2.1. Классификация, состав и свойства углеводов, определяющие технологию
производства пищевых продуктов.
Углеводы - самые широко распространенные в природе, главным образом, в растительном мире органические соединения. Углеводы имеют общую формулу Сm(Н2О)n. Они состоят из углерода, водорода и кислорода в соотношении - на один атом углерода одна молекула воды (отсюда название углевод): С-1, Н-2 и О-1. Наряду с белками и жирами, они являются необходимой составной частью пищи человека и животных, причем по количеству преобладают над всеми другими компонентами.
В семенах злаков углеводы составляют до 80%, а в рисе до 90%. Большое количество содержится их в хлебе, крупах и картофеле в виде крахмала, в виде сахаров - в сахаре, в кондитерских изделиях, сладких плодах и ягодах.
Многие отрасли пищевой промышленности связаны с биохимической переработкой углеводов (брожение теста, получение вина, пива, спирта, дрожжей, пищевых кислот, ацетона и т.д.). В крахмало-паточной промышленности из растений добывается крахмал и превращается в патоку, декстри-ны, глюкозу, мальтозу. Свеклосахарная промышленность добывает из клубней сахарной свеклы и сахарного тростника ценнейший пищевой продукт - сахарозу.
Углеводы синтезируются в зеленой части растений в результате фотосинтеза под влиянием энергии солнечного света и ферментов хлорофилла из неорганических веществ (вода и углекислота), т.е.
6CO2 + 6H2O → C6H12O6(глюкоза) + 6O2.
Углеводы подразделяются на три класса:
1) моносахариды (простые сахара) - гетерофункциональные соединения, содержащие в цепи карбонильную и гидроксильные группы (глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза и др.);
2) олигосахариды (дисахариды, трисахариды, тетрасахариды) - углеводы, сотоящие из от 2 до 10 остатков моносахаридов, связанных гликозидной связью (мальтоза, сахароза, лактоза, декстрины и др.).
3) полисахариды - углеводы, состоящие из более чем 10 остатков моносахаридов, связанных гликозидной связью (крахмал, гликоген, целлюлоза, пектины, гемицеллюлоза, слизи агар, гепарин и др.).
Моносахариды. Представителями наиболее распространенных моносаха-ридов являются глюкоза, фруктоза, галактоза и манноза.
Главные представители моносахаридов - гексозы (С6Н12О6) и пентозы (С5Н10О5).
Все моносахариды - кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и оптически активные (вращают плоскость поляризации). В пищевом отношении моносахариды - наиболее легко усвояемые углеводы; без участия ферментов они в неизмененном состоянии всасываются через стенки кишечника в кровь.
Наиболее важное значение из моносахаридов в пищевом отношении имеют глюкоза и фруктоза. Они сладкие на вкус и легко усваиваются организмом. Глюкоза широко распространена в растительном мире; она находится в семенах, плодах, овощах, листьях и корнях растений в свободном состоянии или в составе полисахаридов. Много ее в соке винограда (до 10%). Особенно много связанной глюкозы находится в растениях в виде крахмала и клетчатки. Много в пчелином меде - около половины сухих веществ. В промышленности глюкозу получают путем кислотного гидролиза крахмала. Содержится в крахмальной патоке. Глюкоза сбраживается дрожжами, негигроскопична. Сладость ее составляет 70% от сладости сахарозы.
Фруктоза (левулеза, плодовый сахар) в природе распространена как в свободном, так и в связанном состоянии. Вместе с глюкозой она находится во многих плодах и ягодах. В равном с глюкозой количестве находится в виноградном соке и пчелином меде. В связанном состоянии находится в сахарозе.
На воздухе фруктоза гигроскопична, что затрудняет использование ее в чистом виде в кондитерском производстве. При кипячении водного раствора быстро разлагается. По сладости она в 1,5 раза превосходит сахарозу; как и глюкоза сбраживается дрожжами.
Олигосахариды. Наибольшее пищевое значение из олигосахаридов имеют три дисахарида: сахароза, мальтоза и лактоза. Все они являются кристаллическими веществами, хорошо растворимы в воде, сладкие. Наибольшую сладость имеет сахароза, затем мальтоза и лактоза. Все три сахара оптически активны и обладают общим для полисахаридов свойством подвергаться гидролитическому распаду (кислотному или ферментативному) с образованием двух моноз.
Сахароза (свекловичный и тростниковый сахар) - наиболее распространенный в растительном мире сахар. Ее много в сахарной свекле, тростнике, в плодах дыни, арбуза. В промышленности сахароза получается из сахарной свеклы и сахарного тростника. Сахароза легко усваивается организмом.
Сахароза под действием кислот или ферментов гидролизуется на равное количество глюкозы и фруктозы, называемые в смеси инвертным сахаром. Гидролиз идет по схеме:
Мальтоза (крахмальный сахар) при гидролизе распадается на две молекулы глюкозы. В свободном состоянии мальтоза в природе встречается
главным образом в семенах злаковых, особенно при их прорастании. В основном мальтоза получается в результате ферментного гидролиза крахмала. Содержится в крахмальной патоке. Сбраживается дрожжами в присутствии глюкозы. Мальтоза легко усваивается организмом. Мальтоза гидролизуется на две молекулы глюкозы. Гидролиз идет по схеме:
Лактоза (молочный сахар) - сахар, дающий при гидролизе галактозу и глюкозу. Она содержится в молоке всех млекопитающих, например, в коровьем молоке ее 4-5 %. Сбраживается лактоза лишь теми видами дрожжей, которые вырабатывают фермент лактазу.
Декстрины.В качестве промежуточного продукта при гидролизе крахмала в большем или меньшем количестве в зависимости от глубины гидролиза образуются декстрины. Образуется из крахмала в ротовой полости человека под действием α-амилаз.
Полисахариды. Это высокомолекулярные соединения. В растительном мире они играют роль запасного питательного вещества или же являются основой опорных тканей организма. Полисахариды под действием кислот или соответствующих ферментов расщепляются на свои первичные строительные структуры. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза, пектины, гемицеллюлоза, слизи, агар, гепарин и др.
Крахмал - наиболее распространенный в природе и важный по своей пищевой ценности полисахарид. Он содержится во всех растениях, исполняя роль запасного питательного вещества. Различают клубневый крахмал (картофель, батат, маниока и др.) и зерновой (зерно злаков - кукурузы, пшеницы, риса, сорго, ячменя и др.). Крахмал не является химически индивидуальным веществом, он откладывается в клетках растений в виде зерен, которые сравнительно легко выделяются механически, путем вымывания водой. В зернах разных злаков крахмала содержится от 55 до 80%, в картофеле – 75%.
Зерно крахмала состоит из двух фракций - амилозы и амилопектина, различающихся молекулярной массой (до 3·105¸1·106 и 5·108 соответственно) и физико-химическими свойствами. Они одинаковые по химическому составу, но разные по структуре. Формула и того, и другого – (С6Н10О5)n, но у амилозы n = 200¸1000, а у амилопектина доходит до 200 000.
Свойства крахмала лучше всего проявляются в водной среде. Плотность крахмала равна 1500 кг/м3. В холодной воде зерна крахмала не растворяются, а только набухают. При нагревании крахмальной взвеси в воде крахмальные зерна набухают все сильнее, и, наконец, при достижении определенной температуры крахмал клейстеризуется. Амилоза легко растворяется в теплой воде, тогда как амилопектин растворяется при нагревании и давлении и дает очень вязкий коллоидный раствор. Для разных крахмалов температура клейстеризации различна (например, для пшеничного она равна 62÷65oC, для ржаного - 50÷55oC).
При кипячении с разбавленными кислотами крахмал превращается в глюкозу; при ферментном гидролизе солодовой амилазой – в основном в мальтозу и частично в глюкозу. Гидролиз идет по схеме:
Гидролиз крахмала протекает ступенчато через образование декстринов, представляющих собой обрывки цепей крахмальных молекул. Крахмал очень гигроскопичен. В обычных условиях, хотя он и сухой на ощупь, он удерживает до 20% влаги.
Крахмал в пищевой промышленности – основное сырье для производ-ства глюкозы и патоки, применяемой в кондитерской промышленности в качестве антикристаллизатора.
Гликоген - углевод животных организмов, откладывается в «резервном депо» печени как запасной источник питания. При расщеплении гликогена образующаяся глюкоза поступает в кровь и разносится по всем тканям организма.
В растительных продуктах наряду с углеводами, обеспечивающими организм энергией, содержатся так называемые непищевые углеводы - целлюлоза, или клетчатка, и пектиновые вещества. Практического значения как источник энергии в пищевом рационе целлюлоза (клетчатка) не имеет, поскольку усваивается только на 25%, но целлюлоза способствует нормальной функции кишечника.
Серый пшеничный хлеб, ржаной хлеб, овощи, в которых содержится клетчатка, нужно повседневно включать в рацион. Очень полезны сырые овощи и фрукты.
Целлюлоза – это полисахарид, составляющий основную массу органического вещества всех растений, основу их опорных структур. Особенно много целлюлозы в волокнах хлопчатника (свыше 90%). Чистая клетчатка – белая гигроскопичная масса волокнистого строения без вкуса и запаха. В воде она не набухает, устойчива к действию разбавленных кислот и щелочей. При полном кислотном гидролизе клетчатка, как и крахмал, превращается в глюкозу. Примесь клетчатки к белкам заметно снижает их усвояемость, так как клетчатка адсорбирует аминокислоты и сокращает длительность прохождения белка по желудочно-кишечному тракту.
Клетчатка, или целлюлоза, подобно крахмалу и гликогену при гидролизе дает только глюкозу. Клетчатка относится к балластным веществам, так как она почти не усваивается организмом.
Пектиновые вещества, как и клетчатка, представляют собой высокомолекулярные соединения углеводной природы. Они содержатся в плодах, овощах, свекле как в виде протопектина, не растворимого в холодной воде, так и в виде растворимого пектина. При нагревании протопектин гидролизуется, переходя в растворимую форму.
Пектиновые вещества, как и клетчатка, не усваиваются организмом непосредственно, но играют в физиологии питания и в пищевой технологии более активную роль. Они образуют комплексные соединения с тяжелыми металлами, выводят их из организма и являются, таким образом, важным природным средством профилактики специфических профессиональных заболеваний. Кроме того, они обладают важным технологическим свойством - образовывать в кислой среде в присутствии сахара и кислоты прочные фруктовые студни. На этом свойстве пектиновых веществ основано производство джема, повидла, мармелада, пастилы, фруктовых начинок и т. п. В то же время наличие пектиновых веществ тормозит такие процессы, как прессование фруктовой мезги, фильтрование соков.
В растительном сырье пектиновые вещества встречаются в виде нерастворимого в воде протопектина или растворимого пектина. Процесс перехода протопектина в растворимый пектин происходит при созревании плодов и ягод, при тепловой обработке растительного сырья, при осветлении плодово-ягодных соков. Наибольшее количество пектиновых веществ содержится в яблоках, айве, абрикосах, сливе (до 1,5%).
2.2. Значение углеводов в организме человека.
Главной и почти единственной функцией углеводов является снабжение организма энергией (50-60% общей энергоспособности пищи приходится на долю углеводов). Энергоспособность углеводов составляет в расчете на 1 г около 15,7 кДж.
Углеводы могут заменяться другими источниками энергии.
Поступая в организм человека, все сложные углеводы подвергаются гидролитическому распаду, превращаясь в глюкозу. Моносахариды также превращаются в глюкозу. Глюкоза через стенки кишечника непосредственно всасывается в кровь. Нормальное содержание глюкозы в крови около 0,1%. Количество это регулируется печенью: если сахара поступает много, то он накапливается в печени в виде запасного вещества животного крахмала (гликогена), который при недостаточном поступлении сахаров в организм превращается в глюкозу.
Свыше половины энергии, необходимой для нормальной жизнедеятельности, организм человека получает с углеводами. Если организм получает достаточное количество углеводов, то именно они, а не другие пищевые вещества (жиры и белки) являются источниками энергии. При их избыточном поступлении они превращаются в жир и откладываются в виде запасов в тканях. При недостатке углеводов удовлетворение энергетических потребностей организма будет осуществляться за счет жиров и белков.
Углеводы имеют исключительно важное значение для деятельности мышц, нервной системы, сердца, печени и других органов. Они играют роль в процессах обмена веществ, так как необходимы для нормального усвоения организмом жиров. Но избыточное поступление сахара в сочетании с общим высококалорийным питанием может привести к ожирению, раннему развитию атеросклероза и снижению работоспособности. Кроме названных отрицательных последствий, избыточное поступление сахара может привести к возникновению гипергликемии (повышенное содержание сахара в крови), которая отрицательно сказывается на функции поджелудочной железы.
Потребность организма взрослого человека в углеводах в среднем составляет 500 г в сутки (от 430 до 630 г). Но, несмотря на такое большое потребление, в организме человека содержание углеводов не превышает 2%.
В нормальном пищевом рационе углеводов должно быть приблизительно в 4 раза больше, чем белков. Потребность в углеводах определяется величиной энергетических затрат. Чем интенсивнее физическая нагрузка, чем больше объем мышечной работы, тем выше потребность в углеводах. Пожи-лым людям, а также лицам, занимающимся умственным трудом и имеющим избыточный вес, рекомендуется, чтобы количество ежедневно поступающего в организм сахара не превышало 15 % от общего суточного количества углеводов.
3.Жиры
Жиры (липиды) и жироподобные вещества (липоиды) объединяются общим названием липиды. Жиры делятся на животные (большей частью твердые при комнатной температуре) и растительные, или масла, как правило жидкие. Исключение составляет какао-масло.
Жиры относятся к соединениям довольно широко представленным в природе. В животных организмах жир находится в клетках тканей в свободном виде и в комплексе с другими органическими веществами. В большинстве растений жир содержится в сравнительно небольших количествах, исключение составляют масленичные растения, семена которых отличаются высоким содержанием жира.
В организме человека количество жира подвержено значительным колебаниям и находится в зависимости от ряда причин: пола, возраста, интенсивности обмена. Среднее содержание жира во взрослом организме составляет 7-10 кг. В отдельных случаях оно может доходить до 50% от веса тела.
По химическому строению жиры представляют собой сложные эфиры (глицериды) трехатомного спирта глицерина (около 10%) и жирных кислот разной длины углеродной цепочки и степени насыщенности. В естественных жирах преобладают триглицериды: моно и диглицириды содержатся в жирах лишь в незначительных количествах.
Свойства жиров зависят в основном от строения и состава жирных кислот. В наибольших количествах в жирах встречаются пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая и арахидоновая кислоты. Первые две из перечисленных чаще встречаются в жирах животного происхождения, вторые - в растительных жирах.
Жирные кислоты подразделяются на предельные (насыщенные) и непредельные (ненасыщенные). По своим биологическим свойствам предельные жирные кислоты уступают непредельным.
Из насыщенных жирных кислот наибольшее распространение имеют две кислоты: стеариновая С17Н35СООН и пальмитиновая С15Н31СООН. Обе кислоты при комнатной температуре имеют твердую консистенцию, (темпера-тура плавления их 69,6 и 61,1°С соответственно). Другие насыщенные кислоты: масляная С3Н7СООН, капроновая С5Н11СООН, миристиновая С13Н27СООН и другие встречаются реже сравнительно небольших количествах.
Из ненасыщенных жирных кислот в состав жиров чаще входит 3 кислоты олеиновая С17Н33СООН, линолевая С17Н31СООН и линоленовая С17Н29СООН с одной, двумя в тремя двойными связями, соответственно. Ненасыщенные жирные кислоты имеют жидкую консистенцию при комнатной температуре и встречаются в природе наиболее широко, составляя в маслах до 90% от общего содержания кислот.
Насыщенные жирные кислоты (пальмитиновая, стеариновая и др.) используются организмом как энергетический материал. Их больше всего содержится в животных жирах. Например, в говяжьем и свином жире 25% пальмитиновой кислоты, соответственно 20 и 13% стеариновой. В сливочном масле 7% стеариновой, 25% - пальмитиновой, 8% миристиновой кислоты. Избыток насыщенных жирных кислот приводит к нарушению обмена жиров, повышению уровня холестерина в крови.
Ненасыщенные жирные кислоты различаются по степени «ненасыщенности» - мононенасыщенные (одна ненасыщенная водородная связь между угле-родными атомами) и полиненасыщенные, когда таких связей несколько (2, 3, 4, 5, 6). Мононенасыщенной олеиновой кислоты много в оливковом масле (67%), маргарине (43...47%), свином жире (43%), говяжьем жире (37%), сливочном масле (23%).
Особое значение имеют полиненасыщенные жирные кислоты, к которым относятся - линолевая, линоленовая, арахидоновая. Они входят в состав структурных элементов клеток и тканей, обеспечивают нормальный рост и обмен веществ, эластичность сосудов и т. д.
Полиненасыщенные жирные кислоты не синтезируются организмом человека и поэтому являются незаменимыми. При их отсутствии наблюдаются прекращение роста, изменение проницаемости сосудов, некротические поражения кожи.
Линолевой кислоты особенно много в подсолнечном масле (60%), 1/10 его биологической активности составляет линоленовая кислота. Наибольшей биологической активностью обладает арахидоновая кислота, которой мало в пищевых продуктах (в мозгах и яйцах - 0,5%, в свиной печени - 0,3%).
Из ненасыщенных жирных кислот с большим числом двойных связей в жирах встречаются арахидовая (четыре двойных связи) и клупадоновая ( пять двойных связей).
В сравнительно больших количествах арахидовая кислота входит в состав некоторых фосфатитов. В жирах растений она не встречается и рассматривается как продукт прекращения в организмах линолевой и линоленовой кислот. Клупанодоновая кислота встречается в жирах морских животных и рыб.
Свойства жиров зависят от их состава. Жиры, содержащие в большом количестве эфиры насыщенных кислот стеариновой и пальмитиновой обладают более твердой консистенцией, более высокой температурой плавления чем жиры, содержащие много алеиновой и других ненасыщенных жирных кислот. Температура плавления связана также с молекулярной массой вхо-дящих в состав жира жирных кислот. Температура плавления тем ниже, чем меньше молекулярная масса жирных кислот. Так, например коровье масло в своем составе до 10% насыщенных жирных кислот с малой молекулярной массой: масляную, капроновую, лауриновую и имеет низкую температуру плавления (28-34°С).
3.1.Общие свойства жиров
Жиры как компоненты пищевых продуктов обладают определенными свойствами, которые необходимо учитывать и использовать в пищевых технологиях. К ним относятся следующие:
1) в чистом виде жиры не растворимы в воде, но растворимы в органических растворителях: хлороформе, бензоле, диэтиловом эфире, бензине и др. Это свойство жиров используется в масложировой промышленности для извлечения масел и жиров из животных и растительных (экстракционный способ получения растительных масел) тканей, при количественном определении жира в исследуемых объектах и для других.
2) жиры являются хорошими растворителями ряда летучих веществ, в том числе и эфирных масел. Один из способов выделения эфирных масел, их целей содержащихся в растениях, например, розового масла, основан на поглощении их животным жиром. Затем эфирные масла экстрагируются из жира спиртом. Свойство жиров поглощать ароматические вещества следует учитывать при хранении жиров, т.к. они легко могут приобрести несвойственный им запах.
3) жиры будучи нерастворимыми в воде способны в присутствии поверхностно-активных веществ (эмульгаторов) образовывать стойкие эмульсии, что имеет важное биологическое значение, при усвоении жира организмом.
В пищевой промышленности это свойство жиров используется для получения пищевых эмульсий (при производстве майонеза, маргарина и др.). Естественной эмульсией является молоко, в жидкой фазе которого диспергирован жир в виде шариков с белково-лецитиновой оболочкой.
4) удельный вес жира меньше единицы и колеблется при 15°С от 0,87 до 0,98.
5) жиры плохие проводники тепла. Откладываясь в подкожной ткани жир, предохраняет организм от переохлаждения.
6) жиры обладают высокой теплотворной способностью от 9,3 до 9,6 ккал/г. Их калорийность более чем в 2 раза выше калорийности углеводов и белков. Это объясняется меньшей окисленностью жира по сравнению с угле-водами и белками.
7) жиры обладают способностью преломлять свет. Степень преломления зависит от состава и структуры жирных кислот, входящих в их состав. Способность преломлять свет характеризуется коэффициентом преломления. Величина коэффициента преломления связана с молекулярной массой и степенью не насыщенности жирных кислот: чем больше молекулярная масса и чем выше степень не насыщенности, тем выше значение коэффициента. По способности преломлять свет определяют природу жира.
8) при высоких температурах (250-300°С) жиры гидролизуются на жирные кислоты и глицерин, который разлагается до акролеина (вещества с неприятным запахом). Жиры являются веществами нелетучими, но при повышенной температуре располагаются с образованием летучих веществ, в состав которых входит акролеин. Акролеин - это жидкость с характерным резким и неприятным запахом, действуя на слизистую оболочку глаз и носа. Запах подгоревших жиров и масел обуславливается присутствием в продуктах разложения акролеина.
При хранении в неблагоприятных условиях (повышенная температура, влажность, свет) жиры приобретают неприятные специфические запахи и вкус, в результате чего оказываются непригодными для употребления в пищу. Наиболее распространенными видами порчи являются прогоркание и осаливание жиров. В обоих случаях жиры становятся более светлыми за счет окисления красящих веществ жира - каротиноидов. Для прогорклых жиров характерно появление свободных одноосновных кислот (муравьиной, уксусной, масляной, валериановой и др.), перекисей, альдегидов и кетонов.
Различают химическое и биохимическое прогоркание жиров. Прогоркание жиров химическим путем происходит при контакте их кислородом воздуха. Биохимическое прогоркание является результатом действия ферментов как самого продукта, так и различных микроорганизмов.
Важная роль в процессе прогоркания принадлежит ферментам липазе и липоксигеназе. Жиры под действием ферментов гидролизуются на глицерин и свободные жирные кислоты. Последние, особенно ненасыщенные, под действием кислорода воздуха окисляются с образованием продуктов горького вкуса. Этот процесс называется прогорканием. Повышенная температура в хранилищах, высокая относительная влажность воздуха, свет способствуют прогорканию. Соприкосновение жира с некоторыми металлами, такими как кобальт, марганец, медь, железо также ускоряет окислительные процессы в жире. Однако, имеется вещества, которые, будучи прибавленные к жиру, способны затормаживать в большей или меньшей степени окисление жира. Вещества эти носят название антиоксидантов. Аксиокислительное действие в отношении жиров обнаруживают многие вещества органической и неорганической природы: фенолы, амины, алкоголи, сера, тимол и др. Однако, большинство из названных веществ не может иметь практического примене-ния в борьбе с прогорканием жиров, прежде всего, по санитарно-гигиеническим и вкусовым соображениям, а отдельные из этих антиоксидантов из-за недостаточной активности. Было обнаружено, что антиоксиданты содержатся почти во всех естественных жирах, локализуясь в липохромах (красящих веществ) жиров.
Удаление красящих веществ из жира делает его менее стойким при хранении. Этим, между прочим, объясняется, почему рефинированные жиры оказываются менее устойчивыми при хранении, чем жиры, не подвергавшиеся рафинированию. Наиболее активные антиоксиданты были открыты в жире овса, а также сои. Сильные антиоксиданты содержатся в масле какао, поэтому масло какао отличается большей стойкостью по отношению к действию кислорода воздуха и может храниться продолжительное время, не прогоркая. К природным антиоксидантам относятся токоферолы (витамин Е), содержащиеся во многих растительных жирах.
При нагревании под давлением жиры расщепляются на глицерин и соответствующие жирные кислоты. В присутствии щелочи эта реакция идет при нормальном давлении с образованием глицерина и солей жирных кислот. Это свойство используется в парфюмерной промышленности при производстве мыла.
В результате гидрогенезации (насыщения водородом полиненасыщенных жирных кислот) жиры могут переходить из жидкого состояния в твердое.
Главная 
