Food-Info.net> Tematy > Barwniki żywności > Brązowienie

Brązowienie enzymatyczne

Brązowienie enzymatyczne jest reakcją chemiczną zachodzącą w owocach i warzywach pod wpływem enzymu oksydazy polifenolowej, w wyniku której powstaje brązowe zabarwienie. Brązowienie enzymatyczne zachodzi w owocach (morele, gruszki, banany, winogrona), warzywach (ziemniaki, pieczarki, sałata), a także w „owocach morza” (krewetki, homary i kraby).

Brązowienie enzymatyczne jest niekorzystne dla jakości produktów, szczególnie w okresie przechowywania świeżych owoców po zbiorach, soków po ich wytworzeniu i niektórych owoców morza po złowieniu. Brązowienie enzymatyczne może być odpowiedzialne za prawie 50% wszystkich strat, jakie następują w przetwórstwie owoców i warzyw.

Z drugiej jednak strony, brązowienie enzymatyczne jest niezbędne dla uzyskania odpowiedniej barwy i smaku herbaty, kawy i czekolady.

• Polifenole
• Oksydaza polifenolowa
• Zapobieganie reakcji brązowienia

Polifenole – główne związki uczestniczące w brązowieniu enzymatycznym

Polifenole, nazywane także związkami fenolowymi, stanowią grupę związków chemicznych obecnych w roślinach (owoce, warzywa), które będąc substratem dla enzymów, odgrywają ważną rolę w procesie brązowienia enzymatycznego.

Związki fenolowe odpowiadają za barwę wielu produktów pochodzenia roślinnego, np. jabłek, są odpowiedzialne za smak i zapach napojów (sok jabłkowy, herbata), są także ważnymi przeciwutleniaczami.

Polifenole są złożonymi substancjami organicznymi, zawierającymi więcej niż jedną grupę fenolową (kwas karbolowy).

Struktura 1: Fenol

Struktura 2: Teaflawina, polifenol herbaty (Źródło)

Polifenole dzielą się na wiele różnych podgrup, jak as antocyjany (barwniki roślinne), flawonoidy (katechiny, taniny w herbacie i winie) i związki nieflawonoidowe (kwas galusowy w liściach herbaty). Flawonoidy powstają w roślinach z aromatycznych aminokwasów; fenyloalaniny i tyrozyny.

Jabłka zawdzięczają swą barwę polifenolom

W procesach przetwarzania i przechowywania żywności wiele polifenoli jest nietrwałych, ze względu na reakcje chemiczne i biochemiczne zachodzące z ich udziałem. Do najważniejszych należy reakcja utleniania enzymatycznego powodująca brązowienie owoców i warzyw. Reakcja następuje zwykle po skaleczeniu produktu lub innym mechanicznym oddziaływaniu, powodującym uszkodzenie komórek.

Tabela 1: Wykaz polfenoli biorących udział w reakcji brązowienia (zaczerpnięto ze źródła )

Oksydaza polifenolowa (PPO, fenolaza)

Oksydazy polifenolowe są grupą enzymów szeroko rozpowszechnionych w przyrodzie, po raz pierwszy odkrytych w pieczarkach. Znajdują się w plastydach i chloroplastach roślin, choć w postaci wolnej występują w cytoplazmie roślin starzejących się i dojrzewających. Uważa się, że oksydaza polfenolowa odgrywa ważną rolę w mechanizmie obronnym roślin przeciw chorobom wywoływanym przez bakterie i wirusy oraz przeciw niekorzystnym warunkom klimatycznym.

Oksydaza polifenolowa występuje także u zwierząt i jest uważana za związek zwiększający odporność na choroby u insektów i skorupiaków.

W obecności tlenu zawartego w powietrzu, enzym katalizuje pierwszą fazę biochemicznej przemiany związków fenolowych do chinonów, które dalej polimeryzują do nierozpuszczalnych polimerów o ciemnej barwie nazywanych melaninami.

Melaniny tworzą nieprzepuszczalną warstwę i wykazują właściwości przeciwdrobnoustrojowe, zapobiegające rozwijaniu się zakażenia w tkankach roślinnych. Wykazano, że rośliny wykazujące dużą odporność na zmiany klimatu posiadają dużą zawartość oksydazy polifenolowej, w porównaniu do roślin wrażliwych.

Na rycinie poniżej przedstawiono przykład powstawania melanin z prostego polifenolu - tyrozyny.

Struktura 3: Powstawanie melanin z tyrozyny Źródło

Oksydaza polifenolowa katalizuje dwie podstawowe reakcje: hydroksylacji i utleniania. W obu reakcjach zużywany jest tlen cząsteczkowy (z powietrza). Przebieg reakcji zależy zarówno od obecności powietrza jak i pH (kwasowości). Reakcja nie zachodzi w środowisku kwaśnym (pH<5) i zasadowym (pH>8).

Powstrzymanie brązowienia enzymatycznego

Ponieważ barwa jest ważnym wyróżnikiem jakości żywności, mającym wpływ na decyzję konsumenta, zaś barwa brązowa (szczególnie owoców) jest kojarzona z psuciem się, powstrzymanie reakcji brązowienia jest ważnym zadaniem w przetwórstwie żywności.

Istnieje kilka sposobów powstrzymywania reakcji brązowienia enzymatycznego i polegają one na inaktywacji enzymów (termicznie) lub usunięciu podstawowych reagentów z produktu (najczęściej tlenu).

Blanszowanie

Blanszowanie polega na krótkim ogrzaniu produktów przed ich zamrożeniem (głownie warzyw), w celu inaktywacji enzymów. Aktywne enzymy mogą spowodować zmianę barwy lub twardnienie warzyw w czasie zamrażania i w rezultacie pogorszenie jakości. Proces blanszowania rozjaśnia barwę i zmiękcza teksturę produktu, lecz nie powoduje zmiany wartości żywieniowej i właściwości smakowo-zapachowych, z uwagi na krótki czas działania ciepła.

Temperatura blanszowania zależy od rodzaju enzymu obecnego w produkcie i zwykle wynosi od 70 do100 °C, choć czasami jest wyższa, gdy inaktywuje się enzymy o większej odporności na działanie ciepła. W Tabeli 2 podano wskazówki dotyczące temperatury inaktywacji niektórych ważnych enzymów.

Tabela 2: Temperatura inaktywacji niektórych enzymów

Metody blanszownia:

• blanszowanie parą wodną/wrzącą wodą;

Blanszowanie parą lub wrzącą wodą stosuje się w celu powstrzymania brązowienia enzymatycznemu owoców i warzyw w konserwach i zamrażanych. Polega to na krótkim ogrzaniu warzyw lub innych produktów w wodzie lub parze wodnej. Blanszowanie w parze wodnej trwa 1,5 razy dłużej, niż w gorącej wodzie.

• blanszowanie mikrofalowe;

Jak wykazano w badaniach, blanszowanie mikrofalowe nie zawsze jest skuteczne, gdyż niektóre enzymy nie ulegają inaktywacji. Rezultatem jest tworzenie się obcych zapachów oraz zmiany tekstury i barwy produktu.

Schładzanie

Schładzanie i przechowywanie chłodnicze ma na celu zapobieganie psuciu się warzyw i owoców w czasie dystrybucji i sprzedaży detalicznej. W warunkach chłodniczych często przechowuje się brokuły, truskawki, szpinak, zielony groszek, banany, mango, awokado i pomidory. W temperaturze poniżej 7 °C następuje wstrzymanie aktywności oksydazy polifenolowej, choć enzym nie jest dezaktywowany. Z tego względu, należy dokładnie regulować temperaturę przechowywania.

Zamrażanie

Zamrażanie, podobnie jak schładzanie, inhibuje enzym lecz nie dezaktywuje go. Po rozmrożeniu, aktywność enzymatyczna wznawia się.

Zmiana pH

Aktywność enzymu zależy od pH. Obniżenie pH do 4,0 poprzez dodanie kwasu cytrynowego, askorbinowego lub innego kwasu, wstrzymuje aktywność enzymatyczną. Podczas domowego przetwarzania owoców lub warzyw, często spryskuje się je sokiem z cytryny lub octem w celu powstrzymania brązowienia.

Odwadnianie

Odwadnianie polega na usunięciu cząsteczek wody z produktu. Aktywność oksydazy polifenolowej zależy bardzo od zawartości wody. Wysuszenie produktu spowoduje inhibicję enzymu, ale nie jego zniszczenie.

W celu uniknięcia strat substancji smakowo-zapachowych i pogorszenia jakości produktu, odwadnianie nie powinno być wykonywane z użyciem energii cieplnej.

Do typowych metod odwadniania należą:

• Liofilizacja, gdzie woda jest usuwana przez sublimację (przemiana stanu stałego w gazowy). Produkty sa najpierw zamrażane, a następnie odwadniane pod obniżonym ciśnieniem.
• Obniżenie aktywności wody przez dodanie substancji wiążących wodę. Najczęściej dodaje się sól (chlorek sodu), sacharozę i inne cukry, glicerol, glikol propylenowy, oraz syropy lub miód.

Napromienianie

Napromienianie, często nazywane „zimną pasteryzacją”, polega na poddaniu żywności działaniu promieniowania jonizującego w celu zabicia bakterii i obniżenia aktywności enzymatycznej. Napromienianiu poddaje się często mięso, owoce morza, owoce, warzywa i ziarna zbóż w celu przedłużenia ich trwałości.

W przetwórstwie żywności wykorzystuje się kilka metod napromieniania, jak: promieniowanie gamma, rentgenowskie i przyspieszone elektrony (wiązka elektronów).

Do wad napromieniania zalicza się straty wartości żywieniowej oraz niską akceptację konsumencką produktów poddanych napromienieniu, przez co, metoda ta jest rzadko stosowana

Paskalizacja

Metoda obróbki żywności polegająca na poddaniu produktu działaniu wysokiego ciśnienia (50-70 MPa) w celu inaktywacji mikroorganizmów i enzymów.

Działanie wysokiego ciśnienia powoduje niewielkie zmiany w żywności. W porównaniu do obróbki cieplnej, produkty poddane paskalizacji posiadają lepszy smak, wygląd, teksturę i większą wartość żywieniową. Zastosowanie paskalizacji eliminuje obce zapachy, typowe dla produktów po obróbce cieplnej. Technika ta jest szczególnie korzystna dla produktów wrażliwych na działanie ciepła, choć jest nadal bardzo kosztowna.

Dodatek inhibitorów

Inhibicja może zachodzić na trzy sposoby:

1. Inaktywacja skierowana na enzym (bezpośrednie działanie na enzym)
2. Inaktywacja skierowana na substrat (eliminacja substratu, jak na przykład tlen lub związki fenolowe)
3. Inaktywacja skierowana na produkt (zmiana składu produktu)

W zależności od rodzaju produktu i procesu przetwarzania stosuje się różnorodne typy inhibitorów. Najważniejsze przedstawiono w tabeli 3.

Tabela 3: Inhibitory brązowienia enzymatycznego

Ultrafiltracja

Ultrafiltracja należy do technik separacji membranowej, w której siłą napędowa jest różnica ciśnień. Składniki cieczy są rozdzielane na membranie w zależności od wymiaru i kształtu. W przemyśle spożywczym technika ta jest stosowana na przykład do białego wina i soków owocowych. Za pomocą ultrafiltracji można separować duże cząsteczki jak oksydazę polifenolową, lecz nie związki o niskiej masie cząsteczkowej jak polifenole.

Działanie ultradźwiękami

Działanie ultradźwiękami jest nowoczesną metodą inaktywacji enzymów. Fala ultradźwiękowa potrafi zniszczyć duże cząsteczki, uwalniając z wody wysoko reaktywne rodniki. Obecnie metoda ta nie jest stosowana w dużej skali.

Działanie dwutlenkiem węgla wstanie nadkrytycznym (SC-CO₂)

Działanie dwutlenkiem węgla w stanie nadkrytycznym (ciekły dwutlenek węgla o dużym ciśnieniu) jest najczęściej stosowane w celu zniszczenia mikroorganizmów, ale moze być także uzyte do inaktywacji enzymów, szczególnie inaktywacji oksydazy polifenolowej w krewetkach, homarach i ziemniakach. Inaktywację enzymu powoduje obniżenie pH wywołane tworzeniem się kwasu węglowego z dwutlenku węgla.

Główne źródło: