شیمی مواد غذایی شیمی مواد غذایی دکتر حسن فاطمی Principles of Food Chemistry JOHN M. DEMAN

1. شیمی مواد غذایی شیمی مواد غذایی دکتر حسن فاطمی Principles of Food Chemistry JOHN M. DEMAN تهیه و تنظیم:سروش حقیقت منش S.haghighimanesh@gmail.com

2. ساختمان آب

4. ملكول آب از دو اتم هيدروژن و يك اتم اكسيژن تشكيل شده است. وضعیت قرار گرفتن اتمهاي هيدروژن نسبت به اكسيژن ↓ اين اتمها با يكديگر زاويه‌اي برابر 105 درجه مي‌سازند. ↓ بنابراین ملكول آب از نظر الكتريكي حالت متعادلي ندارد ↓ يعني در طرف اتم اكسيژن بار منفي در طرف اتمهاي هيدروژن مقداري بار مثبت وجود دارد.

6. يك ملكول آب در مركز يك چهار وجهي منتظم قرار گرفته است. ↓ اكسيژن← با دو ملكول آب پيوند هيدروژني هر هيدروژن ← با يك ملكول آب پيوند هيدروژني ↓ هر پنج ملكول آب با يكديگر تجمع مي‌يابند. ↓ خصوصيات ويژه آب را به وجود مي‌آورند. • در حالي كه آب در شرايط عادي، مايع و داراي نقطه تبخير بالا يعني 100 درجه سانتيگراد است، آمونياك و متان نه تنها مايع نيستند بلكه گاز بوده و نقطه ميعان بسيار پايين دارند.

7. با كاهش دمای آب تا C˚ 4 ← از حجم آن كاسته مي‌شود. • اما با كاهش دما از 4 به صفر ← تشكيل نوع متفاوتي از پيوندهاي هيدروژني ميان مولكولها ← کمی افزایش حجم آب • با انجماد آب ← افزايش قابل توجه (1/11) حجم • طی انجماد ← پيوندهاي هيدروژني موجود از ميان رفته و پيوندهاي جديدي كه هر چهار ملكول آب را به هم متصل مي‌كند تشكيل مي‌شود. • در هنگام تبخير آب نيز پيوندهاي هيدروژني از بين مي‌روند.

8. 1- حرارت، • 2- يونها (يا مواد قابل يونيزه شدن) • 3- تركيباتي كه تواناييايجاد پيوند هيدروژني دارند • بر ساختمان طبيعي آب و پيوندهاي موجود در آن تاثير مي‌گذارند و سبب تغيير آنها و تشكيل شكل جديدي از پيوندها مي‌شوند. يونهای داراي ميدان الكتريكي قوي (سديم، كلسيم و آلومينيم) ↓ حل شدن در آب ↓ محلول حاصله داراي سياليتي كمتر (ویسکوزتر) از آب خالص مي‌گردد.

9. اما يونهاي داراي ميدان الكتريكي ضعيف (پتاسيم، آمونيم و كلر) ↓ حل شدن در آب ↓ موجب افزايش سياليت آب مي‌شوند. • رابطه ميان حالات مختلف آب (مايع، جامد و بخار) را مي‌توان از روي نمودار فازهاي آب تشخيص داد. نموداري كه بيان كننده تعادل ميان فازهاي مختلف یک ماده باشد ↓ نمودار فازي ناميده مي‌شود

10. نمودار فازي ↓ نشان دهنده↓ ارتباط حالات مختلف ماده از نقطه نظر حرارت و فشار

11. نقطه A ← درجه حرارت بحراني است ↓ درجه حرارتي كه در بالاتر از آن ديگر تحت هيچ فشارييكگازبهمايعتبديلنمي‌گردد ↓ درجه حرارت بحراني آب ← ˚C 374 ↓ در بالاتر از درجه حرارت بحراني فازهاي مايع و بخار از يكديگر قابل تشخيص نیستند.

12. براي انجام تصعيد ←1- فشار بايد كمتر از 4/579 ميليمتر جيوه ← 2- درجه حرارت كمتر از صفر درجه سانتيگراد منحني ذوب كمي به طرف چپ متمايل است. ↓ نشان مي‌دهد كه ↓ فشار ↑ ← نقطه ذوب ↓ • BTنشان‌دهنده ← فشار بخار آبفراسرد (Super cool water) • آب فراسرد ← داراي فشار بيشتري نسبت به يخ مي‌باشد • آب فراسرد ← از نظر ترموديناميكي ناپايدار است و اگر تكه كوچكي از يخ بدان افزوده شود تبديل به يخ مي‌گردد.

13. محل تقاطع كليه خطوط ← نقطه T است ↓ ˚C 0/0099 و mmHg 4/579 • اين نقطه به عنوان نقطه سه‌گانه شناخته مي‌شود و مشخص كننده نقطه‌اي است كه تمام فازها در آن در حالت تعادل هستند. • اين منحنيها در مورد ← آب خالص است. • طبيعتاً در مورد محلولهاي غذايي، انحرافها يا تفاوتهايي در وضعيت اين خطوط وجود دارد.

14. انواع آب در مواد غذایی الف- لايه جذبي (آب متصل) (آب مقید) (Bond water) • اين لايه به شكل محكمي به ذرات كلوئيدي چسبيده است و تحت اثر نيروي ميدان ملكولي قرار دارد. • خصوصياتآب متصل: • به سادگي تبخير نمي‌گردد • در حرارتهاي عادي انجماد، منجمد نمي‌گردد • تحت فشار است • چگالي زياد • قادر به حمل نمكها نيست.

15. ب- لايه منتشر (آب نیمه مقید) (Loosely bond water) • قدرت اتصال كمتر نسبت به لایه متصل • به شكل ضعيفتري به لايه جذبي متصل شده است. • اين لايه هنوز به صورت آب آزاد نيست. • حالت يكنواختی ندارد • هر چه آب نیمه مقید از آب مقید دور مي‌شود آب شكل حقيقي‌تري به خود مي‌گيرد.

16. ج- لايه آب آزاد • اين آب داراي تمام خصوصيات آب معمولي مي‌باشد. ********************* • آب مقيد↑ ← 1) صدمات خروج از انجماد↓ • 2) تشكيل كريستال حين انجماد ↓ • ميزان آب غير قابل انجماد براي بافتهاي حيواني ← 10-8 درصد • ميزان آب غير قابل انجماد براي سبزيها ← 6 درصد • ميزان آب غير قابل انجماد براي دانه كامل ذرت ← 34 درصد

17. ميكروبي ← سریعترین و مهمترین عامل فساد فساد مواد غذایی آنزيمي ← سریع شيميايي ← كندتر فعاليت آبی • آب مهمترين عامل در كنترل انواع فساد مواد غذایی مي‌باشد. بر پايه وزن مرطوب • بیان ميزان محتواي آب يك ماده غذايي بر پايه وزن خشک

18. درمحاسبه فرآيندها ← وزن خشك مواد غذايي • جداول غذايي ← وزن مرطوب مواد غذايي • نکته: ميزان آب يك ماده غذايي به تنهایی نمي‌تواند ملاك سنجش فساد قرار گيرد. • ملاك سنجش فساد ← موجوديت يا در دسترس بودن آب • قابلیت دسترسی آب ← عنوان فعاليت آب (aw) • برخي فرايندها (مانند خشک کردن) ← حذف رطوبت از ماده غذايي ← aw↓ • برخي فرايندها (مانند ژله ای شدن، استفاده از مواد جاذب‌الرطوبه مثل قند‌انورت، تبديل آب به كريستالهاي يخي) ← بي‌حركت كردن آب ← aw↓

19. آب موجود در ماده غذايي ← داراي فشار بخار است • ميزان فشار بخار آب ماده غذايي بستگي دارد به: • 1- ميزان آب موجود: درصد آب↑ ← فشار بخار↑ • 2- درجه حرارت: دما↑ ← فشار بخار↑ • 3- غلظت مواد محلول( به خصوص نمكها و قندها) در آب. • درصد یا غلظت مواد محلول ↑ ← فشار بخار↓ • تعريف فعاليت آبی: • فشار بخار آب ماده غذايي بر فشار بخار آب خالص در همان دما aw= P/P0 P = فشار بخار ماده غذايي P0= فشار بخار آب خالص در همان دما

20. ميزان آب مقید از طريق معادله Brunauer-Emmett-Teller (BET) بدست می آید: • V: ميزان رطوبت کل برحسب درصد وزن خشك • Vm: ميزان رطوبت يك لايه تك ملكولي (بر پايه وزن خشك) • C: ثابت گرمای جذب سطحی (برای اکثر غذاها: 20-10 و برای مواد پودری 200 است)

21. برای محاسبه آب مقید، طبق معادله BET منحنی زیر را رسم می کنیم: Y =ax + b aw C - 1 / m1 . C Slope = C. 1 / m1 Intercept =

23. بخش مهمي از آب در ماده غذايي به عواملي مانند: OH ← در پلي‌ساكاريدها گروههاي آمين و كربونيل ← در پروتئينها • از طريق پيوند هيدروژني متصل مي‌باشد. • از نظر آماري زمانی كه تمامنقاط موجود داراي قابليت ايجاد اين پيوند توسط آب اشغال شدند، ميزان رطوبت حاصله، مقدار آب تك لايه BET ناميده مي‌شود. • مقدار رطوبت تك لايهBET ← مقدار رطوبتي است كه در آن ماده غذايي پايدارترين شكل خود را دارا مي‌باشد.

24. در رطوبت های كمتر از مقدار رطوبت تك لايه ↓ اكسيداسيون چربيها با سرعت بيشتري صورت مي‌گيرد در رطوبتي بيشتر از مقدار رطوبت تك لايه ↓ قهوه‌اي شدن غير آنزيمي ( واكنش ميلارد) و سپس فعاليتهاي آنزيمي و ميكروبي انجام مي‌شوند.

25. در يك درجه حرارت ثابت، ميزان رطوبت ماده غذايي تغيير مي‌كند تا به حالت تعادل با محيط اطراف خود درآيد. • در حالت تعادل ماده غذايي در طول انبار كردن و نگهداري رطوبتي جذب نمي‌نمايد و رطوبتي به محيط پس نمي‌دهد. رطوبت ماده غذایی در حالت تعادل← ميزان رطوبت تعادلی رطوبت نسبي انبار در حالت تعادل← رطوبت نسبي تعادلی

26. منحني جذب هم دما Adsorption and Desorption Isotherms

27. منحنيهاي جذب هم‌دما مواد غذایی مختلف ← تشابه شكلي قسمت A ← آب تك لايه • بسيار پايدار است، منجمد نشده و در خشك كردن جدا نمي‌شود. قسمت B ← آب چند لايه قسمت C ← آب آزاد • با نيرويضعيفي نگه داشته شده است، به سهولت منجمد مي‌گردد، در خشك كردن جدا مي‌شود، به سادگي در دسترس ميكروبها و آنزيمها • اگر رطوبت بیشتر از نقطه Bباشد ← ماده غذایی محتملاً آماده براي فساد است.

28. كاربرد منحني‌هاي جذب هم دما • آگاهي از خصوصيات ماده غذايي در مراحل: خشك كردن انجماد مرحله بسته‌بندي نگهداري در انبار و ....

29. برای دست یابی به یک % رطوبت معین ← awبدست آمده طی فرایند افزودن آب بیشتر از awبدست آمده طی فرایند کم کردن آب (خشک کردن) است ← تئوری جوهر دان

30. منحنيهاي جذب و از دست دادن آب برهم منطبق نيستند و به عبارتي پديده موسوم به هيسترسيس صورت مي‌گيرد. هيسترسيس ← 0/3 - 0/2 < aw • منحني بسته‌اي كه به اين ترتيب به وجود مي‌آيد ← حلقه هيسترسيس علل پديده هيسترسيس • طی خشک کردن برخي از نقاط جذب كننده آب به شكل غير قابل برگشتياز دست مي‌روند. • فشار بخار آب لازم براي پركردن و خالي كردن فضاهاي موئين با هم متفاوتند. • در عمل جذب آب مجدد در مقايسه با جريان از دست دادن آب ( در يك فعاليت آب معين) ميزان اكسيداسيون كمتر است زيرا ويسكوزيته كمتر است.

31. موادي جاذب الرطوبه ← منحني جذب هم‌دماي پرشيب‌تري

32. مواد غذايي داراي مقادير زيادي شكر يا نمك ↓ • قسمت اول منحني جذب كاملاً صاف است ← غیر جاذب الرطوبه • اما قسمت بعد منحني ← كاملاً شيب‌دار ← جاذب الرطوبه

33. مواد نشاسته‌اي مثل گندم و برنج نسبت به مواد پروتئيني نظير گوشت، در فعاليت آب پايين، آب بيشتري جذب مي‌كنند. به طور كلي قندها به منزله يك گروه واحد ↓ دو نوع منحني جذب هم‌دما نشان مي‌دهند • در حالت بي‌شكل يا آمورف ← جاذب الرطوبه (منحنی شیب دار) • در حالت كريستالي ← غیر جاذب الرطوبه

34. به طور كلي: حرارت↑ ← دناتوره شدن پروتئین ها ↓ تعداد نقاط فعال ↓ ↓ قدرت جذب آب مواد پروتئيني ↓ همچنین: پوشاندن سطح ماده جاذب الرطوبه با چربي ← تعداد نقاط فعال ↓ و به كار گرفتن مواد جاذب الرطوبه در مواد غذايي ↓ بدون كاهش آب ← فعاليت آبی ↓

35. فعاليت آبی و پايداري ماده غذايي • در 0/6 > aw←تقريبا تمام فعاليتهاي ميكروبي متوقف مي‌شوند. • در 0/7 >aw ←فعاليتهاي اكثر كپكها متوقف مي‌شوند. • در 0/8 >aw ←فعاليتهاي اكثر مخمرها متوقف مي‌شوند. • در 0/9 >aw ←فعاليتهاي اكثر باكتريها متوقف مي‌شوند. اگر بجز کاهش aw ←شرايط محيطي دیگری برای يك ميكروارگانيسم نامناسب باشد ↓ تاثیر کاهش aw برای کاهش فعاليتهاي ميكروبي ↑

36. در BET >aw ←فعاليتهاي اكثر آنزيم ها متوقف مي‌شوند. علت ← تحرك ‌سوبسترا ↓ ↓ توانايي ‌سوبسترا در نفوذ به نقطه فعال روي آنزيم ↓ ************************ تغييرات شيمیايي ← پيچيدگي بيشتري دارند. دو نوع از تغييرات شيمیايي كه بيشتر در مواد غذايي در مقدار پايينawبه وقوع مي‌پيوندند ↓ قهوه‌اي شدن ميلارد و اكسيداسيون چربيها

37. اگر aw ↓ ← تحرك مواد ↓ ← قهوه‌اي شدن ↓ اگر aw ↑ ← رقت مواد واكنش كننده ← قهوه‌اي شدن ↓ حداكثر قهوه‌اي شدن ← 0/7- 0/6 aw = در مقادير پايين aw← به دلیل عمل راديكالهاي آزاد ↓ اكسيداسيون چربيها ↑ • در BET < aw ←آنتي‌اكسيدانها و عوامل تشكيل دهنده كمپلكس با فلزات، محلولمي‌گردند ← ميزان اكسيداسيون چربی ها ↓ در مقادير بيشتر aw← جذب آب فلزات و فعالیت كاتاليزوري آنها↑ ↓ اكسيداسيون چربيها ↑

38. اكثر آنزيمها در aw كمتر از 0/85 ← بي‌اثر اما ليپازها تا aw 0/3 يا حتي 0/1 ← فعال حداكثر حفاظت در برابر اكسيداسيون ↓ نگهداري مواد در رطوبتي بالاتر از BET (مثلا با خشک کردن یا انجماد) بسته بندي مواد غذایی از نقطه نظر aw بسيار مهم است. انتخاب مواد بسته‌بندي ← بر اساس منحني جذب هم‌دما

39. بسته بندی مواد غذایی جاذب الرطوبه (منحنی شیب دار) ↓ مقاوم در برابر نفوذ رطوبت ↓ ظروف شيشه‌اي يا بسته‌هاي پلاستيكي (نظير پلي‌وينيل‌كلريد PVC) بسته بندی مواد غذایی غیرجاذب الرطوبه (منحنی صاف) ↓ پلی اتیلن بسته بندی مواد غذایی که رطوبتشان بیش از رطوبت محیط است ↓ مثل كيك و انواعي از پنير↓ بسته‌بندي ← جلوگيري كننده در از دست رفتن رطوبت

40. بسته بندی مخلوطهاي مختلف خشك غذايي نظير سوپهاي خشك ↓ به دلیل تبادل رطوبت کردن اجزاء با یکدیگر ↓ قبل از قرار دادن اجزاء در داخل يك بسته ← ميزان رطوبت آنها در يك حد مناسب تعديل و تنظيم گردد.