Karmelizacja

Karmelizacja jednym z najważniejszych procesów brązowienia żywności, do których należą także reakcje Maillarda i brązowienie enzymatyczne. Karmelizacja nadaje pożądaną barwę i zapach produktom piekarskim, ziarnu kawy, napojom, piwu i orzeszkom ziemnym. Przykładami niepożądanych skutków karmelizacji są zapach spalonego cukru i czarna barwa.

Karmelizacja powoduje istotne zmiany w żywności, nie tylko barwy ale także zapachu. Ponieważ w procesie karmelizacji nie uczestniczą enzymy, należy ona do reakcji brązowienia nieenzymatycznego.

Karmelizacja zachodzi w czasie suchego ogrzewania lub prażenia żywności zawierającej duże stężenie węglowodanów (cukrów).

W uproszczeniu, karmelizacja polega na oderwaniu cząsteczek wody z cukru (jak sacharoza lub glukoza) i następujących po tym procesów izomeryzacji i polimeryzacji. W rzeczywistości, proces karmelizacji jest szeregiem reakcji chemicznych, które wciąż nie są dostatecznie poznane.

Proces karmelizacji rozpoczyna się, gdy cukier stopi się w wysokiej temperaturze i zaczyna się pienić (wrzenie). Na tym etapie sacharoza rozkłada się do glukozy i fruktozy. Następnie zachodzi proces kondensacji, w którym poszczególne cukry tracą cząsteczki wody i wzajemnie ze sobą reagują tworząc na przykład bezwodnik fruktozy. W kolejnej fazie następuje izomeryzacja aldoz do ketoz i dalsze odwadnianie. W końcu, zachodzi szereg reakcji zarówno rozkładu (powstawanie związków zapachowych) jak i polimeryzacji (powstawanie barwy).

Karmelizacja rozpoczyna się w znacznie wyższej temperaturze, w porównaniu do innych reakcji brązowienia, a jej temperatura zależy od rodzaju cukru. Poniżej, w Tabeli 1 podano, początkową temperaturę karmelizacji niektórych pospolitych cukrów. Dane w tabeli dotyczą czystych substancji. W produktach żywnościowych zwykle występuje kilka różnych węglowodanów, a także inne składniki, które mogą mieć wpływ na temperaturę karmelizacji, jak również na poszczególne etapy reakcji, a w konsekwencji na powstałe związki zapachowe i związki barwne.

Tabela 1: Początkowa temperatura karmelizacji pospolitych węglowodanów

Cukier	Temperatura
Fruktoza	110° C
Galaktoza	160° C
Glukoza	160° C
Maltoza	180° C
Sacharoza	160° C

Największą szybkość zmiany barwy wykazuje fruktoza, ponieważ jej karmelizacja rozpoczyna się w niskiej temperaturze. Produkty piekarnicze sporządzone z miodem lub syropem fruktozowym są dlatego nieco ciemniejsze od tych sporządzonych z sacharozą.

W procesie karmelizacji wytwarza się kilka związków zapachowych oraz polimerowych form karmelu. Karmele są złożonymi mieszaninami różnych związków o dużej masie cząsteczkowej. Można je podzielić na trzy grupy:

Karmelany (C₂₄H₃₆O₁₈)
Karmeleny (C₃₆H₅₀O₂₅)
Karmeliny (C₁₂₅H₁₈₈O₈₀)

Polimery te są często wykorzystywane jako barwniki w produktach żywnościowych, jak napoje typu cola, sos sojowy, słodycze i lody. Są oznaczone symbolem E150.

Karmel handlowy jest wytwarzany przez bezpośrednie ogrzewanie cukru lub przez ogrzewanie cukru w obecności amoniaku lub siarczynów. W rezultacie otrzymuje się karmele o zróżnicowanej barwie lub karmele obdarzone ładunkiem elektrycznym. Karmele stosowane do barwienia napojów bezalkoholowych powinny posiadać ładunek ujemny, aby zapobiec reakcji z fosforanami, następnie wytrącania się i utracie barwy. Z kolei, karmele stosowane w wyrobach piekarniczych powinny być obdarzone ładunkiem dodatnim.

Poszczególne fazy produkcji karmelu, o nazwach odnoszących się do charakterystyki otrzymanego produktu, przedstawiono w tabeli 2 poniżej. Faza tworzenia nici określa stan, w którym z ogrzewanego cukru można wyciągnąć miękką lub twardą nić, faza tworzenia kuli określa stan, w którym z cukru można uformować odpowiedni kształt, zaś faza określający pękanie oznacza, że cukier stwardnieje po schłodzeniu (i pęknie przy odkształcaniu). Nazwa karmel odnosi się do stanu, w którym następuje zmiana barwy.

Tabela 2: Etapy karmelizacji sacharozy (cukru stołowego)

Faza		Temperatura °C	Opis i zastosowanie	Wygląd
1	Odparowanie wody	100	Cukier jest stopiony, a zanieczyszczenia unoszą się na powierzchni.
2	Niewielka nić	102	Brak zmiany barwy, łatwe schładzanie, nie zmienia się zapach. Zastosowanie jako lukier.
3	Duża nić	104	Brak zmiany barwy, łatwe schładzanie, nie zmienia się zapach. Zastosowanie w konfiturach.
4	Niewielka kula	110 - 115	Brak zmiany barwy, trudniejsze schładzanie, nie zmienia się zapach. Zastosowanie w nadzieniach do ciast, włoskich bezach, masie pomadkowej, cukierkach krówkach i cukierkach ślazowych.
5	Duża kula	119 - 122	Brak zmiany barwy, gorsze schładzanie, nie zmienia się zapach. Zastosowanie w miękkich karmelach.
6	Łatwe pękanie	129	Brak zmiany barwy, gorsze schładzanie, nie zmienia się zapach. Zastosowanie w półtwardych cukierkach.
7	Trudne pękanie	165 - 166	Brak zmiany barwy, trudne schładzanie, nie zmienia się zapach. Zastosowanie w mlecznych i twardych cukierkach.
8	Bardzo trudne pękanie	168	Niewielka zmiana barwy, pęka się jak szkło przy schładzaniu, nie zmienia się zapach. Zastosowanie w twardych cukierkach.
9	Jasny karmel	180	Barwa blado-bursztynowa do złoto-brązowej, intensywny zapach.
10	Średni karmel	180 - 188	Barwa złoto-brązowa do kasztanowej, intensywny aromat.
11	Ciemny karmel	188 - 204	Bardzo ciemny i gorzki, zapach przypalony. Zastosowanie do barwienia, lecz brak odpowiedniej słodkości.
12	Czarny Jack	210	Nazywany także “małpia krew”. W tej fazie cukier zaczyna się rozkładać do czystego węgla. Zapach spalenizny

W reakcji karmelizacji powstają także związki zapachowe. Ważnym związkiem zapachowym, wytwarzanym w pierwszych fazach karmelizacji jest diacetyl. Diacetyl odpowiada za zapach maślany lub mlecznych cukierków. Diacetyl powstaje nie tylko w procesie karmelizacji, ale może być także wytwarzany przez bakterie w fermentowanych produktach, jak piwo i jogurt

Poza diacetylem, powstają setki innych związków zapachowych, na przykład furany jak hydroksymetylofurfural (HMF) i hydroksyacetylofurfuran (HAF), furanony jak hydroksydimetylofuranon (HDF), dihydroksydimetylofuranon (DDF), oraz maltol z dwucukrów i hydroksymaltol z cukrów prostych.

Hydroksymetylofurfural (HMF) jest składnikiem pszczelego miodu, soków owocowych, mleka, a także tytoniu papierosowego. Hydroksyacetylofuran (HAF) ma słodkawy zapach i niski próg wykrywalności. Maltol ma smak przypominający świeży chleb i jest stosowany jako dodatek wzmacniający smak (E636) w chlebie i ciastkach.

Źródła:

Food Chemistry, Dennis D. Miller, 1993
Larousse Encyclopaedia of food
http://en.wikipedia.org
Images : http://www.supertoinette.com/recettes/caramel_to.htm

Food-Info.net is an initiative of Stichting Food-Info, The Netherlands

An initiative of :

Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

Karmelizacja

//