Понятие пищевой химий как науки, изучающей законы ассимиляции пищи и превращения отдельных ее компонентов. Порядок классификации продуктов питания. Физическая и термодинамическая характеристика воды. Физические и химические свойства аминокислот и белков.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ» 260100 «Продукты питания из растительного сырья» (код и наименование направления подготовки) Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий; Технология сахаристых продуктов;Пищевая химия - это наука, изучающая законы ассимиляции пищи и превращения отдельных компонентов пищи в организме человека. Пищевая химия связана с другими науками, такими как неорганическая химия, органическая химия, физическая и коллоидная химия, биохимия, технология, физиология и гигиена питания. trialи курса: знание химического состава сельскохозяйственного растительного сырья и производящихся из него продуктов; умение дать биологическую оценку продуктов; овладеть основными методами анализа сырья и пищевых продуктов; идентификация биологически активных компонентов пищи (незаменимых аминокислот, витаминов, ферментов, ненасыщенных Для характеристики свойств воды в продуктах и материалах широко используется понятие «активность воды». По величине активности воды все пищевые продукты делятся на три группы: - пищевые продукты с высокой влажностью (ПВВ, а =1?0,9); к w Установлено, что продукты, имеющие показатель активности воды ниже чем 0,7, могут длительное время сохраняться без микробиологической порчи.
План
Содержимое желудка переходит в кишечник, когда его консистенция становиться жидкой или полужидкой.Содержание природного натрия в пищевых продуктах 8
7 относительно невелико: 15 - 80 мг %. Его потребляется не более 0,8 г в день с продуктами без дополнительного введения.
Потребность в натрии невелика - около 1 г в день. Однако потребность в натрии существенно возрастает (почти в 2 раза) при сильном потоотделении. Вместе с тем установлена прямая зависимость между избыточным потреблением натрия к гипертонией. Избыточное потребление поваренной соли перегружает почки и сердце. В результате отекают ноги и лицо. Для большинства людей совершенно безвредно до 4 г натрия в день.
Калий - внутриклеточный (катион) элемент, регулирующий кислотно-щелочное равновесие крови. Он участвует в передаче нервных импульсов, активирует работу ряда ферментов. Считают, что калий обладает защитными свойствами против нежелательного действия избытка натрия и нормализует давление крови. По этой причине в некоторых странах предложено выпускать поваренную соль с добавлением хлорида калия.
В большинстве пищевых продуктов содержание калия колеблется в пределах 150 - 170 мг %. Заметно больше его в бобовых.
Ежедневная потребность взрослого человека в калии - 2500-50000 мг - удовлетворяется обычным рационом в основном за счет картофеля.
Хлор - элемент, участвующий в образовании желудочного сока, формировании плазмы, он активирует ряд ферментов.
Естественное содержание хлора в пищевых продуктах колеблется в пределах от 2 - 160 мг %. Основное его количество (до 90 %) взрослые получают с поваренной солью.
Потребность человека в хлоре - около 2г в день - с избытком удовлетворяется обычным рационом, содержащим 7 - 10 г хлора.
Сера - элемент, значение которого в питании определяется в первую очередь тем, что он входит в состав белков в виде серосодержащих аминокислот (метионина и цистина), а также в состав некоторых гормонов и витаминов. Содержание серы обычно пропорционально содержанию белков в пищевых продуктах, поэтому ее больше в продуктах животного происхождения. Потребность человека в сере (около 1 г в день) удовлетворяется обычным суточным рационом.
Микроэлементы. Железо - элемент, участвующий в образовании гемоглобина и некоторых ферментов. Содержание железа в пищевых продуктах колеблется в пределах 70 - 4000 мкг %. Особенно много железа в печени, почках и бобовых (6000 -20000 мкг %).
Потребность взрослого человека в железе 14 мг в день, она с избытком удовлетворяется обычным рационом. Однако существуют продукты черезмерное потребление которых ухудшает усвояемость железа. Например, хлебобулочные изделия из пшеничной муки тонкого
8 8 помола богаты фосфатами и фитином, которые образуют с железом труднорастворимые соли и снижают его усвояемость организмом. Чай также снижает усвояемость железа изза связывания его с дубильными веществами в труднорасщепляемый комплекс.
Цинк - элемент, значение которого определяется тем, что он входит в состав гормона инсулина, участвующего в углеводородном обмене, и многих важных ферментов. Недостаточность цинка у детей задерживает рост и половое развитие.
Содержание цинка в пищевых продуктах обычно колеблется в пределах 150 - 2500 мкг %. Однако в печени бобовых оно достигает 3100 - 5000 мкг %. Суточная потребность в цинке 8-22 мг. Она вполне удовлетворяется обычным рационом.
Иод является необходимым элементом, участвующим в образовании гормона тироксина. Потребность в йоде колеблется в пределах 100 - 150 мкг в день. При недостатке йода в крови наблюдается увеличение щитовидной железы - простой зоб. Особенно чувствительны к недостатку йода дети школьного возраста. Содержание иода обычно в пищевых продуктах невелико (4-15 мкг %). Однако в морской рыбе его содержится около 50 мкг %, в печени трески до-800, а в морской капусте в зависимости от вида и сроков сбора - от 50 до 70000 мкг %. Однако при длительном хранении или тепловой обработке пищи значительная часть иода (от 20 до 60 %) теряется.
Развитие зоба легко предупредить используя поваренную соль обогащенную иодидом калия (К1 25 мг на 1кг соли).
Фтор - элемент, при недостатке которого развивается кариес (разрушается зубная эмаль). Потребность в нем взрослого человека 3 мг в день.
В пищевых продуктах фтора обычно содержится мало. Исключение составляют морская рыба и чай.
В районах, где фтора в воде мало (меньше 0,5 мг/дм ), производят фторирование воды. Однако избыточное потребление фтора также нежелательно, так как он вызывает флуороз (пятнистость эмали зубов).
Что касается других микроэлементов, например мели, никеля, хрома, марганца, молибдена, ванадия, селена, бора и т.д., то потребность в них организма человека окончательно не установлена. Возможно, она очень низка и полностью удовлетворяется обычным рационом. Во всяком случае, у людей пока не обнаружено неблагоприятных явлений, связанных с недостатком этих микроэлементов. Однако избыток этих микроэлементов, который может возникнуть в результате загрязнения при приготовлении пищи или при выращивании растительных продуктов на почвах, обогащенных некоторыми микроэлементами, может вызвать токсические явления.
8 9
Поэтому во многих странах, в том числе и в России, содержание этих элементов в пищевых продуктах ограничивается. Особенно строго ограничивается содержание таких высокотоксичных элементов, как ртуть, кадмий, свинец и мышьяк. Медь, цинк, железо и олово в избыточных количествах также вредны для здоровья.
Изменения минеральных веществ, происходящие при технологической обработке сырья и продуктов.
При переработке пищевого сырья, как правило, происходит уменьшение минеральных веществ, кроме добавления пищевой соли. В растительных продуктах они уходят с отходами. Так, содержание ряда макро- и особенно микроэлементов при получении крупы и муки при переработке зерна снижается, так как в удаляемых оболочках и зародышах этих компонентов находится больше, чем в целом зерне. При зачистке овощей теряется от 10 до 30 % минеральных веществ. Если их подвергают тепловой обработке, то теряется еще от 5 до 30 %.
При тепловой кулинарной обработке в зависимости от технологии (варка, жарка, тушение) мясо теряет от 5 до 50% минеральных веществ.
В процессе технологии за счет недостаточного качественного оборудования может переходить в конечный продукт некоторое количество микроэлементов. Так, при изготовлении хлеба при тестоприготовлении за счет оборудования содержание железа может увеличиваться на 30%. При хранении консервов в жестяных сборных банках с некачественно выполненным припоем или при нарушении защитного лакового слоя в продукт могут переходить такие высокотоксичные элементы, как свинец, кадмий, а также олово.
Следует учесть, что содержание в продуктах железа и меди даже в небольших концентрациях, лежащие ниже ПДК. может вызвать нежелательное окисление продукта. Их каталитические окислительные способности особенно ярко проявляются в отношении жиров и жиросодержащих продуктов.
При хранении напитков в присутствии железа выше 5мг/л и меди 1мл/л при определенных условиях часто могут возникнуть помутнения.
Минерализация пищевых продуктов. При изготовлении пищевых продуктов иногда требуется корректировка минерального состава исходного сырья. В ряде стран широко практикуется его обогащение различными минеральными добавками, например, обогащение муки солями кальция и железа.
Для обогащения хлеба минеральными веществами используют молочные продукты, добавки пищевого мела, лактата, глюконата кальция и другие источники кальция. Минерализация хлеба способствует увеличению его физиологической ценности.
В настоящее время созданы новые виды круп с введением 9
0 обогатителей (животного и растительного происхождения), что дает возможность повысить в готовом продукте содержание необходимых компонентов, в том числе и микроэлементов.
Для восполнения минеральных веществ используются различные виды нетрадиционных видов сырья. Предложены, например, белковые концентраты из жмыха томатов, семян кукурузы, шрота льна. Они богаты кальцием, фосфором, железом, медью, марганцем.
Широко используются фосфорнокислые соли для минерализации пищевых продуктов при организации специального питания для спортсменов. Фосфорсодержащие соединения играют важную физиологическую роль.
Разработаны пищевые продукты с использованием многочисленных композиции, заменяющих хлорид натрия для питания лиц, склонных к гипертонии.
Основы рационального питания
Зная биохимию пищеварения, можно перейти к основам рационального питания. Что такое рациональное питание? По существу, это соблюдение трех основных принципов 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 соотношении пищевых веществ.
3.Соблюдение режима питания (определенное время приема пищи и определенное количество пищи при каждом приеме).
Соблюдая эти принципы, необходимо иметь в виду два обязательных условия: 1) рациональная кулинарная обработка продуктов, максимально сохраняющая пищевые вещества;
2) соблюдение санитарно-гигиенических правил приготовления и хранения пищи.
Первый принцип рационального питания — баланс энергии. 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 недо-окисленных продуктов, выделяющихся с мочой (мочевина). Поэтому вначале калорийность (т. е. способность выделять энергию) определяли в специальном приборе — калориметре, в котором легко учитывается выделение тепла. Оказалось, что в калориметре при сгорании в атмосфере кислорода 1 г углеводов
9 1 выделяется в среднем 4,3 ккал. 1 г жиров — 9,45, 1 г белков — 5,65 ккал. (Для желающих пересчитать килокалории в джоули напомним, что I ккал = 4.184 КДЖ.)
Однако впоследствии выяснилось, что часть пищевых веществ в организме не усваивается (например, белки в среднем усваиваются на 94,5 %, жиры — 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.
В настоящее время считается, что 1 г белков 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, он действует и в живом организме, в том числе в клетках человеческого тела. Поэтому нормальное питание предусматривает примерный баланс поступления энергии в соответствии с расходом на обеспечение нормальной жизнедеятельности.
При кратковременном недостатке калорийной пиши организм частично расходует запасные вещества, главным образом жир и углеводы (гликоген). 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.
Однако при длительном избыточном потреблении калорийной пищи часть жиров и углеводов не используется организмом непосредственно, а откладывается в виде подкожного жира в жировых клетках. Следствием этого являются увеличение массы тела, а затем и ожирение.
Специалисты установили, что имеются три пути энергозатрат в организме: во-первых, так называемый основной обмен, во-вторых, специфическое динамическое действие пиши и, в-третьих, мышечная деятельность.
Основной обмен. Основной обмен — это 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»
9 2 женщину (возраст — 30 лет, масса тела — 55 кг), занятых легкой физической работой. Основной обмен у стандартного мужчины в среднем равен 1600 ккал, у женщины— 1400 ккал. Он зависит от возраста (у маленьких детей он на единицу массы в 1,3—1,5 раза выше, чем у взрослых), от общей массы тела (поэтому часто основной обмен рассчитывается на 1 кг массы тела, принимая, что в 1 ч расходуется 1 ккал), от внешних условий проживания и индивидуальных особенностей человека. У людей, постоянно испытывающих физические нагрузки, основной обмен обычно заметно (до 30 %) выше.
Специфическое динамическое действие пищи. Ученые обнаружили, что на переваривание пищи, даже без какой бы то ни было мышечной активности, расходуется энергия. При этом наибольший расход вызывает переваривание белков, которые при их поступлении в пищеварительный тракт на определенный период увеличивают основной обмен (до 30—40 %), При приеме жиров основной обмен повышается на 4—14 %, углеводов — на 4—7%. Даже чай и кофе вызывают небольшое (до 8 %) повышение основного обмена. Считается, что при смешанном питании и одновременно при оптимальном количестве потребляемых пищевых веществ основной обмен увеличивается в среднем на 10—15 %.
Расход энергии на мышечную деятельность. 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. Еще в 1937 г. известный советский ученый М. Н. Шатерников экспериментально показал, что при чтении книги в положении сидя основной обмен увеличивается всего на 16 %. При физической нагрузке увеличение основного обмена может увеличиваться в несколько раз.
Второй принцип рационального питания — удовлетворение потребности в основных пищевых веществах. 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 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 источниками энергии
9 3 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 невыгодно 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 1г 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 снижено до 11 % общей калорийности рациона (при увеличении доли жиров и углеводов как поставщиков калорий).
Третий принцип рационального питания — режим приема пищи. У многих людей режим питания регулируется аппетитом. Что же такое аппетит и как к нему относиться?
Каждому знакомо чувство голода, которое сигнализирует о том, что организму человека для правильной жизнедеятельности важно получить новую порцию пищи, несущую истраченные в процессах обмена веществ энергию, пластические вещества, витамины и минеральные вещества. Физиолого-биохимическая сущность этого чувства заключается в следующем. Предполагается, что в коре больших полушарий головного мозга расположен так называемый пищевой центр, который возбуждается различными импульсами: снижением концентрации глюкозы (сахара) в крови, опорожнением желудка и др. Возбуждение пищевого центра и создает аппетит, степень которого зависит от степени возбуждения пищевого центра. Однако в результате инерции возбуждения пищевого центра аппетит сохраняется некоторое время после приема пиши. Это связано с тем, что переваривание и всасывание первых порций пищи длится 15—20 мин. После начала поступления их в кровь пищевой центр дает «отбой».
Чувство голода свойственно не только человеку, но и всему живущему на земле; нет сомнений, что оно досталось человеку в наследство от его диких предков. Поскольку последние не всегда могли рассчитывать на удачу в поисках пищи, то определенные преимущества в борьбе за существование получили те из них, 9 4 которые, найдя пищу, потребляли ее в большом количестве, т. е. те, которые имели повышенный аппетит. Повышенный аппетит возник, по-видимому, в процессе эволюции животного мира, закрепился в потомстве и передался по наследству человеку.
В настоящее время в развитых странах проблема питания человека потеряла свою былую остроту, и в связи с этим повышенный аппетит тоже потерял свой биологический смысл. Более того, он стал своего рода врагом человека, виновником систематических или несистематических случаев переедания и даже обжорства. А это значит, что не следует руководствоваться одним только аппетитом, хотя и не считаться с ним тоже нельзя. Действительно, наш аппетит сигнализирует нам не только о потребности в необходимом количестве пищи (об этом он как раз сигнализирует неправильно), но и о ее качестве.
В основу режима питания положены четыре основных принципа. Первым принципом правильного режима питания является регулярность питания, т. е. приемы пищи в одно и то же время суток. Каждый прием пищи сопровождается определенной реакцией организма. Выделяются слюна, желудочный сок, желчь, сок поджелудочой железы и т. д., причем все это происходит в нужное время. В процессе пищеварения большую роль играют условно-рефлекторные реакции, такие, как выделение слюны и желудочного сока в ответ на запах и вид пищи и др. В цепи условно-рефлекторных реакций важное значение принадлежит фактору времени, т. е. выработанной привычке человека потреблять пищу в определенное время суток. Выработка постоянного стереотипа в режиме питания имеет большое значение для условно-рефлекторной подготовки организма к приему и перевариванию пищи.
Вторым принципом правильного режима питания является дробность питания в течение суток. Одно- или двухразовое питание нецелесообразно и опасно для здоровья. Исследования показали, что при двухразовом питании инфаркт миокарда и острые панкреатиты встречаются значительно чаще, чем при трех- и четырехразовом питании, и это объясняется именно обилием потребляемой пищи за один прием при двухразовом (и тем более при одноразовом) питании.
Практически здоровому человеку рекомендуется трех- или четырехразовое питание, а именно: завтрак, обед, ужин и стакан кефира перед сном. Когда позволяют условия, то можно вводить в режим питания один или два дополнительных приема пищи: между завтраком и обедом и между обедом и ужином. Естественно, что дополнительные приемы пищи отнюдь не предполагают увеличения общего количества потребляемых пищевых продуктов за день.
Третьим принципом правильного режима питания является максимальное соблюдение рационального питания при каждом приеме пищи. Это значит, что набор продуктов при каждом приеме пищи (завтрак, обед, ужин) должен быть продуман с точки зрения поставки
9 5 организму человека белков, жиров, углеводов, а также витаминов и минеральных веществ в наиболее благоприятном (рациональном) соотношении.
Четвертым принципом правильного режима питания является наиболее физиологическое распределение количества пищи по ее приемам в течение дня. Многочисленными наблюдениями подтверждается, что наиболее полезен для человека такой режим, при котором за завтраком и обедом он получает более двух третей общего количества калорий суточного рациона, а за ужином — менее одной трети.
Время суток для завтрака, обеда и ужина, естественно, может варьировать в довольно широких пределах в зависимости от производственной деятельности человека. Однако важно, чтобы время между завтраком и обедом составляло 5—6 ч и время между обедом и ужином также составляло 5—6 ч. На основании проведенных исследований следует рекомендовать, чтобы между ужином и началом сна проходило 3—4 ч. trialдные загрязнители сырья и пищевых продуктов
1.Окружающая среда и загрязнения пищи. Меры токсичности веществ.
4.Диоксины и диоксиноподобные соединения. 5.Полициклические ароматические углеводороды. 6.Загрязнения веществами, применяемыми в растениеводстве. 7.Загрязнения веществами, применяемыми в животноводстве.
Гормональные препараты
1.Окружающая среда и загрязнения пищи. Меры токсичности веществ
Природные загрязнители токсичные вещества, поступающие в пищу из окружающей среды. Вследствие нарушения технологий выращивания, производства или хранения сырья и продуктов или других причин. Загрязнения продовольственного сырья и пищевых продуктов чужеродными веществами или ксенобиотиками напрямую зависит от степени загрязнения окружающей среды. В биосфере, в результате хозяйственной деятельности человека циркулирует огромное количество различных ксенобиотиков как неорганической, так и органической природы, обладающих исключительной токсичностью. Ксенобиотики способны накапливаться в почве, водоемах с атмосферными водными потоками распространяются на
9 6
1000 км. Попадая в организм человека они вызывают серьезные нарушения здоровья - от острых отравлений с летальным исходом до заболеваний, проявляющихся порой только через годы.
Рис. 12 Схема поступления ксенобиотиков из окружающей среды в организм человека
Чужеродные химические вещества могут попадать в пищу случайно в виде контаминанты - загрязнителей. Например, из окружающей среды или в процессе технологической обработки при контакте с оборудованием. Иногда их вводят специально в виде пищевых добавок, когда это связано с технологической необходимостью. Кроме того, в пищевом сырье и в готовых продуктах могут содержаться природные компоненты, оказывающие вредное воздействие на здоровье человека.
Классификация вредных и посторонних веществ в сырье, питьевой воде, и продуктах питания может быть представлена в виде схемы.
9 7
Несмотря на то, что окружающая среда остается источником загрязнения сырья и пищевых продуктов, в настоящее время появляются новые и модифицирующиеся традиционные технологии получения продуктов питания, которые часто связаны с применением жестких видов воздействия на сырье и полуфабрикаты. Это является не всегда определенным, и приводят к возникновению токсичных веществ. Кроме того, получили широкое распространение разнообразные виды непроверенных пищевых добавок и новых упаковочных материалов, появилось большое число малых предприятий на которых технологический процесс и качество пищевых продуктов плохо контролируется. Нельзя забывать и об антиалиментарных факторах питания, содержащихся в сырье и готовых пищевых продуктах, способных оказывать неблагоприятное воздействие на организм человека. Количественная характеристика токсичности веществ очень сложна и требует многостороннего подхода. Существует две основные характеристики токсичности:ЛД50 и ЛД100.
ЛД ? летальная доза, то есть доза, вызывающая при однократном введении гибель 50% или 100% экспериментальных животных. Дозу определяют в размерности концентрации. Токсичными считают те вещества для которых ЛД мала.
Принята trialющая классификация веществ по признаку острой токсичности (ЛД50 для крысы) при пероральном введении [мг/кг].
9 8
Вещества чрезвычайно токсичные менее 5 мг/кг, высокотоксичные 5-50 мг/кг, умеренно-токсичные 5-500 мг/кг, малотоксичные 500-5000 мг/кг, практически безвредные более 15000 мг/кг.
Величина t0,5 характеризует время полувыведения токсинов и продуктов его превращения из организма. Оно может состоять от нескольких часов до нескольких десятков лет для разных токсинов. Кроме ЛД50, ЛД100 в токсикологических экспериментах на животных принято указывать еще и время 100 или 50% гибели объектов.
Но эти эксперименты должны проволиться в течение многих месяцев и лет, а при существующем непродолжительном контроле могут отнести к малотоксичным веществам высокотоксичные, которые проявляют свое негативное действие лишь через длительное время.
Для большинства пищевых продуктов установлены ПДК токсичных элементов. Таких элементов восемь: ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, цинк, медь, олово и железо. Наибольшую опасность представляют первые три.
Ртуть. Один из самых опасных и высокотоксичных элементов, обладающих способностью накапливаться в растениях, организме животных и человека, то есть являются ядом кумулятивного действия. Токсичность ртути зависит от вида ее соединений, которые по-разному всасываются, метаболизируются и выводятся из организма. Наиболее токсичны амилортутные соединения с короткой цепью: метилртуть, этилртуть и диметилртуть. Механизм токсического действия ртути связан с ее взаимодействием с сульфгидрильными группами белков (SH), блокируя которые ртуть изменяет свойства или анактивирует важные ферменты.
При этом нарушается обмен веществ в организме. Защитным эффектом при воздействии ртути на организм обладает цинк и особенно селен. Защитное действие селена обусловлено обладанием нетоксичного селенортутного комплекса. О высокой токсичности ртути свидетельствуют и очень низкие значения ПДК: 0, 0003 мг/м3 в воздухе и 0,0005 мг/л в воде. Человек получает с суточного рациона 0,05 мг ртути, что является допустимым. В организм человека ртуть попадает в основном с рыбопродуктами. Например, такая хищная рыба, как тунец, может накапливать ртути до 0,7 мг/кг. Из других животных продуктов накопителем ртути являются почки животных до 0,2 мг/кг (в сыром продукте). Из растительных продуктов ртути больше всего содержится в орехах, какао-бобах и шоколаде, в
9 9 большинстве остальных продуктов содержание ртути не превышает 0,01-0,03 мг/кг.
Свинец. Это яд высокой токсичности. В большинстве растительных и животных продуктов его естественное содержание не превышает 0,5-1 мг/кг. Больше всего обнаруживают в хищной рыбе (тунец до 2 мг/кг), в ракообразных и моллюсках до 10 мг/кг. Допустимая суточная доза свинца 0,007 мг/кг продукта. ПДК в воде 0,05 мг/л. В основном повышенное содержание свинца наблюдается в консервах, помещенных в сборно-жестяную тару, которая спаивается припоем, содержащим определенное количество свинца. Имеются случаи довольно редкие, когда в консервах из этой тары при длительном хранении накапливается до 3мг/кг и даже выше, поэтому продукты в такой таре нельзя хранить более 5 лет. Большое загрязнение свинцом происходит от сгорания этилированного бензина.
Тетраэтилсвинец, добавляемый к бензину для увеличения октанового числа весьма летуч и более токсичен, чем сам свинец и его неорганические соединения. Он легко попадает в почву и загрязняет пищевые продукты, поэтому продукты, выращенные вдоль автострад содержат большое количество свинца. В зависимости от интенсивности движения эта опасная зона может простираться от 10-500 метров.
Кадмий. Весьма токсичный элемент. Естественного кадмия в пищевых продуктах содержится в 5-10 раз меньше, чем свинца. Он действует на почки человека, вызывая блокаду сульфгидрильных групп белков, повышенная концентрация наблюдается в какао порошке до 0.5 мл/кг, почках животных (до 1 мг/кг) и рыбе до 0.2 мг/кг. Содержание кадмия повышается в консервах из сборной жестяной тары с некачественно выполненным припоем. Допустимая суточная доза кадмия составляет 1мкг/кг м ассы тела. Токсичные элементы могут попасть в опасных для человека концентрациях в пищевые продукты из сырья и в процессе технологической обработке только при нарушениях соответствующих технологических инструкциях. Например, в растительном сырье они могут появиться при нарушении правил применения ядохимикатов, содержащих в своем составе ртуть, свинец, мышьяк и др. Повышенное количество может появиться в зоне вблизи промышленных предприятий, загрязняющих воздух и воду недостаточно очищенными отходами производства. При производстве детских и диетических продуктов по ряду токсичных элементов предъявляются более жесткие требования. Например, для зернобобовых содержание свинца 0,3 мг/кг, кадмия 0,03 мг/кг.
Олово. Его содержание контролируется только в консервах и в сборной жестяной таре, где допускается до 200 мг/кг, а в детских консервах до 100 мг/кг.
1 0 0
3.Радиоактивное загрязнение пищи
Источники радиоактивности, как и другие загрязнители, являются компонентами пищевых цепей: атмосфера-ветер-дождь-почва-растения-животные-человек. Анализируя данные о взаимодействии радионуклидов с компонентами природной среды и организмом человека, необходимо отметить следующее. Радионуклиды естественного происхождения постоянно присутствуют во всех объектах неживой и живой природы, начиная с момента образования нашей планеты. При этом радиационный фон в различных регионах Земли может отличаться в 10 и более раз. К радионуклидам естественного происхождения относят, во-первых: космогенные радионуклиды, главным образом 3Н, 7Ве, |4С, 22 Na, 24 Na, во-вторых: радионуклиды, присутствующие в объектах окружающей среды (среди них основными источниками загрязнения пищевых продуктов и облучениячеловекаявляются 40 К, 238U, 232Th).
Радон — один из первых открытых человеком радионуклидов. Этот благородный газ образуется при распаде изотопа Ra и поступает в организм ингаляционным путем. Человек контактирует с радоном везде, но главным образом в каменных и кирпичных жилых зданиях (особенно в подвальных помещениях и на первых этажах), поскольку главным источником является почва под зданием и строительные материалы. Радиоактивность (МКЗВ/год) строительных материалов такова: дерево 0; известняк, песчаник 0-100; кирпич, бетон 100-200; естественный камень, производственный гипс 200-400; шлаковый камень, гранит 400-2000. Высокое содержание радона может быть в подземных водах. Доступным и эффективным способом удаления радона из воды является ее аэрация.
226
В результате производственной деятельности человека, связанной с добычей полезных ископаемых, сжиганием органического топлива, со-зданием минеральных удобрений и т. п., произошло обогащение атмосферы естественными радионуклидами, причем естественный радиационный фон постоянно меняется.
С момента овладения человеком ядерной энергией в биосферу начали поступать радионуклиды, образующиеся на АЭС, при производстве ядерного топлива и испытаниях ядерного оружия. Таким образом, встал вопрос об искусственных радионуклидах и особенностях их влияния на организм человека. Среди радионуклидов искусственного происхождения выделяют 21 наиболее распространенный, 8 из которых составляют основную дозу внутреннего облучения населения: |14С,137Cr,90 Sг, 89 Sr, |106 Ru, |44Се,131I, 95 Zr.
Существуют три пути попадания радиоактивных веществ в организм человека: а) при вдыхании воздуха, загрязненного радиоактивными веществами; б) через желудочно-кишечный тракт — с пищей и водой; в) черезкожу.
Для наиболее опасных искусственных радионуклидов, к которым следует отнести долгоживущие90 Sг, 137Cs и короткоживущий 131I, в настоя-
1 0 1 щее время выявлены закономерности всасывания, распределения, накопления и выделения, а также механизмы их связи с различными биологическими структурами. Одной из главных задач по профилактике и снижению степени внутреннего облучения следует считать уменьшение всасывания радиоактивных элементов при их длительном поступлении в организм человека с пищевыми продуктами.
Эффект действия ионизирующих излучений на клетку и организм в целом можно понять, проследив изменения, происходящие на всех этапах следующей цепи: биомолекулы-клеточный компартмент-клетка-ткани-организм, и установив взаимосвязь между ними.
Клетка — это слаженная динамическая система биологически важных макромолекул, которые скомпонованы в компартменты (субклеточные образования), выполняющие определенные физиологические функции.
Наиболее чувствительными к облучению органеллами клеток организма млекопитающих являются ядро и митохондрии. Здесь повреждения проявляются в малые сроки и при малыхдозах. Наиболее всего угнетаются процессы окислительного фосфорилирования, изменяются физико-химические свойства нуклеопротеидов, в результате чего происходят количественные и качественные изменения в ДНК, нарушаются процессы транскрипции и трансляции. Кроме этого, угнетаются энергетические процессы, выброс в цитоплазму ионов К и N , нарушаются функции мембран. Одновременно возможны все виды мутаций: геномные мутации (кратные изменения гаплоидного числа хромосом), хромосомные мутации или хромосомные аберрации (структурные или численные изменения хромосом), генные или точковые мутации (изменения молекулярной структуры генов, в результате чего синтезируютсябелки,утратившиесвоюбиологическуюактивность).
Принято рассматривать три этапа радиационного поражения клетки.
I этап можно назвать физическим. На этом этапе происходит ионизация и возбуждение макромолекул; при этом поглощенная энергия реализуется в слабых местах (в белках — 5Н-группы, в ДНК — хромофорные группы тимина, в липидах — ненасыщенные связи).
II этап — химические преобразования. На этом этапе происходит взаимодействие радикалов белков, нуклеиновых кислот, липидов с водой, кислородом, с радикалами воды и т. п. Это в свою очередь приводит к образованию гидроперекисей, ускоряет процессы окисления, вызывает множественные изменения молекул. В результате этого начальный эффект многократно усиливается. Разрушается структура биологических мембран, усиливаются другие процессы деструкции, высвобождаются ферменты, наблюдается изменение их активности. которые связаны с высвобождением ферментов и изменением их активности.
III этап — биохимический. На этом этапе происходят нарушения
1 0 2 активности. Различные ферментные системы реагируют на облучение неоднозначно. Активность одних ферментов после облучения возрастает; других — снижается, третьих — остается неизменной. К числу наиболее радиочувствительных процессов в клетке относится окислительное фосфорилирование. Нарушение этого процесса отмечается через 20— 30 минут при дозе облучения 100 рад. Оно проявляется в повреждении системы генерирования АТФ, без которой не обходится ни один процесс жизнедеятельности.
Высокой чувствительностью обладают ДНК-комплексы (ДНК клеточного ядра в комплексе со щелочными белками, РНК, ферментами). Предполагается, что в этом случае в первую очередь поражаются связи белок—белок и белок-ДНК.
Облучение целостного организма приводит к снижению гликогена в скелетных мышцах, печени и ряде других тканей в результате нейрогуморальной реакции на облучение. Кроме этого обнаруживается нарушение процессов распада глюкоз
Введение
1. Предмет и задачи науки.
2. Классификация продуктов питания. Социальные проблемы питания.
3. Основные направления научно - исследовательских работ по вопросам питания.
1. Предмет и задачи науки.
Пищевая химия - это наука, изучающая законы ассимиляции пищи и превращения отдельных компонентов пищи в организме человека. Это наука о химическом составе пищевых систем (сырье, полупродукты, готовые пищевые продукты), его изменениях в ходе технологического потока под влиянием различных факторов (физических, химических, биохимических и т. д.), включающих липид-белковое, липид-углеводное, белок-белковое, белок-углеводное взаимодействия, общих закономерностях этих превращений. Она включает изучение взаимосвязи структуры и свойств пищевых веществ и ее влияние на свойства и пищевую ценность продуктов питания. Пищевая химия также уделяет внимание методам выделения, фракционирования, очистки пищевых веществ (белков, углеводов, липидов и т.д.), их каталитической модификации. Неотъемлемой частью пищевой химии являются разделы, посвященные пищевым и биологически активным добавкам, загрязнителям пищевого сырья и продуктов.
Решение всех перечисленных вопросов требует знания методов исследования пищевого сырья и готовых продуктов. Эта наука предусматривает как разработку новых принципов и методов анализа пищевых систем, так и установление строения отдельных компонентов, их функций и взаимосвязи с другими компонентами. Кроме этого, пищевая химия уделяет особое внимание вредным и посторонним веществам в сырье, полуфабрикатах и готовых продуктах.
Пищевая химия связана с другими науками, такими как неорганическая химия, органическая химия, физическая и коллоидная химия, биохимия, технология, физиология и гигиена питания. trialи курса: знание химического состава сельскохозяйственного растительного сырья и производящихся из него продуктов; умение дать биологическую оценку продуктов; овладеть основными методами анализа сырья и пищевых продуктов; идентификация биологически активных компонентов пищи (незаменимых аминокислот, витаминов, ферментов, ненасыщенных
2 жирных кислот и др.), а также приобретение теоретических знаний и практических навыков для самостоятельного решения конкретных производственных задач, связанных с повышением выхода и качества пищевых продуктов.
2. Классификация продуктов питания.
Существуют 4 группы продуктов питания: продукты массового потребления традиционной технологии, продукты массового потребления с измененным химическим составом (витаминизированные, низкокалорийные и др.), лечебные и диетические продукты с измененным химическим составом и физическими свойствами, специально создаваемые для лечебного и профилактического питания (с повышенным содержанием белка, пищевых волокон и др.), продукты детского питания, создаваемые для детей младше трех лет.
Пищевые продукты по составы представляют собой сложные многокомпонентные системы, содержащие в качестве основных компонентов ограниченный ряд ингридиентов или нутриентов (от латинского слова nutrition - питание).
Белки, жиры, углеводы и макроэлементы - это главные пищевые вещества, называемые по международной классификации макронутриентами. Они являются главными источниками энергии и питательных веществ для организма.
К микронутриентам относятся витамины, ферменты и микроэлементы.
Вещества, содержащиеся в пищевых продуктах, но не
3 используемые организмом в процессе жизнедеятельности, называются неалиментарными. Это вещества вкуса и запаха, пищевые добавки, структурообразователи, оксиданты и консерванты.
Среди макро- и микронутриентов есть группы веществ, которые организм может получать только с пищей. Такие вещества называются незаменимыми или эссенциальными.
Социальные проблемы питания.
Мировое производство продуктов питания недостаточно удовлетворяют требования населения. В связи с этим возникают социальные проблемы с ожирением, атеросклерозом ишемической болезнью сердца, гипертонией и диабетом.
Последние десятилетия характеризуются стойким ухудшением показателей здоровья населения России: продолжает снижаться средняя продолжительность жизни (в 1996 г. она составила 57 лет у мужчин и 72 года у женщин, в среднем 65 лет — это значительно ниже, чем в большинстве развитых стран), увеличивается общая заболеваемость. Смертность на 1000 человек увеличилась с 11,2 в 1990 г. до 15,0 в 1996 г. Среди причин заболеваемости и смертности ведущее место занимают сердечно-сосудистые и онкологические заболевания, развитие которых в определенной степени связано с питанием (табл. 1.1). Снижается уровень грудного вскармливания, ухудшаются показатель здоровья и антропометрические характеристики детей, подростков, а также состояние здоровья лиц пожилого возраста. Одной из важнейших причин этого является неудовлетворительное питание.
Негативное влияние оказывает потребление некачественных, фальсифицированных и опасных для здоровья человека продуктов. На устранение этих недостатков и направлен закон РФ № 29-ФЗ «О качестве и безопасности пищевых продуктов» (2 января 2000 г.).
3. Основные направления научно - исследовательских работ по вопросам питания.
Основные направления научно - исследовательских работ по вопросам питания: - теоретические исследования переваривания, всасывания и ассимиляции пищевых веществ;
- изыскание новых источников питания пищи и кормового белка;
4
- разработка и уточнение норм потребления пищевых веществ и различных продуктов различными категориями населения;
В максимально укрупненном виде все перечисленные выше направления, входящие в область пищевой химии и нацеленные на создание современных продуктов питания, приведены на схеме:
5
Вода в сырье и пищевых продуктах.
1. Физическая и термодинамическая характеристика воды, связанной биомакромолекулами.
2. Роль воды в развитии микроорганизмов на сырье и пищевых продуктах.
3. Свободная и связанная вода в пшеничном тесте. Методы определения связанной воды.
4. Водопоглотительная способность муки и факторы на нее влияющие.
5. Роль гидратации в стабилизации структуры белков. Взаимодействие воды с углеводами и липидами.
1. Физическая и термодинамическая характеристика воды, связанной биомакромолекулами.
Вода является необходимым условием жизни и входит в состав всех пищевых продуктов и материалов.
Содержание влаги может привести к быстрой порче продуктов и поэтому продукты, предназначенные для длительного хранения, подвергаются сушке.
Вода представляет собой прозрачную бесцветную жидкость, обладающую целым рядом аномальных физических свойств. Например, вода имеет аномально высокие температуры замерзания и кипения, а так же поверхностное натяжение. Ее удельные энтальпии испарения (в расчете на 1 грамм) выше чем почти у всех остальных веществ. Редкой особенностью воды является то, что ее плотность в жидком состоянии при 40 С больше плотности льда, поэтому лед плавает на поверхности воды. Эти аномальные свойства воды объясняются существованием водородных связей, которые связывают между собой молекулы как в жидком, так и твердом состоянии. Вода плохо проводит электрический ток, но становится хорошим проводником, если в ней растворены даже небольшие количества ионных веществ.
Вода является универсальным растворителем, необходимым для протекания биохимических реакций. Способность воды хорошо растворять многие вещества обусловлена полярностью ее молекул. Молекулы воды обладают сравнительно большим дипольным моментом, поэтому при растворении в ней ионных веществ молекулы
6 воды ориентируются вокруг ионов, то есть сольватируют их. Водные растворы ионных веществ являются электролитами. Исследованию свойств и структуры воды посвящено большое количество исследований. Но до настоящего времени не существует единого мнения о структурной и модели воды, не объяснены закономерности ее взаимодействия с другими веществами. Это взаимодействие может быть исследовано при сочетании двух методов: термодинамического объясняющего «конечные» свойства воды и молекулярнокинетического, вскрывающего механизм внутренних взаимодействий в самой молекуле воды и внешних взаимодействий с другими веществами, в частности с адсорбентами.
Большой заслугой в развитии проблемы взаимодействия воды явилась классификация форм и видов связи влаги в материалах, предложенная академиком Ребиндером. В основу этой классификации положена энергия связи, то есть термодинамический принцип, поэтому она носит универсальный характер, имеет большое практическое и научное значение анализа изотерм сорбций для расчета затраты энергии и обосновывает оптимальные режимы технологических процессов. Различают следующие формы и виды связи влаги с материалом: связанная влага, свободная влага, равновесная влага, гигроскопическая влага, критическая влага.
Связанная влага - это ассоциированная вода, прочно связанная с различными компонентами- белками, липидами и углеводами за счет химических и физических связей.
Свободная влага - это влага, не связанная полимером и доступная для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций.
Равновесная влага - это влага, содержащаяся в материале в таком количестве, которое соответствует данному сочетанию относительной влажности и температуры. Например, если зерно поместить в замкнутое пространство, в котором создана определенная относительная влажность воздуха, то сухое зерно будет поглощать водяные пары и увлажняться. В конце концов, наступит состояние, когда зерно перестанет сорбировать влагу и его влажность будет равновесна влажности окружающего воздуха.
Гигроскопическая влага - это влага, поглощенная зерном из воздуха.
Критическая влага - это состояние материи, при котором появляется свободная вода, обеспечивающая интенсификацию ферментативных процессов.
Критическая влажность - это такая влажность, ниже которой биохимические процессы в материале резко ослабляются, а выше которой начинают бурно нарастать.
Для характеристики свойств воды в продуктах и материалах широко используется понятие «активность воды». Под активностью
7 воды а понимают отношение парциального давления водяного пара w на поверхности продукта Р к парциальному давлению насыщенного пара свободной воды в окружающей среде Р , зависящему от
0 температуры; это отношение называется по существу относительной влажностью пограничного слоя ? :
а = а w = Р0 =100
?
Р
Существует формула, характеризующая химический потенциал воды: ?1 =?0 RT ?na где ?0 -стандартное значение химического потенциала воды; ?1 - химический потенциал воды;
R - газовая постоянная;
T - абсолютная температура 0 К;
A - термодинамическая активность воды;
Эта формула характеризует термодинамическое состояние воды. В гигроскопической области уменьшение свободной энергии связи равно химическому потенциалу и описывается уравнением Ребиндера:
-?F =? = RT ?n Р0 =-RT ?n?
Р где ?F - уменьшение свободной энергии (при постоянной температуре).
2. Роль воды в развитии микроорганизмов на сырье и пищевых продуктах.
Стабильность продуктов питания зависит от активности воды. Показатель активности воды характеризует доступность влаги в продукте для развития микроорганизмов и протекания микробиологических и биохимических процессов. Показатель водной активности варьирует в пределах от 0 до 1: 0 - абсолютно обезвоженное вещество; 1 - показатель для дистиллированной воды.
По величине активности воды все пищевые продукты делятся на три группы: - пищевые продукты с высокой влажностью (ПВВ, а =1?0,9); к w
8 ним относятся молоко, напитки, мясо, рыба, овощи, фрукты и т. д.;
- пищевые продукты с промежуточной влажностью (ППВ, а =0,9?0,6); это такие продукты, как сгущенное молоко, джемы, w шоколад, конфеты и т. д.;
- пищевые продукты с пониженной влажностью (ПНВ, а = w
0.6?0,0); это такие продукты, как сухое молоко, растворимый кофе, сахар-песок, крупы и т. д.
На хранимоспособность продуктов большое влияние оказывает показатель водной активности. При равных условиях хранения максимальную стойкость к порче различного происхождения проявляют ПНВ, затем ППВ и ПВВ.
Существуют кривые, показывающие связь между содержанием влаги в пищевых продуктах и активностью воды в них при постоянной температуре (масса воды, г Н2 О/г св). Эти кривые называются изотермами адсорбции. Они дают информацию для оценки стабильности пищевых продуктов.
Рис. 1. Изотерма сорбции влаги для области низкого содержания влаги в пищевых продуктах
Установлено, что продукты, имеющие показатель активности воды ниже чем 0,7, могут длительное время сохраняться без микробиологической порчи. Микроорганизмы в продуктах могут развиваться при различных значениях активности воды. Самыми влаголюбивыми являются бактерии. Для них показатель активности воды 0,94?0,90, для дрожжей показатель активности 0,88?0,85. Это значение показателя характерно для большинства плесневых грибов, т. е. это среднее значение показателя активности воды.
Наиболее устойчивыми к низкому содержанию влаги являются
9 некоторые плесневые грибы, например рода Aspergillus: показатель активности воды 0,65?0,8.
3. Свободная и связанная вода в пшеничном тесте. Методы определения связанной воды.
Для осуществления гидролитических процессов, протекающих в тесте при брожении и выпечке, необходимо присутствие в нем свободной воды.
Существующие методы определения связанной воды делят на термодинамические, кинетические, спектроскопические и структурные.
Наиболее важными из них являются следующие: 1. Определение статического мономолекулярного слоя методом БЭТ.
2. Определение незамерзающей воды методом дифференцированного термического анализа.
3. Определение незамерзающей воды методом ядерно-магнитного резонанса (ЯМР)
Все три метода имеют то преимущество, что показывает какое-то количество воды, которое отличается от остальной, а следовательно является связанной. Метод БЭТ отражает свойства всей системы, а не только воды. Тем не менее он обеспечивает хорошую согласованность величин, полученную при изучении различных систем. Количество незамерзающей воды обычно в 2-4 раза превышает величину мономолекулярного слоя, определенную по методу БЭТ. Типичные значения мономолекулярных слоев воды в пищевых продуктах и их компонентов, полученных методом БЭТ составляет: [гр.H2O/ гр. СВ] Крахмал-0,11 Желатин-0,11 Декстран-0,09
Сахароза кристаллическая-0,004 Картофель в виде кубиков-0,06
Методом ЯРМ установлено.что количество воды, незамерзающей при ?500 C , то есть находится в связанном состоянии, в пшеничном тесте составляет 0,30 гр./гр. СВ.
При этом было установлено, что свободная вода, появляющаяся при влажности водомучнистой смеси 24%, с увеличением влажности теста от этой величины до значения 59,5% количество связанной воды остается на прежнем уровне. Иначе говоря, с увеличением влажности теста увеличивается содержание свободной воды.
Способность белковых веществ и углеводов связывать
1 0 добавляемую в тесто воду практически одинаково в муке разных хлебопекарных свойств.
Проведенные исследования показывают, что в тесте из пшеничной муки при его нормальной влажности 65% всей добавляемой воды находящейся в свободном состоянии и может принимать участие в биохимических процессах.
4. Водопоглотительная способность муки и факторы на нее влияющие.
ВПС муки- это клоличество воды, которое необходимо добавить к муке для получения теста с оптимальными реологическими свойствами. Рассматривая компоненты муки в отношении их способности поглощать воду следует отметить, что самую существенную роль в этом процессе играют белки клейковины. В условиях избытка влаги клейковина способна поглощать от 1,5-2,5 гр. Воды на 1гр.СВ. При этих же условиях крахмал поглощает от 0,4-1 гр. СВ.
Установлено, что если в процессе помола произошло повреждение внешних слоев крахмальных зерен, то такие зерна поглощают воды во много раз больше, чем неповрежденные.
В поглощении воды заметную роль играют пентозаны, как растворимые, так и нерастворимые. Существует формула, отражающая взаимосвязь факторов, определяющих величину ВПС муки
А=1,4Р 0,38Д-М-0,004(М Р) 57,3
А - ВПС муки, в %
П - содержание белка, в % М - влажность, в %
Д - поврежденный крахмал, определенный по методу Фарраида, в %
Практическое значение данной закономерности заключается в том, что если в муке содержание белка понижено и в следствии этого она имеет пониженную величину ВПС, то подвергая ее дополнительному измельчению можно путем повышения содержания механически поврежденного крахмала увеличить и величину ВПС.
5. Роль гидратации в стабилизации структуры белков. Взаимодействие воды с углеводами и липидами.
Превращение муки в сильно гидратированную связанную массу теста происходит в результате взаимодействия воды на все компоненты муки. Гидротация обуславливает значитальное
1 1 увеличение объема белка и в результате действия сил адгезии происходит образование непрерывной структуры теста, которое представляет собой сетку из тонких пленок клейковины в которую включены крахмальные зерна и другие нерастворимые компоненты муки. для получения нормальной структуры теста белок клейковины должен покрывать всю поверхность крахмальных зерен, причем эта структура должна обладать достаточной прочностью.
Установлено, что соотношение белка и крахмала при котором еще образуется тесто в значительной степени зависит от свойств клейковины.
Взаимодействие воды с углеводами. Гелеобразующие полисахариды.
Рассмотрим механизм образования гелей с участием полисахаридов. В соответствии с природой контактных зон, которые удерживают вместе полимерные цепи в трехмерной пространственной структуре идентифицировано три типа механизмов застудневания для случая обратимого образования полисахаридных гелей.
Первый механизм.
Существует класс полисахаридов, образующих гели при охлаждении горячих растворов с бифилярными, то есть двойными спиралями. В соответствии рисунку:
Несколько нерегулярные структуры делают невозможным существование протяженных областей двойных спиралей и следовательно любая одиночная полимарная цепь взаимодействует более, чем с одним партнером. Результатом является образование трехмерной пространственной структуры.
В некоторых случаях сами двойные спирали проявляют заметную тенденцию агрегироваться в так называемые
1 2
“сверхструктуры”. К полисахаридам с таким механизмом гелеобразования относятся агары и агароиды.
Второй механизм.
Некоторые полисахариды при застудневании образуют слоистые структуры, то есть несколько слоев, например альгинаты и низкомолекулярные метоксипектины образуют гели при добавлении в раствор ионов Ca2? .предполагается, что контактные зоны включают специфически связанные двухвалентные катионы Ca, которые связаны главным образом с цепями полигалактуроновой кислоты.
Модель контактных зон в альгинатных гелях:
Третий механизм. trialизм образования мицеллярных структур( метилцеллобиоза, гидроксипропилцеллюлоза).
В этом случае гели образуются при нагревании холодных растворов и считается, что механизм их образования включает гидрофобное взаимодействие тех участков цепей целлюлозы, где заместители расположены наиболее часто. А относительно незамещенные(и гидрофильные части цепи) остаются при этом в растворе свободными. Исследования релаксации метода ЯРМ-спектроскопии проводилосьпреимущественно на гелях первого типа, то есть тех, которые включают бифилярные спирали.
Агароза может образовать гели при концентрации 0,5%. В данном случае роль воды определяет конформационные свойства данного полимера.
Определяющим фактором гидратационных своцств является относительная пространственная ориентация гидроксильных групп. Для третьего механизма роль воды при образовании геля состоит в осуществлении каталитической функции.
Взаимодействие воды с фосфолипидами.
Фосфолипиды- сложные липиды в состав которых входит остаток фосфорной кислоты.
1 3
Полярные липиды типа фосфолипидов имеют необходимую молекулярную массу равную 1000, но их химическое строение таково ,что они обладают сильновыраженной тенденцией ассоциироваться в достаточно большие макроскопические структуры: более 1 мкм.
Следствием такого разделения молекулы на полярные и неполярные части является то , что эти соединения обладают поверхностной активностью, то есть способностью ориентироваться на поверхности раздела фаз и понижать их поверхностное натяжение.
При добавлении воды полярные липиды набухают, вода проникает между двумя липидными слоями, гидратируя пtrialые группы молекул.
Мерой количества поглощенной воды служит увеличение толщины двойного слоя.
Силы межмолекулярного сцепления различаются в соответствии с полярностью двух фрагментов молекул.
В углеводных цепях действуют вандер- ваальсовы силы и гидрофобные силы, а в полярных группах преобладают силы дипольного и электростатического взаимодействия и водородные связи.
Гидротацию фосфолипидов можно сравнить с гидротацией моноглицеридов.
Оба эти класса липидов имеют большое значение для пищевой промышленности, где используется их свойство, как эмульгирующих агентов( эмульгирование жиров, улучшение свойств мякиша) укрепление теста, увеличение объема хлеба.
1 4
Основные химические вещества пищи.
Белки. Роль белков в питании и технологии пищевых производств.
Белками и белковыми веществами называются высоко молекулярные природные полимерные молекулы, которые построены из остатков аминокислот. Каждый белок обладает своей, присущей только ему, последовательностью расположенных аминокислотных остатков.
Белки являются важнейшей составной частью пищи человека и поставщиком необходимых организму аминокислот. По назначению в организме различают белки, выполняющие роль строительного материала (коллагены, кератины, соединительные). Белки выполняют двигательные функции (миозин, акцин). Транспортные белки (гемоглобин). Белки используют непосредственно для питания (козеин молока и альбумин яиц).
Строение. Физические и химические свойства аминокислот и белков.
Свойства белков.
Белки — амфотерные электролиты. При определенном РН среды (изоэлектрическая точка) число положительных и отрицательных зарядов в молекуле белка одинаково. Это одна из основных констант белка. Белки в этой точке электронейтральны, а их вязкость и растворимость наименьшая. Способность белков снижать растворимость при достижении электронейтральности их молекул широко используется для выделения их из растворов, например в технологии получения белковых продуктов.
Гидратация. Белки связывают воду, т. е. проявляют гидрофильные свойства. При этом они набухают, увеличивается их масса и объем. Набухание белка сопровождается его частичным растворением. Гидрофильность отдельных белков зависит от их строения. Имеющиеся в составе и расположенные на поверхности белковой макромолекулы гидрофильные СО—NH (пептидная связь), аминные NH2 и карбоксильные СООН группы притягивают к себе молекулы воды, строго ориентируя их на поверхности молекулы. 1
5
Окружающая белковые глобулы гидратная (водная) оболочка препятствует агрегации, а следовательно, способствует устойчивости растворов белка и препятствует его осаждению.
В изоэлектрической точке белки обладают наименьшей способностью связывать воду, происходит разрушение гидратной оболочки вокруг белковых молекул, поэтому они соединяются, образуя крупные агрегаты. Агрегация белковых молекул происходит и при их обезвоживании с помощью некоторых органических растворителей, например этилового спирта. Это приводит к выпадению их в осадок. При изменении РН среды макромолекула белка становится заряженной, и его гидратационная способность меняется. При ограниченном набухании концентрированные белковые растворы образуют сложные системы, называемые студнями. Студни не обладают текучестью, они упруги, обладают пластичностью, определенной механической прочностью, способны сохранять свою форму. Глобулярные белки могут полностью гидратироваться, растворяясь в воде (например, белки молока, образуя растворы с невысокой концентрацией).
Гидрофильные свойства белков, т. е. их способность набухать, образовывать студни, стабилизировать суспензии, эмульсии и пены имеют большое значение в биологии и пищевой промышленности. Очень подвижным студнем, построенным в основном из молекул белка, является цитоплазма — полужидкое содержимое клетки. Сильно гидратированный студень — сырая клейковина, выделенная из пшеничного теста, она содержит до 65 % воды. Различная гидрофильность клейковинных белков — один из признаков, характеризующих качество зерна пшеницы и получаемой из него муки (так называемые сильные и слабые пшеницы). Гидрофильность белков зерна и муки играет большую роль при хранении и переработке зерна, в хлебопечении. Тесто, которое получают в хлебопекарном производстве, при изготовлении мучных кондитерских изделий, представляет собой набухший в воде белок, концентрированный студень, содержащий зерна крахмала.
Денатурация. Денатурация белков — сложный процесс, при котором под влиянием внешних факторов (температуры, механического воздействия, действия химических агентов и ряда других факторов) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структуры белковой макромолекулы, т. е. ее нативной пространственной структуры. Первичная структура, а следовательно, и химический состав белка не меняются. При денатурации изменяются физические свойства белка, снижается растворимость, способность к гидратации, теряется его биологическая активность. Меняется форма белковой макромолекулы, происходит агрегирование. В то же время увеличивается активность некоторых химических групп, облегчается
1 6 воздействие на белки протеолитических ферментов, а следовательно, он легче гидролизуется.
В пищевой технологии особое практическое значение имеет тепловая денатурация белков. Степень тепловой денатурации белков зависит от температуры, продолжительности нагрева и влажности. Это необходимо помнить при разработке режимов термообработки пищевого сырья, полуфабрикатов, а иногда и готовых продуктов. Особую роль процессы тепловой денатурации играют при бланшировании растительного сырья, сушке зерна, выпечке хлеба, получении макаронных изделий.
Денатурация белков может вызываться и механическим воздействием (давлением, растиранием, встряхиванием, ультразвуком). Наконец, к денатурации белков приводит действие химических реагентов (кислоты, щелочи, спирт, ацетон). Все эти приемы широко используют в пищевой и биотехнологии.
Пенообразование. Под этим процессом понимают способность белков образовывать высококонцентрированные системы жидкость — газ. Такие системы называют пенами. Устойчивость пены, в которой белок является пенообразователем, зависит не только от его природы, но и от концентрации, а также от температуры. Белки в качестве пенообразователей широко используются в кондитерской промышленности (пастила, зефир, суфле). Структуру пены имеет хлеб, и это влияет на его органолептичеуские свойства. Молекула белков под влиянием ряда факторов может разрушаться или вступать во взаимодействие с другими X веществами с образованием новых продуктов. Для пищевой промышленности можно выделить два очень важных процесса гидролиз белков под действием ферментов и взаимодействие аминогрупп белков или аминокислот с карбонильными группами восстанавливающих Сахаров (реакция меланоидинообразования, см. раздел «Углеводы»). Под влиянием протеаз — I ферментов, катализирующих гидролитическое расщепление белков, последние распадаются на более простые продукты (поли- и I дипептиды) и в конечном итоге на аминокислоты. Скорость гидролиза белка зависит от его состава, молекулярной структуры, активности фермента и условий. Частичный гидролиз белка мы наблюдаем при тестоведении, получении ряда мясных и молочных продуктов.
1.Аминокислотный состав, строение, классификация и биологические функции белков в организме.
2.Биологическая ценность белков как компонентов пищи. Аминокислотный скор.
1 7
3.Суточная потребность организма человека в белках и аминокислотах. Степень усвоения белка. Азотный баланс.
1. Аминокислотный состав, строение, классификация и биологические функции белков в организме.
Классификация белков.
Все белки делятся на три группы: простые, сложные, производные. К простым или протеинам относят такие, которые при полном гидролизе дают только аминокислоты. По растворимости в отдельных растворах их делят на следующие группы: альбумины, глобулины, проламины, гистоны, склеропротеины и глютелины.
Альбумины - это белки, растворимые в воде, свертываются при нагревании. Содержаться в молоке, яиц ах, сыворотке крови, ферментах и семенах растений. Все альбумины - глобулярные белки с молекулярной массой не более 75000. Альбумины богаты серосодержащими и дикарбоновыми аминокислотами.
Глобулины - это белки нерастворимые в воде, но растворимые в разбавленных солевых растворах, кислотах, щелочах. Свертываются при нагревании, встречаются в тканях животного происхождения (миозин), в крови, молоке, яйцах, семенах бобовых и маслястых культур.
Проламины - это белки семян различных злаковых растений, растворимые в 60-80 процентном спирте, нерастворимые в воде. Хорошо растворимы в раэличных растворах кислот и щелочей. При кипячении не свертываются. Проламин из семян пшеницы и ржи называется глиадином, из семян кукурузы - зеином.
Гистоны - это белки основного характера, содержащие большое количество лизина и агренина. Они растворимы в кислых и нейтральных растворах, осаждаются аммиаком, входят в состав клеточных ядер.
Склеропротеины - это белки резко отличающиеся от других белков по своим свойствам. Они растворяются лишь при длительной обработке концентрированными кислотами и щелочами, причем с расщиплением молекул. В животных организмах выполняют опорные и покровные функции, в растениях не встречаются. Представители: кератин - белок волос шерсти, эпидермиса кожи. Эластин - белок стенок кровеносных сосудов и сухожилий. Кологенн - белковое вещество кожи, костей, хрящей, соединительных тканей.
Глютелины - растительный белок. Растворяется только в разбавленных растворимых щелочах. Содержится в основном в семействе злаков, в частности входит в состав клейковины.
К сложным белкам или протеидам относятся компоненты 1
8 простых белков с небелковыми компонентами (углеводами, фосфорной кислотой, нуклеиновыми кислотами и т.п.).
Протеиды делятся на ряд групп.
Фосфопротеиды - содержат остатки фосфорной кислоты, связанной эфирной связью с аминокислотами ксерина и треонина. Например: козеин - белок молока, вителлин - белок, входящий в состав желтка куриного яйца. К группе фосфопротеидов пренадлежат многие ферменты, функцией которых является каталитический перенос фосфатных групп. Они входят в состав клеток и тканей, с обменом фосфопроидов связана работа ионного насоса, а также окислительные процессы в митохондриях живой клетки.
Нуклеопротеиды - это белки, в которых белковая часть связана с нуклеиновыми кислотами. Они входят в состав ядер растительных и животных клеток.
Хромопротеиды - это вещества, в которых белковая часть связана с красящим веществом. Например: гемоглобин крови, хлорофилл.
Глюкопротеиды - это белки, у которых белковая часть соединена с углеводом.
Липопротеиды - это белки, связанные с липидами. Они растворимы в воде и не растворимы в органических растворителях, содержаться в протоплазме клеток, сыворотке крови, яичном желтке.
Биологические функции белков.
Биологические функции белков крайне разнообразны. Они выполняют различные функции: каталитические (ферменты), регуляторные (гормоны), структурные (коллаген, фибраллин), двигательные (миозин), транспортные (гемоглобин), защитные (иммуноглобулин, интерферрон), запасные (козеин, альбумин, глиадин, зеин).
Среди белков встречаются антибиотики и вещества, оказывающие токсическое действие.
Белки играют ключевую роль в жизни клетки, составляя материальную основу ее химической деятельности. Вся деятельность организма связана с белковыми веществами. Являются важнейшей составной частью пищи человека и животных, поставщиками необходимых им аминокислот.
Отсутствие в пище белков в течение нескольких дней приводит к серьезным нарушениям обмена веществ, а продолжительное без белковое питание неизбежно заканчивается смертью.
2. Биологическая ценность белков как компонентов пищи. Аминокислотный скор.
1 9
Основными источниками белковой пищи являются мясо, молоко, рыба, продукты переработки зерна, хлеб, овощи. Биологическая ценность белков определяется сбалансированностью аминокислотного состава и атакуемостью белков ферментами пищеварительного тракта.
В организме человека белки расщепляются до аминокислот, часть из которых (заменимые) является строительным материалом для создания новых аминокислот, однако есть восемь аминокислот, которые незаменимы, или эссенциальными, они не синтезируются в организме взрослого человека и должны поступать с пищей.
Снабжение организма необходимым количеством аминокислот - основная функция белков в питании.
Рис. 2. Основные функции аминокислот в организме
В белковой пищи должен быть сбалансирован не только состав аминокислот, но и должно быть определенное соотношение заменимых и незаменимых аминокислот. В противном случае, часть незаменимых аминокислот будет расходоваться не по назначению. Биологическая ценность белков по аминокислотному составу может быть оценена при сравнении его с аминокислотным составом «идеального белка».
Процент соответствия природного белка по содержанию незаменимых аминокислот идеальному белку принимаем за 100% называется аминокислотным скором.
Для взрослого человека в качестве идеального белка применяют аминокислотную шкалу комитета ФАО/ВОЗ, представленного в таблице:
Аминокислотный скор каждой из аминокислот в идеальном белке принимают за 100%, а в природном белке определяют процент соответствия следующим образом:
Содержание аминокислоты(вмг) в1г испытуемогобелка Содержание этой жеаминокислоты(вмг) в1г белка по аминокислотной шкале
АК ?
Лимитирующей аминокислотой при оценке биологической ценности белка считается та, скор которой имеет наименьшее значение. Обычно рассматривают скор для трех наиболее дефицитных аминокислот, а именно: лизина, триптофана, и суммой серосодержащих аминокислот. Наиболее близким к незаменимому белку являются животные белки. Большинство растительных белков содержат недостаточное количество незаменимых аминокислот, например белки злаковых культур, а следовательно и полученные из них продукты неполноценны по лизину, метионину и треонину.
В белках картофеля и ряда бобовых содержание метионина и цистина составляет 60-70 % от оптимального количества. Биологическая ценность белков может быть увеличена добавлением лимитирующей аминокислоты или внесением компонента с ее повышенным содержанием. Необходимо помнить, что некоторые аминокислоты при тепловой обработке или длительном хранении продукта могут образовывать неусвояемые организмом соединения, то есть становиться недоступными. Это снижает ценность белка.
Аминокислоты получают гидролизуя белки химическим или биологическим синтезом. Отдельные микроорганизмы при выращивании на отдельных средах продуцируют в процессе жизнедеятельности определенные аминокислоты. Этот способ используют для промышленного получения лизина, глутаминовой кислоты и некоторых других аминокислот.
2 1
3. Суточная потребность организма человека в белках и аминокислотах. Степень усвоения белка. Азотный баланс.
Суточная потребность взрослого человека в белках различного вида составляет 1 - 1,5 г белка на 1 кг массы тела, то
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
