Порча первого типа происходит вследствие структурных изменений или струк­турной нестабильности пищевых продуктов. К ней относят, например, механиче­ские повреждения – ушибы свежих фруктов и овощей или ломку сухих, хрупких продуктов, таких как картофельные чипсы или сухие завтраки. Механическое по­вреждение свежих фруктов и овощей может происходить во время транспортиров­ки и сбыта или в результате падения продуктов. В случае серьезных механических повреждений продукт может стать неприемлемым для потребителя. Вследствие ушибов может развиваться ферментативное потемнение, из-за повреждения кле­точной структуры может изменяться цвет продукта, кроме того, в месте ушиба происходит процесс потери влаги. Ушиб может также способствовать размноже­нию микроорганизмов. Ломка сухих, хрупких продуктов приводит к некондици­онности многих из них (крекеров, картофельных чипсов, сухих завтраков, корочек пирогов, замороженных продуктов). Минимизировать протекание процессов, приводящих к порче этого вида продуктов, позволяет использование правильно спроектированных систем упаковки, защищающих продукты от вибрации и меха­нических повреждений при перевозке и погрузочно-разгрузных работах

Многие другие изменения физической природы включают миграцию влаги в пищевом продукте или массообмен его компонентов. Наиболее распространенным случаем порчи пищевых продуктов является изменение содержания влаги (потеря влаги, увеличение влажности или миграция влаги). Зачастую это приводит к некон­диционности продукта, что влечет возникновение других проблем, в том числе свя­занных с протеканием микробиологических или химических процессов, которые мы обсудим в последующих разделах. Перенос влаги происходит под воздействием гра­диента химического потенциала. Это связано с изменением активности воды (αω), которая определяется как равновесная относительная влажность продукта. В хлебо­булочных изделиях (например, в хлебе) миграция влаги может вызывать черствение продукта, связанное с перераспределением влаги мякиша (высокая αω) в корку (низ­кая αω). Это приводит к тому, что мякиш становится более сухим, твердым и лом­ким, а корка – более жесткой и менее хрустящей [52]. Миграция влаги может проис­ходить в многокомпонентных продуктах в том случае, если отдельные компоненты характеризуются разными показателями активности воды [5, 38]. Например, влага может мигрировать из кусочков фруктов в готовых к употреблению завтраках или из влажной начинки мучных кондитерских изделий – в сухую корочку пищевых продуктов. От изменения содержания влаги существенно зависит кондиционность многих фруктов и овощей. Листовые овощи, например, теряют влагу на воздухе и увядают, а при хранении без надлежащей упаковки быстро стареют.

Значительное влияние на качество свежих фруктов и овощей оказывает темпера­тура. Каждая культура имеет собственную, присущую ей интенсивность дыхания и оптимальный температурный диапазон, который замедляет процессы созревания и старения и продлевает ее жизнь после сбора урожая. Кроме того, климактерические фрукты во время созревания характеризуются значительным увеличением продуци­рования этилена, который является эффективным регулятором роста растений – под его воздействием ускоряется созревание большинства культур. Следовательно, полное устранение или снижение воздействия этилена позволяет отсрочить созрева­ние и старение многих культур, продлевает их жизнь после сбора урожая.

Многие культуры чувствительны к повреждениям при медленном понижении температуры, когда продукт является замороженным не полностью. Это вызывает повреждение клеток и порчу продукта. Другие культуры, включая тропические фрукты и овощи, чувствительны к охлаждению и могут быть повреждены перед за­мораживанием продукта (обычно при температурах 5-15°С). Влияние таких повре­ждений при охлаждении проявляется в возникновении точечной коррозии, размокании, обесцвечивании, развитии посторонних запахов, ускоренном старении или созревании (перезрелости). Иногда в течение нескольких недель после поврежде­ния эти аффекты не проявляются. Повреждение зеленого перца при охлаждении об­суждается в работе [53], а информация по послеуборочной обработке фруктов и ово­щей приведена в [34, 65, 70, 76].

Сильное влияние на срок хранения пищевого продукта может иметь изменение температуры стеклования (Tg), воздействующее на миграцию влаги в пищевом про­дукте. Температура стеклования – это температура, при которой «стекловидное» или хрупкое состояние продукта меняется на «резиноподобное» или мягкое. Первое известное упоминание о стекловидном и резиноподобном состояниях пищевых про­дуктов относится к 1966 г. [74]. В 1980-х гг. после появления первых работ [19, 66, 67] была проведена серия исследований по возможности применения теории стек­лования (фазовых переходов в полимерах) к пищевым продуктам. Температура, при которой происходит стеклование продукта, зависит от содержания в нем влаги и форм ее связи.

Сухие пищевые продукты типа крекеров должны быть хрустящими. При нару­шении режимов влажности в ходе их хранения они впитывают влагу (Tgпонижает­ся) и подвергаются стеклованию, становясь в результате вязкими и влажными. Мяг­кие хлебобулочные и мучные кондитерские изделия с высоким содержанием влаги, требующие продолжительного пережевывания, наоборот, склонны терять влагу (Tgповышается). В результате стеклования они становятся «стекловидными», тверды­ми и хрупкими (подробнее об этом см. [49, 58, 59, 42]).

Колебания температуры вблизи Tgвлияют на скорость протекания многих ре­акций. При температуре выше Tg влага подвижна, и скорость химических реакций, ограниченных диффузией, обычно подчиняются кинетике WLF (Williams-Landel-Ferry) [35, 75]. При температуре ниже Tg влага менее мобильна, и скорости реакций обычно значительно ниже. Эти вопросы мы рассмотрим позднее.

Для сухих порошков последствием стеклования является комкование. По мере впитывания влаги порошки подвергаются стеклованию и становятся аморфными, слипаясь и образуя комки. Последние результаты изучения влияния стеклования на клейкость пищевых порошков приведены в работах [33, 51].

Потеря влаги может стать проблемой даже для пищевых продуктов глубокой за­морозки, которые могут терять воду, так как влажность в окружающей среде при этих температурах меньше 100%. При -20°С активность воды составляет 0,82, а при -40°С – 0,68 [17]. Поэтому влага может испаряться или сублимироваться с поверх­ности продукта, вызывая обезвоживание или «морозный ожог». Для предотвраще­ния потери влаги при хранении замороженные продукты необходимо полностью герметизировать, используя упаковку с гидроизолирующими свойствами.

К другим изменениям физической природы в пищевых продуктах относится кристаллообразование. Рост кристаллов льда в замороженных продуктах (напри­мер, в мороженом) приводит к возникновению их зернистой текстуры. Образование внеклеточных кристаллов льда происходит чаще всего в пищевых продуктах, под­вергаемых медленному замораживанию или повторным холодильным циклам. При быстром замораживании происходит образование мелких кристаллов льда внутри клеток, являющихся более стабильными по сравнению с кристаллами льда, обра­зующимися при медленном замораживании. Тем не менее, даже быстрое заморажи­вание может вызнать повреждение клеточных структур, что может привести к акти­визации ферментативных реакций. Для миграции влаги необязательно полное от­таивание продукта – достаточно достигнуть температуры, при которой влага становится подвижной, что способствует образованию более крупных кристаллов льда. При циклическом изменении температуры в морозильной камере в продукте создается температурный градиент, вдоль которого обычно происходит перемеще­ние влаги [54]. Добавление веществ, связывающих воду, позволяет минимизировать образование крупных кристаллов льда в ходе циклов замораживания/оттаивания. Кроме того, если при низкотемпературном хранении продукта поддерживаемая тем­пература ниже точки стеклования, то влага в продукте будет значительно менее под­вижной и не будет проявлять тенденции к перераспределению [41]. Результаты по­следних исследований кристаллообразования льда в пищевых продуктах представ­лены в работах [1, 9, 15, 18, 60].

Подобным образом в некоторых пищевых продуктах может происходить и кри­сталлизация сахарозы, в частности, в продуктах с высоким содержанием сахара, ко­гда некристаллический или «стекловидный» сахар подвергается стеклованию вследствие поглощения влаги и роста температуры. В «резиноподобном» состоянии сахар может кристаллизоваться и выталкивать влагу. Ярким примером является са­харная вата, при высокой влажности приобретающая зернистость. В шоколаде это явление может проявляться в виде сахарного поседения. Если шоколад хранить во влажной среде, влага конденсируется на его поверхности; молекулы сахарозы при этом диффундируют из внутренних слоев продукта на поверхность, придавая ему серый или белый цвет. Считается, что кристаллизованный сахар является одним из факторов порчи сахарных кондитерских изделий и образования «зерен» в конфетах и мороженом. Подробнее о кристаллизации сахара см. [24, 26].

Другим хорошо изученным типом кристаллизации является миграция и ре­кристаллизация жира (какао-масла) в шоколаде – это так называемое жировое по­седение шоколада, характеризуемое белесым сальным налетом. Темперирование шоколада, в ходе которого происходит кристаллизация какао-масла и полиморфную структуру надлежащего размера и формы, является важной стадией миними­зации поседения шоколада [25]. Неправильное темперирование может привести к образованию недостаточно стабильных форм кристаллов жира и возникновению вероятности появления жирового поседения. Другими факторами, способными вызывать жировое поседение, являются частичное плавление и повторное охлаж­дение шоколада, истирание поверхности, использование несовместимых жиров или быстрое охлаждение с образованием трещин [31]. Результаты последних ис­следований жирового поседения шоколада приведены в [20, 28, 71, 73].

Причиной этого вида порчи пищевых продуктов может быть также разрушение эмульсин в таких продуктах, как майонез, маргарин и салатные заправки (дрессинги). Существуют и другие механизмы, вызывающие порчу этих продуктов (напри­мер, окисление липидов и рост микроорганизмов) – мы их рассмотрим позднее. Эмульсии – это термодинамически нестабильные двухфазные системы, которые представляют собой частицы, диспергированные в дисперсионной среде (например, эмульсии типа «масло в воде» или «вода в масле»). Стабильность эмульсии зависит от использованного эмульгатора и от степени дисперсности фаз (размера частиц). Молекулы эмульгаторов, например, лецитина, входящего в состав яичного желтка, адсорбируются на поверхности частиц, снижая поверхностное натяжение, посколь­ку обладают как гидрофильными, так и гидрофобными свойствами, Эмульсионная стабильность достигается, если силы притяжения, такие как силы Ван-дер-Ваальса, уравновешенны с силами отталкивания – например, с электростатическими или пространственными взаимодействиями. Эти силы препятствуют коалесценции час­тиц масла, то есть расслаиванию эмульсии. Эмульсионная стабильность достигается также путем увеличения вязкости непрерывной фазы. Дестабилизация эмульсий за­частую зависит от режимов их образования, например, от чрезмерной вибрации, от потери эмульгатором своих свойств в результате частичного замораживания или под воздействием очень высоких температур. О сроках хранения майонеза и запра­вок для салатов см. [47]; стабильность майонеза рассматривается в [14].