B

Fysico-chemie van het koken

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
    • 4.2.3 Andere enzymatische reacties
  • 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

Aggregatietoestanden

  • Gas
  • Vloeibaar
  • Vast

Vaste Stoffen

  • Bij lage temperaturen zijn atomen of moleculen vrij onbeweeglijk (lage $E_{kin}$) en gaan ze onderling strakke bindingen aan volgens een bepaalde structuur:
    • Kristallijn: de moleculen zijn ordelijk of regelmatig geschikt (bv. suiker, zoutkristallen)
    • Amorf: de schikking van de moleculen is willekeurig
    • Materie is deels kristallijn en in andere gebieden amorf: onregelmatige moleculen (vb. amylopectine)

Vloeistoffen

  • Bij een bepaalde temperatuur (= door toevoegen van warmte-energie) kunnen de elektrische intermoleculaire bindingskrachten overwonnen worden: de vaste structuur wordt verbroken en de moleculen zijn beweeglijker, doch nog steeds onder enige invloed van elkaars aantrekkingskracht.

Gassen

  • Bij voldoende kinetische energie van de moleculen kunnen deze zo beweeglijk zijn dat ze geen invloed meer hebben van elkaars onderlinge intermoleculaire aantrekkingskrachten: de gasvorm

Combinaties van Fasen

  • Mengsels → Zie chemie

Fase-overgang

  • De temperaturen waarbij de materie van aggregatietoestand verandert (smelten, stollen,…), worden bepaald door de intermoleculaire bindingskracht van de atomen of moleculen.
  • Hoe sterker de bindingen onderling, hoe meer energie (warmte) vereist is (en dus een hogere temperatuur bekomen moet) om deze bindingen te verbreken.
  • De toegevoegde energie (warmte) tijdens een faseovergang wordt volledig gebruikt om die faseovergang mogelijk te maken en te voltooien. Dit betekent dat tijdens de faseovergang de temperatuur nagenoeg constant blijft.

Toepassingen

  • Een mengsel van water en ijs blijft op dezelfde °T totdat alle ijs gesmolten is
  • Kokend water kan (onder normale druk) nooit warmer worden dan zijn kookpunt (ca. 100°C voor zuiver water): alle toegevoegde warmte wordt gebruikt om de faseovergang van vloeistof naar damp mogelijk te maken (en zolang er nog water is, is die faseovergang niet voltooid). Het is enkel stoom dat warmer kan worden dan het kookpunt van water.

Fase-overgangen van Water

  • Latente warmte → faseovergang vb. verdampingswarmte
  • Sensible heat = vloeistofwarmte → doet temperatuur toenemen

Smelten en Stollen

  • Voorbeeld
    • Girasol = zonnebloemolie
    • Solid Fat Content: bij hoge °T → smelten
    • Smeltpunt vs. smelttraject !

Toepassing

  • Diepvriezen
  • Olie in koelkast wordt troebel (smeltpunt olie: zie Voedselingrediënten en VMT)
  • Vraag: gaart een diepgevroren spaghettigroentesaus na veel na tijdens het opwarmen in de microgolf en/of in een steelpannetje (denk ook terug aan het Hdst over warmtetransport)?

Verdampen en Condenseren

Kookpunt

  • Verdampen gebeurt constant onder kookpunt = oppervlakteverschijnsel!
  • Koken = bulkverschijnsel; boven kookpunt
  • Een vloeistof bereikt zijn kookpunt bij die temperatuur, waarbij de verzadigde dampdruk gelijk is aan de omgevingsdruk. Voor water onder atmosferische luchtdruk (standaard luchtdruk) ligt het kookpunt bij 100 ºC.
  • Stoom: 100°C: indien de stoom kan ontsnappen via luchtstromen langsheen en voedsel en uiteindelijk naar buiten is de temperatuur 100°C; onder gewijzigde druk kan de temperatuur verhogen (bij drukverhoging stijgt het kookpunt van water en zal de temperatuur van de stoom ook hoger zijn = oververhitte stoom: zie ook elders in deze cursus)

Toepassingen

  • “klassiek drogen”: gewenste dehydratatie van voedingsmiddelen, met als doel de wateractiviteit te verlagen en de houdbaarheid te verlengen vb. melkpoeder (trommeldroger of verstuiver),…
  • Indampen van een saus vraag: bij het indampen van een spaghettigroentesaus, gebeurt er dan nog veel garing?
  • Ref 7 door frieten helemaal te laten afkoelen tussen de stadia van het frituren verdwijnt er veel vocht, dat anders bij het frituren als stoom zou ontsnappen en een slappe buitenkant zou opleveren
  • Probleem van condensatie waterdamp in een afgesloten verpakking (niet vacuüm) in koelkast (vb. verpakking met sneden kaas)

Verdampingswarmte

  • Latente warmte, de hoeveelheid warmte nodig om 1 kg van de stof te late verdampen (J/kg)
  • Een stof met een kleine verdampingswarmte zal bij verdampen weinig warmte opnemen (en is bv. geen goede koelvloeistof)

Dampspannigsverlaging en kookpuntsverhoging

  • Dampspanningsverlaging (Wet van Raoult) (niet in cursus)

Vries-/smeltpuntsverlaging

  • Colligatieve eigenschappen!
  • Formules:
    • \Delta T = K_e \cdot m
    • \Delta T = K_c \cdot m
    • met
      • \Delta T de kookpuntsverhoging vriespuntsdaling (in K of °C is eender wegens verschil)
      • Ke resp. Kc de molaire kookpunts- envriespuntsdaling van het oplosmiddel = constante
      • m = molaliteit
      • molaliteit is dus het aantal mol opgeloste stof per kg oplosmiddel→ colligatieve eigenschap: afhankelijk van het aantal opgeloste deeltjes, en niet van de aard ervan

Voorbeelden

  • Suiker: er wordt 68,46 g suiker ( molecuulformule is C12H22O11 ) in 0,10 kg water oplost. Dit betekent dat gram per 1,0 kg water. De molmassa van suiker is 342,3 g/mol. De vriespuntsverlaging wordt dus:
  • Keukenzout: er wordt 58,44 g keukenzout (NaCl), (de molmassa is 58,44 ) in 1,0 kg water opgelost.
    • gram per 1,0 kg water
      • NaCl splitst in ionen in 1 mol Na+ en 1 mol Cl- → Het aantal deeltjes is dus tweemaal zo groot.
      • Dit betekent dat het aantal mol moet verdubbeld worden → Van’t Hoff factor i
      • De vriespuntsverlaging wordt dus: Een in water oplosbaar zout levert een grotere vriespuntsdaling dan een stof die niet splitst in ionen.

Superkritisch CO2

  • Superkritische vloeistof = wanneer de fase-overgang tussen gas en vloeistof niet meer waarneembaar is. Dit fysische verschijnsel treedt op bij één welbepaalde temperatuur en druk, die voor elke stof verschillend is.
  • Het kritische punt van verdamping is een unieke aggregatietoestand van een pure stof, gekenmerkt door één temperatuur, druk en volume
  • bij hogere temperaturen treedt geen overgang van vloeistof naar gas meer op als druk of volume wordt veranderd.
    • Voor CO2 (kookpunt van –78.5°C) bedraagt de kritische temperatuur 31.3°C bij een kritische druk van 72.9 bar
    • Ter vergelijking, voor water (kookpunt 100°C) bedraagt de kritische temperatuur 374.4°C en de kritische druk 226.8 bar.
    • Superkritische fluïda vb. CO2 → extractie van cafeïne uit koffiebonen, hop tijdens bierbrouwen ,specerijen, kruiden,…

Toepassingen

  • Het gebruik van superkritische CO2 (scCO2) als extractiemiddel biedt een veilig en milieuvriendelijk alternatief voor conventionele extractieprocessen.
  • Specifieke eigenschappen van het proces zijn:
    • scCO2 is breed inzetbaar. Het oplossend vermogen van verscheidene, traditionele, apolaire solventen kan nagebootst worden door de procesomstandigheden te wijzigen.
    • Het superkritisch proces is uitermate geschikt voor extractie uit poreuze matrices. scCO2 bezit een hoge diffusiviteit en lage oppervlaktespanning waardoor het gemakkelijk in poriën kan binnendringen;
    • Door de lage temperatuur en de afwezigheid van zuurstof, is het scCO2-proces uitermate geschikt om temperatuur- en oxidatiegevoelige stoffen te behandelen met een minimum aan kwaliteitsverlies
    • scCO2 kan op eenvoudige wijze gescheiden worden van het extract, waardoor een solvent-vrij extract bekomen wordt. De gezuiverde CO2 wordt typisch in lijn gerecycleerd, waardoor het CO2-verbruik minimaal is;
    • scCO2 is veilig en inert, en laat geen schadelijke sporen na.
    • scCO2 heeft een bacteriën-dodend effect.
  • Mogelijke toepassingsgebieden
    • Voedingsindustrie en cosmetica: decafeïneren van koffie en thee, extractie van hop voor het brouwen van bier, etherische oliën, kleur-, geur en smaakstoffen, cholesterol, oliën en vetten uit plantaardig en dierlijk materiaal, etc.;

Kookvertraging

  • Kookvertraging = plotseling kookverschijnsel dat optreedt als een vloeistof tot boven het kookpunt wordt verwarmd
    • onverwacht → ongewenst – onveilig; vb. microgolfoven
  • Reden
    • De fase overgang van vloeibaar naar gas die normaal bij het kookpunt zou moeten plaatsvinden wordt uitgesteld omdat de wanden van glaswerk erg glad en strak zijn.
      • ➔ geen 'ent' belletjes (dus nergens gas) in het kookvat onder het vloeistofoppervlak aanwezig. De vloeistof kan daardoor tot 5 °C boven het kookpunt verwarmd worden.
      • ➔ een kleine trilling is dan voldoende om aan het oppervlak van de vloeistof toch iets van een belletje gas te creëren, zodat alles plotseling tegelijkertijd kookt.
    • Te vergelijken met invriezen= ook ‘kiemkristallen’ (superkoeling’)→ later
    • 'ent'-belletjes → kooksteentjes (poreuze = lucht puimsteen)/roeren

Sublimeren

  • Toepassingen:
    • “freezer burn”: ongewenste dehydratatie van bevroren voedingsmiddelen; wordt bevorderd door niet goed afdekken (cfr. dampspanning) vb. brood invriezen (ook afhankelijk van type verpakking, vb. papier of plastic)
    • “vriesdrogen of lyofiliseren”: gewenste vorm van dehydratatie vb. gevriesdroogde oploskoffie, kruiden,… → voordeel t.o.v. klassiek drogen door verhitting

Vluchtigheid en damp/vloeistof-partitiecoëfficient

  • Raoult's law: P1 = P1^s \cdot x_1
  • Henry's constant: He = P1^s \cdot y
  • Fick's law: \frac{\partial c}{\partial t} = D \cdot \frac{\partial^2 c}{\partial x^2}

Massatransfer: diffusie

  • \frac{dm}{A \cdot dt} = D \cdot \frac{dC}{dx} = k \cdot dC
    • t: time(s)
    • D: diffusion coefficient (m^2 \cdot s^{-1})
    • C: concentration (kg \cdot m^{-3})
    • x: distance (m)
    • k: transfer coefficient (m \cdot s^{-1})=D/dx

Massatranser: uitwisseling endogeen en exogeen vet

  • Vetabsorptie - en afgifte…: zie ook “maten en gewichten”: % vetabsorptie
  • Als de temperatuur stijgt worden vetten in het voedingsmiddel (= het endogene vet) meer vloeibaar (smelten) en kunnen deze makkelijker uit een voedingsmiddel lopen.
  • Omgekeerd kunnen droge, vetarme en/of poreuze voedingsmiddelen bereidingsvetten (= het exogene vet) beter opnemen indien deze verwarmd worden.
  • Gevolg: het vetgehalte van het uiteindelijke consumeerbaar voedingsmiddel is een resultaat van een evenwicht tussen
    • vetafgifte van VM → omgeving. Indien de omgeving vetrijk is (veel exogeen vet) zal er weinig vetafgifte van het VM zijn; indien de omgeving vetarm is (vb. eendeborst in een droge pan) zal er veel vetafgifte van het VM zijn
    • vetabsorptie van bereidingsvet → VM. De hoeveelheid vet die wordt geabsorbeerd is afhankelijk van o.a. het soort voedingsmiddel, het endogene vetgehalte, de textuur, de temperatuur en de grootte van het contactoppervlak.
  • de vetzuursamenstelling van een bereid product verschilt uiteindelijk ook van dat van het rauwe product.
  • vetten (zowel de vetten aanwezig in het voedingsmiddel als de vetten die tijdens het bakken, braden of grillen worden toegevoegd) ondergaan door sterke verhitting een reeks chemische veranderingen
    • vb. ontstaan van rookproducten, hydrolyse- en nadien oxidatieproducten vnl. bij aanwezigheid van water (door verhitting treedt er ook makkelijker waterafgifte op)
  • Herhaaldelijk sterk verhitten (vb. meermaals frituren) kan aanleiding geven tot vorming van transvetzuren
  • de vetzuursamenstelling van het VM is het resultaat van het evenwicht tussen absorptie van en afgifte van vetzuren uit het bereidingsvet !!

Case Study 1

  • * Fatty acid profiles of intramuscular fat from pork loin chops fried in different culinary fats following refrigerated storage. Ramirez, M. R., Morcuende, D., Estevez, M., & Lopez, R. C. (2005). Food Chemistry, 92(1), 159–167: abstract only
    • Varkensvlees (kotelet) gebakken in olijfolie bevat meer mono- onverzadigd vet (C18:1), in zonnebloemolie meer poly-onverzadigd vet (vnl. C18:2), in boter meer verzadigd vet (vnl. C12:0 , C14:0 en C16:0) t.o.v. varkensvlees gebakken in varkensvet. Na 10 dagen bewaring in de koelkast waren deze verschillen hetzelfde of zelfs vergroot.

Case Study 2

  • * Effect of pan-frying in different culinary fats on the fatty acid profile of pork. Lindsey Haak a, Isabelle Sioen b,c, Katleen Raes a,

    • John Van Camp b, Stefaan De Smet. Food Chemistry 102 (2007) 857–864
    • Invloed van bakken in de pan (Tefal®, doorsnede 20 cm; 1 uur bakken en om de 5 minuten keren), zonder bereidingsvetten en verschillende soorten bereidingsvetten (olijfolie, margarine en PUFA-verrijkt vet) op de vetzuursamenstelling van varkensvlees (5x5 cm, 2,5 cm dikte).
    • Het vlees was afkomstig van varkens die verschillende soorten voeding kregen (ofwel rijk aan dierlijk vetten (AF), of sojaolie (SO), of lijnzaadolie(LO)), en dus met een verschillende initiële vetzuursamenstelling. Men gebruikte als bereidingsvet telkens 10% van het vleesgewicht.

  • → bakken met bereidingsvet in de pan leidt tot aanzienlijke doch sterk variabele toename in vetgehalte : duid met een aantal concrete voorbeelden!

  • → de vetzuursamenstelling van het bereide vlees vertoonde sterke gelijkenissen met het type bereidingsvet; de mate waarin deze vetzuursamenstelling veranderde tegenover het onbereide varkensvlees was afhankelijk van de gradiënt aan dat specifieke vetzuur (oorspronkelijke verschil in dat specifiek vetzuurgehalte tussen onbereid varkensvlees en bereidingsvet). Olijfolie had de grootste invloed op de uiteindelijke vetzuursamenstelling van het bereide vlees.

  • Binnen een grafiek staat er van links naar rechts het gehalte in onbereid vlees, bereid vlees een bereidingsvet)

  • Tussen de grafieken van links naar rechts is het verschil in voeding (AF animal fat, SO sojaolie en LO lijnzaadolie)

  • → de verschillen in vetzuursamenstelling in vlees van varkens met verschillende voeding

    • bleef bestaan indien men geen bereidingsvet gebruikte
    • werden kleiner met margarine en PUFA-verrijkt bereidingsvet
    • verdwenen grotendeels met olijfolie als bereidingsvet

Case Study 3

  • * Effects of pan-frying in margarine and olive oil on the fatty acid composition of cod and salmon. Isabelle Sioen a,b,*, Lindsey Haak c, Katleen Raes c,
    • Caroline Hermans a,Stefaan De Henauw b, Stefaan De Smet c, John Van Camp. Food Chemistry 98 (2006) 609–617
    • Invloed op vetzuursamenstelling van zalm (vette vis) - en kabeljauwfilet (magere vis) door bakken in de pan (Tefal®, doorsnede 20 cm; 10 minuten ontdooid product bakken en eenmaal keren na 5 minuten) in margarine (55,5% SFA; 33,0% MUFA en 11,5% PUFA) en olijfolie (15,4% SFA; 76,1% MUFA en 8,5% PUFA).
    • Gemiddelde hoeveelheid van de filets: kabeljauw 97±2 g; 8x6x2 cm3 en zalm 147 ± 9 g ; 13x5x2,5 cm3.
    • 20 gram hiervan werd verwijderd voor de analyse van het rauwe product.
    • Men gebruikte als bereidingsvet telkens ca 5% van het visgewicht.
  • → het totale vetgehalte werd enkel voor kabeljauw (magere vis) verhoogd van 0,55 naar 4,15 g vet /100g door margarine en van 0,55 naar 2,30 g vet/100g door olijfolie.
  • → het totale vetgehalte voor zalm (vette vis) verlaagde door bereiding van 13.91 naar 10.57 g vet /100 g door margarine en van 15.35 naar 12.95 g vet /100 g door olijfolie.
  • → in beide bereide visfilets werd het gehalte SFA en MUFA verhoogd door zowel margarine als olijfolie:

Uitwisseling Exogeen en Endogeen Water

  • Afgifte van water: zie “maten en gewichten” : slinkfactor
  • Absorptieprocessen van water:
    • Pasta, rijst: absorptiefactor
    • Hysteresis → chemie (sorptie-isothermen)
    • Gepelde rijst: gewicht gaar = 2,5 x gewicht rauw
      • 60 gram rijst → 150 gram
    • Zilvervliesrijst: factor 2,2 à 2,5: reden?
    • Couscous (tarwegriesmeel): factor 2,5
    • Pasta
      • Spaghetti - lasagne: factor 2,5
      • Macaroni: factor 3 (reden?)