Углеводы

Углеводы широко распространены в природе, главным образом, в растительном мире. Это обширный класс органических соединений, образующихся в растениях в ходе фотосинтеза, благодаря ассимиляции хлорофиллом углекислого газа воздуха под действием солнечных лучей. Углеводы являются важным энергетическим компонентом пищи, причем по количеству преобладают в ней над всеми другими компонентами.

Углеводы – это вещества, состоящие из углерода, кислорода и водорода. Все углеводы делятся на две группы: простые и сложные. Простыми (моносахаридами) называют углеводы, которые не способны гидролизоваться с образованием более простых соединений. Обычно их состав отвечает формуле С_nН_2nО_n, т.е. число атомов углерода равно числу атомов кислорода. Сложные углеводы (полисахариды) – углеводы, способные гидролизоваться (Гидро́лиз (от др.-греч. ὕδωρ — вода + λύσις — разложение) — один из видов химических реакций сольволиза, где при взаимодействии веществ с водой происходит разложение исходного вещества с образованием новых соединений) на более простые. Сложные углеводы очень разнообразны по составу, молекулярной массе, а следовательно, и по свойствам. Их делят на две группы:

- низкомолекулярные (олигосахариды);

- высокомолекулярные (полисахариды II порядка).

Моносахариды – твердые кристаллические вещества, они гигроскопичны, хорошо растворяются в воде. Главными представителями моносахаридов являются глюкоза и фруктоза.

Глюкоза С₆Н₁₂О₆ (виноградный сахар) широко распространена в природе, в свободном виде содержится в зеленых частях растений, различных фруктах и ягодах, меде. Входит в состав важнейших полисахаридов: сахарозы, крахмала, клетчатки. В промышленности глюкозу получают путем гидролиза крахмала.

Фруктоза С₆Н₁₂О₆ (фруктовый сахар) в свободном состоянии содержится в зеленых частях растений, нектаре цветов, семенах, меде, входит в состав сахарозы.

Из олигосахаридов особое значение имеют дисахариды, наибольшее пищевое значение имеют три дисахарида: сахароза, мальтоза и лактоза. Все они являются кристаллическими веществами, хорошо растворимыми в воде.

Сахароза С₁₂Н₂₂О₁₁ (тростниковый или свекловичный сахар) состоит из остатков молекул глюкозы и фруктозы. Это наиболее известный и широко применяемый в питании и пищевой промышленности сахар. Содержится в листьях, стеблях, семенах, плодах, клубнях растений. В сахарной свекле от 15 до 22 % сахарозы, сахарном тростнике 12-15 %, это основные источники ее получения.

Мальтоза С₁₂Н₂₂О₁₁ (солодовый сахар) состоит из двух остатков глюкозы. В свободном состоянии в природе встречается главным образом в семенах злаковых культур, особенно при их прорастании. Образуется при неполном гидролизе крахмала кислотами или ферментами.

Лактоза С₁₂Н₂₂О₁₁ (молочный сахар) содержится в молоке всех млекопитающихся, в коровьем молоке ее 4-5 %. Состоит из остатков глюкозы и галактозы.

Моно- и дисахариды имеют сладкий вкус, за что получили название сахаров, но степень их сладости неодинакова. Относительная сладость сахаров в условных единицах: сахароза – 100, фруктоза – 173, глюкоза – 74, мальтоза – 32, лактоза – 16.

Полисахариды II порядка – высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа остатков моносахаров. Они делятся на гомополисахариды, построенные из молекул моносахаридов одного вида (крахмал, клетчатка, гликоген), и гетерополисахариды, состоящие из остатков различных моносахаридов (пектиновые вещества).

Крахмал (С₆Н₁₀О₅)_n – резервный полисахарид, главный компонент зерна, картофеля. Наиболее важный по своей пищевой ценности и использованию в пищевой промышленности полисахарид. В растениях он находится в виде зерен, размер и форма которых различны в разных культурах. Крахмал – смесь полимеров двух типов, построенных из остатков глюкозы: амилозы и амилопектина. Их содержание в крахмале зависит от культуры и колеблется от 18 до 25 % амилозы и 75-82 % амилопектина.

Гликоген (животный крахмал) состоит из остатков глюкозы. Важный энергетический запасной материал животных (в печени – до 10 %, мышцах – 0,3-1% гликогена). По своему строению напоминает амилопектин, но более разветвлен. Гликоген хорошо растворяется в горячей воде.

Клетчатка (целлюлоза) (С₆Н₁₀О₅)_n – самый распространенный высокомолекулярный полисахарид. Это основной компонент и опорный материал клеточных стенок растений. Содержание клетчатки в древесине – 40-50 %. Молекула клетчатки имеет линейное строение и состоит из 600-900 остатков глюкозы. Молекулы клетчатки с помощью водородных связей объединены в мицеллы (пучки), состоящие из параллельных цепей. В воде клетчатка не растворяется, устойчива к действию разбавленных кислот и щелочей.

Углеводы играют исключительно важную роль в питании человека и основным их источником являются растительные продукты. Они выполняют в организме пластические функции, так как входят в состав его тканей и жидкостей; оказывают тонизирующее действие на центральную нервную систему; осуществляют регулирующее действие при обмене веществ. Углеводы и их производные выполняют в организме ряд защитных функций, с их помощью выводятся некоторые токсичные вещества.

В зависимости от участия в обмене веществ углеводы условно можно разделить на две группы:

- усвояемые организмом человека – моно- и дисахариды, крахмал, гликоген;

- неусвояемые – пищевые волокна – клетчатка, пектиновые вещества.

Усвояемые углеводы дают организму 50-60 % энергии, необходимой для нормальной жизнедеятельности. Суточная потребность взрослого человека в усвояемых углеводах составляет 360-400 г, в том числе 50-100 г сахаров. Оптимальное содержание пищевых волокон в суточном рационе 20-25 г.

Глюкоза – единственный углевод, который циркулирует в крови, важнейшим потребителем глюкозы является мозг. Содержание глюкозы в организме зависит от количества углеводов в рационе, ее нормальный уровень в крови составляет 80-100 мг/100мл и регулируется гормоном поджелудочной железы – инсулином. Снижение содержания сахара в крови вызывает нарушение поведения, бред, потерю сознания и, в конечном счете, структурные повреждения мозга, приводящие к смерти. При недостатке глюкозы ее запасы могут компенсироваться за счет расщепления сахарозы, крахмала и других полисахаридов.

Фруктоза наиболее благоприятный в гигиеническом отношении углевод: для своего усвоения не требует инсулина, не является фактором увеличения концентрации сахара в крови, не вызывает кариес зубов в отличие от глюкозы и сахарозы.

Сахароза выполняет только энергетическую функцию, но при этом вызывает очень быстрое увеличение содержания глюкозы в крови и препятствует транспорту холестерина.

Лактоза способствует развитию в желудочно-кишечном тракте молочнокислых бактерий, являющихся антагонистами гнилостной и патогенной микрофлоры. Однако у некоторых людей отсутствует или недостаточна активность фермента, расщепляющего лактозу, поэтому они страдают непереносимостью молока.

Крахмал – основной источник углеводов для организма, в нативном состоянии не усваивается, т.к. защищен клеточной стенкой-клетчаткой, а подвергается перевариванию после термической обработки. Крахмал усваивается медленнее других углеводов, поскольку предварительно должна пройти его деполимеризация – расщепление до глюкозы, поэтому потребление крахмала не приводит к быстрому увеличению содержания глюкозы в крови.

Пищевые волокна также обладают определенной пищевой ценностью, хотя и не усваиваются организмом человека, т.к. он не продуцирует ферментов, необходимых для их расщепления.

Клетчатка нормализует деятельность полезной микрофлоры кишечника, способствует нормальному продвижению пищи по желудочно-кишечному тракту, тем самым препятствует задержке каловых масс в толстой кишке. Это имеет важное значение в профилактике рака толстой кишки. Клетчатка способствует выведению из организма холестерина, создает чувство насыщенности, снижает аппетит. Дефицит клетчатки в рационе способствует ожирению, развитию желче-каменной болезни, сердечно-сосудистых заболеваний. Вместе с тем избыток клетчатки снижает усвояемость пищевых веществ, особенно некоторых витаминов и минеральных веществ.

Белки

Белки представляют собой важнейшую составную часть пищи. Это высокомолекулярные природные полимеры, молекулы которых построены из остатков аминокислот.

Из природных аминокислот (их около 150) лишь 22 аминокислоты входят в состав белков. В молекуле белка аминокислоты соединены между собой пептидными связями

По степени сложности белки делят:

- на протеины (простые), состоящие только из остатков аминокислот;

- протеиды (сложные), состоящие из белковой и небелковой (нуклеиновые кислоты, липиды, фосфорная кислота и др.) частей.

Протеины по растворимости в отдельных растворителях подразделяются на:

- альбумины – белки растворимые в воде;

- глобулины – растворяются в водных растворах солей;

- проламины – растворяются в 60-80% растворе этилового спирта;

- глютелины – растворяются только в растворах щелочей.

- Белки составляют важнейшую часть всех клеток и тканей живых организмов.

Значение белков для организма человека определяется не только многообразием их функций, но и незаменимостью их другими пищевыми веществами. Поступая в организм, белки пищи подвергаются действию ферментов и в итоге превращаются в составляющие их аминокислоты. Аминокислоты всасываются в кровь, разносятся ко всем органам и расходуются на обновление белков организма. Классификация биологических функций белков приведена на рис. 3.

Рис.3. Классификация биологических функций белков

В организме человека каждые 150 дней происходит замена белков мышечной ткани, каждые 10 дней – замена белков печени и крови. Некоторая часть аминокислот является источником энергии для организма.

Пищевая ценность белков обуславливается их аминокислотным составом и усвояемостью.

Животные и растительные белки усваиваются организмом неодинаково. Если белки молока, яиц усваиваются на 96%, мяса и рыбы – на 93-95%, то белки хлеба – на 80, картофеля и некоторых бобовых – на 70%.

Суточная потребность взрослого человека в белках составляет 1-1,5 г в день на кг массы тела, т.е. 85-100 г. Доля животных белков должна составлять приблизительно 55% от общего их количества.

Основными источниками белка в питании являются мясные, рыбные и зерновые продукты. Больше всего белка содержится в сырах, горохе, фасоли, разных видах мяса, рыбы, птицы, яйцах, твороге, крупах и хлебе.

Белки пищевых продуктов обладают рядом свойств, которые оказывают определенное влияние на ведение технологических процессов при производстве продуктов.

Большинство белков обладает гидрофильными свойствами, т.е. способны поглощать и удерживать влагу. Это свойство белков называется гидратацией. Белки способны удерживать 2-3 кратное количество воды. При этом они набухают, увеличивается их масса и объем. Набухание белка сопровождается его частичным растворением. Набухшие белки при определенных условиях образуют сложные системы, называемые студнями. Студни не обладают текучестью, они упруги, обладают пластичностью, определенной механической прочностью, способностью сохранять форму.

Свойство гидратации играет большую роль в пищевых технологиях (мукомольное, хлебопекарное производство, получение растительных масел).

Денатурация белков – это сложный процесс, при котором под влиянием внешних факторов (температуры, механического воздействия, химических агентов) происходит изменение четвертичной, третичной и вторичной структуры белковой молекулы, т.е. ее пространственной структуры. Первичная структура, а следовательно и химический состав белка не меняются. При денатурации изменяются физические свойства белка, снижается растворимость, теряется его биологическая активность. В пищевой технологии особое технологическое значение имеет тепловая денатурация белков. Степень тепловой денатурации зависит от температуры и продолжительности нагрева. Особую роль процессы тепловой денатурации играют при бланшировании растительного сырья, сушке зерна, выпечке мучных изделий. Денатурация белков может вызываться и механическим воздействием – давлением, растиранием, встряхиванием, ультразвуком.

Пенообразование – это способность белков образовывать высококонцентрированные системы жидкость-газ. Такие системы называют пенами.

Устойчивость таких пен зависит не только от природы белка - пенообразователя, но и от его концентрации и температуры. Белки в качестве пенообразователей широко используются в кондитерском производстве.

Липиды

Липидами называют сложную смесь органических соединений с близкими физико-химическими свойствами, которая содержится в растениях, животных и микроорганизмах. Липиды широко распространены в природе и вместе с белками и углеводами составляют основную массу органических веществ всех живых организмов, являясь обязательным компонентом каждой клетки. По химическому составу липиды делят на простые и сложные.

Ацилглицерины – это простые липиды – сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. В жирах содержится до 300 жирных кислот – пальмитиновая; стеариновая; олеиновая; линолевая; линоленовая и др.

Жирные кислоты подразделяются на насыщенные (пальмитиновая, стеариновая) и ненасыщенные (олеиновая, линолевая, линоленовая).

Ненасыщенные жирные кислоты различаются по степени «ненасыщенности» - мононенасыщенные (одна ненасыщенная водородная связь между углеродными атомами – олеиновая кислота) и полиненасыщенные, когда таких связей несколько (линолевая, линоленовая кислоты).

По происхождению жиры делятся на растительные и животные. Они обладают различными физическими свойствами и составом. Животные жиры – твердые вещества, в состав которых входит большое количество насыщенных жирных кислот. Растительные масла, как правило, – жидкие вещества, содержащие, в основном, ненасыщенные жирные кислоты (исключение – кокосового масла и какао-масла).

Источниками растительных жиров являются растительные масла (99,9 %), орехи (53–65 %). Источники животных жиров – шпик свиной (90–92 %), сливочное масло (72–82 %), жирная свинина (49 %), сметана (до 30 %). На рис. 4 представлены основные функции липидов.

Рис.4. Функции липидов

Рис.4. Функции липидов

В жирах обнаружено до 300 жирных кислот. В наибольших количествах содержатся следующие кислоты:

Пальмитиновая – СН₃ – (СН₂)₁₄-СООН

Стеариновая – СН₃ – (СН₂)₁₆-СООН

Олеиновая – СН₃ – (СН₂)₇ – СН = СН – (СН ₂)₇ – СООН

Линолевая – СН₃ – (СН₂)₄ – СН = СН – СН₂ – СН = СН – (СН ₂)₇ – СООН

Линоленовая - СН₃ – (СН₂ – СН = СН)₃ – (СН ₂)₇ – СООН

Жирные кислоты подразделяются на насыщенные (пальмитиновая, стеариновая) и ненасыщенные (олеиновая, линолевая, линоленовая).

Ненасыщенные жирные кислоты различаются по степени «ненасыщенности» - мононенасыщенные (одна ненасыщенная водородная связь между углеродными атомами – олеиновая кислота) и полиненасыщенные, когда таких связей несколько (линолевая, линоленовая кислоты).

Ацилглицерины – жидкости или твердые вещества с низкими температурами плавления (до 40 °С) и довольно высокими температурами кипения, с повышенной вязкостью, без цвета и запаха, легче воды, не летучи.

По происхождению жиры делятся на растительные и животные. Они обладают различными физическими свойствами и составом. Животные жиры – твердые вещества, в состав которых входит большое количество насыщенных жирных кислот. Растительные масла, как правило, – жидкие вещества, содержащие, в основном, ненасыщенные жирные кислоты (за исключением кокосового масла и какао-масла).

Источниками растительных жиров являются, в основном, растительные масла (99,9%), орехи (53-65%). Источники животных жиров – шпик свиной (90-92%), сливочное масло (72-82%), жирная свинина (49%), сметана (до 30%).

Насыщенные жирные кислоты, входящие в состав жиров, используются организмом как энергетический материал.

Особое значения для организма человека имеют полиненасыщенные жирные кислоты. Они входят в состав структурных элементов клеток и тканей, обеспечивают нормальный рост и обмен веществ, эластичность сосудов. Полиненасыщенные кислоты не синтезируются организмом человека и поэтому являются незаменимыми. При их отсутствии наблюдаются прекращение роста, изменение проницаемости сосудов, некротические поражения кожи. Потребность организма в полиненасыщенных жирных кислотах 16-24г в сутки. Наилучшее соотношение жирных кислот в рационе: 10% полиненасыщенных, 30% - насыщенных, 60% - мононенасыщенных.

Фосфолипиды, являющиеся составной частью липидов, также играют важную роль в питании. Входя в состав клеточных оболочек, они имеют существенное значение для их проницаемости и обмена веществ между клетками и внеклеточным пространством. Основной представитель фосфолипидов – лецитин стимулирует развитие растущего организма, благотворно влияет на деятельность нервной системы, печени, стимулирует кроветворение, повышает сопротивляемость организма токсичным веществам, улучшает усвоение жиров, препятствует развитию атеросклероза. Потребность организма в фосфолипидах составляет 5-10 г в сутки.

Норма потребления жиров – 100-105 г в сутки, но удовлетворение потребности организма в жире и всех его компонентах зависит от вида и качества жира. Оптимальный в биологическом отношении баланс создается при включении в суточный рацион 70% животных жиров и 30 % растительных.

При длительном ограничении жиров в пище наблюдаются нарушения в физиологическом состоянии организма: ослабляется иммунитет, нарушается деятельность центральной нервной системы. Избыток жиров в питании приводит к нарушению обмена веществ, усилению свертывающих свойств крови, развитию ожирения, желчекаменной болезни и атеросклероза.

Жиры как компоненты пищевых продуктов обладают определенными свойствами, которые необходимо учитывать и использовать в пищевых технологиях. К ним относятся следующие:

1 Все жиры в воде нерастворимы, но растворимы в органических растворителях. Это свойство используется при получении растительных масел.

2 Жиры хорошо растворяют в себе многие органические вещества, в том числе и ароматические.

3 В присутствии поверхностно-активных веществ жиры способны образовывать стойкие эмульсии. Это свойство используется при производстве маргарина и майонеза.

4 При хранении жиры под действием кислорода воздуха окисляются с образованием продуктов горького вкуса и токсичных веществ. Этот процесс называется прогорканием.

5 В результате гидрогенизации (насыщения водородом ненасыщенных жирных кислот) жиры переходят из жидкого состояния в твердое.