Matvælaefnafræði 1 09.81.44

1. Matvælaefnafræði 109.81.44 Kennari Ágústa Guðmundsdóttir Raunvísindadeild - matvælafræðiskor

2. InngangurSkilgreining á matvælaefnafræði • Matvælaefnafræði er ein af megin undirstöðugreinum matvælafræða. Hún fjallar um samsetningu og eiginleika matvæla. Auk þess fjallar hún um þær efnabreytingar sem verða í matvælum við meðhöndlun, vinnslu og geymslu. • Grundvallar munurinn á matvælaefnafræði og lífefnafræði er sá að lífefnafræðin fjallar um efnafræði lifandi lífvera á meðan matvælaefnafræðin fæst við efnafræði lifandi og dauðra lífvera.

3. InngangurSkilgreining á matvælaefnafræði • Matvælaefnafræði er nátengd mörgum fræðigreinum svo sem efnafræði, lífefnafræði, lífeðlisfræðilegri efnafræði, grasafræði, dýrarfæði og sameindalíffræði. • Matvælaefnafræðin fæst m.a. við það á hvern hátt unnt er að hægja á niðurbrotsefnahvörfum með stýringu á umhverfisaðstæðum, viðbótarefnum (aukefnum) eða hvorutveggja (Töflur 1-3 í kennslubók). Margir þættir koma við sögu - ekki einsleit (homogen) efnahvörf.

4. InngangurMatvæli • Getum ekki eingöngu horft á einangruð fyrirbæri í matvælaefnafræði. • Matvæli eru mjög flókin blanda margra efna og efnasambanda • Ekki einsleitt kerfi - þurfum að skilja samspil allra þátta, • - t.d. samanstendur kjöt af: • - vatni: bundnu og óbundnu- próteinum: uppleystum og óuppleystum- fitum: þG, PL, MG, DG, FFS- sykrum og glycogeni- málmum og steinefnum af mögum gerðum- vítamínum af mörgum gerðum

5. InngangurGæði • Gæði matvæla eru m.a. metin eftir: • Bragði, næringargildi, áferð, útliti og örverufjölda • Efna og eðlisfræðilegir ásamt örverufræðilegum þáttum ráða gæðum matvæla • Breytingar á gæðum matvæla geta átt sér stað við- slátrun, framleiðslu, geymslu og meðhöndlun • H20 er stærsti hluti matvæla: • Kjöt 50-70% H20 • Fiskur 65-81% H20 • Tómatar > 95% H20

6. VATN (H2O) • Algengasti þáttur matvæla • Ber mesta ábyrgð á gæðum • Nauðsynlegt fyrir niðurbrotsefnahvörf og örveruvöxt • Geymsla: • þurrkun (brottnám H2O) • frysting/söltun (hefting H2O) • Breytingar á gæðum vegna brottnáms/heftingar vatns

7. Eiginleikar H2O Bygging H2O • Óvenjulegir eininleikar og hegðan vatns og íss miðað við aðrar líkar sameindir • Vatnssameindin myndar vetnistengi við -OH, -NH, O, N • Aðdráttarkraftar milli H2O sameinda • Vetnistengi: 2e- í O eru óparaðar, þiggur tvö vetnistengi • Sterkir aðdráttarkraftar milli H2O sameinda þrívíð netjubygging um allan vatnsfasann

8. Sérstaða H2O(miðað við líkar sameindir, NH3, HF o.fl.) • Hátt BM (bræðslumark) og SM (suðumark) • Aðrir eðlisfræðilegir fastar: • Há gildi:- yfirborðsspenna- tvískautsgildi- eðlisvarmi • Lág gildi • eðlisþyngd • Há varmaleiðni í vökva og ís • Rúmmálsaukning við frystingu, veldur oft frostskemmdum

9. Vatn og ís (1/4 frh..)

10. (frh.) Vatn og ís (2/4 frh..)

11. (frh.) Vatn og ís (¾ frh..)

12. (frh.) Vatn og ís (4/4)

13. Fasalínurit vatns

14. VatnslausnirVatnssækin efni Tengsl H2O og leysiefna (solute) • Vatnssækin efni: • Efni sem hafa mikið af hlöðnum og skautuðum hópum- sykrur, prótein, sum vítamín, sölt, alkohól o.fl. • Sterk hrif vatnssækinna efna við H2O vegna: • jóna-tvískauts eða tvískauts-tvískauts tengja breytingar á byggingu og hvarfgirni leysiefnis breytingar á byggingu og hreyfanleika H2O

15. VatnslausnirVatnsfælin efni • Vatnsfælin efni hafa óhlaðið yfirborð t.d. fitur, ýmis prótein og sum vítamín • Efnin forðast H2O, renna saman og mynda þyrpingar, sem þýðir meiri reglufestu kerfisins • Öll kerfi leita í átt að lægstu orku og mestu óreiðusbr. G = H - TS • Aukin reglufesta er óhagstæð vegna lækkunar á S • þyrpingar vatnsfælna efnisins vega upp á móti lækkun í S vegna hækkunar á H við samrunann: Vatnsfælin hrif (hydrophobic interactions)

16. Samspil vatns og jóna • Litlar óskautaðar sameindir í H2O mynda clathrate hydríða • Mjög lík hegðan og óskautaðar hliðarkeðjur próteina • Sterkast bundna vatnið í matvælum er tengt jónum • Jónir mynda skautuð (polar) hrif við H2O • þunnar saltlausnir  megnið af H2O frjálst • Sterkar “  “ “ “ hindrað • Litlar jónir: Li+, Na+, Ca2+, Mg2+, o.fl. og/eða marggildar eru með sterk rafsvið  net structure formers (stöðug bygging með H2O) • Stórar jónir: K-, NH4+, Cl-, NO3-, o.fl. eða eingildar jónir eru með veik rafsvið  net structure breakers (óstöðug bygging með H2O)

17. Ástand vatns í matvælum • Æskilegt er að þekkja ástand H2O í matvælum • H2O er mismikið bundið matvælum. Geymsluþol matvæla fer að verulegu leyti eftir því hversu stór hluti H2O er bundinn • Tvö matvæli með sama heildar vatnsinnihald en ólíkt magn af bundnu vatni geta haft ólíkt geymsluþol: • Þess vegna er vatnsvirkni betri mælikvarði á geymsluþol (Gþ) en vatnsinnihald

18. Vatnsvirkni -aw • Ástandi vatns í matvælum er lýst sem tengslum á milli rakainnihalds matvælis og afstæðs raka lofts umhverfis matvælið: • Hlutfallið á milli = vatnsvirkni = aw • Vatnsvirkni er skilgreind á bilinu 0-1 • Við um 50% raka breytist aw hratt og sambandinu á milli vatnsvirkni og afstæðs raka er lýst með sogferlum

19. Skilgreining á aw • aw=P/P0=ERH/100 • aw = vatnsvirkni • P = hlutþrýstingur vatns í matvæli • P0 = gufuþrýstingur vatns við sama T • ERH = afstæð jafnvægisrekja % • Við háan raka er magn H2O >> magn þurrefnis aw ≈ 1,0 • Við lágan raka er magn H2O << magn þurrefnis aw < 1,0

20. GeymsluþolMikilvægi vatnsvirkni • Vatnsvirkni skilgreinir óbundið vatn, sem er til reiðu • t.d. fyrir efnahvörf og örveruvöxt • aw er því mikilvægur mælikvarði á geymsluþol • Lækkun á vatnsvirkni - aw- þýðingarmesti þátturinn til að auka geymsluþol • Geymsluaðferðir, sem valda lækkun á aw t.d.: • þurrkun (brottnám vatns) • Frysting, söltun eða sykrun (hefting vatns)

21. aw mælingar Mælingar á: • Frostmarkslækkun og vatnsinnihaldi • Rakainnihaldi með rekjunemum (vandmeðfarið og tímafrekt) • Jafnvægis ”chamber” (Mynd næstu bls.). Rakastigið er fest með mettuðum saltlausnum- aw stillt á föst gildi - ýmsir ókostir • Tg = Glass transition • Tg erþað hitastig þar sem fast myndlaust efni verður gúmmíkennt • Tg er oft betri mælikvarði á geymsluþol en vatnsvirkni • Tg er sérstakt fyrir hvert efni eins og aw

22. Sogferlatilraun með söltum

23. Uppsetning tilraunar • Nokkur sýni af sömu þyngd og við fast T og P eru útbúin og sett í lokuð ílát. Hvert ílát hefur fast aw gildi sem hefur verið stillt með söltum • Matvælið er vegið fyrir og eftir að jafnvægi er náð í ílátinu • Annað hvort gerist að matvælið dregur í sig raka eða tapar raka • Dreginn upp sogferill EMC (equilibrium moisture content) á móti aw fyrir viðkomandi matvæli • Hvert matvæli hefur einkennandi sogferil

24. Sogferlar • Getum fundið tengsl vatnsvirkni, aw, og vatnsinnihalds með sogferlum. • Sogferlar eru línurit yfir raka á móti vatnsvirkni, oftast mælt á bilinu 18-25°C • Raki (moisture) = g H2O / g þurrefni (þ.e.) vs. aw • aw ≠ vatnsinnihald vegna þess að vatn er mismunandi mikið bundið í matvælum • Notagildi sogferla: • T.d. við þurrkun og aukningu í þ.e. styrk matvæla • háð aw hversu auðvelt er að fjarlægja H2O • Við áætlun á geymsluþoli matvæla

25. Sogferlar og öryggi matvæla • FDA notar sogferla til að meta öryggi matvæla • Sérstakar reglur eru í gildi hjá FDA um meðhöndlun matvæla háð aw og pH • Dæmi: • awá bilinu 0-0.6 • Matvæli oftast stö ðug við herbergishita en er þó há ð viðkomandi matvæli • aw á bilinu 0.6-0.9 • Meðalrök matvæli. Þarf að hægja á örveruvexti með rotvarnarefnum og á efnahvörfum t.d. með þráavarnarefnum

26. Sogferlar (sorption isotherms)

27. þrjú svið sogferla (svið I) Svið I. • Brattur ferill - u.þ.b. eitt lag H2O sameinda bundið risasameindum • Fastast tengda vatnið í matvælum á sviði I: • Er ekki til reiðu fyrir efnahvörf og örveruvöxt • Uppgufunarvarmi er mjög hár () • H2O-jóna og H2O-tvískauts tengi við hlaðna hluta stórsameinda • Lítill hluti vatns er bundinn í þessu lagi • þetta vatn frýs ekki við -40°C

28. þrjú svið sogferla (svið II) Svið II. • Lag I + nokkur lög H2O sameinda • Vetnistengi H2O-H2O og H2O-hvarfefni (solute) • Breytilegur uppgufunarvarmi, hærri en hreint vatn • Frýs ekki við -40C • Lög I og II < 5% af vatni

29. þrjú svið sogferla (svið III) Svið III • Vatn á sviðum I og II auk III. • Hreyfanlegt - svipað og í þunnum saltlausnum • Uppgufunarvarmi ≈ hreint vatn • Frýs auðveldlega við -40°C • Oftast > 95% af heildarvatni í matvælum • Minnst bundna vatnið í matvælum stjórnar stöðugleika þeirra (vatn í lagi III).

30. Tegundir sogferla • Ásogsferlar • Mælikvarði á hversu hratt ákveðið matvæli dregur í sig raka Upphafssýni er þurrt matvæli • Frásogsferlar • Mælikvarði á hversu hratt þurrkunarferli ákveðins matvælis er. Upphafssýni er rakt matvæli • aw er náskylt stöðugleika matvæla • Hygroskópísk (vatns/rakadræg) matvæli: • Lítil breyting á afstæðri rekju  mikil breyting á rakainnihaldi matvælis

31. Ásog (ads.) og frásog (des.)

32. Hysteresis • Ásogs og frásogsferlar falla ekki saman vegna hysteresis áhrifa þ.e. vatns sem þéttist í hárpípum • Mismunur ferlanna háður:- Tegund matvælis, hraða ásogs/frásogs, hitastigi (T) o.fl. • Kenning: • Hárpípur hafa mjóan háls en eru víðar að öðru leyti • Ásog (adsorption) - hárpípa fyllist ekki fyrr en virkni er náð, sem samsvarar stóra radíus R • Frásog (desorption) - tæmingu hárpípa stjórnað af minni radíusi, r, (háls)  minni vatnsvirkni

33. Tegundir vatns í matvælum • Sogferlar gefa til kynna að mismunandi tegundir H2O sé að finna í matvælum. • Talað um 3 tegundir vatns í matvælum: • Eindarlagsvatn (monolayer). • Hárpípuvatn (capillary). • Laust bundið vatn (loosely bound).

34. Geymsluþol og vatnsvirkni aw = 0,2-0,4 (þurr matvæli) • G.þ. er hátt • þarf ekki að nota rotvarnarefni aw = 0,6-0,9 (meðalrök og rök matvæli) • Geymsluþol er misjafnt en er þó yfirleitt lágt • þarf að nota rotvarnarefni eins og sölt, sýrur, glycerol, súkrósa (eða önnur efni) • Slík efni binda H2O en þau gefa aukabragð sem er óæskilegt og sum gefa kcal

35. Bundið vatn • Ófrosið við -20°C • Ekki til reiðu sem leysir • 8-11 % af dýravefsvatni og vatni í eggjum er bundið • 6 % ávaxta og grænmetisvatns bundið • 34 % vatns í heilu korni er bundið • Brauð: ef raki < 18%  frýs vatnið ekki • 30-50% af heildarraka kjöts frítt vatn, háð tegund og öldrun • Mæling á óbundnu vatni með NMR nákvæm en kostnaðarsöm • Almennt vandasamt og ónákvæmt að mæla frítt vatn

36. Tengsl hitastigs og vatnsvirkni • Mikið samband á milli T og aw • Dæmi: Höfum framleitt matvæli (þurrkað) með aw = 0,4 við 20°C, gefur Gþ 3 mánuði • Ef matvælið er geymt við 30°C getur það valdið mikilli breytingu á Gþ, aw gæti breyst í 0,6  Gþ 1 mánuði

37. Tengsl awog T d ln aw -H  =  d (1/T) R ln aw vs 1/T gefur beina línu Jafnan lýsir sambandi aw og T • T = absolute hitastig • R = gasfasti • H = enthalpy

38. BET - jafnan Einföld aðferð við útreikning á eindarlagi vatns í matvæli aw 1 C-1  =  +  aw m(1-aw) m1C m1C • þarf sogferil viðkomandi fæðu • aw = vatnsvirkni • m = vatnsinnihald (g H2O/g þ.e.) • m1 = eindarlagsgildi (monolayer value) • C = fasti, keQs/RT

39. Einfaldur BET ferill • Línulegt samband að ca. aw = 0,35 • þarf sogferil viðkomandi fæðu • Lesa af sogferli eitt r gildi fyrir hvert a gildi, a.m.k. 3 gildi • Útbúa línurit yfir: aw  vs. aw m(1-aw)

40. Notagildi BET-jöfnu • Reikna út eindarlagsgildi fyrir ákveðið matvæli • Jafnan gildir á bilinu aw = 0,1-0,5 • Lýsir ásogi vatns á viðkomandi matvæli • t.d. hveiti, sterkju, gluten, þurrkuð epli og kartöflur

41. ÍS - H2O kristallar • Ekki fullkomnir kristallar • Myndaðir úr H2O, H+, H3O+, OH-, ekki homogent efni • Vegna galla í ískristöllum eru hreyfingar mögulegar:- Vibration, diffusion, hreyfingar H+ jóna • Ís er ekki statískur, einkenni hans er háð T • Virkni í ís er tengd skemmdum (niðurbroti) matvæla • Við frystingu eru efnahvörf ekki stöðvuð heldur er hægt á þeim • Hexagonal kristallar myndast í flestum matvælum - Ekki mörg leysiefni sem hafa áhrif á þá byggingu

42. Frysting • Ískristallar H2O laust byggðir og stór holrúm myndast í kristallinn  hátt “specific volume” samanber að vatn þenst út við frystingu (9%). • Við bráðnun brotna vetnistengi í ísnum og vatnssameindirnar geta pakkast þéttar saman á fljótandi formi • Hæg frysting matvæla Stórir ískristallar myndast • Hröð frysting matvæla Litlir kristallar myndast • Stórir ískristallar innan- eða á milli fruma valda meiri skemmdum en litlir ískristallar

43. Ískristallar (½ frh..)

44. (frh.) Ískristallar • Innlimun glúkósa í ís (2/2 frh..)

45. Ískristallar • þarf 100°C til að rjúfa öll vetnistengin í vatni- útskýrir háan uppgufunarvarma vatns • Við geymslu hafa ískristallar tilhneigingu til að stækka, sérstaklega ef T er óstöðugt • Vöxtur ískristalla vs. myndun ískristalla • Stærð ískristalla að lokinni frystingu er beint tengd fjölda kristalla (number of nuclei) • Fleiri kristallar  minni kristallar • Hræring örvar myndun ískristalla

46. Vatnsvirkni og skemmdir Vatnsinnihald • þurr eða frostþurrkuð matvæli 5-15% • Meðalrök matvæli 20-40% • þurr matvæli- Lægri hluti sogferla, mono og multilayer vatn - aw = 0,1-0,4 • Meðalrök matvæli, hárpípuvatn bætist við - aw = 0,5

47. Vatnsvirkni og ensímvirkni • Flest ensím eru óvirk við aw < 0,85 að lípösum undanskildum (eru virkir við aw = 0,1-0,3) • Ensímatískt rof lecithíns (PC) í blöndu af byggi, maís og phosphatidyl choline (PC) (við 30°C) • Ensímatísk brúnun (oxun phenolsambanda), polyphenol oxidasi, cellulose-catechol

48. Vatnsvirkni og brúnunarhvörf aw vs. Maillard brúnun • aw ≈ 0,7-0,9 - Max. hraði: • brúnunarhvarfa, B1 niðurbrots og örveruvaxtar • aw ≈ 0,2-0,3- Min. hraði flestra efnahvarfa • aw < 0,2-0,3 - Hægist á hraða flestra efnahvarfa nema þránunar

49. aw og þránun (oxun fitusýra) H2O, sviði I • Oxun minnkar að aw = 0,2-0,3 • Hindrun á H2O2 niðurbroti • Vantar málmjónir sem hvata oxun  M+ virkni  H2O, sviði II • Oxun eykst vegna aukins leysanleika O2 og þenslu stórsameinda  hvötunarstaðir sameinda aðgengilegri H2O, sviði III • aw > 0,8  oxun minnkar vegna útþynningar hvata

50. Vatnsvirkni og pökkun • Pakkningar skipta miklu máli varðandi viðhald bestu aðstæðna við geymslu • Sogferlar eru notaðir við val á pakkningum, dæmi: • Hygroscopisk (vatnsdræg) matvæli eins og kaffi nota rakaheldar pakkningar, sem hindra að raki komist að matvæli • Ef matvæli er rakara en umhverfið eins og ostar, bökunarvörur  nota pakkningar, sem hindra rakatap