1. Temperatura jako parametr technologiczny wpływający na jakość i bezpieczeństwo żywności.

Wpływ ogrzewania na jakość żywności

W technologii żywności, chociaż stosuje się źródła ciepła o znacznej rozpiętości temperatur od ok. -196°C (zamrażanie w ciekłym azocie) do ok. 1200°C (temperatura gazów spalinowych), to jednak surowce i produkty spożywcze osiągają temperatury stosunkowo niewysokie, z reguły nie przekraczające -30°C i +100-120°C. W niektórych przypadkach temperatura może dochodzić do 160°C, ale na bardzo krótki czas, np. 1 s w procesie ciągłej sterylizacji mleka systemem uperyzacji lub nawet do 220°C przy prażeniu zbóż, buraków cukrowych i cykorii w produkcji kawy. Wyjątkowo wysokie temperatury można stosować przy obieraniu (czyszczeniu) niektórych surowców, np, .ziemniaków i warzyw, gdy chodzi o nadwęglenie łupin za pomocą gazów spalinowych i usunięcie ich przez spłukanie wodą. W technologii żywności unika się zbyt wysokiego ogrzewania żywności, ponieważ może ono wywołać wiele niekorzystnych zmian w składnikach termolabilnych. obniżając ich wartość biologiczną. Przez wysokość ogrzewania należy rozumieć nie tylko wysokość temperatury do jakiej został ogrzany surowiec lub produkt, ale i czas ogrzewania, a więc sumaryczny wkład ciepła.

Spośród składników żywności stosunkowo najbardziej wrażliwe na ogrzewanie są niektóre witaminy. Już nawet umiarkowane ogrzewanie, np. do 70-80°C przez kilka minut, zwłaszcza w środowisku obojętnym lub lekko alkalicznym powoduje wyraźne obniżenie działania biologicznego witamin C, B₁, i B_l2 Na ogrzewanie mało odporne są także niektóre białka, np. globuliny i albuminy oraz niektóre aminokwasy, jak aminokwasy siarkowe, lizyna. Podwyższenie temperatury sprzyja także reakcjom Maillarda. Wyraźne zmiany, prowadzące do obniżenia wartości biologicznej żywności, występują dopiero podczas długotrwałego ogrzewania w temperaturach przekraczających 100°C , np. w czasie sterylizacji, smażenia, prażenia itp. Długotrwałe działanie wysokich temperatur powoduje nieodwracalną denaturację białka, a w obecności tlenu powstawanie struktur lizynoalaninowych. Silniejsze ogrzewanie stosuje się w technologii żywności głównie w celu utrwalenia żywności lub podniesienia jej wartości kulinarno-smakowej. Umiarkowana denaturacja cieplna białek ma ułatwić proces ich trawienia, a niektóre typy białek, np. kolagen, nie byłyby w ogóle wykorzystywane przez organizm ludzki bez długotrwałego gotowania. Korzystnie na trawienie cukrowców złożonych, np. skrobi, wpływaja takie procesy i operacje cieplne, jak pieczenie, gotowanie itp. Również specjalne ogrzewanie (tostowanie) surowców roślinnych zwiększa ich wartość odżywczą wskutek niszczenia substancji szkodliwych.

Temperatura a bezpieczeństwo żywności

Temperatura jest istotnym czynnikiem, pomagającym wpływać na liczbę i szybkość rozwoju drobnoustrojów w produkcie, a co za tym idzie na jej bezpieczeństwo. Zarówno podniesienie temperatury (np. pasteryzacja, sterylizacja, tyndalizacja) jak i obniżenie jej (chłodzenie i zamrażanie) prowadzi do ograniczenia rozwoju lub śmierci drobnoustrojów. Za pomocą temperatury możemy niejako sterować liczbą drobnoustrojów w produktach żywnościowych, możemy ją ograniczać bądź jak w przypadku fermentacji mlekowej powodować rozwój danego rodzaju mikroflory.

Podczas przeprowadzania ogrzewania należy zwrócić uwagę, czy nie istnieje zagrożenie wytwarzania szkodliwych związków jak WWA i inne związki kancerogenne- np. podczas wędzenia, w podwyższonej temperaturze w obecności pochodnych kwasu azotowego (III) tworzą się szkodliwe nitrozozwiązki (np. nitrozoaminy).

Wpływ temperatury na żywność

Wpływ temperatury i czasu jej utrzymywania można rozpatrywać w odniesieniu do określonych wyrobów żywnościowych lub związków chemicznych. W pierwszym przypadku można mieć na uwadze surowce i wyroby żywnościowe potraktowane obróbką cieplną w warunkach tzw. dobrej praktyki przemysłowej. To jest w warunkach ustalonych doświadczeniem wielu pokoleń technologów i rzemieślników, zwłaszcza w aspekcie zmian jakości żywności. W drugim przypadku należy mieć na uwadze charakter i kierunek zmian chemicznych i fizycznych, jakie następują w określonych warunkach w odniesieniu do indywidualnych związków chemicznych lub ich mieszanin. Umiarkowane ogrzewanie surowców żywnościowych w temperaturze < 100°C we wspomnianych warunkach dobrej praktyki przemysłowej lub kulinarnej nie zmniejsza na ogół wartości odżywczej lecz znacznie polepsza jej strawność i trwałość. Termiczna denaturacja białek nie obniża ich wartości biologicznych (wartości odżywczej) lecz ułatwia ich trawienie. Tłuszcze w tych warunkach są termostabilne. Cukry proste w naturalnych roztworach o odczynie kwasowym nie ulegają zmianie, jedynie sacharoza może ulec częściowej hydrolizie, zaś skrobia ulega skleikowaniu, dzięki temu wzrasta jej strawność. Względnie największe straty występują w przypadku witaminy C i B. Ogrzewanie w temperaturach powyżej 100°C, np. w wyniku smażenia i pieczenia, podnosi wartość kulinarno-smakową lecz obniża wartość biologiczną białek na skutek zmian w aminokwasach i cukrach, które ulegają reakcji Maillarda. Ponadto część cukrów ulega odwodnieniu, diametryzacji i karmelizacji. Skrobia zaś ulega dekstrynizacji. Tłuszcze po przekroczeniu temperatury około \50°C ulegają częściowej hydrolizie z utworzeniem akroleiny. Witaminy C i część z grupy B ulegają w znacznym stopniu rozkładowi.

Widomym znakiem zachodzących zmian chemicznych jest zmiana barwy, najczęściej zbrunatnienie zwłaszcza powierzchniowych części żywności. Powstałe substancje barwne pochodzą z rozkładu cukrów lub powstają przy ich udziale. Wyróżnia się następujące grupy związków barwnych: melaniny, melanoidyny, substancje karmelowe, w przypadku roztworów zasadowych występują także barwne produkty rozkładu cukrów prostych. Melaninami nazywa się mieszaninę wielkocząsteczkowych związków o barwie brunatnej i czarnej, które powstają wskutek enzymatycznego utleniania pochodnych fenolowych. Typowym substratem jest tyrozyna, która w obecności tlenu pod wpływem enzymu oksydazy o-dwufenolowej tworzy związki typu chinonów z pierścieniem indolowym, które następnie ulegają polimeryzacji z utworzeniem związków barwnych. Związki te tworzą niekiedy kompleksy z jonami żelaza i miedzi. Szybkie ciemnienie niektórych naturalnych roztworów technologicznych, jak soku z buraków i miazgi z roztartych ziemniaków jest powodowane powstawaniem melanin. Zapobieganie tworzenia się melanin polega na działaniu SO₂. Optymalna dawka wynosi około 80 mg S0₂/kg soku. Melanoidyny są to barwne produkty reakcji Maillarda, która przebiega między aminokwasami i związkami karbonylowymi, zwłaszcza cukrami redukującymi w roztworach o różnym odczynie i temperaturze. Spośród aminokwasów najaktywniejszymi substratami reakcji Maillarda są lizyna, kwas glutaminowy i kwas asparaginowy. Ze względu na reaktywność związki karbonylowe można uszeregować w następującej kolejności: aldehyd glicerynowy > kwas galakturonowy > ketozy > aldozy. Skomplikowany mechanizm reakcji Maillarda jest mało zbadany. W temperaturach niższych powstają grupy związków labilnych o charakterze prekursorów, które po ogrzaniu ulegają szybko polimeryzacji z utworzeniem produktów o barwie od jasnożółtej do brunatnej. Charakterystyczna barwa różnego rodzaju wyrobów poddanych smażeniu i pieczeniu jest spowodowana powstaniem produktów reakcji Maillarda. Produkty reakcji Maillarda mają zazwyczaj smak gorzki. Karmelem nazywa się brunatną mieszaninę związków chemicznych o charakterze kwasowym, które powstają podczas prażenia węglowodanów lub ogrzewaniu ich roztworów w podwyższonej temperaturze. W produktach naturalnych poddanych obróbce cieplnej produkty karmelizacji powstają równocześnie z produktami reakcji Maillarda.

Ich wzajemne proporcje wynikają z udziału masowego aminokwasów i cukrów oraz zależą od reaktywności poszczególnych składników mieszaniny. W procesach technologicznych związanych z wyodrębnianiem cukrów krystalicznych z roztworów technologicznych obecność związków barwnych jest niepożądana. Dlatego są one usuwane najczęściej w oparciu o zjawisko adsorpcji na powierzchni węglanu wapniowego, węgla aktywnego oraz żywic jonowymiennych.

Temperatura:

• parametr najistotniejszy

• wpływa na przebieg zjawisk fizycznych, reakcji chemicznych, biochemicznych oraz rozwój drobnoustrojów

• równanie Arrheniusa k=exp(-dE/RT)

E- energia aktywacji

k- stała szybkości reakcji

R- stała gazowa

T- temperatura

• odstępstwa od równania Arrheniusa

a/ zmiana mechanizmu reakcji

b. zmiana fizycznego stanu układu np. zamrożenie

c/ termiczna inaktywacja enzymu

d/denaturacja mrożeniowa enzymów lub krioliza

e/ wyczerpanie któregoś z reagentów.

4. Kinetyczna interpretacja procesów utrwalania konserw pasteryzowanych i sterylizowanych

Kinetyczna interpretacja inaktywacji cieplnej w technologii konserw.

Inaktywacja cieplna(drobnoustrojów, toksyn, enzymów, składników odżywczych i zmian cech jakościowych)→opis równaniami reakcji 1º.Ogrzewanie przez czas τ →zmniejsza ilość składnika o x.

N = N_o-x N_o-początkowa ilość drobnoustrojów, toksyn…

Wielkośc x = f(τ;V) a:

V= −
(*)

Po scałkowaniu(*) N = N_o exp(−kτ)

Wyliczmy czas τ potrzebny na zmniejszenie ilości składnika od N_o do N

τ =
− lnN)

τ =
logN_o −logN)

niech
→ czas dziesiętnej redukcji(oporność cieplna):czas po którym ilość składnika ulega zmniejszeniu o 90% wartości początkowej (czyli 10-krotnie się zmniejsza).

Wtedy:τ =D (logN_o − logN)

Dalej: :τ =DlogN_o − DlogN

DlogN = DlogN− τ /:D

logN = logN_o−

Y = B+Ax → równanie przeżywania, krzywa przeżywania (survivor

curve)

D
czas przejścia krzywej przeżywania przez jeden cykl logarytmiczny. Znając D

z równania przeżywania można wyliczyć końcową ilość składnika (N) po czasie τ.

N = N_o∙ 10

10
→ wskaźnik przeżycia drobnoustrojów

(wskaźnik retencji składnika)

Temperaturowa zależność szybkości inaktywacji.

W termobakteriologii przyjmuje się empiryczną(doświadczalną) zależność D od temperatury.

logD = log D_o
(istnieją też inne - Arrheniusa i Eyringa)

Y = B+Ax

A = tgα_o =

Krzywa oporności cieplnej składnika inaktywowanego(krzywa czasu śmierci cieplnej TDT-Thermal death time)

Z= różnica temperatur powodująca 10-krotną zmianę czasu redukcji dziesiętnej D

Znając wartość D₁ w temperaturze porównawczej (T_r) oraz parametr Z można łatwo wyliczyć D dla dowolnej temperatury T gdyż:

(**) tgα=

(***) D = D_r ∙ 10

Teoria Q₁₀→ wskaźnik mówiący ile razy zmieni się szybkość procesu przy zmianie temperatury o 10ºC.

Q₁₀ =
ale założyliśmy że

więc:

Q₁₀ =

Jeżeli więc w równaniu (**) przyjmiemy, że ∆T=10ºC →

tgα =

określenie dawki ciepła potrzebnej do osiągnięcia założonej sterylności handlowej

τ =D(logN_o - logN) =Dlog

Wprowadzamy czas inkubacji F w określonej temperaturze porównawczej T_r potrzebny do uzyskania wymaganej liczby redukcji dziesiętnych.

n = log
wtedy F = n∙D_r → tak zwana liczba sterylizacji(równoważnik

czasowy)

Najczęściej liczbę sterylizacji F określa się dla T_r = 121,1ºC oraz dla Z=10ºC,wtedy

F

zapisuje się w uproszczeniu F_o lub F.

Jeżeli sterylizację prowadzimy nie w temperaturze T_r a w innej np.T, w której ciepłooporność będzie wynosić D, to w celu osiągnięcia tego samego efektu inaktywacji termicznej (o tyle samo redukcji dziesiętnych) ogrzewanie należy prowadzić przez czas τ

N =

Wiemy też (rów.***),że:

D = D_r ∙ 10

więc

τ= F

Znając więc potrzebną do osiągnięcia sterylności handlowej minimalną dawkę ciepła w temperaturze T_r(zwykle 121,1ºC) wynoszącą F(min) (F_121,1) i wiedząc o jaki drobnoustrój chodzi (znając jego Z) można wyznaczyć czas ogrzewania τ w innej temperaturze T.

Ponieważ składniki odżywcze (witaminy, aminokwasy itp.) wykazują wyższą niż drobnoustroje wartość parametru Z to przy rosnącej temperaturze sterylizacji drobnoustroje szybciej ulegają niszczeniu niż składniki odżywcze.

Niech T_r = 121,1ºC T = 131,1º C

Dla witamin: Z = 50 τ = F∙10

Dla bakterii: Z =10 τ = F∙10

Celowe jest więc wprowadzanie ogrzewania krótszego a w wyższej temperaturze, niż długiego w niższej → zasada HTST.,UHT.

Warunek stosowania → homogenność produktu (do 3 mm),obecnie znane też metody HTST. Do całych puszek (temperatura do 131,1ºC)

Np. inaktywacja peroksydazy z = 49 K

straty chlorofilu a z = 51,3 K

straty chlorofilu b z = 98,3 K

bakterie z = 10 K

Peroksydaza - duża ciepłoodporność - wskaźnik zniszczenia wszystkich innych enzymów

Procesy HTST - szybkie, możliwe więc niedostateczne nasilenie przemian prowadzących do powstania pożądanych składników aktywnych sensorycznie (np. w przypadku wołowiny)

7. Systemy suszenia i ich wykorzystanie w przemyśle spożywczym.

Systemy suszenia:

1. Powietrzne suszarki okresowego działania

• urządzenie małe, wydajność niewielka

• zastosowanie ⇒ suszenie owoców, grzybów itp.

• ogrzewanie powietrza palnikiem, produkt umieszczony powyżej na sitach

• obsługa pracochłonna (uciążliwa)

• duży czas chłodzenia

• w przypadku owoców ⇒ wstępne siarkowanie (palenie S lub moczenie surowców w siarczynach), suszenie i wyrównywanie wilgotności w zamkniętych opakowaniach

2. duża niejednorodność suszenia
   Suszarki (tray cabinet) (działanie okresowe)

• użyteczne w skali pilotowej i małej technicznej

3. w zamkniętej przestrzeni tace (dno perforowane) z warstwami produktu, napływ do wewnątrz powietrza, powietrze ogrzewane i wypuszczane; czasem między tacami wprowadza się jeszcze dodatkowe ogrzewanie, przyspiesza to suszenie, ale - niebezpieczeństwo przegrzania materiału.
   Suszarki tunelowe ciągłego działania

• przeciwprądowe ( w miarę jak rośnie opór usuwania wilgoci ⇒ coraz wyższa T powietrza ⇒ wysoka T w momencie gdy produkt jest IMF(intermediate moisture food) ⇒ NEB (szybkie początkowe suszenie ⇒często pożądane)

• zmiennoprądowe - naprzemienne i sukcesywne
  

Suszarki walcowe:

• ciepło dostarczane do materiału suszonego z wnętrza bębna (para);

• materiał suszony musi być w formie cieczy lub zawiesiny, jest on nakładany na walec jedną z różnych metod;

• grubość warstwy materiału = f(odstęp między bębnami); tam, gdzie 2 walce = f(napięcia powierzchniowego i kąta styku) czasami dodatki substancji powierzchniowo aktywnych;

• obecność tłustych warstw (filmów) na powierzchni bębna ⇒ niekorzystna, bo ↑ grubość, część bębna niewykorzystana, wolniejsze suszenie, przegrzania i niedosuszenia

• rodzaj produktu suszonego ma bardzo istotny wpływ na szybkość suszenia walcowego;

• cienkie jednorodne filmy o małej lepkości suszą się bardzo szybko (nawet do 50 lbs/hr·ft², większość produktów spożywczych ma jednak dużą lepkość szybkość suszenia ~ 1-5 lbs/hr·ft²);

• wnętrze bębna ogrzewane parą wodną pod ciśnieniem T > 100^oC, ale materiał przez większość czasu utrzymuje T ≈ T_wrz. , dopiero pod sam koniec temperatura rośnie;

• system suszenia walcowego musi być wyposażony w usuwanie oporów

• usuwanie wymuszonego materiału z bębna system nożowy, często wymaga ochłodzenia produktu (który w wysokiej T może być plastyczny) nadmuch zimnego powietrza lub chłodzenie od wewnątrz (sekcja bębna tuż przed nożem)

Zastosowanie suszenia walcowego w TŻ:
płatki ziemniaczane
instantyzowane produkty zbożowe
Zalety suszenia walcowego:
relatywnie niskie koszty eksploatacji ~ 10 ¢/lb usuwanej wody
działanie ciągłe przy relatywnie dużych wydajnościach


5. Suszarki rozpyłowe:

• najpowszechniej stosowana metoda suszenia żywności ciekłej;

• wydajności niektórych instalacji ~25 tys. kg usuniętej wilgoci /h

• zastosowanie suszenie mleka i jego przetworów (jogurt, lody, śmietana) ekstraktów kawy, herbaty, hydrolizatów i pochodnych białkowych oraz skrobiowych, jaj, krwi, soków cytrusowych i pomidorowych

• zasada ciecz, zawiesina lub pasta ulega rozpyleniu w komorze suszarki, gdzie wchodzi w kontakt z gorącym powietrzem i ulega szybkiemu wysuszeniu; suche cząstki zawieszone w powietrzu częściowo osadzają się w komorze suszarki, a ich reszta oddzielona jest w cyklonie i dalej pakowana

• cały proces jest złożony pod względem inżynieryjnym, jego przebieg zależy od rodzaju suszonego materiału (η, napięcia powierzchniowego, składu chemicznego) i stosowanych parametrów suszenia

• złożoność transportu ciepła i masy:

• trudny inżynieryjny (równaniami) opis procesu

• trudność w przenoszeniu ze skali pilotowej na techniczną (scale-up)


Rozpylanie (atomizacja):

• bardzo istotny wpływ na efekt suszenia

• stopień atomizacji rozmiary kropelek

• rodzaje:

• do homogenicznych cieczy -
  wysokociśnieniowe rozpylanie przez pojedynczą dyszę
  wysokociśnieniowe rozpylanie przez dyszę w prąd powietrza drugiej dyszy (drobniejsze rozbicie)

• do niehomogenicznych zawiesin - atomizatory dyskowe ciecz wprowadzana na wirujący dysk (2000 - 20000 rpm)

• próby rozpylania z udziałem ultradźwięków

• rozkład wielkości rozpylanych cząstek = f (ciśnienia rozpylania, szybkość obrotów dysku, lepkości i napięcia powierzchniowego rozpylanej cieczy)

Wymiana ciepła i masy przy suszeniu rozpyłowym:

• złożone zjawisko i wiele zmiennych (np. T, rozmiar cząstek)

• w I etapie suszenia temperatura kropelki rośnie do temp. wrzenia i następuje suszenie warstw powierzchniowych przy stałej dyfuzji cieczy z wnętrza kropelki

• w etapie II na powierzchni a_w maleje, a powierzchnia osiąga temperaturę wyższą od temp. wrzenia wody

• w etapie III zahamowana zostaje dyfuzja ku powierzchni

• istnieje krytyczna wilgotność produktu poniżej której powierzchnia staje się nieprzepuszczalna dla aromatów, a więc zahamowana zostaje ich dyfuzja, sprzyja temu wysoka T początkowa i współprądowe suszenie (microencapsulation - mikrokapsułkowanie)

Oddzielanie wysuszonych cząstek od powietrza:

• częściowe oddzielenie w samej suszarce

• dodatkowe oddzielenie w cyklonach

• czasem cyklony nie wystarczają stosowanie filtrów, elektrofiltrów i skruberów (drogie)

• ogólne usunięcie 95 - 98% subst. stałej - proste, ale usunięcie reszty - coraz trudniejsze i kosztowniejsze(względy odzysku produktu i ekologiczne - zanieczyszczenie powietrza)

Problemy technologiczne:

Przyklejanie się wysuszonego materiału, zawierającego dużo cukrów (soki owocowe, pomidorowe) lub zhydrolizowanego białka.

Zapobieganie:

1. specjalne dosuszanie powietrza wlotowego silikażelem

2. dodawanie do suszonych cieczy jadalnych polimerów (polisacharydy, białka)

3. dodawanie roztworu glukozy (np. do soku pomarańczowego)

4. suszenie produktu do wilgotności 2-3% H₂O brak przyklejania

5. chłodzenie ścian komory suszarni do temperatury niższej od T_{sticky point} (temperatura, w której występuje klejenie)

Aglomerowanie ciał sypkich:

• łączenie drobnych cząstek w większe o porowatej strukturze nowe cenne właściwości (brak pylenia, lepsza zwilżalność (kapilary), lepsza rozpuszczalność, mniejsza higroskopijność)

• np. mleko w proszku, ekstrakty kawy, zupy błyskawiczne

6. Suszarki fluidyzacyjne:

• suszenie w warstwie pseudowrzącej

• mogą być ciągłe lub okresowe

• zasada działania podobna do zamrażalników fluidyzacyjnych (owiew gorącego, suchego powietrza)

• duża efektywna powierzchnia suszenia w relatywnie małej objętości

• dla małych cząstek suszenie może być bardzo szybkie

• główne ograniczenie wymagana jednorodność rozmiarów suszonych cząstek
  

1. Liofilizatory (freeze-drying)

• suszenie ze stanu zamrożenia

• porównanie z tradycyjnym suszeniem

10. Operacje dyfuzyjne w technologii żywności, podział, znaczenie i zastosowania.

Operacje dyfuzyjne:

dyfuzja: a) cząsteczkowa - zjawisko wymiany masy spowodowane różnicą potencjałów chemicznych danego składnika w różnych miejscach układu. Potencjał chemiczny jest funkcją zależna od p, T i c. Ponieważ zwykle p,T = const, więc potencjał chem. zależny od c, a więc dyfuzja cząsteczkowa spowodowana jest bezładnym, cieplnym ruchem cząstek prowadzonym do wyrównania stężeń(ruchy cieplne molekuł)

Siłą napędową dyfuzji jest wzrost entropii(s)

Im temperatura większa tym szybkość dyfuzji większa(związek operacji dyfuzyjnych z cieplnymi)

Dyfuzję cząsteczkową opisuje równanie Ficka

G = -DF δ_c/δ_x d_τ ilość substancji dyfundującej w czasie

d_τ przez powierzchnię F

δ_c/δ_x gradient stężeń

D kinematyczny współczynnik dyfuzji

b)konwekcyjna - zjawisko przemieszczania się cząstek składnika czynnego spowodowane ruchem samego nośnika, efekt - szybkie wyrównanie stężeń w całej objętości fazy nośnika(konwekcja naturalna i wymuszona)

Przy dyfuzji międzyfazowej - na granicy faz dyfuzja cząsteczkowa, która ustępuje konwekcyjnej, im bliżej jądra fazy(analogia do przewodnictwa i konwekcji cieplnej)

W 2 fazach dyfuzyjnie nieczynnych(nośnych) jest rozmieszczony trzeci składnik dyfuzyjnie czynny(migrujący).

W w/w operacjach - wymiana masy:

- przemieszczanie się substancji migrującej do granicy faz

- przenikanie przez powierzchnie międzyfazowe

Przenoszenie dyfuzyjne masy w następujących układach(TŻ):

- między cieczą i gazem

- między 2 niemieszającymi się cieczami

- między cieczą i ciałem stałym

- między gazem i ciałem stałym

W T.Ż. wymiana masy :

a) do wstępnego oczyszczania surowca lub wydzielenia z niego składnika

b) do końcowego oddzielenia produktów i półproduktów powstałych w procesie technologicznym

Zwykle interesujące nas składniki występują w małych stężeniach np. zacier gorzelniczy - 8 do 9% EtOH + 40 innych różnych składników, chcemy otrzymać EtOH 95-96%.Im większy stosunek stężenia żądanego do tego jakie jest i im większy wymagany stopień oczyszczania, tym bardziej złożone, uciążliwe i droższe jest przeprowadzenie właściwego procesu wymiany masy

Dyfuzja - podstawa wielu operacji w T.Ż.:

- suszenie - usuwanie wilgoci z materiału przez odparowanie jej do fazy gazowej

- ekstrakcja - wydobywanie ze stałej lub ciekłej mieszaniny jednego lub kilku jej składników za pomocą rozpuszczalnika o wybiórczej zdolności rozpuszczania. Składnik przenika z fazy stałej lub ciekłej do ciekłej ,z której następnie jest wydzielony przez destylację lub krystalizację

- krystalizacja - tworzenie się i rozrost kryształów przy przejściu substancji ze stanu ciekłego w stały

- adsorpcja - wybiórcze pochłanianie gazów lub rozpuszczanie w cieczy substancji(adsorbat) na rozwiniętej powierzchni ciał stałych(adsorbent)

- absorpcja - pochłanianie gazów w całej objętości cieczy lub ciała stałego(saturacja dwutlenku węgla, siarkowanie)

- destylacja - przeprowadzenie w stan pary i ponowne skroplenie jednego lub kilku składników mieszaniny ciekłej w celu ich rozdzielenia lub oczyszczenia

- rektyfikacja - rozdzielenie mieszanin cieczy lub par oparte na przeciwprądowym zetknięciu się cieczy i pary przy równoczesnej wymianie ciepła i masy(przemysł spirytusowy, olejki eteryczne)

13. Mikrofale i podczerwień - mechanizm działania oraz zastosowanie w gastronomi i przemyśle spożywczym.

Mikrofale i podczerwień są formami energii elektromagnetycznej. Rozchodzą się one w postaci fal, które w zetknięciu z żywnością wykazują zdolność jej ogrzewania. Główne różnice między mikrofalami i podczerwienią są następujące:

• Dla celów przemysłu spożywczego generuje się mikrofale tylko o określonych częstotliwościach (najczęściej 2450 i 915 MHz), aby wyeliminować możliwość zakłócania innych urządzeń pracujących w tym zakresie widma elektromagnetycznego (np. urządzenia radiolokacyjne, diatermia mikrofalowa). Promieniowanie podczerwone natomiast wytwarza się bez żadnych ograniczeń dotyczących częstotliwości.

• Głębokość penetrowania żywności przez mikrofale ściśle wiąże się z częstotliwością- im niższa częstotliwość, tym głębsza penetracja. Podczerwień natomiast jest pochłaniana na powierzchni produktu.

• Mikrofale wywołują rotacje cząsteczek wody i tarcie molekularne miedzy nimi, na skutek czego wydziela się ciepło, natomiast podczerwień jest bezpośrednio absorbowana i przetwarzana na ciepło.

• Efekt ogrzewania mikrofalowego jest uzależniony od zawartości wilgoci, a w przypadku podgrzewania przez promieniowanie podczerwone zależy od charakteru jej powierzchni i koloru.

• Powierzchniowe pochłanianie promieniowania podczerwonego sprawia, że przy tej metodzie ogrzewania termiczne powinowactwo żywności jest czynnikiem dużo bardziej istotnym niż przy ogrzewaniu mikrofalowym. Podczerwień nagrzewa tylko powierzchnię produktu, a głębiej ciepło przekazywane jest przez przewodnictwo i/lub konwekcję, podczas gdy mikrofale wnikają znacznie głębiej i tam ogrzewają produkt.

• Mikrofale stosuje się m.in. do przedłużania trwałości żywności (np. suszenie, blanszowanie, pasteryzacja), a podczerwień zwykle do zmiany właściwości organoleptycznych, takich jak kolor powierzchni, smak, aromat.

O zachowaniu się produktu w polu elektromagnetycznym decyduje jego przenikalność elektryczna, zwana też stałą dielektryczną i ściśle związany współczynnik strat dielektrycznych, które zależne są od składu. Po wniknięciu mikrofal do produktu oddziaływają one z dipolami wody, co powoduje ich reorientacje, rozrywanie wiązań wodorowych między sąsiednimi cząsteczkami i generowanie ciepła poprzez tarcie molekularne. Jony zawarte w żywności też migrują w polu mikrofalowym i przez to dodatkowo przyczyniają się do wytwarzania ciepła. Także i niektóre inne niewodne składniki żywności o budowie polarnej mogą absorbować mikrofale, ale znacznie słabiej od wody i dlatego ich efekt ogrzewający w produktach o dużej zawartości wody jest pomijalny.

Reasumując, szybkość i równomierność ogrzewania produktu zależy od jego składu, temperatury, kształtu, struktury, rozmiarów oraz mocy i częstotliwości padających mikrofal.

Zasadą grzejnictwa mikrofalowego jest bezpośrednie napromienianie falami elektromagnetycznymi o częstotliwości większej niż w grzejnictwie indukcyjnym lub dielektrycznym- falami o częstotliwości setek lub tysięcy megahertzów, które powodują, przy pochłanianiu ich przez napromieniany ośrodek, jego szybkie nagrzewanie się, w sposób dość równomierny całej masie. Podobnie jak w grzejnictwie dielektrycznym, mikrofale przekazują swoją energię przez drganie cząstek- dipoli. Do wytwarzania mikrofal służą różne urządzenia zwane magnetronami, klistronami oraz oscylatorami z fala wędrującą.

Promieniowanie podczerwone jest formą energii elektromagnetycznej emitowanej przez obiekty gorące. Podczas absorpcji na powierzchni materiału ogrzewanego traci ono swoją energię. Szybkość ogrzewania ta metodą zależy od temperatury ciała emitującego i absorbującego podczerwień oraz od kształtu i właściwości powierzchni obu tych ciał.

Promieniowanie, które nie zostaje zaabsorbowane, ulega odbiciu. Ilość energii zaabsorbowanej, a więc i stopień ogrzania, zależy od składu żywności, bowiem różne jej składniki absorbują podczerwień w różnym stopniu, oraz od długości fali padającego promieniowania. Długość fali z kolei zależna jest od temperatury źródła- im jest ona wyższa, tym maksimum emitowanej energii przesuwa się w kierunku fal krótszych.

Podczerwień występuje między widmem promieni świetlnych a najkrótszymi falami Hertza i obejmuje obszar długości fal od ok. 800 nm aż do ok. 0,04 cm, przy czym rozróżnia się tu zakresy:

- bliskiej podczerwieni 0,8·10^-4 do 1,0·10^-4cm, znajdującej zastosowanie w fotografii, analityce, pośrednio w grzejnictwie

- pośredniej podczerwieni od 10^-4do ok. 3·10^-4cm, gdzie zakres do 2·10^-4cm może być wykorzystywany do celów suszarniczych, zaś zakres 2·10^-4do3·10^-4cm w hutniczych generatorach gazowych ciepła; pośrednia podczerwień znajduje ostatnio szerokie zastosowanie w spektrofotometrii do badania właściwości substancji chemicznych, zwłaszcza organicznych

- dalekiej podczerwieni od 3·10^-4aż do ok.4·10^-4cm wykorzystywanej w spektrofotometrii.

Im wyższa temperatura, tym wypromieniowywane fale podczerwone są krótsze i maja większą częstotliwość drgań.

Zastosowanie mikrofal w technologii żywności

W ostatnich latach stosowanie urządzeń mikrofalowych w przemyśle staję się bardziej opłacalne, gdyż koszty kapitałowe ulegają zmniejszeniu dzięki rosnącej produkcji magnetronów o budowie modułowej i wysokiej niezawodności. Postępy w konstruowaniu wyposażenia mikrofalowego, trendy w kształtowaniu się cen energii elektrycznej w stosunku do innych jej form oraz coraz lepsza znajomość właściwości dielektrycznych żywności pozwalają na takie modelowanie procesów mikrofalowych, aby mogły być one zastosowane w przemyśle spożywczym w coraz większym zakresie. Roczny przyrost mocy urządzeń mikrofalowych w świecie wynosi ok. 3 MW, z czego większość przypada na temperyzację mięsa i ryb, suszenie produktów o niskiej zawartości wilgoci oraz podgotowywanie i gotowanie mięsa. Inne operacje z udziałem mikrofal, takie jak suszenie próżniowe, liofilizacja, pasteryzacja, sterylizacja, pieczenie, blanszowanie, wytapianie tłuszczu, są coraz częściej wdrażane albo też opracowywane jeszcze na poziomie pilotażowym. Wiele z powyższych procesów łączy ogrzewanie mikrofalowe z tradycyjnym. W takich przypadkach konwencjonalne źródło ciepła służy do wytwarzania pożądanego czasem zbrązowienia oraz chrupkości powierzchni, a także do szybszego zniszczenia obecnych na niej drobnoustrojów.

Instalacje mikrofalowe z reguły wykorzystują częstotliwość 2450 lub 915 MHz i mają moc od 30 do 120 kW. Przy niższej z tych częstotliwości penetracja mikrofal sięga do głębokości ok. 10-30 cm, podczas gdy przy wyższej tylko do ok. 3 cm. W zależności od charakteru surowca poddawanego obróbce i jego ilości stosuje się odpowiednia częstotliwość i moc. Ogrzewanie omawianą tu metoda jest szybkie i nie powoduje przegrzewania się powierzchni, co mogłoby prowadzić do jej uszkodzeń. Instalacje są małe, zwarte i łatwe do montażu, a produkt przez cały czas przebywa w warunkach higienicznych.

Najważniejsze aspekty zastosowania mikrofal w niektórych procesach technologicznych:

- Temperyzacja mrożonej żywności stosowana jest często w warunkach przemysłowych zamiast całkowitego rozmrażania. W urządzeniu mikrofalowym przystosowanym do tego celu może być wykonana w czasie od kilku do kilkudziesięciu minut w porównaniu z wieloma godzinami, jakie wymagane są do rozmrażania dużych elementów w tradycyjnej rozmrażalni. Z tego względu oraz z uwagi na to, że temperyzację mikrofalową prowadzić można bez usuwania opakowań, znacznie mniejsze są możliwości powierzchniowego rozwoju mikroorganizmów. Do zalet należy zaliczyć także ograniczenie strat wagowych, dużą retencję soków komórkowych, utrzymywanie pH mięsa na właściwym poziomie i większą elastyczność procesu produkcyjnego, co oznacza dziesięciokrotne zmniejszenie potrzebnej powierzchni produkcyjnej oraz umożliwienie dalszego przerobu głęboko zamrożonych produktów w ciągu bardzo krótkiego czasu. Wadą wykorzystania mikrofal do temperyzacji jest to, że w temperaturach bliskich 0°C warstwa zewnętrzna absorbuje znaczną ilość energii i produktu na powierzchni może ulec przegrzaniu. Aby ograniczyć to zjawisko, mikrofalową temperyzację przeprowadza się czasami stosując dodatkowo owiew zimnego powietrza. Najczęściej stosuje się ją do mięsa, jego przetworów, masła oraz innych tłuszczów jadalnych.

- Suszenie

Najlepsze efekty osiąga się przy suszeniu produktów o zawartości wilgoci mniejszej niż 20%. Mechanizm suszenia z użyciem mikrofal istotnie różni się od konwencjonalnego, ponieważ z łatwością przechodzą one przez warstwy wysuszone, docierając do nie odparowanej wilgoci, i tam generują ciepło. Ponadto obserwuje się kilkakrotne zmniejszenie czasu trwania procesu i ok. 30-procentowe zmniejszenie zużycia energii m.in. dlatego, że ogrzewaniu ulegają jedynie mokre części produktu, natomiast części suche, powietrze w suszarni i jej wnętrze nie są ogrzewane. Wysuszony produkt charakteryzuje się mniej twardą powierzchnią, gdyż nie styka się ona z otaczającym gorącym środowiskiem, jak ma to miejsce przy metodach tradycyjnych. Najczęściej suszone mikrofalowo asortymenty to makaron, przyprawy, koncentrat pomidorowy, ryż, bekon i żywność przekąskowa (snack foods). W niektórych przypadkach stosuje się razem z mikrofalami konwencjonalne źródła ciepła, aby osiągnąć zamierzony cel technologiczny.

- Gotowanie

Mikrofale stosuje się z dobrym skutkiem do wstępnego gotowania bekonu, mięsa i części drobiu z przeznaczeniem na rynek detaliczny i dla żywienia zbiorowego. Zaletami tej operacji jest duża wydajność, krótki okres przygotowywania, mała pracochłonność oraz wysoka jakość produktów. Moc i czas gotowania mikrofalowego należy dobierać stosownie do asortymentu. Większe i grubsze elementy wymagają więcej energii niż małe i cienkie. Podobnie jak w przypadku mikrofalowego suszenia, czasem dodatkowo stosuje się jednocześnie ogrzewanie konwencjonalne.

-Wypiek pieczywa

Wypiek pieczywa przeprowadza się najczęściej tradycyjnymi metodami, niemniej jednak istnieją linie technologiczne wykorzystujące do tego celu ogrzewanie mikrofalowe. Już sam etap rośnięcia ciasta można przyspieszyć dzięki zastosowaniu mikrofal. W trakcie wypieku natomiast mikrofale mogą działać równocześnie z ogrzewaniem konwencjonalnym lub poprzedzać je. Pozwala to na skrócenie czasu wypieku nawet o 60% i istotne zaoszczędzenie energii. Pieczywo takie jest bardziej wyrośnięte, a jego wartość odżywcza jest większa niż produkowanego tradycyjnie ze względu na ograniczenie zachodzenia reakcji Maillarda i strat lizyny. Dobre efekty osiąga się przy ciągłej produkcji pieczywa cukierniczego typu biskwitów. Mikrofale, które wykorzystuje się tu dopiero w ostatniej fazie wypieku, powodują dopieczenie i usunięcie nadmiaru wilgoci bez dalszych zmian koloru powierzchni.

Obok opisanych powyżej procesów, także blanszowanie, liofilizacja, wytapianie tłuszczów, prażenie, pasteryzacja; i sterylizacja mogą przebiegać z udziałem mikrofal. Niektóre z tych procesów zaczyna się już wprowadzać do przemysłu, a pozostałe nie wyszły jeszcze poza obszar badań pilotowych

Blanszowanie mikrofalowe znalazło zastosowanie w ograniczonym stopniu, gdyż nie uzyskuje się tą metodą lepszych jakościowo produktów niż przy blanszowaniu tradycyjnym. Spodziewany jest natomiast rozwój liofilizatorów z ogrzewaniem mikrofalowym, konstrukcja taka bowiem pozwala na szybszy i bardziej ekonomiczny przebieg suszenia, co w dobie coraz większego zapotrzebowania na produkty liofilizowane stwarza duże możliwości rozwoju. Obserwacja kilku instalacji mikrofalowych do pasteryzacji pieczywa i soków owocowych, które pracują w przemyśle, pozwala na prognozowanie szerszego ich zastosowania w przyszłości. Wysokiej jakości smalec i łój wytapia się w prototypowym urządzeniu zainstalowanym w jednym z zakładów mięsnych w USA. Na skalę półtechniczną praży się kawę i kakao uzyskując po 5-10 minutach produkt z większą wydajnością i wyższej jakości niż przy prażeniu tradycyjnym. Na podstawie pozytywnie zakończonych prób technicznych przewiduje się w ciągu najbliższych kilku lat wzrost wykorzystania mikrofal do sterylizacji mleka i różnych półstałych produktów bezpośrednio w opakowaniach z tworzywa sztucznego. W przemyśle mięsnym z powodzeniem stosuje się prototypowe mikrofalowe urządzenia do produkcji parówek bezosłonkowych, uzyskując znaczne skrócenie czasu i oszczędność energii.

Promienniki podczerwieni, znane powszechnie i wykorzystywane na dużą skalę do różnorodnych celów grzejnych, jak podgrzewanie pomieszczeń, termostatów, do suszenia żywności. Ponad połowa zużywanej energii elektrycznej jest tu przekształcana w energię promieniowania podczerwonego (ciepło).

W urządzeniach grzejnych stosowanych do suszenia żywności jako źródła promieniowania podczerwonego używa się oprócz promienników lampowych także promienników metalowych i ceramicznych. Efekt suszenia promiennikowego zwiększa się przez stosowanie naświetlania przerywanego.

Bezpośrednie stosowane promienniki podczerwieni przedstawiają pewne zalety i są wykorzystywane do obsuszania materiałów (np. skór, butelek), do suszenia materiałów w warstwach cienkich (np. owoców, warzyw, zboża, grzybów, makaronu), w piekarstwie (np. pieczenie, obżarzanie), w suszeniu mięsa i innych produktów.

16. Wytwarzanie żywności przy zastosowaniu procesów biotechnologicznych - tradycja i

nowoczesność.

Proces biotechnologiczny w znaczeniu najogólniejszym oznacza zastosowanie systemów biologicznych do celów produkcyjnych i usługowych. Systemem biologicznym mogą być żywe organizmy, organa, tkanki, komórki, części komórek, enzymy, a ostatnio i geny.

Procesy biotechnologiczne odgrywają szczególną rolę w technologii żywności, chociaż nie zawsze są one dostatecznie postrzegane i doceniane. Przy całościowym ujmowaniu produkcji żywności łatwo zauważyć ich występowanie i rolę tak w nowoczesnym rolnictwie, które można traktować jako „przemysł wytwórczej żywności”, jak i w przemyśle spożywczym, zajmującym się głównie przetwarzaniem surowców spożywczych i żywności. Rolnictwo wykorzystuje do swych celów produkcyjnych makroorganizmy w formie roślin uprawnych i zwierząt hodowlanych.

Przemysł spożywczy stosuje procesy biotechnologiczne, których wykorzystuje się żywe drobnoustroje, enzymy oraz utajone formy życia roślin, np. w ziarnach zbóż zdolnych do kiełkowania przy otrzymywaniu słodu.

W procesie biotechnologicznym są zespolone dwa czynniki- biologiczny i techniczny. Podstawy teoretyczne tego procesu tworzy biotechnologia, dział wiedzy obejmujący zintegrowane zastosowanie nauk biologicznych i technicznych w celu technologicznego wykorzystania systemów biologicznych. W miarę gromadzenia wiedzy praktycznej i postępu naukowo-technicznego doskonalono procesy technologiczne.

Można to prześledzić na przykładzie rozwoju technologii żywności. Początkowo stosowano najprostsze procesy biotechnologiczne, w których czynnikiem (systemem) biologicznym były rośliny i zwierzęta występujące w naturze, a czynnik techniczny sprowadzał się do zbierania owoców, orzechów czy grzybów, łowienia zwierząt i ryb. Wyższy poziom procesów biotechnologicznych charakteryzuje pasterstwo i początki rolnictwa, w którym następuje udomowienie zwierząt i uprawa roślin. W okresie tym wykorzystuje się jak czynnik biologiczny rośliny wybrane ze względu na ich cechy użytkowe, a więc metodą selekcji.

Rozwój rolnictwa to doskonalenie produkcji roślinnej i zwierzęcej, wykorzystujących osiągnięcia naukowe, zwłaszcza genetyki. Świadomość, że wartość użytkowa mikroorganizmu zależna od zespołu cech anatomicznych, fizjologicznych i chemicznych (czyli genotypu) stanowi wynik współdziałania czynników dziedzicznych- genów (składających się na tzw. genotyp) i warunków środowiskowych w jakich ten organizm się rozwija i przebywa, spowodowała rozwój nowych metod produkcji opartych na selekcji potomstwa, krzyżowania ras i wykorzystaniu mutacji. Czynnikiem biologicznym w procesie biotechnologicznym stał się genotyp, którego odrębność jest uwarunkowana rodzajem, liczbą i ilością genów w niciach chromosomów i ich zespołach (genomach).

Ostatnie osiągnięcia biologii molekularnej doprowadziły do lepszego poznania składu i budowy przestrzennej organicznych związków wielkocząsteczkowych, a wśród nich i kwasów dezoksyrybonukleinowych (DNA). Poszczególne odcinki DNA okazały się genami, czyli jednostkami materialnymi dziedziczenia, odpowiedzialnymi za bezpośrednią kontrolę syntezy określonych enzymów, a pośrednio za poszczególne cechy zewnętrzne.

Dzięki zastosowaniu inżynierii genetycznej stała się możliwa izolacja genów pochodzących z Komorek różnych zwierząt i roślin i wprowadzenie ich do bakterii oraz replikacja tych genów określana jako klonowanie. Zmienione w ten sposób bakterie mogą produkować np. hormony czy enzymy zwierzęce. Geny można także przeszczepiać do całych organizmów zwierząt i roślin i zmieniać ich cechy użytkowe, np. zwiększyć syntezę białka w tkance mięśniowej lub skład aminokwasowi białek roślinnych.

W procesach biotechnologicznych czynnikiem biologicznym „nowej generacji” są nie genomy występujące w naturze, ale zmienione przez człowieka. Zresztą samo przeszczepienie genów również nie zalicza się do procesów biotechnologicznych. Dzisiaj można mówić o kolejnej zmianie jakościowej procesów biotechnologicznych, wynikającej stąd, ze możliwe stało się otrzymywanie genów metodą chemiczną i budowanie z nich nici chromosomów i genomu. W dalszym jednak ciągu aktywność tych genów, nazwijmy je „quasi-genami”, polegająca na sterowaniu syntezą enzymów i na dziedziczeniu cech jest związana ściśle ze zorganizowaną żywą materią jaką jest żywa komórka, podobnie jak to jest z wirusami czy fagami.

Procesy biotechnologiczne stosowane w przemyśle spożywczym można podzielić na trzy grupy ze względu na wykorzystanie w nich:

- biosyntezy masy komórkowej

- fermentacji i innych szlaków metabolicznych

- enzymów.

Pierwsze dwie grupy procesów wymagają żywych komórek, trzecia grupa katalizatorów biologicznych działających z reguły poza komórką, która je wytwarza.

Żywą komórkę można traktować tu jako mikroreaktor o bardzo skomplikowanej budowie, który sam pobiera surowce, czerpie z nich energię i przetwarza w produkty, a ponadto ma zdolność regenerowania się i powielania. Pobieranie surowców (pokarmów) wiąże się z aktywnym oddziaływaniem komórki na surowce znajdujące się w otoczeniu komórki poprzez wydzielanie enzymów, aktywny transport i wpuklanie się błony komórkowej (pinocytozę). Pobrany z zewnątrz pokarm włączony zostaje w całokształt przemian biochemicznych i związanych z nimi przemian energii zachodzących ciągle w żywej komórce i określanych jako przemiana żywej materii albo metabolizm. Przemiany metaboliczne przebiegają w sposób podobny w komórkach wszystkich organizmów żywych. Badaniem tych przemian zajmuje się biochemia.

Do ważniejszych zalet procesów biotechnologicznych wykorzystujących mikroorganizmy można zaliczyć:

-duże możliwości wytwarzania, przetwarzania i modyfikacji żywności, otrzymywania atrakcyjnych produktów spożywczych, jak również dodatków funkcjonalnych,

- możliwość wykorzystania produktów ubocznych, odpadów i materiałów zatruwających środowisko do celów spożywczych, paszowych, przemysłowych, energetycznych i innych;

- dużą wydajność procesu, gdyż reakcje biochemiczne przebiegają w komórce

z dużą szybkością i dużą precyzją, co jest uwarunkowane działaniem katalitycznym enzymów,

- procesy biotechnologiczne przebiegają w stosunkowo niskich temperaturach pod normalnym ciśnieniem, są mniej energochłonne, nie wymagają stosowania

chemicznych katalizatorów, wykorzystują na ogół surowce odnawialne pozostawiają mało zanieczyszczeń.

Do niedogodności stosowania procesów biologicznych należą:

- podatność drobnoustrojów na mutacje i konieczność stosowania drobnoustrojów o ściśle określonych cechach użytkowych, co wymaga użycia szczepów czy ras w postaci czystych kultur;

- wrażliwość drobnoustrojów ha czynniki zewnętrzne, w tym na zakażenie środowiska innymi drobnoustrojami i fagami a w związku z tym konieczność zachowania aseptycznych warunków w produkcji.

biotechniczne procesy w TŻ

• oparte na zastosowaniu preparatów enzymatycznych;

• oparte na metodach fermentacyjnych;

• zmierzające do produkcji biomasy.

19. Procesy chemiczne stosowane w produkcji żywności, cel, zasady, przykłady i możliwe zagrożenia.

Mianem procesów chemicznych określa się te procesy technologiczne, których istotą są reakcje chemiczne, wymagające zastosowania określonych substancji chemicznych i przebiegające bez udziału czynnika biologicznego. Z uwagi na wieloskładnikowy charakter surowców i produktów spożywczych ( z nielicznymi wyjątkami) i konieczność zachowania w nich naturalnych wartości odżywczych, w technologii żywności nie można w szerszym stopniu korzystać z reakcji chemicznych substancji obcych, mniej lub bardziej szkodliwych dla zdrowia. Zatem procesy chemiczne w technologii żywności ograniczają się raczej do przemian prostych, dających się łatwo kontrolować (głównie hydrolizy i neutralizacji), a bardziej złożony charakter chemiczny mają w przypadku określonych składników, których przemiany można dość dokładnie śledzić i kontrolować (np. uwodornianie tłuszczów).

Konieczność intensyfikacji produkcji nowych wartości odżywczych (w związku z gwałtownym przyrostem ludności) już obecnie mobilizuje uwagę wielu chemików do rozważania możliwości syntezy chemicznej, szczególnie w zakresie aminokwasów deficytowych, jak np. lizyny, metioniny lub cysteiny. Już w czasie I, a następnie II wojny światowej prowadzono w Niemczech na skalę przemysłową produkcję tłuszczów syntetycznych (początkowo były to estry nie gliceryny, lecz glikolu), przy czym pod względem wartości odżywczej produkty te nie zdały egzaminu.

W ostatnich latach rozwinęła się czysto chemiczna lub mikrobiologiczno-chemiczna produkcja ważniejszych aminokwasów egzogennych, szczególnie lizyny i metioniny, których cena rynkowa systematycznie spada, umożliwiając coraz szersze użycie tych aminokwasów jako uzupełniających dodatków do żywności, a zwłaszcza pasz.

Synteza chemiczna odgrywa od dawna poważną rolę w produkcji barwników, środków zapachowych, konserwantów i licznych innych substancji, znajdujących częste zastosowanie jako dodatki do żywności, w celu poprawienia lub nadania określonej barwy, smaku lub zapachu (zwłaszcza przy wyrobach cukierniczych), w celu zwiększenia trwałości (np. kwas benzoesowy), poprawy lub stabilizacji konsystencji (np. niecykliczne polifosforany albo monoglicerydy), jako przeciwutleniacze (np. butylowany hydroksytoluen, znany pod skróconą nazwą BHT) lub majace spełniać inne określone cele technologiczne (np. opóźniać czerstwienie chleba). Witaminy produkowane w drodze chemicznej (np. kwas askorbinowy, a zwłaszcza syntetyzowany metodą Kariera β-karoten) stanowią cenną pomoc w polepszaniu jakości produktów spożywczych. Wszystkie te produkty są wytwarzane przez wyspecjalizowany przemysł chemiczny, dostarczający je przemysłowi spożywczemu do użytku w charakterze surowców lub środków pomocniczych.

Celowy jest rozwój metod chemicznych, pozwalających na przetwarzanie niektórych (zwłaszcza masowo wytwarzanych przez rolnictwo w połączeniu z przemysłem spożywczym) składników w rodzaju sacharozy lub skrobi albo kwasu erukowego, zawartego w dużych ilościach w oleju rzepakowym, na produkty o nowych właściwościach, mogących mieć zastosowanie zarówno w przemyśle spożywczym, jak i w różnych gałęziach techniki, w charakterze substancji o nowych, cennych właściwościach. Istnieje (utworzony przed ok. 50 laty w Ameryce) termin chemiurgia, która przy jej ukierunkowaniu jako chemiurgia żywnościowa (czy spożywcza) byłaby odpowiednikiem rozwoju metod chemicznej technologii w przemyśle rolno-spożywczym.

Niezależnie d stopnia chemizacji technologicznych metod przemysłu spożywczego czy rolno-spożywczego, różnorodne reakcje chemiczne od dawna są wykorzystywane w pracach kontrolno-analitycznych laboratoriów przyzakładowych.

Do najbardziej typowych i dość często wykorzystywanych w przemyśle spożywczym procesów chemicznych zalicza się: hydrolizę, neutralizację, uwodornianie, reestryfikację i modyfikowanie skrobi.

Procesy chemiczne w TŻ:

• istota - reakcje chemiczne przebiegające bez udziału czynników biologicznych;

• ograniczenia TŻ:

• produkty spożywcze muszą być bezpieczne, ani substraty, ani produkty nie mogą mieć jakiegokolwiek negatywnego wpływu

• tylko określone, dobrze kontrolowane reakcje są dopuszczalne (hydroliza, zobojętnianie, uwodornianie) + produkcja dodatków do żywności: przeciwutleniacze, konserwanty, barwniki, środki zapachowe, aminokwasy

Hydroliza w przemyśle spożywczym (kataliza H⁺):

1. hydroliza węglowodanów - inwersja sacharozy, syropy skrobiowe + glukoza;

• hydroliza sacharozy glukoza + fruktoza (tzw. inwersja) - łatwa hydroliza HCl - 1M, 100 ^oC;

• cukry redukujące (maltoza, laktoza)oraz dekstryny - dużo trudniejsza hydroliza

• hydroliza skrobi mleczko krochmalowe + ∼0,2% HCl (30 - 50 min; 0,1 - 0,2 MPa; 120 - 130 ^oC)
  skrobia dekstryny + maltoza + glukoza (hydrolizat)
  następny etap - neutralizacja, odbarwienie, filtracja, zagęszczanie do ok. 83% s.m.
  daleko posunięta hydroliza skrobi prawie 100% przejścia w glukozę techniczną, po przekrystalizowaniu - lepsza jakość (USA, surowiec - kukurydza)

2. hydroliza białek - koncentraty spożywcze i hydrolizaty białkowe hydroliza wiązań peptydowych, zwykle pod zwiększonym ciśnieniem, obecność HCl (~13%) do 3 h.

Neutralizacja w przemyśle spożywczym:

• neutralizacja po produkcji syropów skrobiowych, przy rafinacji olejów roślinnych, przy produkcji hydrolizatów białkowych

• po hydrolizie kwasowej mleczka skrobiowego - dodatek sody (powstaje 0,1-0,3% HCl, ale nie przeszkadza) lub dodatek CaCO₃ (powstaje gips i CO₂)

• w procesie rafinacji oleju surowego - usuwanie WKT (+ barwniki, + substancje goryczkowe) - dodatek NaOH lub Na₂CO₃ - strącają się mydła

• po hydrolizie białek neutralizacja do pH 5,5 - 5,8 - słone produkty; jeśli H⁺ => H₂SO₄ neutralizacja CaCO₃ i usuwanie gipsu w procesie filtracji.


Uwodornianie tłuszczów:

Cel - utwardzanie i nadanie odpowiedniej konsystencji i cech smakowo-zapachowych.

Mechanizm - redukcja wiązań podwójnych wodorem.

Proces - w autoklawie, T = 180 ^oC, + H₂ (0,3 - 0,4 MPa) + 0,3% Ni egzotermiczne uwodornianie, dalej usuwanie Ni w procesie filtracji i odkwaszanie oraz odwadnianie.

Np. C₁₇H₃₃COOH → C₁₇H₃₅COOH

LJ = 90 ; tt. = 14 ^oC LJ = 0 ; tt. = 70 ^oC

W praktyce nie wszystkie wiązania podwójne ulegają uwodornieniu - w wyniku wysokiej temperatury powstają izomery trans (szkodliwe dla zdrowia, rakotwórcze).

Istnieje możliwość selektywnego uwodornienia tłuszczów,

np. katalizator Cu-Cr redukcja kwasu linolenowego.

Chemiczna modyfikacja skrobi

Chemiczna modyfikacja białek:

• bardzo ważne- nie utracić wartości odżywczych białek;

• nie tworzyć subst. toksycznych;

• nie wprowadzać subst. toksycznych.

• generalnie dotyczy modyfikacji polarności i czasem ładunku białka, w wyniku tej modyfikacji białko może ulec zwinięciu, rozwinięciu, agregacji, a także zachowanie białka w stosunku do wody i innych składników (np. lipidów) może być modyfikowane.

• najczęściej modyfikacje chemiczną białek prowadzi się w celu polepszenia ich właściwości funkcjonalnych tj. zdolności żelowania, emulgowania, tworzenia pian.

• stopień zmian właściwości funkcjonalnych zależy od rodzaju modyfikacji i jej zakresu

Zagrożenia wynikające z prowadzenia procesów chemicznych wynikają z możliwości dostania się do żywności związków toksycznych, pozostałości reagentów, uboczne produkty reakcji. Należy bardzo uważnie prowadzić te procesy i kontrolować je gdyż niewielka zmiana parametrów może prowadzić do niekorzystnych i niedopuszczalnych zmian.

12

---