Bevezetés a kémiai reakciókba (az élelmiszerekben)

Miért változik a vörös káposzta kékre, lilára vagy rózsaszínre a különböző folyadékokban? Miért válik barnává a steak melegítéskor? Miért lehet sütőben sütni muffint? Miért égeti magasabb hőmérsékletű kemence a sárgarépáját könnyebben? Mindez kémiai reakciókkal magyarázható. A kémiai reakciók az élelmiszer-kémia középpontjában állnak, és felhasználhatók az étel sok érdekes jelenségének magyarázatára.

Ebben a bejegyzésben bemutatjuk a kémiai reakciók fogalmát, megvitatjuk az alapokat és az elméletre koncentrálunk. Ezt tesszük ezekben az élelmiszer-kémiai alapismeretek sorozatban. A blogon aztán rengeteg cikket talál, amelyek alkalmazzák ezeket az ismereteket!

Mik a kémiai reakciók?

Kémiai reakciók során a molekulák reagálnak egymással. Ennek eredményeként egyes molekulák eltűnnek, mások pedig kialakulnak. Egy kémiai reakció során ugyanazok a be- és a kimenő atomok lesznek, azonban új struktúrákba rendeződnek. (Ha az atomok és molekulák fogalma nem ismerős számodra, először nézd meg ezt az atomokkal és molekulákkal kapcsolatos bejegyzést!).

Az élelmiszer-vegyészek sok ilyen kémiai reakciót vizsgálnak. Megvizsgálják a be- és a kimenő molekulák szerkezetét, valamint megpróbálják kitalálni, mi történik pontosan egy ilyen reakció során. A kémiai reakciók bizonyos mintákat követnek. Egyes atomcsoportok nagyon reaktívak, míg mások nem, és ez segít a vegyészeknek a kémiai reakciók megjóslásában és magyarázatában.

A kémiai reakciók nagyon bonyolultak lehetnek, de nagyon egyszerű szavakkal egyszerűen egymásba ugráló molekulákról van szó. Az egymásba ugrálás arra készteti őket, hogy megosszák/eldobják/felszabadítsák az atomokat, új molekulákat képezve!

Kémiai reakció leírása

Amint azt korábban megbeszéltük, a molekulák több, egymással összekapcsolt atomból állnak. Kémiai képletek segítségével a vegyészek könnyen leírhatnak egy molekulát. Kémiai képletben az atomok száma és típusa van ábrázolva.

Ezeket a kémiai képleteket ismét felhasználjuk a kémiai reakció szemléltetésére. A kémiai reakció bemutatása érdekében a vegyészek először felírják a molekulák összes kémiai képletét, amelyek ott vannak az elején. Ezután rajzolnak egy nyíl (ami egy lejátszódó reakciót képvisel), és a nyíl jobb oldalára felírják az összes molekulát, amely egy kémiai reakció során keletkezik.

Azok a molekulák, amelyek a kezdetnél és a végén vannak (és így nem reagálnak), nem szerepelnek ebben a képletben.

Az alábbiakban talál egy példát egy ilyen reakcióra:

Az egyik bal oldalon 6 szén-dioxid (CO2) és 6 víz (H2O) molekula látható. Ezek reagálva 1 molekula glükózt (C6H12O6) és 6 molekulát oxigént (O2) alkotnak. Ez a reakció a fotoszintézist jelenti, egy összetett folyamatot, amely a növényekben napfény hatására megy végbe. A növények vízből és szén-dioxidból készítenek „energiát” (glükózt).

Kémiai reakcióban fontos megjegyezni, hogy a nyíl bal oldalán lévő atomok száma megegyezik a jobb oldali atomok számával. A fenti egyenletben láthatja, hogy bal oldalon 6, jobb oldalon 6 szénatom van, a hidrogén (H) és az oxigén (O) atomok száma is változatlan (12 és 18).

Kémiai reakciók és energia - exoterm és endoterm

A kémiai reakciók mindenféle kategóriába sorolhatók. Az egyik csoportosítás módja az exoterm és az endoterm. Ezek a kifejezések arra utalnak, hogy a reakció nettó energiája pozitív vagy negatív. Más szóval, sok energiát kell-e adnia (pl. Hő vagy keverés), vagy felszabadul-e a reakció során energia (pl. Tűz hője).

Az ételekben elég sok reakció endoterm, ami azt jelenti, hogy több energiát kell beleadni, amely a reakció során felszabadul. Példaként említhetjük a sütemény sütését. A reakció folytatásához tovább kell melegítenie a süteményt.

Az exoterm és az endoterm nagyon fontos kifejezés a vegyészek számára. Az élelmiszer-kémia területén nem nagyon használjuk őket, de jó, hogy ismeri a koncepciót. Vessen egy pillantást az alábbi videóra, ha többet szeretne megtudni, remek példákat fog megadni!

Kémiai reakciók indítása - aktiválási energia

Annak ellenére, hogy egyes kémiai reakciók energiát bocsátanak ki a reakció során (exoterm reakciók), a legtöbb reakció nem azonnal vagy spontán indul meg. Gyakran le kell győzni az úgynevezett aktivációs energiát. A molekuláknak némi extra energiát kell adnod, csak hogy elindítsd a reakciót. Ezt például úgy tehetjük meg, hogy a molekulák keverékét egy bizonyos hőmérsékletre hozzuk. A reakció során azonban az energia (hő) ismét szabaddá válhat.

Különböző módon lehet csökkenteni egy kémiai reakció aktivációs energiáját. Az egyik módszer a katalizátor használata. A katalizátor olyan komponens, amely képes csökkenteni az aktiválási energiát, ezáltal elősegítve a reakciót, de nem vesz részt magában a reakcióban. Az élelmiszeripari enzimek nagyon gyakori katalizátorok.

A kémiai reakció iránya - egyensúlyok

A fenti kémiai reakcióra vonatkozó példámban csak egy nyíl látható, jobb felé mutat. Ez azt jelenti, hogy a reakció csak balról jobbra halad. Azonban sok esetben a kémiai reakciók egyensúlyt jelentenek. Ez azt jelenti, hogy a kémiai reakció balról jobbra és fordítva mehet.

Az egyensúlyi reakció nagyon gyakori példája a sav/bázis reakció (lásd alább). A sav (AH) savként (AH) lehet jelen, de ha ilyen a helyzet, elveszítheti protonját (H +), és kettéválhat. Megteheti ezt újra, de aztán visszafelé.

A reakció lejátszódásának módja különféle tényezőktől függ. A fent említett példában szerepet játszhat például a különböző komponensek koncentrációja.

Találtam egy nagyon kedves YouTube videót (a TED Ed csatornától), amely egyszerű szavakkal magyarázza ezt a jelenséget, érdemes megnézni:

A kémiai reakció sebessége - kinetika

Mielőtt ismereteinket alkalmaznánk az ételekben előforduló reakciókra, még egy témát kell érintenünk: a reakció sebességét. A reakció sebességét sok paraméter befolyásolhatja. Mondok néhány példát:

Hőmérséklet: szinte minden reakciósebesség magasabb magasabb hőmérsékleten. Magasabb hőmérsékleten a molekulák többet mozognak. Emiatt gyakrabban ugrálnak, és így többet reagálnak. Ételben: gondoljon a méhsejtre.
Molekulák koncentrációja: nem minden reakciósebesség függ a molekulák koncentrációjától, de nagyon sok. Ezekben az esetekben minél több molekula van jelen egy bizonyos térfogatban, annál gyorsabban megy végbe a reakció. Mivel több molekula van, sokkal valószínűbb, hogy egy másikba ugrálnak.
Nyomás: nagyobb nyomás kevesebb helyet jelent a molekulák számára, ezáltal nagyobb reakciósebesség. Ismét gyakrabban fognak ugrálni egymás ellen. A főzésnél: gondoljon a gyorsfőzőre!

Valamennyi, az imént tárgyalt témához valószínűleg írhattunk volna könyvet. Valójában ezekről a témákról könyveket írtak! Csak az alapokról szóltunk itt, remélve, hogy ez alapvető megértést nyújt Önnek, amelyet felhasználhat a következő szakaszban.

További irodalom

A blog minden táján találhatók példák a kémiai reakciók alkalmazására, például a kovászok, a Maillard-reakció vagy a narancs- és vöröskáposzta színének megvitatásakor.