Методы исследования пищевых продуктов. 2

1. Макрофизика и микрофизика и их основные категории. Физико-химические свойства. Их общая характеристика. Понятия «физические свойства» в связи с понятиями современной физики. Механические свойства твердых, жидких и газообразных тел и продуктов питания. Методы определения плотности сырьевых объектов, полупродуктов и продуктов пищевых производств в технологии зерна и хлеба, получения продуктов брожения, сахара и крахмала, продуктов макаронных и кондитерских изделий, жиров и масел, рыбных продуктов, продуктов консервирования плодоовощных и животных продуктов. Исследования различных прочностных характеристик сырья и продуктов тех же производств.

Макрофизика - (от греч. makros большой и physis - природа) - классическая физика, еще не имеющая дела с микроскопически малыми телами; противоположность - микрофизика.

Микрофизика - физика элементарных частиц, корпускул, мельчайших материальных единиц. В области микрофизики принцип определенности частей как целого проявляется в особой форме.

Свойство  продукции – это объективная особенность продукции, проявляющаяся при ее изготовлении, хранении, транспортировании и потреблении.

К основным свойствам продовольственных товаров  относятся пищевая ценность, сохраняемость и кулинарно-технологические свойства.

Пищевая ценность продовольственных товаров – это комплексное свойство. Ее составные элементы – энергетическая, биологическая, физиологическая и органолептическая ценность, а также усвояемость и доброкачественность продуктов питания.

Под энергетической ценностью понимают количество калорий, которые может дать организму продукт в зависимости от содержания в нем белков, жиров, углеводов.

Основная  потребность организма человека в энергии покрывается за счет жиров, углеводов и белков, содержащихся в пище. Небольшую часть энергии  человек получает за счет органических кислот, спирта и др.

Энергетическая  ценность 1 г белка составляет 4,0 ккал, 1 г жира – 9,0 ккал, 1 г углеводов  – 3,75 ккал.

Для расчета  теоретической энергетической ценности продовольственных товаров необходимо знать химический состав этих товаров, т.е. процентное содержание в них белков, жиров и углеводов, и массу товара. Рассчитанная таким образом калорийность называется теоретической, т.к. она не учитывает процента усвояемости основных веществ.

Усвояемость – степень использования составных компонентов продовольственных товаров организмом человека. При смешанном питании усвояемость белков составляет 84,5%, жиров – 94%, углеводов – 95,6%.

Практическую  калорийность рассчитывают путем умножения  калорийности белков, жиров, углеводов на процент усвояемости.

Под биологической ценностью продукта понимают сбалансированность содержания незаменимых аминокислот, полиненасыщенных жирных кислот, витаминов, минеральных и балластных веществ.

Физиологическая ценность обусловлена веществами, оказывающими активное воздействие на организм человека. Выделяют три группы физиологически активных веществ, действующих на нервную систему, желудочно-кишечный тракт, иммунную систему человека. Например, кофеин чая и кофе возбуждающе действует на сердечную и нервную деятельность человека. Тартроновая кислота огурцов, кабачков, капусты способствует выведению из организма холестерина.

Органолептическая ценность – это комплексное сочетание свойств продукта: внешний вид (форма, цвет и окраска, состояние поверхности), консистенция, вкус и запах. Причем, последние три имеют первостепенное значение при потреблении продукта.

Доброкачественность продовольственных товаров сочетает в себе органолептическую ценность (цвет, вкус, аромат, консистенция и др.) и безопасность.

Безопасность – это отсутствие недопустимого риска, связанного с возможностью нанесения ущерба здоровью (жизни) человека. На безопасность продуктов питания влияет наличие в пище вредных химических веществ (солей тяжелых металлов, пестицидов, нитратов, канцерогенных веществ), болезнетворных (патогенных) микробов и токсинов. К пестицидам относятся такие вещества, как ДДТ, хлорофос, дихлорофос и другие химические средства защиты растений от вредителей. В стандартах на продукцию предусмотрен контроль за остаточным количеством пестицидов и содержанием нитратов, а также токсичных микроэлементов.

Сохраняемость – одно из свойств качества продукции, относящееся к группе надежности. Надежность – способность изделия выполнять требуемые функции в заданных условиях в течение заданного периода времени.

Показатель  качества продукции – это количественная характеристика одного или нескольких свойств продукции. Показатели качества бывают единичные (размер) или комплексные (внешний вид), определяющие (например, внешний вид, размер, вкус, запах для различных видов плодов и овощей) и специфические (степень зрелости, длина кочерыжки для капустных овощей, позеленение картофеля).

По методам определения свойства пищевой продукции подразделяются на группы:

• органолептические (цвет, вкус, запах, консистенция);
• физико-механические (влажность, плотность, вязкость, пористость и др.);
• физико-химические (содержание соли, сахара, кислотность);
• микробиологические (коли-титр для молочных продуктов, допустимое количество сальмонелл);
• технологические (увеличение массы макаронных изделий после варки).

По функциональному назначению свойства пищевой продукции подразделяются на:

• экологические;
• эргономические, отражающие взаимодействие системы «человек-продукция»;
• группы надежности (показатели сохраняемости) - способности продукта сохранять качество при определенных условиях и сроках хранения;
• свойства транспортабельности (при перевозках);
• эстетические (стабильности товарного вида, изображение фирменных знаков);
• свойства безопасности потребления, обеспечивающие безвредность;
• свойства физиологического назначения, характеризующие диетические и лечебные свойства продукции.

Методы  определения свойств пищевой  продукции включают органолептический, основанный на анализе восприятий органов чувств, измерительный, осуществляемый на основе технических средств измерения, экспертный, осуществляемый на основе решения, принимаемого экспертами, и социологический, осуществляемый на основе сбора и анализа мнений фактических и возможных потребителей продукции. Наиболее часто в торговой практике и на предприятиях-изготовителях применяют органолептический и измерительный методы определения показателей качества.

Качество  хлеба обусловлено качеством  сырья и технологией приготовления.

Сырье. К основному сырью относят муку, воду, соль, дрожжи и определенные культуры молочно-кислых бактерий; к дополнительному — жиры, сахар, молоко, яйца, солод, изюм, мак, пряности и др. Мука используется хлебопекарная пшеничная и ржаная различных сортов.

При подготовке сырья муку разного качества смешивают  таким образом, чтобы получить смесь с хорошими хлебопекарными свойствами. Как правило, смешивают слабую муку с более сильной, темную со светлой и т. д. Для отделения посторонних примесей муку просеивают, при этом она насыщается кислородом воздуха, что улучшает ее хлебопекарные свойства. Затем муку пропускают через магнитоуловители для удаления металлических примесей.

Вода  должна соответствовать требованиям  стандарта к питьевой воде. Воду подогревают с таким расчетом, чтобы температура теста при замесе была 30°С.

Пищевую соль, сахар растворяют в воде, фильтруют  и подают в производство в виде раствора определенной плотности.

Жидкие  жиры процеживают, твердые растапливают при температуре не выше 45°С и процеживают.

Относительная плотность определяется как отношение  плотности исследуемого вещества к плотности «стандартного» вещества в определенных физических условиях:

d  =

где ρ - плотность  данного вещества (кг/м³);

      ρ₀ -  плотность «стандартного» вещества (кг/м³).

Плотность вещества, р, кг/м³, определяется как отношение покоящейся массы, m (кг) к ее объему v(м³):

ρ =

Для жидких пищевых веществ «стандартным»  веществом является чистая вода при температуре 3,98°С и нормальном атмосферном давлении, что соответствует наибольшей ее плотности.

Относительную плотность определяют при температуре  продукта 20°С и воды 4°С или 20°С и обозначают символами d или d . Для пересчета значений плотности d в d или наоборот пользуются температурными коэффициентами расширения.

d = 1,00177  d и d = 0,99823 d

Относительная плотность жидких продуктов зависит  не только от их температуры, но и от концентрации сухих веществ.

Показатели  плотности учитываются при оценке качества молока, определении содержания сухих веществ в плодовых и ягодных экстрактах, содержания поваренной соли в растворах.

Для определения  относительной плотности чаще всего  применяют пикнометрический или ареометрический метод.

Ареометрический метод проводят с помощью прибора ареометр (Рис 1) со шкалой, показывающей плотность. В исследуемый жидкий продукт погружают ареометр до тех пор, пока масса жидкого продукта, вытесненного им, не станет равной массе ареометра.

Плотность жидкого продукта определяют по градуированной шкале ареометра в зависимости от уровня его погружения. Внутри некоторых ареометров имеется термометр, которым можно измерять температуру исследуемого жидкого продукта.

Пикнометрический метод основан на определении массы равных объемов исследуемого продукта и воды при температуре 20°С с помощью прибора пикнометра (Рис 2), который взвешивается, термостатируется вместе с исследуемым продуктов и отдельно с дистиллированной водой.

Плотность исследуемого продукта вычисляется  по формуле:

d₂₀ =   ,

где m - масса пустого пикнометра, г;

      m₁ - масса пикнометра с исследуемой жидкостью, г;

      m₂ - масса пикнометра с дистиллированной водой, г.         

Получение продуктов  брожения.

Под брожением понимают превращение углеводов и некоторых других органических соединений под воздействием ферментов, продуцируемых микроорганизмами, в новые вещества. Известны различные виды брожения. Обычно их называют по конечным продуктам, образующимся в процессе брожения, например спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и др.

Многие  виды брожения, например спиртовое, молочнокислое, ацетонобутиловое, уксуснокислое, лимоннокислое и др., вызываются различными микроорганизмами. Например, в производстве этанола, хлеба, пива, вина применяют дрожжи; в производстве лимонной кислоты — плесневые грибы; в производстве уксусной и молочной кислот, ацетона —бактерии. Основная цель указанных производств — превращение субстрата (питательной среды) под действием ферментов микроорганизмов в необходимые продукты. В других производствах, например в производстве хлебопекарных дрожжей, главной задачей является накопление максимального количества культивируемых дрожжей.

Основные  группы микроорганизмов, используемых в отраслях пищевой промышленности, — бактерии, дрожжевые и плесневые грибы.

Получение сахара и крахмалопродуктов.

Сырьем для производства сахара (сахарозы) служат сахарная свекла и сахарный тростник. В нашей стране сахарный тростник не выращивается, поэтому практически единственным сырьем является сахарная свекла. В то же время у нас в значительном количестве перерабатывается тростниковый сахар-сырец, поступающий из Кубы, Мексики, Индии, Австралии и других стран жаркого климата.

Принципиальная технологическая  схема производства сахара – песка  из свеклы показана на рисунке

Рис. 3. Принципиальная технологическая схема производства сахара – песка из свеклы.

Крахмал, сахаристые продукты на его  основе (патока, декстрины, кристаллическая глюкоза), модифицированные крахмалы широко применяют в пищевой промышленности и в других отраслях народного хозяйства. Основное сырье для их получения – картофель и кукуруза. Технология получения крахмала и крахмалопродуктов из них различна.

Ниже приведены принципиальные технологические схемы получения  сырого картофельного крахмала и кукурузного крахмала.

Рис. 4. Принципиальная технологическая схема получения  сырого картофельного крахмала.

Рис. 5. Принципиальная технологическая схема получения  кукурузного крахмала.

Методы получения макаронных изделий.

Технологическая схема производства макаронных изделий включает следующие  этапы: хранение и подготовка сырья к производству, приготовление теста, прессование, разделка, сушка, охлаждение и упаковывание изделий.

Характерной особенностью макаронного производства является широкое использование автоматизированных линий, объединяющих в единый комплекс все технологические операции, что обеспечивает высокую степень механизации и автоматизации производственных процессов, позволяет получать качественные изделия. В зависимости от вида вырабатываемых изделий и установки того или иного оборудования используют ряд аппаратурно-технологических схем. Наиболее перспективными являются следующие: схема производства длинных изделий с подвесным способом сушки на линиях Б6-ЛМВ и Б6-ЛМГ и схема производства коротких изделий с сушкой на ленточных транспортерах на линиях Б6-ЛКС. В состав этих линий входит единая мучная система для подготовки муки и ее транспортирования на производство, которая принципиально не отличается от применяемой на хлебозаводах.

Методы получения кондитерских изделий.

Основные виды сырья, применяемые  в кондитерской промышленности: сахар, глюкоза, патока, мед, жиры, молоко и молочные продукты, яйца и яйцепродукты, какао-бобы, орехи, фруктово-ягодные полуфабрикаты, мука, крахмал, вкусовые и ароматические вещества, химические разрыхлители и др.

Сахар (сахароза) используется в виде рафинированного сахара-песка или  водного раствора (сиропа). Содержание сахарозы в сахаре-песке в пересчете  на сухое вещество 99,75...99,99 %, содержание влаги не более 0,14 %, а для сахара-песка  бестарного хранения 0,05 %. Сахарный сироп, поступающий с сахарорафинадных заводов, может быть как чисто сахарным, так и сахароинвертным с разным соотношением сахарозы и инвертного сахара. Глюкоза, используемая при выработке детского и диетического ассортимента кондитерских изделий вместо сахара-песка (с полной или частичной его заменой), поступает на предприятия в виде кристаллического порошка белого цвета и хранится при относительной влажности воздуха не выше 65 %.

При производстве сахарных кондитерских изделий в качестве антикристаллизатора используют патоку. При производстве мучных изделий для придания тесту пластичности, а готовым изделиям — мягкости и рассыпчатости вводят патоку в количестве до 2 % к массе сырья. Перед применением патоку подогревают до той же температуры и процеживают через сито.

Для производства мучных кондитерских изделий в качестве основного  вида сырья используется пшеничная мука высшего и 1 сортов. Крахмал в кондитерской промышленности применяется в качестве рецептурного компонента при производстве мучных изделий и в качестве формового для производства конфет.

Для приготовления мучных изделий, конфет, карамели с начинкой, шоколада и халвы используют жиры, которые  являются в большинстве изделий  структурообразователями. Одновременно они способствуют повышению пищевой ценности изделий. Сливочное масло применяется при производстве мучных кондитерских изделий, конфет и ириса, а маргарин — только при производстве мучных кондитерских изделий. В производстве шоколада, конфетных масс, карамельных начинок используется какао-масло, получаемое из какао-бобов, а в производстве печенья, вафельных и прохладительных начинок, конфетных масс типа пралине, жировой глазури — гидрированные жиры.

В кондитерской промышленности широко применяются молоко и молочные продукты: молоко натуральное, сгущенное (с сахаром  и без него), сухое и др.; натуральные  яйца и яйцепродукты — меланж, яичный порошок, яичный белок, желток и др. Яйца вводят при производстве мучных кондитерских изделий, а яичный белок  используют в качестве пенообразователя для выработки пастилы, зефира, сбивных конфет и других изделий.

При производстве конфет, начинок, халвы, шоколадных и мучных изделий добавляют  ядра орехов и семян масличных  растений (миндаль, фундук, грецкий  орех, арахис, кешью, кунжутное и подсолнечное семя и др.).

В производстве шоколада и какао-порошка  основным видом сырья являются какао-бобы — семена дерева какао.

В кондитерском производстве широко используют фруктово-ягодное сырье  в виде полуфабрикатов — пульпы, пюре, подварки, цукатов, заспиртованных ягод.

Для придания кондитерским изделиям кислого вкуса применяют пищевые  кислоты: винную, лимонную, молочную и  яблочную.

В качестве ароматических добавок  в кондитерские изделия вводят натуральные (естественные эфирные масла) и синтетические (эссенции) ароматические вещества

Кроме того, в кондитерской промышленности применяют такие  виды сырья, как разрыхлители, студнеобразователи, пищевые красители, эмульгаторы, консерванты, сырье для выработки диетических видов изделий и пр.

Методы получения  жиров и масел.

Основные виды жировых продуктов, используемых в пищевой промышленности и питании, — растительные липиды (растительные жирные масла), получаемые из масличных растений, а также продукта их переработки: маргариновая продукция, майонез и другие, и животные жиры: свиной, говяжий и бараний жир

Методы получения  рыбных продуктов.

Рыбные продукты получают из разных видов рыб. В настоящее время  рыбу солят, маринуют, коптят, замораживают, вялят из нее готовят рыбные консервы, балыки, рыбные полуфабрикаты.

Методы консервирования  плодоовощных и животных продуктов.

Основная  цель консервирования — сохранение в максимальной степени исходных высоких органолептических свойств сырья. Так же, как и при хранении свежих продуктов, здесь существуют эти же две проблемы, успешное разрешение которых позволяет сохранить высокое качество. Во-первых, торможение или прекращение биохимических реакций и, во-вторых, предотвращение развития микроорганизмов.

Первая  проблема решается бланшированием сырья (бланширование — кратковременная обработка горячим паром при температуре около 120°С или горячей водой), в результате которой инактивируются окислительные и гидролитические ферменты и процессы ферментативного гидролиза и окисления прекращаются. В результате продукт сохраняет исходный цвет, вкус и аромат.

Вторая проблема регулируется тщательным отбором сырья (удаление гнилых  и поврежденных продуктов), необходимой  стерилизацией оборудования и помещения и, в основном, режимами пастеризации консервов. Эти режимы зависят от вида сырья, его качества, размера и материала банки, способа стерилизации и т.д. и могут находиться при стерилизации в пределах температур от 105 до 120°С и продолжительности от нескольких минут до получаса, а при пастеризации при 75 ⁰ до нескольких часов. Важно лишь одно — полученные консервы не должны содержать вредные микроорганизмы в количествах, способных впоследствии при хранении вызвать нарушение качества (так называемая промышленная стерильность). Какие же химические процессы происходят при изготовлении консервов? Хотя бланширование и стерилизация довольно кратковременны, но тем не менее они отражаются на наиболее лабильной группе соединений — витаминах. Витамины группы В и особенно витамин С разрушаются, особенно при стерилизации; так, например, витамины B₁, В₂ и РР — на 20—30 %, β-каротин — на 25 и витамин С — на 60—85 %. Тепловая стерилизация способствует также разрушению вторичной структуры пектинов и, как следствие этого, происходит размягчение сырья.

Существует  множество рецептов использования  сырья для приготовления плодоовощных и ягодных консервов, в том  числе натуральных (без добавок  чего-либо), смешанных (ассорти), так  и после предварительной кулинарной обработки сырья или с добавкой мяса, птицы или рыбы.

2. Амперометрическое титрование в анализе пищевых продуктов. Методы определения общего азота. Метод Къельдаля.

 Амперометрическое титрование  – электрометрический метод титрования, основанный на измерении величины тока в зависимости от объема добавленного титрирующего раствора. Амперометрическое титрование применяют в токсикологии, при анализе пищевых продуктов и санаторно-гигиенических анализах для определения отдельных химических элементов, которые способны восстанавливаться или окисляться.

Концентрация титранта должна быть примерно в 10 раз больше концентрации титруемого вещества, чтобы избежать поправки на разбавление раствора при титровании.

С помощью  амперометрического титрования можно:

1)  определить концентрацию изучаемого  соединения в растворе;

2)  устанавливать стехиометрические  соотношения, при которых образуются  соединения в результате химического  взаимодействия между определяемым  веществом и титрантом;

3)  определять величину произведения  растворимости осадка, образующегося  в процессе титрования.

В амперометрических  титрованиях могут быть использованы реакции комплексообразования, окисления-восстановления и осаждения.

Для определения  различных форм содержания азота  традиционно используют так называемые методы «мокрой химии». Рассмотрим некоторые из них. Для определения содержания аммонийного азота, как правило, применяют относительно недорогой, простой и доступный фотометрический метод с использованием реактива Несслера. С аналитической точки зрения метод не отличается высокой селективностью, на результат анализа оказывает влияние состав пробы. В частности, присутствие органических соединений в некоторых случаях может дать вклад до 30-35% от измеренной величины, что превышает допустимую погрешность измерения. Более совершенный метод – капиллярный электрофорез. Этот метод обладает высокой селективностью и даёт достоверную информацию о содержании аммонийного азота в пробе. Для контроля содержания нитратов также может использоваться фотометрический метод (основанный на реакции нитратов с салицилатом натрия). Определению мешает присутствие в анализируемой пробе окрашенных веществ, а также нитрит-иона. Определение массовых концентраций нитрит-иона может быть выполнено по методике с реактивом Грисса.

Большое внимание уделяется определению  общего содержания белка в пищевых  объектах. Обычно определение проводят с использованием метода Къельдаля. Он основан на мокром сжигании материала в серной кислоте с использованием катализаторов: Na₂SO₄, CuSO₄, Se, H₂O₂. В результате выделяющийся аммиак вступает в реакцию с серной кислотой:

2NH₃ + H₂SO₄ = (NH₄)₂SO₄

Затем проводят отгонку NH₃:

(NH₄)₂SO₄ + 2NaOH = 2NH₃ + Na₂SO₄ + 2H₂O

Аммиак  поглощают избытком 0,1 н раствора H₂SO₄ и титруют избыток H₂SO₄ 0,1 н раствором NaОН в присутствии фенолфталеина:

H₂SO₄ + NaOH = Na₂SO₄ + H₂O

Таблица

Аминокислотный состав белков муки (в г на 100 г белка)

Рассчитывают  содержание азота в %.

Для перевода количества азота в  содержание белка используют коэффициент 6,25. Принят он потому, что большинство белков содержат 16% азота (100:16 = 6,25).

Для пшеницы  получен коэффициент 5,7, т.к. ее белки  содержат 17,5% азота. Для ржи, ячменя, овса, семян подсолнечника также 5,7; сои – 5,8; кукурузы – 6,25; молока – 6,38 и т.д.

По методу Къельдаля созданы высокопроизводительные, модифицированные, автоматические анализаторы типа «Къельфос».