитерских изделий, десертов, некоторых мясных изделий используют желатин, который образует плотный гель из охлажденного золя при низких концентрациях (0,5—1%). Яичный белок, представляющий собой в нативном состоянии золь, при нагревании вследствие коагуляции белка переходит в плотный гель.
К пастообразнымпродуктам относятся некоторые грубоизмельченные продукты из растительного и животного сырья, а также отдельные смеси, имеющие густые, кашеобразные, тягучие, слизистые структуры. Это фруктовое и овощное пюре, томатная паста, колбасный фарш, ореховый мусс, сырковая масса. Пастообразными являются шоколадная масса при температуре несколько выше 35оС, состоящая из частиц какао и кристалликов сахара в жидком какао-масле, помадные массы кондитерского производства, некоторые виды теста.
Пасты из фруктового и овощного сырья в основном сохраняют свою клеточную структуру. По своей природе пасты являются концентрированными суспензиями.
Кжирнообразным пищевым продуктам относят сливочное масло, маргарин, майонез, шоколад, кремы масляные и другие продукты. Большое содержание жира в этих продуктах определяет их структуру и консистенцию, что и является причиной их выделения в отдельную группу.
Качество жирнообразных продуктов во многом определяется структурой продукта. Известно, что на это свойство главное влияние оказывают состав жира и температура его плавления, обусловливаемые происхождением жира, размеры шариков и кристаллов жира, зависящие от различных условий процесса производства жирнообразных продуктов.
Структура сливочного масла представляет собой среду молочного жира, в который распределены капли водного раствора, молочного белка, минеральных солей, лактозы и других компонентов молока.
Шоколад представляет собой сплошную среду масла какао, в которой распределены частицы других нежирных компонентов (сахар, вкусовые соединения, эмульгаторы (лецитин). Характерные структурные свойства шоколада определяются тем, что масло какао имеет более узкий диапазон пластичности сравнительно с другими жирами. При комнатной температуре оно застывает, становится ломким и утрачивает маслянистость, при температуре 36°С – плавится.
Майонез представляет собой мелкие капельки растительного масла, которые равномерно распределены в жидкой среде, состоящей из воды, поверхностно-активных веществ, вкусовых добавок.
По своей природе жирнообразные продукты чаще всего являются концентрированными эмульсиями.
К стекловиднымотносятся продукты, обладающие низкой упругостью (эластичностью), разламывающиеся под действием избыточного напряжения, то есть обладающие типичными свойствами стекла. Типичным стекловидным продуктом является леденцовая карамель. Это аморфный продукт, состоящий из застывшего пересыщенного сахарного сиропа. Карамели стекловидного типа имеют сплошную гомогенную структуру, состоящую из почти обезвоженной смеси углеводов. Выраженное действие на консистенцию карамели оказывает содержание воды. При содержании воды 4% карамель имеет более мягкую консистенцию. По мере снижения содержания воды твердость продукта быстро повышается, достигая максимального значения при 1,5%.
Количественные характеристики физических свойств пищевых продуктов выражаются через основные и производные физические величины и единицы их измерения.
В зависимости от природы физические свойства можно подразделить на следующие группы:
q размерно-массовые характеристики (свойства);
q структурно-механические свойства;
q теплофизические свойства;
q электрофизические свойства;
q оптические свойства;
q сорбционные свойства.