Fødevarers holdbarhed i glastilstand

Fødevarers holdbarhed i glastilstand Fødevarer i glastilstand er ifølge glashypotesen fysisk og kemisk set særdeles holdbare. Forventningen om forøget holdbarhed bygger på antagelsen, at molekylers translationelle bevægelser hæmmes i den højviskøse glastilstand. Nu tyder nye undersøgelser på, at små molekyler har en vis bevægelighed i fødevarer i glastilstand Af Vibeke Orlien, Mogens L. Andersen, Jens Risbo og Leif H. Skibsted, Fødevarekemi, Institut for Fødevarevidenskab, KVL Fødevarer, der indeholder kulhydrater og/eller proteiner, kan ved tørring eller frysning overgå til en højviskøs glastilstand, der er en ikke-krystallinsk fast tilstandsform. Bolsjer, candyfloss, flødeis, mælkepulver og frosne deje er eksempler på fødevarer, der er i glastilstand. I figur 1 ses sukker på krystallinsk form og i glastilstand. For fødevareindustrien har det stor praktisk betydning at opnå forbedret holdbarhed for fødevarer i en sådan semistabil tilstand. Netop den ekstreme høje viskositet ( 10 13 Pa s) er baggrunden for glashypotesen [1,2]. Den fundamentale ide er, at molekylær mobilitet hæmmes i en højviskøs glastilstand, hvilket forhindrer molekyler i at indgå i kvalitetsnedbrydende kemiske reaktioner eller fysiske omdannelser. Ved Fødevarekemi på KVL, har vi, bl.a. støttet af Forskningsrådene, Fødevareministeriet og Mejeribrugets Forskningsfond, undersøgt glashypotesens gyldighed spørgsmålet er, i hvilken udstrækning kvalitetsnedbrydende reaktioner kan bremses i fødevarer i glastilstand. Figur 2. Tilstandsdiagram for tunkød, dvs. koncentrationen af det glasdannende stof i tun betegnes W. T g er glasovergangstemperaturkurven og T g er glasovergangstemperaturkurven for den maksimale frysekoncentrerede glastilstand. Frysepunktssænkningskurven T m er kun tegnet for fuldstændigheden og ikke ud fra aktuelle målinger [3]. Figur 1. Krystallinsk og glasformigt sukker. Karakterisering af glastilstande En glastilstand kan ofte etableres ved at fjerne vand fra en given fødevare ved tørring eller ved frysning. Ved tørring resulterer fjernelsen af vand gradvis i en forøgelse af viskositeten. På et tidspunkt overgår fødevaren (dvs. de glasdannende kulhydrater og proteiner) fra en blød gummilignende tilstand til en stiv glastilstand, hvorved fødevaren er bragt på en ikke-krystallinsk fast form. Glasovergangen, der betegner denne proces, karakteriseres ved glasovergangstemperaturen, T g, der bl.a. afhænger af vandindholdet. Glasdannelse kan også foregå ved frysning, hvor vandet fjernes ved udkrystallisering til en ren isfase, og restfasen dermed kan overgå til en frossen glastilstand. En optimal udfrysning af vand producerer en maksimal frysekoncentreret glastilstand med glasovergangstemperaturen T g, der ikke afhænger af det oprindelige vandindhold [3]. Langt de fleste fødevarer er heterogene multikomponentsystemer, der termodynamisk set ikke er i ligevægt, og som derfor ikke kan beskrives vha. traditionelle fasediagrammer. Men man kan i praksis beskrive indflydelsen af temperatur og vandindhold på glasmaterialers fysiske tilstand vha. tilstandsdiagrammer, der rummer en lidt upræcis blanding af termodynamisk og kinetisk information. Ved Fødevarekemi har vi brugt differentiel skanning kalorimetri (DSC) til at konstruere et tilstandsdiagram for frosset tunkød, figur 2 [3]. Indtil nu er kun meget få fødevarer karakteriseret i form af sådanne tilstandsdiagrammer. Tilstandsdiagrammet konstrueres ved at afbilde glasovergangstemperaturen som funktion af prøvens tørstofindhold T g (W), linjen for den maksimale frysekoncentrerede glastilstand T g sammen med frysepunktssænkningskurven T m (figur 2). Konstruktionen af tilstandsdiagrammer er en metode til dansk kemi, 86, nr. 4, 2005 30

Figur 3. Nitroxylradikalet 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPOL) og dets ESR-spektrum ved fri bevægelighed bestående af en triplet. at verificere dannelsen af glastilstande i komplekse fødevarer og andre systemer. Molekylær mobilitet i frosne fødevarer Glasovergangstemperaturerne T g og T g udtrykker makroskopiske egenskaber ved glastilstanden. I fødevarer er der oftest en blanding af molekyler og solutter med meget varierende størrelser lige fra makromolekyler (f.eks. proteiner og stivelse) til små uorganiske ioner (f.eks. Na + og Cl - ). Variationen i molekylstørrelser gør det vanskeligt ud fra makroskopiske kontinuumsegenskaber (glasovergang og viskositet) at karakterisere fænomener på et molekylært niveau, såsom molekylær mobilitet, og derved detaljeret undersøge glashypotesen. Elektron spin resonans-spektroskopi (ESR) kan sammen med spinprobeteknikken bruges til at opnå information om mobiliteten af molekyler i komplekse systemer. ESR-spinprobeteknikken udnytter, at de observerede anisotrope magnetiske egenskaber af uparrede elektroner i radikaler i varierende grad afhænger af radikalets bevægelighed. Til disse studier har man ofte anvendt stabile nitroxylradikaler, eksempelvis TEMPOL (figur 3), som spinprober. Ved uhindret rotationsmobilitet giver nitroxylradikaler et isotropt ESR-spektrum med tre linjer (figur 3). Teknikken er blevet brugt i studier af små molekylers mobilitet i frosset svinekød [4,5]. ESR-spektret af nitroxyl-spinproben CAT1 i frosset svinekød ændres med temperaturen (figur 4) [4]. Ved meget lav temperatur (-196 C) observeres et pulverspektrum, der indikerer at nitroxyl-spinproben er fuldstændig immobiliseret. Ved opvarmning ændres pulverspektret gradvist og ved -5 C observeres et isotropt nitroxylradikal-spektrum, der indikerer uhindret rotationsbevægelighed. Det er vist, at små organiske molekyler kan have en vis mobilitet i frosset kød, og kvalitetsnedbrydende reaktioner er derfor ikke fuldstændigt forhindrede. Andre studier af mobiliteten af spin-proben TEMPOL i frosset tunkød, frosne kulhydrat-glasser og buffersystemer har vist, at molekylers mobilitet måske ikke er fuldstændig koblet til selve glastilstanden, men i høj grad afhænger af størrelsen og typen af de molekyler, der danner glastilstanden [6]. Kemisk stabilitet af tørre fødevaresystemer Oxidation af lipider, især umættede fedtsyrer, har stor betydning for fødevarers holdbarhed. Fedtstoffers holdbarhed kan bl.a. forøges ved indkapsling i glasformige kulhydrat-proteinmatricer, hvorved oxygens tilgængelighed begrænses. Ved Fødevarekemi er oxygendiffusion i glasmatricer undersøgt som funktion af temperaturen. Diffusionen er undersøgt vha. ESRoximetri, der er baseret på nitroxyl-spinprobers oxygenfølsomme ESR-linjebredder [7]. Oxygendiffusion gennem glasmatricen steg med stigende temperatur - også for temperaturer under T g. Det betyder, at små molekyler som oxygen kan have Glastilstanden er karakteriseret ved: - ingen restriktioner på den kemiske sammensætning af det glasdannende materiale - et kinetisk frosset metastabilt fast stof, som har en amorf struktur med en viskositet, der menes at være større end 10 13 Pa s Ændringer i fysiske egenskaber ved T g : A: termodynamiske egenskaber Der observeres ændringer i termodynamiske funktioner svarende til en faseovergang af 2. orden. Ved glasovergangstemperaturen sker en drastisk stigning i varmekapacitet og ekspansionskoefficient, mens ændringer i volumen og enthalpi er gradvise, figur 1A. B: dynamiske egenskaber Ændringer i dynamiske parametre er relateret til tidsafhængige ændringer i den relative grad af elasticitet og viskositet af et viskoelastisk materiale. Ved glasovergangstemperaturen sker et fald i storage (elastik) modulus, G og loss (viskøs) modulus, G har et maksimum, figur 1B. I praksis vil materialet ved eksperimenter på en»menneskelig«tidsskala opleves som fast og stift under T g, men som en væske ved temperaturer et stykke over T g. I realiteten vil materialet forblive en væske også ved lave temperaturer, men dette kan kun påvises ved eksperimenter af astronomisk lang varighed. Figur 1A. Ændringer i termodynamiske egenskaber for en 2. ordens faseovergang fra glastilstand til en underafkølet væsketilstand. Figur 1B. Ændringer i storage modulus og loss modulus ved en glasovergang ved fastholdt frekvens eller tidsskala. 31 dansk kemi, 86, nr. 4, 2005

en vis mobilitet i tørre fødevarer i glastilstand. Forholdet mellem oxygenmobilitet og lipidoxidation i en glastilstand blev undersøgt nøjere ved at følge lipidoxidation i indkapslet rapsolie under lagring [8]. En tilsvarende tendens, nemlig at lipidoxidationshastigheden blev større med stigende temperatur under T g, blev observeret (figur 5). Ved en lignende undersøgelse af glasindkapslet rapsolie, hvor der var inkorporeret en hydrofil radikalinitiator (AAPH) i glasmatricen, blev det derimod fundet, at dette forholdsvis store molekyle faktisk var immobiliseret i glasmatricen [9]. Det blev vist ved: 1) radikaler blev dannet inde i glasmatricen, men lipidoxidationen blev ikke initieret ved den efterfølgende lagringsperiode, og 2) ESR-spektroskopi viste, at AAPH havde en meget lille mobilitet i glasmatricen. Figur 5. Udviklingen af lipidoxidation, målt som mængden af lipidhydroperoxider (POV), i rapsolie indkapslet i en glasmatrix ved lagringstemperaturerne 5, 25, 40 og 60 C [8]. Samspillet mellem fysisk og kemisk stabilitet af modermælkserstatning er undersøgt ift. glastilstanden [11]. Modermælkserstatning med en vandaktivitet på a w =0,23 og T g =53 C, blev lagret i 72 dage ved 40 C ved forskellige vandaktiviteter (a w =0,11; 0,17 og 0,31). For prøver lagret ved a w = 0,11 og 0,17 forekom Figur 4. ESR-spektre af nitroxylradikalet CAT1 i svinekød som funktion af temperaturen. Ved -196 C har ESR-spektret form som et såkaldt pulverspektrum, og ved -5 C har ESR-spektret form som et isotropisk opløsningsspektrum. Koblingskonstanten A zz bestemmes som halvdelen af afstanden mellem de to ydre resonanslinjer i pulverspektret [4]. Resultaterne indikerer, at der eksisterer en kritisk molekylstørrelse for diffusion i de anvendte glassystemer. Den ligger mellem oxygens størrelse og størrelsen af de AAPH-afledte radikaler (M w = 60 g/mol). Glasmatricens præcise sammensætning forventes at have en stor indflydelse på små molekylers mobilitet. I et omfattende studie blev stabiliteten af syrningsaktiviteten for mælkekulturer indkapslet i forskellige frysetørrede kulhydrat-glasmatricer undersøgt som funktion af forskellige lagringstemperaturer under og over T g [10]. Det blev vist, at kulhydraternes molekylvægt og indvirkning på T g havde en betydelig effekt på mælkekulturbakteriernes overlevelse. Det er dog vanskeligt at adskille de to effekter, da molekylvægt og T g hænger direkte sammen, så højere molekylvægt forventes at give en højere T g. Ikke desto mindre viste studiet, at lagring ved temperaturer over T g, hvor systemerne ikke er i glastilstand, medførte et drastisk tab af syrningsaktiviteten. Figur 6. Glasovergangstemperatur T g (A) og den relative radikalkoncentration (B) for modermælkserstatning som funktion af lagringstid og vandaktivitet [11]. AAS ICP/MS UV-VIS LC/MS GC/MS FT-IR/NIR Ny Atomabsorption? - Så er det også os! 48 16 62 00 Gydevang 17-19 3450 Allerød dansk kemi, 86, nr. 4, 2005 32

kun en svag stigning i radikaldannelsen, som blev målt ved ESR-spektroskopi (figur 6). Glastilstanden var stabil under disse betingelser, hvilket blev målt som en lille stigning i T g. Det kan hovedsageligt forklares som følge af tørringen fra a w =0,23 til a w =0,11 og 0,17 (figur 6). Derimod observeredes en kraftig stigning i radikaldannelsen efter 17 dages lagring ved a w =0,31, sammenfaldende med nedbrydning af glastilstanden pga. laktosekrystallisation. Når glastilstanden nedbrydes, har oxygen fri tilgang til det indkapslede fedt, som derved ikke er beskyttet mod oxidation, og oxidationsprocesser kan derved forløbe væsentligt hurtigere. Glastilstandens indflydelse på holdbarhed En glastilstand forøger fødevarers holdbarhed. Men kemiske processer er ikke fuldstændigt forhindrede, da små molekyler (bl.a. oxygen) har en vis mobilitet i glas af kulhydrater og proteiner. Forståelse af molekylær mobilitet, diffusionsprocessers kinetik og kemiske reaktionshastigheder i relation til glastilstanden og T g giver lovende resultater, men der er behov for mere forskning. Mennesket kan således på fremtidige rumrejser med fordel medbringe probiotiske bakteriekulturer i glastilstand, ligesom følsomme fødevarer til Marsekspeditioner kan gøres langtidsholdbare i glastilstanden. E-mail-adresser Vibeke Orlien: vor@kvl.dk Mogens L. Andersen: mola@kvl.dk Jens Risbo: jri@kvl.dk Leif H. Skibsted: ls@kvl.dk FØDEVAREKEMI Referencer: 1. Orlien, V. The glass transition hypothesis. Significance on chemical stability in food systems. PhD thesis. The Royal Veterinary and Agricultural University (2003). 2. Le Meste, M., Champion, D., Roudaut, G., Blond, G. og Simatos, D. Glass Transition and Food Technology: A Critical Appraisal. J. Food Sci. 67(7) (2002) 2444-2458. 3. Orlien, V., Risbo, J., Andersen, M.L. og Skibsted, L.H. The Question of High- or Low-Temperature Glass Transition in Frozen fish. Construction of the Supplemented State Diagram for Tuna Muscle by Differential Scanning Calorimetry. J. Agric. Food Chem. 51 (2003) 211-217. 4. Hansen, E., Andersen, M.L. og Skibsted, L.H. Mobility of solutes in frozen pork studied by electron spin resonance spectroscopy: Evidence for two phase transition temperatures. Meat Sci. 63 (2003) 63-67. 5. Hansen, E., Lauridsen, L., Skibsted, L.H., Moawad, R.K. og Andersen, M.L. Oxidative stability of frozen pork patties: Effect of fluctuating temperature on lipid oxidation. Meat Sci. 68 (2004) 185-191. 6. Orlien, V., Andersen, M.L., Jouhtimäki, S., Risbo, J. og Skibsted, L.H. Effect of Temperature and Glassy States on the Molecular Mobility of Solutes in frozen Tuna Muscle as studied by Electron Spin Resonance Spectroscopy with Spin Probe Detection. J. Agric. Food Chem. 52 (8) (2004) 2269-2276. 7. Andersen, A.B., Risbo, J., Andersen, M.L. og Skibsted, L.H. Oxygen permeation through an oil-encapsulating glassy food matrix studied by ESR line broadening using a nitroxyl spin probe. Food Chem. 70 (2000) 499-508. 8. Orlien, V., Risbo, J., Rantanen, H. og Skibsted, L.H. Temperature dependence of rate of oxidation of rapeseed oil encapsulated in a glassy food matrix. Food Chem. (2005) In press. 9. Orlien, V., Andersen, A.B., Sinkko, T. og Skibsted, L.H. Hydroperoxide formation in rapeseed oil encapsulated in a glassy food model as influenced by hydrophilic and lipophilic radicals. Food Chem. 68 (2000) 191-199. 10. Andersen, A.B., Fog-Petersen, M.S., Larsen, H. og Skibsted, L.H. Storage Stability of Freeze-dried Starter Cultures (Streptococcus thermophilus) as Related to Physical state of Freezing Matrix. Lebensm.-Wiss. u.-technol. 32 (1999), 540-547. 11. Thomsen, M.K., Knudsen, J.C., Risbo, J. og Skibsted, L.H. Effect of lactose crystallisation on the oxidative stability of infant formula. Milchwissenschaft 58 (7/8) (2003), 406-409. Specialister i - Automatiseret Fastfaseoprensning Gilson ASPEC XL, ASPEC XLi, ASPEC XL4. - Automatisering af væskehåndtering. - HPLC, LC, SFC kromatografi. - ERWEKA Dissolution systemer. - Avancerede systemer til tabletkontrol. - Salg og kalibrering af Gilson pipetter. Biolab A/S Sindalsvej 29 DK-8240 Risskov Telefon 8621 2866 Telefax 8621 2301 E-mail: sales@biolab.dk 33 dansk kemi, 86, nr. 4, 2005