Свойства углеводов, витаминов и воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Углеводы

При переработке и хранении пищевого сырья и продуктов углеводы претерпевают сложные и разнообразные превращения, зависящие от состава углеводного комплекса, температуры и рН среды, влажности, наличия ферментов, присутствия в продуктах других компонентов, взаимодействующих с углеводами (белков, липидов, органических кислот и других). углевод гликоген витамин вода

Простые и сложные углеводы содержатся в основном в продуктах растительного происхождения. Единственный полисахарид гликоген имеется в продуктах животного происхождения.

Основными процессами, протекающими в углеводах при различных видах технологической обработки и хранения пищевых продуктов, являются следующие:

кислотный и ферментативный гидролиз ди- и полисахаридов;

брожение моно- и дисахаридов;

меланоидинообразование;

карамелизация.

Процесс брожения моносахаридов данной лекции не рассматривается.

Гидролиз ди- и полисахаридов наиболее распространенный процесс, протекающий в пищевых продуктах при тепловой и холодильной обработке, а также при хранении картофеля, плодов и овощей в охлажденном и замороженном состоянии.

Гидролиз ди- и полисахаридов. При нагревании дисахариды (саха-роза, мальтоза, лактоза) под действием кислот или в присутствии ферментов распадаются на моносахариды. Сахароза в водных растворах под влиянием кислот присоединяет молекулу воды и гидролизуется на равное количество глюкозы и фруктозы, вращающих плоскость поляризации влево, а не вправо, как сахароза.

Такое преобразование называется инверсией, а эквимолекулярная смесь глюкозы и фруктозы инвертным сахаром, который имеет более сладкий вкус, чем сахароза.

Полисахариды также при нагревании под действием кислот или в присутствии ферментов подвергаются гидролизу с образованием низкомолекулярных соединений, принимающих участие в обменных процессах.

Из высокомолекулярных полисахаридов существенным изменениям подвергаются крахмал и пектиновые вещества.

Крахмал. (С₆ Н₁₀ О₅)_n состоит из амилозы и амилопектина, содержит много молекул D-глюкозы, соединенных между собой -глюкозидными связями. В крахмале различных плодов и овощей относительное содержание амилозы и амилопектина колеблется в широких пределах. В растительной ткани крахмал откладывается в запас в виде зерен. Эти зерна содержат 9697% амилозы и амилопектина, бел- ка около 1%, жирных кислот до 0,6% и минеральных веществ до 0,7%. Минеральные вещества в крахмале представлены фосфорной кислотой. В картофельном крахмале ее содержится около 0,18% или в 34 раза больше, чем в крахмале зерновых культур. От количества фосфора зависит степень вязкости крахмала. Крахмальные зерна разных растений заметно различаются по размеру и строению (в картофеле они крупнее, в рисе мельче). С размером крахмальных зерен связаны консистенция картофельного клубня и рассыпчатость после варки. Так, при гидролизе крахмала конечными продуктами распада являются мальтоза и D-глюкоза, затем гидролиз крахмала определяется особенностями строения крахмала, в частности: -амилоза состоит из длинных неразветвленных цепей, в которых все D-глюкозные единицы соединены (14)-связями. В воде амилоза не дает истинного раствора, но образует гидратированные мицеллы. Амилопектин также образует коллоидные или мицеллярные растворы, его цепи сильно разветвлены: молекулы глюкозы в ветви соединены гликозидными связями (14)-типа, но связи в точках ветвления относятся к (16)-типу. Основные компоненты крахмала могут быть гидролизованы ферментативным путем двумя способами. Амилоза может быть гидролизована ферментом -амилазой ( (14)-глюкан-4-глюканогидролаза) с разрывом (14)-связи амилозных цепей и с образованием глюкозы и мальтозы. Кроме того, амилоза может быть гидролизована ферментом -амилазой ( (14)-глюканмальтогидролаза) до декстринов и мальтозы. Декстрины это полисахариды с промежуточной длиной цепи, образующиеся в результате действия амилаз.

Амилопектин также гидролизуется - и -амилазами до остаточного декстрина конечного продукта гидролиза, представляющего собой крупную, сильно разветвленную "сердцевину" полисахарида. Это связано с тем, что - и -амилазы не способны расщеплять (16)-связи, имеющиеся в точках ветвления амилопектина.

(16)-связи, находящиеся в точках ветвления, гидролизуются особыми ферментами: (16)-глюкозидами. При совместном действии -амилазы и (16)-глюкозидазы амилопектин может быть полностью расщеплен до мальтозы и глюкозы. Конечные продукты гидролиза (мальтоза и глюкоза) могут образовываться при нагревании крахмалсодержащих продуктов в кислой среде.

При варке пищевых продуктов происходит насыщение растительных клеток водой: амилоза растворяется в горячей воде при температуре 6080С, амилопектин образует при этих же условиях набухшую студенистую массу клейстер. Поглощение воды клейстеризующимся крахмалом достигает 100200%. В кислой среде крахмал гидролизуется до конечных продуктов неферментативным путем, на чем основан один из методов определения содержания крахмала в пищевых продуктах.

Пектиновые вещества представляют собой полимерные соединения с молекулярной массой от 10 до нескольких сотен тысяч и состоят в основном из остатков D-галактуроновой кислоты, связанных -14-гликозидной связью.

Свободные карбоксильные группы полигалактуроновой кислоты могут образовывать сложные эфиры со спиртами (этерификация). Степень этерификации метанолом карбоксильных групп полигалактуроновой кислоты изменяется в широких пределах в зависимости не только от вида плодов и овощей, но и от их органов.

Номенклатура пектиновых веществ основана на степени метоксилирования карбоксильных групп полигалактуроновой кислоты.

Пектиновая кислота высокомолекулярная полигалактуроновая кислота, часть карбоксильных групп которой этерифицирована метиловым спиртом. Хорошо растворима в воде.

Пектовая кислота это полигалактуроновая кислота без метоксильных групп. Растворимость пектовой кислоты меньше, чем пектиновой. Пектовая кислота образует соли пектаты.

Пектины пектиновые кислоты, карбоксильные группы которых в различной степени метоксилированы и нейтрализованы.

Протопектин условное название соединений, характеризующихся в основном нерастворимостью в воде и способностью при осторожном гидролизе образовывать пектиновые кислоты.

Наибольшее количество пектиновых веществ находится в плодах и корнеплодах. Они входят в состав клеточных стенок и межклеточных образований растений совместно с целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином. Протопектины входят в состав первичной клеточной стенки и межклеточного вещества, а растворимые пектиновые вещества содержатся в клеточном соке. Получают пектиновые вещества из яблочных выжимок, свеклы, корзинок подсолнечника.

Пектиновые вещества способны образовывать гели в присутствии кислоты и сахара при соблюдении определенного соотношения. На этом основано их использование в качестве студнеобразующего вещества в кондитерской и консервной промышленности для производства мармелада, пастилы, желе и джемов, а также в хлебопечении, сыроделии.

При созревании и хранении плодов нерастворимые формы пектина переходят в растворимые. Переход нерастворимых форм в растворимые происходит при тепловой обработке растительного сырья, осветлении плодово-ягодных соков.

Протопектин гидролизуется до пектиновых кислот, пектин и пектиновые кислоты до галактуроновой кислоты, L-арабинозы и D-га-лактозы.

При кислотном гидролизе гемицеллюлозы образуются манноза, галактоза, арабиноза, ксилоза, а также полиурониды.

Клетчатка (целлюлоза) представляет собой неразветвленную цепь, образовавшуюся из многих молекул глюкозы, соединенных -14-связью. Клетчатка составляет главную массу клеточных стенок растений, не растворяется ни в одном из растворителей, за исключением аммиачного раствора окиси меди (реактив Швейцера), не подвергается гидролизу при переработке плодов и овощей.

Распад пектиновых веществ в плодах и овощах протекает под действием пектолитических ферментов: протопектиназы, расщепляющей протопектин до пектина; пектинметилэстеразы, полиметилгалактуроназы и пектинлиазы, расщепляющим пектин до пектиновых кислот; полигалактуроназы и пектатлиазы, разрушающим пектиновые кислоты. Вследствие превращений и распада пектиновых веществ изменяются консистенция и влагоудерживающая способность тканей, вязкость протоплазмы, снижается механическая устойчивость плодов и овощей, повышается интенсивность испарения влаги.

На интенсивность гидролитических процессов углеводов влияют вид, сорт, физиологическое состояние, температура, газовый состав среды. Эти процессы замедляются при переходе овощей в состояние покоя и увеличиваются при выходе из него, при перезревании плодов.

В процессе тепловой обработки овощей и плодов в зависимос- ти от рН среды полисахариды пектиновые вещества и гемицеллюло- за подвергаются деструкции, в результате которой образуются продукты, обладающие различной растворимостью.

Меланоидинообразование. Под меланоидинообразованием (МО) понимают взаимодействие восстанавливающих сахаров (моносахариды и дисахариды), как содержащихся в продукте, так и образующихся при гидролизе более сложных углеводов с аминокислотами, пептидами и белками.

При этом образуются темноокрашенные продукты меланоидины (от греческого "меланос" темный). Это реакция Майяра, по имени ученого, который в 1912 г. впервые описал данный процесс.

МО окислительно-восстановительный процесс, который представляет собой совокупность последовательно и параллельно идущих реакций. Скорость и глубина этого процесса зависят от состава взаимодействующих продуктов, соотношения отдельных компонентов, рН среды, температуры и влажности.

Активность аминокислот и сахаров в реакции Майяра снижается в следующей последовательности:

а м и н о к и с л о т ы:

лизин > глицин > метионин > аланин > валин > глутамин > > фенилаланин > цистин > тирозин;

с а х а р а:

ксилоза > арабиноза > глюкоза > лактоза > мальтоза > фруктоза.

Наиболее интенсивно МО протекает в нейтральной и щелочной среде, а также в концентрированных растворах. Замедляется эта реакция в присутствии Н₂ SО₃, Н₂ О₂, NаНSО₄ и др. Образующиеся при МО карбонильные соединения (фурфурол, оксиметилфурфурол, ацетальдегид, изовалериановый альдегид, диацетил и др.) принимают участие в формировании аромата, цвета и вкуса готового продукта.

Общей для структурных соединений, образующихся в результате реакции Майяра, является группа

СН₃ С = С С О

ОН ОН

Соединения, содержащие эту группу, обнаружены в обжаренных пищевых продуктах (хлеб, кофе, какао, солод), в которых под воздействием высоких температур происходит неферментативное потемнение.

Продуктами потемнения являются пиразаны, содержащиеся в миллионных долях в продуктах, которые подвергались обжариванию.

Продукты реакции меланоидинообразования оказывают различное влияние на органолептические свойства готовых изделий: заметно улучшают внешний вид жареного или тушеного мяса, котлет, но ухудшают вкус, цвет и запах мясных экстрактов, бульонных кубиков и других концентратов.

Реакция МО часто протекает при выпечке хлеба, сушке фруктов и овощей, получении сухого молока, упаривании сахарного сиропа, при производстве солода. Образование вкусной, хрустящей, золотисто-коричневой корочки хлеба, его вкус и аромат во многом связаны с МО.

При получении вина, изготовлении коньяка и шампанского образуются продукты МО, которые влияют на цвет, вкус и аромат. При очень длительной выдержке вина идут глубокие изменения продуктов, участвующих в реакции МО, что приводит к изменению первоначальных свойств вина.

Потемнение фруктовых соков при хранении, изменение внешнего вида, вкуса и запаха готовых мясных продуктов также связано с реакцией МО.

При МО снижается пищевая ценность получаемых продуктов в результате связывания белков, витаминов, аминокислот в комплексные соединения.

При невысоких температурах реакции протекают медленно, при 100°С и выше ускоряются. Чтобы задержать нежелательные изменения, используют соединения, легко связывающиеся с карбонильными соединениями, например, перекись водорода, сернистую кислоту. Чем выше интенсивность образования коричневой окраски, тем ниже пищевая ценность белковых продуктов. При этом теряется 2050% свободных аминокислот; с увеличением температуры и продолжительности нагревания эти потери возрастают. Потери аминокислот и сахаров наиболее значительны при обжаривании мяса.

Таким образом, МО, с одной стороны, снижает пищевую ценность готового продукта вследствие потери ценных питательных веществ, с другой улучшает органолептические показатели готовых изделий.

Карамелизация. В пищевой промышленности особое значение имеет карамелизация сахарозы, глюкозы и фруктозы. Нагревание моно- и дисахаров при температуре 100°С и выше приводит к изменению их химического состава, цвета, увеличению содержания редуцированных веществ. Глубина этих процессов зависит от состава сахаров, их концентрации, рН среды, температуры и продолжительности нагрева, присутствия примесей. Особенно чувствительна к нагреванию фруктоза, карамелизация ее протекает в 67 раз быстрее, чем глюкозы. Сахароза при нагревании в ходе технологического процесса в слабокислой или нейтральной среде подвергается частичной инверсии с образованием глюкозы и фруктозы. Эти моносахариды подвергаются даль-нейшим превращениям. Например, от молекулы глюкозы могут отщепиться молекулы воды (дегидратация), а образовавшиеся продукты соединяются друг с другом или с молекулой сахарозы. При отнятии двух молекул воды от сахарозы образуется карамелан С₁₂ Н₁₈ О₉ растворимое в воде соединение желтого цвета, при отщеплении трех моле- кул карамелен С₃₆ Н₅₀ О₂₅, имеющий ярко-коричневый цвет, затем при дальнейшей дегидратации карамелин труднорастворимое в воде соединение. При последующей дегидратации образуется оксиметилфурфурол, при превращениях которого разрушается углеродный скелет и накапливаются продукты деструкции муравьиная и левулиновая кислоты.

При изготовлении кондитерских изделий, например карамели, температурным воздействиям подвергаются высококонцентрированные растворы сахаров (до 80%), поэтому основными продуктами карамелизации являются ангидриды и продукты их конденсации.

2. Витамины

Витамины представляют собой низкомолекулярные органические вещества, обладающие разнообразным строением и физико-химиче-скими свойствами, особенно необходимые для нормальной жизнедеятельности любого организма и выполняющие в нем непосредственно или в составе более сложных соединений каталитические и регуляторные функции.

Витамины объединены в отдельную группу природных органических соединений по признаку их абсолютной необходимости для гетеротрофного организма в качестве дополнительной к белкам, жирам, углеводам и минеральным веществам составной части пищи.

В количественном отношении потребность в витаминах ничтожна: человек в среднем должен потреблять ежедневно около 600 г (в пересчете на сухое вещество) основных пищевых веществ и только 0,10,2 г дополнительных факторов питания витаминов [21, 22].

Открытие витаминов было связано с изучением роли пищевых веществ в жизнедеятельности организма. В 1880 г. русский ученый Н. И. Лунин впервые доказал, что помимо известных составных частей пищи белков, жиров, углеводов, воды и минеральных веществ необходимы какие-то дополнительные факторы, без которых организм не может нормально существовать. По предложению польского исследователя К. Функа, проводившего опыты по выделению из рисовых отрубей активного начала (19111912 гг.), эти дополнительные факторы пищи были названы витаминами, поскольку выделенное из рисовых отрубей вещество содержало аминогруппу.

Вначале предполагалось, что обязательным компонентом витаминов является аминогруппа, поэтому их назвали от лат. vita жизнь и плюс амины). Впоследствии выяснилось, что многие витамины не содержат азота.

Существует условное деление витаминных веществ на собственно витамины и витаминоподобные соединения. Последние похожи по аналогичным свойствам на витамины, но требуются обычно в большом количестве.

Источником витаминов у человека служат пища и кишечные бактерии. Последние сами синтезируют многие витамины и являются важным источником их поступления в организм.

В отличие от других пищевых веществ витамины участвуют в образовании коферментов, без которых невозможна нормальная функция соответствующих ферментов, или служат регуляторами биохимических процессов.

Общепринятой классификации витаминов пока не существует. Витамины, провитамины и витаминоподобные вещества условно делятся на водо- и жирорастворимые. Все эти соединения имеют буквенное обозначение, химическое и физиологическое название.

Отдельные витамины представляют собой группу близких по химической структуре соединений. Эти варианты одного и того же витамина называются виталиерами. Они обладают сходным специфическим, но отличающимся по силе аналогичным эффектом на организм.

Наряду с витаминами и витаминоподобными веществами в живой клетке могут присутствовать антивитамины соединения, которые полностью или частично исключают участие витаминов в биохимических реакциях. Антивитаминное действие этих соединений проявляется в том, что они разрушают витамины, или инактивируют их действие, или препятствуют их синтезу.

Важное значение витаминов объясняется прежде всего тем, что многие из них в соединении с белками образуют ферменты. Так, большинство витаминов группы В выполняет роль коферментов в биохимических реакциях.

Отсутствие, недостаточное (гиповитаминоз) или избыточное (гипервитаминоз) содержание в организме витаминов может приостановить или задержать образование важнейших ферментов и, следовательно, нарушить нормальный процесс обмена веществ.

Причины витаминной недостаточности организма многообразны, но можно выделить две главные группы факторов:

алиментарные (пищевые), приводящие к возникновению первичных гиповитаминозов;

заболевания, ведущие к развитию вторичных гиповитаминозов.

Это деление условно, так как нередки сочетания указанных факторов (смешанные формы гиповитаминозов).

К основным причинам алиментарной витаминной недостаточности относятся:

1. Неправильное по продуктовому набору питание. Недостаток в рационе овощей, фруктов и ягод, ведет к дефициту в организме витаминов С и Р. При употреблении рафинированных продуктов (сахар, изделия из муки высших сортов, очищенный рис и др.) поступает мало витаминов группы В. При длительном питании только растительной пищей в организме появляется недостаток витамина В₁₂.

2. Сезонные колебания содержания витаминов в пищевых продуктах.

3. Неправильное хранение и кулинарная обработка продуктов ведут к значительным потерям витаминов, особенно С, А, В₁, каротина, фолиевой кислоты.

4. Нарушение сбалансированности между пищевыми веществами в рационе. Даже при достаточном потреблении витаминов, но дефиците белков может возникнуть недостаточность в организме многих витаминов. Это обусловлено нарушением транспорта, образования активных форм и накопления в тканях витаминов. При избытке в питании углеводов, особенно за счет сахара и кондитерских изделий, может развиться В₁-гиповитаминоз. Длительный дефицит или избыток в питании одних витаминов нарушает обмен других.

5. Повышенная потребность организма в витаминах, вызванная особенностями труда, быта, климата и т.п. Так, в условиях холодного климата, при воздействии химических или физических профессиональных или умственных нагрузок на 3050% увеличивается потребность в витаминах.

При составлении рационов питания необходимо иметь в виду, что в плодах, овощах и ягодах содержатся аскорбиновая и фолиевая кислоты, -каротин и витамин Р. Витамины группы В имеются в различных крупах, бобовых культурах, хлебе из муки низших сортов, яйцах, мясе и рыбе. Витамин В₁₂ содержится в основном в печени животных и рыб, мясе и рыбе, в яйцах и молочных продуктах. Источником витамина А являются печень и жир животных, икра рыб, яйца и молочные продукты. Витамин Е имеется в растительных маслах и соответственно в исходных продуктах для их изготовления (семена подсолнечника, кукурузы, сои и т.д.), в орехах, зерновых и бобовых культурах, молочных продуктах, печени и почках животных, яйцах. Минимальный витаминный набор должен быть представлен витаминами А, Е, С и Р, группы В (В₁, В₂, В₆, РР, фолиевая кислота и В₁₂), для детей дополнительно еще витамином D. Витамины активируют и нормализуют обменные процессы, положительно влияют на общую активность и сопротивляемость организма и состояние отдельных органов и систем.

Более подробно ознакомиться с содержанием витаминов в различных пищевых продуктах и с их ролью в обменных процес- сах можно по учебникам, справочникам и научной литературе.

3. Фенольные соединения

К фенольным соединениям ФС относится обширный класс циклических веществ, являющихся производными ароматического спир- та фенола (С₆Н₅ОН). В молекуле фенольных соединений имеется ароматическое кольцо, содержащее одну или несколько гидроксильных групп. Фенольные соединения находятся в растениях, плодах и овощах преимущественно в виде гликозидов и реже в свободном виде [24].

Биосинтез фенольных соединений в растительной клетке происходит в протоплазме, в частности, в хлоропластах. Однако основная масса водорастворимых фенолов сосредоточена в вакуолях, ограниченных от цитоплазмы белково-липидной мембраной тонопластом, который регулирует участие веществ, содержащихся в вакуолях, в метаболизме клетки. В животном организме фенольные соединения не синтезируются, а поступают с растительной пищей и участвуют в обменных процессах.

К гликозидам относятся разнообразные вещества, у которых какой-либо сахар (чаще глюкоза, реже другие моносахариды) соединен за счет гликозидного гидроксила с другими веществами, не являющимися сахарами (спиртами, альдегидами, фенолами, алкалоидами, стероидами и др.). Вторая часть молекулы гликозидов называется агликоном (не сахар).

От содержания и превращений фенольных соединений зависят цвет и аромат плодов, качество чая, кофе, вина. Многие фенолы обладают свойствами витамина Р и являются антиоксидантами.

Все фенольные соединения являются активными метаболитами клеточного обмена и играют важную роль в различных физиологических функциях растений, плодов, картофеля и овощей дыхании, росте, устойчивости к инфекционным заболеваниям.

О важной биологической роли фенольных соединений свидетельствует их распределение в растительной ткани. Разные органы и ткани растений, плодов и овощей различаются не только количественным содержанием фенолов, но и качественным их составом.

В настоящее время известно более 2000 фенольных соединений, существенно различающихся по своим свойствам. В связи с этим важное значение имеет классификация фенольных соединений.

Фенольные соединения условно разделяются на три основные группы:

1. Мономерные.

2. Димерные.

3. Полимерные.

Мономерные фенольные соединения содержат одно ароматиче-ское кольцо и делятся на три подгруппы:

соединения С₆-ряда, состоящие из ароматического кольца без углеродных боковых цепей; к ним относятся гидрохинон, пирокатехин и его производные, гваякол, флороглюцин, пирогаллол. Все они содержатся в растениях главным образом в связанном виде;

соединения с основной структурой С₆С₁-ряда включают в себя группу фенолкарбоновых кислот и их производных протокатеховую, ванилиновую, галловую, салициловую, оксибензойную и другие кислоты; эти соединения встречаются в плодах и овощах в свободном виде;

соединения с основной структурой С₆С₃-ряда, состоящие из ароматического кольца и трехуглеродной боковой цепи, делятся на коричные кислоты, кумарины и производные последних: изокумарины, фурокумарины.

Кумарины рассматриваются как лактоны оксикоричных кислот. Наиболее распространенными коричными кислотами являются п-ку-маровая, кофейная, феруловая и синаповая.

Фенолкарбоновые кислоты, обладая фенольными и кислотными группами, могут реагировать друг с другом с образованием соединений типа сложных эфиров, называемых депсидами. Если в реакции участвуют две фенолкарбоновые кислоты, то образуется дидепсид, если три тридепсид и т.п. Соединения С₆С₃-ряда участвуют в формировании аромата и вкуса плодов и овощей.

Димерные фенольные соединения имеют основную структуру с двумя ароматическими кольцами С₆С₃С₆ и делятся на флавоноиды и изофлавоноиды (ротеноиды). Эти соединения наиболее широко распространены в природе, и многие из них принимают участие в формировании аромата и цвета растительных продуктов.

В зависимости от структуры связующего трехуглеродного фрагмента в молекуле и степени окисленности флавоноиды подразделяются на катехины, лейкоантоцианы, флаваноны, флаванонолы, антоцианы, флавоны, флавонолы и другие. Наиболее восстановленные соединения катехины, наиболее окисленные флавонолы.

Катехины бесцветные соединения, легко окисляются, в результате чего приобретают разную окраску. Например, различный цвет чая (черный, красновато-коричневый, желтый) обусловлен степенью окисления катехинов, содержащихся в чайном листе. Существует несколько форм катехинов: катехин, галлокатехин, галлокатехингаллат и другие. Каждый катехин может существовать в виде четырех оптических изомеров, различающихся по направлению и величине угла вращения: (+)-катехин, ()-катехин; (+)-эпикатехин, ()-эпикатехин. Кроме того, для каждого катехина известны два рацемата смесь, лишенная оптической активности: (+)-катехин и (+)-эпикатехин. Все они отличаются по физическим свойствам и биологическому действию. Например, высокой Р-витаминной активностью обладает ()-эпикатехин.

В плодах и овощах катехины могут присутствовать в свободном и связанном состоянии (в составе полимерных форм). Много катехинов содержится в винограде, айве, черной смородине, яблоках, черноплодной рябине, косточковых плодах и ягодах.

Катехины хорошо растворимы в воде, имеют слабый вяжущий вкус, легко окисляются на свету, при нагревании, особенно в щелочной среде под действием окислительных ферментов (фенолоксидазы и пероксидазы). Продукты окисления хиноны и полимеризации катехинов флобафены придают плодам и овощам при термической и механической обработке темную окраску.

Окисление фенольных соединений может быть обратимым и необратимым. Этот процесс происходит и в здоровых, неповрежденных растительных клетках, но ткань их при этом не темнеет. Это обусловлено тем, что через тонопласт в цитоплазму поступает строго ограниченное количество фенолов, рассчитанное на тот ферментативный аппарат, который имеется в цитоплазме.

При окислении в здоровой клетке часть фенолов окисляется до карбоновых кислот и в качестве конечных продуктов окисления образуются СО₂ и Н₂О.

Часть же промежуточных продуктов окисления фенолов с помощью ферментов фенолоксидазы и пероксидазы, а также восстановителей, вновь восстанавливается до исходных соединений.

В поврежденных клетках в контакте с о-фенолоксидазой оказывается сразу большое количество фенолов и поэтому восстановления не происходит, а образующиеся хиноны необратимо конденсируются как между собой, так и с аминокислотами с образованием коричневых и красных аморфных веществ флобафенов.

Например, причиной потемнения очищенных и нарезанных клубней картофеля является окисление аминокислоты фенольного ха-рактера тирозина (-оксифенилаланин). Тирозин окисляется до диоксифенилаланина, который превращается в хинон, образующий красные гетероциклические соединения. Хиноны полимеризуются и превращаются в продукты темного цвета меланины.

Образование темноокрашенных веществ при хранении очищенного картофеля может происходить в результате окисления другого вещества фенольной природы хлорогеновой кислоты. Потемнение внутренней сердцевины картофеля связано с окислением хлорогеновой кислоты, а внешней сердцевины с окислением тирозина.

Предотвратить окисление фенолов очень важно при производстве крахмала, так как образующийся при измельчении картофеля клеточный сок содержит наряду с другими веществами тирозин. Последний легко окисляется, что вызывает потемнение крахмала, ухудшение его качества. Быстрое отделение клеточного сока от крахмала на центрифуге позволяет получить крахмал высокого качества.

Для предотвращения потемнения плодов и овощей при чистке, резке и дроблении применяют различные вещества (диоксид серы, аскорбиновую, лимонную кислоты и др.), а также тепловую обработку для инактивации фенолоксидаз, пероксидаз и каталазы.

На предприятиях общественного питания применяется сульфитация очищенного картофеля, заключающаяся в обработке клубней слабым раствором диоксида серы (0,10,2%).

Лейкоантоцианы, флаваноны и флаванонолы это бесцветные фенольные соединения. Лейкоантоцианы изменяют окраску в зависимости от температуры. Так, при 135С они имеют желтый цвет, при 165С винно-красный, выше 225С сине-серый, при 260С черный. При нагревании они превращаются в лейкоантоцианидины. Лейкоан-тоцианы в значительном количестве содержатся в плодах и овощах, придавая некоторым из них терпкий вкус.

Флаваноны и флаванонолы в свободном виде встречаются редко, чаще в форме гликозидов. Богаты ими цитрусовые плоды, в которых содержатся нарингенин, гесперидин и эридиктол.

Флавоновые пигменты это окрашенные фенольные соединения: антоцианы, флавоны и флавонолы. Эти фенольные гликозиды хорошо растворимы в воде, обладают бактерицидными свойствами. Они содержатся во многих плодах и овощах, отличаются повышенной окислительной способностью. Антоцианы имеют фиолетовый цвет, флавоны и флавонолы желтый.

Антоцианы. Они представляют собой гликозиды, в которых остатки сахаров (глюкозы, галактозы и рамнозы) связаны с окрашенными агликонами, принадлежащими к группе антоцианидинов. Раз- личают шесть антоцианидинов, составляющих агликоны антоцианов пеларгонидин, цианидин, пеонидин, дельфинидин, петунидин, мальвидин. В зависимости от наличия этих соединений плоды имеют разную окраску.

Наиболее распространен цианидин, он обнаружен в яблоках, землянике, сливах и в других плодах. В некоторых плодах антоцианы находятся только в кожице (виноград, слива), в других в кожице и мякоти (малина, черника, смородина).

В зависимости от рН окраска антоцианов может меняться от кра-сной до синей и фиолетовой (в кислой среде красные, в щелочной синие). Антоцианы с ионами К, Nа, Fе и других металлов дают соединения синего цвета.

Флавоны это пигменты, имеющие желтую окраску; содержат-ся во многих плодах и овощах. Флавоны являются предшественниками антоцианов.

Флавонолы отличаются от флавонов наличием гидроксильной группы и обладают сильными бактерицидными свойствами. Чаще всего в плодах и овощах из флавонолов распространены кверцетин, кемферол, рутин и мирицетин. Кверцетин самый распространенный флавонол придает золотистый цвет кожице лука, облепихе.

Полимерные фенольные соединения делятся на гидролизуемые и негидролизуемые конденсированные дубильные вещества.

Гидролизуемые вещества танины это сложные эфиры моносахаридов (глюкозы) и фенольных кислот (галловой, эллаговой, протокатеховой, кофейной, хлорогеновой).

Танины легко подвергаются гидролизу, распадаясь на более простые соединения. Танины взаимодействуют с солями тяжелых металлов, вызывая изменения цвета продуктов переработки плодов и овощей.

Гидролиз дубильных веществ приводит к ослаблению или исчезновению терпкого вкуса плодов и к накоплению сахаров, что улучшает вкус. Кроме того, продукты распада танинов фенольные кислоты усиливают защитные свойства плодов и овощей.

Гидролиз дубильных веществ наблюдается при дозревании плодов и овощей, нанесении механических повреждений и поражении микроорганизмами. Чаще всего при этом накапливается хлорогеновая кислота.

Негидролизуемые вещества состоят из остатков катехинов и лей-коантоцианов и образуются при окислительной конденсации этих мономеров. Конденсация флавоноидов происходит при нагревании с разбавленными кислотами. Конденсированные дубильные вещества с солями железа дают темно-зеленое окрашивание.

Конденсированные дубильные вещества содержат мало углеводов и образуют в присутствии минеральных кислот нерастворимые аморфные соединения флобафены.

Существенным качественным и количественным изменениям подвергаются фенольные соединения в плодах и овощах в процессе созревания и хранения. Количество их уменьшается за счет гидролиза и использования на дыхание. В то же время при созревании плодов и овощей такие фенолы, как антоцианы, флавоны, флаваноны, флавонолы синтезируются и улучшают цвет продуктов. В процессе хранения плодов и овощей происходит взаимопревращение фенольных соединений. Так, при гидролизе танина образуются фенолокислоты, при конденсации катехинов конденсированные дубильные вещества.

4. Минеральные вещества

В пищевом сырье и продуктах питания животного и растительного происхождения наряду с органическими веществами содержатся минеральные (неорганические) вещества, к которым относятся вода и минеральные элементы. Минеральные вещества не обладают энергетической ценностью, но имеют исключительно важное значение в обменных процессах организма человека и поэтому должны поступать с пищей в соответствии с физиологической потребностью в них.

5. Вода

Вода и продукты ее диссоциации водородные и гидроксильные ионы являются важными факторами, определяющими структуру и биологические свойства белков, нуклеиновых кислот, липидов, а также мембран и других клеточных органелл.

Вода отличается высокой реакционной способностью, обладает необычными свойствами и очень сильно отличается как в химическом, так и в физическом отношении от большинства других жидкостей.

Свойства воды, содержащейся в продуктах, отличаются от свойств обычной воды. Установлены различия в теплофизических свойствах, таких, как начальная температура кристаллизации, коэффициент термодинамической активности.

По сравнению с другими жидкостями вода имеет необычайно высокие температуры плавления и кипения, теплоту испарения, удельную теплоемкость, теплоту плавления, а также большое поверхностное натяжение. Эта особенность воды обусловлена тем, что силы притяжения между молекулами жидкой воды очень велики, и, следовательно, велико их внутреннее сцепление.

Такие свойства молекул воды, как полярность и способность к образованию водородных связей, делают воду великолепным растворителем полярных и нейтральных молекул. Вода диспергирует амфипатические вещества (полярные липиды, мыла) с образованием мицелл, в которых гидрофобные группы спрятаны внутрь и не контактируют с водой, а полярные группы располагаются на наружной поверхности мицелл.

Являясь основным (по массе) компонентом пищевого сырья и большинства продуктов питания вода влияет на их консистенцию и структуру; ее взаимодействие с химическими компонентами продуктов влияет на их устойчивость при хранении.

Массовая доля воды в пищевом сырье и продуктах питания колеблется в широких пределах (от 8 до 96%) в зависимости от вида сырья и продуктов, способов их обработки и технологии пищевых производств. Например, массовая доля воды в мясе, рыбе, мясо- и рыбопродуктах составляет 2638%, в плодоовощной продукции 7896%, в молоке 8689%.

Организм человека на 2/3 состоит из воды, причем в разных частях и органах содержится неодинаковое ее количество. При введении в пищевой рацион необходимого количества жидкости обеспечивается надлежащий объем пищи, который создает чувство насыщения. Суточная потребность в воде в среднем составляет 3540 мл на один килограмм массы тела или около 2,02,5 л. Значительная часть этой нормы (около одного литра) содержится в пищевых продуктах. Так называемая свободная жидкость, содержащаяся в первых блюдах и различных напитках, должна составлять около 1,2 л при общей массе дневного рациона около 3 кг. Количество воды, поступающее в организм с пищей и питьем, меняется в зависимости от климатических условий и интенсивности физической работы.

Функции воды в организме очень важны и многообразны: все реакции гидролиза пищевых веществ происходят при участии воды; вода растворяет органические и неорганические вещества, транспортирует их в организме; выводит отходы процессов обмена из клеток организма; является дисперсионной средой для крови, протоплазмы клеток и т.д.; служит смазочным материалом в суставах и в местах соприкосновения различных частей организма. Вот почему чрезвычайно важное значение имеет поступление в организм человека определенного количества воды с пищей и питьем.

При производстве продуктов питания необходимо учитывать, что пищевое сырье, продукты и пища представляют собой дисперсионную среду, а дисперсная фаза включает в себя органические и неорганические вещества с различной степенью дисперсности.

Воду в продуктах можно представить как непрерывную фазу, в которой другие составляющие (компоненты химического состава) могут быть распределены в виде истинных и коллоидных растворов, а также в виде эмульсий. Различные продукты неодинаково взаимодействуют с находящейся в них влагой.

Сахара, соли, кислоты, содержащиеся в растительных и животных тканях, образуют в основном истинные растворы. Равномерное распределение растворенных веществ, диффузия их через полупроницаемые мембраны происходит вследствие ионного или молекулярного диспергирования, оно не устраняет возможность локального образования насыщенных растворов.

Коллоидные растворы в продуктах образуются при растворении гидрофильных макромолекул, например, пектина и белков. Растворимость коллоидов, их водосвязывающая способность зависят от рН среды и являются минимальными в изоэлектрической точке.

При диспергировании в воде соединений низкой растворимости образуются эмульсии.

Для описания состояния воды в биологических объектах пользуются параметрами, характеризующими изменение свойств воды и других компонентов объекта под влиянием внешних факторов.

При исследовании свойств растворов, введены понятия свободной и связанной воды. Под свободной понимают такую воду, молекулы которой образуют структуру, близкую к стуктуре обычной воды. Свободная вода составляет около 95% от всей воды клетки; в ней растворены многочисленные пищевые вещества (сахара, органические кислоты, аминокислоты и др.); эта вода является более подвижной, чем связанная.

Связанная вода, на долю которой приходится 45% всей воды клетки, прочно соединена с коллоидами, образующими гетерогенную систему. Вода, связанная с частицами размером 10¹ 10⁶ мм, образует вокруг них тонкую оболочку, которая прочно соединена с ними. Плотность связанной воды выше, чем свободной; удельная теплоемкость ниже (часть связанной воды в некоторых случаях не замерзает и при минус 75°С).

В большинстве случаев связанная вода не является растворителем для кристаллоидов и трудно удаляется при замораживании и сушке. Содержание в продуктах связанной воды колеблется в довольно широких пределах. В мясе оно составляет 1316%, в плодах и овощах 811%, в молоке 3,03,5%. Поэтому из плодов и молока вода удаляется сравнительно легко.

Большая прочность связей между молекулами в жидкой воде обусловлена электрической полярностью молекул воды, связанной со специфическим расположением электронов в атомах кислорода и водорода.

Уменьшение количества связанной воды может служить признаком изменения (старения) коллоидной системы, поэтому раздельное определение свободной и связанной воды представляет большой научный и практический интерес.

Известно, что вода связана с компонентами пищевых продуктов энергетически неоднородно. Формы связи воды необходимо учитывать при переработке и хранении пищевого сырья и производства продуктов питания.

В ряде работ предлагаются схемы, по которым классифицируются формы связи воды в различных материалах, в том числе и в пищевых продуктах [25].

Академик П. А. Ребиндер предложил следующую классификацию форм связи влаги на основе энергии связи:

механическая влага смачивания, содержащаяся в капиллярах и макрокапиллярах. Эта форма связи наименее прочная; влага легко удаляется путем механического воздействия, например, посредством центрифугирования или прессования;

физико-химическая адсорбционная, осмотическая и структурная влага, содержащаяся в клетках и микрокапиллярах. Для разрушения этой формы связи требуется значительно больше энергии. Для удаления такой влаги необходимо предварительно превратить воду в пар, затратив существенное количество теплоты;

химическая форма связи наиболее прочная. Это ионнная связь и вода в кристаллогидратах. Такая связь может быть разрушена либо путем химического воздействия, либо путем нагрева до высоких температур, например посредством прокаливания, но не всегда. Химически связанная вода удерживается продуктом в точных количественных соотношениях и не удаляется при замораживании и сушке.

При взаимодействии молекул воды с молекулами компонентов пищевых продуктов, различают водородные, ионные, гидрофобные и другие виды связи. Водородная связь характеризуется взаимодействием ионов водорода с молекулами воды в жидкой воде и во льду. Расположение электронов вокруг атома кислорода близко к тетраэдрическому, т.е. каждая молекула воды стремится связаться водородной связью с четырьмя соседними молекулами воды. Важная особенность водородных связей их меньшая прочность по сравнению с ковалентными. Энергия водородных связей в жидкой воде составляет около 18,8 кДж.моль¹, а энергия ковалентной связи (в молекуле воды, образованной за счет спаривания электронов) равна 461 кДж.моль¹.

Другое важное свойство водородных связей их строго определенное направление в пространстве, что связано с вполне конкретным направлением связывающих орбиталей атомов водорода и кислорода.

Скорость образования и разрыва водородных связей в водных системах значительно превосходит скорость образования и разрыва ковалентных связей. Именно поэтому водородные связи обладают существенным преимуществом по сравнению с ковалентными связями с позиции возможности реализации различного рода биомолекулярных процессов, протекающих при переработке и хранении пищевого сырья и продуктов питания.

Мерой прочности связи влаги в пищевых продуктах является активность воды, влияющая на ферментативные, химические и физические изменения в них.

Активность воды а_w представляет собой отношение равновесного давления водяных паров над продуктом к равновесному давлению паров чистой воды при одних и тех же температурах. Этот показатель служит количественной оценкой качественного изменения связи воды в продукте по отношению к чистой (дистиллированной) воде.

Для чистой воды а_w = 1; уменьшается при растворении в воде различных веществ. Устойчивость пищевых продуктов к микроорганизмам при их хранении зависит от активности воды окружающей среды и пищевого продукта. Микроорганизмы могут расти на продуктах, имеющих значение показателя а_w между 0,99 и 0,63. Для многих микроорганизмов эти величины определены, они постоянны для каждого вида и не зависят от природы растворенных веществ. По мере уменьшения а_w среды (начиная с оптимального значения) продолжительность лаг-фазы обычно увеличивается, а скорость роста и количество клеток микроорганизмов уменьшаются. В целом, бактерии развиваются в среде с более высокими значениями а_w (0,990,93), чем дрожжи и плесени. Оптимальные значения а _w для роста дрожжей также варьируют, но минимальные величины для этих организмов (0,910,88) ниже, чем для большинства бактерий.

6. Минеральные элементы

Минеральные элементы делятся на макро- и микроэлементы и входят в состав всех пищевых продуктов в небольшом количестве (0,50,7% съедобной части).

В органах человека можно обнаружить почти все химические элементы. К макроэлементам относятся углерод, кислород, водород, азот, кальций, фосфор, калий, сера, натрий, хлор, магний. Углерод, кислород, водород и азот являются макроэлементами-органогенами и входят в состав основных пищевых веществ (белков, жиров, углеводов). Вместе с водой они составляют около 96% массы тела человека; остальные из вышеперечисленных макроэлементов в среднем составляют 4%.

К микроэлементам относятся железо, цинк, медь, йод, фтор, кобальт, ванадий, молибден, олово, кремний и другие элементы, содержащиеся в количестве менее 0,01%.

Попадая в организм человека в большом количестве, некоторые минеральные элементы могут проявлять токсические свойства, поэтому содержание их в пищевых продуктах регламентируется медико-биологическими требованиями и санитарными нормами качества (см. разд. 5.2.2). Минеральный состав организма человека приведен в табл. 4 [2, 11, 23].

Минеральные элементы играют важную роль в различных обменных процессах растительной, животной клеток и тканей, а также организма человека. Они участвуют в построении костной ткани, выполняют пластическую, каталитические и другие регуляторные функции.

Макро- и микроэлементы являются составной частью многих ферментов и метаболитов; участвуют в различных процессах обмена между клетками и межклеточной жидкостью; регулируют водно-солевой и кислотно-щелочной обмен; используются при образовании буферных систем, среди которых важную роль играют бикарбонатная и фосфатная системы.

Многие минеральные элементы участвуют в поддержании осмотического давления и электролитического равновесия внутри и вне клетки.

Важное значение имеют минеральные элементы в образовании и формировании белков. Общеизвестна их роль в деятельности эндокринных желез (например, йода для щитовидной железы), и в различных ферментативных процессах.

Минеральные вещества участвуют в нейтрализации кислот и предотвращают "закисление" организма , т.е. развитие так называемого ацидоза, нарушающего нормальное течение реакций обмена веществ и приводящего к развитию ряда патологических расстройств. Изучение роли минеральных веществ в организме как составной части пищи тесно связано с предупреждением ряда эндемических заболеваний эндемического зоба, флюороза и других.

Недостаток того или иного минерального элемента приводит к очень серьезным нарушениям важнейших физиологических функций любого живого организма.

Не все микроэлементы, обнаруженные в тканях организма, относятся к жизненно необходимым. Последними являются: железо, цинк, медь, кобальт, магний, стронций, молибден, марганец. При недостатке в питании меди, цинка и йода в организме человека возникают патологические изменения.

Содержание минеральных элементов в пищевых продуктах существенно зависит от вида продукта, почвенно-климатических и агротехнических условий, способов переработки и технологий производства продуктов питания и многих других факторов [11, 23].

Недостаточное поступление минеральных элементов в организм может быть связано с нарушением питания, а также с наличием в пище веществ, препятствующих утилизации минеральных составляющих пищи, в первую очередь кальция, железа, цинка и меди. К таким веществам относятся различные природные компоненты, образующие с этими элементами труднорастворимые комплексные соединения.

Например, фитин и клетчатка прочно связывают цинк, препятствуя его всасыванию в кишечнике. Фитин (гексафосфорный эфир инозита) содержится в значительном количестве в бобовых и некоторых овощах.

Щавелевая кислота с ионами Са²⁺ образует нерастворимые в во-де соли. Продукты, богатые щавелевой кислотой, способны резко уменьшить усвояемость кальция в организме и вызвать тяжелые отравления. Наиболее богатыми источниками щавелевой кислоты (от 0,3 до 1%) являются щавель, ревень, красная свекла, чай, бобы, какао. В большинстве фруктов щавелевой кислоты содержится мало.

При переработке пищевого сырья и производстве продуктов питания происходит, как правило, уменьшение содержания минеральных веществ. Например, при очистке картофеля и овощей теряется от 10 до 30% минеральных веществ; при тепловой обработке растительных продуктов (варке, жарке, тушении) от 5 до 30%. В мясных и рыбных продуктах теряется кальций и фосфор при отделении мякоти от кости. При тепловой обработке мяса потери минеральных веществ составляют 550%. Из костей в бульон при варке выделяется до 20% кальция. При использовании металлосодержащих оборудования и тары в продукте может увеличиться количество железа, свинца, кадмия, олова.

Более подробно значение отдельных минеральных элементов в питании человека изложено в источниках [2, 10, 13, 14].

Размещено на Allbest.ru

...