Пищевая химия. Волшебный мир превращений на нашей кухне

Мария Сафина

Пищевая химия. Волшебный мир превращений на нашей кухне

Узнавать что-то новое об окружающих невидимых глазу процессах – это как открыть для себя огромный интересный мир!

Введение

Узнавать что-то новое об окружающих невидимых глазу процессах – это как открыть для себя огромный интересный мир! И пусть мы не видим молекулы, химические реакции, но мы понимаем, что все это происходит прямо сейчас и влияет на наш организм, чувство сытости, набор витаминов и минералов из питания, сохранение нутритивной ценности или ее потерю, и в конечном итоге, на здоровье органов и систем организма, уровень энергии, восстановление, сон и качество жизни.

Когда понимаешь процессы, окружающие тебя каждый день на кухне, в быту, при приготовлении пищи более глубоко – начинаешь смотреть на свой рацион иначе.

Действительно, становится легче строить здоровое питание; понимать, что ты делаешь и зачем; какие изменения происходят сейчас с продуктом, и как он будет действовать на твой организм.

Я всегда начинаю изучение нового с самых основ и строю причинно-следственные связи между теорией и практикой каждого дня. Для меня причинно-следственные связи это – база питания, база здоровья, база построения фигуры.

Причинно-следственные связи помогают ответить на самый важный вопрос в контексте ваших действий относительно питания и физической активности: «Исходя из моего индивидуального образа жизни и уровня физической активности – как то, что я делаю сейчас, меня продвигает в достижении моих целей?».

Почему огурцы становятся морщинистыми при консервировании?

Свежий огурец на 94–96 % состоит из воды, заключённой внутри клеток, окружённых прочной клеточной стенкой из целлюлозы, гемицеллюлозы и пектина. Эти стенки поддерживают тургор – внутреннее давление, за счёт которого огурец остаётся упругим.

Когда огурец попадает в рассол, где концентрация соли (NaCl) обычно 5–7 %, возникает осмотический градиент: вода из клеток стремится выйти наружу, чтобы выровнять концентрацию солей.

В результате клетки теряют влагу, тургор падает – ткани «сморщиваются». Теперь вы будете вспоминать про явление осмоса, глядя на огурцы в банке;).

Но это не единственная причина.

Во время маринования происходит также ферментативная деградация пектина – полисахарида и ключевого «цемента», который склеивает клетки. В норме пектин удерживает воду и придаёт структуру. Однако при понижении pH (до 3–4 в уксусном маринаде – это кислая среда) и под действием пектиназ (ферментов, вырабатываемых микрофлорой или самим растением при хранении) происходит изменение структуры пектина.

Пектин теряет вязкость и способность связывать воду. В результате ткани становятся менее упругими и легче деформируются.

Дополнительно, при нагреве во время пастеризации солений и консервов усиливаются процессы денатурации (разрушения сложный структуры) белков клеточной стенки и разрушения водных мостиков между молекулами полисахаридов. После охлаждения структура не восстанавливается – отсюда и морщинистость.

Интересно, что при сухом посоле эффект выражен меньше, поскольку осмос протекает медленнее – водной среды ведь нет! Кислотность также повышается не так резко. В промышленности регулируется количество соли, температура и pH, чтобы сохранить текстуру огурцов или других овощей при солении. Добавляют кальциевые соли (например, CaCl₂), которые стабилизируют пектин, укрепляя клеточные стенки и уменьшая морщинистость.

Теперь вы знаете, что морщинистый огурец – это результат сочетания изменения осмотического давления, ферментативного распада пектина и термической денатурации белков.

Источники:

1. Sila, D. N. et al. (2008). Texture changes during thermal processing of vegetables: Pectin modifications and water distribution. Food Chemistry, 108(1), 171–177.

2. Greve, L. C. et al. (1994). Cell wall metabolism in ripening and pickling cucumbers. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 42(10), 2313–2319.

3. Lee, C. Y. et al. (1990). Pectin degradation and texture softening in brined cucumbers. Journal of Food Science, 55(5), 1353–1357.

Почему картофель становится сладким, если хранить его в холодильнике?

Может, вы замечали, что если хранить картофель в прохладном месте (в подвале, в сарае, как мы делали это в детстве) – то он становится сладковатым.

Для этого явления даже есть специальное название «cold-induced sweetening» (приобретение сладкого вкуса на холоде).

Оно связано не с порчей клубня, а с ферментативными процессами внутри картофеля.

При температуре ниже +8 °C в тканях активизируется фермент α-амилаза, а также β-амилаза и другие ферменты, которые расщепляют крахмал (амилозу и амилопектин) на более короткие цепочки.

В процессе расщепления идет накопление глюкозы и фруктозы, относящихся к редуцирующим сахарам. Это самые обыкновенные природные сладкие моно-сахариды!

Они и придают картофелю сладость – то есть, при расщеплении крахмала, состоящего из остатков глюкозы – мы и получаем преимущественно сладкую глюкозу и некоторое количество фруктозы.

Для картофеля – это просто адаптивный механизм к холоду. Моносахариды (глюкоза, фруктоза) повышают осмотическое давление клеточного сока, это защищает клетки от повреждения при низкой температуре.

Но с точки зрения приготовления пищи – сладковатый картофель может дать более глубокую реакцию Майяра – взаимодействии простых сахаров типа глюкозы сахаров с отдельными аминокислотами. Это приводит к усиленному потемнению картофеля при жарке, появлению горьковатых и жженых нот во вкусе.

Побочным продуктом глубокой реакции Майяра становится акриламид – соединение, классифицированное как потенциально канцерогенное. В сладковатом картофеле акриламид образуется легче и его образуется больше!

Именно поэтому жарки и термообработки в целом оптимальнее использовать картофель, выращенный и хранившийся при оптимальной температуре (обычно +8–10 °C), но не в холодильнике.

Сладковатый картофель уже не проходит контроля качества для розничной продажи в качестве моно-продукта. В пищевой промышленности уровень редуцирующих сахаров в картофеле измеряют с помощью методов ВЭЖХ (высокоэффективная жидкостная хроматография) или колориметрии, поскольку именно этот показатель определяет пригодность сырья для продажи или обработки (если далее продукт идет на предприятие общественного питания).

Итак, сладость картофеля из холодильника – результат ферментативного гидролиза крахмала, такой продут не испорчен, но биохимическая структура у него изменена.

Для жарки, варки такие изменения нежелательны: меняются вкус, цвет, аромат и химический профиль готового продукта. Нам нужно получить из картофеля долгий углевод, то есть сохранить сложную структуру крахмала, поэтому и запекаем картофель в кожуре, с сохранением твердости, не перевариваем.

А в этом случае получается, что он уже собственными ферментами – амилазами как бы частично переварился изнутри и стал более легкоусвояемым углеводом.

Реакция расщепления крахмала до моно-сахаров должна происходить в нашем организме нашими собственными ферментами амилазами, тогда будет долгая сытость от картофеля и стабильное пищевое поведением.

И конечно, гликемический индекс картофеля при холодовом хранении чуть выше, чем у картофеля, который не был подвержен холодовому хранению. Наверное, вы уже и сами догадались, почему!? Больше глюкозы – чуть выше гликемический индекс.

Поэтому хранить картофель лучше в тёмном и прохладном месте, но не в холодильнике и не на балконе зимой.

Источники:

1. Burton, W.G. Post-harvest Physiology of Food Crops. Longman, 1989.

2. Singh, J., Kaur, L. Advances in Potato Chemistry and Technology. Academic Press, 2009.

3. Shallenberger, R.S. Taste Chemistry. Springer, 1993.

4. Friedman, M. “Chemistry, Biochemistry, and Safety of Acrylamide. A Review.” J. Agric. Food Chem. 2003.

Почему мясо меняет цвет при жарке?

Когда мясо (стейк, например) попадает на горячую сковороду, он меняет цвет от красного до серого. Это результат биохимических процессов превращения белка мяса, а не "выход крови" из мяса, как многие считают.

За красный/розовый цвет свежего мяса отвечает миоглобин – белок, содержащий гемовую группу с атомом железа, который связывает кислород. Именно он окрашивает мясо!

При нагревании происходят следующие изменения:

1. При 55–60 °C миоглобин начинает денатурировать – теряет естественную пространственную структуру, она становится более простой (сложные белковые глобулы, образующие четвертичную структуру, разрушаются). Красный цвет ослабевает, мясо становится розовым.

2. При 65–70 °C железо в центре гема окисляется из двухвалентного (Fe²⁺) в трёхвалентное (Fe³⁺), образуется метмиоглобин – и цвет меняется на серо-коричневый.

3. Параллельно денатурируют другие мышечные белки (актин, миозин), это уплотняет структуру волокон и делает мясо жёстче. Выпрессовывается влага.

По сути, молекулы белка из нативного состояния переходят в более простые, легкоусвояемые белки и теряют способность связывать кислород. Температура денатурации миоглобина служит ориентиром для степени прожарки мяса, стейка, например. Да и в принципе, любого мяса, птицы, рыбы.

Для полной готовности важно, чтобы белок денатурировал, иначе продукт будет сырым или полусырым, тогда риски остаточных бактерий (если такие были) будут выше.

Поэтому всегда советую мясо, птицу, рыбу готовить до полной готовности, полусырыми не употреблять.

Приведу пример степени прожарки стейка и состояния миоглобина:

1. Rare (48–52 °C): центр ярко-красный, миоглобин ещё почти не денатурирован.

2. Medium rare (55–57 °C): розовый центр, начало денатурации миоглобина.

3. Medium (60–63 °C): равномерно розовый, активная денатурация белков.

4. Medium well (65–68 °C): только лёгкий розовый оттенок, большинство пигментов окислены.

5. Well done (>70 °C): мясо серо-коричневое, миоглобин полностью разрушен, структура максимально уплотнена. это готовое мясо, я рекомендую употреблять именно полностью прожаренные стейки.

При низкотемпературной долгой готовке (например, су-вид) можно удерживать мясо в диапазоне «medium rare» несколько часов – миоглобин частично сохраняется, а соединительная ткань упрощает структуру до желатин, делая продукт очень мягким. Процессы томления основаны на этом!

В промышленности для стабилизации красного цвета используют нитриты (например, в колбасах, сосисках, полуфабрикатах): они образуют нитрозомиоглобин, который гораздо устойчивее к нагреву. Но! В организме он образует канцерогенные соединения и препятствует оксигенации органов и тканей. Поэтому, продукты с нитрозомиоглобином употреблять для здоровья неоптимально.

Кстати, при жарке мяса и с жирами внутри него тоже происходят изменения.

А к стейку добавляют кучу сливочного масла в ресторане или дома дополнительно. Ох, как это меняет жирнокислотный состав блюда, калорийность блюда.. не в лучшую сторону… Но это уже другая история)

Просто чтобы во всем этом разбираться и строить свое здоровье ОСОЗНАННО.

Источники:

1. Faustman, C., & Cassens, R. G. The biochemical basis for discoloration in fresh meat: A review. Meat Science, 43(3–4), 181–203.

2. Hunt, M. C., Sørheim, O., & Slinde, E. Color and heat stability of myoglobin forms in ground beef. Meat Science, 55(1), 17–22.

3. Mancini, R. A., & Hunt, M. C. Current research in meat color. Meat Science, 71(1), 100–121.

4. Ledward, D. A. Post-slaughter influences on the formation of metmyoglobin in beef muscles. Meat Science, 15(3), 187–197.

5. King, D. A., et al. Contribution of myofibrillar and connective tissue components to beef texture. Meat Science, 84(4), 770–777.

Почему шоколад белеет при хранении?

Белый налет на шоколаде многие путают с плесенью, но на самом деле это "жировое поседение шоколада" – дефект, связанный с неправильным хранением (перепады температур: плавление шоколада в упаковке и затем его охлаждение). Этот процесс связан с связанный с изменением структуры кристаллической решетки жиров какао-масла – одного из компонентов шоколада.

Какао-масло состоит из триглицеридов (это обычные пищевые жиры, состоящие из глицерина + 3 остатка жирных кислот). Для какао-масла самые частые жирные кислоты в составе: стеариновая, пальмитиновая, олеиновая. Их соотношение и делает возможным образование разны кристаллических формы при контролируемом нагревании и времени нагрева (темперирование шоколада). При темперировании на производстве добиваются создания самой прочной, хрустящей, устойчивой кристаллической формы.

Но когда человек покупает шоколад и неправильно его хранит: положит на солнце на подоконник (или в машину на сиденье), шоколад расплавился и потом человек кладет его в холодильник.

Часть жира плавится, при повторном застывании формируются стабильные кристаллы, выступающие на поверхность.

Это меняет текстуру шоколада становится более ломким и более сухим.

В целом на вкус может и повлиять, есть такой шоколад можно, он не вреден. Но для шоколада в промышленности является дефектом неправильного хранения (в магазине, например).

Еще бывает сахарное поседение – оно возникает из-за конденсации влаги на поверхности плитки при повышенной влажности окружающей среды. Вода растворяет сахар, при испарении образуются кристаллы, заметные глазу как белый слой.

Такой налёт хрустит на зубах, может испортить впечатление от шоколада, но шоколад вредным не будет, его есть можно.

Жировое поседение – это не плесень: оно связано с полиморфизмом (физико-химические свойства кристаллической решетки) какао-масла.

Какао-масло может существовать в нескольких формах (α, β’, β). Наиболее стабильная β-форма отвечает за блеск и качественный хруст, за то, что шоколад не тает в руках мгновенно (но тает, особенно если шоколад без эмульгаторов, мастеровой с составом: какао-тертое, какао-масло, сахар).

При нарушении хранения молекулы триглицеридов/жиров перестраиваются, переходя в другую фазу.

Чтобы сохранить структуру, шоколад нужно хранить при стабильной температуре +15…+18 °C и низкой влажности (<60%). Молочный и белый шоколад более склонны к жировому поседению из-за высокого содержания молочного жира и меньшей кристаллической стабильности.

Кстати, нам в детстве часто попадался шоколад с жировым поседением, и мы его ели, потому что в те годы, 1994-1995 г.г., 2000 г.г. (ахаха 🔥) шоколад был супер-редкостью у нас. Мы экономили шоколадку Альпен Гольд на неделю, ели в день по квадратику с сестрой и растягивали удовольствие, откусывая маленькие кусочки. Иногда бабушка дарила шоколадку из Финляндии. Это было событие мега-масштаба!)) Ахахах!)))

И еще у меня было несколько тетрадок, в которые я красиво вклеивала фантики от шоколада и конфет и подписывала: ВКУСНАЯ или НЕВКУСНАЯ. Чтобы потом не купить невкусную! Ахахаха!!!

Потом стала клеить разные орешки (арахис), сухарики.;)

Исследования:

1. Beckett, S. T. The Science of Chocolate. Royal Society of Chemistry, 2017.

2. Loisel, C., Keller, G., Lecq, G., Bourgaux, C., & Ollivon, M. Phase transitions and polymorphism of cocoa butter. Journal of the American Oil Chemists' Society, 75(4), 425–439.

3. Lonchampt, P., & Hartel, R. W. Fat bloom in chocolate and compound coatings. European Journal of Lipid Science and Technology, 106(4), 241–274.

4. Briones, V., Aguilera, J. M., & Brown, J. Effect of surface treatments on moisture migration and sugar bloom in chocolate. Food Research International, 39(3), 299–305.

5. Ziegler, G. R., & Lonchampt, P. The kinetics of fat bloom formation in chocolate. Food Chemistry, 70(3), 329–338.

Почему в микроволновке отлично сохраняются витамины?

О вреде и пользе микроволновки есть много мифов, в том числе бытует мнение, что все витамины там разрушаются. На самом деле микроволновка – друг человека 21 века! И именно при разогреве еды в микроволновке или на специальной функции размораживания замороженных продуктов витамины сохраняются классно.

Микроволновка излучает волны диапазона 2,45 ГГц, которые заставляют молекулы воды колебаться и выделять тепло. Микроволны не обладают ионизирующей энергией и не могут разрушать витамины напрямую. То есть, идет нагрев продукта изнутри, без горячей окружающей среды (как варка, допустим).

И вот именно в присутствии горячей воды и циркулирующего кислорода – при варке, кипении – теряется много витаминов и почти все антиоксиданты! Водорастворимые витамины (С, В9 – фолиевая кислота, В1 – тиамин, В2 – рибофлавин) быстро переходят в воду и разрушаются при долгом кипячении. Варёные овощи почти всегда беднее на витамин С, чем приготовленные на пару или в микроволновке. Антиоксиданты нестойки к варке и тоже разрушаются на 80-90%

Минералы тоже переходят в воду, и если человек ее сливает – то теряется и минеральная составляющая продукта.

Приготовление "на пару" – это мелкие капельки влаги в воздухе, а не окружающая продукт воды, как при кипении в кастрюле. Поэтому приготовление "на пару" сохраняет витамины оптимальнее.

Поэтому замороженные овощи можно просто сразу готовить в микроволновке под спец. крышкой (чтобы сильно не испарялась влага), а не варить.

Крутое преимущество микроволновки – короткое время нагрева и в целом быстрая готовность продукта и отсутствие лишней воды.

Меньше времени + меньше диффузии в воду (перехода витаминов-минералов в воду) и меньше окисления (при контакте с кислородом в пузырьках воздуха при кипении) – поэтому больше сохраняется витаминов и антиоксидантов в продукте.

Важно также продукт не мельчить, ведь измельчение – это увеличение площади нагрева, увеличение площади контакта с кислородом – больше потери при любом способе термообработки.

Потери могут быть и в микроволновке, но они меньше, чем при варке на плите.

Микроволновочка – это один из способов бережной кулинарной обработки. Главное – не перегревать, не жестить, делать короткие циклы нагрева, если это длительный нагрев/готовка.

В микроволновке: можно к овощам добавить пару ложек воды и готовить в под спец. крышкой в тарелке, так вы создадите эффект мини-пароварки и продукт получится сочным, не потеряет цвет!

Потери витаминов и антиоксидантов при разных способах приготовления:Брокколи, витамин С

Варка: потери 50–60 %;

Пар: потери 20 %;

Микроволновка: потери 10–15 %;

(Journal of Food Science, 2007)

Морковь, каротиноиды

Варка: потери 30 %;

Пар: потери 15 %;

Микроволновка: потери 10 %;

(Food Chemistry, 2009)

Шпинат, фолаты (витамин B9)

Варка: потери 50 %;

Пар: потери 20 %;

Микроволновка: потери 10–15 %;

(Food Chemistry, 2009)

Зелёные овощи, общая антиоксидантная активность

Варка: потери до 60 %;

Пар: потери 20–30 %;

Микроволновка: потери 10–20 %;

(International Journal of Food Sciences and Nutrition, 2010)

Картофель, витамин С

Варка: потери 45 %;

Пар: потери 20 %;

Микроволновка: потери 10 %;

(Food Chemistry, 2009)

Потери антиоксидантной активности в брокколи при термообработке (в % от исходного уровня):

Варка в воде – 40–55%;

Тушение – 25–35%;

Жарка без масла – 20–30%;

Жарка в масле – 45–55%;

Фритюр – 50–60%;

Запекание – 20–35%;

Приготовление на пару – 10–20%;

Су-вид (низкие температуры, вакуум) – 5–15%;

Микроволновка – 15–25%.

Что говорят исследования на счет термообработки и АНТИОКСИДАНТОВ?

1. Miglio, C., Chiavaro, E., Visconti, A., Fogliano, V., Pellegrini, N. (2008). Effects of different cooking methods on nutritional and physicochemical characteristics of selected vegetables. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 56(1), 139–147.

Варка значительно снижает антиоксидантную активность, а приготовление на пару и в микроволновке сохраняет её лучше.

2. Palermo, M., Pellegrini, N., Fogliano, V. (2014). The effect of cooking on the phytochemical content of vegetables. Journal of the Science of Food and Agriculture, 94(6), 1057–1070.

Обзор, где систематически собраны данные по антиоксидантам и фенольным соединениям в овощах при разных методах готовки. Чем жестче способ обработки – тем глобальнее потери!

3. Xu, F., Yuan, Q., Dong, H., et al. (2014). Effect of cooking methods on phytochemical compounds and antioxidant activity of broccoli. Journal of Zhejiang University-SCIENCE B, 15(6), 545–552.

Экспериментально показано, что пароварка и су-вид лучше всего сохраняют антиоксиданты, а варка и фритюр приводят к наибольшим потерям.

4. Effects of Cooking and Processing Methods on Phenolic Contents and Antioxidant and Anti-Proliferative Activities of Broccoli Florets (MDPI, 2021)

Микроволновка (с коротким временем нагрева, умеренным нагревом) незначительно уменьшает и даже увеличивает общее содержание полифенолов, при этом антиоксидантная активность остаётся почти на уровне свежего продукта.

5. Effects of Microwave Cooking Conditions on Bioactive Compounds Present in Broccoli Inflorescences (ACS / Journal of Agricultural & Food Chemistry, 2007)

Выбирали разные режимы микроволновки – время, мощность, добавление воды – и проводили анализ потери витамина C, фенолов, глюкозинолатов.

Вывод: При коротком времени и с малым количеством воды потери витамина C могут быть незначительными, но при длинной обработке потери сильно возрастают.

В общем, НЕ ЖЕСТИТЬ ДАЖЕ С МИКРОВОЛНОВКОЙ, КАК ВСЕГДА ВАЖНА УМЕРЕННОСТЬ!

Потери фенольных соединений и глюкозинолатов в основном связаны с вымыванием в воду и механическим повреждением + контакт с водой и кислородом при нагреве.

6. Microwave Bag Cooking Affects the Quality, Glucosinolates Content and Hydrolysate Production of Broccoli Florets.

Приготовление брокколи в спец. пакетах для микроволновки (“microwave bag”) сравнивали с обычным приготовлением в микроволновке.

Измеряли содержание полифенолов, содержание витамина C, общее антиоксидантное действие.

Вывод: при использовании пакета для микроволновки за фиксированное единое время приготовления время биоактивных соединений заметно меньше, лучше сохраняются фенолы, флавоноиды, витамин C. Антиоксидантная активность выше, чем при обычном приготовлении без спец. пакета.

На маркетплейсах такие пакеты есть, также можно использовать рукав для запекания, чтобы весь вытекший сок использовать без слива!

Мой метод такой: замороженные брокколи, спаржу, бывает и микс из замороженных овощей, брюссельскую капусту кладу в тарелку, сверху специальную крышку для микроволновки и просто ставлю несколько раз короткими промежутками 1,5-2 мин на простой режим нагрева еды) Получается сочно – мне подходит!

Сейчас больше ем свежие овощи или чуть подпекаю на сковороде болгарский перец, красный лук и помидор; или могу поставить на 10 секунд в микроволновку шпинат, чтобы инактивировать частично оксалаты; иногда в шпинату добавляю чуть петрушки и укропа, чтобы зелень стала чуть мягче, при этом другую чать зелени на тарелке не термообрабатываю.

Исследования:

1. Journal of Food Science, 2007: брокколи в микроволновке сохраняет больше витамина С и глюкозинолатов, чем при традиционной варке.

2. Food Chemistry, 2009: морковь и шпинат после разогревания микроволновки сохраняют до 90 % фолатов и каротиноидов, тогда как при варке значительная часть уходит в отвар.

3. International Journal of Food Sciences and Nutrition, 2010: приготовление зелёных овощей в микроволновке дало наименьшие потери антиоксидантов по сравнению с варкой и тушением.

Другие истчоники:

1. Lee, C. Y., & Kader, A. A. “Preharvest and postharvest factors influencing vitamin C content of horticultural crops.” Postharvest Biology and Technology, 1999.

2. Zhang, D., & Hamauzu, Y. “Phenolics, ascorbic acid, carotenoids and antioxidant activity of broccoli and their changes during conventional and microwave cooking.” Food Chemistry, 2004.

3. Ismail, A., Marjan, Z. M., & Foong, C. W. “Total antioxidant activity and phenolic content of selected vegetables.” Food Chemistry, 2004.

4. Yadav, S. K., & Sehgal, S. “Effect of domestic processing on ascorbic acid and β-carotene content of vegetables.” Plant Foods for Human Nutrition, 1997.