Εισαγωγή στις Χημικές Αντιδράσεις (στα τρόφιμα)

Γιατί το κόκκινο λάχανο γίνεται μπλε, μωβ ή ροζ σε διαφορετικά υγρά; Γιατί μια μπριζόλα γίνεται καφέ όταν ζεσταίνεται; Γιατί μπορεί ένας φούρνος να ψήσει muffins; Γιατί ένας φούρνος υψηλότερης θερμοκρασίας καίει πιο εύκολα τα καρότα σας; Όλα αυτά μπορούν να εξηγηθούν με χημικές αντιδράσεις. Οι χημικές αντιδράσεις βρίσκονται στο επίκεντρο της χημείας των τροφίμων και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εξηγήσουν πολλά ενδιαφέροντα φαινόμενα στα τρόφιμα.

Σε αυτήν την ανάρτηση εισάγουμε την έννοια των χημικών αντιδράσεων, συζητάμε τα βασικά και εστιάζουμε στη θεωρία. Αυτό κάνουμε σε αυτές τις βασικές σειρές χημείας τροφίμων. Στη συνέχεια, στο ιστολόγιο θα βρείτε έναν τόνο άρθρων που εφαρμόζουν αυτή τη γνώση!

Τι είναι οι χημικές αντιδράσεις;

Στις χημικές αντιδράσεις τα μόρια αντιδρούν μεταξύ τους. Ως αποτέλεσμα, κάποια μόρια θα εξαφανιστούν και άλλα θα σχηματιστούν. Κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης θα έχετε τα ίδια εισερχόμενα και εξερχόμενα άτομα, ωστόσο, θα αναδιαταχθούν σε νέες δομές. (Αν η έννοια των ατόμων και των μορίων δεν σας είναι οικεία, ρίξτε πρώτα μια ματιά σε αυτήν την ανάρτηση για τα άτομα και τα μόρια!).

Οι χημικοί τροφίμων ερευνούν πολλές από αυτές τις χημικές αντιδράσεις. Θα μελετήσουν τόσο τις δομές των εισερχόμενων όσο και των εξερχόμενων μορίων καθώς και θα προσπαθήσουν να καταλάβουν τι ακριβώς συμβαίνει κατά τη διάρκεια μιας τέτοιας αντίδρασης. Οι χημικές αντιδράσεις ακολουθούν ορισμένα πρότυπα. Ορισμένες ομάδες ατόμων είναι πολύ αντιδραστικές, ενώ άλλες όχι και αυτό βοηθά τους χημικούς να προβλέψουν τις χημικές αντιδράσεις καθώς και να τις εξηγήσουν.

Οι χημικές αντιδράσεις μπορεί να είναι πολύ περίπλοκες, αλλά με πολύ απλά λόγια είναι απλώς μόρια που αναπηδούν το ένα στο άλλο. Η αναπήδηση μεταξύ τους τα πυροδοτεί να μοιραστούν/απορρίψουν/απελευθερώσουν άτομα, σχηματίζοντας νέα μόρια!

Καταγραφή μιας χημικής αντίδρασης

Όπως έχουμε συζητήσει προηγουμένως, τα μόρια αποτελούνται από πολλά άτομα που είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους. Χρησιμοποιώντας χημικούς τύπους, οι χημικοί μπορούν εύκολα να περιγράψουν ένα μόριο. Σε έναν χημικό τύπο αντιπροσωπεύεται ο αριθμός και ο τύπος των ατόμων από τα οποία υπάρχει ένα μόριο.

Αυτοί οι χημικοί τύποι χρησιμοποιούνται ξανά για να απεικονίσουν μια χημική αντίδραση. Προκειμένου να αναπαραστήσουν μια χημική αντίδραση, οι χημικοί καταγράφουν πρώτα όλους τους χημικούς τύπους των μορίων που βρίσκονται εκεί στην αρχή. Στη συνέχεια θα σχεδιάσουν ένα βέλος (το οποίο αντιπροσωπεύει μια αντίδραση που λαμβάνει χώρα) και στη δεξιά πλευρά του βέλους καταγράφονται όλα τα μόρια που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης.

Τα μόρια που υπάρχουν στην αρχή και στο τέλος (και επομένως δεν αντιδρούν) δεν καταγράφονται σε αυτόν τον τύπο.

Παρακάτω μπορείτε να βρείτε ένα παράδειγμα τέτοιας αντίδρασης:

6 CO₂ + 6 H₂ O –> C₆ H₁₂ O₆ + 6 O₂

Στην αριστερή πλευρά μπορείτε να δείτε 6 διοξείδιο του άνθρακα (CO₂ ) μόρια και 6 νερό (H₂ Ο) μόρια. Αυτά αντιδρούν και σχηματίζουν 1 μόριο γλυκόζης (C₆ H₁₂ O₆ ) και 6 μόρια οξυγόνου (O₂ ). Αυτή η αντίδραση αντιπροσωπεύει τη φωτοσύνθεση, μια πολύπλοκη διαδικασία που συμβαίνει στα φυτά υπό την επίδραση του ηλιακού φωτός. Τα φυτά παράγουν «ενέργεια» (γλυκόζη) από νερό και διοξείδιο του άνθρακα.

Σε μια χημική αντίδραση είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι οι αριθμοί των ατόμων στην αριστερή πλευρά του βέλους είναι ίδιοι με εκείνους στη δεξιά πλευρά. Στην παραπάνω εξίσωση μπορείτε να δείτε ότι υπάρχουν 6 άτομα άνθρακα στα αριστερά και 6 στα δεξιά, ο αριθμός των ατόμων υδρογόνου (Η) και οξυγόνου (Ο) παραμένει επίσης ο ίδιος (12 και 18).

Χημικές αντιδράσεις και ενέργεια – εξώθερμη έναντι ενδόθερμης

Οι χημικές αντιδράσεις μπορούν να ομαδοποιηθούν σε κάθε είδους διαφορετικές κατηγορίες. Ένας από τους τρόπους ομαδοποίησης τους είναι σε εξώθερμο έναντι ενδόθερμου. Αυτοί οι όροι αναφέρονται στο γεγονός εάν η καθαρή ενέργεια μιας αντίδρασης είναι θετική ή αρνητική. Με άλλα λόγια, πρέπει να βάλετε πολλή ενέργεια (π.χ. θερμότητα ή ανάδευση) ή θα απελευθερωθεί ενέργεια κατά τη διάρκεια της αντίδρασης (π.χ. η θερμότητα μιας φωτιάς).

Στα τρόφιμα, πολλές αντιδράσεις είναι ενδόθερμες, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να μπει περισσότερη ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Ένα παράδειγμα είναι το ψήσιμο ενός κέικ, θα πρέπει να συνεχίσετε να ζεσταίνετε το κέικ για να συνεχιστεί η αντίδραση.

Η εξώθερμη και η ενδόθερμη είναι πολύ σημαντικοί όροι για τους χημικούς. Στη χημεία τροφίμων δεν θα τα χρησιμοποιούμε πολύ συχνά, αλλά είναι καλό να είστε εξοικειωμένοι με την έννοια. Ρίξτε μια ματιά στο παρακάτω βίντεο αν θέλετε να μάθετε περισσότερα, θα σας δώσει μερικά εξαιρετικά παραδείγματα!

Έναρξη χημικών αντιδράσεων – ενέργεια ενεργοποίησης

Παρόλο που ορισμένες χημικές αντιδράσεις θα απελευθερώσουν ενέργεια κατά τη διάρκεια της αντίδρασης (εξώθερμες αντιδράσεις), οι περισσότερες αντιδράσεις δεν ξεκινούν αμέσως ή αυθόρμητα. Συχνά η λεγόμενη ενέργεια ενεργοποίησης πρέπει να ξεπεραστεί. Θα πρέπει να δώσετε στα μόρια κάποια επιπλέον ενέργεια, απλώς για να ξεκινήσει η αντίδραση. Αυτό θα μπορούσε για παράδειγμα να γίνει φέρνοντας ένα μείγμα μορίων σε μια ορισμένη θερμοκρασία. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια αυτής της αντίδρασης, η ενέργεια (θερμότητα) μπορεί να απελευθερωθεί ξανά.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να μειωθεί η ενέργεια ενεργοποίησης μιας χημικής αντίδρασης. Ένας τρόπος είναι η χρήση καταλύτη. Ένας καταλύτης είναι ένα συστατικό που μπορεί να μειώσει την ενέργεια ενεργοποίησης, βοηθώντας έτσι την αντίδραση να προχωρήσει, αλλά δεν συμμετέχει στην ίδια την αντίδραση. Στα τρόφιμα τα ένζυμα είναι πολύ συνηθισμένοι καταλύτες.

Κατεύθυνση χημικής αντίδρασης – ισορροπίες

Στο παράδειγμά μου μιας χημικής αντίδρασης παραπάνω μπορείτε να δείτε μόνο ένα βέλος, που δείχνει προς τα δεξιά. Αυτό σημαίνει ότι η αντίδραση θα προχωρήσει μόνο από αριστερά προς τα δεξιά. Ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις, οι χημικές αντιδράσεις είναι μια ισορροπία. Αυτό σημαίνει ότι η χημική αντίδραση μπορεί να πάει από αριστερά προς τα δεξιά και αντίστροφα.

Ένα πολύ κοινό παράδειγμα μιας αντίδρασης ισορροπίας είναι μια αντίδραση οξέος/βάσης (βλ. παρακάτω). Το οξύ (ΑΗ) μπορεί να υπάρχει ως οξύ (ΑΗ), αλλά αν η κατάσταση είναι τέτοια, μπορεί να χάσει το πρωτόνιό του (Η) και να χωριστεί στα δύο. Μπορεί να το κάνει ξανά, αλλά μετά προς τα πίσω.

AH <–> H + A

Ο τρόπος με τον οποίο λαμβάνει χώρα η αντίδραση εξαρτάται από διάφορους παράγοντες. Στο παράδειγμα που αναφέρθηκε παραπάνω, η συγκέντρωση των διαφορετικών συστατικών μπορεί, για παράδειγμα, να παίζει κάποιο ρόλο.

Βρήκα ένα πολύ ωραίο βίντεο στο YouTube (από το κανάλι TED Ed) που εξηγεί αυτό το φαινόμενο με απλά λόγια, αξίζει να το δείτε:

Ταχύτητα χημικής αντίδρασης – κινητική

Πριν εφαρμόσουμε τις γνώσεις μας στις αντιδράσεις στα τρόφιμα, υπάρχει ένα ακόμη θέμα που πρέπει να θίξουμε:την ταχύτητα μιας αντίδρασης. Η ταχύτητα μιας αντίδρασης μπορεί να επηρεαστεί από πολλές παραμέτρους. Θα σας δώσω μερικά παραδείγματα:

• Θερμοκρασία:σχεδόν όλοι οι ρυθμοί αντίδρασης είναι υψηλότεροι σε υψηλότερη θερμοκρασία. Σε υψηλότερη θερμοκρασία τα μόρια κινούνται περισσότερο. Αυτό τους αναγκάζει να αναπηδούν πιο συχνά, με αποτέλεσμα να αντιδρούν περισσότερο. Στο φαγητό:σκεφτείτε την κηρήθρα.
• Συγκέντρωση μορίων:δεν εξαρτώνται όλοι οι ρυθμοί αντίδρασης από τη συγκέντρωση των μορίων, αλλά πολλά εξαρτώνται από τη συγκέντρωση των μορίων. Σε αυτές τις περιπτώσεις, όσο περισσότερα μόρια υπάρχουν σε έναν συγκεκριμένο όγκο, τόσο πιο γρήγορα θα προχωρήσει μια αντίδραση. Δεδομένου ότι υπάρχουν περισσότερα μόρια, είναι πολύ πιο πιθανό να αναπηδήσουν σε ένα άλλο.
• Πίεση:υψηλότερη πίεση, σημαίνει λιγότερο χώρο για τα μόρια, επομένως υψηλότερο ρυθμό αντίδρασης. Και πάλι, θα αναπηδούν ο ένας εναντίον του άλλου πιο συχνά. Στη μαγειρική:σκεφτείτε μια χύτρα ταχύτητας!

Για κάθε ένα από τα θέματα που μόλις συζητήσαμε θα μπορούσαμε πιθανώς να είχαμε γράψει ένα βιβλίο. Μάλιστα, έχουν γραφτεί βιβλία για όλα αυτά τα θέματα! Έχουμε αγγίξει μόνο τα βασικά εδώ, ελπίζοντας ότι θα σας προσφέρει κάποια θεμελιώδη κατανόηση που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε στην επόμενη ενότητα.

Περαιτέρω ανάγνωση

Γύρω από το ιστολόγιο μπορούν να βρεθούν παραδείγματα εφαρμογής χημικών αντιδράσεων, για παράδειγμα όταν συζητάμε διογκωτικούς παράγοντες, την αντίδραση Maillard ή το χρώμα του πορτοκαλιού και του κόκκινου λάχανου.