Химия в пищевой промышленности

Введение

Данная тема была актуальна во все  времена, так как, полисахариды –  это сложные углеводы. Углеводы имеют  большое биологическое значение в организме человека и выполняют  ряд жизненно важных функций. Углеводам  в питании человека принадлежит  чрезвычайно важная роль. Они являются главным источником энергии для  человеческого организма, необходимой  для жизнедеятельности всех клеток, тканей и органов, особенно мозга, сердца, мышц. Углеводные запасы человека очень  ограничены, содержание их не превышает 1% массы тела. При интенсивной  работе они быстро истощаются, поэтому  углеводы должны поступать с пищей  ежедневно. Продукты питания должны не только удовлетворять потребности  человека в основных питательных  веществах и энергии, но и выполнять  профилактические и лечебные цели. Правильное питание необходимо потому, что сам организм человека вырабатывать витамины не способен, поэтому их содержание в организме целиком и полностью  зависит от поступления пищи. Организация здорового питания – сложный и многофакторный процесс, который можно реализовать, только опираясь на глубокие знания, стройную научную концепцию и продуманную научно – техническую политику. Витаминизация позволяет повысить качество пищевых продуктов, сократить расходы на медицину, обеспечить социально незащищенные слои населения витаминами, восполнить их потери, происходящие при получении пищевого продукта на стадиях технологического процесса или кулинарной обработки.

1. Общая характеристика углеводов (полисахаридов)

Согласно принятой в настоящее  время классификации углеводы подразделяются на три основные группы: моносахариды, олигосахариды, полисахариды. Полисахариды 1-го порядка: дисахариды, трисахариды. Дисахариды, наряду с полисахаридами, являются одним из основных источников углеводов в пищи человека и животных. Среди дисахаридов особенно широко известны мальтоза, сахароза и лактоза.[2] Одним из наиболее распространенных дисахаридов является сахароза – обычный пищевой сахар. Среди природных трисахаридов наиболее известна раффиноза. Она находится в значительных количествах в сахарной свекле и во многих других растениях, в частности в бобовых. Полисахариды 2-го порядка: гомополисахариды, гетерополисахариды. Полисахариды (полиозы, гликаны) – высоомолекулярные соединения, содержат в составе своей молекулы десятки и даже тысячи циклических моносахаридных звеньев, соединенных гликозидными связями, некоторые полисахариды содержат также остатки серной, фосфорной и жирных кислот. Присутствуют во всех организмах, выполняя функции запасных (крахмал, гликоген), опорных (целлюлоза, хитин), защитных (камеди, слизи) веществ.[1] Участвуют в иммунных реакциях, обеспечивают сцепление клеток в тканях растений и животных. Составляют основную массу органического вещества в биосфере. Полисахариды обычно являются смесями компонентов, различающихся степенью полимеризации. Химическая классификация полисахаридов основана на строении составляющих их моносахаридов - гексоз (глюкоза, галактоза, манноза), пентоз (арабиноза, ксилоза), а также аминосахаров (глюкозамин, галактозамин), дезоксисахаров (рамноза, фукоза), уроновых кислот и др. К гидроксильным (ОН) и аминогруппам (NH2) моносахаридов в молекулах природных полисахаридов могут быть присоединены остатки кислот (уксусной, пировиноградной, молочной, фосфорной, серной) или спиртов (обычно метилового). Гомополисахариды построены из остатков только одного моносахарида (например, глюканы, фруктаны), гетерополисахариды - из остатков двух и более различных моносахаридов (например, арабиногалактаны, глюкуроноксиланы). Многие распространённые полисахариды или группы полисахаридов носят давно укоренившиеся название: целлюлоза, крахмал, хитин, пектиновые вещества и др. (иногда название полисахариды связано с источником его выделения: нигеран - из гриба Aspergillus niger, одонталан - из водоросли Odontalia corymbifera). Полисахариды, в отличие от др. классов биополимеров, могут существовать как в виде линейных, так и разветвленных структур. К линейным полисахаридам относятся целлюлоза, амилоза, мукополисахариды. Тип структуры полисахаридов определяет в значительной степени их физико-химические свойства, в частности растворимость в воде. Такие линейные регулярные (т.е. содержащие лишь один тип межмоносахаридной связи) полисахариды, как целлюлоза и хитин, нерастворимы в воде, т.к. энергия межмолекулярного взаимодействия выше энергии гидратации. Высокоразветвлённые, не обладающие упорядоченной структурой полисахариды хорошо растворимы в воде. Химические реакции, известные в ряду моносахаридов, - ацилирование, алкилирование, окисление гидроксильных и восстановление карбоксильных, а также введение новых групп и др., осуществимы и в случае полисахариды, хотя степень протекания реакций, как правило, ниже.[1] Химически модифицированные полисахариды зачастую обладают новыми, ценными для практики свойствами, отсутствовавшими у исходного соединения. Большинство полисахаридов устойчиво к щелочам; при действии кислот происходит их деполимеризация - гидролиз. В зависимости от условий кислотного гидролиза получают или свободные моносахариды или олигосахариды. Молекулы гетерополисахаридов, содержащих разные по кислотоустойчивости типы гликозидных связей, удаётся расщеплять избирательно. Для этой цели используют и специфические ферменты. Установление строения низкомолекулярных продуктов расщепления облегчает задачу установления строения самого полисахарида. Она сводится к определению структуры т.н. повторяющихся звеньев, из которых, как полагают (это доказано на ряде примеров), построены все полисахариды. Исследование вторичной структуры полисахаридов проводится с помощью физико-химических методов, в частности рентгеноструктурного анализа, который с успехом был применен, например, при исследовании целлюлозы. Весьма разнообразны биологические функции полисахаридов: крахмал и гликоген - резервные полисахариды растений и животных; целлюлоза растений и хитин насекомых и грибов - опорные полисахариды; гиалуроновая кислота, присутствующая в оболочке яйцеклетки, синовиальной жидкости, стекловидном теле глаза, - высокоэффективный «смазочный материал»; камеди и слизи растений и капсулярные полисахариды микроорганизмов выполняют защитную функцию; высокосульфатированный полисахарид гепарин - ингибитор свёртывания крови. Фрагменты полисахаридов в смешанных углеводсодержащих биополимерах (гликопротеидах, липополисахаридах), присутствующих в поверхностном слое клетки, обусловливают специфические иммунные реакции организма. Внеклеточные полисахариды и др. углеводсодержащие биополимеры обеспечивают межклеточное взаимодействие, скрепление клеток растений (пектиновые вещества) и животных (гиалин). Биосинтез полисахариды протекает главным образом с участием нуклеозиддифосфатсахаров, служащих донорами моносахаридных (реже - дисахаридных) остатков, которые переносятся на соответствующие олигосахаридные фрагменты строящегося полисахарида. Биосинтез гетерополисахаридов происходит путём последовательного включения моносахаридов из соответствующих нуклеозиддифосфатсахаров в полисахаридную цепь.[1] Известен и др. механизм, реализующийся при построении полисахаридов бактериальных антигенов; вначале с участием липидных и нуклеотидных переносчиков сахаров синтезируются специфические, т.н. повторяющиеся звенья, из которых под действием фермента полимеразы происходит синтез полисахаридов. Разветвленные полисахариды типа гликогена и амилопектина образуются путём внутримолекулярной ферментативной перестройки линейного полисахарида. В живых организмах полисахариды, служащие основными резервами энергии, расщепляются внутри и внеклеточными ферментами с образованием моносахаридов и их производных, распадающихся далее с высвобождением энергии. Накопление и распад гликогена в печени человека и высших животных - способ регулирования уровня глюкозы в крови. Мономерные продукты образуются или непосредственно путём последовательного отщепления от молекулы полисахарида, или в результате ступенчатого распада полисахариды с промежуточным образованием олигосахаридов. Основные представители полисахаридов – крахмал и целлюлоза, построены из остатков одного моносахарида – глюкозы. Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу: (C6H10O5)n, но совершенно различные свойства. Это объясняется особенностями их пространственного строения.[1] Крахмал состоит из остатков a-глюкозы, а целлюлоза - из b-глюкозы, которые являются пространственными изомерами и отличаются лишь положением одной гидроксильной группы. Крахмал - белый под микроскопом зернистый порошок, нерастворимый в холодной воде, в горячей воде набухает, образует коллоидный раствор (крахмальный клейстер); с раствором йода дает синюю окраску. Крахмал является главным запасным питательным веществом. Крахмал образуется в результате фотосинтеза в листьях растений, откладывается «про запас» в клубнях, корневищах, зернах. В желудочном тракте человека и животного крахмал поддается гидролизу и превращается в глюкозу, которая усваивается организмом.

Ферментативный гидролиз (разложение путем брожения) крахмала имеет промышленное значение в производстве этилового  спирта из зерна и картофеля. Процесс  начинается с превращением крахмала в глюкозу, которую затем сбраживают. Используя специальные культуры, дрожжей и изменяя условия, можно направить брожение и в сторону получения бутилового спирта, ацетона, молочной, лимонной и глюконовой кислот. Подвергая крахмал гидролизу кислотами, можно получить глюкозу в виде чистого кристаллического препарата или в виде патоки - окрашенного нескристаллизирующего сиропа.[1] Наибольшее значение крахмал имеет в качестве пищевого продукта: в виде хлеба, картофеля, круп, являясь главным источником в нашем рационе питания. Кроме того, чистый крахмал применяется в пищевой промышленности в производстве кондитерских и кулинарных изделий, колбас. Значительное количество крахмала употребляется для приклеивания тканей, бумаги, картона, производства канцелярского клея. В аналитической химии крахмал служит индикатором в йодометрическом методе титрования. Для этих случаев лучше применять очищенную амилозу, т.к. ее растворы не загустевают, а образуемая с йодом окраска более интенсивна. При нагревании сухого крахмала до 200-250°С происходит частичное его разложение и получается смесь менее сложных чем крахмал полисахаридов (декстрин и другие). Целлюлоза - (клетчатка) (от лат. cellula -- клетка) - главная составная часть клеточных оболочек растений. Целлюлоза высокомолекулярный углевод, являющийся главной составной частью оболочек растительных клеток.[1] Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которая и образуется при кислотном гидролизе целлюлоза:

(C6H10O5)n + nH2O = nC6H12O6

Серная кислота и йод окрашивают целлюлозу в синий цвет. Один же йод - только в коричневый цвет. Кроме  целлюлозы, в состав клеточных оболочек входят еще несколько других углеводов, известных под общим именем гемицеллюлоз, извлекаемых из клеточных оболочек 1%-м раствором соляной или серной кислоты при нагревании. Один из относящихся сюда углеводов - парагалактан, дающий при гидратации галактозу. В клеточных оболочках имеются еще и другие гемицеллюлозы, дающие маннозу, арабинозу и ксилозу. С возрастом многие клеточные оболочки перестают давать реакцию на целлюлозу, потому что одни подвергаются одревеснению, другие опробковению и т. д. Почти чистой клетчаткой является хлопок, который идет на изготовление ткани. Целлюлоза древесины дает бумагу. Целлюлозу и ее эфиры используют для получения искусственного волокна (вискозный, ацетатный, медноаммиачный шелк, искусственная шерсть), пластмасс, кинофотопленок, лаков, бездымного пороха и т. д. Гликоген - основной запасной гомополисахарид человека и высших животных, иногда называемый животным крахмалом; построен из остатков a-D-глюкозы. В большинстве органов и тканей гликоген является энергетическим запасным материалом только для этого органа, но гликоген печени играет важнейшую роль в поддержании постоянства концентрации глюкозы в крови в организме в целом. Особенно высоко содержание гликогена именно в печени (до 6--8% и выше), а также в мышцах (до 2% и выше). В 100 мл крови здорового взрослого человека содержится около 3 мг гликогена. Встречается гликоген также в некоторых высших растениях, грибах, бактериях, дрожжах. Величина молярной массы гликогена колеблется в зависимости от вида животного, органа, физиологического состояния, времени года, способа выделения и составляет от 107 до 109 и более. Гликоген представляет собой белый аморфный порошок, растворимый в воде, оптически активен, раствор гликогена опалесцирует. Из раствора гликоген осаждается спиртом, ацетоном, танином, сульфатом аммония и др. Гликоген практически не обладает восстанавливающей (редуцирующей) способностью. Поэтому он устойчив к действию щелочей, под влиянием кислот гидролизуется сначала до декстринов, а при полном кислотном гидролизе - до глюкозы. Различные препараты гликогена окрашиваются йодом в красный (желто-бурый) цвет. Гликоген в клетках находится как в растворенном состоянии, так и в виде гранул. В цитоплазме гликоген быстро обменивается, и его содержание зависит от соотношения активностей ферментов синтезирующих (гликогенсинтетазы) и расщепляющих гликоген (фосфорилазы), а также от снабжения тканей глюкозой крови. Декстран (гомополисахарид) углевод C12H20O10 получаемый из крахмала путем нагревания до 210°, действием слабых кислот, действием фермента диастаза, находимого в проросших семенах. Декстран, стекловидное бесцветное вещество, не кристаллизующееся, при растирании дает белый порошок, не имеет ни вкуса, ни запаха, легко растворим в воде, растворы нейтральны. В спирте декстран не растворим, йодом не окрашивается. Главное применение декстрана в красильном производстве для сгущения красок и протрав. Применяется также для приготовления клеящих средств, а также в пищевой, легкой промышленности и литейном производстве. Пентозаны – целлюлозоподобные полисахариды, построенные из ксилозы, арабинозы и других пентоз. Особенно богаты пентозанами скорлупа орехов, подсолнухов, кукурузные кочерыжки, солома, рожь. Инулин – высокомолекулярный углевод, растворимый в воде, осаждающийся из водных растворов при добавлении спирта. Содержится в большом количестве в клубнях земляной груши и георгина, в корнях одуванчика, цикория, в артишоках. В этих растениях инулин заменяет крахмал.

1.1 Физиологическое значение  углеводов

Роль углеводов в организме  человека не ограничивается их значением  как источника энергии. Эта группа веществ и их производные входят в состав разнообразных тканей и  жидкостей, являясь пластическими материалами.[2] Соединительная ткань содержит мукополисахариды, в состав которых входят углеводы и их производные. Регуляторная функция углеводов разнообразна. Они противодействуют накоплению кетоновых тел при окислении жиров. Так, при нарушении обмена углеводов, например, при сахарном диабете, развивается ацидоз. Некоторые углеводы и их производные обладают биологической активностью, выполняя в организме специализированные функции. Например, гепарин предотвращает свертывание крови в сосудах, гиалурованная кислота препятствует проникновению бактерий через клеточную оболочку. Следует отметить важную роль углеводов в защитных реакциях организма, особенно протекающих в печени. Глюкороновая кислота соединяется с некоторыми токсическими веществами, образуя нетоксические сложные эфиры, которые, благодаря растворимости в воде, удаляются из организма с мочой. Углеводные запасы человека очень ограничены, содержание не превышает 1% массы тела. Суточная потребность человека в углеводах составляет 400 – 500 г., при этом примерно 80% приходится на крахмал. С точки зрения пищевой ценности, углеводы подразделяются на усвояемые и неусвояемые. Усвояемые углеводы – моно и олигосахариды, крахмал, гликоген. Неусваемые углеводы – целлюлоза, гемицеллюлоза, инулин, пектин, гумми, слизи. [2]

2. Химия пищевых веществ  и питания человека

Пищевая химия – дисциплина, значение которой все возрастает. Знание основ  пищевой химии даст возможность  технологам решить один из важнейших  вопросов современности - обеспечение населения планеты качественными продуктами питания. Пищевая химия основывается на достижениях фундаментальных дисциплин, науки о питании и теснейшим образом взаимодействуют с биотехнологией, микробиологией, широко использует в своей практике разнообразные методы исследования. В настоящее время это бурно развивающаяся отрасль знаний.[3]

2.2 Три основных принципа рационального питания

1.Равновесие между поступающей  с пищей энергией и энергией, расходуемой человеком во время  жизнедеятельности, иначе говоря, баланс энергии.

2.Удовлетворение потребности организма  человека в определенном количестве  и соотношение пищевых веществ.

3.Соблюдение режима питания  (определенное время приема пищи  и определенное количество пищи  при каждом прием).

Соблюдая эти принципы, необходимо иметь в виду два обязательных условия: рациональная кулинарная обработка продуктов, максимально сохраняющая пищевые вещества; соблюдение санитарно-гигиенических правил приготовления и хранения пищи. Вся необходимая организму человека энергия поступает из пищи. Процесс усвоения и использования в организме пищи чем-то схож с горением. Действительно, большая часть продуктов, в том числе углеводы и жиры, превращается в тепло (энергию), углекислый газ и воду. Только белок дает в организме ряд недоокисленных продуктов, выделяющихся с мочой (мочевина).[4] Поэтому вначале калорийность (т.е. способность выделять энергию) определяли в специальном приборе- калориметре, в котором легко учитывается выделение тепла. Оказалось, что в калориметре при сгорание в атмосфере кислорода 1 гр углеводов выделяется в среднем 4,3ккал. 1г жиров-9,45, 1г белков- 5,65 ккал. (1 ккал=4,184 к Дж.) Однако впоследствии выяснилось, что часть пищевых веществ в организме не усваивается (например, белки в среднем усваиваются на - 94 , углеводы – на 95,6%) и в том или ином виде удаляется с каловой массой. Кроме того, как отмечено выше, белки сгорают в организме не полностью.

Энергетическая ценность продуктов

В настоящее время считается, что  1 г белковой пищи дает 4 ккал, 1 г жиров – 9, а 1 г углеводов – 4 ккал. Таким образом, зная химический состав пищи, легко подсчитать, сколько энергетического материала получает человек в сутки. В нашей стране выпущены специальные таблицы химического состава основных пищевых продуктов, по которым можно рассчитать калорийность любого блюда, любого меню, любой диеты. Для примера приведем калорийность, или, как говорят теперь, энергетическую ценность некоторых продуктов (обычно она выражается в килокалориях на 100 г съедобной части продукта). Закон сохранения энергии является абсолютным, но действует и в живом организме, в том числе и в клетках человеческого тела. Поэтому нормальное питание предусматривает примерный баланс поступления энергии в соответствии с расходом на обеспечение нормальной жизнедеятельности. При кратковременном недостатке калорийной пищи организм частично расходует запасные вещества, главным образом углеводы (гликоген) и жир.[4] При кратковременном избытке пищи ее усвояемость, и утилизация уменьшаются, увеличиваются каловые массы и выделение мочи. При длительном недостатке энергетически ценной пищи организмом расходуются не только резервные углеводы и жиры, но и белки, что в первую очередь ведет к уменьшению массы скелетных мышц. В результате происходит общее ослабление организма. Специалисты установили, что имеются три группы энергозатрат в организме: во-первых, так называемый основной обмен, во-вторых, специфическое динамическое действие пищи и, в- третьих, мышечная деятельность. Поскольку в дальнейшем нам придется неоднократно сталкиваться с этими понятиями, объясним их.

2.3 Основной обмен

Основной обмен - минимальное количество энергии, необходимое человеку для  поддержания жизни в состоянии  полного покоя. Такой обмен обычно бывает во время сна в комфортных условиях. Он рассчитывается обычно на «стандартного» мужчину (возраст –30 лет, масса тела –65 кг) или «стандартную» женщину (возраст-30 лет, масса тела –55 кг), занятых легкой физической работой. Основной обмен у стандартного мужчины в среднем равен 1600ккал, у женщины- 1400ккал. Физическая деятельность оказывает весьма существенное влияние на величину обмена энергии. Что же касается умственной работы, то при ней расходы энергии увеличиваются в гораздо меньшей степени.[4] Население земного шара использует в пищу тысячи разнообразных продуктов, и еще большим разнообразием отличаются блюда, приготовленные из них. При этом все многообразие продуктов питания складывается из различных комбинаций пищевых веществ: белков, жиров, углеводов, витаминов, минеральных веществ и воды. Энергетическая ценность рациона человека, как мы уже знаем, зависит от входящих в его состав белков, жиров и углеводов. Последние выполняют преимущественно роль поставщиков энергии, тогда как жиры и особенно белки кроме снабжения организма энергией являются еще и необходимым материалом для пластических целей, т.е. для постоянно протекающих процессов обновления клеточных и субклеточных структур. Известно, что скелетные мышцы и клетки нервной системы используют для своей деятельности в качестве источника энергии преимущественно глюкозу, входящую в состав углеводов, тогда как для работы сердечной мышцы необходимы в значительном количестве жирные кислоты, являющиеся составной частью жиров. Использование белков в качестве энергетического материала весьма не выгодно для организма: во-первых, белки являются наиболее дефицитным и ценным пищевым веществом, во-вторых, при окислении белков, сопровождающемся выделением энергии, образуются вещества, которые обладают существенным токсическим действием. К настоящему времени выяснено, что оптимальным в рационе практически здорового человека является соотношение белков, жиров и углеводов, близкое к 1:1,2:4. Это соотношение наиболее благоприятно для максимального удовлетворения как пластических, так и энергетических потребностей организма человека. Белки в большинстве случаев должны составлять 12% , жиры- 30-35% общей калорийности. Теплота сгорания 1 г жиров, как уже говорилось, значительно больше теплоты сгорания того же количества белков или углеводов. Лишь в случае значительного увеличения доли физического труда и потребности в энергии содержание белков в рационе может быть снижена до 11% общей калорийности рациона (при увеличения доли жиров и углеводов как поставщиков калорий). Итак, мы знаем, сколько белков, жиров и углеводов человеку нужно и в каком соотношении. Однако сами по себе белки, жиры и углеводы имеют разный состав. Посмотрим, какие компоненты белков, жиров и углеводов нужны и в каком количестве.[4]