Пищевая химия

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сочинский государственный университет» Инженерно-экологический факультет Кафедра Архитектуры, дизайна и экологии Пищевая химия Конспект лекций 19.03.04 Технология продукции и организация общественного питания Сочи 2020 2 СОДЕРЖАНИЕ Введение. Основы рационального питания человека Тема 2. Белковые вещества. Роль белков в питании. Проблема белкового дефицита Тема 3. Содержание и функциональная роль углеводов в сырье, полуфабрикатах и пищевых продуктах Тема 4. Простые и сложные липиды, эссенциальные жирные кислоты в сырье, полуфабрикатах и пищевых продуктах Тема 5. Минеральные вещества. Вода в пищевых продуктах Тема 6. Витамины в сырье, полуфабрикатах и пищевых продуктах Тема 7. Ферменты. Тема 8. Безопасность пищевых продуктов. 3 1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ПИТАНИЯ ЧЕЛОВЕКА 1.1. Химия пищеварения 1.2. Теория сбалансированного питания. 1.3.Определение пищевой и энергетической ценности продуктов питания. 1.1 Химия пищеварения Совокупность процессов, связанных с потреблением и усвоением в организме веществ, входящих в состав пищи называется пищеварением. Питание включает последовательные процессы поступления, переваривания, всасывания и усвоения в организме пищевых веществ, необходимых для покрытия энергозатрат, построения и возобновления клеток и тканей тела человека, а также необходимых для регулирования функций организма. Продукты, употребляемые человеком в пищу в натуральном или переработанном виде, представляют собой сложные системы с единой внутренней структурой и общими физико-химическими свойствами. Пищевые продукты имеют разнообразную химическую природу и химический состав. Пищеварение является начальным этапом ассимиляции пищевых веществ. В процессе пищеварения пищевые вещества сложного химического состава расщепляются на простые растворимые соединения, способные легко всасываться и усваиваться организмом человека. Пищеварительный аппарат человека включает пищеварительный канал или желудочно-кишечный тракт. В состав желудочно-кишечного тракта входят: - ротовая полость, - пищевод, желудок, - двенадцатиперстная кишка, - тонкий кишечник, толстый кишечник, - прямая кишка, - основные железы – слюнные железы, печень, желчный пузырь, поджелудочная железа. Превращение пищевых веществ в процесссе пищеварения осуществляется в три этапа: - Полостное пищеварение: процесс пищеварения происходит в пищевых полостях - ротовой, желудочной, кишечной. Эти полости удалены от секреторных клеток (слюнные железы, желудочные железы). Полостное пищеварение обеспечивает интенсивное начальное пищеварение. - Мембранное пищеварение: осуществляется с помощью ферментов, сосредоточенных на микроворсинках, расположенных по стенкам тонкого кишечника. Мембранное пищеварение осуществляет гидролиз пищевых веществ. 4 - Всасывание. Простые растворимые вещества, которые образуются в процессе пищеварения, всасываются через стенки тонкого и толстого кишечника в кровь и переносятся по организму человека. Каждый компонент пищи имеет свою схему процесса переваривания и усвоения. Усвоение углеводов. Из полисахаридов переваривается крахмал, содержащийся в растительной пище и гликоген, содержащийся в пище животного происхождения. Переваривание крахмала и гликогена проходит поэтапно: амилаза амилаза мальтаза КРАХМАЛ (ГЛИКОГЕН) → ДЕКСТРИНЫ → МАЛЬТОЗА → ГЛЮКОЗА → В КРОВЬ полость рта, двенадцатитонкий желудок перстная кишка кишечник → В ПЕЧЕНЬ Гидролиз крахмала и гликогена начинается в ротовой полости при действии ферментов амилаз, находящихся в слюне. Затем гидролиз продолжается в желудке и двенадцатиперстной кишке. Крахмал и гликоген постепенно расщепляется на декстрины, мальтозу, глюкозу. Гидролиз пищевых дисахаридов катализируют ферменты, находящиеся в наружном слое эпителия тонкого кишечника. Сахароза при действии фермента сахараза (инвертаза) расщепляется до глюкозы и фруктозы, лактоза при действии фермента лактаза (β-галактозидаза) расщепляется до галактозы и глюкозы, мальтоза при действии фермента мальтаза расщепляется до двух молекул глюкоза. Моносахариды или простые гексозы всасываются эпителиальными клетками кишечника в кровь и доставляются в печень. Усвоение белков. Белки пищи расщепляются протеолитическими ферментами до аминокислот, процесс происходит в желудке, двенадцатипертсной кишке, тонком кишечнике поэтапно: аминопептидаза, пепсин трипсин карбоксипептадаза БЕЛКИ→ ПОЛИПЕПТИДЫ→ ПЕПТИДЫ → АМИНОКИСЛОТЫ →В КРОВЬ →В ПЕЧЕНЬ желудок двенадцатитонкий перстная кишка кишечник В желудке переваривание белков проходит в кислой среде, в двенадцатиперстной кишке и кишечнике в слабощелочной среде. В процессе расщепления белков участвуют различные протеолитические ферменты: пепсин, трипсин, аминопептидаза, карбоксипептидаза и другие. Усвоение липидов. Процесс осуществляется в тонком кишечнике. Фермент липаза выделяется поджелудочной железой. При гидролизе липидов, под воздействием фермента липаза, образуются свободные жирные кислоты, глицерин, фосфорная кислота, холин. Эти компоненты эмульгируются желчными кислотами, затем всасываются в лимфу, а из нее поступают в кровь. 5 липаза ЛИПИДЫ → ГЛИЦЕРИН + ФОСФОРНАЯ КИЛОТА + ЖИРНЫЕ поджелудочная железа КИСЛОТЫ → ЛИМФА → КРОВЬ Пищевые продукты в организме человека выполняют три основные функции: снабжение материалом для построения тканей человека; обеспечение энергией, необходимой для поддержания жизнедеятельности и совершения работы; обеспечение веществами, играющими важную роль в регулировании обмена веществ в организме человека. 1.2 Теория сбалансированного питания Теория рационального питания базируется на трех основных принципах: 1. Баланс энергии. Энергия, ежедневно поступающая с пищей, должна соответствовать энергии, расходуемой человеком в процессе жизнедеятельности. 2. Удовлетворение потребностей организма в оптимальном количестве и соотношении пищевых веществ. 3. Режим питания. Соблюдение определенного времени и числа приемов пищи, рациональное распределение пищи при каждом приеме. Баланс энергии. Энергия, которой обеспечивается организм при потреблении и усвоении питательных веществ, расходуется на осуществление трех главных функций, связанных с жизнедеятельностью организма человека. Сюда включены: основной обмен, переваривание пищи, мышечная деятельность. Основной обмен – это минимальное количество энергии необходимое человеку для поддержания жизни в состоянии покоя (во время сна). Для мужчин эта энергия составляет 1600 ккал, для женщин – 1200 кал. Переваривание пищи связано со специфическим динамическим действием пищи в отсутствии мышечной активности. Основной обмен у человека за счет специфического динамического действия пищи увеличивается на 10-15 %, что соответствует 140-160 ккал в сутки. Мышечная деятельность определяется активностью образа жизни человека, характером работы человека. На мышечную деятельность расходуется 1000-2500 ккал. На выполнение всех функций организма суммарно человек затрачивает 2200-2400 ккал для женщин и 2550-2800 ккал для мужчин. При выполнении больших физических нагрузок (занятия спортом, труд шахтеров, строителей и т.д.) энергетические затраты человека увеличиваются до 3500 – 4000 ккал. В 6 случае положительного баланса энергии в течение длительного времени, избыток поступающей энергии аккумулируется в виде жира в жировой ткани, что приводит к избыточной массе тела. Удовлетворение потребностей организма в оптимальном количестве и соотношении пищевых веществ. В состав полноценного пищевого рациона должны входить питательные вещества пяти классов: белки (в том числе незаменимые аминокислоты), липиды (в том числе незаменимые жирные кислоты), углеводы (в том числе пищевые волокна), витамины, минеральные вещества. Суточная потребность организма человека в углеводах составляет 400500 г, на долю сахарозы приходится 10-20 % от общего количества углеводов. Углеводы являются основным источником энергии для человека. Пищевые волокна – клетчатка, пектин, гемицеллюлозы стабилизируют деятельность пищеварительного тракта. Клетчатка и гемицеллюлозы очищают кишечник, а пектин связывает и выводит из организма вредные вещества. Суточная потребность в пищевых волокнах составляет 25 г, в пектине - 5 г. Суточная потребность организма человека в липидах составляет 102 г, в том числе растительные 72 г. Липиды являются основным источником энергии, участвуют в синтезе холестерина, других стероидов. Оптимальным является соотношение растительного и животного жира 7 : 3. При этом обеспечивается сбалансированное поступление различных жирных кислот: 30 % насыщенных, 60 % мононенасыщенных, 10 % полиненасыщенных жирных кислот. Суточная потребность в незаменимых жирных кислотах (линолевой кислоты, линоленовой кислоты) составляет 3 – 6 г. Физиологически ценными являются фосфолипиды, которые необходимы для обновления клеток и внутриклеточных структур. Суточная потребность в фосфолипидах составляет 5 г. Суточная потребность организма человека в белках составляет 85 г, в том числе белков животного происхождения 50 г. Белки, поступающие с пищей, выполняют функции строительного материала, для синтеза и обновления белков, обеспечивают гормональный обмен, являются источником энергии. Для нормального питания количество незаменимых аминокислот в пищевом рационе должно составлять 36 - 40 %, что обеспечивается соотношением в продуктах питания белков растительных и животных 45 : 55 %. Витамины и витаминоподобные вещества участвуют в метаболизме веществ в организме человека, входят в состав коферментов и ферментов, влияют на процессы обмена веществ в организме человека. Потребность человека в витаминах должна удовлетворяться за счет потребления натуральных продуктов. Суточная потребность в витаминах приведена в таблице 6.1. Минеральные вещества необходимы для нормального питания, они выполняют различные функции: входят в структурные компоненты костей, являются электролитами при поддержании водно-солевого состава крови и тканей, являются простетическими группами в составе различных ферментов, влияют на процессы обмена веществ в организме человека. Суточное 7 содержание в пищевом рационе минеральных веществ, представлено в таблице 4.1. Оптимальное соотношение основных макроэлементов – кальция, фосфора, магния должно составлять 1 : 1,5 : 0,5 или в граммах 800 : 1200 : 400. Очень важно с пищей обеспечить поступление в организм необходимых пищевых веществ в оптимальном количестве и в нужное время. Потребность в различных пищевых веществах и энергии зависит от пола, возраста, характера трудовой деятельности человека, климатических условий и ряда других факторов. Нормы потребления важнейших пищевых веществ и энергии для взрослого человека приведены в таблице 1.1. Режим питания базируется на четырех правилах: - регулярность питания, - дробность питания, - рациональный подбор продуктов, - оптимальное распределение пище в течение дня. Таблица 1.1 Нормы потребления пищевых веществ и энергии Пищевое вещество Вода, г Белки, г В том числе животные Незаменимые аминокислоты, г Усвояемые углеводы, г В том числе моно- и дисахариды Липиды, г В том числе растительные Незаменимые жирные кислоты, г Фосфолипиды, г Растительные липиды, г Пищевые волокна, г В том числе пектин, г Энергетическая ценность, ккал Суточная потребность, 1750-2200 85 50 30 400 - 500 50-100 102 72 3-6 5 20-25 25 5 3000 Регулярность питания связана с соблюдением времени приема пищи. У человека формируется рефлекс выделения пищеварительного сока, что обеспечивает нормальное переваривание и усвоение пищи. Дробность питания должна составлять 3-4 приема в сутки. При трехразовом приеме завтрак должен составлять 30 % пищевого рациона, обед 45-50 %, а ужин 20-25 %. Ужин не должен превышать трети дневного рациона. Рациональный подбор продуктов при каждом приеме пищи должен обеспечить оптимальные условия для усвоения пищи. Белки животного 8 происхождения рекомендуется употреблять в первой половине дня, молочную и растительную пищу – во второй. Оптимальное распределение пищи в течение дня обеспечивает равномерную нагрузку на пищеварительную систему. Рекомендуемые размеры ежедневного потребления пищевых продуктов приведены в таблице 1.2. 1.3 Определение энергетической и пищевой ценности продуктов питания На основании норм потребности человека в основных пищевых веществах и данных о химическом составе пищевых продуктов можно рассчитать пищевую ценность продукта, а также составить индивидуальный рацион питания. Под пищевой физиологической ценностью продукта питания понимают сбалансированное содержание в пищевом продукте усвояемых незаменимых веществ: незаменимых аминокислот, витаминов, минеральных веществ, ненасыщенных жирных кислот. Понятие пищевой ценности включает также оптимальное соотношение в пищевых продуктах белков, жиров, углеводов, которое составляет 1 : 1,2 : 4 или 85 : 102 : 360 граммов. При расчете пищевой ценности продукта определяется процентное содержание в продукте пищевых веществ: минеральных веществ (кальция, магния и т.д.), витаминов (тиамина, аскорбиновой кислоты и т.д.), от оптимального суточного потребления этого вещества. По полученным результатам делается вывод о полноценности или неполноценности продукта питания по его составу. Энергия, которая освобождается из пищевых веществ в процессе биологического окисления используется для обеспечения физиологических функций организма, определяет энергетическую ценность пищевого продукта. Энергетическую ценность продуктов питания принято выражать в килокалориях, расчет ведут на 100 г продукта. При необходимости пересчета в системе СИ используют переводной коэффициент 1 ккал = 4,184 кДж. Коэффициенты пересчета энергетической ценности важнейших составных частей сырья и пищевых продуктов составляют: Белки - 4 ккал; Углеводы - 4 ккал; Сумма моно – и дисахаридов – 3,8 ккал; Жиры – 9 ккал; Органические кислоты – 3 ккал Спирт этиловый - 7 ккал. 9 Таблица 1.2 Рекомендуемые размеры ежедневного потребления пищевых продуктов Пищевые продукты г/день Хлеб и хлебопродукты в пересчете 279 на муку Картофель 310 Овощи и бахчевые 381 Фрукты и ягоды 194 Сахар 112 Мясо и мясопродукты 232 Рыба и рыбопродукты 65 Молоко и молочные продукты в 1096 пересчете на молоко Молоко цельное 337 Молоко обезжиренное 35 Масло животное (21,7)* 16,7 Творог (4,0)* 24,9 Сметана и сливки (9,0)* 17,8 Сыр, брынза (8,0)* 16,7 Яйца, штук 0,8 Масло растительное, маргарин 33 * В скобках - коэффициент пересчета продукта в молоко. Для расчета пищевой и энергетической ценности продуктов необходимо знать химический состав продуктов. Эти сведения можно найти в специальных справочниках. Энергетическая ценность продукта рассчитывается по формуле 1.1 Э = (Х белок × 4) + (Х углеводы ×4 ) + (Х жиры × 9) + + (Х орг.кислоты ×3 ) + (Х спирт × 7) (1.1) По уровню энергетической ценности (калорийности) пищевые продукты делятся на четыре группы: - Особо высокоэнергетичные (шоколад, жиры) 400 - 900 ккал - Высокоэнергетичные (сахар, крупа) 250 - 400 ккал - среднеэнергетичные (хлеб, мясо) 100 – 250 ккал - Низкоэнергетичные (молоко, рыба, овощи, фрукты) до 100 ккал На выполнение всех функций организма человек затрачивает ежедневно 2200-2400 ккал для женщин и 2550-2800 ккал для мужчин. При повышенных физических нагрузках затраты энергии возрастают до 3500 – 4000 ккал. 10 ТЕМА 2 БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА. РОЛЬ БЕЛКОВ В ПИТАНИИ. ПРОБЛЕМА БЕЛКОВОГО ДЕФИЦИТА 2.1 Классификация белков 2.2 Неферментативные превращения белков 2.3 Ферментативный гидролиз белков 2.4. Пищевая ценность белков 2.1 Классификация белков Белковыми веществами называются высокомолекулярные органические соединения, молекулы которых состоят из остатков 20 различных αаминокислот. Белки играют огромную роль в деятельности живых организмов, в том числе и человека. Наиболее важными функциями белков являются: - структурная функция (соединительные ткани, мышцы, волосы и т.д.); каталитическая функция (белки входят в состав ферментов); - транспортная функция (перенос кислорода гемоглобином крови); защитная функция (антитела, фибриноген крови), - сократительная функция (миозин мышечной ткани); гормональная (гормоны человека); - резервная (ферритин селезенки). Резервная или питательная функция белков заключается в том, что белки используются организмом человека для синтеза белков и биологически активных соединений на основе белка, которые регулируют процессы обмена в организме человека. Белки состоят из остатков α - аминокислот соединенных пептидной связью (- СО – NН -), которая образуется за счет карбоксильной группы первой аминокислоты и α - аминогруппы второй аминокислоты. Существует несколько видов классификации белков. Классификация по строению пептидной цепочки: различают спиралевидную форму в виде α - спирали и складчатую структуру в виде β спирали. Классификация по ориентации белковой молекулы в пространстве: 1.Первичная структура представляет собой соединение аминокислот в простейшую линейную цепь за счет только пептидных связей. 2.Вторичная структура представляет собой пространственное расположение полипептидой цепи в виде ά - спирали или β - складчатой структуры. Структура удерживается за счет возникновения водородных связей между соседними пептидными связями. 3.Третичная структура представляет собой специфическое укладывание ά - спирали в виде глобул. Структура удерживается за счет возникновения связей между боковыми радикалами аминокислот. 11 4.Четвертичная структура представляет собой соединение нескольких глобул, находящихся в состоянии третичной структуры, в одну укрупненную структуру, обладающую новыми свойствами, не характерными для отдельных глобул. Глобулы удерживаются за счет возникновения водородных связей. Поддержание характерной пространственной третичной структуры белковой молекулы осуществляется за счет взаимодействия боковых радикалов аминокислот между собой с образованием связей: водородных, дисульфидных, электростатических, гидрофобных. Конфигурации перечисленных связей приведены на рисунке 2.1. Классификация по степени растворимости белка. - Водорастворимые белки имеют небольшую молекулярную массу, их представляют альбумины яйца. - Солерастворимые белки растворяются в 10 % растворе хлорида натрия, их представляют глобулины: белок молока казеин, белок крови глобулин. - Щелочерастворимые белки растворяются в 0,2 % растворе гидроксила натрия, их представляют глютелины: белок клейковины пшеницы. - Спирторастворимые белки растворяются в 60-80 % спирте, их представляют проламины: белки злаковых культур. Классификация по строению белка. Белки по строению белковой молекулы разделяются на простые или протеины и сложные или протеиды. В состав простых белков входят только аминокислоты, в состав сложных белков входят аминокислоты (апобелок) и вещества небелковой природы (простетическая группа), которая включает: фосфорную кислоту, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и т.д. Протеиды подразделяются на подгруппы в зависимости от состава небелковой части: - Липопротеиды состоят из белка и остатков липидов, они входят в состав клеточных мембран, в протоплазму клеток. - Гликопротеиды состоят из белка и высокомолекулярных углеводов, входят в состав яичного белка. - Хромопротеиды состоят из белка и красящих веществ - пигментов, имеющих в своем составе металлы, например гемоглобин содержит железо. - Нуклеопротеиды состоят из белка и нуклеиновых кислот, входят в состав протоплазмы клеток и в ядро клетки. - Фосфопротеиды состоят из белка и фосфорной кислоты, входят в состав клетки. 2.2 Неферментативные превращения белков Белки находят применение в производстве пищевых продуктов не только как питательные ингредиенты, они обладают специфическими свойствами – 12 функциональными свойствами, которые обеспечивают структуру, влияют на технологию производства пищевого продукта. Рис. 2.1 Виды связей в молекуле белка Водородные: 1- между пептидными группами; 2 – между карбоксильной группой (аспарагиновая и глютаминовыя кислоты) и спиртовым гидроксилом (серин); 3между фенольным гидроксилом и имидозолом. Электростатическое взаимодействие: 4 –между основанием и кислотой (аминогруппой лизина и карбоксильной группой аспарагиновой и глютаминовой аминокислот). Гидрофобные: 5 -при участии лейцина, изолейцина, валина, аланина; 6 – с участием фенилаланина. Водосвязывающая способность или гидратация. Белки способны связывать воду, то есть проявляют гидрофильные свойства. При этом белки набухают, увеличивается их масса и объем. Гидрофильность клейковинных белков – один из признаков, характеризующих качество зерна и муки. Цитоплазма клетки представляет стабилизированную суспензию из молекул белка. В процессе технологической переработки сырья происходит связывание воды, продукты увеличиваются в объеме – набухают. Денатурация белков – это процесс изменения пространственной структуры белка под влиянием внешних факторов: нагревание, механическое воздействие, химическое воздействие, физическое воздействие и т. д. При денатурации распадается четвертичная, третичная, вторичная структура белка, но сохранятся первичная структура и не изменяется химический состав белка. При денатурации меняется физические свойства белка: снижается растворимость и водосвязывающая способность, теряется биологическая 13 активность белка. Одновременно увеличивается активность некоторых химических групп, облегчается ферментативный гидролиз белка. При технологической переработке сырья (очистка, перемешивание, варка, обработка химическими реагентами, использование вакуума или повышенного давления) белки подвергаются денатурации, что повышает степень их усвоения. Пенообразование. Белки способны образовывать высококонцентрированные системы жидкость – газ, твердое тело - газ в виде пены. Белки выполняют функцию пенообразователей в кондитерской промышленности (суфле, пастила), в хлебопечении, в производстве пива. Поверхность газовых пузырьков покрывает жидкая или твердая оболочка, состоящая из белков. При истончении этой оболочки газовые пузырьки лопаются, происходит коалисценция или слияние пузырьков, пена становится рыхлой, менее стойкой. Устойчивость структуры пены является важным фактором повышения качества пищевых продуктов, в том числе и пива. Меланоидинообразование (реакция Майяра). При взаимодействии аминогрупп белков и аминокислот с карбонильными группами углеводов происходит реакция меланоидинообразования. Это окислительновосстановительный процесс с образованием различных промежуточных продуктов, конечные продукты реакции – меланоидины имеют коричневый цвет, влияют на цвет и вкус готовых продуктов. Реакция Майяра происходит при сушке солода, при кипячении сусла с хмелем, при выпечке хлеба, при варке сахарных сиропов, при переработке овощей и фруктов. Скорость и глубина реакции меланоидинообразования зависит от состава продукта, уровня рН среды (более благоприятна слабощелочная среда), температура, влажность. Меланоидинообразование снижает активность витаминов и ферментов, что приводит к снижению пищевой ценности продуктов. 2.3.Ферментативный гидролиз белков Гидролиз белков осуществляют протеолитические ферменты. Большое разнообразие протеолитических ферментов связано со специфичностью их воздействия на белок. Место приложения или действия протеолитического фермента связано со структурой радикалов, находящихся рядом с пептидной связью. Пепсин расщепляет связь между фенилаланином и тирозином, глутаминовой кислотой и цистином (метионином, глицином), между валином и лейцином. Трипсин расщепляет связь между аргинином (лизином) и другими аминокислотами. Химотрипсин – между ароматическими аминокислотами (триптофан, тирозин, фенилаланин) и метионином. Аминопептидазы действуют со стороны N – концевой аминокислоты, карбоксипептидазы со стороны С – концевой аминокислоты. Эндопептидазы разрушают белок внутри молекулы, экзопептидазы – действуют с конца молекулы. Для полного гидролиза белковой молекулы необходим набор большого количества различных протеолитических ферментов. Гидролиз белка можно представить в виде схемы: 14 химотрепсин аминопептидаза пепсин пепсин трипсин карбоксипептадаза аминопептидаза БЕЛКИ → АЛЬБУМОЗЫ → ПОЛИПЕПТИДЫ → ПЕПТИДЫ → ДИПЕПТИДЫ → → АМИНОКИСЛОТЫ 2.4 Пищевая ценность белков Биологическая ценность белков определяется сбалансированностью аминокислотного состава по содержанию незаменимых аминокислот. В эту группу входят аминокислоты, которые не синтезируются в организме человека. К незаменимым аминокислотам относят аминокислоты: валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, лизин, треонин, метионин, триптофан. Аминокислоты аргинин и гистидин относятся к частично заменимым, так как они медленно синтезируются организмом человека. Отсутствие в пище одной или нескольких незаменимых аминокислот приводит к нарушению деятельности центральной нервной системы, останавливают рост и развитие организма, к неполному усвоению других аминокислот. Биологическая ценность белков рассчитывается по аминокислотному скору (а.с.). Аминокислотный скор выражается в процентах, представляющих отношение содержания незаменимой аминокислоты в исследуемом белке продукта к ее количеству в эталонном белке. Аминокислотный состав эталонного белка сбалансирован и идеально соответствует потребностям человека в каждой незаменимой аминокислоте. Аминокислота, скор которой имеет самое низкое значение, называется первой лимитирующей аминокислотой. Например, в белке пшеницы лимитирующей является аминокислота лизин, в кукурузе – метионин, в картофеле и бобовых культурах лимитирующими являются метионин и цистин – это серосодержащие аминокислоты. Животные и растительные белки отличаются по биологической ценности. Аминокислотный состав животных белков близок к аминокислотному составу белков человека, поэтому животные белки являются полноценными. Белки растительные содержат пониженное содержание лизина, триптофана, треонина, метионина, цистина. Биологическая ценность белков определяется степенью их усвоения в организме человека. Животные белки имеют белее высокую степень усвояемости, чем растительные. Из животных белков в кишечнике всасывается 90 % аминокислот, а из растительных 60 - 80 %. В порядке убывания скорости усвоения белков продукты располагаются в последовательности: рыба > молочные продукты > мясо > хлеб > крупы 15 Одной из причин низкой усвояемости растительных белков является их взаимодействие с полисахаридами, которые затрудняют доступ пищеварительных ферментов к полипептидам. При недостатке в пище углеводов и липидов требования к белку несколько изменяется. Наряду с биологической ролью белок начинает выполнять энергетическую функцию. При усвоении 1 грамма белка выделяется 4 ккал энергии. При избыточном потреблении белка возникает опасность синтеза липидов и ожирения организма. Суточная потребность взрослого человека в белках составляет 5 г на 1 кг массы тела или 70 - 100 г в сутки. На долю белков животного происхождения должно приходиться 55 % и растительного происхождения 45 % от суточного рациона человека. ТЕМА 3 УГЛЕВОДЫ. Содержание и функциональная роль углеводов в сырье, полуфабрикатах и пищевых продуктах 3.1 Классификация и строение углеводов 3.2 Превращения моно и дисахаридов 3.3 Ферментативный гидролиз полисахаридов 3.4 Пищевая ценность углеводов 3.1 Классификация и строение углеводов Углеводами называются полиоксиальдегиды и полиоксикетоны, а также соединения, которые превращаются в них после гидролиза. Углеводы подразделяются на три группы: -моносахариды; - олигосахариды или дисахариды; - полисахариды. Моносахариды обычно содержат пять или шесть атомов углерода. Из пентоз распространены: арабиноза, ксилоза, рибоза. Из гексоз часто встречаются: глюкоза, фруктоза, галактоза. Рибоза является важнейшей составной частью биологически активных молекул, ответственных за передачу наследственной информации, перенос химической энергии, необходимой для осуществления многих биохимических реакций живого организма, так как входит в состав рибонуклеиновой кислоты (РНК), дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), аденозинтрифосфата (АТФ) и т.д. Арабиноза и ксилоза входят в состав полисахарида гемицеллюлозы. Глюкоза входит в состав фруктов 2-8 %, в состав полисахаридов: крахмала, гликогена, целлюлозы, гемицеллюлозы, а также в состав дисахаридов: мальтоза, целлобиоза, сахароза, лактоза. Фруктоза входит в состав фруктов 28 %, является составной частью дисахарида сахароза. Галактоза является составной частью дисахарида лактоза, производные галактозы входят в состав полисахарида пектин. 16 Олигосахариды являются полисахаридами первого порядка, то есть состоят их 2-10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. Из олигосахаридов более распространены дисахариды, важное практическое значение в бродильных производствах имеют декстрины, состоящие из трех, четырех и более остатков глюкозы. Из дисахаридов разделяют восстанавливающие и невосстанавливающие дисахариды. К восстанавливающим относят дисахариды, имеющие свободный полуацетальный гидроксил, это мальтоза, целлобиоза, лактоза. К невосстаннавливающим относят дисахариды, у которых в образовании гликозидной связи участвует два полуацетальных гидроксила, это дисахариды сахароза и трегалоза. В состав мальтозы входит α-D-глюкопираноза связь 1,4. Мальтоза образуется в качестве промежуточного продукта гидролиза крахмала или гликогена. В состав целлобиозы входит ß-D-глюкопираноза связь 1,4. Целлобиоза входит в состав полисахарида целлюлоза и образуется в качестве промежуточного продукта ее гидролиза. В состав лактозы входит ß-D-галактопираноза и α-D-глюкопираноза связь 1,4. Лактоза содержится в молоке и молочных продуктах, часто называется молочным сахаром. На рисунке формула глюкозы приведена в перевернутом виде 17 В состав сахарозы входит ß -D- фруктофураноза и α -D-глюкопираноза связь 1,2. Сахароза входит в состав распространенного пищевого продуктасахара. Гидролиз сахарозы осуществляет фермент инвертаза или ß-фруктофуранозидаза, при гидролизе сахарозы образуется фруктоза и глюкоза. Этот процесс называется инверсия сахарозы. Продукты гидролиза сахарозы улучшают вкус и аромат продуктов, предупреждают черствение хлеба. САХАРОЗА В состав трегалозы входит α -D-глюкопираноза связь 1,1. Трегалоза входит в состав углеводов грибов и редко встречается среди растений. Полисахариды второго порядка состоят из большого количества остатков углеводов. По строению полисахариды могут состоять из моносахаридных единиц одного типа - это гомополисахариды, а также из мономерных звеньев двух и более типов – это гетеропилисахариды. Полисахариды могут иметь линейное строение или разветвленное строение. Крахмал состоит из остатков α -D-глюкопиранозы. Связь 1,4 у линейной структуры крахмала, которая называется амилоза и связи 1,4 и 1,6 у разветвленной структуры крахмала, которая называется амилопектин. Крахмал является основной углеводной составляющей пищи человека. Это главный энергетический ресурс человека. Гликоген состоит из остатков α-D-глюкопиранозы, связь 1,4 и 1.6, разветвление у гликогена находятся через каждые 3-4 звена глюкозы. Гликоген является запасным питательным веществом живой клетки. Гидролиз гликогена осуществляют амилолитические ферменты. 18 КРАХМАЛ Целлюлоза или клетчатка состоит из остатков ß-D-глюкопиранозы связь 1,4. Целлюлоза является распространенным растительным полисахаридом, входит в состав древесины, скелета стеблей и листьев, оболочки зерновых культур, овощей и фруктов. Целлюлоза не расщепляется ферментами желудочно-кишечного тракта человека, поэтому в питании человека играет роль балластного вещества – пищевых волокон, способствующих очистке кишечника человека. Пектиновые вещества состоят их остатков галактуроновой кислоты и метоксилированной галактуроновой кислоты, соединенных α - (1,4) гликозидными связями. Различают три разновидности пектиновых веществ: - протопектин или нерастворимый пектин, находится в связанном состоянии с гемицеллюлозой, целлюлозой или белком; - растворимый пектин имеет высокую степень этерификации с остатками метилового спирта. Растворимый пектин способен в кислой среде и в присутствии сахара образовывать желе и гели; - пектовые кислоты не имеют остатков метилового спирта, при этом пектовая кислота теряет способность образовывать желе и гели. МЕТОКСИЛИРОВАННАЯ ПОЛИГАЛАКТУРОНОВАЯ КИСЛОТА 19 Пектин имеет молекулярную массу 20-30 тыс. единиц, не усваивается организмом человека, относится к балластным углеводам (пищевым волокнам). Гемицеллюлозы являются гетерополисахаридами, так как в их состав входят ß -D- глюкопираноза, связь 1,4 (до 70 %) и 1,3 (до 30 %), ß -D- ксилопираноза, связь 1,4 и ß -L- арабофуроноза, связь 1-2 и 1-3. Реже встречаются остатки галактозы и маннозы. Молекулярный вес гемицеллюлоз 60 тысяч единиц. Гемицеллюлозы входят в состав клеточных оболочек растений, в том числе в оболочки стенок крахмальных зерен, затрудняя действие амилолитических ферментов на крахмал. 3.2 Превращения моно и дисахаридов Дыхание это экзотермический процесс ферментативного окисления моносахаридов до воды и диоксида углерода: С6 Н12 О6 + 6О2 → 6СО2 ↑ + 6Н2 О + 672 ккал глюкоза (фруктоза) Дыхание является важнейшим источником энергии для человека. Для осуществления процесса дыхания необходимо большое количество кислорода. При недостатке кислорода или его отсутствии происходит процесс брожения моносахаридов. Существует несколько видов брожения, в которых принимают участие различные микроорганизмы. Спиртовое брожение осуществляется при участии ферментов дрожжей по следующей схеме: Дрожжи (ферменты) С6 Н12 О6 → 2СО2 ↑ + 2С2 Н5 ОН+ 57 ккал глюкоза (фруктоза) В результате реакции спиртового брожения, под действием комплекса ферментов дрожжей, образуется две молекулы этилового спирта и две молекулы диоксида углерода. Моносахариды сбраживаются дрожжами с различной скоростью. Наиболее легко сбраживается глюкоза и фруктоза, труднее манноза, практически не сбраживается галактоза – основной углевод молока. Пентозы дрожжами не сбраживаются. Наряду с моносахаридами глюкоза и фруктоза, дрожжи могут сбраживать дисахариды мальтоза исахароза, так как дрожжи обладают ферментами, способными разложить молекулы этих двух дисахаридов до глюкозы и фруктозы (ά -гликозидаза и βфруктофуранозидаза). Спиртовое брожение играет важную роль в процессе производства пива, спирта, вина, кваса, в хлебопечении. Наряду с главными продуктами брожения – этиловым спиртом и диоксидом углерода, при спиртовом брожении образуются побочные и вторичные продукты брожения: глицерин, уксусный альдегид, уксусная кислота, изоамиловый и другие 20 высшие спирты. Эти продукты влияют на органолептические свойства продуктов, часто ухудшают их качество. Молочнокислое брожение осуществляется при участии ферментов молочнокислых бактерий: молочнокислые бактерии (ферменты) С6 Н12 О6 → 2СН3 − СН (ОН) − СООН +52 ккал глюкоза (фруктоза) В результате реакции молочнокислого брожения под действием комплекса ферментов образуется две молекулы молочной кислоты. Молочнокислое брожение играет важную роль в процессе производства кисломолочных продуктов, кваса, квашении капусты. Маслянокислое брожение осуществляется при участии ферментов маслянокислых бактерий: маслянокислые бактерии (ферменты) С6Н12О6 Моносахариды → СН3 − СН2 − СН2 − СООН + 2СО2 ↑ +2 Н2 ↑ В результате реакции маслянокислого брожения образуется молекула масляной кислоты две молекулы диоксида углерода и водород. Этот процесс происходит на дне болот при разложении растительных остатков, а также при возникновении инфекции маслянокислыми микроорганизмами в процессе производства продуктов питания. Лимоннокислое брожение осуществляется при участии ферментов плесневого гриба Aspergillus niger: ОН плесневый гриб (ферменты) | С6 Н12 О6 + [О] → СООН − СН2 − С − СН2 − СООН глюкоза (фруктоза) | СООН В результате реакции лимоннокислого брожения образуется молекула лимонной кислоты. В основе этой реакции лежит процесс получения лимонной кислоты. Карамелизация. Реакция карамелизации осуществляется при нагреве свыше 100 °С растворов глюкозы, фруктозы, сахарозы. При этом происходят различные превращения углеводов. При нагревании сахарозы в слабокислой среде происходит частичный гидролиз (инверсия) с образованием глюкозы и фруктозы. От молекул глюкозы и фруктозы при нагревании может отщепляться три молекулы воды, происходит дегидратация с образованием оксиметилфурфурола, дальнейшее разрушение которого приводит к разрушению углеродного скелета и образованию муравьиной и левулиновой 21 кислот. Оксиметилфурфурол образуется при нагревании растворов углеводов низкой концентрации – 10 - 30 %, это вещество имеет коричневый цвет и специфический запах пропеченной корочки хлеба. На первом этапе реакции карамелизации от молекулы сахарозы отщепляется две молекулы воды. Образуется карамелан, состоящий из ангидроколец, содержащих в кольце двойные связи (дигидрофуран, циклогексанолон и другие соединения), которые имеют коричневый цвет. На втором этапе отщепляется три молекулы воды и образуется карамелен, имеющий темнокоричневый цвет. На третьем этапе происходит конденсация молекул сахарозы и образуется карамелин, имеющий темнокоричневый цвет, плохо растворимый в воде. Карамелизация сахарозы осуществляется при содержании сахарозы 70 - 80 %. Схема превращения дисахаридов при нагревании: 70-80 % ДИСАХАРИДЫ → КАРАМЕЛАН → КАРАМЕЛЕН → КАРАМЕЛИН Схема превращения моносахаридов при нагревании: 10-30 % ГЛЮКОЗА, ФРУКТОЗА → АНГИДРИДЫ → ОКСИМЕТИЛФУРФУРОЛ ↓ МУРАВЬИНАЯ КИСЛОТА, ЛЕВУЛИНОВАЯ КИСЛОТА Меланоидинообразование или реакция Майяра. Реакция взаимодействия восстанавливающих дисахаридов и моносахаридов с аминокислотами, пептидами, белками. В результате взаимодействия карбонильной (альдегидной или кетонной) группы углеводов и аминогруппы белков и аминокислот происходят многостадийные превращения продуктов реакции с образованием глюкозоамина, который подвергается перегруппировке по Амадори и Хейтсу, затем образуются меланоидиновые пигменты, имеющие темно-коричневый цвет, специфический вкус и запах. Реакция меланоидинообразования является основной причиной неферментативного потемнения пищевых продуктов. Такое потемнение происходит при выпечке хлеба, при сушке солода, при кипячении сусла с хмелем в производстве пива, при сушке фруктов. Скорость реакции зависит от состава взаимодействующих продуктов, рН среды, температуры, влажности. В результате реакции меланоидинообразования снижается содержание углеводов и аминокислот, в том числе и незаменимых, на 25 %, что приводит и к изменению качества готового продукта, снижению его пищевой и энергетической ценности. Имеются сведения, что продукты реакции меланоидинообразования обладают андиоксидантными свойствами, снижают усвоение белков. 22 Схема взаимодействия восстанавливающих моносахаридов с аминокислотами в упрощенном виде: дисахаридов и УГЛЕВОД + АМИНОКИСЛОТА → ГЛЮКОЗОАМИН → → МЕЛАНОИДИНЫ 3.3 Ферментативный гидролиз полисахаридов Гидролиз крахмала осуществляют амилолитические ферменты. Фермент α-амилаза гидролизует крахмал действуя хаотично, разрывает 1,4 связь с образованием декстринов и небольшого количества мальтозы. Фермент α-амилаза действуя на крахмальное зерно образует каналы, раскалывая полисахарид на части. Схема гидролиза крахмала приведена на рисунке 3.1. α-амилаза КРАХМАЛ (ГЛИКОГЕН) → ДЕКСТРИНЫ + МАЛЬТОЗА + ГЛЮКОЗА (много) (мало) (мало) Рис. 3.1- Схема гидролиза крахмала ферментом α-амилаза Фермент ß-амилаза гидролизует крахмал действуя с конца цепочки, разравыет связь 1,4 и образует мальтозу, в местах разветвления амилопектина действие ß -амилазы прекращается, в этом случае остается небольшое количество декстринов. Схема гидролиза крахмала ферментом ß –амилаза представлена на рисунке 3.2. β-амилаза КРАХМАЛ (ГЛИКОГЕН) → МАЛЬТОЗА + ДЕКСТРИНЫ (много) (мало) 23 Рис. 3.2- Схема гидролиза крахмала ферментом ß –амилаза Фермент глюкоамилаза действует с конца цепочки, отщепляет одну молекулу глюкозы, разрывает 1,4 связь, в местах разветвления амилопектина действие глюкоамилазы прекращается и остается небольшое количество непрогидролизовавшихся декстринов. Фермент олиго- 1,6- гликозидаза расщепляет 1,6 связь с образованием декстринов. Фермент изомальтаза гидролизует дисахарид изомальтоза до глюкозы. Гидролиз крахмала является важнейшей реакцией, происходящей при технологической переработке сырья в производстве пива, спирта. Гидролиз гликогена осуществляют амилолитические ферменты. Гидролиз пектина осуществляют пектолитические ферменты. Растворимый пектин переходит из нерастворимого пектина в растворимое состояние при действии фермента протопектиназа или в присутствии разбавленных кислот. При этом пектин отщепляется от гемицеллюлозы или других связывающих компонентов. Растворимый пектин способен в кислой среде и в присутствии сахара образовывать желе и гели; Пектовые кислоты образуются из растворимого пектина при действии фермента пектаза (пектинэстереза) или в присутствии разбавленных щелочей, при этом пектовая кислота теряет способность образовывать желе и гели. В результате действия фермента пектаза от растворимого пектина отщепляется метиловый спирт. Ферментативный гидролиз пектина можно представить в виде схемы: протопектиназа пектинэстераза НЕРАСТВОРИМЫЙ ПЕКТИН → РАСТВОРИМЫЙ ПЕКТИН → → ПЕКТОВАЯ КИСЛОТА + МЕТИЛОВЫЙ СПИРТ 24 Гидролиз гемицеллюлоз осуществляют цитолитические ферменты, которые включают эндо-ß- глюканазу, арабинозидазу и ксиланазу. Гемицеллюлозы не способны растворяться в воде, значительно затрудняют гидролиз крахмала. При действии фермента эндо-ß- глюканаза отщепляется остаток глюкозы, при действии фермента арабинозидаза отщепляется остаток арабинозы, а при действии фермента ксилоназа отщепляется остаток ксилозы. При частичном гидролизе гемицеллюлозы образуются гуммивещества или амиланы, которые имеют меньшую молекулярную массу, растворяются в воде, образуя вязкие растворы. От степени гидролиза гемицеллюлоз зависит скорость гидролиза крахмала при осахаривании солода в производстве пива, длительность фильтрации затора. 3.4 Пищевая ценность углеводов Одна из важнейших функций низкомолекулярных углеводов это придание сладкого вкуса продуктам питания. В таблице 3.1 приведена характеристика относительной сладости различных углеводов и сахарозаменителей по сравнению с сахарозой, сладость которой принята за 1 единицу. Углеводы являются основным источником энергии для человека, при усвоении 1 г моно или дисахарида выделяется 4 ккал энергии. Суточная потребность человека в углеводах составляет 400 - 500 г, в том числе моно и дисахаридов 50 - 100 г. Балластных углеводов (пищевых волокон) – целлюлозы и пектиновых веществ в сутки необходимо употреблять 10 - 15 г, они способствуют очищению кишечника и нормализуют его деятельность. Избыток углеводов в питании приводит к ожирению, так как углеводы используются для построения жирных кислот, а также приводит к нарушению деятельности нервной системы, к аллергическим реакциям. Таблица 3.1 Относительная сладость (ОС) углеводов и сахарозаменителей. Углеводы Сахароза ß-D-фруктоза α-D-глюкоза ß-D-глюкоза α-D-галактоза ß-D-галактоза α-D-манноза ß-D- манноза ОС 1 1,8 0,74 0,82 0,32 0,21 0,32 Горькая Углеводы или сахарозаменители α-D-лактоза ß-D-лактоза Ксилоза Сорбит Ксилит Цикломаты Аспартам Сахарин ОС 0,16 0,32 0,40 0,63 0,90 30 180 500 25 ТЕМА 4 Простые и сложные липиды, эссенциальные жирные кислоты в сырье, полуфабрикатах и пищевых продуктах 4.1 Классификация липидов 4.2 Превращения липидов 4.3 Пищевая ценность липидов 4.1. Классификация липидов Липиды являются производными жирных кислот, спиртов, построенных с помощи сложноэфирной связи. В липидах также встречается простая эфирная связь, фосфоэфирная связь, гликозидная связь. Липидами называют сложную смесь органических соединений с близкими физико-химическими свойствами. Липиды нерастворимы в воде (гидрофобны), но хорошо растворимы в органических растворителях (бензине, хлороформе). Различают липиды растительного происхождения и животного происхождения. В растениях накапливается в семенах и плодах, больше всего в орехах (до 60 %). У животных липиды концентрируются в подкожных, мозговой, нервных тканях. В рыбе содержится 10-20 % , в мясе свинины до 33 %, в мясе говядины 10 % липидов. По строению липиды разделяют на две группы: - простые липиды - сложные липиды. К простым липидам относят сложные (жир и масло) или простые (воск) эфиры высших жирных кислот и спиртов. Строение жиров и масел можно представить общей формулой: СН2 - О – СО - R1 | СН – О - СО – R2 | СН2 - О – СО - R3 Где: радикалы жирных кислот - R1 ,R2 , R3. Сложные липиды имеют в своем составе соединения, содержащие атомы азота, серы, фосфора. В эту группу относят фосфолипиды. Они представлены фосфотидной кислотой, которая содержат только фосфорную кислоту, занимающую место одного из остатков жирных кислот, и фосфолипидами, в состав которых входят три азотистых основания. Азотистые основания присоединяются к остатку фосфорной кислоты у фосфотидной кислоты. Фосфотидилэтаноламин содержит азотистое основание этаноламин НО - СН2 – СН2 - NH2 . Фосфотидилхолин содержит азотистое основание холин [НО- СН2 – (СН3 )3 N]+(ОН), это вещество называют лецитин. Фосфотидилсерин содержит аминокислоту серин НО- СН(NH2) – СООН. 26 Сложные липиды содержат остатки углеводов – гликолипиды, остатки белков – липопротеиды, спирт сфингозин (вместо глицерина) содержат сфинголипиды. Гликолипиды выполняют структурные функции, входят в состав клеточных мембран, в состав клейковины зерна. Чаще всего в составе гликолипидов встречаются моносахариды D- галактоза, D – глюкоза. Липопротеиды входят в состав клеточных мембран, в протоплазму клеток, влияют на обмен веществ. Сфинголипиды участвуют в деятельности центральной нервной системы. При нарушении обмена и функционирования сфинголипидов развиваются нарушения в деятельности центральной нервной системы. Наиболее распространены простые липиды – ацилглицнриды. В состав ацилглицеридов входят спирт глицерин и высокомолекулярные жирные кислоты. Наиболее распространены среди жирных кислот насыщенные кислоты (не содержащие кратных связей) пальмитиновая (С15Н31СООН) и стеариновая (С17 Н35СООН) кислоты и ненасыщенные кислоты (содержащие кратные связи): олеиновая с одной двойной связью (С17 Н33СООН), линолевая с двумя кратными связями (С17 Н31СООН), линоленовая с тремя кратными связями (С17 Н29СООН). Среди простых липидов главным образом встречаются триацилглицериды (содержат три одинаковых или различных остатка жирных кислот). Однако простые липиды могут быть представлены в виде диацилглицеридов и моноацилглицеридов. В составе жиров преимущественно находятся насыщенные жирные кислоты. Жиры имеют твердую консистенцию и повышенную температуру плавления. Содержатся преимущественно в липидах животного происхождения. Масла содержат в основном ненасыщенные жирные кислоты, имеют жидкую консистенцию и низкую температуру плавления. Содержатся в липидах растительного происхождения. Восками называют сложные эфиры, в состав которых входит один высокомолекулярный одноатомный спирт с 18 - 30 атомами углерода, и одна высокомолекулярная жирная кислота с 18 – 30 атомами углерода. Воска встречаются в растительном мире. Воск покрывает очень тонким слоем листья, плоды, предохраняя их от переувлажнения, высыхания, воздействия микроорганизмов. Содержание воска невелико и составляет 0,01 - 0,2 %. Среди сложных липидов распространены фосфолипиды. В составе фосфолипидов имеются заместители двух типов: гидрофильные и гидрофобные. Гидрофобными выступают радикалы жирных кислот, а гидрофильными - остатки фосфорной кислоты и азотистые основания. Фосфолипиды участвуют в построении мембран клетки, регулируют поступление в клетку питательных веществ. При извлечении липидов из масличного сырья в масло переходят различные жирорастворимые соединения: фосфолипиды, пигменты, жирорастворимые витамины, стеролы и стерины. Извлекаемая смесь называется «сырой жир». При очистке (рафинировании) растительных масел 27 практически все компоненты, сопутствующие маслам удаляются, что значительно снижает пищевую ценность масла. Из жирорастворимых пигментов следует отметить группу каротиноидов – предшественников витамина А. По химической природе это углеводороды. Это вещества красно-оранжевого цвета. Хлорофилл – зеленый краситель растений. Стероиды это циклические соединения, имеющие структуру пергидроциклопентанофенантрена. Из стероидов большое влияние на человека оказывает холистерин. Он участвует в обмене гормонов, желчных кислот. 4.2 Превращения липидов Превращения липидов можно разделить на реакции, протекающие с участием сложноэфирных групп, и с участием радикалов углеводородов. Гидролиз липидов. Различают три варианта гидролиза липидов: - Кислотный гидролиз проходит в присутствии растворов кислот; - Щелочной гидролиз проходит в присутствии растворовщелочей; - Ферментативный гидролиз проходит под действием фермента липаза. В результате гидролиза липидов осуществляется разрушение сложноэфирной группировки. Из триацилглицеридов образуются вначале ди-, затем моноацилглицериды, а далее многоатомный спирт глицерин и свободные жирные кислоты. Гидролитический распад липидов пищевых продуктов является одной из причин ухудшения их качеств, в конечном счете – их порче. Процессы гидролиза липидов ускоряются при повышенной влажности, повышенной температуре хранения, активности фермента липазы. Переэтерификация липидов. Эта реакция приводит к обмену остатками жирных кислот у липидов. Различают внутримолекулярную переэтерификацию, когда ацильный радикал мигрирует внутри молекулы липида, и межмолекулярную переэтерификацию, когда ацильный радикал мигрирует между различными молекулами липидов. Эта реакция приводит к изменению физико-химических свойств жировых смесей. Переэтерификация высокоплавких животных жиров с жидкими растительными маслами позволяет получить пластичные жиры, которые являются основой для получения маргарина. Возможно также получение аналога молочного жира, кондитерского жира. Гидрирование липидов. При гидрировании липидов происходит разрыв кратных связей у остатков жирных кислот с присоединением водорода. При этом можно направленно изменять жироно-кислотный состав исходного липида. В первую очередь расщепляются кратные связи линоленовой кислоты, затем линолевой, затем олеиновой. В конечном итоге образуется стеариновая кислота. В результате реакции гидрирования получается продукт с заранее заданными свойствами, его называют саломас. Саломасы применяют в производстве маргарина. Реакция гидрирования протекает по схеме: 28 + Н2 + Н2 + Н2 СН³ 18 → СН² 18 → СН¹18 → линоленовая линолевая олеиновая кислота кислота кислота СНº18 стеариновая кислота Окисление липидов. Липиды подвергаются окислению кислородом воздуха. Первыми продуктами окисления являются гидропероксиды, которые внедряются в радикал карбоновой кислоты. Быстрее всего воздействие оказывается на углерод, ближайший к кратной связи, а у насыщенных жирных кислот атакуется кислородом середина цепочки жирных кислот. Образовавшиеся гидропероксиды неустойчивы, в результате их превращения разрывается цепочка атомов углерода, образуются вторичные продукты окисления: эпоксисоединения, спирты, альдегиды, реже кетоны, карбоновые кислоты с углеродной цепочкой короче, чем у жирной кислоты. Процесс окисления липида можно представить в виде схемы: ЖИРНАЯ КИСЛОТА → ГИДРОПЕРОКСИД → ЭПОКСИСОЕДИНЕНИЯ→ → СПИРТЫ → АЛЬДЕГИДЫ (КЕТОНЫ) → КАРБОНОВАЯ КИСЛОТА Окисление липидов кислородом воздуха является автокаталитическим процессом. Окисление идет по цепному пути, продукты окисления способны реагировать друг с другом и образовывать полимеры. Направление и глубина окисления зависят от состава жирных кислот. С увеличением степени непредельности жирных кислот возрастает скорость их окисления. Скорость окисления составляет: СН³ 18 : линоленовая кислота СН² 18 : СН¹18 линолевая олеиновая кислота кислота как 77 : 27 : 1 Окисление насыщенных жирных кислот происходит значительно медленнее, чем ненасыщенных. На скорость окисления липидов оказывает влияние присутствие влаги, свет, металлов переменной валентности (Pb, Cu, Co, Mn, Fe), антиокислителей. К антиокислителям относят вещества, присутствие которых приводит к обрыву цепей окисления. Вместо активных радикалов, которые бы инициировали процесс окисления, образуются стабильные радикалы, которые не участвуют в этом процессе. Из природных антиокислителей часто применяют текоферол (витамин Е), из синтетических - соединения фенольной природы: ионол, Бутилгидрокситолуол (БОТ), Бутилгидроксианизол (БОА), пропилгаллаты. При внесении антиоксидантов в количестве 0,01 % стойкость жиров к окислению увеличивается в 10 – 15 раз. Подробнее различные антиокислители рассматриваются в дисциплине «Пищевые и биологически активные добавки». 29 Окисление липидов может проходить при действии биологических катализаторов – ферментов. В процессе ферментативного окисления липидов совместно участвуют ферменты липаза и липоксигеназа. На первом этапе окисления липаза осуществляет гидролиз тириацилглицеридов. Этот этап еще называют ферментативное прогоркание. Затем липоксигеназа катализирует образование гидропероксидов ненасыщенных жирных кислот (чаще это линолевая и линоленовая кислоты). Свободные жирные кислоты окисляются быстрее, чем их остатки, входящие в состав молекулы липида. При распаде гидропероксида образуются вещества, аналогичные продуктам окисления кислородом - образуются вторичные продукты окисления: эпоксисоединения, спирты, альдегиды, реже кетоны, карбоновые кислоты с углеродной цепочкой короче, чем у жирной кислоты. В процессе окисления липидов образуются различные вещества, которые имеют неприятный вкус и запах (появляется «осаливание», «прогорклость», «запах олифы»), изменяется цвет продукта. В результате снижается пищевая и физиологическая ценность, а продукты могут оказаться непригодными в пищу (пищевая порча жиров). Наименее стойки при хранении сливочное масло, маргарин, кулинарный жир. 4.4 Пищевая ценность липидов Пищевые жиры и масла являются обязательным компонентом пищи, источником энергетического и пластического материала для человека, поставщиком необходимых веществ, таких как: ненасыщенные жирные кислоты, фосфолипиды, жирорастворимые витамины, стерины. Рекомендуемое содержание жиров в рационе человека по калорийности составляет 30 – 33 % или 90 – 107 г в сутки. Среднем считается норма в 102 г в сутки. В питании имеет значение не только количество, но и химический состав жиров. Линолевая и линоленовые кислоты не синтезируются в организме человека, арахидоновая кислота синтезируется из линолевой кислоты при участии витамина В6. Поэтому они получили название незаменимых или эсенциальных жирных кислот. В последние годы часто употребляется термин «полиненасыщенные жирные кислоты семейства омега – 3», в эту группу входят ά – линоленовая, эйкозапентаеновая, докозагексаеновая кислоты, содержащие несколько кратных связей и «полиненасыщенные жирные кислоты семейства омега – 6», в эту группу вхадит арахидоновая кислота. Ненасыщенные жирные кислоты участвуют в расщеплении липопротеидов, холестерина, предотвращают образование тромбов, снижают воспалительные процессы. Липиды оказывают влияние на обмен веществ в клетках, входят в состав клеточных мембран, влияют на кровяное давление, выводят из организма холестерин, при этом повышается эластичность стенок кровеносных сосудов. Повышенной биологической активностью обладают арахидоновая и линолевые кислоты. Среди продуктов питания наиболее богаты полиненасыщенными жирными кислотами растительные масла. Арахидоновая кислота содержится в 30 яйцах, субпродуктах. Сбалансированный состав ежедневного рациона человека должен содержать 10 – 20 % полиненасыщенных жирных кислот, 50 – 60 % мононенасыщенных жирных кислот, 30 % насыщенных жирных кислот. \это обеспечивается при использовании в рационе одной трети растительных и двух третей животных жиров. Фосфолипиды участвуют в построении клеточных мембран, транспорте жиров в организме, способствуют лучшему усвоению жиров, препятствуют ожирению печени. Суточная потребность в фосфолипидах составляет 5 – 10 г. При усвоении 1 грамма липида выделяется 9 ккал энергии. При избыточном потреблении жиров возникает опасность ожирения организма. Растительные жиры являются источником поступления жирорастворимых витаминов Е и β- каротина, животные жиры – источник жирорастворимых витаминов А, D. ПИЩЕВЫЕ КИСЛОТЫ Продукты питания содержат различные органические кислоты, которые объединяют в группу пищевых кислот. Пищевые кислоты накапливаются в растительном сырье в результате биохимических превращений на стадии развития растения, также кислоты могут накапливаться вследствие биохимических изменений в ходе технологического процесса приготовления продуктов питания (спиртовое брожение, молочнокислое брожение). Пищевые кислоты могут быть внесены в пищевую систему в ходе технологического процесса для регулирования рН, придания определенного вкуса (напитки), для формирования определенной консистенции (молочные продукты, кондитерские изделия). Вносимые пищевые кислоты в процессе производства продуктов отнесены к группе пищевых добавок. Их использование не лимитируется в гигиеническом отношении, а регламентируется технологическими инструкциями на конкретные пищевые продукты. Повышенной токсичностью обладает фумаровая кислота, для которой установлен уровень ДСД допустимой суточной дозы – 6 мг/кг массы тела человека. Уксусная кислота используется в виде эссенций 70 - 80 % концентрации и в виде столового уксуса 9 % концентрации. Применяются также соли уксусной кислоты – ацетаты. Основная область применения уксусной кислоты – приготовление овощных консервов. Молочная кислота используется в виде 40 % раствора и концентрата 70 % раствора. Соли молочной кислоты называются лактатами. Молочная кислота применяется в производстве пива (подкисление затора), безалкогольныз напитков, кондитерских изделий, кисломолочных продуктов. Лимонная кислота используется в виде кристаллов белого цвета, полученных биохимическим синтезом из плесневого гриба Aspergillus niger. Соли лимонной кислоты называются цитраты. Лимонная кислота имеет мягкий вкус, меньше раздражает слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта. В высоких концентрациях лимонная кислота содержаться в цитрусовых плодах. 31 Применяется в производстве напитков, соков, кондитерских изделий, рыбных консервов. Яблочная кислота используется в виде кристаллов белого или желтоватого цвета. Соли яблочной кислоты называются малаты. Яблочная кислота имеет мягкий вкус, не раздражает слизистую оболочку желудочнокишечного тракта. В высоких концентрациях яблочная кислота содержаться во фруктах. Применяется в производстве напитков, кондитерских изделий. Винная кислота используется в виде кристаллов белого или желтоватого цвета. Получают при переработке отходов виноделия. Соли винной кислоты называются тартраты. Винная кислота имеет мягкий вкус, меньше раздражает слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта. Содержится в винограде. Применяется в производстве напитков, кондитерских изделий. Реже в производстве продуктов питания используются кислоты: адипиновая, янтарная, фумаровая. Фосфорная кислота является представителем минеральных кислот, однако она широко представлена в в пищевом сырье и продуктах питания, особенно распространены соли фосфорной кислоты – фосфаты. Фосфорная кислота входит в состав сложных органических соединений: фосфолипиды, нуклеиновые кислоты, АТФ (аденозинтрифосфат). В высоких концентрациях фосфаты содержаться в молочных, мясных продуктах, в орехах. Применяется в производстве напитков, кондитерских изделий. Пищевые продукты содержат различные аминокислоты: аланин, валин, серин, лизин, метионин и др., входящие в состав белков. Продукты питания содержат различные липиды, в состав которых входят жирные кислоты: пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая, линолековая и другие. Ароматическая кислота – бензойная кислота является природным консервантом, она содержится в некоторых ягодах. ТЕМА 5 МИНЕРАЛЬНЫЕ ПРОДУКТАХ ВЕЩЕСТВА. ВОДА В ПИЩЕВЫХ 5.1 Классификация минеральных веществ 5.2 Макроэлементы 5.3 Микроэдементы 5.1 Классификация минеральных веществ Минеральные вещества играют важную роль в обменных процессах организма человека. Минеральные вещества входят в состав опорных тканей (кальций, фосфор, магний, фтор); принимают участие в кроветворении (железо, кобальт, фосфор, медь, марганец, никель); влияют на водный обмен, определяют осмотическое давление плазмы крови, являются составными частями ряда гормонов, витаминов, ферментов. Общее содержание минеральных веществ составляет 3 - 5 % массы тела человека. Содержание минеральных веществ в сырье и продуктах питания невелико от 0,1 до 1,9 %. 32 В зависимости от содержания в организме и потребности человека в минеральных веществах их разделяют на: макроэлементы; микроэлементы. К макроэлементам относят кальций, фосфор, магний, натрий, калий, хлор, серу. Они содержатся в количествах, составляющих сотни миллиграммов на 100 г пищевого продукта. Микроэлементы условно делят на две группы: - абсолютно или жизненно необходимые – кобальт, железо, медь, цинк, марганец, йод, фтор, бром; - вероятно необходимые – алюминий, стронций, молибден, селен, никель, ванадий. Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма человека. Микроэлементы содержатся в количествах, составляющих десятые, сотые, тысячные доли миллиграмма на 100 г пищевого продукта. Распределение микроэлементов в организме человека зависит от химических свойств и очень разнообразно. Многие микроэлементы действуют на человека опосредовано, то есть через влияние на интенсивность и характер обмена веществ, часто это связано с влиянием на активность различных ферментов в организме человека. Так, некоторые микроэлементы (марганец, цинк, йод) влияют на рост, их недостаточное поступление в организм с пищей тормозит нормальное физическое развитие ребенка. Другие микроэлементы (молибден, медь марганец) принимают участие в активности репродуктивной функции, а их недостаток в организме отрицательно влияет на человека. Таблица 7.1 Симптомы отклонений в организме человека при дефиците минеральных веществ Минеральное вещество Кальций Магний Железо Цинк Медь Марганец Молибден Кобальт Никель Хром Нарушения в деятельности Органов человека Замедоение роста скелета Мышечные судороги Анемия, нарушение иммунной системы Повреждение кожи, замедление роста, полового созревания Слабость артерий, нарушение деятельности печени, вторичная анемия Бесплодие, ухудшение роста скелета Замедление клеточного роста, склонность к кариесу Злокачественная анемия Депрессия, дерматиты Симптомы диабета, атеросклероз 33 Кремний Фтор Йод Селен Нарушение роста скелета Кариес зубов Нарушение работы щитовидной замедление обмена веществ Слабость сердечной мышцы железы, К наиболее дефицитным минеральным веществам в питании человека относятся кальций (для детей и пожилых людей), железо, йод, к избыточным – натрий (из-за высокого уровня потребления соли), фосфор. Недостаток или избыток в питании каких-либо минеральных веществ, вызывает нарушение обмена белков, липидов, углеводов, витаминов, что приводит к развитию ряда хронических заболеваний. В таблице 7.1 приведены симптомы отклонений в организме человека при дефиците минеральных веществ. При правильном питании и потреблении человеком достаточного количества разнообразных минеральных веществ, все чаще наблюдается нарушение обмена минеральных веществ. Причинами нарушения обмена минеральных веществ могут быть следующие факторы: - несбалансированное питание, то есть недостаточное или избыточное количество белков, липидов, углеводов, витаминов; - применение методов кулинарной обработки пищевых продуктов, приводящих к потере минеральных веществ, например: при удалении отваров овощей и фруктов, размораживании мяса, рыбы в горячей воде. При такой обработке теряются растворимые соли, содержащие ценные минеральные вещества; - отсутствие коррекции рациона питания, учитывающей увеличение потребностей отдельной группы населения в тех или иных минеральных веществах, связанные с определенными физическими нагрузками или условиями труда; - нарушение процесса усвоения минеральных веществ. 5.2 Макроэлементы Кальций. Содержится в организме человека в большем количестве, чем другие минеральные вещества, в среднем он составляет 1,5 – 2,0 % массы тела. Основная масса его (99 %) находится в костях, зубах. Кальций является наиболее трудноусваиваемым элементом, адсорбируется только 10 - 30 % содержащегося в пище кальция. Усвоению кальция способствует высокое содержание в пище белков и лактозы. Нарушается усвоение кальция при повышенном содержании липидов, солей калия, магния, щавелевой кислоты. Существенное влияние на всасываемость кальция оказывает соотношение его с фосфором и магнием а пищевых продуктах. Оптимальное соотношение Са : Р = 1 : 1,5; Са : Mg = 1 : 0,5 . При избытке фосфора в организме образуется кальциевая соль трехосновного фосфора, которая почти не усваивается организмом человека. Следствием 34 несоответствия количества кальция и фосфора в рационе человека является разжижение костной ткани, кариес зубов. Главным источником кальция в пище является молоко – 120 мг % и молочные продукты - до 1000 мг %, зернопродукты – 30 мг %, однако кальций, содержащийся в злаковых культурах, трудно усваивается. Фосфор. Содержится в организме человека то 0,8 до 1,1 % массы, это составляет 600 - 700 г. Усваивается фосфор значительно легче, чем кальций, чаще всего усваивается около 70 % фосфора. Для образования костей используется 80 - 90 % фосфора, остальное количество участвует в различных обменных процессах организма человека: фосфорилирование глюкозы, глицерина, создание буферности в организме. Фосфорная кислота входит в состав многих комплексных соединений, отличающихся высокой биологической активностью, например: нуклеопротеиды, фосфопротеиды, фосфолипиды. Главным источником фосфора являются молоко – 90 мг % и молочные продукты – до 500 мг %, мясо - 180 мг %, рыба – 250 мг %, зернопродукты – 200 мг %. Магний. Содержится в организме человека в количестве 25 г. Из этого количества 70 % находится в связанном состоянии с кальцием и фосфором, образуя основу костной ткани. Около 50 % магния усваивается организмом из пищи. Факторы, нарушающие адсорбцию кальция, также нарушают всасывание магния (избыточное содержание в пище липидов, солей фосфора, кальция). Ионизированный магний участвует в процессах углеводного, белкового, фосфорного обменов. Он входит в состав ряда ферментов, участвующих в гликолитическом расщеплении глюкозы, регулируют уровень фосфора в крови. Магний участвует в нормализации возбудимости нервной системы, стимулирует деятельность кишечника. Снижает риск развития атеросклероза. Содержание магния в сыворотке крови влияет на уровень холестерина. Магний широко распространен в растительных продуктах. Главным источником магния в пище являются: зернопродукты – 80 мг %, бобовые культуры – 100 мг %. Овощи и фрукты, мясо, яйца, рыба, молочные продукты сравнительно бедны магнием – 10-30 мг %. Натрий. В организме человека содержится 115 г натрия. Около трети этого количества находится в костной ткани в виде неорганических соединений. Остальные 66 % натрия содержатся во внеклеточных жидкостях организма в виде ионов. Натрий влияет на буферность крови, играет важную роль в поддержании осмотического давления внеклеточной жидкости, участвует в поддержании рН крови. Содержание натрия в крови составляет 310-340 мг %. Натрий улучшает работу мышц, быстро усваивается из пищи (около 95 %). Естественное содержание натрия в пищевых продуктах незначительно и в организм поступает в основном за счет поваренной соли. С солью человек ежедневно потребляет 4000 мг натрия. В молоке содержится 50 мг % натрия, в мясе и рыбе – 70 мг %. 35 Калий. Калий тесно связан с физиологией водного обмена организма человека. В организме калия содержится 250 мг %, он находится преимущественно внутри клеток, способствует нервно-мышечной деятельности, улучшает работу мышц. Калий легко усваивается организмом из пищи. Постоянным источником калия в пище человека является картофель – 570 мг %. Очень богаты калием также сухофрукты - 1000 мг %, бобовые культуры – 800 мг %, значительно меньше калия в овощах и фруктах, крупах – 200 - 300 мг %. Хлор. Хлор составляет около 3 % всех минеральных веществ организма человека. Хлориды хорошо усваиваются организмом человека. Анионы хлора вместе с ионами калия и натрия играют важную роль в поддержании осмотического давления внеклеточной жидкости, участвует в поддержании рН крови. Важную роль играет хлор в пищеварении, в виде соляной кислоты он обеспечивает необходимую кислую среду в желудке для активации пищеварительных ферментов, например пепсина. Содержание хлора в пищевых продуктах незначительно. Основная потребность в хлоре удовлетворяется за счет поваренной соли. В овощах, молоке, мясе содержится 50 - 150 мг %. Сера. Находится в организме в виде неорганических сульфатов и органических соединений - серосодержащие аминокислоты, сульфолипиды и др. Сера является важным структурным компонентом некоторых витаминов: тиамин, биотин, липолиевая кислота, входит в состав гормонов, ферментов. Сера активно участвует в белковом обмене, в тканевом дыхании и энергетическом обмене, способствует выведению из организма токсических веществ. Совместно с витаминами С и Е оказывает антиоксидантное действие, совместно с цинком и кремнием определяет состояние волос и кожи. Основными источниками серы являются продукты животного происхождения. Сыр содержит серы 260 мг %, яйцо – 200 мг %, мясо и рыба – 220 мг %, бобовые культуры – 220 мг %, в зернопродуктах содержится всего 70 мг %. 5.3 Микроэлементы Железо. В организме содержится 3 - 4 г железа, около 73 % из них входит в состав гемоглобина. Железо входит в состав окислительных ферментов и обеспечивает перенос кислорода, тканевое дыхание. С пищей усваивается 10-30 % железа так как в продуктах железо находится в трехвалентной форме, а для усвоения необходим переход железа в двухвалентное. Присутствии витамина С, солей кальция способствует переходу трехвалентного железа в двухвалентное. Недостаточность железа в организме проявляется анемией. Основным источником железа в организме являются: субпродукты и мясо – 3 - 5 мг %, зернопродукты - 4 мг %, бобовые культуры - 9 мг %. 36 Медь. Находится в организме человека в количестве 150 мг. Совместно с железом медь участвует в процессах кроветворения и тканевого дыхания, входит в состав окислительно-восстановительных ферментов, участвует в синтезе гемоглобина, эритроцитов, ускоряет усвоение железа, стимулирует действие гормонов. Медь содержится в растительных и животных продуктах в незначительном количестве. В говяжьей печени содержится 2 мг % меди, в рыбе – 0,6 мг %. Йод. В организме взрослого человека находится около 25 мг йода, из которых половина сосредоточена в щитовидной железе. Основное физиологическое значение йода заключается в участии образования гормона щитовидной железы – тироксина. В процессе технологической переработки теряется 20 - 60 % йода. Основным источником йода являются продукты моря: морская капуста, рыба - 50 мкг %, рыбий жир – 770 мкг %. В мясе содержится йода всего 10 мкг %, в овощах – 10 мкг %. Обогащение продуктов питания йодом необходимо для профилактики заболеваний гипертонической и зобной болезней, атеросклероза. Марганец. Содержится в организме главным образом в печени и почках, общее количество марганца составляет 10 мг. Организм трудно усваивает марганец, он плохо всасывается в кишечнике. Усвояемость марганца составляет 37-63 %. Основное биологическое значение марганца заключается в его активном участии в окислительно-восстановительных реакциях, он активизирует некоторые ферменты, участвует в образовании костной и соединительной ткани. Марганец стимулирует процессы роста, усиливает действие инсулина, вместе с железом и медью играет существенную роль в кроветворении. Основные источники марганца это растительные продукты: зернопридукты и бобовые культуры - 400 - 1000 мкг %, зеленные культуры, свекла - 200 мкг %, а продукты животного происхождения бедны марганцем, в мясе содержится 50 мкг %. Кобальт. Является составной частью витамина В12. Он стимулирует процессы кроветворения, активизируя образование гемоглобина и эритроцитов, оказывает влияние на обмен веществ. Кобальт в организме усваивается в форме витамина В12. Источником кобальта в пищевых продуктах являются продукты, богатые витамином В12: печень, бобовые культуры, ягоды, свекла. Цинк. Содержится в организме человека в количестве 2г. Основное биологическое значение его заключается в участии в процессах дыхания, в поддержке кислотно-щелочного равновесия, повышает интенсивность распада липидов в организме, входит в состав инсулина и влияет на углеводный обмен, способствует росту организма. Продукты растительного происхождения содержат 1-10 мг % цинка, наиболее богаты им зерновые культуры - 4 мг %, бобовые культуры – 3 мг %, мясо - 3 мг %, печень – 5 мг %, яичный желток – 9 мг %. 37 Фтор. Играет важную роль в формировании зубной эмали, в образовании костей, нормализует фосфорно-кальциевый обмен. В среднем из пищи усваивается 35 % фтора, а из воды усваивается 64 % фтора. Поступление фтора в организм определяется преимущественно содержанием его в питьевой воде. Оптимальной считается концентрация фтора в воде - 0,5 - 1,2 мг/дм³. Содержание фтора в продуктах составляет 0,02 - 0,05 мг %, больше фтора в морепродуктах, в рыбе – 500 мкг %. Для профилактики кариеса зубов используют зубные пасты с добавлением фтора, в виде неорганических соединений, в концентрациях около 1 г/кг. Никель. Участвует в процессах кроветворения, влияет на функцию поджелудочной железы, усиливает образование инсулина. Синтетические соединения никеля токсичны для человека. Никель содержится в морепродуктах - 5 - 10 мкг %, в субпродуктах, в овощах и фруктах содержится 5 -10 мкг %, в зерновых культурах - 30 - 80 мкг %. Суточная потребность в никеле составляет от 200 до 900 мкг. Хром. Участвует в основном в обмене углеводов, а также липидов и аминокислот. Хром считают глюкозо-толерантным фактором (Glucose Tolerance Factor), он облегчает усвоение глюкозы. Хром имеет важное значении, в профилактике легких форм диабета, атеросклероза. Человек усваивает трехвалентный хром через желудочно-кишечный тракт и дыхательные пути. Шестивалентная форма хрома токсична для человека. Пищевым источником хрома является печень – 10 – 80 мкг %, хром содержится в пивных дрожжах. Селен. Участвует в деятельности сердечно-сосудистой системы, регулирует деятельность клеточных мембран, участвует в синтезе гормонов щитовидной железы, то есть способствует усвоению йода. Селен повышает антиокислительную активность витамина Е. При недостатке селена особенно страдает сердечно-сосудистая система, это проявляется прогрессирующим атеросклерозом и слабостью сердечной мышцы. Хром активизирует иммунную систему, является детоксикантом. Пищевым источником селена являются зернопродукты - 200 мкг %. Селен обнаружен в зеленом китайском чае. Суточная потребность человека в важнейших микро и макроэлементах представлена в таблице 7.2. Таблица 7.2 Суточная потребность человека в минеральных веществах Минеральные вещества Кальций Фосфор Магний Натрий Калий Ед. измерения Мг Мг Мг Мг Мг Суточная потребность 800 1200 400 2000 3000 38 Хлор Сера Железо Медь Йод Марганец Кобальт Цинк Фтор Молибден Хром Селен Никель Мг Мг Мг Мг Мкг Мг Мкг Мг Мг Мкг Мкг Мкг Мкг 1000 1000 14 2 100 5 100 20 1 200 150 70 900 ВОДА В ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ 1 Значение влаги в пищевых продуктах 2 Свободная и связанная влага в продуктах 3. Методы определения влажности в пищевых продуктах 1 Значение влаги в пищевых продуктах Вода – важная составляющая пищевых продуктов. Она не является питательным веществом, но вода жизненно необходима как стабилизатор температуры тела, переносчик питательных веществ, реагент и реакционная среда во многих биохимических превращениях, стабилизатор биополимеров. Благодаря физическому взаимодействию с белками, полисахаридами, липидами, солями вода вносит большой вклад в текстуру пищевых продуктов. Вода присутствует в растительных и животных продуктах как клеточный и внеклеточный компонент, как диспергирующая среда и растворитель, влияет на консистенцию, структуру, внешний вид, устойчивость продукта при хранении. Содержание влаги в некоторых продуктах: - мясо 65-75 % - фрукты и овощи 70-90 % - хлеб 35 % - зерно, мука 12-15 % - сыр 37 % - молоко 87 % - пиво, соки, напитки 87-95 % Многие продукты содержат большое количество влаги, что отрицательно сказывается на стабильности при хранении. Так как вода непосредственно участвует в гидролитических процессах, ее удаление, связывание за счет увеличения содержания соли, сахара приводит к замедлению и даже к 39 прекращению многих реакций, ингибирует рост микроорганизмов. Все это способствует удлинению сроков хранения продуктов. 2 Свободная и связанная влага в продуктах Обеспечение устойчивости при хранении продуктов определяется в большой мере соотношением свободной и связанной влаги. Свободная влага – это влага не связанная полимером и доступная для протекания биохимических, микробиологических, химических процессов. Свободная влага является непрерывной средой, в которой растворены компоненты пищи: органические кислоты, минеральные вещества, углеводы, ароматические вещества. Количество свободной воды можно значительно уменьшить высушиванием, замораживанием, сгущением. Связанная влага – это ассоциированная вода, прочно связанная с компонентами пищи – белками, углеводами, липидами за счет химических и физических связей. По форме связи с компонентами пищи и по мере убывания энергии связи делится на три группы; химическую, физико-химическую и механическую связь. Влага химически связанная входит в состав сухих веществ, например в зерне это вода кристаллогидратов полисахаридов (крахмала и др.). Она обладает наибольшей энергией связи, очень прочна, разрушается с большим трудом и при высоких температурах. Физико-химическая влага образуется в результате притяжения диполей воды полярными группировками молекул белка, липидов. Такая вода образует гидратную оболочку вокруг гидрофильных групп белка и липидов. Физикохимическая связь оказывает влияние на стабильность белковых и липидных систем в продуктах. Физико-химическая влага не замерзает при низких температурах (-40ºС), не растворает нутриенты продукта, почти не удаляется из продукта при высушивании, недоступна микроорганизмам. Механически связанная влага - это влага, удерживаемая в капиллярах и матричных структурах составных частей продукта. Большинство пищевых продуктов имеет довольно большой диаметр капилляров и плохо удерживает такую влагу. Вода удерживается макромолекулярными матрицами таких структур как пектин, крахмал, белок. Эта вода удерживается за счет водородных связей, не выделяется из пищевого продукта, но в некоторых технологических процессах она ведет себя как свободная вода. Ее можно удалить высушиванием, можно заморозить. Эта вода влияет на сохранность гелеобразных продуктов, например, потеря такой физически связанной воды (синерезис) приводит к резкому ухудшению качества. Издавна было замечено, что продукты с одинаковым содержанием влаги по-разному портятся. Оказалось, что большое значение имеет то, насколько ассоциирована (связана) вода с компонентами продукта. Чем сильнее связана вода, тем она менее способна участвовать в гидролитических и других процессах, разрушающих и портящих продкут. В связи с этим было введено понятие Активность воды. 40 Активность воды (аw)- это отношение давления паров воды над продуктом (Рw) к давлению паров над чистой водой (Ро) при той же температуре. То есть аw = Рw/Ро. Активность воды равна относительной влажности в состоянии равновесия (ψ) при которой продукт не впитывает влагу и не теряет ее в атмосферу, уменьшенной в сто раз, то есть активность воды определяется по формуле 9.1: аw = ψ/100, ( 9.1) Где: aw – активность воды в продукте, Ψ – относительная влажность, 100 - коэффициент Значение активности воды (аw) в пищевых продуктах: фрукты 0,97, хлеб 0,95, мука, зерно 0,80, сахар 0,1, мясо 0,97. 3 Методы определения влаги в пищевых продуктах На пищевых предприятиях обычно контролируется массовая доля влаги в сырье т продуктах, независимо от формы ее связи, то есть определяется влажность. Влажность выражается в процентах. При определении влажности чаще всего используют термогравиметрический метод и рефрактометрический метод. Термогравиметрический метод определения влажности основан на удалении влаги из продукта путем высушивания до постоянной (неизменяющейся при дальнейшей сушке) влажности. Навеску взвешивают до сушки и после получения сухого остатка. По убыли массы определяют влагу, выражая ее в процентах. К термогравиметрическим методам относят методы высушивания до постоянной массы при 105 ºС, экспресс-метод высушивания на приборе Чижовой (метод ВНИИХП-ВЧ). Рефрактометрическое определение влажности основано на определении сухих веществ в объекте по показателю преломления, измеряемому с помощью рефрактометра. Влажность рассчитывается по разности массы анализируемого вещества и доли в ней сухих веществ. Напимер, если пивное сусло содержит 11 % сухих веществ, то влаги в нем содержится: 100 – 11 = 89 %. Этот метод прост, удобен, быстро выполняется и хорошо воспроизводится. Перечисленными методами определяется не вся влага продуктов, а свободная и незначительная часть связанной влаги. Для полного определения влаги применяют следующие методы: - дифференциальной сканирующей калориметрии (определяется разница между общей и замерзающей или связанной водой); - метод ядерно-магнитного резонанса (определяется две линии: свободной и связанной влаги, в спектре ядерно-магнитного резонанса): 41 - диэлектрические методы (определяется разница диэлектрической проницаемости свободной и связанной воды); - метод измерения теплоемкости (теплоемкость свободной воды значительно превышает теплоемкость связанной воды). ТЕМА 6 ВИТАМИНЫ. Витамины в сырье, полуфабрикатах и пищевых продуктах 6.1 Классификация витаминов 6.2 Водорастворимые витамины 6.3 Жирорастворимые витамины 6.4 Витаминоподобные соединения 6.5 Витаминизация продуктов питания 6.1 Классификация витаминов Витамины - биорегуляторы биохомических и физиологических процессов, протекающих в живых организмах. Витамины являются низкомолекулярными органическими соединениями различной химической природы. Для нормальной жизнедеятельности человеку витамины необходимы в небольших количествах. Нормы суточного потребления витаминов приведены в таблице 6.1. Так как витамины не синтезируются организмом, они должны поступать в необходимом количестве с пищей в качестве ее обязательного компонента. Отсутствие или недостаток витаминов в организме человека вызывает болезни недостаточности – авитаминозы. При избыточном приеме витаминов, значительно превышающем физиологические нормы, могут развиваться гипервитаминозы. Это характерно для жирорастворимых витаминов, доля которых в суточном рационе человека невысока. В качестве единицы измерения витаминов пользуются размерностью мг % = 0,001 г (миллиграммы витаминов в 100 г продукта), мкг % = 0,001 мг % (микрограммов витаминов в 100 г продукта). Ряд витаминов представлены не одним, а несколькими соединениями, обладающими сходной биологической активностью, например: пиридоксин витамин В6 включает пиридоксин, пиридоксаль, пиридоксамин. Различают собственно витамины и витаминоподобные вещества. К витаминоподобным веществам относятся: биофлавоноиды (витамин Р), пангамовая кислота (витамин В15), парааминобензойная кислота (витамин Н1), ортовая кислота (витамин В13), холин (витамин В4), инозит (витамин Н3), метилметионинсульфоний (витамин U), липолевая кислота, карнитин (витамин В). Витаминоподобные соединения также участвуют в биохимических процессах организма человека. По растворимости витамины разделены на две группы: водорастворимые, такие как В1, В2, В5, В6, В12,С; жирорастворимые, такие как А, Е, Д, К. 42 6.2 Водорастворимые витамины Витамин С или аскорбиновая кислота. В химическом отношении представляет собой γ - лактон - 2,3 дегидро – 4 - гулоновой кислоты. Антицинготный фактор. Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, повышает иммунитет человека. Все необходимое количество витамина С человек получает с пищей. Основные источники витамина С это овощи, фрукты, ягоды: капуста содержит 50 мг %, картофель - 20 мг %, черная смородина - 300 мг %, шиповник до 1000 мг %. Витамин С крайне нестоек, легко разрушается кислородом воздуха, на свету, в присутствии ионов тяжелых металлов. Более устойчив витамин в кислой среде, чем в щелочной, поэтому его содержание в овощах и плодах при хранении быстро снижается. Исключение составляет свежая капуста. При тепловой обработке разрушается 25 - 60 % витамина С. Витамин В1 (тиамин). Необходим для нормальной деятельности центральной нервной системы. Участвует в регулировании углеводного обмена. Действующей в организме формой витамина В1 является его производное в виде тиаминдифосфата или фермента кокарбоксилаза. Основные источники витамина В1 – зернопродукты, такие как крупы, мука грубого помола и т. д., где содержание витамина составляет 0,5 мг %, в горохе содержится до 0,8 мг %, в мясе 0,5 мг %. Витамин В1 стоек к действию света, кислорода, в кислой среде, к повышенным температурам. Легко разрушается в щелочной среде, расщепляется также ферментом тианаза. При технологической переработке разрушается 15 - 20 % витамина В1. Витамин В2 (рибофлавин). Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, так как входит в состав окислительно-восстановительных ферментов. При недостатке витамина возникает заболевание кожи (себорея, псориаз), воспаление слизистой оболочки рта, появляются трещины в углах рта, развиваются заболевания кровеносной системы и желудочно-кишечного тракта. Витамин В2 присутствует в молочных продуктах: в молоке – 0,15 мг %, в сыре – 0,4 мг %, в печени -2,2 %, в зернопродуктах - 0,1 %, в овощах и фруктах - 0,04 мг %. Небольшое количество витамина В2 в организме человека синтезирует кишечная микрофлора. Витамин В2 устойчив к повышенным температурам, но разрушается на свету и в щелочной среде. Небольшое снижение витамина В2 приводит к существенным потерям витамина С. При технологической переработке частично разрушается. Витамин В3 (пантатеновая кислота). Участвует в реакциях биохимического ацилирования, обмена липидов, жирных кислот, углеводов. Недостаток витамина приводит к дерматитам, выпадению волос. Небольшое количество витамина В3 синтезирует кишечная микрофлора. Витамин В3 присутствует в субпродуктах 2,5 - 9 мг %, в зернопродуктах и бобовых культурах - 2 мг %, в яйце - 2 мг %, в дрожжах – 4 - 5 %. При технологической переработке теряется до 30 % витамина, преимущественно при бланшировании и варке. 43 Витамин В5 (витимин РР, никотиновая кислота, ниацин). Этот витамин встречается в виде никотиновой кислоты и в виде никотинамида. Оба вещества обладают выраженной витаминной активностью. Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, так как ниацин входит в состав ферментов дегидрогеназ. Недостаток витамина РР вызывает утомляемость, бессонницу, снижение иммунитета, нарушение функций нервной и сердечнососудистой системы. Аминокислота триптофан является одним из источников ниацина, так как из 60 мг триптофана синтезируется 1 мг ниацина. Основной источник ниацина- субпродукты (до 12 мг %), мясо и рыба содержат около 4 мг % витамина. Молоко, зернопродукты, овощи и фрукты бедны витамином РР. Витамин РР устойчив к действию света, кислорода воздуха, в щелочной среде. При технологической переработке до 25 % витамина экстрагируется в воду. Витамин В6 (пиридоксин, перидоксамин, адермин). Участвует в биосинтезе и метаболизме аминокислот, белков, ненасыщенных жирных кислот. Витамин В6 необходим для нормальной деятельности нервной системы, кровеносной системы, печени. При недостатке витамина развиваются дерматиты. Витамин присутствие в мясе - 0,4 мг %, в фасоли 0,9 мг % а картофеле - 0,3 мг %. Витамин В6 устойчив к повышенным температурам, кислотам, щелочам, но разрушается на свету. При переработке теряется до 20 % витамина В6. Частично витамин синтезируется кишечной микрофлорой. Витамин В9 (фолиевая кислота, фолацин). Кроветворный фактор, участвует в деятельности сердечно - сосудистой системы, в биосинтезе аминокислот, нуклеиновых кислот, холина, пуриновых и пиримидиновых оснований. При недостатке витамина нарушается деятельность системы кроветворения, пищеварительной системы, снижается иммунитет организма. Фолевая кислота присутствует в зеленных культурах – 110 мкг %, в печени 240 мкг %, в дрожжах – 550 мкг %, меньше в зернопродуктах и молочных продуктах - 10 - 20 мкг %. Фолиевая кислота неустойчива при термической обработке. При переработке молока и овощей теряется 75 - 90 % витамина, однако при переработке мясопродуктов витамин более устойчив. Витамин В12 (цианкобаламин). Витамин участвует в процессах кровообращения, превращения аминокислот, совместно с фолиевой кислотой, участвует в биосинтезе нуклеиновых кислот. При недостатке витамина В12 наступает слабость, развивается анемия, нарушается деятельность нервной системы. Витамин В12 содержится в продуктах животного происхождения: в печени – 160 мкг %, в мясе – 6 мкг %, в молоке 0,6 мкг %. Витамин разрушается при длительном действии света, при окислении, более устойчив при нейтральных рН. При технологической переработке теряется 10 - 20 % витамина В12. Витамин Н (биотин). Витамин участвует в биосинтезе липидов, аминокислот, углеводов, нуклеиновых кислот, входит в состав ферментов, катализирующих реакции карбоксилирования - декарбоксилирования. При недостатке витамина наблюдаются нервные расстройства, возникает депигментация кожи, дерматит. Основные источники биотина: печень и почки 44 – 80 - 140 мкг %, яйца - 28 мкг %, молоко и мясо – 3 мкг %, бобовые культуры – 20 мкг %, пшеничный хлеб – 4,8 мкг %. Витамин неустойчив при окислении в кислой и щелочной среде. При технологической переработке витамин почти не разрушается. 6.3 Жирорастворимые витамины Витамин А (ретинол). Витамин является непредельным одноатомным спиртом, участвует в биохимических процессах, связанных с деятельностью мембран клеток, влияет на рост костей, зрение человека. При недостатке витамина замедляется рост костей, наблюдается поражение слизистой оболочки дыхательных путей, пищеварительной системы, страдает зрение. Витамин А обнаружен в продуктах животного происхождения в рыбьем жире – 14 мкг %, в печени трески – 4 мкг %, в молоке – 0,025 мкг %. В растительных продуктах содержится провитамин А – β – каротин, имеющий красно-оранжевый цвет. Из одной молекулы β - каротина в организме человека образуется две молекулы витамина А. Больше всего β каротина находится в моркови – 10 мг %, в томатах – 1 мг %, он присутствует в овощах и фруктах, имеющих красно-оранжевую окраску. Витамин А быстро разрушается при действии света, воздуха, в присутствии тяжелых металлов. При быстром окислении липидов происходит и окисление витамина А, растворенного в липидах. При переработке сырья теряется до 30 % витамина А, но при сушке теряется до 90 %. В соках и напитках витамин хорошо сохраняется при хранении. Таблица 6.1 Суточная потребность человека в витаминах Витамин Витамин С Аскорбиновая кислота Витамин В1 Тиамин Витамин В2 Рибофлавин Витамин В3 Пантатеновая кислота Витамин В5 Ниацин, РР Витимин В6 Пиридоксин Сут. потребность 70 мг 1,7 мг 2 мг 6 мг 19 мг 2,2 мг Функция витамина Антицинготный фактор. Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, повышает иммунитет человека. Необходим для нормальной деятельности центральной нервной системы. Участвует в регулировании углеводного обмена. Участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Участвует в реакциях биохимического ацилирования, обмена липидов, жирных кислот, углеводов. Участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Участвует в синтезе и метаболизме аминокислот, белков, ненасыщенных жирных 45 Витамин В9 Фолиевая кислота, Фолацин Витамин В12 Цианкобаламин Витамин Н Биотин Витамин А Ретинол Витамин Д Эргостерол Витамин Е Токоферол Витамин К Филлохинон 200 мкг 3 мкг 250 мкг 2 мг 2,5 мкг 10 мг 3 мг кислот. Кроветворный фактор, участвует в синтезе аминокислот, нуклеиновых кислот, холина, пуриновых и пиримидиновых оснований. Фактор кроветворения, участвует в превращениях аминокислот. Участвует в реакциях карбоксилированиядекарбоксилирования, обмена аминокислот, липидов, углеводов, нулеиновых кислот. Участвует в деятельности мембран клеток, влияет на рост костей, зрение человека. Регулирует содержание кальция и фосфора в крови, участвует в формировании костей. Предотвращает окисление липидов. Активный антиокислитель. Регулирует процесс свертывания крови. Витамин Е (токоферол). Токоферолы регулируют свободнорадикальные реакции в клетках, предотвращают окисление ненасыщенных жирных кислот в липидах клеточных мембран, влияют на синтез ферментов, обладает выраженным антиокислительным действием и используется в качестве антиоксиданта. При недостатке витамина наблюдается поражение миокарда, сердечнососудистой и нервной системы, функции размножения. Витамин Е распространен в растительном сырье: в масле соевом – 115 мкг %, подсолнечном – 42 мкг %, в зернопродуктах – 5 мкг %. Витание Е устойчив при нагревании, медленно разрушается под действием ультрафиолетовых лучей, кислорода воздуха, в присутствии тяжелых металлов. При переработке сырья теряется 10 - 20 % витамина. Витамин Д (эргостерол, кальциферол, эргокальциферол). Витамин регулирует содержание кальция и фосфора в крови, участвует в формировании костных тканей. Витамин Д способен синтезироваться в коже человека под влиянием ультрафиолетовых лучей. При недостатке витамина у детей развивается рахит, у взрослых наблюдается остеопороз – разжижение, истончение костей, что приводит к кариесу зубов, переломам костей. Витамин Д содержится в продуктах животного происхождения: в рыбьем жире - 125 мкг %, в печени трески – 100 мкг %, в говяжьей печени - 2,5 мкг %, в желтке яйца 2,2 мкг %. Витамин устойчив при хранении и технологической переработке. При сушке теряется максимальное количество до 30 % витамина Д. Витамин К (филлолхинон К1 и метахинон К2). Витамин К необходим для нормализации свертывания крови, участвует в образовании компонентов крови. При недостатке развивается язвенная болезнь. Основные источники витамина: зеленные культуры, такие как укроп, петрушка, капуста (в растительном сырье встречается филлохинон), мясо, печень (в сырье 46 животного происхождения встречается метахинон). Частично витамин синтезируются микрофлорой кишечника. К 6.4 Витаминоподобные соединения Витаминоподобные вещества являются веществами в повышенной биологической активностью. Они выполняют в организме человека разнообразные функции. Парааминобензойная кислота является фактором роста для микроорганизмов пищеварительного тракта, синтезирующих фолиевую кислоту. Холин, инозит являются незаменимыми пластическими веществами. Липоевая кислота, ортовая кислота, карнитин относятся к биологически активным веществам, синтезируемым организмом. Биофлавоноиды, метилметионинсульфоний, пангамовая кислота являются фармакологически активными веществами пищи. Холин В4. Входит в состав фосфолипида фосфатидилхолин. Участвует в реакциях карбоксилирования-декарбоксилирования, обмена аминокислот, липидов, углеводов, нулеиновых кислот. Холин регулирует деятельность нервной системы, участвует в синтезе метионина, адреналина. При недостатке витамина наблюдается поражение печени, кровоизлияния во внутренних органах. Холин содержится в нерафинированном растительном масле, сопутствует растительным жирам. Биофлавоноиды. Представлены группой флавоноидов с выраженной биологической активностью: катехин, рутин, гесперидин. Биофлавоноиды способствуют укреплению стенок кровеносной системы, помогают регулировать кровеносное давление, способствуют деятельности сердечнососудистой системы. Активность биофлавоноидов повышается в присутствии витамина С. Катехины содержатся в листьях чая, бобов какао, в винограде, гесперидин содержится в цедре цитрусовых фруктов. На некоторые витаминоподобные вещества установлены ориентировочные суточные нормативы: для пантотеновой кислоты – 10 – 15 мг, для биофлавоноидов – 30 - 50 мг, для инозита - 500 – 1000 мг, для липоевой кислоты – 500 – 2000 мг, для холина 150 – 2000 мг. Суточная потребность в витаминах и витаминоподобных веществах приведена в таблице 6.1 6.5 Витаминизация продуктов питания Недостаточное поступление витаминов с пищей приводит к их дефициту в организме и развитию болезни витаминной недостаточности. Различают две степени витаминной недостаточности: авитаминоз и гиповитаминоз. При авитаминозе наблюдается большой дефицит витамина и развивается заболевание, связанное с витаминной недостаточностью (цинга, рахит, дерматозы). При гиповитаминозе наблюдается умеренный дефицит в витамине, проявления дефицита витамина стерты, неспецифичны (потеря аппетита, быстрая утомляемость, раздражительность, кровоточивость десен). Наряду с 47 дефицитом одного из витаминов, все чаще наблюдается полигиповитаминоз и полиавитаминоз, при которых организм испытывает недостаток сразу в нескольких витаминах. Чаще всего гиповитиминозы и авитаминозы возникают при недостаточном поступлении витаминов с пищей, кроме того дефицит витаминов может возникнуть вследствие нарушения их усвоения в организме, в основном по причине развития какого-либо заболевания человека. В некоторых случаях формируется повышенная потребность человека в витаминах: при высоких физических нагрузках, при стрессе, при воздействии вредных внешних факторов. При обследовании населения выявлен дефицит витаминов у большей части населения, особенно дефицит обостряется в зимний и весенний период. Наиболее эффективный способ витаминной профилактики – обогащение витаминами продуктов питания, пользующихся массовым спросом, часто наряду с витаминизацией осуществляют минерализацию продуктов, внося одновременно с витаминами дефицитные минеральные вещества. При витаминизации продуктов питания повышается их качество, сокращаются расходы на медицинское лечение, расширяется круг лиц, постоянно потребляющих дефицитные витамины, восполняются потери витаминнов, происходящие при технологической переработке сырья. Основные продукты питания, обогащенные витаминами: - мука и хлебобулочные изделия (витамины группы В); - продукты детского питании (все витамины); - напитки и соки (все витамины кроме А, D); - молочные продукты (витамины А,D, E, C); - маргарин, майонез (витамины А,D, E). ФЕНОЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА 1 Классификация фенольных веществ 2 Соединения группы С6 - С1 3 Соединения группы С6- С3 4 Соединения группы С6 - С3 - С6 5 Дубильные вещества 1 Классификация фенольных веществ Растительные фенолы относятся к сложным органическим соединениям, имеющим в составе ароматическое кольцо и фенольный гидроксил. Фенольные вещества играют важную роль в формировании вкуса и цвета пищевых продуктов, участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Большое разнообразие фенольных веществ, связано с тем, что они являются вторичными продуктами обмена веществ в растениях. По строению фенольные вещества классифицируют на четыре группы: 1. Соединения группы С6 - С1 2. Соединения группы С6- С3 48 3. Соединения группы С6 - С3 - С6 4. Дубильные вещества. 2 Соединения группы С6 - С1 В эту группу входят разнообразные представители производных оксибензойной кислоты: п - оксибензойная кислота, салициловая кислота, галловая кислота, ваниловая кислота, сиреневая кислота. Оксибензойные кислоты присутствуют в растениях в связанном состоянии и высвобождаются при гидролизе. Галловая кислота способна образовывать димеры при помощи депсидной связи. Эта связь образуется между фенольным гидроксилом одной молекулы галловой кислоты и карбоксильной группой другой молекулы. Депсиды галловой кислоты являются исходными продуктами для образования гидролизуемых дубильных веществ. Ваниловая кислота или ванилин является широко распространенным ароматизатором. Салициловая кислота присутствует в некоторых ягодах и является природным консервантом. В эту группу входят разнообразные представители оксикоричных кислот: поксикоричная кислота, кофейная кислота, ферулоавя кислота, синаповая кислота. Соединения группы С6 - С1 приведены на рисунке 8.1 3 Соединения группы С6- С3 В эту группу входят разнообразные представители производных овсикоричной ктслоты: п - оксикоричной кислоты являются: кофейная кислота, феруловая кислота, синаповая кислота. Наиболее важна из них кофейная кислота, которая взаимодействует с хинной кислотой и образует хлорогеновую кислоту. Это соединение участвует в процессе дыхания и обмена белков, влияет на прорастаемость ячменя. С хлорогеновой кислотой связывают стойкость сырья при хранении. Хлорогеновую кислоту относят к биологически активным соединениям, повышающим пищевую ценность фруктов, соков и т. д. Соединения группы С6 – С3 представлены на рисунке 8.2. 49 Рис.8.1- Соединения группы С6 - С1 Рис. 8.2 - Соединения группы С6 – С3 4 Соединения группы С6 - С3 - С6 В эту группу входят разнообразные фловоноиды, состоящие из двух ароматических колец и одного гетероциклического кислород-содержащего пиранового кольца. В растительном сырье флавоноиды находятся в свободном состоянии, то есть в виде агликонов, и в связанном с углеводами состоянии, то есть в виде гликозидов. Гликозиды проявляют биологическую активность, их называют Р-витаминами. Р-витамины оказывают влияние на эластичность кровеносных сосудов, их активность повышается в присутствии витамина С. Физиологическая потребность человека в Р-витаминах составляет 200 мг. 50 Флавоноиды различаются между собой по степени окисленности или восстановленности гетероциклического фрагмента молекулы. Наиболее восстановленным является катехин, затем по степони окисления следует лейкоантоциан, флавонон, антоциан, флавон, флаовнол. Все перечисленные соединения способны образовывать различные производные за счет внедрения в ароматические кольца группировок: -ОН, -ОСН3, -СН3. Флавоноиды окисляются ферментом полифенолоксидазой до темноокрашенных соединений - меланинов, придающих продуктам и исходному сырью, вяжущий вкус и вызывающих потемнение полуфабрикатов и готовой продукции. Катехин . Способен образовывать сложные эфиры с галловой кислотой и в таком виде является составной частью дубильных веществ. Катехин участвует в процессе дыхания растений, он используется в качестве резервного энергетического материала при возникновении неблагоприятных условий. Катехин образует Р–витамин при взаимодействии с углеводами. Богат катехином чайный лист, много содержится в яблоках, клюкве, бруснике. Лейкоантоциан. Образует Р-витамин, в кислой среде переходит в антоциан, но в отличие от последнего, бесцветен, входит в состав дубильных веществ. В облепихе, черной смородине, крыжовнике, винограде содержится 200-250 мг % лейкокантоцианов. Рис. 8.3 - Соединения группы С6 - С3 - С6 Антоциан. Является основным красящим веществом растений, с ионами металлов образует соединения синего цвета, а с кислотами – красного. Чаще антоцианы встречаются в виде гликозаидов или Р-витаминов. Антоцианы способны связывать ионы тяжелых металлов и радиоактивных веществ и выводить их из организма. Особенно много антоцианов в черноплодной рябине – 5000 мг%. Значительное количество антоцианов обнаруживается в темноокрашенных плодах и ягодах: в черной смородине – 600 мг %, в вишне – 250 мг %, в клюкве – 380 мг %. Флавонолы и Флавоны. Являются желтыми красящими веществами. В природе существует около 120 разновидностей флавонолов и флавонов. Наиболее широко распространен флавонол кверцетин и его гликозид – рутин, имеющий высокую Р-витаминную активность. 51 5 Дубильные вещества. По составу дубильные вещества подразделяются на: гидролизующиеся и конденсированные. Гидролизующиеся дубильные вещества состоят из галловой и пирокатехиновой кислот. Они соединены депсидной связью. Гидролиз этих веществ осуществляет фермент танназа, также гидролиз можно провести при интенсивном кипячении в водных растворах. Конденсированные дубильные вещества при кипячении в слабокислых растворах подвергаются уплотнению, конденсации. В состав конденсированных дубильных веществ входят катехины, лейкоантоцианы и их сополимеры, соединенные углерод-углеродной связью. При конденсации большого количества катехинов и лейкоантоцианов образуются флобофены или «красные дубильные вещества». Эти производные дубильных веществ оказывают большое влияние на коллоидную стойкость пива, вина, сока. Присутствие дубильных веществ, способствует лучшей сохранности сырья при хранении, предупреждает преждевременное прорастание зерна. В пиве обнаружено 120 - 250 мг на 1 дм³ полифенолов, 60 - 100 мг на дм³ антоцианов. Содержание фенольных веществ в винограде и виноградном вине представлено в таблице 8.1. Таблица 8.1 Содержание фенольных веществ в винограде и виноградном вине Группы фенольных веществ В белом винограде, мг/дм³ В красном винограде, мг/дм³ В белом вине, мг/дм³ В красном вине, мг/дм³ Катехины Антоцианы Лейкоантоцианы Флавонолы Флавоны Танины (полифенолы) 200-500 20-100 10-40 1-10 50-300 500-4000 300-2000 20-1000 100-200 1-20 50-1000 300 100 5-10 1-5 100-1500 500 500 10-200 5-40 1-10 1000-5000 52 ТЕМА 7 ФЕРМЕНТЫ 7.1 Свойства ферментов 7.2 Классификация ферментов 7.3 Применение ферментов в пищевых технологиях 7.1 Свойства ферментов Ферменты являются биологическими катализаторами белковой природы. Ферменты способны значительно (в десятки тысяч раз) повышать скорость различных реакций, в том числе и биохимических, которые непрерывно протекают в живых организмах, которые наблюдаются в ходе технологических процессов переработки сырья. Ферменты обладают специфичностью действия, то есть действуют на определенный субстрат, тип связи. Ферменты характеризуются также высокой лабильностью, то есть, подвержены влиянию внешних факторов, таких как температура, концентрация субстрата, рН среды, присутствие активаторов или ингибиторов. Во многом лабильность ферментов связана с их белковой природой, сложной пространственной конфигурацией. Ферменты повышают скорость реакций за счет значительного снижения энергетического уровня проведения реакции. Ферментативная реакция проходит в две стадии. На первой стадии происходит образование ферментсубстратного комплекса, образованию которого соответствует значительно низкая энергия активации. На второй стадии комплекс распадается на продукты реакции и свободный фермент, который может взаимодействовать с новой молекулой субстрата. Это выражается уравнением: Е + S ↔ ЕS → Р + Е , (10.1) Где: Е- фермент, S- субстрат, ЕS- фермент-субстратный комплекс, Р продукты реакции. Ферменты, как уже отмечалось, имеют белковую природу и обладают третичной и четвертичной структурой. Многие ферменты являются двухкомпонентными, то есть имеют белковую часть в виде апофермента и небелковую составляющую в виде кофермента. В качестве кофермента могут выступать витамины, ароматические и алифатические углеводороды, гетероциклические соединения, нуклеотиды и нуклеозиды. Ферменты имеют некоторые специфические свойства, наиболее важные из них: - высокая каталитическая активность (повышают скорость реакций в миллионы раз); - специфичность действия (фермент катализирует превращение одного субстрата, реже группу родственных субстратов); - лабильность (изменение активности под действием различных факторов: рН, температура, присутствие активаторов и ингибиторов, что 53 связано с белковой природой фермента). и сложной пространственной конфигурацией 7.2 Классификация ферментов В основе классификации лежат три положения: А) ферменты делятся на 6 классов по типу акатализируемой реакции; Б) Каждый фермент получает систематическое название, включающее название субстрата, на который он действует, тип катализируемой реакции и окончаниие «аза». В некоторых случаях сохранены тривиальные названия ферментов; В) каждому ферменту присвоен четырехзначный шифр (код). Первое число указывает на класс фермента, второе на подкласс, третье на подкласс, четвертое на порядковый номер фермента в подклассе. Например, алкогольдегидрогеназа (Н.Ф.1.1.1.1): первая цифра 1означает класс оксидоредуктаз, вторая цифра 1- подкласс дегидрогеназ (действует на СН-ОН – группу), третья цифра 1- подкласс анаэробные дегидрогеназы (акцептором служит НАД или НАДФ), четвертая цифра 1порядковый номер алкогольдегидрогеназы. Например, ά -амилаза (Н.Ф.3.2.1.1): первая цифра 3- клаа гидролаз, вторая цифра 2 - подкласс карбогидраз, третья цифра 1- подкласс полиаз, четвертая цифпа 1- порядковый номер фермента ά-амилаза. Классификация по типу катализируемой реакции: Все ферменты делятся на шесть классов по типу катализируемой реакции: 1 клас с- оксидоредуктазы- ферменты, катализирующие окислительновосстановительные реакции ( присоединение кислорода, отнятие и перенос водорода, перенос электронов); 2 клас с- трансферазы- ферменты, катализирующие перенос атомных группировок от одного соединения к другому (остатков моносахаридов, аминокислот, фосфорной кислоты, метильные группировки и т.д.); 3 класс - гидролазы – ферменты, катализирующие реакции гидролиза сложных органических соединений на более простые. Реакции гидролиза проходят с участием воды. Эти реакции могут быть выражены следующим уравнением (10.2): А1•А2 +НОН → А1-ОН + А2-Н, (10.2) 4 класс - лиазы - ферменты, катализирующие реакции негидролитического отщепления каких-либо групп от субстрата с образованием кратной связи или присоединение группировок по месту разрыва кратных связей (отщепление воды, углекислого газа, аммиака); 5 клас с- изомеразы - ферменты, катализирующие реакции изомеризации или образование изомерных форм молекул органических веществ в результате 54 переноса химических группировок внутри молекулы (переход глюкозы во фруктозу); 6 класс – лигазы или синтетазы – ферменты, катализирующие реакции синтеза, сопряженные с разрывом одних связей и образованием других ( С-С, С- S , С- N , С- О связей). При переработке пищевого сырья чаще всего приходится иметь дело с ферментами 1 класса - оксидоредуктазами, такими как каталаза, полифенолоксидаза; с ферментами 3 класса - гидролазами, такими как амилазы - ферменты гидролизующие крахмал, протеиназы – ферменты, гидролизующие белок, липазы – ферменты гидролизующие липиды. В пищевой промышленности широко применяются ферментные препараты, полученные биохимическим путем при выращивании специфических микроорганизмов, способных вырабатывать определенные ферменты. Различают бактериальные ферментные препараты, полученные путем глубинного культивирования бактерий, и поверхностные, полученные путем поверхностного культивирования плесневых грибов. Название ферментного препарата включает название основного активного фермента и название микроорганизма-продуцента, с окончанием «-ин». Например: Протосубтилин Г10Х имеет основной фермент- протеазу, продуцентом является бактериальная палочка Bacillus subtilis. Г- глубинное культивирование или выращивание, 10Х- степень очистки ферментного препарата, чем больше число, тем выше степень очистки ( бывает очистка 2Х, 3Х, 10Х, 15Х, 20Х). Применение ферментных препаратов в пищевой промышленности позволяет интенсифицировать технологические процессы, улучшать качество готовой продукции, увеличивать ее выход, экономить ценное пищевое сырье. 7.3. Применение ферментов в пищевых технологиях В процессах хранения сырья, его переработки в продукты питания и при хранении готовых продуктов происходят многочисленные изменения, связанные с действием различных ферментов. Чаще всего эти изменения связаны с действием окислительных ферментов класса оксидоредуктаз и гидролитических ферментов класса гидролаз. При рассмотрении различных разделов дисциплины «Пищевая химия» и других дисциплин были приведены многочисленные примеры ферментативных реакций: окисление полифенолов полифенолоксидазой, окисление липидов липоксигеназой, окисление глюкозы глюкооксидазой, действие липазы на липиды, протеаз на белки, амилаз на крахмал, пектинэстеразы на пектин,эндоβ-глюконазы на β-глюкан и т.д. В пищевой промышленности находят все более широкое применение ферментные препараты, полученные биохимическим синтезом с использованием различных бактерий и плесневых грибов. Применение ферментных препаратов позволяет интенсифицировать технологические 55 процессы, улучшать качество готовой продукции, увеличивать ее выход, экономить исходное сырье. Название ферментного препарата включает название основного фермента, название микроорганизма-продуцента, с окончанием «-ин». Далее отражается способ культивирования микроорганизма: Г – глубинное культивирование для бактерий и П – поверхностное для плесневых грибов, а также степень очистки – Х- неочищенный фермент, 2Х, 3Х, 10Х, 15Х,20Х. Чем больше число, тем выше степень очистки. В последние годы большое внимание уделяется степени очистке, при этом удаляются балластные вещества, повышается активность ферментов, а, следовательно, снижается норма внесения высокоочищенных ферментных препаратов. В производстве пива широко применяются ферменты в процессе приготовления пивного сусла, для борьбы с помутнениями пива и т.д. ТЕМА 8 БЕЗОПАСНОСТЬ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ. 8.1 Безопасность продуктов питания 8.2 Источники загрязнения пищевых продуктов 8.3 Создание здоровых продуктов питания 8.1 Безопасность продуктов питания Проблема безопасности продуктов питания комплексная, сложная, требующая усилий со стороны ученых и производителей пищевых продуктов. Актуальность проблемы безопасности продуктов питания возрастает с каждым годом, так как является определяющей в сохранении здоровья людей. Под безопасностью продуктов питания понимают отсутствие опасности для здоровья человека при их употреблении. Безопасными можно считать продукты питания, не оказывающие вредного, неблагоприятного воздействия на здоровье настоящего и будущих поколений. Эта опасность может возникнуть в результате негативного воздействия на организм человека при пищевых отравлениях и инфекциях. Опасность представляют и отдаленные последствия воздействия загрязняющих веществ – канцерогенное, мутагенное, тератогенное воздействие. Канцерогенное воздействие приводит к возникновению раковых опухолей; Мутагенное воздействие приводит к качественным и количественным изменениям в генетическом аппарате клеток; Тератогенное воздействие приводит к аномалиям развития плода. Пищевые продукты представляют собой сложные многокомпанентные системы, состоящие из большого числа различных по своей химической природе соединений. Эти соединения можно разбить условно на три группы: - Соединения необходимые человеку (имеющие алиментарное значение). В эту группу входят белки, липиды, углеводы, витамины, минеральные вещества. 56 - Вещества, участвующие в формировании вкуса, аромата, цвета, предшественники и продукты распада нутриентов, биологически активные вещества. - Чужеродные, потенциально опасные вещества антропогенного или природного происхождения. Эти вещества, согласно принятой терминологии, называют контаминатами, ксенобиотиками, чужеродными химическими веществами. Эти соединения могут быть неорганической и органической природы, микробиологического происхождения. 8.2 Источники загрязнения пищевых продуктов Основные пути загрязнения продуктов питания: - использование некачественных или неразрешенных к применению пищевых добавок; - применение нетрадиционных технологий: - применение новых продуктов питания, в том числе полученных химическим и микробиологическим синтезом; - загрязнение продуктов растениеводства и животноводства препаратами, используемыми для повышения урожайности, продуктивности животных (пестициды, гербициды, удобрения, антибиотики, гормоны и т. д.); - нарушение правил использования и утилизации отходов производства; - миграция в продукты питания токсических веществ из оборудования, тары; - образование в пищевых продуктах токсичных соединений при технологической обработке (кипячение, жарение, копчение, облучение и т. д.); - несоблюдение санитарных правил при хранении и в процессе производства продуктов, что приводит к инфицированию микроорганизмами, в том числе и токсинообразующими микроорганизмами; - поступление в продукты питания токсических веществ из окружающей среды – воды, воздуха, почвы (радионуклеиды, тяжелые металлы, нитриты и т.д.). 8.3 Создание здоровых продуктов питания Концепция здорового (функционального) питания представляет собой комплекс мероприятий по улучшению состава пищевых продуктов. «Физиологически функциональные пищевые продукты» или сокращенно функциональные продукты должны содержать ингредиенты, которые приносят ощутимую пользу здоровью человека, повышают сопротивляемость заболеваниям, способствуют улучшению физиологических процессов, позволяя долгое время сохранять активный образ жизни. Функциональные продукты оказывают положительное влияние на здоровье человека: - уменьшают уровень холестерина в крови; - сохраняют зубы и кости; - уменьшают риск заболеванием раком; - обеспечивают энергией. 57 Традиционные продукты характеризуются двумя составляющими: - обеспечивают пищевую ценность; - обеспечивают вкусовые качества. Функциональные продукты имеют еще третью составляющую – оказывают физиологическое воздействие. Продукты здорового питания не являются лекарствами и не могут излечивать, но помогают предупредить болезни и старение организма в сложившейся экологической обстановке. Все продукты здорового питания содержат дополнительные ингредиенты, которые обеспечивают функциональное воздействие на организм. В эту группу включены: - пищевые волокна (клетчатка, пектин, гемицеллюлоза); - минеральные вещества (особенно важны кальций, железо, йод); - полиненасыщенные жиры (растительные масла) и жирные кислоты (омега - 3 и омега – 6); - антиоксиданты: β – каротин, витамин С, витамин Е; - олигосахариды в качестве субстрата для бифидобактерий. Функциональные продукты разделены на четыре группы: 1. Зерновые завтраки. 2. Молочные продукты. 3. Жировые эмульсионные продукты и растительные масла. 4. Безалкогольные напитки, натуральные соки. Напитки являются технологичным продуктом для создания новых видов функциональных продуктов. Введение в напитки функциональных ингредиентов не представляет сложности. Обогащенные витаминами, микроэлементами, пищевыми волокнами напитки могут бать использованы для предупреждения сердечно-сосудистых, желудочно-кишечных заболеваний, рака и других болезней. Такие напитки способствуют интоксикации организма человека. Содержание в этих функциональных продуктах функциональных ингредиентов показано в таблице 11.1. Таблица 11.1 Содержание функциональных ингредиентов в продуктах здорового питания Продукт Природные злаки Молочные продукты Растительные жиры Безалкогольные напитки, натуральные соки Функциональные ингридиенты Пищевые волокна, витамины А, Е, В, кальций, фитоэлементы Кальций, рибофлавин, молочнокислые бактерии, пептиды, линолевая кислота Линолевая кислота, линоленовая кислота, омега -3- жирные кислоты, витамины Витамины С, В, β – каротин, растворимые пищевые волокна, минеральные вещества, фитоэдементы 58 Функциональные ингредиенты, вносимые в пищевые продукты, должны соответствовать следующим требованиям: - быть полезными для питания и здоровья; - быть безопасными и сбалансированными в питании; - иметь точные физико-химические показатели, которые можно измерить; - не снижать питательную ценность пищевых продуктов; - употребляться как обычная пища; - иметь вид обычной пищи (не таблетки, капсулы, порошки); - быть натуральными.