Fysicochemische Processen tijdens Voedselbereiding

4. Fysicochemische processen tijdens voedselbereiding

4.1 Reacties tijdens voedselbereiding

4.2 Reacties tijdens voedselbereiding

4.2.1 Niet-enzymatische bruinkleuring: Maillardreactie en karamelisatie

4.2.2 Enzymatische bruinkleuring: fenolase

• De belangrijkste vorm van enzymatische bruinkleuring in voedsel is de gekatalyseerde oxidatie door het enzyme fenolase.
• Fenolase komt van nature veel voor in groente en fruitsoorten.
• Deze enzymatische bruinkleuring treedt zelden op in intacte voedingsmiddelen, omdat het aanwezige enzyme (fenolase) dan gescheiden zit van zijn (fenolische) substraten.
• Bij be-/verwerking van groente/fruit komt het enzyme in contact met zijn substraat waardoor de enzymatische bruinkleuring vrij snel kan optreden.
  • vb. het schillen van een appel, banaan, schorseneer, etc.
• De aanwezige fenol-verbindingen (zoals tyrosine, caffeic acid, etc.) worden dan door het fenolase geoxideerd tot orthoquines, die nadien snel kunnen polymeriseren tot bruinkleurige pigmenten (de melanines).

Scheme of Oxidation of Tyrosine by Phenolase and the Formation of Melanin Pigments:

• Tyrosine \xrightarrow{O_2 + enzyme} DOPA (Dihydroxyphenylalanine) - very slow at beginning and fast later (Hyroxylation)
• DOPA \xrightarrow{O_2 + enzyme} DOPA Quinone - fast (Oxidation)
• DOPA Quinone \xrightarrow{+ O_2 \text{ fast}} Hallachrome (Red) - relatively slow
• Hallachrome \xrightarrow{+ O_2 \text{ fast}} Melanin - relatively slow

Invloeden op fenolase

• Zie elders: pH, temperatuur, etc.
• Fenolasen zijn enzymen die actief zijn bij pH-waarden tussen 5 en 7, en worden onomkeerbaar geïnactiveerd bij pH < 3.
  • Toepassing: appelstukjes, banaan besprenkelen met citroensap.
• Blancheren.
• Diepvriezen houdt deze reactie niet tegen.
• Zie andere cursussen: invloed op enzymen.

4.2.3 Andere enzymatische reacties

• Enzymes in voedsel hebben vaak een hydrolyserende (“knippende”) werking t.o.v. “lange” moleculen zoals koolhydraatpolymeren (zetmeel, pectine, …) en eiwitten (dierlijke eiwitten, gluten, …).
• Wanneer de lange ketens worden verkleind tot kortere ketens gaat dit de viscositeit (zie eerder) beïnvloeden.
  • Voorbeelden:
    • Zetmeel + amylase → glucose-monomeren/oligomeren
      • (zoetere smaak en lagere viscositeit)
    • Gelatine (eiwit met sterke bindkracht) + enzymes uit fruit zoals ananas, kiwi, papaya, vijgen,… (papaïne, bromelaïne, figine,…)
      • → afname stollingskracht gelatine + afname viscositeit.
  • Vragen:
    • Vers ananassap  anasassap uit een pak binden met gelatine: is er een verschil? Welke alternatieve bindmiddelen kan men gebruiken om een gel van ananassap te verkrijgen?
    • In een recept uit Ref1 gebruikt men alvorens biefstukken te bakken een marinade op basis van kiwisap, gedurende een 20-tal minuten. Wat is de reden hiervoor? Waarom mag men niet veel langer marineren dan deze tijdsduur?

4.3 Fysische processen tijdens voedselbereiding

4.3.1 Aggregatietoestanden

4.3.2 Fase-overgang: verandering van aggregatietoestand

4.3.2.1 Smelten en stollen

4.3.2.2 Verdampen en condenseren

4.3.3 Oplossen en temperatuursafhankelijkheid

4.3.4 Veranderingen in structuur en textuur

4.3.5 Uitwisseling van endogeen en exogeen vet

4.3.6 Uitwisseling van endogeen en exogeen water

4.3.7 Andere mechanische veranderingen

Enzymatische reacties tijdens rijping en garing

• Softening

Structural buildup of fruits and vegetables

• TEXTURE
• MODIFICATION (FYSIOLOGICAL/PROCESSING)
• POLYMERS.
  • structure, chemistry
• CELL WALL
  • cross-linking, organisation, thickness
• CELL
  • cell dimension, interaction of cell content with cell wall, turgor
• TISSUE
  • cell-cell adhesion, structure
• ORGAN
  • structure, mechanical properties

Biochemistry of fruit softening: an overview

Table 1. Major cell wall modifying enzymes in ripening fruits.

Endoxylanasen en Pectinolytische enzymen

• Endoxylanasen komen voor in de meeste planten, maar zijn onder andere ook gevonden in bacteriën en fungi.
• De endoxylanasen die in tarwebloem voorkomen degraderen de endosperm celwanden (wat voornamelijk bestaat uit arabinoxylan en -glucan), wat de beschikbaarheid van zetmeel en proteïnen ten goede komt.
• Pectinolytische enzymen of pectinasen zijn een heterogene groep van gerelateerde enzymen die pectine substanties hydrolyseren Pectinolytische enzymen zijn sterk verspreid in hogere planten en micro-organismen. Zij zijn van groot belang voor planten aangezien zij in celwanduitbreiding helpen en tussen komen in het zacht worden van sommige plantweefsels tijdens rijping en opslag.
• Pectine-methyl Esterase (PME) katalyseert de de - esterificatie van methyl ester verbindingen van galacturonan om pectine en methanol vrij te stellen. Pectinesterase activiteit is van belang in celwandmetabolisme (celgroei, rijping, abscissie, • veroudering en pathogenese).

Pectine en textuur veranderingen

Texture changes of F&V →→ pectin changes

• pectin
  • homogalacturonan

Pectine Molecule

• Rhamnose
• Arabinose or galactose
• Xylose (high content in apple pectin
• Methylated galacturonic acid
• Galacturonic acid
• Amidated galacturonic acid

Pectin conversions catalysed by enzymes

• PME (PectinMethyl Esterase)
  • Demethoxylation
• PG (PolyGalacturonase)
  • (endo-PG)
  • Depolymerisation
  • Softening

Pectin conversions during processing

• PME
  • Saponification
• PG
  • B-elimination
• Acid hydralysis

Pectine splitsing

• Deze schematische voorstelling stelt de splitsing onder invloed van het enzym pectinemethylesterase (PME). Het bekomen pectine kan dan op zijn beurt verder worden afgebroken door polygalacturonase.

Cooking of carrots

B-elimination
Softening

• Fresh carrot tissue
  • crispy - juicy
  • Cutting direction
• Cooked carrot tissue
  • Cell breakage
  • Cell cell separation Cell wall swelling
  • Cutting direction

Hoe de voordelen combineren? (zacht/gaar maar toch niet papperig)

Cooking of carrots (vervolg)

• Carrots contain endogenous PME
  Vb. via drukbehandeling
  PME
  B-elimination
  Softening
  Gelation Ca^{2+}
  Na demethoxylatie is Ca^{2+} nodig voor gelering via crosslinks)

Fruit juices: Cloud stability

Fruits contain endogenous PME
PME
Gelation Ca^{2+}

Fruit juices: Cloud stability (Possible solutions)

• PME inactivation (pasteurisation)

Fruit juices: Cloud stability (Possible solutions, vervolg)

• Pertinases
  • Pectin degradation (enzymatic)

Thermische behandeling van plantaardige levensmiddelen

• De thermische behandeling van plantaardige levensmiddelen is een veel gebruikte conserveringstechniek, niettegenstaande het ongunstige effect op nutritionele en organoleptische eigenschappen. Om de nadelen van een thermische behandeling te minimaliseren wordt gebruik gemaakt van specifieke na-oogst behandelingen, geoptimaliseerde thermische behandelingen en/of nieuwe milde conserveringstechnieken, evenals gecombineerde (voor-)behandelingen. Om de textuur van thermisch behandelde plantaardige levensmiddelen te verbeteren is een gerichte enzymatische modificatie van celwandpolymeren fundamenteel. Voorbehandelingen die de in situ demethoxylatie van pectine bevorderen door de pectinmethylesterase (PME) activiteit te verhogen worden toegepast om de textuurdegradatie te vertragen. Het gunstig effect van geoptimaliseerde druk-temperatuur voorbehandelingen om de PME activiteit te verhogen werd recent aangetoond.