Kemi i maten
Föreläsning för kursen Experimentell
kemi i Gävle 9-14 augusti 2015
© Bo Furugren 2015
© Bo Furugren 2015
Tecknare och
livsmedelskemist
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 högskoleutbildning, fristående kurser om
drycker LTH. Senaste tjänst: Lektor
i livsmedelskemi på LTH, Lund.
© Bo Furugren 2015
© 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
rester av
fettkulor
Mångfald,
exempel smör
vattenfas
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.
karboxylände
metylände
fettsyra
C18:1,n-9
C14:0
triacylglycerol
C18:0
© Bo Furugren 2015
flytande fett med
fettkristaller
Mångfald
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
andel fast fas (%)
kakaosmör
smör
temperatur (°C)
© Bo Furugren 2015
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
R
O
H
O
+
H3N–C–C
–
Laddning
svavelbrygga
a-helix
a-kol
a-helix
b-struktur
Ca2+
Ca2+
_
+
123
a-laktalbumin, ett av
vassleproteinerna i mjölk
karboxylände
1
1
aminoände
aminosyra
_
C
a-kol
+
N
N
C
C
C
N
C
C
N
C
C
tetrapeptid
© Bo Furugren 2015
123
Laddning och pH
90
Nettoladdning och pH
80
för de två vanligaste proteinerna i
äggvita
70
Proteinets nettoladdning
60
50
40
ovotransferrin
30
denaturerar lätt vid
fasgräns mot luft
20
10
0
isoelektrisk punkt
–10
ovalbumin
–20
denaturerar vid ca 60 °C
–30
–40
2
3
4
5
6
7
pH
© Bo Furugren 2015
8
9
10
11
Laddning och pH
Äggviteprotein
Ovotransferrin, 12 %,
Mw 76000. Skiss.
Ovalbumin,
53-55 %,
Mw 45000
© Bo Furugren 2015
86 plusladdning
89 minusladdning
Laddning och pH
Generellt och förenklat
0
7
1
4
Isoelektrisk punkt
COOH
NH3+
COO–
NH3+
COO–
COO–
NH2
COOH
NH2
COOH
COOH
NH3+
NH3+
NH2
COO–
NH3+
COO–
COO–
NH3+
COOH
positiv nettoladdning
COO–
nettoladdning noll
© Bo Furugren 2015
negativ nettoladdning
pH
Mjölkproteiner
a-helix
a-helix
• 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.
Ca2+
1
© Bo Furugren 2015
123
En medelmicell har
diametern 120 nm och
innehåller ca 10000
symbol för
monomerer
k-kasein
Kaseinmicellmodell
kalciumfosfatkluster
k-kasein – det röda
är en starkt polär del
kaseinmicellens
isoelektrisk
punkt är ca 4,5
k-kasein
fri b-kaseinmolekyl i
jämvikt med micellen
a-laktalbumin i ungefär
samma skala som
kaseinmicellen
© Bo Furugren 2015
Laddning och pH
Utfällning av kasein med syra
vid pH-sänkning mot
isoelektriska punkten aggregerar
micellerna och faller ut som en
gel - ostmassa
vid mjölkens pH är kaseinmicellerna
(pI = 4,5) minusladdade och
repellerar varandra
© Bo Furugren 2015
Hydrofil - hydrofob
Utfällning med löpeenzym
enzymet
arbetar
kymosin
mjölkfett
k-kasein
modell – 3Dstrukturen är inte känd
© Bo Furugren 2015
pH
b-Laktoglobulin
Kokning av mjölk
ger koksmak av
lågmolekylär tiol
denaturerad
monomer
dimer
monomer
monomer
oktamer
3
4
5
6
7
8
© Bo Furugren 2015
9
Temperatur
Denaturering i
värme
a-laktalbumin
smält globulärt
tillstånd
Denaturering:
3D-strukturen
förstörs.
Koagulering:
Proteinkedjor
aggregerar till
koagel eller gel.
polypeptidkedjan
helt utvecklad
© Bo Furugren 2015
Heterogen blandning
Emulsionssås med äggula
äggula, någon syra, kryddning, smör
ägguleprotein
proteinet denaturerar
uppvärmning och
omrörning/vispning
© Bo Furugren 2014
proteinkedjan
vecklar ut sig
Heterogen blandning
Denaturerade proteiner bildar gel
en gel bildas när stora molekyler
bildar ett tredimensionellt
nätverk som binder vatten
vatten
syra underlättar
© Bo Furugren 2014
Heterogen blandning
Smält eller mjukat smör vispas i
Det bildas en olja-i-vattenemulsion. Oljefasen är flytande smör,
vattenfasen är en proteingel. Denaturerat protein är emulsionsmedel.
vattenfas
denaturerat
protein
vattenfas
vattenfas
flytande smör
fosfolipid
© Bo Furugren 2014
Mångfald - exempel polysackarider
Ingredienser i en glass
fruktkärnmjöl
guarkärnmjöl
karragenan
polysackarider, hydrokolloider
livsmedelstillsatser
konsistens, stabilitet
© Bo Furugren 2015
Mångfald
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
a-galaktos
b-mannos
b-mannos
Guarkärnmjöl (E412) är billigt och löser sig lätt i
kallt vatten under gelbildning. Polysackariden
heter guaran och är en galaktomannan, en b-1,4länkad mannan med a-1,6-länkad galaktos i
förgreningspunkter.
Guaran är en s.k. hemicellulosa.
© Bo Furugren 2015
Mångfald
Karragenaner från rödalger
k-karragenan
3,6-anhydro-a-galaktos
3,6-anhydro-aD-galaktos
m-karragenan
a-galaktos-6-sulfat
b-galaktos-4-sulfat
Karragenanerna är linjära (ogrenade), minusladdade
galaktaner med esterbundna sulfatgrupper. Karragenaner
används som gelbildare, stabiliserings- och förtjockningsmedel. De framställs ur olika släkten rödalger.
Benämningen kommer från den irländska hamnstaden
Carragheen.
© Bo Furugren 2015
Mångfald
pektin
cellulosamikrofibrill
Växtcellvägg
cellulosamolekyler
hemicellulosa
Skikt med cellulosamolekyler
membranlipider
membranprotein
© Bo Furugren 2015
Mångfald
Polysackarider som finns naturligt i maten
• Stärkelse
amylos, amylopektin
b-glukos
a-glukos
• 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
stärkelskorn
Stärkelse finns i korn
plastid
amorft skikt
potatis
7–10 nm
högkristallint
skikt ca 100–
400 nm tjockt
amorft
kristallint
vete
amorft skikt
© Bo Furugren 2015
Amylopektin
är grenad och
mycket stor.
Ofta fler än en
miljon glukosenheter
Amylos är
praktiskt
taget linjär
(ogrenad)
modell av
dubbelhelix i
amylopektin
© Bo Furugren 2015
Temperatur
gelbildning
Viskositet
(relativ skala)
kornen faller
sönder
kornen sväller,
konsistensen
tjocknar
Stärkelse sväller i
värme och vatten
gelatinering
Överskott av vatten
60
80–85 °C
100
Temperatur (C)
60–70 °C
< 60 °C
Underskott av vatten
som i en vetemjölsdeg
70–80 °C
> 85 °C
© Bo Furugren 2015
Skum, gelbildning
Vetemjölsdeg
skumlamell
gluten
svavelbrygga
© Bo Furugren 2015
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
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
© Bo Furugren 2015
Mångfald, biologisk vävnad
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
Biologisk vävnad
Kött är muskelvävnad
muskel
muskelcell,
muskelfiber
© Bo Furugren 2015
Biologisk vävnad
Sarkomeren är muskelns kontraktila enhet
Z-linje
tunt filament
M-linje
tjockt filament
Z-linje
sarkomer
förkortad sarkomer
Tjocka filamentet är en polymer av myosin.
Tunna filamentet är en polymer av aktin
med ytterligare proteiner bundna till sig.
© Bo Furugren 2015
pH och laddning
7,0
pH
DFD (mörk)
6,5
Efter slakt
sjunker
muskelns pH
6,0
normal
5,5
PSE (ljus)
5,0
0
1
2
3
4
vattenbindningsförmåga
(relativ skala)
5
6
23
24
Tid (i timmar)
post mortem
kött som innehåller
2 % NaCl
Köttets
vattenbindningsförmåga beror av
pH
färskt kött
köttets pH
4,0
4,5
© Bo Furugren 2015
5,0
5,5
6,0
Temperatur
Tillagning
förkortning och
svinn i %
skärmotstånd i 60
relativ skala
Denaturering.
Globulära proteiner
vecklar ut sig,
fiberproteiner
krymper
skärmotstånd
40
sarkomerförkortning
20
svinn
0
temperatur (C)
40
60
© Bo Furugren 2015
80
100
Biologisk vävnad och mångfald
Blodig biff finns inte
stekyta – brun och aromatisk
p.g.a. maillardreaktion
myoglobin
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.
© Bo Furugren 2015