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].