© Bo Furugren 2015

Kemi i maten Föreläsning för kursen Experimentell

kemi i Gävle 9-14 augusti 2015

© Bo Furugren 2015

Tecknare och livsmedelskemist

© Bo Furugren 2015

Kemi, matematik, antropologi, konsthistoria i Uppsala. Konsthögskolan Stockholm. Forskarutbildning, SLU Ultuna. Informationschef Riksmuseet. Illustratör, läromedelsförfattare Undervisning: allmän kemi UU, kemi SLU, kostekonom- och dietistprogrammen UU, Restauranghögskolan, Grythyttan, livsmedelsteknisk högskole-utbildning, fristående kurser om drycker LTH. Senaste tjänst: Lektor i livsmedelskemi på LTH, Lund.

© Bo Furugren 2015

Kemi i maten följer samma lagar och principer som annan kemi

Vad är speciellt?

• Sällan rena ämnen

• Ofta blandning av en mångfald ämnen

• Ofta fler än en fas

• Heterogena blandningar (emulsioner, skum, suspensioner, geler)

• De flesta livsmedel är biologisk vävnad

© Bo Furugren 2015

Viktiga parametrar och egenskaper

• pH

• Laddning

• Laddningens beroende av pH

• Hydrofil – hydrofob (polär – opolär)

• Temperatur

• Egenskaper hos polymerer

© Bo Furugren 2015

© Bo Furugren 2015

I mjölkfett finns fler än 400 olika fettsyror. Det innebär att antal olika triacylglyceroler (fettmolekyler) kan vara flera tusen. Hittills är 200 identifierade. Konsekvens: smör har ingen smältpunkt.

Mångfald, exempel smör

karboxyl-ände

metyl-ände

fettsyra

triacylglycerol

flytande fett med fettkristaller

rester av fettkulor

vattenfas

C18:1,n-9

C18:0

C14:0

Några vanliga triacylglyceroler i mjölkfett

4:0,16:0,16:0 6:0,14:0,18:1

© Bo Furugren 2015

6:0,16:0,18:2

Mångfald

Smör och andra matfetter har ingen smältpunkt

© Bo Furugren 2015

temperatur (°C)

andel fast fas (%)

kakaosmör

smör

Mångfald

Kristallpolymorfi

• Fetter har ingen smältpunkt – i stället ett smältintervall.

• Smältintervallet är inte detsamma som stelningsintervallet. Fetter stelnar vid lägre temperaturer än dem som de smälter vid.

• Det beror på att den kristallfas som smälter inte är densamma som bildas vid stelning.

• Smör har 5 kristallfaser: a, sub-a, b’1, b’2, b.

• Kakaosmör har dessutom två b-faser.

© Bo Furugren 2015

Mångfald

© Bo Furugren 2015

H3N–C–C

H

R +

O –

O

+ _

C

N C

C C

C

C

C

N

N

C

N +

_

svavelbrygga

karboxylände

Ca2+

aminoände 1

123

aminosyra

tetrapeptid

a-kol

a-kol

Ca2+

123

1

a-helix

a-helix

a-laktalbumin, ett av vassleproteinerna i mjölk

b-struktur

Laddning

Nettoladdning och pH

© Bo Furugren 2015

40

30

20

10

0

–10

–20

–30

–40

50

60

70

80

6 3 4 2 5 11 8 9 7 10

90

Pro

tein

ets

net

tola

dd

nin

g

pH

ovotransferrin

ovalbumin

isoelektrisk punkt

för de två vanligaste proteinerna i äggvita

denaturerar vid ca 60 °C

denaturerar lätt vid fasgräns mot luft

Laddning och pH

Ovotransferrin, 12 %, Mw 76000. Skiss.

Laddning och pH

plusladdning minusladdning

86 89

Ovalbumin, 53-55 %, Mw 45000

Äggviteprotein

© Bo Furugren 2015

Generellt och förenklat

© Bo Furugren 2015

pH

0 7 14

positiv nettoladdning

negativ nettoladdning

nettoladdning noll

Isoelektrisk punkt

COOH

NH3+

COOH

COOH

COOH

COO–

COO–

NH2

NH2 NH2

COO–

NH3+

COO–

COOH

COO–

COO–

NH3+

NH3+

NH3+

NH3+

COO–

Laddning och pH

Mjölkproteiner

• Det finns två proteinfraktioner i mjölk: vassleproteiner och kaseiner.

• De två dominerande vassleproteinerna i komjölk är a-laktalbumin och b-laktoglobulin.

• Det finns fyra sorters kaseiner: as1-, as2-, b- och k-kasein.

• Kaseinerna är associerade till varandra i miceller av varierande storlek, mellan 50 och 500 nm i diameter.

© Bo Furugren 2015

Ca2+

123

1

a-helix

a-helix

Kaseinmicellmodell

© Bo Furugren 2015

a-laktalbumin i ungefär

samma skala som

kaseinmicellen

k-kasein

fri b-kaseinmolekyl i jämvikt med micellen

kalciumfosfatkluster symbol för

k-kasein

kaseinmicellens isoelektrisk punkt är ca 4,5

En medelmicell har diametern 120 nm och innehåller ca 10000 monomerer

k-kasein – det röda är en starkt polär del

Utfällning av kasein med syra

© Bo Furugren 2015

vid mjölkens pH är kaseinmicellerna (pI = 4,5) minusladdade och

repellerar varandra

vid pH-sänkning mot isoelektriska punkten aggregerar micellerna och faller ut som en gel - ostmassa

Laddning och pH

Utfällning med löpeenzym

© Bo Furugren 2015

modell – 3D-strukturen är inte känd

enzymet arbetar

mjölkfett

k-kasein

kymosin

Hydrofil - hydrofob

b-Laktoglobulin

© Bo Furugren 2015

monomer monomer

dimer

oktamer

denaturerad monomer

3 4 5 6 7 8 9

Kokning av mjölk ger koksmak av lågmolekylär tiol

pH

© Bo Furugren 2015

Denaturering i värme

a-laktalbumin

smält globulärt tillstånd

polypeptidkedjan helt utvecklad

Denaturering: 3D-strukturen förstörs. Koagulering: Proteinkedjor aggregerar till koagel eller gel.

Temperatur

Emulsionssås med äggula

© Bo Furugren 2014

ägguleprotein

uppvärmning och omrörning/vispning

proteinkedjan vecklar ut sig proteinet denaturerar

äggula, någon syra, kryddning, smör

Heterogen blandning

Denaturerade proteiner bildar gel

© Bo Furugren 2014

en gel bildas när stora molekyler bildar ett tredimensionellt nätverk som binder vatten

syra underlättar

vatten

Heterogen blandning

© Bo Furugren 2014

fosfolipid

flytande smör

denaturerat protein

Smält eller mjukat smör vispas i

Heterogen blandning

Det bildas en olja-i-vattenemulsion. Oljefasen är flytande smör, vattenfasen är en proteingel. Denaturerat protein är emulsionsmedel.

vattenfas

vattenfas

vattenfas

Ingredienser i en glass

© Bo Furugren 2015

Mångfald - exempel polysackarider

fruktkärnmjöl guarkärnmjöl karragenan

polysackarider, hydrokolloider livsmedelstillsatser konsistens, stabilitet

Hydrokolloider

• Fruktkärnmjöl (johannesbrödkärnmjöl, guarkärnmjöl)

• Algpolysackarider (karragenaner, alginater)

• Pektinämnen

• Växtgummin (dragant, gummi arabicum)

• Bakteriepolysackarider (xantan)

• Modifierad cellulosa (karboximetylcellulosa)

• Modifierad stärkelse

Alla utom stärkelse är kostfiber

© Bo Furugren 2015

Mångfald

Guaran från guarböna

© Bo Furugren 2015

b-mannos

b-mannos

a-galaktos

Guarkärnmjöl (E412) är billigt och löser sig lätt i kallt vatten under gelbildning. Polysackariden heter guaran och är en galaktomannan, en b-1,4-länkad mannan med a-1,6-länkad galaktos i förgreningspunkter. Guaran är en s.k. hemicellulosa.

Mångfald

Karragenaner från rödalger

© Bo Furugren 2015

3,6-anhydro-a-D-galaktos 3,6-anhydro-a-galaktos

a-galaktos-6-sulfat

b-galaktos-4-sulfat

Karragenanerna är linjära (ogrenade), minusladdade galaktaner med esterbundna sulfatgrupper. Karragenaner används som gelbildare, stabiliserings- och förtjocknings-medel. De framställs ur olika släkten rödalger. Benämningen kommer från den irländska hamnstaden Carragheen.

k-karragenan m-karragenan

Mångfald

Växtcellvägg hemicellulosa pektin cellulosamikrofibrill

cellu

losa

mo

lekyle

r

membranlipider membranprotein © Bo Furugren 2015

Skikt med cellulosamolekyler

Mångfald

Polysackarider som finns naturligt i maten

• Stärkelse amylos, amylopektin

• Fiberpolysackarider cellulosa, hemicellulosor, pektiner, fruktaner

Amylos och amylopektin är a-glukaner Cellulosa är en b-glukan Hemicellulosor kan vara b-glukaner, mannaner, xylaner, galaktaner mm.

Pektiner, dominerande monomer är galakturonsyra. Pektiner är därför minusladdade.

© Bo Furugren 2015

Mångfald

a-glukos b-glukos

Stärkelse finns i korn

© Bo Furugren 2015

stärkelskorn

7–10 nm

högkristallint skikt ca 100–400 nm tjockt

amorft

kristallint

amorft skikt

amorft skikt

potatis

vete

plastid

© Bo Furugren 2015

Amylos är praktiskt taget linjär (ogrenad)

Amylopektin är grenad och mycket stor. Ofta fler än en miljon glukos-enheter

modell av dubbelhelix i amylopektin

Stärkelse sväller i värme och vatten

© Bo Furugren 2015

60 100

Temperatur (C)

Viskositet (relativ skala)

kornen sväller, konsistensen tjocknar

gelatinering

kornen faller sönder

< 60 °C

60–70 °C

70–80 °C

80–85 °C

> 85 °C

Överskott av vatten

Underskott av vatten som i en vetemjölsdeg

Temperatur gelbildning

© Bo Furugren 2015

Skum, gelbildning

svavelbrygga gluten

Vetemjölsdeg

skumlamell

Vetebröd åldras - staling • Åldringsprocesserna i ett färdigbakat bröd börjar när

temperaturen sjunker under 60 °C.

• Åldrandet sker med stigande hastighet ned till 4–6 °C. Därför ska man inte lagra bröd i kylskåp.

• I munnen känns brödet mindre färskt och torrare. Inkråmet blir hårdare och smuligare.

• Orsakerna är flera, en viktig orsak är stärkelsens retrogradering, vilket innebär att amylopektin kristalliserar.

• Vatten omfördelas.

© Bo Furugren 2015

© Bo Furugren 2015

Brödets klagovisa I am staling, I am staling certain changes’ beeing made redistribusion of the water and the starch will retrograde Freshness’ fading, freshness’ fading the dryness feeling will proceed blame the starch that’s loosing water very sorry, yes indeed

Växter är kemiska fabriker • När man intar frukt eller grönsaker får man i

sig en hel arsenal av kemiska ämnen. En del nyttiga, en del mindre nyttiga.

• Därför ska man variera grönsaker.

• Frukter som äts av djur – för att fröna ska spridas – kan anses säkra.

• Om vegetabilien inte är värmebehandlad, äter man en levande vävnad. En morot, t.ex. dör när den äts upp eller kokas.

© Bo Furugren 2015

Mångfald, biologisk vävnad

Kött är muskelvävnad

© Bo Furugren 2015

Biologisk vävnad

muskelcell, muskelfiber

muskel

Sarkomeren är muskelns kontraktila enhet

© Bo Furugren 2015

Z-linje Z-linje M-linje tunt filament tjockt filament

sarkomer

förkortad sarkomer

Biologisk vävnad

Tjocka filamentet är en polymer av myosin. Tunna filamentet är en polymer av aktin med ytterligare proteiner bundna till sig.

© Bo Furugren 2015

Efter slakt sjunker muskelns pH

Köttets vattenbindnings-förmåga beror av pH

Tid (i timmar) post mortem

PSE (ljus)

normal

DFD (mörk)

7,0

6,5

6,0

5,5

5,0

0 1 2 3 4 5 6 23 24

pH

vattenbindningsförmåga (relativ skala)

5,0 4,5

kött som innehåller 2 % NaCl

färskt kött

köttets pH 5,5 6,0 4,0

pH och laddning

© Bo Furugren 2015

temperatur (C)

skärmotstånd

svinn

förkortning och svinn i %

skärmotstånd i relativ skala

sarkomer-förkortning

0

20

40

60

40 60 80 100

Tillagning

Denaturering. Globulära proteiner vecklar ut sig, fiberproteiner krymper

Temperatur

Blodig biff finns inte

© Bo Furugren 2015

Biologisk vävnad och mångfald

myoglobin stekyta – brun och aromatisk p.g.a. maillardreaktion

brunt skikt innanför stekytan – metmyoglobin, oxiderat myoglobin

Maillardreaktioner sker mellan aminer och aldehyder och ger upphov till en mångfald produkter: från bruna polymerer (melaniner) till aromämnen, stekmutagener och andra lågmolekylära ämnen

© Bo Furugren 2015

Blodig biff och Bloody Mary Blodig biff och Bloody Mary Blod i namnen men inget blod Blodig syftar på röda färgen Å det tror jag att ni förstod Det röda är i biffen proteinet myoglobin Och det röda i Bloody Mary är tomatfärgen lykopen.