Физико-хими­ческие свойства продуктов растительного и животного происхождения

Под свойствами понимают физико-хими­ческие и другие характеристики, определяющие поведение про­дуктов растительного и животного происхождения при хранении и переработке, а также обеспечивающие же­лаемую структуру, технологические и потребительские свойства готовых изделий. В отдельных случаях для определения функцио­нальных свойств пищевого продукта используют термин «технологические свойства».

Кулинарную продукцию производят из разнообразных компо­нентов (ингредиентов). Ингредиент — вещество животного, рас­тительного, микробиологического или минерального происхож­дения, а также природные или синтезированные пищевые добав­ки, используемые при подготовке или производстве пищевого про­дукта и присутствующие в готовом изделии в исходном или изме­ненном виде. Ингредиенты отличаются как по агрегатному состоя­нию, так по физическим свойствам. Среди них есть жидкие и по­рошкообразные сыпучие продукты, а также имеющие пастообраз­ную и твердую консистенцию. Отдельные экземпляры пищевых про­дуктов, имеющих твердую консистенцию, могут характеризовать­ся линейными, иногда довольно значительными размерами.
При рассмотрении свойств отдельных продук­тов следует учитывать физические свойства как единичных экзем­пляров или упаковочных единиц, так и крупных товарных партий однородных продуктов в целом. Это в первую очередь относится к сыпучим и жидким продуктам, транспортируемым и хранящимся так называемым бестарным способом, — зерну, муке, крупам, корнеплодам и овощам, молочным продуктам, вину, раститель­ному маслу и др. При изменении условий хранения и при техноло­гической обработке физические свойства и агрегатное состояние продуктов могут изменяться. Например, при понижении темпера­туры растительное масло часто теряет текучесть.

Рассматривая свойства товарных партий про­дуктов, следует учитывать то, что они не всегда однородны по составу. В продуктах могут находиться различного рода примеси, присутствовать вредители запасов, проявлять свою жизнедеятель­ность микроорганизмы. Отдельные компоненты товарных партий могут иметь различающиеся физические свойства, что в свою оче­редь будет сказываться на характеристике партии в целом.

Физические свойства продуктов. К физическим свойствам продуктов растительного и животного происхождения относят структур­но-механические свойства, сыпучесть, способность к самосортиро­ванию, скважистость, сорбционные и теплофизические свойства.
Структурно-механические свойства — особенности продукта, проявляющиеся при ударных, сжимающих, растягивающих и дру­гих воздействиях. Эти свойства характеризуют способность продуктов сопротивляться приложенным внешним силам или изменяться под их воздействием. К ним относятся прочность, твердость, упругость, эластичность, пластичность, вязкость.

Прочность, т. е. способность твердого тела сопротивляться раз­рушению при приложении к нему внешней силы при растяжении или сжатии — одно из важнейших структурно-механических свойств. Прочность материала зависит от его структуры и пористости. Ма­териалы, имеющие линейное расположение частиц и меньшую пористость, более прочные. Чем прочнее единичный экземпляр продукта, тем меньше он разрушается или деформируется. Проч­ность имеет важное значение для качественной характеристики таких продовольственных товаров, как макароны, сахар-рафинад, печенье, плоды, овощи и др. Если пищевые продукты недостаточ­но прочные, увеличивается количество лома, крошки.

Твердость — местная краевая прочность тела, которая характе­ризуется сопротивлением проникновению в него другого тела. Твер­дость продуктов зависит от их природы, формы, структуры, раз­меров и расположения атомов, а также сил межмолекулярного сцепления. На твердость кристаллических тел влияет кристаллиза­ционная вода, которая ослабляет внутренние связи и уменьшает твердость. Твердость определяют при оценке степени зрелости све­жих плодов и овощей, так как при созревании их ткани размягча­ются. Уменьшение твердости косвенно влияет на сохраняемость плодов и овощей, особенно их устойчивость к микробиологичес­ким повреждениям.

Деформация — способность объекта изменять размеры, форму и структуру под влиянием внешних воздействий, вызывающих сме­щение отдельных частиц по отношению друг к Другу. Деформация зависит от величины и вида нагрузки, структуры и физико-хими­ческих свойств объекта. Деформации могут быть обратимыми и необратимыми. При обратимой деформации первоначальные раз­меры, форма и структура тела после снятия нагрузки восстанавли­ваются полностью, при необратимой — не восстанавливаются. Спо­собность к обратимым деформациям характеризуется упругостью и эластичностью, разница между которыми заключается во време­ни, в течение которого восстанавливаются исходные параметры. Необратимые деформации обусловлены плотностью.

Упругость — способность объекта к мгновенно обратимым де­формациям. Этим свойством обладают хлебобулочные изделия, для которых упругие свойства мякиша являются одним из наиболее важных показателей, характеризующих степень свежести.

Сыпучесть — способность перемещаться по наклонным плоско­стям. Все порошкообразные продукты (мука, крупы, сахар-песок и др.), а также состоящие из единичных экземпляров более или менее округлой формы (зерно, корнеплоды, овощи, многие пло­ды) обладают хорошей сыпучестью.

Хорошая сыпучесть многих продуктов позволяет легко переме­щать их при помощи транспортеров, норий, шнеков, загружать в различные по форме емкости хранилищ. Эти продукты также лег­ко перемещаются самотеком по наклонной плоскости. Сыпучесть характеризуют двумя показателями: углом трения и углом есте­ственного откоса. Под углом трения понимают наименьший угол, при котором масса продукта начинает скользить по какой-либо поверхности. Под углом естественного откоса, или углом ската, понимают угол между диаметром основания и образующей кону­са, получающегося при свободном падении части массы продукта на горизонтальную поверхность.

На сыпучесть продукта влияет много факторов, в первую очередь форма, размер, характер и со­стояние поверхности единичных экземпляров продукта, а также его влажность и наличие примесей. Влияет также род поверхности, по которой продукт перемещают. Наименьшие углы трения и естественного откоса у семян зер­новых культур шарообразной формы с гладкой поверхностью (го­рох, просо, люпин).

Примеси, встречающиеся в массе продукта, как правило, по­нижают его сыпучесть. Например, при наличии значительного ко­личества семян сорняков с цепкой, шероховатой поверхностью сыпучесть зерна может быть полностью потеряна. Такое зерно нельзя без предварительной очистки засыпать в силос элеватора, так как могут быть закупорены выпускные отверстия. С увеличением влаж­ности продукта его сыпучесть значительно понижается.

Сыпучесть продуктов учитывают при проектировании и эксп­луатации хранилищ, мельниц и других предприятий.

Любое перемещение сыпучих продуктов со­провождается самосортированием, т. е. неравномерным распре­делением входящих в них компонентов по отдельным участкам насыпи. Самосортирование обусловлено неодинаковой сыпучес­тью компонентов массы, оно нарушает однородность массы про­дукта и создает условия, способствующие развитию нежелатель­ных явлений.

При свободном падении массы продукта (напри­мер, в процессе заполнения силоса элеватора) самосортирова­нию способствует парусность, т. е. неодинаковое сопротивление, оказываемое воздухом каждой отдельной частичке. Вследствие са­мосортирования в насыпи продукта появляются участки, резко отличающиеся по своему составу. При хранении зерна и ряда дру­гих продуктов это крайне нежелательно, так как в тех участках, где скапливаются мелкие щуплые зерна или легкие примеси, на­чинаются активные физиологические процессы, что может при­вести к порче зерна.
Скважистость. Многие продукты не абсолютно плотно запол­няют объемы. Остаются промежутки между твердыми частицами, которые заполнены воздухом. Наличие таких промежутков называ­ется скважистостью. Образование скважин в массе продукта влияет на многие протекающие в нем физические и физиологические процессы. Скважистость позволяет продувать продукт воздухом или вводить в него пары различных веществ для обеззараживания. От скважистости зависит объемная, или насыпная масса про­дуктов (табл. 3). Чем выше скважистость, тем меньше продукта поместится в емкость определенных размеров, поэтому скважис­тость продукта необходимо учитывать при проектировании храни­лищ и транспортных средств.
Сорбционные свойства. Продукты обладают способностью погло­щать (сорбировать) из окружающей среды пары различных веществ и газы. При определенных условиях может иметь место и обратный процесс — выделение (десорбция) этих веществ.

Значительная сорбционная емкость массы продукта объясняет­ся двумя причинами: капиллярно-пористой коллоидной структу­рой единичных экземпляров и скважистостью массы продукта.

Сорбционные свойства имеют значение при хранении, обра­ботке и транспортировке продуктов. Вследствие сорбции продукты могут приобрести различные несвойственные им запахи (напри­мер, нефтепродуктов, дыма, полыни). Рациональные режимы суш­ки или активного вентилирования массы продуктов могут быть осуществлены только с учетом их сорбционных свойств. Один из видов сорбции — гигроскопичность, т. е. способность продуктов к поглощению водяных паров. Гигроскопические свой­ства имеют исключительное значение.

Влажность продукта — один из важнейших факторов, обусловливающих стойкость его при хра­нении. Влагообмен между продуктом и воздухом может происхо­дить в двух противоположных направлениях: десорбция — переда­ча влаги от продукта воздуху, когда парциальное давление пара над поверхностью продукта выше, чем в воздухе; сорбция — при­нятие влаги из воздуха. Влагообмен между продуктом и воздухом прекратится, когда парциальное давление водяного пара в воздухе и над поверхностью продукта будет одинаковым, т. е. наступит ди­намическое равновесие. Влажность продукта, соответствующая это­му состоянию, называется равновесной и повышается с увеличе­нием влажности окружающей среды. Равновесная влажность при стационарных условиях окружаю­щей среды (постоянной влажности и температуре) — величина посто­янная.

В зависимости от изменений внешней среды ее значение может изменяться от 7 до 36 %. Влажность продукта, равная 1%, является равновесной для воздуха с влаж­ностью 15-20%, а 33-36%— для воздуха, полностью насыщенного водяными парами.

Величина равновесной влажно­сти зависит от химического соста­ва продукта. Так, у масличных куль­тур при всех равных условиях ве­личина равновесной влажности почти вдвое меньше, чем у зерно­вых. Это объясняется меньшим со­держанием в масличных семенах гидрофильных коллоидов. При постоянной температуре зависимость между влажностью про­дуктов и влажностью воздуха выражается изотермой сорбции. Важным для практики является то, что влажность продуктов изменяется неравномерно. Наиболее значительно возрастает влаж­ность продукта при относительной влажности воздуха в пределах 80-100%. При влажности воздуха 75% равновесная влажность зла­ковых 15-16%, а в более насыщенном влагой воздухе она увели­чивается вдвое и достигает 32-36%.
Равновесная влажность зависит от температуры окружающего воздуха. С понижением температуры воздуха величина равновес­ной влажности возрастает (при понижении с 30 до О°С примерно на 1, 5%).

Помимо этого имеет значение и так называемое явление сорбционного гистерезиса, выражающееся в несовпадении изотерм сорбции и десорбции.

Кривые равновесной влажности показывают, что различные пробы одного и того же продукта, находясь в состоянии равнове­сия с одной и той же средой, могут иметь различную влажность.

Теполофизические свойства. Любая масса продукта в целом обладает рядом теплофизических свойств, из которых наибольшее значение имеют теплоем­кость, температуропроводность, теплопроводность и термовлагопроводность.
Температура продукта относится к важнейшим его характерис­тикам и зависит от температуры окружающей среды. При переме­щении продуктов из одной среды в другую возникают перепады температуры, что может вызвать конденсацию и увлажнение. Вслед­ствие этого могут увеличиться масса продуктов, произойти неже­лательные качественные изменения (микробиологическая порча, коррозия металлов и т. п.).

Температура продуктов существенно влияет на их сохраняемость, поэтому устанавливаются ее оптимальные пределы для каждой то­варной группы или отдельного продукта. Например, температура молока должна быть не выше 8°С, но не ниже О°С.

Теплоемкость — количество теплоты, необходимое для повы­шения температуры объекта определенной массы в определен­ном интервале температуры. Удельная теплоемкость воды равна 1 Дж/К, углеводов — 0, 34, жиров — 0, 42, белков — 0, 37 Дж/К, поэтому теплоемкость продуктов зависит от их химического соста­ва. С увеличением влажности и температуры теплоем­кость увеличивается. Удельная теплоемкость рассчитывается для определения количе­ства теплоты, которое нужно передать продукту для нагревания или отвести от него для охлаждения. Этот показатель применяется для расчета потребностей в холодильном оборудовании или кондицио­нерах для обогрева, а также учитываются при расчетах теплового оборудования для приготовления пищи, при определении соотно­шения основных продуктов и фритюрного жира и других расчетах.
К важным теплофизическим процессам, происходящим в пи­щевой среде, относится термовлагопроводность.

Суть этого про­цесса заключается в том, что при постепенном прогреве продук­та, сопровождающемся перемещением теплоты из зон более на­гретых в зоны с более низкой температурой, вместе с потоком теплоты устремляется и поток влаги. Вследствие этого между на­гретыми и ненагретыми участками создается зона повышенной влажности, что может иметь негативные последствия.

Явлением термовлагопроводности, например, объясняется то, что мякиш выпеченных мучных изделий может иметь несколько большую влаж­ность по сравнению с тестом. Характеризуя теплофизические свойства подавляющего большин­ства пищевых продуктов в целом, следует отметить, что они облада­ют большой тепловой инерционностью, т. е. медленно реагируют на изменение температуры окружающей среды. Значительная тепловая инерционность продуктов имеет как положительное, так и отрица­тельное значение. С одной стороны, большая тепловая инерция при правильно организованном хранении продуктов обеспечивает в них низкую температуру длительный период, даже в теплое время года, и тем самым консервирует их. С другой стороны, при наличии благо­приятных условий для жизнедеятельности микроорганизмов и вре­дителей выделенная ими теплота может накапливаться в массе про­дукта и приводить к повышению температуры и самосогреванию.

К физико-химическим свойствам обычно относят набор ряда по­казателей, определяемых в конкретном продукте или группе про­дуктов с помощью различных физических или химических методов. Например, путем взвешивания, измерения линейных размеров, с помощью других методов измерения, а также определения хими­ческим путем наличия ряда соединений. Как правило, этот набор показателей включен в ГОСТ или другие нормативные документы на каждый вид продукции и дает более или менее полное представ­ление о функциональных свойствах конкретного продукта.

Среди физико-химических показателей два определяются в по­давляющем большинстве пищевых продуктов и пищевом сырье. Это влажность и кислотность.

Влажность, или массовая доля влаги, — один из главнейших показатели оценки качества сырья, полуфабрикатов и готовых из­делий. Количество влаги в объекте необходимо знать в первую оче­редь для определения его энергетической ценности. Чем больше воды в продукте, тем меньше в нем полезных сухих веществ на единицу массы.

От влажности зависит не только содержание сухо­го вещества, но и пригодность продукта для хранения и дальней­шей переработки. Избыточная влага способствует развитию мик­роорганизмов, в том числе вызывающих гниение и разложение продукта, ускоряет ферментативные, химические и другие про­цессы. В связи с этим содержание влаги в объекте предопределяет условия и сроки его хранения. Кроме того, влажность сырья вли­яет на технико-экономические показатели работы предприятий. Так, увеличение влажности муки на 1 % понижает выход хлеба на 1, 5-2%, а повышение влажности мякиша хлеба на 1 % приводит к повышению его выхода на 2-3 %.
Учитывая большую важность этого показателя, соответствую­щие ГОСТы и ТУ (технические условия) устанавливают нормы содержания влаги, а также методы ее определения. Таким обра­зом, установление величины этого показателя обязательно при кон­троле качества продуктов.

Кислотность пищевых продуктов относится к важнейшим харак­теристикам продовольственного сырья, полуфабрикатов и готовых изделий. Кислотность определяется в подавляющем большинстве про­дуктов, за очень редким исключением, например, она не определя­ется в сахаре-песке, шоколаде и в ряде других продуктов.

Для одних продуктов кислотность включена в нормативные до­кументы (молоко, хлебобулочные изделия, плодоовощная продук­ция и т.д.), для других определение кислотности носит рекомен­дательный характер (зерно, мука).

Организм человека физиологически устроен так, что способен переваривать кислую пищу, и практически все продукты имеют кислую среду. Исключение составляют отдельные мучные конди­терские изделия, при выработке которых в качестве разрыхлителя добавляется сода (бикарбонат натрия) или другие химические раз­рыхлители. В этих изделиях определяется щелочность.

Кислотность продуктов во многом характеризует доброкачествен­ность продуктов, поскольку при неблагоприятных условиях хране­ния или нарушениях параметров технологического процесса кис­лотность повышается.

Чаще всего в стандартах на продовольственные товары указыва­ется титруемая кислотность, определяемая по количеству раствора щелочи, израсходованному для нейтрализации кислот, содержащих­ся в 100 г продукта. Титруемая кислотность выражается в процентах по преобладающей в продукте кислоте: молочной в хлебе, молоч­ных продуктах, квашеных овощах и плодах или уксусной в марина­дах, пиве, соках. Также она может быть выражена в градусах кислот­ности (например, для хлеба), в градусах Тернера (для молочных продуктов). В винах учитывают общую и летучую кислотность.

Одним из важных параметров пищевых продуктов является их энергетическая ценность. Энергетическая ценность пищевых продуктов (калорийность) — это количество энергии, которое образуется при окислении жиров, белков и углеводов, содержащихся в продуктах, и используется для физиологических функций организма.

Калорийность — важный показатель пищевой ценности продуктов, выражается в килокалориях (ккал) или в килоджоулях (кДж).

Одна килокалория равна 4, 184 килоджоуля (кДж).

Энергетическая ценность белков равна 4, 0 ккал/г (16, 7 кДж/г). Она рассчитывается обычно на 100 г съедобной части пищевого продукта для определения энергетической ценности продукта, следует знать его химический состав.

Пищевые продукты характеризуются комплексом простых и сложных свойств — химических, физических, технологических, физиобиологических и др. Совокупность этих свойств определяет их полезность для человека. Полезность продуктов питания характеризуется пищевой, биологической, физиобиологической, энергетической ценностью, доброкачественностью и органолептическими свойствами.

В процессе жизнедеятельности человек затрачивает энергию, количество которой зависит от возраста, физиологического состояния организма, характера трудовой деятельности, климатических условий обитания и др.

Энергия образуется в результате окисления содержащихся в клетках организма углеводов, жиров, белков и в небольшой степени других соединений - кислот, этилового спирта и т.д. Поэтому необходимо знать количество расходуемой в сутки человеком энергии, чтобы своевременно восстанавливать её запасы. Энергия, которую затрачивает человек, проявляется в форме теплоты, поэтому количество энергии выражают в тепловых единицах.

Необходимые вещества поступают в организм с пищей. Используют их также для обеспечения составных частей клеток, тканей и органов, для роста, увеличения массы тела. Поэтому пища должна обеспечивать оптимальные условия для жизни и работоспособности человека.

Достаточное количество в организме пищевых продуктов высокого качества позволяет организовать сбалансированное (рациональное) питание, т.е. организованное и своевременное снабжение организма продуктами, содержащими все вещества, необходимые для обновления тканей, обеспечения энергозатрат и являющиеся регуляторами многочисленных обменных процессов. При этом вещества пищи должны находиться между собой в благоприятных соотношениях. Количество незаменимых компонентов при сбалансированном питании превышает 56 наименований.

Сбалансированное питание требует определенного режима, т.е. распределения приема пищи в течение дня, соблюдения благоприятной температуры пищи и т.д. При сбалансированном питании человека такие основные вещества, как белки, жиры и углеводы, должны находиться в пище в соотношении 1: 1: 4; а для людей, занимающихся тяжелым физическим трудом, соответственно 1: 1: 5. Количество белков, жиров и углеводов, необходимое для людей разных профессий при сбалансированном питании, различно.

Важное значение в питании человека имеет природа белков, жиров и углеводов. Полагают, что общее количество белков должно давать 15 % суточной калорийности (энергетической ценности), причем из этого количества на долю белков животного происхождения должно приходиться более 50 %, на долю жиров - около 30 % калорийности (из них 25 % - на растительные), на долю углеводов — несколько более 50 % (из них на крахмал — 75 %, на сахара 20, на пектиновые вещества 3, на клетчатку 2 %).

Энергетические затраты человека складываются из расхода энергии на основной обмен, прием пищи и трудовую деятельность.

Энергия, расходуемая организмом на основной обмен, связана с работой внутренних органов (сердца, легких, эндокринных желез, печени, почек, селезенки и др.). Считается, что взрослый мужчина массой 70 кг на основной обмен в сутки расходует 7123 кдж, а женщина — на 5 % меньше. У пожилых людей расход энергии ниже, чем у молодых.

Прием пищи увеличивает расход энергии на основной обмен организма в среднем на 10—15% в сутки и зависит от характера занятий человека. Так, при разных видах работы затрачивается примерно следующее количество энергии (ккал/ч): при легкой физической механизированной работе - 75; при работе средней тяжести, частично механизированной - 100; при напряженной физической немеханизированной работе - 150-130; при очень тяжелой физической работе и занятиях спортом - 400 и более.

По энергетическим затратам взрослое население страны делят на пять групп, детское - на восемь. Кроме того, отдельно выделяют энергетические затраты мужчин и женщин в возрасте 18—29, 30—39, 40—59 лет. Особую группу составляют люди пожилого возраста. Энергетическая ценность пищевых продуктов выражается в ккал или кДж (1 ккал соответствует 4, 186 кДж).

До недавнего времени считалось, что при окислении 1 г белка, усвояемых углеводов и органических кислот в организме человека выделяется около 4, 1 ккал (17, 2 кДж), при окислении 1 г жиров 9, 3 ккал (38, 9 кДж), Позднее было установлено, что энергетическая ценность углеводов несколько ниже, чем белков (табл. 1).

Таблица 1- Коэффициенты энергетической ценности различных пищевых веществ

Жиры и углеводы при нормальном процессе усвоения в организме расщепляются до конечных продуктов (углекислоты и воды), как и при обычном сгорании. Белки же расщепляются не полностью, с выделением таких продуктов, как мочевина, креатинин, мочевая кислота и других азотистых соединений со значительной потенциальной тепловой энергией.

Поэтому количество тепла при полном окислении белка до конечных продуктов (аммиака, воды и углекислоты) оказывается большим, чем при окислении его в организме.

Энергетическую ценность пищевых продуктов можно определить по химическому составу. Так, если пастеризованное молоко содержит (в %): белков — 2, 8, жиров - 3, 2 и сахаров — 4, 7, то энергетическая ценность 100 г молока составит 57, 86 ккал (4, 0 ккал *2, 8 + 9, 0 ккал* 3, 2 +3, 8 ккал* 4, 7), или 241, 89 кДж.

В зависимости от химического состава энергетическая ценность пищевых продуктов различна (табл.2).

Таблица 2. Энергетическая ценность различных пищевых продуктов

Наиболее высокой энергетической ценностью обладают: сливочное масло, маргарин, шоколад, сахарное печенье и сахар-песок, низкой — молоко, яблоки, капуста, некоторые виды рыбы (карп, треска и др.).

Для определения теоретической калорийности 100 г пищевых продуктов, необходимо знать удельную калорийность питательных веществ (1г жира выделяет 9 ккал; 1 г белка - 4, 1 ккал; 1 г углеводов - 3, 75 ккал) и умножить на количество содержащихся в продуктах. Сумма полученных показателей (произведений) определяет теоретическую калорийность пищевого продукта.

Зная калорийность 100 г продукта, можно определить калорийность любого его количества. Зная теоретическую калорийность, например углеводов, можно найти практическую (фактическую) калорийность углеводов путем умножения результата теоретической калорийности углеводов на усвояемость в продуктах (для углеводов - 95, 6%) и деления произведения на 100.