bài giảng công nghệ hóa học thực phẩm

VAI TRÒ CỦA NƯỚC TRONG ĐỜI SỐNG VÀ SẢN XUẤT THỰC PHẨM Đối với đời sống: - Trong tế bào, cơ thể sinh vật nước là thành phần bắt buộc, chiếm phần lớn 70-80%, cá biệt như sứa 98% … - Nước t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH

-CHƯƠNG I

NƯỚC VỚI CẤU TRÚC VÀ CHẤT LƯỢNG THỰC PHẨM

1 VAI TRÒ CỦA NƯỚC TRONG ĐỜI SỐNG

VÀ SẢN XUẤT THỰC PHẨM

Đối với đời sống:

- Trong tế bào, cơ thể sinh vật nước là thành phần bắt buộc, chiếm phần lớn 70-80%, cá biệt như sứa 98% …

- Nước tham gia trong các phản ứng quang hợp của thực vật tạo hợp chất hữu cơ

-Trong cơ thể sống, nước tham gia trong các phản ứng thủy phân hình thành sản phẩm.

- Do có hằng số điện môi lớn góp phần phân ly các chất điện môi thành ion …

- Nước có tác dụng bảo vệ các mô, cơ quan của động vật (các khớp xương, não, tủy), chống các tổn thương cơ học khi vận động.

- Nước: nhiệt dung, tỷ nhiệt và khả năng dẫn nhiệt cao → điều hòa nhiệt của cơ thể, điều hòa khí hậu.

Vì vậy ở nơi nào có nhiều nước, nơi ấy có họat động sống phong phú

Đối với sản xuất công nghiệp

• Nước dùng để rửa nguyên liệu, chế tạo sản phẩm và xử lý sản phẩm cuối cùng.

• Nước góp phần tạo cấu trúc nguyên liệu, giúp hòa tan các polyme tạo trạng thái keo, tạo cấu trúc cho sản phẩm, quyết định tính chất cảm quan và lưu biến của thực phẩm,…

• Nước là thành phần của một số sản phẩm: công nghệ nước giải khát, bia, …

• Nước tham gia trong các phản ứng hóa học:

• Nước làm tăng cường các quá trình hô hấp, nẩy mầm, lên men, ảnh hưởng đến quá trình bảo quản sản phẩm.

• Nước là nguyên liệu có thể tái sinh, sau quá trình sử dụng nước không thay đổi các đặc tính của nó → nếu được xử lý có thể tái sử dụng

2 HÀM LƯỢNG VÀ TRẠNG THÁI CỦA NƯỚC TRONG

SẢN PHẨM THỰC PHẨM

Hàm lượng nước

Dựa vào thành phần của nước trong sản phẩm thực phẩm

→ chia ra 3 nhóm sau:

• Thực phẩm có hàm lượng nước cao trên 40%

(Rau, Tp lỏng … → dễ hư hỏng → khó bảo quản → cần có biện pháp bảo quản nghiêm ngặt).

• Thực phẩm có hàm lượng nước trung bình 10 - 39% (SP

CB khô họăc TP bán lỏng do hàm lượng nước vẫn còn cao nên cũng khó bảo quản → Phải bảo quản ĐK nhất định)

• Thực phẩm có hàm lượng nước thấp dưới 10% (Thực phẩm khô hoặc các loạt hạt → thời gian bảo quản dài).

Nước thường tồn tại ở hai trạng thái:

tự do và liên kết.

Nước tự do: các phân tử nước không liên kết

với các thành phần của thực phẩm

Nước tự do: đầy đủ t/c của nước nguyên

chất: - Môi trường VSV phát triển

- Dung môi hòa tan

- Có khả năng bay hơi và đông đặc

Nước liên kết: liên kết hóa học, liên

kết hóa lý và liên kết cơ lý (lk mao

quản).

Nước liên kết: không có đầy đủ tính

chất của nước nguyên chất

Nước tự do là thành phần ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hư hỏng của TP

3 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC

(a) Trạng thái hơi (Hiện diện dưới dạng các đơn phân tử, không có liên kết hydrogen

(b) Trạng thái lỏng (các liên kết hydrogen không

ổn định: chúng được thiết lập rồi mất đi …)

(c) Trạng thái rắn (1 phân tử nước liên kết với

4 phân tử nước xung quanh, các phân tử được

cố định tạo ra cấu trúc mạng → tinh thể đá)

TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC

Phân tử nước phân cực → tính chất rất đặc trưng:

• Khả năng hòa tan các chất phân cực hoặc các nhóm có cực,…→ phân ly thành ion, nhóm phân cực → trở thành dung môi sự sống; dung môi tẩy rửa.

• Các phân tử nước luôn tạo lk hydrogen → có nhiệt độ sôi cao 1000C (ethan sôi - 183,30C, ethanol sôi ở 78,30C) → dm truyền nhiệt làm chín sp.

• Tạo sức căn bề mặt, nhiệt dung, tỷ nhiệt, dẫn nhiệt và nhiệt hóa hơi cao (nước là chất làm mát, điều hoà nhiệt

cơ thể…)

• Là dung môi trơ về mặt hóa học.

4 HOẠT ĐỘ CỦA NƯỚC ( aw)

Hoạt độ của nước: là tỷ số áp suất hơi của dung dịch và dung môi.

-P: áp suất hơi bão hòa của dung dịch; N: số phân tử gam dung môi -P0: áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất; n: số phân tử gam chất tan

Không có đơn vị (thứ nguyên)

- a w Là số đo tương đối so với điều kiện chuẩn

Nước tinh khiết hoạt độ nước tinh khiết = 1 Hoạt độ nước của thực phẩm luôn < 1

Ví dụ: Tính họat độ nước của dung dịch chứa 1mol chất tan lý tưởng, 1lít

nước có 55,51mol nước (1000g/18)

- Nước tự do càng nhiều → P càng lớn → a w càng lớn

n N

N P

P a

01

51,55

51,

55n

=

Nồng độ mol của một số chất tan ứng với

giá trị aw ở 250C

8,47 5,98

2,12 4,03

9,8 0,850

5,57 4,11

1,58 2,83

6,17 0,900

0,277 0,272

0,101 0,150

0,281 0,995

Glycerol Saccharose

CaCl2NaCl

Chất tan

lý tưởng

aw

Các chất không tan → không làm giảm aw

- Các chất tan b/c khác nhau → mức độ liên kết khác nhau

5 ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ

Đường cong biểu diễn hàm lượng nước được giữ lại trong TP theo hoạt độ nước (độ ẩm môi trường xung quanh)

Tác dụng

- Giải thích về mặt lý thuyết

- Dự đoán sự tái hydrat hóa của một

sản phẩm làm khô: làm a w cao

- Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến

đường đẳng nhiệt hấp phụ: khi nhiệt

độ tăng → sự khử nước tăng (sự tăng

mạnh cùng sự giảm độ ẩm tương đối

của khí quyển)

6 ẢNH HƯỞNG CỦA a w ĐẾN TÍNH CHẤT BIẾN ĐỔI VÀ CHẤT

Lipid kém bền, bị biến đổi theo 2 hướng chính:

• Oxy hóa sinh học do enzyme và VSV

• Oxy hóa do tác nhân vật lý và hóa học : Oxy khí quyển, diện tích bề mặt tiếp xúc với oxy, ánh sáng, diện tích bề mặt tiếp xúc với ánh sáng, nhiệt độ, ion kim loại chuyển giao: Fe3+,

Cu2+, … Quá trình oxy hóa:

1- Ảnh hưởng của họat độ nước tới sự oxy hoá lipid và bảo quản thực phẩm có lipid

Acid béo chưa bão hoà

Peroxide

ROOH (RO + OH )

1 Khởi đầu các gốc tự do từ acid béo

chưa bão hoà hoặc từ các peroxide.

2 Phát triển peroxide từ các gốc tự do các aldehyde, keton

Lượng nước trong các sản phẩm có ảnh hưởng lớn đến phản ứng oxy hóa lipid :

• Khi aw thấp gần 0, cường độ oxy hóa hơi cao Khi aw = 0,3 (tương ứng với vùng hình thành lớp đơn phân trên bề mặt của sản phẩm: nước định vị vào các nhóm có cực của một số chất NH3+, COO-, OH- của Protein, tinh bột…) thì sự oxy hóa chất béo xảy thấp nhất Khi aw >0,3 thì cường độ phản ứng oxy hóa tăng và đạt cực đại aw = 0,7

0,05-Giải thích:

* Khi aw ≈ 0:

- Sản phẩm chứa chất béo dạng khan → cấu trúc lỗ xốp, chất béo lại phân bố trên bề mặt vi lỗ nên oxy có thể xâm nhập tự

do vào trong thực phẩm → oxy hóa chất béo xảy ra dễ dàng

- aw ≈ 0 enzyme và vi sinh vật không họat động nên không có quá trình oxy hóa sinh học Do vậy vận tốc tương đối của phản ứng oxy hóa lipid hơi cao.

* aW 0,05 ÷ 0,3 (Vùng có hiệu ứng bảo vệ của nước) vận tốc phản ứng oxy hóa thấp nhất vì:

• Có lẽ tạo ra lớp nước hấp phụ bảo vệ trên bề mặt sản phẩm làm sản phẩm bớt xốp.

• Nước liên kết tạo cầu nối hydrogen với hydroperoxyde khiến cho sự phân giải các gốc này tạo gốc tự do bị hạn chế (ROOH → RO• + OH• bị hạn chế):

• Nước bao vây M+3 (Người ta cho rằng nước là tác nhân tạo liên kết phối trí với M+3 → M+3)

• aw = 0,05 ÷ 0,3 nước chưa đủ cho họat động enzyme

và vi sinh vật nên oxy hóa sinh học không đáng kể

ứng oxy hóa lipid thấp nhất.

• Khi aw > 0,63 VSV bắt đầu hoạt động

chậm lại do nồng độ của các thành phần tham gia quá trình oxy hóa giảm

* Chú ý trong quá trình bảo quản TP chứa nhiều lipid xu thế làm giảm aw về vùng có hiệu ứng bảo vệ bằng cách:

• Tách nước ra khỏi sản phẩm (sấy lạnh,

sóng hay phơi ở nơi nắng nhẹ,…)

• Dùng phụ gia giữ nước: saccharose,

NaCl, các loại muối phosphate kép, sorbitol …

Ví dụ: làm lạp xưởng, thịt ngâm mắm,….

- Tất cả phản ứng đều tạo màu cho sản

phẩm (màu vàng → nâu → đen); làm sản

phẩm có mùi thơm đặc trưng (tạo ra hợp

chất chứa nitơ, nitơ có vòng…)

Tất cả phản ứng đều phụ thuộc vào

nhiệt độ, loại chất tan, pH, aw…

Phản ứng caramen hóa

Đường

caramenlan (màu vàng)

Caramelen (mầu nâu)

caramenlin (nâu đen, đắng)

Glucose : 146 – 150 0 C Fructose : 95 – 100 0 C Saccarose : 160 – 180 0 C Lactose: 223 – 252 0 C

Sự tạo màu do phản ứng Melanoidin

Phức đường amin

Cacbonylamin

QT ngưng kết Maillard

Biến đổi Amadori

Là hợp chất có khả năng phản ứng và là chất khởi đầu để tạo thành polyme có màu sẫm gọi là melanoidin

Amin Các hợp chất có

hoạt tính cao

-Các polymer có màu nâu.

- các hợp chất bay hơi có mùi

Ảnh hưởng của aw đến phản ứng:

• Đảm bảo khả năng hoà tan các chất tham gia phản ứng sẫm màu, tăng khả năng tiếp xúc, tăng tính linh động của các nhóm tham gia phản ứng.

• Tăng phân ly thành ion của nhóm: amin,

• Tăng phân cực cho các nhóm phản ứng (-OH).

• Thiết lập lớp kép của phân tử nước giữa các lớp mỏng của protein → các nhóm có cực của protein

lộ ra phía ngòai →làm tăng khả năng phản ứng

• Rút ngắn chu kỳ cảm ứng của phản ứng sẫm màu.

• Năng lượng hoạt hóa tỷ lệ nghịch aw.

0,75 xuống aw< 0,4)).

3 Ảnh hưởng của a w đến phản ứng enzyme và độ bền của E

* Cơ chế phản ứng của enzyme: E + S → E-S → P + E

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 aw

Hoạt động enzme tăng

Hoạt động enzme cực bé hoặc không có

Nước tự do có vai trò quyết định đ/v phản

ứng enzyme và độ bền của E Thường phản

ứng enzyme chỉ bắt đầu khi có nước tự do và

khi aw >0,45 Vì:

- Nước làm tăng khả năng hòa tan của E và S

nên làm tính linh động của enzyme, cơ chất.

- Làm tăng khả năng phân ly của các nhóm

chức nằm trong TTHĐ E, làm cầu nối liên

kết giữa các nhóm tạo thành cấu trúc không

gian của E → nước có vai trò quan trọng

trong việc hình thành TTHĐ E.

- Làm tăng khả năng phân ly của cơ chất và

E Góp phần làm E và S tích điện trái dấu→

dễ dàng tạo phức hợp ES

- Nước còn là thành phần tham gia các phản ứng thủy phân và phản ứng

chuyển hóa các chất, làm cầu nối liên kết giữa E và S.

* Độ bền của enzyme: là chỉ tiêu để xem liệu các

enzyme cho vào thực hiện một quá trình công nghệ có đạt hiệu quả mong muốn?

- Enzyme có thể giữ được hoạt độ nếu pH gần trung tính, ở nhiệt độ thấp và độ ẩm thấp Ở nhiệt độ thấp

sẽ làm enzyme biến tính chậm hơn và ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật.

- Tăng độ bền của enzyme, thêm NaCl, glycerin, propylen glycol là những chất làm giảm aw Ví dụ: sorbitol 70%, glucose 70%, sucrose 70% có tác dụng ngăn chặn sự bất hoạt do nhiệt của protease.

4 Ảnh hưởng của aw tới sự phát triển của VSV

VSV chỉ có thể phát triển khi có giá trị aw gọi là aw tối thiểu cần thiết cho họat động của VSV Vì:

+ Nước đảm bảo hòa tan E và chất dinh dưỡng.

+ Nước tham gia các phản ứng thủy phân và phản ứng chuyển hóa.

Đa số VSV sinh trưởng ở aw = 0,63 ÷ 0,99:

- Nấm men: aw 0,73 ÷ 0,85, cá biệt aw = 0,88 và ưa khô

aw = 0,6.

-Vi khuẩn: aw 0,88 ÷ 0,91; ưa mặn có aw = 0,75.

Trong cùng điều kiện vi khuẩn phát triển nhanh hơn so với các VSV khác

aw tối thiểu của một số vi sinh vật

5 Ảnh hưởng của aw tới giá trị dinh dưỡng

của thực phẩm

aw ảnh hưởng tới giá trị dinh dưỡng thông qua

tới độ bền của vitamin:

• C bền khi aw thấp, nếu aw tăng thì tăng phân hủy Bảo quản C: sucrose, sorbitol, glycerin …

• B1 nếu tăng độ ẩm từ 9,2% →14,5% tăng tổn thất B1 Ví dụ: Bảo quản thóc sau 1 năm mất 20%

B1 Bảo quản thóc trong bao bì không thấm nước thì 6 tháng B1 không giảm, nhưng bảo quản ở bao cói sau 6 tháng mất 40% B1, vo gạo mất 77% B1,

xử lý thóc bằng cách ngâm trong nước ấm sau đó sấy khô và xay thì sau khi nấu cơm mất 36%.

6 Ảnh hưởng của aw tới trạng thái và cấu trúc của

sản phẩm thực phẩm

• Ảnh hưởng aw tới cấu trúc rau quả tươi: rau quả tươi chứa nhiều nước căng, bóng và giòn Nước gây ra một

áp suất thủy tĩnh (áp suất trương) → tăng kích thước.

• Nước tham gia vào sự tạo cấu trúc và trạng thái của sản

phẩm thực phẩm chế biến:

- Tương tác với: NH2, COOH, OH, -CO-NH- của protein → vỏ hydrate → dung dịch protein có độ nhớt

- Ảnh hưởng tới trạng thái gel protein → giò, chả

- Ảnh hưởng đến khả năng tạo nhũ tương và khả năng tạo bọt của protein.

- Hóa dẻo tinh bột → dẻo, dai → tạo màng, tạo sợi …

CHƯƠNG II PROTEIN - CHẤT TẠO CẤU TRÚC CHO THỰC PHẨM

I CÁC HỆ THỐNG PROTEIN THỰC PHẨM

Hệ thống protein thực phẩm thành các nhĩm:

- Hệ thống protein của thịt, cá (protein cơ)

- Hệ thống protein của sữa.

- Hệ thống protein của máu.

- Hệ thống protein của lúa mì

- Hệ thống protein của đậu tương.

1 Protein của thịt

Thịt của động vật là hệ cơ chứa 15 – 22% protein

(protein chiếm 50 - 95% chất hữu cơ của thịt) Cơ gồm

cơ vân và cơ trơn Thịt tương ứng với cơ vân Tính chất

và chất lượng của thịt liên quan tới protein cơ.

Dựa vào vị trí chia protein cơ thành 3 nhóm:

+ Protein của chất cơ (sợi cơ)

+ Protein tơ cơ

+ Protein mô liên kết

Gân Bắp thịt

1.1 Protein của chất cơ

Myoglobin (thuộc protein

CẤU TẠO MYOGLOBIN

- Fe (Fe2+ hoặc Fe3+), liên kết phối trí Fe với (O2, NO, CO) và mức độbiến tính của globin mà myoglobin có mầu sắc: đỏ tía, đỏ hồng, nâu,…

Mb(Fe 2+ ) Myoglobin (đỏ tía)

MMb(Fe 2+ ) Metmyoglobin (nâu)

Oxy

hoá Khử

MbO2(Fe 2+ ) Oxymyoglobin (đỏ tươi)

O2

MbCO(Fe 2+ ) Carboxymyoglobin (đỏ sẫm)

CO

Ferrohemocrome (Fe 2+ , globin biến tính)

(đỏ hồng)

t 0 , các chất khử

Ferrihemocrom (Fe 3+ ) globin biến tính

(nâu)

Khử

Oxy hoá

Nitrozomyoglobin (Fe 2+

, NO (NO2) màu

đỏ hồng kém bền)

Nitrozoferrohemocrom (Fe 2+ , NO (NO2) globin biến tính), (đỏ hồng bền)

Nitrat

nitrit

Nitrat nitrit

t 0 , pH Nitrit

globin bị biến tính (thịt đóng hộp)

T 0 + O2

T 0 + ĐK Khử

Oxy hoá Khử

1.2 Protein của khung mạng: protein tạo ra màng của sợi cơ, môliên kết.

- Mô liên kết: collagen và elastin chiếm trên 50% lượng protein

* Collagen: là protein hình sợi không đàn hồi có độ bền kéo, bảo vệ

cơ chống lại sự kéo căng

Collagen: Gly 35%, Ala 25%, Pro 12% tổng số gốc a.a Ngoài ra còn

có Hydroxyproline (Hpro) và hydroxylysine (Hlys)

- Collagen: gồm tropocollagen, hình trụ dài 3000A0 (300nm), đường

kính 1,5nm, do 3 mạch polypeptid bện lại thành “dây cáp” siêu xoắn

(chiều cao mỗi gốc trong trục siêu xoắn là 2,9A0, vòng xoắc 3,3 gốca.a)

- Chuỗi polypeptid: Gly – Pro (hoặcHpro) - Ala hoặc Hpro lặp lại 5 ÷ 6 lần.

- Liên kết hydrogen hình thành giữa các

polypeptid Nhóm (-OH) của Hpro cũngtham gia liên kết hydrogen → tăng độbền của siêu xoắn

- Collagen không tan trong nước nhưng

có khả năng hấp thụ nước

- 550C 1/3 số phân tử collagen bị co ngắn 610C có gần 50% số sợi collagen

bị co 1000C bị gelatin hóa 115 –

1250C và áp suất cao thì collagen bịgelatin hóa nhanh chóng và hoàn toàn

*Elastin : là protein có màu vàng, có nhiều trong các thành động mạch, trong các dây chằng đốt sống của động vật có xương sống.

- Elastin có cấu trúc sợi Phân tử α-elastin có

MW 70.000 và β-elastin MW 50.500 nối với nhau bằng nhiều cầu đồng hóa trị.

- Khi nấu trong nước elastin chỉ bị trương ra

mà không hòa tan

1.3 Protein của tơ cơ

- Sợi cơ có đường kính từ 10 ÷ 100µm, dài 35cm

- Sợi tơ cơ được bao bọc bằng một mạng chất cơ giàu ion Ca2+

và thông với màng sợi cơ bằng các đường ống.

- Protein tơ cơ chiếm 50% lượng protein của cơ và chia làm 2 nhóm:

- Protein co rút: myosin, actin

- Protein điều hòa co rút: tropomyosin, troponin, α actinin, β actinin, protein M, C.

liên kết thuận nghịch với actin → phức (D: 120nm, ø: 1,5nm).

+ Actin: (chuỗi polypeptid)

- 374 gốc a.a, có cấu trúc bậc 3 dạng hình cầu (G-Actin) (chứa ATP và Ca2+)

Sự co cơ: là do các sợi mảnh actin trượt trên các sợi to myosin mà không làm giảm chiều dài của sợi này Đầu tiên một đầu myosin dính vào một vùng để cố định nó trên actin rồi bị biến đổi cấu trúc và trượt đi một khoảng 10nm Sau khi nhả ra đầu của myosin lại trở về cấu trúc ban đầu Trong 1 giây có 50 ÷ 100 lần trượt.

-Troponin: protein phân bố dọc chiều dài Actin, cứ 39nm có 1 troponin Có 3 loại troponin: T, I và C (C có 4 chỗ để gắn

- Sợi cơ thịt cá ngắn hơn (vài cm) và được

tổ chức thành những lớp mỏng.

- Myosin chiếm 40% protein tổng số và khó tách khỏi actin Myosin nhạy cảm với nhiệt và dễ bị phá huỷ bợi protease hơn đối với động vật máu nóng (khó tạo gel).

- Hiện tượng tê cứng và chín của cơ thịt cá diễn ra nhanh hơn (5 và 30 giờ ở 00C) Sau khi chết, pH cơ thịt cá giảm ít hơn

từ 7 xuống 6,2 ÷ 6,5 do đó thịt cá dễ bị

vi sinh vật phá hủy.