Technologia żywności i żywienie człowieka,

WYKŁAD 1 (Skład żywności)

NAUKA O ŻYWNOŚCI

-biologia

-chemia

-inzynieria

-mikrobiologia

CHEMIA ŻYWNOŚCI

• SKŁAD ŻYWNOŚCI

• WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE SKŁADNIKÓW ŻYWNOŚCI

• ZMIANY (REAKCJE) CHEMICZNE ZACHODZĄCE PODCZAS PRZECHOWYWANIA I PRZETWARZANIA ŻYWNOŚCI

• REAKCJE POMIĘDZY SKŁADNIKAMI

• REAKCJE POD DZIAŁANIEM CZYNNIKÓW ZEWNĘTRZNYCH

• WPŁYW ZMIAN CHEMICZNYCH NA JAKOŚĆ I BEZPIECZEŃSTWO ŻYWNOŚCI

CHEMIA ŻYWNOŚCI

-chemia

-biochemia

-zoologia

-botanika

-fizjologia

-biologia molekularna

CO ZAWIERA ŻYWNOŚĆ?

-woda

-skladniki odzywcze

-inne skladniki

Skład chemiczny żywności:

1 Składniki odżywcze:

• Białka (proteiny)

• Sacharydy (węglowodany)

• Lipidy

2 Inne składniki:

• Witaminy

• Barwniki

• Sole mineralne

• Substancje smakowe i zapachowe

• Substancje balastowe

Zmiany właściwości żywności podczas przechowywania i przetwarzania

Tekstura

• utrata rozpuszczalności

• utrata zdolności zatrzymywania wody

• twardnienie

• mięknięcie

Zapach i smak

• jełczenie

• zmiana zapachu, smaku podczas gotowania, smażenia, pieczenia

• pojawienie się obcego zapachu lub smaku

• pożądany zapach, smak

Kolor

• ciemnienie

• rozjaśnienie lub utrata barwy

• pojawienie się pożądanego koloru (np. brązowienie pieczywa)

wartosc odzywcza

• utrata lub zmniejszenie przyswajalności: białek

lipidów

witamin

innych ważnych dla zdrowia składników

bezpieczenstwo

• powstawanie substancji toksycznych

• deaktywacja substancji toksycznych

• powstawanie substancji korzystnych dla zdrowia człowieka

Reakcje chemiczne i biochemiczne wpływające na jakość i bezpieczeństwo żywności

Nieenzymatyczne brązowienie

• Żywność pieczona

Enzymatyczne brązowienie

• Rozdrobnione niektóre owoce i warzywa

Utlenianie

• Jełczenie tłuszczów

• Degradacja witamin

• Odbarwienie pigmentów

• Utrata wartości odżywczych białek

Hydroliza

• Lipidy, białka, węglowodany, pigmenty

Działanie metali

• Kompleksowanie antocyjanów

• Utrata magnezu z chlorofilu

• Kataliza procesów utleniania

Synteza i degradacja polisacharydów

• W surowcach roślinnych po zbiorze

Izomeryzacja lipidów

• Wiązania C=C cis→trans, niesprzężone→sprzę-żone

Utlenianie i polimeryzacja lipidów

• Podczas smażenia w głębokim tłuszczu

Denaturacja białek

• Koagulacja białka jaja

• Deaktywacja enzymów

Sieciowanie białek

• Utrata wartości odżywczej (przyswajalności)

Kaskadowy charakter procesów zachodzących w żywności

Reakcja pierwotna (przyczyna)	Reakcja wtórna (proces następczy)	Zmiana cech żywności (skutek)
Hydroliza lipidów - powstają wolne kwasy tłuszczowe	Kwasy tłuszczowe reagują z białkami	Tekstura, zapach, smak, wartość odżywcza
Hydroliza polisacharydów	Sacharydy reagują z białkami	Kolor, tekstura, smak, zapach, wartość odżywcza
Rozdrobnienie owoców	Rozpad komórek, uwolnienie enzymów, dostęp tlenu	Tekstura, zapach, smak, kolor, wartość odżywcza
Ogrzewanie surowców roślinnych	Rozpad komórek, uwolnienie kwasów org., deaktywacja enzymów	Tekstura, zapach, smak, kolor, wartość odżywcza
Ogrzewanie tkanki mięśniowej	Denaturacja i agregacja białek, deaktywacja enzymów	Kolor, tekstura, smak, zapach, wartość odżywcza

Schemat oddziaływań składników żywności

Czynniki wpływające na trwałość żywności

Cechy produktu

• Chemiczne właściwości składników

• Zawartość tlenu

• Odczyn pH

• Aktywność wody

• Temperatura zeszklenia (T_g)

• Zawartość wody w temp. T_g

Warunki otoczenia

• Temperatura

• Czas

• Dostęp światła

• Skład atmosfery

• Obecność zanieczyszczeń

• Chemiczne, fizyczne lub biologiczne przygotowanie otoczenia

Produkty białkowe

	Woda	Białko	Lipidy	Sacharydy
Mięso (wołowe, cielęce, wieprzowe)	72-75%	20-21%	3-7%	1%
Mięso drobiowe	75%	22%	3%	1%
Ryby: dorsz śledź	81% 60%	18% 18%	<1% 16%	1% 1%
Jaja	74%	13%	12%	1%

Mleko i przetwory

	Woda	Białko	Lipidy	Sacharydy
Mleko	82-88%	3-6%	3-6%	4-5%
Śmietana 25%	68%	3%	25%	4%
Twaróg	64%	14%	18%	2%
Ser twardy	35%	26%	32%	2%
Mleko w proszku	3	26%	26%	38%

Produkty bogate w sacharydy

	Woda	Białko	Lipidy	Sacharydy
Zboża i przetwory zbożowe	13-15%	6-13%	1-4%	65-78%
Ziemniaki	75%	2%	<1%	22%
Miód	17%	<1%		83%
Nasiona roślin strączkowych		30%	1-3%	55-63%
Soja Orzechy ziemne		44% 30%	21% 50%	30% 14%

Warzywa i owoce

	Woda	Białko	Lipidy	Sacharydy	Składniki mineralne
Warzywa	do 96%	3%	<1%	2-30% zwykle <9%	0.1-4.5%
Owoce			~1%			<1%

Ponadto: witaminy, barwniki, substancje zapachowe, kwasy organiczne

Struktura i właściwości wody

• Energia wiązania wodorowego: 20 kJ/mol

L. koord. O-H….O

• lód 4 0.276 nm

• woda 4.4 0.290 nm (1.5ºC)

• woda 4.9 0.305 nm (83ºC)

Właściwości fizyczne wody

• Temperatura topnienia 0ºC

• Temperatura wrzenia 100ºC

• Ciepło właściwe 4 kJ/mol

• Ciepło parowania 2260 kJ/mol

• Ciepło topnienia 333 kJ/mol

• Napięcie powierzchniowe 0.072 N/m

• Stała dielektryczna (ε) 80

Rodzaje wody w żywności

• Woda nie związana („wolna”) - właściwości podobne do rozcieńczonych roztworów soli, połączona siecią wiazań wodorowych, ruchliwa

• Woda związana - otaczająca substancje rozpuszczone lub zawieszone, mniej aktywna

• nie zamarza do temperatury -40ºC

Aktywność wody

p - cząstkowa prężność pary wodnej nad surowcem w danej temp.

p₀ - prężność pary czystej wody w tej samej temp.

	Zaw.wody %	aw		Zaw.wody%	aw
Owoce	90	0.97	Chleb	35-40	0.69
Warzywa	90	0.97	Dżem	30-35	0.82-0.94
Soki	90	0.97	Miód	10-20	0.75
Jaja	70-80	0.97	Cukier	<10	0.10
Mięso	60-70	0.97	Płatki zbożowe	<10	0.10
Sery	34-40	0.96	Owoce suszone	20-25	0.72-0.80

Strefy wartości a_w

• a_w< 0.25; adsorpcja monomolekularna

• a_w= 0.25-0.7; adsorpcja wielowarstwowa

• a_w> 0.7; woda wolna i uwięziona

Przy a_w< 0.6 nie rozwija się mikroflora

WYKŁAD 2 (Chromatografia)

Chromatografia to metoda rozdziału mieszanin związków oparta na różnicy współczynników podziału składników mieszaniny pomiędzy dwie fazy:

• Fazę ruchomą

• Fazę stacjonarną (nieruchomą)

Chromatograficzne metody rozdziału mieszanin związków

• Chromatografia kolumnowa (fleszowa)

• Chromatografia cienkowarstwowa (TLC)

Chromatografia cieczowa

Chromatografia cienkowarstwowa

Chromatografia cienkowarstwowa

Chromatografia cienkowarstwowa

R_F = droga przebyta przez substancję

droga przebyta przez rozpuszczalnik

Chromatograficzne metody analizy mieszanin związków

• Chromatografia gazowa (GC, GLC)

• Chromatografia cieczowa (HPLC)

• GC lub HPLC sprzężona ze spektrometrią mas (GC-MS, LC-MS)

Chromatograf gazowy

Czas retencji

Identyfikacja nieznanego związku -analiza jakościowa

Co można analizować metodą GC?

• Substancje lotne i trwałe w temp. do 200- 300°C związki zapachowe, olejki eteryczne, niektóre lipidy, alkaloidy

• Lotne pochodne nielotnych lub nietrwałych termicznie związków polarnych estry kwasów tłuszczowych, pochodne aminokwasów, monosacharydów

Schemat chromatografu cieczowego

Co można analizować metodą HPLC?

• Substancje polarne, nielotne, rozpuszczalne w wodzie (hydrofilowe), aminokwasy, peptydy, sacharydy, składniki mineralne

• Substancje niepolarne, nierozpuszczalne w wodzie (lipofilowe) lipidy, alkaloidy, witaminy

• Pochodne substancji lotnych lub nietrwałych

Zastosowania HPLC w chemii żywności

Identyfikacja i oznaczenia ilościowe składników żywności, badanie zmian składu podczas przechowywania oraz w trakcie procesów technologicznych

• Węglowodany

• Nukleozydy

• Aminokwasy, peptydy, białka

• Aflatoksyny

• Witaminy A, D, E, K

• Antyoksydanty

• Kwasy tłuszczowe, tłuszcze

• Zanieczyszczenia

• Karotenoidy, chlorofile

WYKŁAD 3 (LIPIDY)

Acetylokoenzym A (acetylo-CoA)

Acetylo-CoA

ATP =trifosforan adenozyny

Wytwarzanie i zużywanie energii w organizmach żywych

LIPIDY

• PROSTE (nie hydrolizujące) ACYLOLIPIDY (hydrolizujące)

Kwasy tluszczowe acyloglicerole

sterole fosfolipidy

karotenoidy glikolipidy

terpeny woski

tokoferole estry steroli

LIPIDY HYDROLIZUJĄCE(acylolipidy)

LIPIDY

NIEPOLARNE (hydrofobowe) POLARNE (amfifilowe)

kwasy tłuszczowe glicerofosfolipidy

acyloglicerole gliceroglikolipidy

sterole sfingofosfolipidy

karotenoidy sfingoglikolipidy

terpeny

woski

tokoferole

Nasycone kwasy tłuszczowe

Nazwa zwyczajowa	Skrócony zapis	Temp.topnienia.
kwas masłowy	4:0	-7.9ºC
kwas kapronowy	6:0	-3.4ºC
kwas kaprylowy	8:0	16.7ºC
kwas kaprynowy	10:0	31.6ºC
kwas laurynowy	12:0	44.2ºC
kwas mirystynowy	14:0	54.1ºC
kwas palmitynowy	16:0	62.7ºC
kwas stearynowy	18:0	69.6ºC
kwas arachidowy	20:0	75.4ºC
kwas behenowy	22:0

Nienasycone kwasy tłuszczowy

Nazwa zwyczajowa	Skrócony zapis	szereg	Temp. Top.
kwas palmitoleinowy	16:1(9)
kwas oleinowy	18:1(9)		10.5ºC
kwas linolowy	18: 2(9,12)	ω6	-5ºC
kwas α-linolenowy	18:3(9,12,15)	ω3	-11ºC
Kwas γ-linolenowy	18:3(6,9,12)	ω6
kwas arachidonowy	20:4(5,8,11,14)	ω6	-49.5ºC
Kwas eikozapentaenowy EPA	20:5(5,8,11,14,17)	ω3
kwas klupadonowy	22:5(7,10,13,16,19)	ω3
Kwas dokozaheksaenowy DHA	22:6(4,7,10,13,16,19)	ω3

Niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe (NNKT, PUFA (PolyUnsaturated Fatty Acids) )

-Powinny stanowić ok. 3% dziennego spożycia kwasów tłuszczowych (niedobór powoduje zaburzenia wzrostu, choroby skóry, zaburzenia neurologiczne, choroby wzroku)

-Kwasy szeregu ω-3 i ω-6 są prekursorami prostaglandyn, prostacyklin i tromboksanów

Źródła polinienasyconych kwasów tłuszczowych

ω-6 kwas linolowy: oleje roślinne (sojowy, kukurydziany, lniany słonecznikowy), tłuszcz drobiowy, orzechy,

nasiona

kwas arachidonowy: mięso, drób, jaja

ω-3 kwas linolenowy: orzech włoski, kiełki pszenicy, soja, nasiona

EPA i DHA: ludzkie mleko, ryby morskie (łosoś, makrele, tuńczyk, śledź)

Wpływ konfiguracji wiązania C=C na właściwości fizyczne nienasyconych kwasów tłuszczowych

kwas oleinowy 18:1(9) (cis) t.t. 5°C

kwas elaidynowy 18:1(9) (trans) t.t. 44°C

Kwas stearynowy 18:0 (nasycony) t.t. 70°C

Nietypowe kwasy tłuszczowe

kwas petroselenowy 18:1(11)

kwas rycynolowy 18:1(9) 12-OH

kwas erukowy 22:1(13)

Reakcje nienasyconych kwasów tłuszczowych

• Addycja chlorowców (jodu) do wiązania C=C

• Uwodornienie C=C → C-C

• Utlenianie

• Autooksydacja

• 
  utlenianie fotosensybilizowane

Budowa trójacylogliceroli

Profile kwasów tłuszczowych w tłuszczach jadalnych

Źródło trójacylogliceroli	4:0	6:0	8:0	10:0	12:0	14:0	16:0	16:1 (9)	18:0	18:1 (9)	18:2 (9)	18:3 (9)	20:5 (5)	22:6 (4)	Nasycone (łącznie)
oliwka							13.7	1.2	2.5	71.1	10.0	0.6			16.2
kukurydza							12.2	0.1	2.2	27.5	57.0	0.9			14.4
soja						0.1	11.0	0.1	4.0	23.4	53.2	7.8			15.0
len							4.8		4.7	19.9	15.9	52.7			9.5
kokos		0.5	8.0	6.4	48.5	17.6	8.4		2.5	6.5	1.5				91.9
kakaowiec						0.1	25.8	0.3	34.5	35.3	2.9				60.4
masło	3.8	2.3	1.1	2.0	3.1	11.7	26.2	1.9	12.5	28.2	2.9	0.5			62.7
łój wołowy				0.1	0.1	3.3	25.5	3.4	21.6	38.7	2.2	0.6			50.6
tłuszcz wieprzowy				0.1	0.1	1.5	24.8	3.1	12.3	45.1	9.9	0.1			38.8
tłuszcz drobiowy					0.2	1.3	23.2	6.5	6.4	41.6	18.9	1.3			31.1
łosoś						5.0	15.9	6.3	2.5	21.4	1.1	0.6	1.9	11.9	23.4
jajo kurze						0.3	22.1	3.3	7.7	36.6	11.1	0.3			30.1

Polimorfizm trójacylogliceroli

Trzy formy krystaliczne o odmiennym ułożeniu cząsteczek w sieci krystalicznej, różnych temperaturach topnienia i zróżnicowanej trwałości

Triacyloglicerol	T.t. α	T.t. β'	T.t. β
Tripalmitynian glicerolu	44°C	56°C	66°C
Tristearynian glicerolu	54°C	64°C	73°C
Trioleinian glicerolu	-32°C	-13°C	4°C

Porównanie tłuszczów roślinnych i zwierzęcych

Roślinne

• sn-2 kwasy nienasycone 18:1 i 18:2

• Niektóre b. bogate w kwasy nienasycone (oliwa)

• Inne bogate w kwasy nasycone (masło kakowe)

• Oleje kokosowy i palmowy głównie nasycone 8:0 - 16:0

Zwierzęce

• bardziej zróżnicowany skład

• sn-2 często kwas nasycony

• Większe zróżnicowanie kwasów pomiędzy pozycjami

WYKŁAD 4 (LIPIDY)

Reakcje trójacylogliceroli

• Hydroliza (kwasowa, zasadowa, enzymatyczna)

• Transestryfikacja (alkoholiza, acydoliza, interestryfikacja)

• Uwodornienie

• Utlenianie

Kwasowa hydroliza trójacylogliceroli

Zasadowa hydroliza trójacylogliceroli (zmydlanie)

Enzymatyczna hydroliza trójacylogliceroli

Transestryfikacja - alkoholiza trójacylogliceroli

Transestryfikacja - alkoholiza trójacylogliceroli

Transestryfikacja - acydoliza trójacylogliceroli

Interestryfikacja trójacylogliceroli (randomizacja)

Uwodornienie trójacylogliceroli (mechanizm)

Skutki uwodornienia trójacylogliceroli

-Powstają triglicerydy o wyższej temperaturze topnienia ciekłe ⇒ półstałe lub stałe

-Zmniejsza się zawartość kwasów wielonienasyconych

-Produkty nasycone są mniej podatne na procesy utleniania

-Pojawiają się wiązania C=C o konfiguracji trans

Utlenianie lipidów

-Reakcje typu rodnikowego (ulegają im kwasy tłuszczowe, acyloglicerole i inne lipidy)

-Lipidy nienasycone są bardziej podatne na utlenianie

-Pierwotne produkty utleniania ulegają dalszym reakcjom degradacji

-Pojawiają się niskocząsteczkowe związki zapachowe i smakowe

Etapy reakcji rodnikowych:

1. inicjacja - powstawanie rodników

2. propagacja - tworzenie produktu i nowego rodnika

3. terminacja - tworzenie produktów poprzez rekombinację rodników

Inicjowanie utleniania kwasu linolowego

Podatność kwasów nienasyconych na utlenianie

Wzrost podatności i szybkości utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych

Stadium propagacji utleniania kwasu linolowego

Stadium terminacji utleniania kwasu linolowego

.

Utlenianie kwasu linolenowego tlenem singletowym

Utlenianie enzymatyczne (lipoksygenazy)

Lipoxygenazy (LOX) - enzymy (roślinne i zwierzęce) utleniające lipidy do wodoronadtlenków, zawierają Fe²⁺

Czynniki sprzyjające utlenianiu lipidów

• poprzez tworzenie wodoronadtlenków lipidowych (obecność sensybilizatorów, singletowy tlen, enzymy)

• poprzez generowanie wolnych rodników (promieniowanie jonizujące generuje rodniki hydroksylowe z wody)

• poprzez rozkład wodoronadtlenków do rodników nadtlenkowych, alkoksylowych (jony metali przejściowych - Cu, Fe; światło UV i widzialne, podwyższona temperatura)

Czynniki sprzyjające utlenianiu lipidów

• wysoka zawartość tlenu

• podwyższona temperatura

• rozwinięcie powierzchni (emulsje)

• aktywność wody

Degradacja pierwotnych produktów utleniania

Dalsze produkty reakcji wtórnych

---