BÀI GIẢNG VÀ BÀI TẬP HÓA HỌC THỰC PHẨM

Hàm lượng độ ẩm trong một số sản phẩm Nước có mặt trong các sản phẩm có nguồn gốc thực vật và động vật, chẳng hạn nhưcác thành phần nội bào và ngoại bào, môi trường phân tán, ảnh hưởng đ

CHƯƠNG 1: NƯỚC

65-75 %70-90 %12-15 %

35 %

37 %

87 %87-95 %Bảng 1.1 Hàm lượng độ ẩm trong một số sản phẩm

Nước có mặt trong các sản phẩm có nguồn gốc thực vật và động vật, chẳng hạn nhưcác thành phần nội bào và ngoại bào, môi trường phân tán, ảnh hưởng đến kết cấu,cấu trúc ổn định xuất hiện, sản phẩm, trong thời gian lưu trữ;

1.2 Cấu tạo và liên hợp phân tử nước

1.2.1 Cấu tạo phân tử nước

Công thức phân tử: H2O (M=18)

1.2.2 Liên kết phân tử nước

a, Liên kết hydrogen: là lực tương tác (có thể giữa các lưỡng cực - lưỡng cực) tồn tại

giữa một nguyên tố có độ âm điện lớn và hydrogen.

b, Liên kết hóa trị phân cực: được hình thành do sự góp chung hai electron hóa trị

độc thân có spin ngược nhau của hai nguyên tử tương tác, trong đó mỗi nguyên tử đưa ra một, cho nên số liên kết cộng hóa trị bằng số electron ghép đôi

c, Liên kết ion: Là lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu (lực Coulomb).

d, Liên hợp phân tử nước: (H 2 O) n

+ Trạng thái vật của nước

+ Yếu tố ảnh hưởng đến trạng quá trình liên hợp nước:

- Nhiệt độ: làm thay đổi tốc độ dao động của các phân tử nước

- Các chất không phân cực: hydrocarbon, nhóm không cực ở mạch bên của

protein làm giảm chuyển động nhiệt của phân tử nước, làm tăng liên kết hydrogen nên làm tăng quá trình liên hợp nước

- Các chất điện ly: Na+, K+, Cl- Có khả năng hydrat hóa làm giảm số liên kết

hydrogen giữa các phân tử nước, làm quá trình liên hợp giảm

- Một số khí: freon, propan Chúng có khả năng tạo với nước các tinh thể ở nhiệt

độ trên 0 oC Dựa vào tính chất này để cô đặc hoặc khử khoáng trong dung dịchnước

1.3 Trạng thái của nước trong thực phẩm

1.3.2 Nước liên kết

Tổ hợp nước, liên quan chặt chẽ với các thành phần của thực phẩm như protein,carbohydrates, chất béo, do các liên kết hóa học và vật lý Dựa vào dạng liên kết vớicác thành phần thực phẩm và thứ tự giảm dần của năng lượng liên kết nước liên kếtđược chia thành ba nhóm, hóa học, hóa lý và cơ học

+ Nước liên kết hóa học: một phần của chất khô.

Ví dụ: nước của tinh thể polysaccharides (tinh bột, vv)

Nước liên kết hóa học có năng lượng liên kết cao nhất, rất bền, rất khó để phá vỡ và

phải tiến hành ở nhiệt độ cao.

Maltose

+ Nước liên kết hóa lý (nước liên kết hấp thụ): được hình thành do các phân tử có cực

(nhóm có cực của protein, chất béo) nằm ở bề mặt thực phẩm hút các lưỡng cực củacác phân tử nước Nước này tạo thành một vỏ hydrat hóa xung quanh các nhóm ưa

nước của protein và lipid Nước liên kết hóa lý không hòa tan chất dinh dưỡng của sản

phẩm, gần như không bị loại bỏ khỏi sản phẩm khi sấy khô, không hữu ích cho vi sinhvật phát triển

Protein

+ Nước liên kết cơ lý (nước liên kết mao quản) là độ ẩm được giữ lại trong các mao

+ Nước liên kết cơ lý có thể được loại bỏ bằng cách làm khô, hoặc đông lạnh Nước

liên kết cơ lý ảnh hưởng đến sự bảo toàn của các sản phẩm gel, ví dụ, sự mất mát củanước cơ lý dẫn đến sự giảm mạnh về chất lượng

1.4 Hoạt độ của nước (A w )

1.4.1 Định nghĩa

Hoạt độ của nước là: tỷ số giữa áp suất bay hơi nước trên sản phẩm (Pw) và

áp suất bay hơi của nước tinh khiết (P0) ở cùng một nhiệt độ

Aw = Pw / P0

Hoạt độ của nước là: độ ẩm tương đối (ψ) ở trạng thái cân bằng, mà tại đó sản

phẩm không hấp thụ hơi ẩm và không bốc hơi vào không khí, giảm đi một trăm lần:

1.4.2 Sự ảnh hưởng của các yếu tố lên hoạt độ nước

+ Tổng hàm lượng nước trong thực phẩm Thực phẩm có hàm lượng nước cao

(có chứa nhiều nước tự do) thì có hoạt độ nước cao

+ Thành phần hóa học của thực phẩm: các hợp chất như protid, glucid, lipid,… có phản ứng khác nhau với nước nên các sản phẩm khác nhau có hoạt độ nước

khác nhau

+ Cấu trúc của thực phẩm: ví dụ tinh bột có cấu trúc mắt lưới giữ nước kém, nhưng khi gia nhiệt chuyển sang cấu trúc vô định hình tinh bột có khả năng giữ

nước cao hơn

+ pH môi trường và lực ion

1.5 Đường đẳng nhiệt hấp thu

1.5.1 Đường đẳng nhiệt hấp thu là gì?

Đường đẳng nhiệt hấp thu đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa hàm

ẩm (hàm lượng nước trong thực phẩm) với hoạt độ của nước trong đó ở nhiệt

độ không đổi

Hình Đường đẳng nhiệt hấp thu và trạng thái liên kết của nước trong thực phẩm

có độ ẩm trung bình

Vùng I

Vùng I của đường đẳng nhiệt tương ứng với nước có độ hấp thụ mạnh nhất vàkém linh động trong hầu hết các loại thực phẩm Nước này được hấp thụ thông quacác tương tác có cực giữa phân tử nước, liên kết ion và liên kết lưỡng cực Nướckhông đóng băng ở -40 °C Nước ở vùng I không thể là dung môi, hàm lượng khôngđáng kể, còn tồn tại trong thực phẩm sấy khô như là một phẩn của thực phẩm

Cuối vùng I và vùng II (danh giới giữa vùng I và II) tương ứng với nước đơn lớp

Vùng II

Vùng II bao gồm nước ở vùng I và II cộng với nước tái hấp thu, chứa trong khuvực II, tạo thành nước đa lớp và tương tác với các phân tử lân cận bằng liên kếthydrogen Enthalpy bay hơi của nước đa lớp cao hơn so với nước tinh khiết Hầu hếtnước ở vùng này không đóng băng ở -40 °C Nước này có khả năng làm dung môi,đóng vai trò như một chất dẻo và làm “trương” ma trận chất rắn Nước trong khu vực

I và II thường chiếm nhỏ hơn 5 % tổng lượng nước của thực phẩm, ngay cả trongcác loại thực phẩm có độ ẩm cao

Vùng III

Vùng III của đường đẳng nhiệt của nước, là nước trong khu vực I và II, và thêmvào để tạo thành vùng III Trong thực phẩm, nước này ít liên kết và linh động nhất.Nước tồn tại trong mao quản, và nước tự do thấm ướt Nước được hấp thu (hoặcloại bỏ) cho sự hình thành vùng III có enthalpy bay hơi gần như giống như nước tinhkhiết, đóng băng và là dung môi quan trọng cho các phản ứng hóa học và sự pháttriển của vi sinh vật Bình thường hàm lượng nước của vùng III chiếm 95% độ ẩmtrong thực phẩm có độ ẩm cao

1.5.2 Sự trễ hấp thu

Sự trễ hấp thu là gì? Đường đẳng nhiệt hấp thu đạt được bằng cách thêm

nước (tái hấp thu) vào sản phẩm khô, không hoàn toàn trùng khớp với đườngđẳng nhiệt thu được bằng cách giải hấp Hiện tượng này được gọi là sự trễ hấpthu

Hình Đường đẳng nhiệt hấp thu và giải hấp

Sự trễ hấp thu có thể thay đổi đáng kể, tùy thuộc vào các yếu tố như:

Nguyên nhân

+ Sự trễ hấp thu chỉ xảy ra trong các vùng liên kết yếu

+ Do nước trong mao quản khó bay hơi hơn bởi sự ngưng tụ nước trong các lỗmô

1.5.3 Tác dụng của đường đẳng nhiệt hấp thu

Cho phép dự đoán các tính chất của thực phẩm để lựa chọn các tham sốthích hợp cho quá trình chế biến, bảo quản

1.6 Ảnh hưởng của hoạt độ nước đến chất lượng và an toàn thực phẩm

Hình Mối quan hệ giữa Aw và vận tốc của các phản ứng khác nhau xảy ra trong thực

phẩm ở nhiệt độ 25-45 °C.

1.6.1 Ảnh hưởng của hoạt độ nước đến quá trình oxy hóa lipid

1.6.2 Ảnh hưởng của hoạt độ nước đến phản ứng hóa nâu phi enzyme

1.6.3 Ảnh hưởng của hoạt độ nước đến phản ứng enzyme

1.6.4 Ảnh hưởng của hoạt độ nước đến sự phát triển của vi sinh vật

Aw min Vi khuẩn Nấm men Nấm mốc

0,96 Klebsiella;

Shigella0,93 Clostridium;

Debariomyces

Clodosporium0,86 Staphylococcus

1.6.5 Ảnh hưởng của hoạt độ nước đến cấu trúc và trạng thái của

thực phẩm

CHƯƠNG 2: PROTEIN

2.1.1 Chức năng của protein

a) Trong cơ thể sống

- Chức năng cấu trúc (mô liên kết, cơ bắp, tóc, v.v);

- Chức năng xúc tác (protein là một phần của các enzyme);

- Chức năng vận chuyển (hemoglobin máu để vận chuyển oxy);

- Chức năng bảo vệ (kháng thể, máu);

- Chức năng co bóp (cơ myosin);

- Hormone (kích thích tố con người);

- Chức năng dự trữ hoặc chức năng dinh dưỡng của protein: protein được cơ thể

sử dụng để tổng hợp các protein và các hợp chất có hoạt tính sinh học dựa trên cácprotein điều hòa quá trình trao đổi chất trong cơ thể

b) Trong thực phẩm

- Protein là thành phần dinh dưỡng của thực phẩm

- Là chất để tạo hình và tạo kết cấu đặc trưng cho nhiều loại sản phẩm thực phẩm

2.1.2 Phân loại protein

a) Phân loại theo định hướng của các phân tử protein trong không gian:

Cấu trúc bậc 1: là sự kết hợp của các acid amin trong một chuỗi tuyến tính chỉ đơngiản bằng cách liên kết peptit

2.1.2 Phân loại protein

a) Phân loại theo định hướng của các phân tử protein trong không gian:

Cấu trúc bậc 1: là sự kết hợp của các acid amin trong một chuỗi tuyến tính chỉ đơngiản bằng các liên kết peptide

Cấu trúc bậc 2: là sự sắp xếp không gian của chuỗi polypeptide như cấu trúc α xoắn hoặc β – xoắn Cấu trúc được tổ chức do sự xuất hiện của liên kết hydro giữaliên kết peptide liền kề

-37Cấu trúc bậc 3: là cấu trúc α - xoắn ốc xếp chồng tạo thành hình giọt Cấu trúcđược tổ chức bởi các bên của các gốc axit amin.

Cấu trúc bậc 4: là sự kết hợp của một số protein có cấu trúc bậc 3 trong cơ cấu

mở rộng với các thuộc tính mới Các giọt được tổ chức do sự xuất hiện của liên kếthydro

2.1.2 Phân loại protein

b) Phân loại theo mức độ hòa tan của protein

- Các protein hòa tan trong nước có trọng lượng phân tử thấp (protein trứngalbumin);

- Protein tan trong muối: hòa tan trong dung dịch 10 % NaCl, (protein sữa casein,protein máu globulin);

- Protein hòa tan trong kiềm 0,2 % NaOH, (glutelin: protein lúa mì gluten);

- Protein hòa tan trong cồn 60-80%, (prolamins: protein ngũ cốc)

2.1.2 Phân loại protein

c) Phân loại theo cấu trúc của protein

- Protein đơn giản:

- Protein phức tạp (proteid): chia thành nhiều nhóm nhỏ tùy thuộc vào các thànhphần của nhóm phi protein:

+ Lipoproteins hay bao gồm protein và lipid, là một phần của màng tế bào, nguyên sinh vật của các tế bào

+ Glycoproteins bao gồm các protein và một phần carbohydrate như cao lòngtrắng trứng

+ Chromoprotein bao gồm protein và chất nhuộm - sắc tố có trong các kim loạithành phần của nó, chẳng hạn như hemoglobin có chứa sắt

+ Nucleoproteins bao gồm protein và axit nucleic, là một phần của nguyên sinhchất của các tế bào và nhân tế bào

+ Phosphoproteins bao gồm protein và axit photphoric, là một phần của tế bào

2.2 Hệ thống protein thực phẩm

2.2.1 Protein thịt, cá

a) Protein mô cơ

Protein cấu trúc myophibril

+ Myosin: chiếm khoảng 40 % tổng protein mô cơ, tham gia vào cấu tạo tế bào và

có hoạt tính của enzyme ATP-ase xúc tác quá trình phân hủy ATP, giải phóng nănglượng cần thiết cho hoạt động của cơ

+ Actin: chiếm khoảng 15 %,

Protein tương cơ

+ Globulin: tan trong dung dịch muối trung tính, khả năng hòa tan trong nước thấp

+ Myoglobin: tan trong nước, có vai trò vận chuyển oxy đến tế bào, quyết địnhphần lớn màu sắc của thịt, còn lại là do hemoglobin quyết định

Mb + O2  MbO2

Mb  M-Mb (đỏ nâu)MbO2  M-Mb (đỏ nâu)

Ứng dụng: trong công nghiệp thịt sử dụng muối nitrat, nitrit làm cho Mb và Hbthành nitrosomyoglobin (NOMb) và nitrosohemoglobin (NOHb) làm thịt có màu đỏhồng

b) Sự biến đổi của protein trong quá trình xử lý công nghệ

Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình đun nóng

+ Protein tương cơ: 50 oC thịt vẫn giữ màu sắc, 60-70 oC thịt trắng ra và cho dịchmàu đỏ, trên 70 oC thịt có màu nâu do myoglobin bị biến tính (tạo ra sắc tốferihemocrom) và dịch mất màu

+ Colagel và elastin:

- Colagel: 55 oC phân tử co rút 1/3, đến 61 oC co gần một nửa, gần 100 oC colagel

bị hòa tan tạo thành gelatin

- Elastin: gần như không bị biến đổi trong quá trình chế biến, ở 100 oC elastin chỉ bịtrương ra

+ Protein tơ cơ: 40-60 oC bị giảm độ hòa tan, trên 75 oC xảy ra phản ứng khửsulfur tạo ra H2S làm đen thịt, gần 90 oC xảy ra phản ứng maillard làm thịt có màusẫm

47Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình cấp đông

2.2.2 Protein sữa

a) Casein

Casein tồn tại dưới dạng các micelle Mỗi micelle được tạo thành từ 400-500 tiểumicelle, tiểu micelle có dạng hình cầu đường kính 10-15 mm gồm khoảng 10 phân tửcasein kết hợp lại αs, β-casein nằm tập trung tại tâm tiểu micelle tạo thành vùng ưabéo, κ-casein nằm ở vùng biên tiểu micelle

b) Whey protein:

Là phần còn lại trong nước sữa sau khi đã tách casein, không bị kết tủa ở pHđẳng điện, không bị đông tụ bởi tác dụng của enzyme chymosin

+ Lactoalbumin: tồn tại ở dạng dung dịch keo, có 3 dạng α-, β-, -lactoalbumin

+ Lactoglobulin: tồn tại ở dạng dung dịch keo, có độ phân tán kém hơn so vớialbumin

c) Sự biến đổi của protein sữa trong quá trình xử lý công nghệ

+ Ảnh hưởng của sự gia nhiệt

β-lactoglobulin bắt đầu biến tính ở 65 oC, biến tính hoàn toàn ở 95 oC trong 5 phút

Ở 100 oC phần lớn lactoserum ở trạng thái liên kết với các micelle casein bởi cầu nốiS-S tạo thành phức hợp β-lactoglobulin κ-casein

Khi protein biến tính mạch polypeptide duỗi hoàn toàn làm lộ ra các nhóm kỵnước, làm protein tạo gel có độ cứng tốt hơn

+ Ảnh hưởng của sự xử lý lạnh:

làm mất cân bằng muối P và Ca giữa các micelle và pha hòa tan, hàm lượng Ca,

P và casein đều tăng lên, pH cũng tăng lên

+ Sự đông tụ casein sữa

- Dưới tác dụng của acid thêm vào hay acid từ VSV trong sữa, pH sữa sẽ giảm về

pH đẳng điện của casein và casein bị đông tụ (pI 4,6)

- Dưới tác dụng của enzyme rennin, casein bị đông tụ do đầu ưa nước của κ-casein

bị cắt khỏi micelle và làm micelle casein kết tủa khi có mặt ion Ca2+

+ Sự oxy hóa protein: khi bị phơi sáng, vitamin B2 và vitamin C chuyển thành hợpchất có tính oxy hóa mạnh, phân hủy methionine thành methional có mùi hôi khó chịu

2.2.3 Protein bột mì

a) Loại protein trong bột mỳ

Trong hạt lúa mì chứa:

4 % prolamin (gliadin),

4,4 % glutelin (glutenin),

0,6 % globulin,

2,4 % albumin

b) Tính chất của protein trong bột mỳ

- Khả năng hydrat hóa, tạo độ nhớt, độ đặc, độ bám dính

- Khả năng tao gel tạo độ cứng, đàn hồi

- Khả năng tạo kết cấu và tạo hình

- Khả năng tạo bột nhào và kết cấu xốp

2.2.4 Protein đậu nành

2.3 Tính chất chức năng của protein

2.3.1 Sự hydrat hóa a) Bản chất:

Các phân tử H2O bám vào các nhóm ưa nước như – NH3+, - COO- Của phân

tử protein

b) Cơ chế của quá trình hydrat hóa

Hấp phụ nước lên trên bề mặt phân tử protein  tạo lớp nước dày  ngưng tụthành nước dạng lỏng trương nở protein  solvat tạo thành dung dịch

c) Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hydrat hóa

+ pH: tại pI tương tác của của protein với nước là nhỏ nhất

+ Nhiệt độ: khả năng tăng ở nhiệt độ nhất định, nhiệt độ cao làm đứt gãy liên kết hydrogen

+ Nồng độ muối: nồng độ muối thấp khả năng hydrat hóa cao, và ngược lại

2.3.2 Sự hòa tan a) Bản chất:

Là sự tương tác giữa chất tan và dung môi

b) Cơ chế

+ Chuỗi polypeptide với sự phân bố không đồng đều của các nhóm ưa nước và nhóm

kỵ nước trên bề mặt của protein

+ Sự có mặt của liên kết kỵ nước, lực hút tĩnh điện và liên kết hydrogen

c) Những yếu tố ảnh hưởng đến độ tan

+ pH môi trường

- pH trùng vơi pI: protein có tính tán thấp nhất

- pH ở vùng axit hoặc kiềm

+ Nhiệt độ

+ Nồng độ muối

- Bổ sung nồng độ muối cần thiết sẽ tăng độ tan của protein, nồng độ muối cao:tăng tương tác kỵ nước của protein làm protein kết tủa lại

2.3.3 Khả năng ổn định các hệ phân tán (nhũ, bọt ) a) Bản chất:

Tồn tại trong chuỗi acid amin của protein nhóm ưa nước và kỵ nước cho phép sự phân

bố của các phân tử tại bề mặt phân pha không trộn lẫn vào nhau: dầu”, khí”

2.3.3 Khả năng ổn định các hệ phân tán (nhũ, bọt ) a) Bản chất:

b) Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo nhũ, bọt

2.3.4 Khả năng tạo gel

a) Bản chất:

Các phân tử protein biến tính tập hợp lại tạo thành một mạng lưới có trật tự giữ phân

tử nước ở bên trong

b) Cơ chế của quá trình tạo gel

+ Giai đoạn 1: protein bắt đầu bị biến tính, chuỗi polypeptide dãn ra làm thay đổi cấutrúc bậc 2,3,4 của phân tử protein, liên kết giữa các phân tử bị cắt đứt

+ Giai đoạn 2: chuỗi polypeptide dãn ra tạo điều kiện cho các nhóm chức tiếp xúc vớinhau và tương tác một cách có trật tự bởi liên kết kỵ nước, hydrogen, lực hút tĩnh điệntạo thành các nút mạng Các nút mạng liên kết thành cấu trúc mạng lưới không gian 3chiều, trong mạng lưới giữ đầy phân tử nước Cấu trúc này làm gel trở nên bền hơn

c) Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo gel