Handouts Food Sciences les 6
Warmte en temperatuur van voedsel
- 3.1 ‘Warmte’ en ‘energie’
- 3.1.1 Kinetische energie (E_{kin}) is energie van beweging.
- 3.1.2 Bindingsenergie
- 3.1.2.1 Intramoleculaire krachten zijn krachten binnen een molecule.
- 3.1.2.2 Intermoleculaire krachten zijn krachten tussen moleculen.
- 3.2 Het begrip ‘temperatuur’, ‘gaartemperatuur’ en ‘kerntemperatuur’
- 3.2.1 Definitie van temperatuur
- 3.2.2 Temperatuursschalen
- 3.3 Belangrijke temperaturen bij voedselbereiding
- 3.4 Het begrip ‘kerntemperatuur’
- 3.4.1 Onderscheid tussen omgevingstemperatuur en kerntemperatuur
- 3.4.2 Bepalen van kerntemperatuur
- 3.4.3 Thermal processing: evenwicht tussen voedselkwaliteit en veiligheid
- 3.5 Het begrip ‘glastransitietemperatuur’
- Conversietabel voor temperaturen:
- Kelvin (K), Celsius (°C), Fahrenheit (°F)
- Water kookt: 373 K, 100 °C, 212 °F
- Lichaamstemperatuur: 310 K, 37 °C, 99 °F
- Kamer Temperatuur: 293 K, 20 °C, 68 °F
- Water bevriest: 273 K, 0 °C, 32 °F
- Droogijs: 195 K, -78 °C, -109 °F
- Lucht bevriest: 77 K, -196 °C, -320 °F
- Absolute Zero: 0 K, -273 °C, -460 °F
- Conversie formules:
- TF = 1.8 \times TC + 32
- TC = TC + 273
- T_C = Temperatuur in graden Celsius
Belangrijke Temperaturen bij Voedselbereiding
- Temperaturen in °C:
- 285-305: Gratineren
- 230-245: Zeer hoge ovenwarmte
- 230: Grilleerhitte bij de warmtebron
- 205-220: Hoge ovenwarmte
- 175-190: Matige ovenwarmte
- 150-190: Bakken, frituren, bakplaat
- 150-165: Lage ovenwarmte
- 130: Stoom bij druk van 103,4 kN/m²
- 110: Stoom bij druk van 34,5 kN/m²
- 100: Kookpunt water op zeeniveau (blancheren)
- 93: Natuurlijke bindmiddelen binden
- 85-91: Trekken van bouillon
- 85: Oplossen van gelatine
- 85-90: Warmhouden koffie en chocola
- 75: Maximum voor ei-custards
- 71: Hollandse saus
- 69: Laatste spoelbeurt vaatwasser
- 63: Pasteuriseren (10 sec.)
- 60: Zetmeelbindmiddelen stijf
- 51: 'Binnen'temperatuur van ‘gaar' (bien cuit) rood vlees
- 7,5-49: Gevarenzone voor bacteriën
- 5: Bewaren vruchten, groenten
- 2-3: Bewaren vleesproducten
- 0: Water bevriest
- -3/-2: Serveren milkshakes
- -13/-11: Bewaren consumptie-ijs
- -29/-18: Bewaren diepvries
- Kooktijd voor aardappelen (minuten) vs. temperatuur (°C) grafiek
Redenen om Voedsel te Verhitten
- Voedsel wordt verhit om:
- Het verteerbaar en/of zacht te maken.
- De gewenste structuur te bekomen.
- Het de gewenste smaak, geur en/of kleur te geven.
- Microbieel bederf uit te schakelen en de houdbaarheid te verlengen.
- In de keuken kan het bewaren belangrijker zijn dan het bruinen of garen van het product.
Kerntemperatuur en Omgevingstemperatuur
- Oppervlaktetemperatuur:
- De temperatuur aan het oppervlak van een voedingsmiddel.
- Interessant voor bruiningsreacties.
- Omgevingstemperatuur:
- De temperatuur van de directe omgeving rond het product.
- Temperatuur van het warmtetransportmiddel.
- Voorbeeld: temperatuur van bereidingsvloeistof, lucht in oven.
- Kerntemperatuur:
- De temperatuur die het binnenste deel of de kern van het product heeft.
- HACCP: Microbiële risico’s worden beoordeeld a.d.h.v. de kerntemperatuur!
- De omgevingstemperatuur moet altijd hoger (of ten minste gelijk aan) zijn dan de gewenste kerntemperatuur!
- De gaarheid van het product wordt ook bepaald door de kerntemperatuur.
Beïnvloeden van Kerntemperatuur
- De twee meest voor de hand liggende parameters om de kerntemperatuur te beïnvloeden zijn:
- De bereidingstijd
- De hoogte van de bereidingstemperatuur
- EN MASSA!! (eigenschap VM)
- Plantaardige producten:
- Zachte plantaardige producten bevatten veel vocht en hebben daarom een korte bereidingstijd nodig.
- Harde plantaardige producten bevatten minder vocht en hebben daardoor een langere bereidingstijd nodig.
- Dierlijke producten:
- Malse producten bevatten veel vocht, ongeveer 70 procent; men bereidt ze daarom met droge technieken en bij hoge temperaturen.
- Taaie producten bevatten weinig vocht en veel bindweefsel; die bereid je met natte technieken en bij lage temperaturen.
Bereidingstijd en Temperatuur
- De grootte van de producten heeft invloed op de bereidingstijd.
- Bij grote stukken duurt het langer voordat de kerntemperatuur is bereikt.
- Een medium biefstuk van 150 gram vraagt vier tot vijf keer minder bereidingstijd dan een in zijn geheel gebraden rosbief van één kilo.
- Koude gerechten:
- Worden doorgegeven bij een temperatuur variërend van 15-20°C.
- Warme gerechten:
- Worden doorgegeven bij een temperatuur variërend van 70-90 °C.
Cooking Processes for Whole-Muscle Products
- Grafieken:
- Tijd (uren) vs Temperatuur (°C)
- Room T en Core T
Constant Temperature Cooking
- Cooking at constant temperature.
- In this type of cooking, the temperature of the medium (air or water) or external temperature is maintained constant, at a maximum value, from beginning to end of the thermal processing.
- The end of the cooking cycle will be determined by when the centre of the piece reaches a certain temperature, known as core temperature. This kind of cooking is the most extensively used, giving overall acceptable results (see chart 1).
Decreasing Temperature Cooking
- Cooking at decreasing temperature
- This is the traditional method of cooking. It begins with a high initial external temperature (vb.80 - 90°C), which is maintained for a certain length of time until the thermal centre of the piece reaches a predetermined temperature (vb. 50 - 55°C).
- Then the external temperature is regulated to a lower temperature (70 - 75°C) for the duration of the cooking process (see chart 2).
- Usually results in products of lower yield and shorter shelf life as well as a lack of cohesion in the slices. It also has a negative impact on organoleptic properties of the product’s surface, creating problems of overcooking in this area of the piece. This method should be ruled out from the outset unless some imperative need exists (lack of time, insufficient material, etc.).
Increasing Temperature Cooking
- Cooking at increasing temperature
- We can distinguish between two types: Step by step Cooking and Delta T Cooking.
- Step by step cooking:
- In this cooking method, the external temperature is increased in a graded fashion, in various successive stages, until the desired temperature is reached in the thermal centre of the piece (see chart 3). This type of cooking produces good results, above all in zero cooking loss products, although the cooking times are longer than in the methods explained above.
- Delta T cooking:
- What is known as Delta T cooking is the thermal processing in which the external temperature is increased continuously, in a line with the increase in temperature in the thermal centre of the meat piece. At the end of the process the external temperature is maintained constant, as in the constant temperature heating method explained above (see chart 4).
- This type of heating produces very good results from the organoleptic point of view (the alterations due to overcooking of the surface are practically zero) as well as in regard to finished product yield. One negative point, however, is its long duration, and therefore, at an industrial level, it is not very viable and is rarely used. It has been shown that a Delta T heating at 25°C produces optimum results from the point of view of yield, as well as with respect to the organoleptic aspects of the finished product.
Bepalen van Kerntemperatuur
- Thermostaat toestel kerntemperatuur
- T meten om temperatuur vloeistoffen, kerntemperatuur, ijken van apparaten
- Homogeniseren: vloeibaar vast
- Industriële bepaling:
- Temperatuursprobe/sonde/thermokoppel (soms ingebouwd)
- IR
- …bimetaal
- Huishoudelijk:
- Vleesthermometer
- Suikerthermometer; voor confesserie
- Digitaal/analoog
- Digitaal → nauwkeurige registratie
Thermometers
- Steekthermometer
- Digitale kerntemperatuurmeter van Cooper-Atkins met LCD scherm.
- Thermistor technologie: snelle reactietijd dankzij temperatuursensoren in de punt van de RVS voeler.
- Bereik: van -40°C tot +232°C
- Resolutie: 0.1°C
- Max. temperatuur geheugenfunctie
- On/Off button + Auto-Off na 10 minuten
- NSF goedgekeurd
- Lengte RVS voeler: 127 mm
- DIGITALE THERMOMETER
- Prijs: €251.00 DIGITALE THERMOMETER voorzien van hitte bestendige voelerkabel en handvat.
- De thermometer is volledig w ook geschikt voor frituurvet Geijkt 155 cm lang Meet bereik -50 / +300 °C
- Vleesthermometer
- IR-thermometer
- Met dit meetinstrument kan u zowel kerntemperatuur meten als oppervlakte temperatuur.
- Dankzij zijn uitplooibare inox staaf kan u brood, gebak of vlees meten tot in de kern van het product.
- De display laat u onmiddellijk de correcte temperatuur aflezen.
- Vooraan heeft deze voedselthermometer een infra-rood voeler. Plaats deze voeler tot tegen het product (of verpakking) en u leest onmiddellijk de juiste temperatuur van de inhoud. Dit zowel voor temperaturen van -50 tot +300°C.
- Met de vele controles van vandaag een absoluut hebbeding. U draagt uiteraard zorg voor deze meter en bergt hem handig op in het bijgeleverde hard kunstoffen etui. Bovendien zijn alle producten van Ebro geijkt en gecertificeerd
- Koel/vriesthermometer
- Prijs: €14.00 KOEL / VRIESTHERMOMETER met temperatuur-alarmfunctie, geeft zowel een akoestischals optischsignaal indien de temperatuur wordt overschreden 13 Cm Lang
- Oventhermometer
- van aluminium 7,5 cm . max 300*C. €9.00
Thermal Processing
- Begrippen kunnen uitleggen, geen berekeningen
- HTST (vb. 141°C/1,44 sec): typisch voor sterilisatie
- D-waarde: Decimale reductietijd
- Bij constante temperatuur (T) wordt per tijdseenheid (t) een constante fractie MO afgedood.
- Let toenemende verhittingstijd daalt het aantal MO exponentieel (= ofwel daalt log (aantal MO) lineair)
- D = Decimale reductietijd = tijd waarin 90% van de populatie wordt afgedood bij temperatuur T (dus 1/10 van de MO blijft over). Hoe hoger D, hoe meer hitteweerstendig het MO is.
- Vb. D_{60°C} = 10 min op onderstaande grafiek (zie microbiologie)
- z-waarde
- De decimale reductietijd D op zich is temperatuursafhankelijk:
- hoe hoger de temperatuur, hoe lager D zal zijn (want hoe vlugger 90% van het aantal MO zal afgedood worden).
- D daalt exponentieel met toenemende temperatuur (= ofwel Log D daalt lineair met toenemende temperatuur)
- z-waarde = ‘thermal resistance constant’ = temperatuursstijging (of daling) die D met 90% doet afnemen (of toenemen)
- (dus men heeft maar 1/10 van de oorspronkelijk tijd nodig nodig om het aantal MO met 90% te reduceren bij de nieuwe temperatuur t.o.v. de initiële temperatuur)
- Vb: z = 5°C in figuur
- Op basis van D- en z-waarden kan men equivalente thermische processen opstellen, alleszins wat betreft de gewenste afdoding van één welbepaald MO.
- Voorbeeld:
- Als gegeven dat D_{60°C} = 1 min en Z = 5°C voor Salmonella enteritidis, dan zou men kunnen berekenen dat de combinaties 60°C/10min en 65°C/0,6min dus equivalente processen zijn m.b.t. inactivatie van Salmonella enteritidis in dat specifieke product volgens die specifieke verhittingstechniek (!);
- niet noodzakelijk equivalent voor andere MO of Salmonella enteritidis in andere VM.
- Proces van 10 min / 60°C veroorzaakt 6-D reductie, d.w.z.:
- Indien beginaantal N_0 = 10^6 /g, dan nog 100/g na proces
- Indien N_0 = 10^2 /g, dan nog 10^{-4} /g of 1/10 kg na proces
- Hoelang verhitten bij 65°C om ook 6D reductie te bekomen?
- D{65°C} = 1/10 van D{60°C} = 0,1 min (want z = 5°C)
- 6D reductie vereist dus 6 x 0,1 min = 0,6 min
- 60°C/10min en 65°C/0,6min zijn dus equivalente processen m.b.t. inactivatie van Salmonella enteritidis; niet noodzakelijk equivalent voor andere MO
- MAAR…
- naast microbioolgische parameters
- ook kwaliteitsparameters van VM
- (gewenste (behoud van) voedingswaarde, smaak, kleur, textuur, geur,…)
- hittebehandeling veroorzaakt in het algemeen kwaliteitsverlies (zie chemie en H4)
- kwaliteitsparameters kunnen ook beschreven worden met D- en z-waarden
- het gaat dan niet over een afname in MO, maar vb. over een afname in nutriënten (vaak ongewenst dus) (vb. afbraak vitamine C)
- De z-waarde van deze kwaliteitsparameters is vaak hoger dan de z-waarde voor hitte-inactivatie van MO.
- ➔ de hitte-behandeling moet ‘ge-optimaliseerd’ worden; een goed evenwicht tussen kwaliteit en veiligheid
- Thermal processing: een voorbeeld
- Objectief m.b.t. microbiologische veiligheid: 12-D reductie C. botulinum (proteolytic) (z = 10°C; D_{121°C} = 0.2 min)
- Beschouw volgende twee equivalente processen:
- 121°C/2,4min (vb. van LTLT) LOW TEMPERATURE LONG TIME
- 141°C/0,024min of 141°C/1,44s (vb. Van HTST) HIGH TEMPERATURE SHORT TIME)
- Stel bepaald vitamine als kwaliteitsparameter wordt gekenmerkt door z = 20°C; D_{121°C} = 2,4 min
- Bovenstaande processen veroorzaken dan volgende reductie van het vitaminegehalte:
- 121°C/2,4min ➔ 1-D
- 141°C/0,024min of 141°C/1,44s ➔ <<1-D (want D_{141°C} = 0,24 min)
- Conclusie: HTST proces (High Temperature Short Time) geeft beter kwaliteitsbehoud voor een zelfde microbiologische veiligheid als een LTLT proces (Low Temperature Long Time)
Essentials of Thermal Processing
- Table 8.1 lists the destruction of vitamins and shows two important characteristics; first that the D-values are much higher than those for microorganism destruction (e.g. the C. botulinum D_{121.1} value is 12.6 seconds) and second that the z-values are also much higher (e.g. the C. botulinum z-value is 10°C). The fact that vitamin D-values are high indicates that these vitamins are more heat stable than commonly thought. For example, when fruit is cooked, the ascorbic acid or vitamin C contents reduced considerably, but this occurs through several mechanisms and its breakdown by heat is significant than either leaching from the fruit into the cookwater or by oxidation.
- Table 8.1 Kinetic factors for vitamin destruction.
- Heat sensitive vitamin, Temperature (°C), D_T-value (s), z-value (°C)
- Vitamin A (beta carotene)
- Beef liver. 103-127, D_{122} = 2400, 23.0
- Carrot juice. 104-132, D_{104} = 23 600, 25.5
- Vitamin B1 (thiamine)
- Buffer. 109-150, D_{109} = 9500, 24.0
- Carrots. 109-150, D_{150} = 830, 22.0
- Spinach. 109-150, D_{150} = 610, 22.0
- Pea puree. 121.1, D_{121.1} = 10 000, 31.3
- Lamb puree. 109-150, D_{122} = 710, 25.0
- Pork luncheon meat. 100-127, D_{127} = 6300, 35.0
- Vitamin B6 (pyridoxine)
- Cauliflower. 106-138, D_{121} = 24 000, 43.0
- Pantothenic acid
- Beef puree pH 5.4. 118-143, D_{121.1} = 138 000, 35.8
- Beef puree pH 7.0. 118-143, D_{121.1} = 135 000, 19.3
- Folic acid
- Apple juice. 100-140, D_{140} = 100 000, 31.0
- Vitamin C (ascorbic acid)
- Peas. 110-132, D_{121.1}=50 000, 18.0
- Spinach. 70-100, D_{100} = 25 900, 74.4
- Table 8.2 Kinetic factors for enzyme destruction.
- Heat sensitive enzyme, Temperature (°C), D_T-value (s), z-value(°C)
- Peroxidase
- Horseradish. 60-160, D_{120} = 830, 27.8
- Potato puree. 100-140, D_{120}=70, 35.0
- Catalase
- Spinach. 60, D_{60} = 60, 8.3
- Lipoxygenase
- Pea/soya. 50-80, D_{77} = 720, 3.4
- Pectinesterase
- Guava syrup pH 4.0. 74-95, D_{96} = 35, 16.5
- Polyphenol oxidase
- Potato. 80-110, D_{ap} = 100, 7.8
- Table 8.3 Kinetic factors for pigment destruction.
- Heat sensitive pigment, Temperature (°C), D_T-value (s), z-value (°C)
- Green (chlorophylls)
- Green beans. 80-148, D_{121.1} = 1260, 38.8
- Peas. 80-148, D_{121.1}=1500, 39.4
- Red
- Raspberry juice. 78-108, D_{104} = 7000, 30.4
- Grapes. 76.7-121, D_{121} = 7600, 54.7
- Browning reactions
- Chestnut paste darkening. 105-128, D_{121.1} = 141 000, 24.6
- Milk, hydromethyl furfural. 105-160, D_{130} = 12, 26.7
- Example 5.7:
- Lethal rate graph (temperature vs time)
- In pilot plant testing of a liquid food subjected to an HTST process, one microorganism survived heat transfer treatment. Laboratory tests established D_{121} = 1.1 min and z = 11°C for the microorganism. The maximum initial microbial is assumed to be 105/g, and the largest container to be used is 1000 g. A process is desired that will assure that spoilage occurs in less than one container per 10,000. Temperature at selected points in the process are as follows:
Time [s] | Midpoint Temperature [°C] | Incremental Lethality [s]
----------|---------------------------|---------------------------
0.8 | 107 | 0.001
1.8 | 114.8 | 0.005
2.8 | 122.4 | 0.02
3.8 | 128.7 | 0.09
4.8 | 132.9 | 0.23
5.8 | 136.25 | 0.46
6.8 | 138.3 | 0.7
7.8 | 139.4 | 0.88
8.8 | 140 | 1
9.8 | 140 | 1
10.8 | 140 | 1
11.8 | 140 | 1
12.8 | 129.2 | 0.104
13.8 | 117.3 | 0.008
14.8 | 111 | 0.002
15.8 | 108 | 0.001
Glastransitietemperatuur
- Glastransitietemperatuur = fase-transitietemperatuur
- proteïnen en zetmelen zijn polymeren die een Tg bezitten
- onder Tg zijn deze polymeren in een ‘glassy’ (= kristallijne) toestand
- boven Tg bevinden deze poymeren zich in een ‘rubbery’ (= mobiele) toestand
- wanneer het watergehalte toeneemt kan de Tg veranderen
- → het voedsel kan dan van toestand veranderen zonder een verandering in temperatuur
- de hydrofiele componenten in voedsel worden gehydrateerd en het voedsel wordt meer plastisch
- tijdens het koelen van een waterige oplossing tot onder het vriespunt vormen ijskristallen zich, waardoor de opgeloste stof toeneemt in concentratie.
- Tg’ op de grafiek: overgang glassy → rubbery (op de grafiek voor gegeleerd zetmeel is dit bij -5°C; de hoeveelheid onbevroren water op dat moment is 27 massa%))
- Table 0.6. Phase transition temperature Tg and melting point Tm of mono- and oligosaccharides
- Compound Tg [°C] Tm [°C]
- Glycerol -93 18
- Xylose 9.5 153
- Ribose -10 87
- Xylitol -18.5 94
- Glucose 31 158
- Fructose 100* 124
- Galactose 110* 170
- Mannose 30 139.5
- Sorbitol -2 111
- Sucrose 52 192
- Maltose 43 129
- Maltotriose 76* 133.5
- Table 0.8. Phase transition temperature Tg of some fruits and vegetables
- Fruit/vegetable Tg (°C)
- Strawberries -33 to -41
- Peaches -36.5
- Bananas -35
- Apples -42
- Tomatoes -41.5
- Peas (blanched, frozen) -25
- Carrots -25.5
- Broccoli, stalks -26.5
- Broccoli, flower buds -11.5
- Spinach (blanched, frozen) -17
- Potatoes -11
- Extra opm.→ viscositeit volgt niet Arhennius rond Tg en Tg +100°C
Case Study - Kleverigheid
- = interactie contactoppervlak met voeding (het contactoppervlak kan hetzelfde of een verschillend materiaal betreffen vb. interactie gehemelte/tanden met voedsel)
- organolpetisch en procestechnische invloed (gewenst of ongewenst vb. verkleven)
Bevochtiging van (Vast) Materiaal
- cohesie vs. adhesie: als adhesie vloeistof - vaste stof > cohesie vloeistof, dan wordt de vaste stof bevochtigd
Plakkracht
- Cohesie en oppervlaktespanning (krachten)
- Viscositeit (tijd nodig heeft om een oppervlak te bevochtigen): van hoge (niet-viskeuze toestand, “eerder vast”) naar lage viscositeit (of omgekeerd)
Oplosbaarheid en Watergehalte
- Voedingsmiddelen met laag watergehalte (“droog”) → contact met water → oplossen → kleverigheid en samenkoeken
- Ook relatieve vochtigheid (watergehalte ind e atmosfeer (vb. suikersnoepjes in vochtige omgeving kleven)
Omgevingstemperatuur en Glastransitietemperatuur
- > T_{omgeving} :o.a. invloed op viscositeit en oplosbaarheid
- Tg - Vooral belangrijk bij koolhydraten met een laag moleculair gewicht
- Tg : bij overgang glassy → rubbery toestand
- Wanneer Tg < (!!!!!) Tomgeving → kleverigheid en samenkoeken vb. poeders
- Invloed van watergehalte op Tg :
- [H_2O] \uparrow ==> Tg \downarrow
Fysisch-chemische 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
Reacties tijdens Voedselbereiding
- Gewenst vs. Ongewenst
- Voedselkwaliteit vs. Veiligheid
- chemische transformaties (=reacties) fysische veranderingen (aggregatietoestanden en fasen)
- één 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 mat 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