Причиной порчи пищевых продуктов являются также химические реакции или реакции деградации их химических компонентов, таких как белки (протеины), жиры (липиды) и углеводы. Скорость этих химических реакций зависит от многих ранее упомянутых факторов (см. табл. 1.1), воздействия активности воды, температуры хранения, температуры стеклования (T - Tg), рН, освещения или присутствия кислорода. Для каждой реакции существуют оптимальные условия протекания. Например, ферментативная активность значительно снижена в продуктах с низкой активностью воды (αω), особенно если αω ниже уровня влаги мономолекулярного слоя. Было установлено [7], что стабильность тиамина в большей степени зависит от значения температуры стеклования, чем от αω. Продукты химических реакций влияют на цвет, вкус, аромат и/или текстуру пищевого продукта.
Расщепление белков включает реакции между белками и другими пищевыми ингредиентами, а также способствуют увеличению ферментативной активности. Белковая природа молекул ферментов является причиной каталитической активности, значительно увеличивая скорость химических реакций. Существует великое множество разновидностей ферментов (многие из которых продуцируются микроорганизмами), взаимодействующих с различными ингредиентами пищевых продуктов. Классификация ферментов и механизмов их действия, приведена в [4].
К ферментам, способным взаимодействовать с другими белками, относится протеолитический плазмин, который способен выдерживать температуры пастеризации и вызывать расщепление молочных белков в молоке, коагуляцию и гелеобразование (о содержании плазмина в свежем молоке см. [27]). Другие протеазы способствуют расщеплению белков мяса, в результате чего оно приобретает кашеобразную консистенцию. Эти протеазы легко выделяются из поврежденных клеток, например, во время многократных холодильных циклов. Некоторые продуцируемые микроорганизмами протеазы способны разрушать белки мяса и молока. При снижении рН (например, в результате деятельности микроорганизмов) казеин молока постепенно агрегирует и осаждается.
Кроме того, белки подвергаются окислению. При наличии доступного кислорода миоглобин и оксимиоглобин мяса окисляются и преобразуются в метмиоглобин. Цвет мяса при этом изменяется от красного до коричневого (подобное изменение цвета снижает потребительскую привлекательность продукта). О процессах окисления белков говядины см. [461.
Активность ферментов во фруктах и овощах вызывает потемнение и размягчение тканей. Обычно эти реакции катализируются фенолоксидазами – ферментами, вступающими в реакцию с фенольными соединениями и кислородом с образованием пигментов коричневого цвета. Деятельность фенолоксидаз активируется при повреждении клеток в результате удара, резки фруктов и овощей или удалении их кожуры. О реакциях ферментативного потемнения в яблоках см. [48].
Неферментативное потемнение (реакция Майяра) – это процесс, протекающий между белками (а точнее, аминогруппами белков) и редуцированными сахарами. Данный процесс включает в себя 3 стадии, первая из которых приводит к образованию нестабильных оснований Шиффа (Schiff), а затем их трансформацию посредством перегруппировки Амадори (Amadori). Последующее расщепление, именуемое реакцией Штрекера (Strecker), и реакции полимеризации в конечном счете приводят к образованию летучих веществ и темных пигментов. В результате пищевой продукт приобретает золотисто-коричневый цвет, иногда происходит изменение его текстуры. Наряду с этим реакция Майяра обычно приводит к потере продуктом пищевой ценности. В ходе неферментативного потемнения быстро расходуется лизин, относящийся к незаменимым аминокислотам. Лизин активно реагирует с редуцирующими сахарами, влияние которых на неферментативную активность изучалось в [43]. Было установлено, что скорость реакции Майяра зависит от показателя активности воды, причем максимальная скорость обычно достигается при αω, в диапазоне от 0,6 до 0,8 (вне этого диапазона скорость реакции снижена). О влиянии αω,и Тg на скорость неферментативного потемнения см. работу [8]. Реакция Майяра редко протекает при низких значения рН. Катализаторами являются также ионы металлов, например, меди и железа.
Химические реакции, приводящие к деградации углеводов, включают реакции клейстеризации/ретроградации и потемнения. Рассматривавшаяся выше реакция Майяра является основной причиной деградации углеводов. Последние могут подвергаться также другим реакциям, приводящим к изменению цвета продукта (например, карамелизации), однако для этого требуются температуры, значительно бокс высокие, чем обычные температуры хранения и сбыта.
Желатинизация (клейстеризация) – одна из важнейших особенностей крахмалов. Она включает разбухание зерен крахмала в воде с последующей потерей кристалличности и оптических свойств. Степень желатинизации зависит от ряда факторов, например, от температуры, величины сдвига, активности воды и присутствия других компонентов, например, Сахаров и липидов. Ретроградация крахмала – это процесс перекристаллизации или образования вторичных ассоциатов. Амилоза легче подвергается ретроградации, чем амилопектин, поскольку структура ее молекулы мельче и не так разветвлена; следовательно, использование воскообразных крахмалов (с низким содержание амилозы) может уменьшить степень их ретроградации. Причиной ретроградации часто является замораживание крахмалов, миграция влаги, как в случае черствления хлебобулочных изделии. Ретроградация крахмала в ходе черствления хлеба изучалась с использованием оптического микроскопа [29] и с применением рентгеноструктурного анализа [45].
Олигосахариды и полисахариды в пищевых продуктах подвергаются также гидролитическому расщеплению. Типичным примером реакции гидролиза в пищевых продуктах является преобразование крахмала в патоку с использованием кислоты или ферментов. Действие ферментов на компоненты крахмала играет важную роль в технологии пивоварения, например, в брожении. Подобные гидролитические реакции происходят с пектином во фруктах и овощах при участии пектиназы и полигалактуроназы, вызывая размягчение плодов.
Причиной порчи жиров чаще всего являются реакции окисления под действием липолитических ферментов или ферментативный гидролиз. Одной из основных причин деградации жиров и масел является окисление липидов (окислительное прогоркание); оно происходит по многих липидсодержащих пищевых продуктах, включая орехи, сухофрукты, мясо, молочный порошок, кофе и маргарин. В ходе окисления липидов кислород взаимодействует с ненасыщенными жирами, что приводит к изменению цвета, образованию посторонних запахов и даже токсичных веществ. Активный кислород может быть растворен в масле, других жидких пищевых ингредиентах, находиться в свободном пространстве тары или проникать сквозь упаковку во время хранения. Для минимизации окисления липидов необходимо предпринять все меры для предотвращения контакта кислорода с пищевым продуктом и использовать надлежащую упаковку, которая будет служить барьером для его проникновения. Одним из факторов, влияющих на скорость окисления, является количество и расположение двойных связей в жирных кислотах или триглицеридах. Кроме того, важно также учитывать воздействие света и тепла, поскольку они активируют процессы окисления. На скорость и полноту протекания окисления могут оказывать влияние микроэлементы, присутствующие в продукте (например, медь и железо катализируют окислительные реакции). С другой стороны, токоферолы и другие антиоксиданты способны замедлять или предотвращать окисление, вступая в реакцию с активным кислородом, присутствующим в продукте. Для предотвращения окисления в пищевые продукты иногда добавляют антиоксиданты, например, лимонную кислоту, ВНА, ВНТ, ЭДТА, TBHQи экстракт розмарина. Подробнее о реакциях окисления липидов в пищевых продуктах см. [61].
Одним из механизмов расщепления жиров является гидролитическое прогоркание, происходящее в результате химических реакций или под действием липолитических ферментов. Эти реакции протекают при участии воды и включают в себя расщепление молекул Триглицеридов с одновременным образованием свободных жирных кислот с более короткими углеводородными остатками, что обусловливает понижение порога восприятия вкуса и аромата, появление посторонних привкусов и запахов или прогорклости. Большинство липолитических ферментов инактивируются при нагревании выше 60°С и сводятся к минимуму путем снижения содержания влаги [37].