Сутність процесу карамелізації

 

План

1. Вступ. Цукристі кристалічні речовини………………………………………….3-5
2. Сутність процесу карамелізації …………………………………………………5-7
3. Ангідриди цукрів………………………………………………………………..7-10
4. Список літератури…………………………………………………………………11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

Цукристі кристалічні речовини

Моносахариди

Моносахариди  зазвичай містять від 3 до 9 атомів гідрогену, причому найбільш розповсюджені пентози та гексози. За функціональною групою вони діляться на альдози та кетози.

Моносахариди знаходяться зазвичай у таутомерній рівновазі зі своєю цик-лічною формою. Таутомерні циклічні форми цукрів являють собою внутрішні на-півацеталі. У результаті циклизації з’являється новий асиметричний атом гідрогену, який називають глікозидним (або аномерним). Ізомери відносно аномерного центру називаються α- і β-аномерами.

Серед моносахаридів широко відомі глюкоза, фруктоза, галактоза, арабіноза, ксилоза і D-рибоза.

Глюкоза (виноградный  цукор) в вільному вигляді міститься  в ягодах і фруктах (в винограді до 8%; в сливі, черешні 5–6%; в меді 36%). З молекул глюкози побудо-вані крохмаль, глікоген, мальтоза; глюкоза є складовою частиною сахарози, лактози.

Фруктоза (плодовий цукор) міститься у чистому вигляді в бджолинному меді (до 37%), винограді (7,7%), яблуках (5,5%); є складовою частиною сахарози.

Галактоза – складова частина молочного цукру (лактози), що міститься в мо-лоці ссавців, рослинних тканинах, насінні.

Арабіноза міститься  у хвойних рослинах, в буряковому жомі, входить до пектинових речовин, слизу, гуммі (камеді), геміцелюлози.

Ксилоза (деревинний цукор) міститься в бавовняній шелусі, кукурудзяних сте-блинах. Ксилоза входить до складу пентозанів. З’єднуючись з фосфором, ксилоза переходить в активні сполуки, що мають важливу роль у взаємоперетвореннях цу-крів.

У ряді моносахаридів  особливе місце займає D-рибоза. Чому природа з усіх цукрів надала перевагу рибозі – поки що не зрозуміло, але саме вона служить уніве-рсальним компонентом головних біологічно активних молекул, відповідальних за передачу спадкової інформації, – рибонуклеїнової (РНК) і дезоксирибонуклеїнової (ДНК) кислот; входить вона і до складу АТФ та АДФ, за допомогою яких в будь-якому живому організмі запасається та переноситься хімічна енергія. Заміна в АТФ одного з фосфатних залишків на піридиновий фрагмент призводить до утворення ще одного важливого агента НАД – речовини, що приймає безпосередню участь у пере-бізі життєво важливих окисно-відновлювальних процесів. Ще один ключевий агент – рибулозо-1,5-дифосфат. Ця сполука приймає участь у процесах асиміляції вуглекислого газу рослинами.

Полісахариди

Олігосахариди—  це полісахариди 1-го порядку, молекули яких містять від 2 до 10 залишків моносахаридів, сполучених глікозидними зв’язками. В зв’язку з цим ро-зрізняють дисахариди, трисахариди і т. д.

Дисахариди – складні цукри, кожна молекула яких під час гідролізу розпада-ється на дві молекули моносахаридів. Дисахариди, наряду з полісахаридами, являються одним із основних джерел вуглеводів в їжі людини та тварин. За будовою дисахариди є глікозидами, в яких дві молекули моносахаридів сполучені глікозидним зв’язком.

Серед дисахаридів особливо широко відомі мальтоза, сахароза та лактоза.     Мальтоза, що є α-глюкопіранозил-(1,4)-α-глюкопіранозою, утворюється в якості про-міжного продукту під дією амілаз на крохмаль (або глікоген).

          Одним з найбільш розповсюджених дисахаридів являеться сахароза – звичайний харчовий цукор. Молекула сахарози складається з одного залишку α-D-глюкози та одного залишку β-D-фруктози.

На відміну  від більшості дисахаридів, сахароза не має вільного напівацеталь-ного гідроксилу і не має відновлювальних властивостей.

Дисахарид лактоза  міститься тільки в молоці та складається  з β-D-галактози і D-глюкози.

Серед природних трисахаридів найбільш відома рафіноза (містить залишки фруктози, глюкози та галактози). Вона знаходиться в значних кількостях у цукровому бурякові та в багатьох інших рослинах, особливо в бобових. В цілому олігосаха-риди, що присутні в рослинних тканинах, різноманітніші за своїм складом , чим олі-госахариди тваринних тканин.

Неокисне або  неферментативне потемніння представлене в харчових продуктах дуже широко. Воно пов’язане з реакціями вуглеводів і включає явище караме-лізації та взаємодію вуглеводів з білками чи амінами. Останнє відомо як реакція Ма-йяра.

Сутність процесу карамелізації

Карамеліза́ція (англ. caramelization, caramelisation) — процес окислення цукрів при їх нагріванні; термічне перетворення цукрів з отриманням склоподібного тіла, що супроводжується зміною забарвлення та ароматичних смакових речовин. 

Процес

Карамелізація приводить до утворення сотен різноманітних хімічних продуктів, однак, хімія карамелізації складна і вивчена доволі погано. Вона включає наступні процеси:

1. Хімічну рівновагу аномерної і циклічної форм цукрів;
2. Інверсія сахарози в фруктозу та глюкозу;
3. Реакції конденсації;
4. Внутрішньомолекулярні зшивки;
5. Ізомеризація альдоз в кетози;
6. Реакції дегідратації;
7. Реакції фрагментації;
8. Утворення ненасичених полімерів.

Процеси, шо при цьому відбуваються складні та ще недостатньо вивчені. Вони в значній мірі залежать від виду і концентрації цукру, умов нагрівання, рН середовища та інших факторів. В кулінарній практиці частіше за все приходиться мати справу з карамелізацією сахарози. При нагреванні її у ході технологічного процесу в слабокислому чи нейтральному середовищі відбувається часткова інверсія з утворенням глюкози і фруктози, що вступають в подальші перетворення.

Інверсія (від лат. inversio — перестановка) — гідролітичне розщеплення сахарози на глюкозу та фруктозу. Під впливом кислот сахароза у водному розчині, при-єднюючи воду, розпадається на глюкозу та фруктозу. Іон гідрогену кислоти діє при цьому як каталізатор. Отримана суміш глюкози і фруктози обертає площину поля-ризації уже не вправо, як сахароза, а вліво, так як ліва обертальна здатність утворе-ної фруктози більша правого обертання глюкози; відбувається перетворення правого обертання в ліве, внаслідок чого і реакція ця названа інверсією сахарози.

Температури карамелізації

Фруктоза	110 °C, 230 °F;
Галактоза	160 °C, 320 °F;
Глюкоза	160 °C, 320 °F;
Сахароза	160 °C, 320 °F;
Мальтоза	180 °C, 356 °F.

Карамелізація

В загальному вигляді схему перетворень цукрів при нагріванні можно представити наступним чином:

Дисахариди → Монози →  Ангідриди моноз → Оксиметилфурфурол

     ↓                                            ↓                              ↓                                ↓

Продукти конденсації(реверсії)                     Окрашені та           Мурашинна та

                                                                          гумінові р-ни        левулінова к-ти

Пряме нагрівання вуглеводів, особливо цукрів та цукрових сиропів, сприяє протіканню комплексу реакцій, іменуємих карамелізацією. При цьому утворюються коричневі продукти з типовим карамельним ароматом. Регулюючи умови, можно напрямити реакції в основному на отримання аромату або утворення окрашених про-дуктів. Помірний (початковий) нагрів цукрових розчинів призводить до аномірних змін, розриву глікозидних зв’язків, утворенню нових глікозидних зв’язків. Але основними являються реакції дегідратації з утворенням ангідрокільць, як в лівоглю-козані, чи включення в кільця подвійних зв’язків. В результаті утворюються дигідро-фуранони, циклопентанолони, циклогексанолони, пірони і ін. Спряжені подвійні зв’язки адсорбують світло певних довжин хвиль, надаючи продуктам коричневого кольору. Часто в ненасичених кільцевих системах може мати місце конденcація у полімерні кільцеві системи. Зазвичай для утворення карамельного кольору і запаху використовується сахароза. Нагріванням розчину сахарози в присутності сірчаної кислоти чи кислих солей амонію отримують інтенсивно пофарбовані полімери ("цу-кровий колер") для використання в різноманітних харчових продуктах – при вироб-ництві напоїв, карамелі та ін. Стабільність та розчинність цих полімерів збільшує-ться в присутності НSО₃ іонов.

Карамельні  пігменти містять різноманітні групи – гідроксильні, кислотні, карбонільні, енольні, фенольні та ін. Швидкість реакції утворення карамельних пігментів збільшується при збільшенні температури і рН. За відсутності буферних солей може утворитися полімерна сполука гумін з гірким смаком (середня формула C₁₂₅H₁₈₈ O₈₀); при виробництві харчових продуктів це необхідно брати до уваги і не допускати його утворення.

Комплекс реакцій, що мають місце при карамелізації, призводить до утворення різноманітних кільцевих систем з унікальним смаком і ароматом. Так, мальтол (3-гідрокси-2-метилпіранон) і ізомальтол (3- гідрокси-2-ацетилфуран) мають запах печеного хліба, 2-Н-4-гідрокси-5-метилфуранон – аромат жареного м’яса. Крім того, ці продукти мають солодкий смак, що також визначає їх позитивну роль в харчових продуктах.

Ангідриди цукрів

Найбільш важливими  представниками ангідридів цукрів є глюкозан і левоглюкозан.

α-Глюкозан (часто називають просто глюкозаном) має 1,2-оксидний місток; вперше він був отриманий в 1860 р. під час сухої перегонки D-глюкози:

Глюкозан має  праве обертання [α]_D²⁰=+69,6°. При нагріванні з водою, а також під дією кислот на холоді він приєднує воду, перетворюючись в α-D-глюкозу.

Лівоглюкозан, або β-глюкозан, має 1,6-β-оксидний місток. Він може бути утворений аналогічно α-глюкозану при перегонці в вакуумі β-D-глюкози,

а також ряду β-глюкозидів, оліго- і полісахаридів, в особливості целюлози (А. Пікте). Лівоглюкозан — кристалічна речовина з температурою плавлення 179° С. Він володіє лівим обертанням, [α]_D²⁰=—66,2°, звідки й пішла його назва (від слова laevus — лівий). При нагріванні з розбавленими кислотами він приєднує воду, перетворюючись в β-D-глюкозу, а при дії натрію у рідкому аміаці утворює фенол (П. П. Шоригін).

В наш час відомі й інші глікозани, що мають 1,3- і1,4-оксидні містки.

Серед ангідроцукрів, що не відносяться до групи глікозанів, є сполуки з найрізноманітнішими ангідридними кільцями. Найбільш численними й найбільш вивченими являються ангідроцукри з тричленним (етилен оксидним) та п’ятичленним (тетрагідрофурановим) кільцями.

Прикладами  ангідроцукрів з тричленним ангідридним  кільцем являються глікозиди 2,3-ангідроманнопіранози (I), 3,4-ангідрогалактопіранози (II) та 5,6-ангідроглюкофуранози (III):

Прикладами  ангідроцукрів із п’ятичленним ангідридним  кільцем можуть служити 3,6-ангідроглюкоза (IV) і 2,5-ангідроманноза або хіто-за (V):

П’ятичленні кільця ангідроцукрів більш стійкі до кислотного та лужного гідролізу, чим тричленні, завдяки чому, наприклад, 3,6-і 2,5-ангідрогексози вдається отримати в вільному стані, з ясно вираженими властивостями альдегідів. Тричленні кільця ангідроцукрів надзвичайно легко розщеплюються кислотами і лугами. Тому 2,3-, 3,4- і 5,6-ангідрогексози вдається отримати лише у вигляді деяких їх похідних (наприклад, глікозидів, 1,2-ізопропілідензаміщенних і т. д.), а при спробах гідролітичного відщеплення відповідних замісників зазвичай розщеплюється і етиленоксидне кільце.

В останні роки ангідроцукри знайшли широке використання в різноманітних синтезах глікозидів, дисахаридів, гуанідинопохідних (С. Н. Данилов) і т. д., так як при розриві кислородних містків легко приєднуються різноманітні радикали.

В процесі карамелізації утворюються групи ароматичних летких і реакційно- здатних речовин: гліцериновий альдегід, діоксиацетон, піровиноградний альдегід, молочна кислота, левуленова кислота, мурашинна кислота, 5-оксиметилфурфурол. 
                                               Карамелізація моносахаридів

 При температурі  145—149° С для глюкози і 98—102°  С для фруктози утворюються ангідриди в результаті втрати молекулою цукру води – глюкозан і фруктозан . 
         Ці ангідриди можуть взаємодіяти між собою, утворюючи продукти реверсії — диангідриди та інші сполуки. 
          Подальше обезводження призводить до утворення альдегіду оксиметилфурфуролу. Останній частково розкладається з утворенням мурашинної і левулінової кислот, альдегідів (фурфуролу, акролеіну) та інших летких речовин. Оксиметилфурфурол, як і всі альдегіди, легко вступає в реакції полімеризації і конденсації, результатом котрих являються продукти жовто-коричневого кольору. 
                                               Карамелізація дисахаридів

 Сахароза  при температурі 160— 185° С (при температурі плавлення) розкладається на глюкозу і ангідрид фруктози — фруктозан. 
           Потім відбувається відщеплення води від глюкози з утворенням її ангідриду— глюкозану. При температурі до 190° С обидва ангідриду дають ізосахаразан. 
          Ізосахаразан при подальшому нагріванні перетворюється в карамелан (С24Н38О18), карамелен (C38H60O26) і карамелін (С24Н28О13). Карамелан і карамелен — порошки гіркого смаку, добре розчинні у воді (карамелан жовтого, карамелен коричневого кольору). Карамелін розчиняється у воді лише при кипінні. 
          Одночасно відбуваються ті ж зміни, що й при карамелізації моносахаридів, тобто утворюються: альдегід-оксиметил-фурфурол, продукти його полімеризації, конденсації та розкладу. 
          Продукти карамелізації сахарози носять назву «палений цукор» і вживаються в якості харчового барвнику для підкрашування компотів, киселів, деяких соусів, бульонів. Явищем карамелізації в значній мірі обумовлюється утворення рум’яної кірочки при обсмаженні рослинних продуктів (картопля, випечені мучні вироби та ін.).

         При відщепленні від молекул сахарози двох молекул води утворюється карамелан (С12Н18О9 ) – речовина світло–солом’яного кольору, розчиняється в холодній воді. При відщепленні від трьох молекул сахарози восьми молекул води карамелен (С36Н50О25 ), яскраво–коричневого кольору з рубіновим відтінком. Карамелен розчиняється в холодній і киплячій воді. Більш сильне обезводження маси, що нагрівають, призводить до утворення темно–коричневої речовини— карамеліна (С24Н30О15), яка розчиняється тільки в киплячій воді. При тривалому нагріванні утворюються гумінові речовини, розчинні лише в лугах. 
          Продукти карамелізації сахарози являються сумішшю речовин різного ступеню полімеризації, тому ділення їх на карамелан, карамелен, карамелін умовне; всі ці речовини можно отримати одночасно.