فراروده های غذایی، سیستم های کمپلکس
اگر آب را به عنوان غذا در نظر بگیریم، تنها غذایی است که با اغماض صرفا از یک ترکیب تشکیل شده است. در واقع، عمده محصولات غذایی، ترکیبی از آب و ترکیبات محلول و نامحلول در آب، شامل مولکول های بزرگ و کوچک است. مولکول هایی که در گروه های آب دوست، چربی دوست و آمفیفیلیک طبقه می شوند و هریک بر اساس ذات ساختاری خود (شکل، اندازه و توزیع بار مولکولی)، تعامل ویژه با سایر مولکول ها دارند. محصولات غذایی به دلیل حضور ترکیبات متنوع و پیچیدگی تعاملات بین مولکلولی، ساختارهایی کمپلکس هستند. چنین سیستم هایی تابع شرایط فیزیکی و شیمیایی هستند. برای مثال، دما، فشار، غلظت ترکیبات و غلظت یون ها، تاثیر بسیار زیادی بر رفتار و تعامل این مولکول ها دارد. با خروج هر یک از فاکتور ها از ناحیه تعادل، سیستم ناپایدر شده و ساختار محصول از بین می رود. یک مثال خیلی آشنا، شیر است. در صورتی که دمای شیر، افزایش یابد، ظاهرا تغییری در شیر ایجاد نمی شود ولی در همان حین، اگر غلظت یون هیدروژن، با افزودن یک ماده اسیدی افزایش یابد، پروتئین کازئین شیر ناپایدار شده و لخته ایجاد می شود. بر این اساس، نمی توان هر جزء را جداگانه مورد بررسی قرار داد، بلکه باید به عنوان یک کل تحلیل شود.
اصول ترمودینامیک و ناپایداری سیستم
تمام سیستم ها در طبیعت، در راستای اصول ترمودینامیک، پیوسته در حال تغییر هستند. عامل پیش برنده در چنین سیستم هایی ناسازگاری ترمودینامیکی است و سیستم به سمت تعادل تحول پیدا می کند. تنها در شرایطی، سیستم نسبتا پایدار خواهد بود که با تحلیل سیستم، شرایط شیمیایی و فیزیکی طوری طراحی شود که کمترین ناپایداری را داشته باشد. مثال شناخته شده این رویدادها، جدا شدن سریع قطرات روغن از آب است. دلیل این پدیده، تغییر سیستم برای کاهش سطح تماس آب و روغن تحت نیروی های درگ، به عنوان یک پدیده نامطلوب از دیدگاه ترمودینایک است. همه پدیده های نامطلوب ترمودینامیکی با سرعت رخ نمی دهد. هنگامی که هیدروکلوئید شدیدا آب دوست، مانند گوار به شیر اضافه می‌شود، به دلیل اینکه گوار، قدرت جذب آب بالایی دارد و مولکولی خطی است، حجم هیدرودینامیک زیادی را ایجاد میکند، در چنین شرایطی، کازئین به دلیل ساختار نیمه آب دوست خود، توان رقابت با گوار را نداشته و تعادل به سمت نامحلول شدن کازئین پیش می رود ولی این پدیده چندین ساعت تا رسیدن به تعادل زمان لازم دارد. سفت شدن نان، شکرک زدن مربا، تشکیل لکه های سفید روی شکلات، همه مثال هایی از تعادل ترمودینامیکی است که گاهی تا چند ماه برای رسیدن به نقطه نهایی زمان لازم دارد.
محدودیت های ترمودینامیکی ذاتی
در طراحی هر سیستم غذایی، باید محدودیت های ترمودینامیکی، تحلیل شده و ترکیبات لازم برای رفع ناسازگاری ها به سیستم اضافه شود. ناسازگاری روغن و آب، عمدتا با افزودن ترکیبات فعال سطحی، برای کاهش کشش بین سطح روغن و آب و کاهش نیروهای ناپایدار کننده رفع می شود. با این حال، پیچیدگی های مساله، مانند نوع روغن، غلظت، اندازه ذرات هدف و دمای نگهداری در طراحی فرمولاسیون تاثیر گذار است. بخشی دیگر از ناسازگاری های ترمودینامیکی، برهمکنش پروتئین ها و پلی ساکارید ها است. این مساله به ویژه در پلی ساکارید های یونی بارز است. تعامل الکترواستانیک بین پروتئین ها که ذاتا باردار هستند و پلی ساکارید ها، وابسته به غلظت یون های هیدروژن است. بر اساس غلظت، حالت های حلالیت همزمان، کمپلکس های محلول و غیر محلول، برایندی از تعادل نهایی ترمودینامیک تحت تاثیر قدرت بونی خواهد بود.
کریستاله شدن چربی ها، پدیده ترمودینامکی ناشی از بازآرایی مولکول های چربی است. این پدیده می تواند باعث جدا شدن فاز ها و حتی تفکیک کریستال های ناسازگار شود. چنین پدیده می تواند باعث ناپایدازی ترکیبات محلول در روغن، مانند ساختار های امولسیونی حاوی ریز ذرات نامحول در آب باشد.
محدودیت های ترمودینامیکی فرایندی
رسوب پروتئین ها و ژله ای شدن، در نوشیدنی های پروتئینی، آب اندازی ساختار های ژله ای و بیات شدن فراروده های پخت، همه ناشی از تغییرات مولکولی تحت تاثیر دما و ناسازگاری ترمودینامیکی حاصل از ساختار ها است. افزودن امولسیفایر ها در فاز آلفا به فراورده پخت حاوی نشاسته، از تغییر حالت نشاسته ژل شده به سمت تعادل ترمودینامیکی ناشی از کاهش دما، یعنی ایجاد دابل هلیس و تشکیل مجدد کریستال جلوگیری کرده و رتروگراداسیون را به تاخیر می اندازد.
