Fysicochemische processen tijdens voedselbereiding
Fysicochemische processen tijdens voedselbereiding
4.1 Reacties tijdens voedselbereiding
- Gewenst vs. Ongewenst
- Voedselkwaliteit vs. Veiligheid
- Chemische transformaties (=reacties) staan tegenover fysische veranderingen (aggregatietoestanden en fasen).
- Eén intermoleculaire binding is veelal zwakker en tijdelijker van aard dan één intramoleculaire binding, maar…
- De verhouding tussen het geheel aan intramoleculaire en intermoleculaire krachten bepaalt wat er met de materie gebeurt bij verhitting.
- Voedselmoleculen zijn vaak groot, waardoor ze veel van de zwakkere bindingen tussen de moleculen aangaan en deze hierdoor toch sterk bijeen worden gehouden.
- Er is soms evenveel energie nodig om de moleculen van elkaar los te maken als om de moleculen zelf af te breken: er is dan naast een fase-overgang ook een echte chemische verandering of transformatie.
Voorbeelden
- Suiker kan bij verhitting smelten (= fase-verandering), maar bij verdere verhitting zal de gesmolten suiker niet verdampen (= de fase-overgang tot gas niet bekomen), maar wel uiteenvallen en honderden nieuwe verbindingen vormen (= chemische reactie vb. karamelisatie).
- Vetten kunnen smelten, maar bij verdere verhitting gaan ze roken en worden ze afgebroken tot verscheidene verbindingen.
- Zetmeel en eiwitten zijn lange ketens (polymeren, resp. polysacchariden en polypeptiden) en vertonen de fase-overgang van vaste stof tot vloeistof zelfs helemaal niet (maar wel een chemische transformatie bij verhitting).
4.2 Reacties tijdens voedselbereiding
4.2.1 Niet-enzymatische bruinkleuring: Maillardreactie en karamelisatie
- Belangrijke smaak- en kleurreacties tijdens koken;
- Er worden talrijke nieuwe kleuren, aroma’s en smaken gevormd als intermediaire of finale reactieproducten van deze chemische reactie.
- De reagentia zijn enerzijds (reducerende) koolhydraten onderling (= karamelisatie), en anderzijds reducerende koolhydraten met (de amino-groep van) aminozuren (= Maillardreactie).
- Na karamelisatie van bijvoorbeeld kristalsuiker ontstaan tientallen reactieproducten (azijnzuur, diacetyl voor botersmaak bij toffee, …)
- De tussenproducten bij Maillardreacties heten ‘Amadori-producten’.
- De reacties zijn heel complex en de reactieproducten zijn heel divers, zo vindt men op de korst van gebakken vlees > 120 verschillende aromamoleculen terug.
- De Maillard-reacties zijn meestal gewenst, maar kunnen ook ongewenst zijn.
Typische gewenste voorbeelden:
- Roosteren van brood
- Balsamico-azijn
- Koffie branden
- Gemout graan
- Bakken van vlees, aanbaksel van vlees gebruiken voor een jus
- Gesmolten marshmallows
Ongewenste aspecten van bruiningsreacties:
- Ongewenste organoleptiek: vb. aangebrande smaak, “inbliksmaak” of andere bijsmaakjes door verhitting; kan niet voorkomen worden door pasteurisatie of sterilisatie.
- Voedingswaarde van het voedsel daalt lichtjes (aminozuren worden afgebroken).
- Vorming van potentieel (?) carcinogeen acrylamide: reactie tussen suikers en asparagine (typische voorbeeld: gefrituurde aardappelproducten).
Schematische voorstelling Maillardreactie
- Reactie tussen:
- Aldose + amino compound → N-substituted glycosylamine
- N-substituted glycosylamine → Amadori rearrangement product (1-amino-1-deoxy-2-ketose)
- Amadori rearrangement product → Hydroxymethylfurfural or 2-furaldehyde + amino compound
- Hydroxymethylfurfural or 2-furaldehyde + amino compound → Melanoidins (brown nitrogenous polymers and copolymers)
- Sugars → Fission products (acetol, diacetyl, pyruvaldehyde, etc.)
- Aldehydes + amino compound → polymers
Factoren die Maillardreacties beïnvloeden
a) Wateractiviteit en watergehalte
b) Temperatuur
c) Tijd
d) pH
e) Concentratie van de aanwezige reagentia
f) Aard van de aanwezige reagentia
a) Wateractiviteit en watergehalte
- De Maillard-reactie verloopt het snelst bij wateractiviteit a_w tussen 0,5 en 0,8.
- Tijdens de Maillard-reactie wordt water gevormd, waardoor de Maillard-reactie minder snel verloopt in voedsel met een hogere wateractiviteit. In voedsel met een lagere wateractiviteit daarentegen is de mobiliteit van de reagentia beperkt.
- Een hoog watergehalte zorgt ervoor dat de temperatuur van het voedingsmiddel in principe niet hoog kan oplopen (water bereikt maximum 100°C, en dit is lager dan de nodige 120°C voor de Maillardreactie).
b) Temperatuur
- De temperatuur beïnvloedt een chemische reactie via de activerings-energie.
- De activerings-energie voor de Maillard-reactie ligt tussen 10-160 kJ/mol, onder andere afhankelijk van de bekeken reagentia en de bekomen reactieproducten.
- Caramelisatiereacties treden enkel op bij temperaturen > 165°C. Vanaf 190°C wordt de siroop zeer donker en ontstaan bittere smaken, vanaf 205°C is de siroop zwart en zeer bitter en niet meer bruikbaar.
- Maillardreacties kunnen bij lagere temperaturen optreden (bij ongeveer 120°C), maar dan in combinatie met een langere reactietijd.
c) Tijd
| Product | Tijd | Temperatuur | |
|---|---|---|---|
| Balsamico | Jaren | 10°C | |
| Vanille | Maanden | 25°C | |
| Donker bier | Weken | 40°C | |
| Fond | Dagen | 90°C | |
| Bouillon | Uren | 95°C | |
| Risotto | 20-30 minuten | 110-120°C | |
| Biefstuk | minuten | 120-140°C |
- Algemene vaststelling betreffende deze temperatuur-tijdscombinaties:
- “Lang en warm” levert eerder een bouillonaroma, terwijl “kort en heet” eerder een bakaroma oplevert, ook al zou men vertrekken van dezelfde ingrediënten (bv. een zelfde type vlees).
- Extra toepassing:
- Gedroogde vruchten kunnen ongewenst bruin worden na enkele maanden op kamertemperatuur (geconcentreerde koolhydraten en aminen) (in combinatie met enzymatische bruinkleuring) → vaak zwaveldioxide toegevoegd.
d) pH
- De invloed van de pH op de snelheid van de Maillard-reactie is moeilijk in te schatten, omdat de reactie op zich de pH ook beïnvloedt.
- In het algemeen geldt dat hoe lager de pH (dus hoe zuurder), hoe minder Maillard-producten en kleurvorming optreedt.
- Reden: Aminogroep in het aminozuur is reactief (nucleofiel); (reageert met carbonyl suiker) → in niet geprotoneerde vorm is de aminogroep meer nucleofiel en dus meer reactief.
- De invloed van pH is alleszins kleiner dan vorige factoren.
- De manipulatie van pH gebeurt veelal in de levensmiddelenindustrie ter vertraging van ongewenste Maillard-reacties; bv. aanzuren tot pH = ca. 5,0.
- Omgekeerde redenering: wanneer men een intense baksmaak van bv. vlees wil bekomen, kan men dus best in een eerder basisch milieu bakken. Men kan dit bekomen door bv. natriumbicarbonaat NaHCO_3 toe te voegen. Een basisch milieu leidt echter weer tot een zeepachtige smaak, maar deze kan men na het bakproces neutraliseren door terug wat zuur toe te voegen (onder vorm van citroen, azijn, wijnsteenzuur,…).
e) Concentratie reagentia
- Chemische reacties verlopen sneller bij een hogere concentratie van de reagentia.
- Zie chemie en reactiekinetiek.
- Toepassing: inkoken van vocht, bv. saus (= op zich fysisch).
- Door het inkoken van een vocht verdampt er water. Hierdoor neemt de concentratie toe, maar ook de temperatuur van de saus (kookpuntsverhoging).
- De Maillard-reacties zullen dus sneller verlopen door een combinatie van hogere temperatuur én hogere concentratie, wat leidt tot een verdieping van de smaak.
- Hetzelfde principe treedt bv. op wanneer men een risotto op traditionele wijze bereidt (bouillon beetje bij beetje toevoegen aan de rijst); men verkrijgt een donkerder en diepsmakender risotto dan wanneer men alle bouillon in één keer aan de rijst zou toevoegen.
f) Aard van de reagentia
- De eiwitten uit spierweefsel hebben een andere aminozuursamenstelling dan de eiwitten uit bindweefsel of de eiwitten uit groenten.
- Elke groente en fruitsoort heeft een eigen gamma aan koolhydraten, en dit kan beïnvloed worden door bewaring.
- Alg.: Bruinkleuring obv Pentose > hexose > disacchariden.
- Voorbeelden:
- Binnen een aardappel wordt door bewaring via natuurlijke celademhaling zetmeel omgezet in glucose (en verder CO_2). Hoe langer de bewaartijd, hoe meer glucose gevormd. Glucose is een reducerend suiker waardoor er teveel bruinkleuring zou kunnen optreden bij bakken/frituren.
- Saccharose is een niet-reducerende suiker en heeft daarom geen invloed op de kleur van het product.
- In een koekjesdeeg zonder gist zal er dus weinig bruinkleuring optreden omdat men saccharose gebruikt als zoetstof.
- In een bakproduct op basis van een gistdeeg (vb. brood) treedt er wel bruinkleuring op, ook al wordt saccharose als voornaamste of enige suiker gebruikt. Saccharose lijkt dan wel een invloed te hebben op de kleur, maar dit is echter maar schijn. In werkelijkheid wordt het disaccharide sacharose door de gist omgezet in de monosacchariden glucose en fructose. Deze glucose en fructose zijn wel twee reducerende suikers die aanleiding geven tot de Maillardreactie. Soms tracht men de kleur van een bakproduct te beïnvloeden door lactose toe te voegen, omdat lactose een reducerende suiker is en als dusdanig aanwezig blijft in het deeg.
- Een fond (krachtige bouillon) bereidt men door het langdurig koken van botten met wat vlees.
- Hierdoor komen gelatine en andere eiwitten uit de botten en het vlees vrij als aminozuren door het kook proces. Deze kunnen dan reageren met de aanwezige suikers uit het vlees en de bijgevoegde groente.
- Door het urenlange koken gaan de Maillard-reacties goed verlopen.
- Een fond getrokken uit meer vlees wordt meer gewaardeerd, omdat de eiwitten uit spierweefsel culinair interessantere Maillard-reacties opleveren dan de eiwitten uit botten (gelatine).
- Algemeen: het soort eiwit wordt als veel meer cruciaal beschouwd dan het soort suiker voor het resultaat van de Maillard-reactie.