Food science, food industrial technology on blog

การเกิดสีน้ำตาลเนื่องมาจากเอนไซม์ จะไม่ปรากฏขึ้นในเซลล์ปกติ จนกว่าเซลล์ถูกคุกคามจากสิ่งแวดล้อมไม่ว่าจะเป็น การถูกกระแทก การหั่น การหล่นลงมาจากที่สูง อันทำให้เอนไซม์ฟีนอลออกซิเดสแตกออกมา พร้อมที่จะทำงานได้ ซึ่งการเกิดสีน้ำตาลนอกจากจะมีผลเสียต่อลักษณะกรากฏแล้ว ยังมีผลเสียต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ด้วย เช่น เนื้อสัมผัสที่เปลี่ยนไป รสชาดกลิ่นรสที่ผิดเพี้ยน ซึ่งในบทความก่อนหน้านี้ เราจะเห็นว่ากลไกการทำงานของเอนไซม์กลุ่มออกซิโดรีดักเทสนั้น จำเป็นจะต้องอาศัยออกซิเจน แล้วการที่มันคือ เอนไซม์ ก็ทำให้เราตั้งรับมันได้ง่ายขึ้น

เอนไซม์โพลีฟีนอลอกซิเดสนั้นจะช่วยเปลี่ยนสารประกอบฟีนอลิค ให้กลายออร์โท-ควิโนน(มีรสขม) ซึ่งเป็นสารประกอบที่ไม่อยู่ตัว แล้วเมื่อเกิดออร์โท-ควิโนนมากๆเข้า ก็จะทำให้เกิดการมะรุมนะตุ้มกัน นัวเนียจนกลายเป็นสารประกอบพอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างซับซ้อน และไม่คืนตัวโดยง่าย ที่มีสีน้ำตาล เราเรียกสารประกอบพอลิเมอร์นี้ว่า เมลานิน คนละตัวกับเมลามีน ที่พบในนมผงจากจีนที่เคยเป็นข่าวดังเมื่อช่วงต้นปีที่ผ่านมานะครับ 

รูปที่ 1 กลไกการเกิดสีน้ำตาลโดยสังเขป

สำหรับกลวิธีในการป้องกันยับยั้งการเกิดสีน้ำตาล ก็จะมีกลวิธีต่างๆกันไป โดยหัวใจแล้ว หลักคิดง่ายๆ ก็คือ ในเมื่อปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นนี้ มีสารตั้งต้นที่เรารู้ก็คือ สารประกอบฟีนอลิค  กลไกหลักของปฏิกิริยาคือ การเติมออกซิเจนเข้ายังตำแหน่งที่ไวต่อปฏิกิริยา มีตัวเร่งปฏิกิริยาคือ เอนไซม์ฟีนอล ออกซิเดส โดยเอนไซม์ดังกล่าวจะทำงานได้ดีเมื่อมีโลหะทองแดง ดังนั้นหนทางใดก็ตาม ที่เราสามารถควบคุม สารตั้งต้น, ออกซิเจน, การทำงานของเอนไซม์ได้ ตัวใดตัวหนึ่งหรือมากกว่าหนึงก็ได้ทั้งนั้น ในบทความนี้เรามาดูหลักการแปรรูป ที่มีส่วนช่วยในการยับยั้งการเกิดสีน้ำตาล โดยผมจะยังไม่นำเรื่องของการใช้สารเคมีเข้ามาในบทความนี้(กั๊กไว้เขียนในตอนหน้า อิอิ )

1 การใช้ความร้อน

เมื่อเอนไซม์ คือ สับเซตของโปรตีน ดังนั้นถ้าโปรตีนถูกทำลายด้วยความร้อนได้ ในทำนองเดียวกันเอนไซม์ก็จะถูกทำลายด้วยความร้อนได้เช่นกัน  ในกระบวนการแปรรูปผักและผลไม้ กระบวนการลวกเป็นขั้นตอนสำคัญในการควบคุมคุณภาพวัตถุดิบภายหลังจากการปอกเปลือก ผลไม้, ผัก และรวมไปถึงเนื้อสัตว์เช่น กุ้ง ซึ่งจำเป็นต้องผ่านการลวก เพื่อทำลายเอนไซม์กลุ่มโพลีฟีนอลออกซิเดสลง โดยทั่วไปแล้ว เราจะใช้การอยู่รอดของเอนไซม์โพลีฟีนอลออกซิเดสเป็นดัชนีชี้ผลสำเร็จในการลวก

เทียบระดับความร้อนที่ใช้ ในกระบวนการพาสเจอไรเซชันจะใช้ช่วงอุณหภูมิระหว่าง60 ^oC ถึง 85 ^oC ในขณะที่การลวกด้วยไอน้ำจะใช้อุณหภูมิ 70 ^oC ถึง 105 ^oC หรือมากกว่า ซึ่งโดยทั่วไปแล้วการใช้ความร้อนระดับ 70-90 ^oC ก็จะสามารถทำลายเอนไซม์โพลีฟีนอลออกซิเดสลงได้ ตัวอย่างการลวกด้วยกลางน้ำร้อนในการแปรรูปถั่วเขียวจะใช้อุณหภูมิ  82 ^oC เวลา 3.5 นาที โดยสามารถทำลายเอนไซม์ catalase, lipoxygenase และ polyphenol oxidaseลงได้ (Lee et al. 1988) 

สำหรับการยับยั้งเอนไซม์บางชนิดเช่น เพอรอกซิเดส, โพลีฟีนอลออกซิเดส และไลพอกซิจิเนส เป็นไปตามจลนศาสตร์อันดับหนึ่ง ตามภาพที่ 2 (Svensson, 1977) ซึ่งจากภาพแสดงให้เห็นว่า อุณหภูมิยิ่งต่ำจะยิ่งใช้เวลาในการทำลายเอนไซม์ (ลดลง90%) นานขึ้น

รูปที่ 2 อิทธิพลของความร้อนในการยับยั้งเอนไซม์ lipolytic acyl hydrolase, lipoxygenase, polyphenol oxidase และ  peroxidase ในมันฝรั่ง ณ อุณหภูมิต่างๆกัน (Svensson, 1977).

2 การทำเย็น(Refrigeration) และการแช่แข็ง (Freezing)

ปกติแล้วเอนไซม์พวกโพลีฟีนอลออกซิเดส จะชอบระดับอุณหภูมิห้อง หรือ สูงกว่านิดหน่อย เพื่อทำให้ปฏิกิริยาการสร้างเมลานินเกิดขึ้นได้ดี แต่ถ้าเอนไซม์เมื่อไม่อยู่ในสภาวะที่เหมาะสมที่สุดในการทำงาน เช่น อุณหภูมิต่ำเกินไป ย่อมจะทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีลดลง ดังนั้นการใช้ความเย็นจะช่วยชะลอการเกิดสีน้ำตาลใ้ห้เกิดช้าขึ้น

สำหรับการแช่แข็งที่อุณหภูมิ -18 ^oC หรือ ต่ำกว่านั้น เป็นกรรมวิธีการแปรรูปอาหารที่ช่วยยืดอายุการเก็บรักษาอาหารได้ดี เอนไซม์ในอาหารหลายชนิดจะหมดฤทธิ์ เนื่องจากสารละลายต่างๆจะแ็ข็งตัว ไม่มีตัวทำละลายอิสระ ให้เอนไซม์ได้ดึงมาใช้ทำกิจกรรม หรือปฏิกิริยาต่างๆได้อีกต่อไป

แต่อย่าลืมนะครับ ว่าทั้งการแช่เย็น และแช่แข็งเอนไซม์ไม่ได้ตาย เพียงแต่ทำให้หมดฤทธิ์ชั่วขณะเท่านั้น

3 การทำแห้ง (Dehydration)

ในการเกิดปฏิกิริยาทางเคมี น้ำถือว่าเป็นปัจจัยสำคัญตัวหนึ่ง การที่น้ำอิสระถูกดึงทิ้ง ดึงไปใช้ หรือ ถูกยึดไว้ด้วยสารละลาย จะทำให้ไม่มีน้ำอิสระพอเพียงต่อการทำปฏิกิริยาระหว่างโปรตีน-น้ำ ซึ่งส่งผลให้ enzyme activity ลดลง การใช้เกลือแกง, ซูโครส และเกลือประเภทอื่นๆ รวมไปถึง กลีเซอรอล, โพรพิลีนไกลคอล, และสารละลาย modified corn syrups จะแตกประจุลบที่ทำปฏิกิริยาว่องไว เช่น SO₃^2- และ PO₄^2- ไปดึงจับกับโปรตีนส่วนที่เป็นประจุบวก ทำให้แทนที่จะเกิดสีน้ำตาล ก็ไม่เกิดเพราะไม่ทันสารละลายเขา ในขณะที่ประจุบวกจะไปทำให้เอนไซม์เกิดความไม่เสถียรขึ้น

การทำแห้งจะทำให้ปริมาณของค่าa_wลดลง เมื่อน้ำไม่พอ เอนไซม์ก็จะไม่สามารถทำงานได้เต็มประสิทธิภาพ

4 การฉายรังสี (Irradiation)

ปัจจุบันเราใช้รังสีแกมมา (ได้มาจาก Co-60 หรือ Cs-137)ในงานด้านการถนอมอาหาร ตารางที่ 1 เป็นการอธิบายการใช้ประโยชน์จากกัมมันตรังสีกับผลิตภัณฑ์อาหาร

ตารางที่่ 1 ระดับความเข้มรังสี กับผลที่เกิดขึ้นกับผักและผลไม้

1 kilogray (kGy) = 1000 gray (Gy),

ซึ่งเป็นหน่วย SI หมายถึงปริมาณพลังงานที่ดูดซับได้ในขณะแผ่รังสีต่อมวล (1 joule/kg)

1Gy = 100 rad (1 rad = 100 erg/g) และ 1 kGy=100 krad

ในอดีตมีการใช้รังสีแกมม่าในระดับความเข้มข้นต่ำกับกุ้ง พบว่าส่งผลทำให้ปริมาณเมลานินลดลงอย่างเห็นได้ชัด และยังช่วยยืดอายุการเก็บรักษาอย่างมีนัยสำคัญ(Novak et al. 1967) แต่ก็มีการค้นพบว่า ถ้าช่วงที่เริ่มฉายรังสีเป็นระยะเริ่มต้นของกระบวนการสร้างเมลานินในมันฝรั่ง กลับส่งผลเสีย โดยรังสีจะไปเร่งการเกิดสีน้ำตาลในผลิตภัณฑ์(Thomas,1984; 1986)  การใช้รังสีแกมม่าความเข้มข้น  1 kGy มีฤทธิ์ช่วยยับยั้งการงอก และยังลดอัตราการเกิดสารประกอบฟีนอลิคในภาพรวม และกรดคลอโรเจนิค (Pendharkar and Nair, 1987)

5 การใช้ความดันสูง (High pressure treatment)

การเีสียสภาพธรรมชาติของเอนไซม์เนื่องมาจากการเรียงตัวใหม่ และ/หรือ โครงสร้างพันธะnoncovalent  เช่น พันธะไฮโดรเจน, พันธะอิออนิค ของโปรตีนถูกทำลาย ความดันมีอิทธิพลทำให้เพิ่มหรือลดช่องว่างระหว่างสายโมเลกุล โดยความดันที่สูงกว่า 5บาร์ มีผลทำให้โปรตีนทั่วไปเกิดการสูญเสียสภาพธรรมชาติ เนื่องจากความแข็งแรงของพันธะไฮโดรเจนลดลง และการแตกของโมเลกุลภายในส่วนที่จับตัวกับโลหะหรือเกลือ(Cheftel 1992; Masson 1992)

ข้อดีของการใช้การใช้ความดันสูงในการแปรรูปอาหารก็คือ อาหารจะคงคุณค่าทางอาหาร, รสชาด, กลิ่นรสไว้ได้มากกว่าการใช้ความร้อน (Cheftel, 1992) โดยเอนไซม์โพลีฟีนอลออกซิเดสนั้นจะมีความคงทนต่อความดันค่อนข้างสูง จำเป็นจะต้องใช้ความดัน 5-7บาร์ เพื่อยับยั้งเอนไซม์ดังกล่าวในแอปเปิ้ลที่ค่าความเป็นกรดด่าง 4.5 และ 5.4 ตามลำดับ (Nicoli et al. 1994) ในตารางที่ เป็นผลการศึกษาความทนต่อการใช้ความดันสูงกับเอนไซม์ในอดีตที่ผ่านมา ซึ่งอาหารต่างชนิดกันก็มีความทนทานที่แตกต่างกันไป

ตารางที่ 2 ผลของความดันสูงต่อความคงตัวของเอนไซม์โพลีฟีนอลออกซิเดส

จากตารางที่ 2 ความแตกต่างของการทนทานต่อความดันสูงนั้น ก็ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง ไม่ว่าจะเป็น ค่าความเป็นกรดด่าง, ลักษณะของตัวกลาง, อุณหภูมิ, ระยะเวลา เป็นต้น นอกเหนือไปจากนั้นองค์ประกอบโครงสร้างของตัวอาหารเองก็มีผลต่อความทนทานต่อความดันสูงอีกด้วย  Weemaes et al. (1997)พบว่าในการใช้ความดันสูงเพื่อขจัดเอนไซม์โพลีฟีนอลออกซิเดสในเห็ดไม่ค่อยจะเวิร์คนัก ในขณะที่ถ้าใช้ความร้อนกลับใช้อุณหภูมิแค่ 50^oC ก็ขจัดเอนไซม์โพลีฟีนอลออกซิเดสออกไปได้แล้ว

รูปที่ 2 ผลของการใช้ความดันสูงต่อ relative activity ของเอนไซม์โพลีฟีนอลออกซิเดส ในสารละลาย buffer (pH 7) ที่ 45^oC. (From Seyderhelm et al., 1996).

ในรูปที่ 2 การใช้ความดัน 600MPa และ 700Mpa ไม่ค่อยจะมีผลกับระดับ relative activity ของเอนไซม์โพลีฟีนอลออกซิเดสเลย แต่ถ้าเพิ่มความดันเป็น 800MPa กลับทำให้เอนไซม์หายซ่าลงไปได้ตั้งเยอะ ซึ่งก็แปลกดีครับ แล้วใน 900MPa ก็ให้ผลในทำนองเดียวกันกับ 800MPa

6 การกรองแยกกระดับอัลตราฟิลเตรชัน(Ultrafiltration - UF)

การกรองแยกผ่านเยื่อบุเลือกผ่านระดับไมโครฟิลเตรชันเป็นเทคโนโลยีที่ใช้แยกสารที่นิยมใช้กันมานานแล้วนะครับ โดยทฤษฎีพื้นฐานของการรกองระดับนี้ สาสารที่มีขนาดโมเลกุลเล็กกว่า 0.1ไมโครเมตร จะไม่หลุดมาด้วย จะอยู่หน้าแผ่นติดกรอง ถ้าเป็นกระบวนคัดแยกเอนไซม์ โดยที่ผ่านมาก็มีตัวอย่างของการกรองเอนไซม์บางชนิดที่มีผลทำให้ไวน์ขาวเสียคุณภาพ (Flores et al. 1988; Sims et al. 1990) การประยุกต์ใช้อัลตราฟิลเตรชันเป็นทางเลือกแทนการใช้สารประกอบซัลไฟต์เพื่อควบคุมเอนไซม์ท่ก่อให้เกิดสีน้ำตาล (Sims et al. 1989; Goodwin and Morris, 1991). พบว่าการใช้อัลตราฟิลเตรชันช่วยขจัดเอนไซม์ฟีนอลออกซิเดสได้ ซึ่งไม่เพียงแต่จะขจัดเอนไซม์ที่ทำให้เกิดสีน้ำตาลเท่านั้น ยังช่วยขจัดสารตั้งต้นบางตัวในกระบวนการเกิดสีน้ำตาลเนื่องจากปฏิกิริยาเมลลาร์ดอีกด้วย

สสารอะไรที่เล็กกว่า pore size มันก็จะกองอยู่ทางเข้า อะไรที่เล็กกกว่ารู ก็จะผ่านไป นี่คือหลักการง่ายๆของอัลตราฟิลเตรชัน

7 การใช้ความถี่เหนือเสียง (Ultrasonication)

วิธีการใช้ความร้อนมีผลเสียต่อคุณภาพทางประสาทสัมผัส และยังมีผลต่อปริมาณสารอาหารที่มีอยู่ในวัตถุดิบ การใช้คลื่นความถี่ร่วมกับความร้อนก็พบว่า สามารถที่จะยับยั้งเอนไซม์ได้  ในการใช้งานจะประยุกต์ใช้กับอาหารในรูปของเหลว โดยคลื่นความถี่สูงจะทำให้เกิดฟองคลื่นขึ้นที่ผิวหน้า ลักษณะของคลื่นที่เกิดขึ้นก็จะแผ่ไปทุกทุกทุกทาง ทำให้เอนไซม์เกิดการเปลี่ยนแปลงถึงขั้นสูญเสียธรรมชาติไป ซึ่งการที่ของไหลเกิดความเครียด จะส่งผลทำให้โครงสร้างของเอนไซม์บิดเกลียวในแบบผิดรูป จึงเป็นสาเหตุของการสูญเสียธรรมชาติ นอกจากนี้คลื่นอัลตราโซนิคยังทำให้เกิดปฏิกิิริยาระหว่างอนุมูลอิสระของ  H และ OH ที่ได้มาจากการแตกตัวของนั้นภายใต้สภาวะการสั่นสะเทือนของฟองอากาศ(El. piner et al. 1965)

อ้างอิง http://www.fao.org/ag/Ags/agsi/ENZYMEFINAL/Enzymatic%20Browning%20References.htm

ในตอนต่อไปมาดูกันนะครับ ว่าสารเคมีตัวใดบ้างที่เรานำมาใช้ยับยั้ง หรือ ชะลอการเกิดสีน้ำตาลในอาหารกันบ้าง