Большую часть (до 90%) сухих веществ, содержащихся в плодах и овощах, составляют углеводы.
Углеводы являются энергетическим материалом, обеспечивающим жизненные процессы, протекающие при хранении растительного сырья. Они служат также питательным веществом для человеческого организма. Плоды и овощи являются важным источником углеводов. Средний суточный рацион взрослого человека должен включать около 500 г углеводов, усваиваемых организмом.
К углеводам плодов и овощей относятся сахара, крахмал, целлюлоза, гемицеллюлозы, пектиновые вещества.
Сахара. Из сахаров плоды и овощи содержат преимущественно моносахариды (гексозы) — глюкозу и фруктозу — и дисахарид — сахарозу. В растительной ткани сахара находятся в свободном состоянии, а также входят в состав более сложных соединений. Глюкоза (декстроза, виноградный сахар) является составной частью сахарозы (свекловичного сахара), ряда полисахаридов (крахмала, целлюлозы, гемицеллюлоз), а также многих глюкозидов. Фруктоза (левулеза, плодовый сахар) входит в состав сахарозы и полисахарида инулина.
В плодах и овощах в небольшом количестве содержатся также такие моносахариды, как арабиноза, ксилоза, манноза, галактоза, рибоза, рамноза, сорбоза, и дисахариды — мальтоза, генциобиоза. Арабиноза, ксилоза и манноза содержатся в пентозанах. Генциобиоза входит в состав некоторых глюкозидов, в частности амигдалина. Рибоза является составной частью нуклеиновых кислот. В плодах и овощах имеются шестиатомные спирты (маннит и сорбит), близкие по своему строению к сахарам.
В организме человека моносахариды — глюкоза и фруктоза — всасываются непосредственно в кровь и поэтому хорошо усваиваются. Сахароза под действием содержащегося в кишечном соке фермента инвертазы легко гидролизуется, образуя глюкозу и фруктозу.
Сахара, как известно, отличаются сладким вкусом. Порог сладости (минимальная концентрация, при которой ощущается сладкий вкус) зависит от вида сахара и составляет для фруктозы 0,25, для глюкозы 0,55 и для сахарозы 0,38%.
Вкусовые ощущения зависят не только от количества сахара, но и от содержания в растительном сырье кислот, дубильных веществ, эфирных масел и некоторых других соединений. Для оценки вкусовых качеств сырья иногда определяют его сахаро-кислотный индекс, под которым понимают отношение процентного содержания сахара к процентному содержанию кислоты. Например, виноградный сок с сахаро-кислотным индексом от 24 до 28 обладает наилучшим вкусом. Если этот показатель менее 22, то сок кислый, а если выше 30 — приторный.
Из растительного сырья сахарами особенно богаты плоды. Содержание сахаров в них составляет в среднем 8—12%, У винограда оно значительно выше — 16—18%. В семечковых плодах из сахаров преобладает фруктоза. В меньших количествах в них содержатся глюкоза и сахароза. Черешни, вишни, сливы (венгерка), а также виноград и большинство других ягод богаты глюкозой и почти не содержат сахарозы. В абрикосах и персиках много сахарозы и несколько меньше моносахаридов.
Овощи содержат в среднем 4% сахаров. Более высокой сахаристостью отличаются корнеплоды (морковь, спекла) и особенно бахчевые культуры (арбузы, дыни). В томатах, баклажанах, перце, цветной капусте, моркови преобладают глюкоза и фруктоза, в зеленом горошке — сахароза.
Свойства сахаров и их изменения в процессе переработки оказывают значительное влияние как на выбор технологических режимов, так и на качество готовой продукции.
Сахара хорошо растворимы в воде, особенно в горячей. Например, в интервале 0—100° С растворимость глюкозы повышается в 2,5 раза. Потери сахаров возможны при мытье сырья, у которого нарушена целость покровной ткани. Значительное выщелачивание сахаров происходит при бланшировании плодов и овощей в горячей воде. В тех случаях, когда бланширование в воде не вызывается особой необходимостью, предпочитают обрабатывать сырье паром либо слабыми растворами сахара или поваренной соли.
Сахара обладают гигроскопичностью, что особенно свойственно фруктозе. Гигроскопичность сахарозы и глюкозы значительно ниже. Учитывая это свойство, богатые сахаром продукты, упакованные в негерметичную тару (джем, повидло, сухофрукты), не следует хранить в сырых складах.
Сахара в условиях достаточно высокой влажности среды подвержены действию микроорганизмов, особенно дрожжей и плесеней, хорошо развивающихся при комнатных температурах. Поэтому плоды и овощи, так же как и выработанная из них продукция, должны быть защищены от воздействия микроорганизмов путем консервирования, сушки или замораживания. Вместе с тем брожение сахаров иногда лежит в основе технологического процесса переработки растительного сырья. Так, при квашении и солении овощей происходит молочнокислое брожение.
Сахароза в растворе может гидролизоваться, образуя инвертный сахар. Инверсия сахарозы протекает в живых растительных клетках под действием фермента инвертазы. В растениях наблюдается и обратный процесс синтеза сахарозы из инвертного сахара. Инверсия происходит и при нагревании растворов сахарозы в присутствии кислот (варка варенья, джема, повидла, стерилизация компота из высококислотных плодов). При варке варенья иногда искусственно форсируют процесс инверсии путем добавления к продукту кислоты.
При значительном нагревании сырья или продуктов может происходить карамелизация (неполный распад) содержащихся в них сахаров. Продукты карамелизации носят название «кулера». На первых стадиях распада сахаров образуются вещества, которые могут придать продукту приятный вкус (например, вкус обжаренных овощей). Однако при более высоких температурах богатые сахаром продукты темнеют и приобретают горький привкус.
Карамелизация сахарозы при температуре 160°С протекает активно и сопровождается выделением воды. Сахароза теряет при этом свою кристаллическую структуру. При температуре нагревания выше 200° С среди продуктов распада сахарозы появляется карамелин — С24Н26О13.
Применяемые в практике работы консервной промышленности температуры обычно не превышают 160° С, и поэтому вероятны только первые стадии карамелизации сахаров.
Потемнение продуктов, содержащих сахара, чаще всего вызывается происходящим при нагревании взаимодействием сахаров с аминокислотами. При этом образуются темноокрашенные вещества, называемые меланоидинами, что является одной из основных причин потемнения и нежелательного изменения аромата, вкуса и цвета различных плодовых и овощных консервов.
Интенсивную меланоидиновую реакцию дают сахара, имеющие свободную карбонильную группу (ксилоза, фруктоза, глюкоза, мальтоза). Сахароза, у которой свободная карбонильная группа отсутствует, не реагирует с аминокислотами. Эта реакция возможна только после гидролитического распада сахарозы на глюкозу и фруктозу.
Из аминокислот наиболее сильно реагируют, давая интенсивное окрашивание, глицин и другие растворимые аминокислоты (аланин, аспарагин). Менее активно действуют слаборастворимые аминокислоты (цистин, тирозин). Меланоидиновая реакция идет наиболее энергично, когда молярное соотношение между аминокислотами и сахарами составляет 1:2.
Меланоидиновая реакция не ограничивается простой конденсацией, а представляет собой сложный окислительно-восстановительный процесс, сопровождающийся образованием ряда промежуточных соединений.
При взаимодействии редуцирующих сахаров с аминокислотами могут образоваться альдегиды, придающие продукту определенный запах. Разложение сахаров связано с выделением фурфурола и оксиметилфурфурола, которые легко реагируют с аминокислотами, образуя темноокрашенные вещества.
Реакция между сахарами и аминокислотами связана с распадом обоих исходных компонентов и последующим образованием циклических группировок фурфурольного, а затем и пиррольного характера.
Меланоидиновые реакции активируются при повышенных температурах, особенно в случае многократного подогрева.
Меланоидины могут образоваться не сразу после подогрева, а в процессе хранения консервов. При консервировании плоды и овощи подвергаются более или менее длительному и нередко повторному нагреванию. В связи с этим наблюдаются явления меланоидинообразования, карамелизации, гидролиза сахаров, что происходит, например, при длительной варке томатопродуктов в открытых аппаратах. Применение таких режимов технологического процесса, которые сводят подогрев к необходимому минимуму, ослабляет эти явления и оказывает положительное влияние на качество продукции, так как способствует сохранению сахаров и аминокислот.
Крахмал. Крахмал, так же как и сахара, является энергетическим материалом пищи. В организме человека крахмал подвергается быстрому ферментативному распаду (гидролизу) с образованием редуцирующих сахаров. При участии фермента амилазы крахмал распадается сначала до декстринов, а затем до мальтозы. Мальтоза в свою очередь гидролизуется под действием фермента мальтазы до глюкозы, которая легко всасывается в кровь.
Крахмал отлагается главным образом в клубнях и зернах. Очень богат крахмалом картофель (12—25%). Значительное количество крахмала содержится в зеленом горошке и других бобовых культурах, а также в сахарной кукурузе. У большинства плодов и овощей содержание крахмала невелико (в пределах 1%).
Крахмал содержит 96,1—97,6% полисахаридов, 0,2—0,7% минеральных веществ, 0,6% высокомолекулярных жирных кислот (пальмитиновая, стеариновая и др.), а также фосфорную кислоту, которая в одних случаях связана сложноэфирной связью с углеводами (картофельный крахмал), а в других — представляет собой примесь (кукурузный и рисовый крахмал). Плотность крахмала составляет в среднем 1,5.
Откладываясь в растениях, крахмал образует зерна, которые имеют овальную, сферическую или неправильную форму и размер от 0,002 до 0,15 мм. Оболочка крахмальных зерен состоит из амилопектина, а внутренняя часть — из амилозы. Амилоза и амилопектин являются полисахаридами, отличающимися друг от друга строением, физическими и химическими свойствами. Поэтому соотношение амилозы и амилопектина в крахмале имеет важное технологическое значение.
В холодной воде крахмал нерастворим. В теплой воде амилоза, имеющая молекулярную массу 50 000— 160 000, растворяется, давая нестойкие растворы, из которых легко выделяются кристаллические осадки. Амилопектин, молекулярная масса которого составляет миллион и более, растворяется в воде при нагревании под давлением, давая очень вязкие стойкие растворы. В горячей воде крахмал образует клейстер. Чем выше содержание амилопектина в крахмальных зернах, тем более густым и вязким является клейстер. Температура клейстеризации крахмала в зависимости от его происхождения колеблется от 62 до 73° С. Крахмальный клейстер обладает большой вязкостью. В связи с этим, находясь в растворе, крахмал препятствует конвекции при нагревании. Растворы, содержащие крахмал, очень медленно прогреваются, что важно при стерилизации консервов.
В зернах сахарной кукурузы содержится полисахарид гликоген. По своему строению он сходен с амилопектином, но хорошо растворяется в горячей воде, давая опалесцирующий раствор. При гидролизе гликогена образуется глюкоза. Гликоген играет большую роль в обмене веществ в животном организме.
Целлюлоза (клетчатка). Большинство плодов и овощей содержит 1—2% целлюлозы. Очень бедны ею кабачки, огурцы, арбузы, дыни (0,2—0,5%). Сравнительно высоким содержанием целлюлозы (около 1,5%) отличаются корнеплоды, а также семечковые плоды.
Целлюлоза не усваивается человеческим организмом. Однако в небольших количествах она полезна, так как содействует перистальтике кишок.
Молекула целлюлозы имеет нитевидную форму и построена из глюкозных остатков, количество которых колеблется от 1400 до 10 000. Отдельные молекулы соединены в пучки-мицеллы, образующие сетчатую структуру.
Целлюлоза нерастворима в воде и в большинстве органических растворителей. Она растворяется лишь в реактиве Швейцера [Cu(NH3)4](OH)2, а также в концентрированных минеральных кислотах, под действием которых при кипячении гидролизуется до глюкозы.
Повышенное содержание целлюлозы в клеточных оболочках делает пищу грубой. Клеточный сок в этом случае становится менее доступным для действия ферментов, выделяемых в пищеварительном тракте, и поэтому хуже усваивается. Поэтому для выработки консервов, предназначенных для больных, предпочитают сырье, бедное клетчаткой (кабачки, рис).
Клетчатка повышает стойкость растительного сырья против механических воздействий и нагревания. Вместе с тем обилие клетчатки затрудняет некоторые операции технологического процесса обработки плодов и овощей (протирание перезрелого шпината, уваривание томатной массы, полученной из недозрелого сырья).
Гемицеллюлозы. Высокомолекулярные полисахариды — гемицеллюлозы — наряду с клетчаткой входят в состав оболочек растительных клеток, преимущественно одревесневших частей растений. К гемицеллюлозам относятся гексозаны (галактан, маннан) и пентозаны (арабан, ксилан), дающие при гидролизе сахара.
Из гемицеллюлоз в плодах и овощах наиболее распространен арабан. В семенах бобовых содержится галактан. Количество пентозанов в плодах обычно колеблется от 0,5 до 1,0%. Несколько больше их в малине и шиповнике.
Большинство гемицеллюлоз нерастворимо в воде, за исключением некоторых пентозанов, образующих клейкие растворы. Вместе с тем они растворяются в щелочных растворах.
Гемицеллюлозы менее устойчивы, чем клетчатка, и под действием ферментов или кислот гидролизуются, образуя сахара.
При продолжительном кипячении с крепкой соляной кислотой из пентозанов образуется фурфурол. Это свойство необходимо использовать для утилизации отходов производства (плодоножки овощей, початки кукурузы и др.).
Пектиновые вещества. Пектиновые вещества входят в состав клеточных оболочек и срединных пластинок растительных тканей. Их содержание в яблоках, абрикосах, сливах, клюкве составляет около 1%. Особенно богаты ими айва, крыжовник, черная смородина (1,5%), морковь (2,5%).
Пектиновые вещества играют положительную роль в лечебном питании при желудочно-кишечных заболеваниях. Они оказывают существенное влияние на консистенцию плодов и их развариваемость при консервировании, застудневание фруктовой продукции с сахаром (джем, желе, повидло), процесс осветления плодовых соков, величину отходов при протирании томатов и др.
По химической природе пектиновые вещества представляют собой высокомолекулярные производные углеводов, которые находятся в плодах в виде нерастворимого в воде протопектина или растворимого пектина.
Пектин содержит в своей основе полигалактуроновую кислоту, образованную молекулами моногалактуроновых кислот, соединенных между собой в виде цепочки. Полигалактуроновая кислота имеет в молекуле большее или меньшее количество метоксильных групп, присоединенных эфирными связями.
Метоксильные группы органически связаны с поликислотой. Чем больше их количество, тем выше желирующие свойства пектина.
В продуктах гидролиза пектина найдены также и другие вещества, которые не входят в состав его молекулы. К ним относятся арабиноза и галактоза, являющиеся примесями, и уксусная кислота, которая появляется в результате разложения галактуроновой кислоты.
Молекула пектина имеет большей частью нитчатую структуру. Молекулярная масса пектина различна у разных плодов и колеблется от 25 000 до 50 000.
Протопектин имеет очень сложное строение, которое пока еще точно не установлено. Предполагают, что протопектин является гигантской молекулой пектина, цепочки которого связаны между собой через ионы кальция, магния и фосфорнокислые мостики. Эта молекула может включать остатки целлюлозы, сахаров, уксусной кислоты, которые являются побочными продуктами распада протопектина.
Протопектин входит в состав клеточных оболочек срединных пластинок. В первом случае он более этерефицирован и содержит меньше поливалентных ион кальция, магния и железа, чем во втором.
В недозрелых плодах содержится преимущественно в нерастворимый в воде протопектин, цементирующий растительную ткань. По мере созревания плодов происходит распад части протопектина и образуется растворимый в воде пектин. Этот процесс идет под действием фермента протопектиназы, а также под влиянием органических кислот, содержащихся в плодах.
Перевод оставшегося в зрелых плодах протопектина, в пектин может быть осуществлен нагреванием. Кислая среда плодов способствует распаду протопектина.
Растворимость пектина в воде тем больше, чем больше он содержит метоксильных групп и чем меньше размеры его молекулы.
Благодаря большой молекулярной массе пектина его водные растворы, как и растворы других высокополимеров, обладают рядом свойств, присущих коллоидным растворам.
Коллоидные растворы пектиновых веществ обладают большой вязкостью и стойкостью, что затрудняет такой процесс, как осветление плодовых соков.
Пектин может быть переведен из раствора в осадок в виде пектата кальция под действием фермента пектинэстеразы (пектинметоксилаза, пектаза или пектил гидролаза).
Распад пектина до растворимой моногалактуроновой кислоты осуществляется при помощи фермента полигалактуроназы (пектиназа, пектолаза, полигалактуронид — гликаногидролаза).
Пектин может реагировать с дубильными веществами, давая нерастворимые соединения, выпадающие в осадок. Нагревание в присутствии воды вызывает разрушение пектина. Это связано либо с разрушением глюкозидных связей в молекуле полигалактуроновой кислоты, либо с отщеплением друг от друга молекул этой кислоты, образующих молекулу пектина.
Важное значение для консервного производства имеет способность пектиновых веществ образовывать гели в присутствии сахаров и кислот. Это свойство используется при производстве желе, джема некоторых других продуктов. Желирующие свойства пектина из плодов гораздо лучше, чем из овощей.