Глава 2. Физико-химический состав веществ пищевых материалов.
Одна из особенностей пищевых материалов та, что они дают человеку необходимый материал для построения клеток и тканей организма. В силу различия физико-химческих свойств и состава питательных веществ в пищевых материалах их роль в питании человека различна. Для обеспечения энергетических затрат организма расходуются главным образом угеводы и лишь отчасти жиры и белки. Пластические процессы протекают преимущественно за счёт белков при участии жиров, углеводов, минеральных веществ и витаминов. Полноценная пища содержит все эти компоненты в соответствующей пропорции.
Чтобы обеспечить более полную усвояемость пищи, органолептическую и эстетическую привлекательность, сохраняемость и удобство в потреблении, большинство пищевых материалов подвергают технологической обработке, в процессе которой их свойства целенаправленно изменяются в нужном направлении. Проектируя рабочие органы и технологические процессы переработки пищевых материалов необходимо, кроме физической структуры, хорошо представлять физико-химический состав пищевых компонентов, определяющий их физико-механические свойства.
Белки — наиболее важные в биологическом отношении и наиболее сложные по химической структуре среди веществ, входящих в состав живых организмов. Они являются основным материалом, из которого строятся клетки, ткани и органы тела человека, они также могут служить источником энергии. Основные проявления жизни — пищеварение, движение, способность к росту и размножению, катализ и др. —обусловлены веществами белковой природы. При недостатке белков в пище снижается трудоспособность, задерживается общее физическое развитие человека.
Количество белковых веществ в пищевых продуктах весьма различно, например, в мясе и рыбе оно составляет 17—20%, в горохе и фасоли — до 36, сырах — 20— 36, яйцах — 12—15%.
По составу белки разделяют на простые и сложные. Простые белки состоят из a-аминокислот, а сложные — из аминокислот и небелковой части, которая может быть представлена нуклеиновыми кислотами, фосфором, углеводами, липидами, окрашивающими веществами и т. п.
Питательную ценность белков определяют два фактора: - биологическая ценность, т. е. соответствие аминокислотного состава белка составу тех белков, на построение которых он используется в организме человека; - перевариваем ость белка, зависящая от его физико-химических свойств, степени подготовки продукта к потреблению.
Биологическая ценность белков определяется в основном содержанием в них так называемых «незаменимых» аминокислот, т. е. таких, которые не синтезируются в организме и поэтому должны обязательно поступать в него с пищей.
Суточная потребность человека в этих аминокислотах следующая (в г.): валин — 4, метионин — 2—4, треонин — 2—3, лейцин — 4—6, изолейцин — 3—4, триптофан — 1, лизин 3—5, гистидин — 2, фенилаланин — 2—4 В необходимых количествах они находятся в мясных, молочных, рыбных продуктах, а также в яйцах.
Суточная норма потребления белков, для взрослого населения в пределах от 80 до 154 г. в зависимости от характера работы. При окислении в организме 1 г. белка выделяется 4,1 ккал тепла.
Белки являются хорошим эмульгатором, ПАВ, и связующим, что и является причиной широкого применения их в технологических процессах при формировании нужных физико-механических свойств пищевых материалов.
2.1.1. Строение белков. В результате исследований, проведенных с помощью различных физических и физико-химических методов, в настоящее время установлено, что отдельные белки различаются не только по аминокислотному составу, но также и по форме молекулы. Природный белок представляет собой аминокислотный полимер, в котором аминокислоты чередуются в определенном и всегда постоянном для каждого белка порядке.
В структуре белка выделяют четыре уровня организации аминокислоты, соединенные в определенной последовательности пептидными связями, образуют первичную структуру. Спиралевидно свернутая полипептидная цепь, закрепленная в основном водородными связями, представляет собой вторичную структуру. Пространственное расположение спирали носит название третичнои структуры (рис2.1). В больших белковых молекулах имеется не одна, а несколько полипептидных цепей , которые образуют четвертичную структуру белков
Рис.2.1 Строение макро молекулы глобулярного белка.
В зависимости от формы молекул белки подразделяют на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки (округлой, эллипсоидной формы) — это главным образом соединения, растворимые в воде и слабых солевых растворах, например альбумины и глобулины яичною белка, молока, сыворотки крови. К фибриллярным белкам (в виде волоконец) относятся миозин—белок мышц, кератин — белок волоса и рога, коллаген и эластин — белки соединительных тканей, кожи и сухожилий. Они нерастворимы в воде.
2.1.2. Свойства белков. При определенных условиях белковые растворы превращаются в студни. Последние обладают рядом физико-механических свойств, характерных для твердого вещества, — имеют значительную прочность, упругость, а также эластичность. Студни часто служат основой структуры многих пищевых продуктов животного и растительного происхождения.
Большую роль в технологии пищевых производств играют процессы набухания белков (набухание зерна при замочке, кондиционировании и прорастании, набухание белков муки при изготовлении теста, образование студней при добавлении желатина к различным кондитерским и кулинарным изделиям). Белки способны образовывать обильные пены, адсорбироваться на твердых поверхностях.
Различные физические факторы (нагревание, ультразвук, высокие давления, ультрафиолетовое и ионизирующее излучения и т. д.), а также химические (ряд органических и неорганических веществ) могут вызвать денатурацию белка.
Наиболее характерными изменениями белка при тепловой денатурации (температура 70—-100°) является потеря нативных свойств: способности растворяться в воде, растворах солей и спиртов, снижение способности к набуханию.
Денатурационные явления тем значительнее, чем выше температура и продолжительность нагревания, причем в водном растворе белок денатурирует быстрее, чем в высушенном состоянии. Денатурация белков играет важную роль в целом ряде процессов пищевой технологии: при выпечке хлеба, кондитерских изделий, при сушке макарон, овощей, молока и яичного порошка, при изготовлении консервов. Изменение белков мяса, рыбы и других продуктов при тепловой обработке влияет на такой технологический показатель, как выход изделий.
Углеводы — широко распространенные в природе органические вещества. Они составляют значительную часть растительных тканей (80—90% сухого вещества) и всегда содержатся в тканях животных (не более 2%).
Зеленые растения обладают способностью синтезировать углеводы из углекислоты и воды при поглощении световой энергии, создавая высокомолекулярные вещества с большим содержанием химической энергии. Таким образом, растения накапливают огромные запасы органической материи на земле.
В пище человека углеводы преобладают. Они являются основным источником необходимой организму энергии (при окислении в организме 1 г. углеводов освобождается 4,1 ккал тепла). Кроме того, углеводы участвуют в построении липоидов, .сложных белков—ферментов и т. п. Для взрослого человека, занятого умственным или легким физическим трудом, потребность в углеводах колеблется в пределах 400—500 г. в день. У работников физического труда, спортсменов она выше (600 г. и более).
Источником углеводов служат главным образом продукты растительного происхождения — хлеб, крупа, картофель, овощи, фрукты, ягоды.
Углеводы разделяют на три основных класса: 1) моносахариды, или простые сахара, представляющие собой основные структурные единицы — мономеры; 2) олигосахариды, содержащие относительно небольшое количество моносахаридных единиц; 3) полисахариды — высокомолекулярные вещества, состоящие из сотен и тысяч моносахаридов. Представителями наиболее распространенных моносахаридов являются глюкоза, фруктоза, галактоза и манноза; олигосахаридов — дисахарид сахароза (свекловичный или тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар). К полисахаридам относятся крахмал, клетчатка, гликоген, пектиновые вещества и др. Моносахариды сладки на вкус и растворимы в воде. Полисахариды — труднорастворимые или нерастворимые в холодной воде вещества, не обладающие сладким, вкусом.
2.2.1. Глюкоза, фруктоза и сахароза. Эти сахара сладки на вкус, они легко усваиваются организмом. Первые два содержатся в свободном виде в плодах и овощах.
Сахароза под действием ферментов и кислот распадается на равные количества глюкозы и фруктозы. Процесс распада носит название инверсии, а полученная смесь — инвертного сахара. Инвертный сахар содержится в мёде, карамели и других кондитерских изделиях. Продукты, содержащие инвертный сахар, обладают высокой гигроскопичностью, т. е. способностью поглощать воду из воздуха и быстро отсыревать.
2.2.2. Гликоген. В животных организмах из 'сложных углеводов наибольшее значение имеет гликоген. Он откладывается в основном в печени (в пределах 2—10%) и, служит запасным питательным веществом. Из гликогена постепенно освобождается и поступает в кровь глюкоза, которая служит источником углеводов для всех тканей.
2.2.3. Крахмал. Наиболее важным для питания человека углеводом является крахмал. В дневном рационе он обычно составляет 80—85% от общего количества углеводов.
Крахмал — один из продуктов фотосинтеза, протекающего в зеленых листьях растений, и является для них запасным питательным веществом. Он откладывается в растительных тканях в форме своеобразных зерен, имеющих слоистое строение.
Молекулы крахмала состоят из огромного количества молекул глюкозы, они неоднородны и отличаются размерами, структурой и формой цепей. Все полисахариды, составляющие крахмал, подразделяют на два типа: амилозу и амилопектин.
В амилозную фракцию (молекулярный вес 160000 и выше, а по некоторым данным более 1 000000) входят молекулы с линейной структурой (причем не исключена возможность, что часть их слабо разветвлена). Молекулы отличаются по длине, образуя серию гомологов. В зернах крахмала амилоза образует упорядоченные кристаллические структуры.
Амилопектиновая фракция включает полисахариды с разветвленной структурой (молекулярный вес порядка 5.108).
Строение молекул амилозы и амилопектина и их расположение в слое крахмального зерна см. на рис. 2.2 и 2.3.
Большинство свойств крахмала проявляется в водной среде. Хотя амилоза составляет обычно меньшую часть крахмала, именно она определяет характерные его свойства. Она растворяется в горячей воде. Большинство макромолекул ее находится при этом в спиралеобразном расположении в виде статического клубка. В процессе хранения растворов амилоза ретроградирует (явление сунаресзиса) и выпадает в осадок. Это явление считается одной из причин черствения хлеба и старения изделий из круп при хранении.
Рис.2.2. Схема строения молекул крахмальных полисахаридов:
а- амилозы; б-амилопектина
 |
|
Рис.2.3. Схема ультраструктуры крахмального зерна:
а—амилоза; б—расположение молекул амилозы и амилопектина в слое крахмального зерна.
В отличие от амилозы у амилопектина вследствие разветвленности молекулы только боковые цепи способны к образованию спиральной структуры в водном растворе. Это обусловливает меньшую растворимость амилопектина по сравнению с амилозой и значительно большую устойчивость при различных видах технологической обработки крахмала.
Использование крахмала в пищевой промышленности связано главным образом с его способностью клеистеризоваться. При нагревании в воде крахмальные зерна набухают, причем степень набухания в значительной мере зависит от температуры и свойств данного вида крахмала. Так, пшеничный крахмал при температуре ниже 50° почти не набухает, при 80° его зерна набухают и увеличиваются в 25 и более раз по сравнению с первоначальным объемом. При более высоких температурах крахмальные зерна некоторых растений начинают разрушаться (картофель). По мере нагревания из зерен в раствор переходят крахмальные полисахариды и образуется клейстер. В клейстере картофельного или пшеничного крахмала, приготовленном нагреванием до 80—95°, в растворенном состоянии находится главным образом амилоза, а амилопектин остается в крахмальных зернах.
При приготовлении клейстера из не фракционированных крахмалов (содержащих амилозу и амилопектин) образование структуры студня обусловлено амилозой, молекулы которой являются связующим звеном между более крупными молекулами амилопектина.
Если подвергнуть крахмал термической обработке, частичному кислотному гидролизу, расщеплению ферментами или гамма облучению, происходит изменение его химических свойств: снижается способность к набуханию и образованию клейстеров в основном вследствие деполимеризации амилозы.
2.2.4. Клетчатка. Этот (называемый иначе целлюлозой) полисахарид подобно гликогену и крахмалу при гидролизе дает только глюкозу. Клетчатка входит в состав оболочек клеток растительных тканей, ее много в листьях, стеблях.
В отличие от гликогена и крахмала клетчатка не может быть переведена в раствор при нагревании с водой. Известно лишь несколько растворителей целлюлозы.
Так как клетчатка почти не переваривается в желудочно-кишечном тракте человека, ее относят к группе балластных веществ, которые, однако, необходимы организму для регуляции двигательной функции кишечника.
Среди пищевых продуктов клетчаткой богаты мука низших сортов, орехи, плоды и овощи.
2.2.5. Пектиновые вещества. Среди высокомолекулярных углеводов важная роль принадлежит и таким полисахаридам, как пектин. Их свойства имеют существенное значение для структуры пищевых продуктов и используются при изготовлении желированных изделий (студней, фруктовых желе и т. д.).
В растительных тканях содержатся нерастворимые в воде протопектины. При осторожном гидролизе протопектины дают высокомолекулярные пектиновые кислоты.
Наличием протопектина обусловливается связь между клетками в растительной ткани. Основная масса его находится в срединных пластинках, склеивающих клетки в сыром продукте.
При тепловой обработке продуктов растительного происхождения протопектин переходит в растворимую форму — пектин, вследствие чего сцепление между клетками ослабляется, а сама растительная ткань размягчается.
'Пектины способны при наличии сахара и кислоты образовывать студни. В пищевой промышленности это свойство широко используется при производстве мармелада, пастилы, джема.
2.3. Жиры и жироподобные вещества.
2.3.1. Жиры. Эти вещества участвуют почти во всех жизненно важных процессах обмена в организме, а также влияют на интенсивность многих физиологических реакций. При исключении из пищи жиров или при их недостатке в тканях снижается синтез белков, углеводов, провитамина D, ряда гормонов и т. п., а вследствие этого замедляется рост, понижается сопротивляемость организма к неблагоприятным воздействиям и заболеваниям, сокращается продолжительность жизни. Жиры служат вторым по значению после углеводов источником энергии для нашего организма. В рационе здорового человека они должны покрывать около 30% энергозатрат. При окислении в организме 1 г. жиров выделяется 9,3 ккал тепла.
Степень усвоения жиров колеблется от 80 до 98% и зависит во многом от температуры их плавления. Жиры с температурой плавления выше температуры нашего тела имеют, как правило, более низкую степень усвоения. Значение жиров определяется и тем, что они служат единственным источником жирорастворимых витаминов для организма человека.
Жиры в составе различных пищевых продуктов находятся в неодинаковом количестве. В свежих овощах содержание их составляет доли процента, в мясных, рыбных и молочных продуктах — достигает нескольких десятков процентов, а в топленых жирах, маргарине, растительном и сливочном масле жиры являются основной частью продукта.
В пищевых массах жиры составляют дисперсные системы, и введение в них жиров, даже в очень малых количествах, резко меняет их физико-механические и технологические свойства, что широко используется в пищевом производстве.
По химической природе жиры представляют собой триглицериды — соединения глицерина (в количестве около 10%) с тремя жирными кислотами. Свойства жиров зависят в основном от входящих в их состав жирных кислот. Жирные кислоты подразделяются на насыщенные и ненасыщенные. Вторые в отличие от первых обладают способностью присоединять к своей молекуле водород и другие элементы.
Наиболее распространенными насыщенными жирными кислотами являются пальмитиновая и стеариновая (твердообразные вещества).
Ненасыщенные жирные кислоты при обычной температуре находятся в жидком состоянии. Из числа ненасыщенных кислот в состав жиров входят олеиновая, линолевая, линоленовая и арахидоновая. Три последних не синтезируются в организме в достаточном количестве и относятся к незаменимым факторам питания, биологическое значение которых приравнивается к витаминам. Полагают, что недостаточность этих кислот в пище способствует развитию атеросклероза, затрудняет нормальное развитие растущего организма и отражается на здоровье взрослых. Большое количество полиненасыщенных жирных кислот содержится в растительных маслах.
Жиры и масла в зависимости от входящих в их состав жирных кислот при обычной температуре бывают твердыми, мазеобразными или жидкими, так как имеют различную температуру плавления.
Жиры хорошо растворяются в бензине, эфире и других органических растворителях. Это свойство жиров используется в промышленности для извлечения их из семян масличных растений. В воде жиры нерастворимы, но в присутствии некоторых веществ (эмульгаторов) могут равномерно, в виде мельчайших капелек, распределяться в ней, образуя эмульсии.
2.3.2. Жироподобные вещества. Эти вещества, называемые иначе липоидами, близки к жирам как по составу, так и по свойствам. Они также представляют собой триглицериды жирных кислот, но имеют в составе молекулы дополнительно некоторые группы атомов. Липоиды являются необходимыми для жизнедеятельности организма веществами. Из них в растительных и животных тканях строятся жирные кислоты. В пищевых продуктах широко распространены фосфатиды, стерины и др.
Фосфатиды — физиологически важные вещества. Они присутствуют во всех живых организмах, их много в нервной ткани, зародышах семян, желтках яиц. Установлено, что фосфатиды играют важную роль в обмене веществ. Они легко синтезируются в животном организме.
Пищевые фосфатиды (побочный продукт производства растительных масел) широко используются в пищевых производствах в качестве поверхностно-активных веществ — эмульгаторов. Они находят применение в маргариновой, кондитерской, хлебопекарной и других отраслях пищевой промышленности.
Использование фосфатидов в производстве маргарина основано на том, что они способствуют образованию мелкодисперсной стойкой эмульсии, благодаря чему облегчается процесс смешивания различных жиров и их эмульгирование с водно-молочной фазой. Применение фосфатидов позволяет значительно улучшить качество маргарина, повысить его усвояемость.
В кондитерской промышленности фосфатиды используются для разжижения шоколадных масс.
В производстве бисквитов, пряников, хлебобулочных изделий их применение облегчает ведение технологических процессов и приводит к повышению качества изделий. Хлеб, приготовленный с применением фосфатидов,
имеет лучший цвет, большую и равномерную пористость мякиша, более мягкий.
Пищевые фосфатиды тормозят прогоркание жиров. Один из важнейших представителей фосфатидов — лецитин — способствует эмульгированию жиров. Он содержится в желтках яиц. Лецитины играют важную роль в жизненных процессах, протекающих в клетках животных организмов: влияют на проницаемость клетки, свертываемость крови.
Наиболее распространенным стерином в животных организмах является холестерин. В растительных маслах содержатся растительные стерины, которые тормозят поступление холестерина пищи из кишечника в кровь.
Холестерин входит в состав многих пищевых продуктов животного происхождения. Содержание холестерина в тканях организма зависит не только от количества его в пище, но и от интенсивности синтеза и распада.
Средняя потребность взрослого человека в липоидах следующая: холестерин 0,3—0,6 г, фосфолипиды 5 г.
2.3.3. Изменения жиров. Это происходит при некоторых неблагоприятных режимах получения, хранения и особенно тепловой кулинарной обработки. В жирах образуются продукты различных химических превращений, которые оказывают нежелательное влияние на пищевые свойства жиров и масел.
При хранении может происходить окисление жиров, которое обусловливается взаимодействием с кислородом.
Особенно чувствительны к действию кислорода полиненасыщенные жирные кислоты, поэтому жиры, содержащие их в большом количестве (рыбий жир, растительные масла), при хранении в присутствии воздуха, на свету и при повышенных температурах быстро окисляются, приобретая неприятный вкус и запах (прогоркают).
Для сохранения хорошего качества жиров их предохраняют от воздействия кислорода, хранят в темном помещении без доступа воздуха и добавляют к ним вещества, предохраняющие от окисления—антиоксиданты.
Характер и степень изменений жиров при приготовлении пищи зависят от воздействия на жиры воздуха и воды, температуры и продолжительности нагрева, а также от присутствия веществ, способных вступать с жиром в химическое взаимодействие.
При варке жир плавится, причем основная масса жира собирается на поверхности воды и лишь небольшая часть его эмульгируется, распределяясь в жидкости в виде мельчайших шариков. Наличие эмульгированного жира делает бульон мутным, а соприкосновение его с кипящей водой создает благоприятные условия для расщепления. В этих условиях образуются жирные кислоты, которые сообщают бульону неприятный салистый привкус.
При жареньи температура достигает 160—190°. При болee высокой температуре жир начинает разлагаться и дымить. Этот процесс зависит от содержания свободных жирных кислот. Кроме того, имеет значение и размер
нагреваемой поверхности жира: чем она больше, тем ниже температура, при которой он начинает дымить.
Среди способов тепловой обработки, которой подвергаются жиры в процессе приготовления пищи, наиболее жесткое воздействие на них оказывает жаренье во фри тюре (большом количестве жира). Этот способ широко применяется в пищевой промышленности.
При жареньи во фритюре жир подвергается длительному нагреванию при 160—190°. При этом из продуктов в него выделяются вода с растворенными в ней веществами, а также частицы продукта, которые, обугливаясь загрязняют жир. В результате он приобретает тёмную окраску и через некоторое время становится горьким
В этих условиях в жире интенсивно протекают гидролитические, окислительные процессы и полимеризация Вследствие полимеризации увеличивается молекулярный вес жира и его вязкость. В случае использования нерафинированных масел большое участие в этих процессах принимают фосфатиды.
Каталитическое действие на окислительные процессы оказывает металл оборудования (чугун действует активнее, чем нержавеющая сталь).
При нагревании масла без продукта степень окисления жира еще выше, так как в обжариваемых продуктах имеются вещества, задерживающие окисление (естественные ингибиторы окисления).
Нагрев до высоких температур снижает содержание в жире биологически активных веществ.
На маргариновых заводах осуществляют гидрогенизацию жиров.
При гидрогенизации (обработке водородом) растительных масел происходит насыщение водородом двойных связей в ненасыщенных жирных кислотах. При этом жидкие масла превращаются в твердые соединения. Такие гидрированные жиры в большом количестве входят в состав маргаринов.
2.4.1. Роль ферментов в пищевых продуктах. В животных и растительных организмах содержатся ферменты — биологические катализаторы. Это сложные органические вещества белковой природы, которые играют важнейшую роль в обмене веществ, — все биохимические реакции проходят при их участии.
Большое влияние на качество сырья (плодов, овощей, зерна, муки, мяса и др.) и готовых продуктов оказывают протекающие в них при хранении ферментативные процессы, которые необходимо учитывать. Ферменты широко используются в пищевой промышленности.
Каталитическое действие ферментов зависит от температурных условий. Для каждого из них существуют определенные оптимальные температуры.
Ферменты легко разрушаются в растворе при нагревании выше 60—70°. В сухом виде они могут переносить нагрев даже несколько выше 100°.
Наряду с температурой на действие ферментов оказывают влияние концентрация водородных ионов, а также и другие факторы. Так, присутствие некоторых веществ может повысить скорость ферментативной реакции, эти вещества называются активаторами. Другие вещества, напротив, замедляют действие фермента или да|же совсем приостанавливают; их называют парализаторами.
Парализующее действие на ферменты оказывают ионы серебра, ртути, мышьяка, меди, свинца, даже в очень малых концентрациях.
Действие ферментов в большинстве случаев строго специфично, т. е. каждый фермент катализирует реакции строго определенного структурного и стереохимического характера.
Современная классификация ферментов основана на химической характеристике реакций, катализируемых ферментами (химическая природа атакуемых связей пли групп, подвергающихся переносу), и химической природе субстратов, подвергающихся воздействию.
Название фермента составляется из первого слога названия субстрата, на который он действует, и окончания «аза», так ферменты протеазы расщепляют белки (протеины), амилазы — крахмал (по - латински «амилум»), липазы — жиры (липиды).
2.4 2. Применение ферментов. В решении ряда вопросов интенсификации производства, увеличения выхода готовой продукции из одного и того же количества сырья улучшения ее качества, создания непрерывных схем производства большая роль принадлежит ферментам.
Разнообразна сфера применения ферментов в пищевой промышленности при обработке сырья Так, кислотный метод гидролиза крахмала при получении кристаллической глюкозы и глюкозной патоки заменяется ферментативным, с использованием фермента глюкоамилазы.
В широких масштабах применяются для улучшения качества хлеба консервирования скоропортящихся продуктов, улучшения вкуса высушенных овощей, размягчения мяса.
В производстве пива и хлебного кваса использование ферментных препаратов позволяет уменьшить расход солода. Применение ферментов при переработке винограда и ягод дает возможность увеличить выход соков улучшить их качество и повысить стойкость при хранении. Ферменты значительно ускоряют процессы созревания сыров. Производство спирта, вина, мальтозной патоки, чая, табака и многих других продуктов основано также на их действии.
Русский ученый Н. И. Лунин в опытах на мышах доказал, что в молоке, помимо белков, жиров, углеводов и минеральных веществ, содержатся какие-то вещества без которых животные погибают Впоследствии было установлено, что эти вещества содержатся не только в молоке, но и в целом ряде продуктов животного и растительного происхождения.
В 1911 г. К. Функ выделил из отрубей риса вещества, которое не только излечивало, но и предохраняло от заболевания бери-бери (полиневрита). Он назвал это вещество витамином («vito»—жизнь, «амин»—частица указывающая на наличие аминогруппы).
Дальнейшие исследования показали, что многие вещества этого класса не содержат аминогруппы, тем не менee термин «витамины» настолько прочно вошел в обиход, что менять его уже не имело смысла.
В настоящее время известно около 45 различных витаминов Установлена и их химическая структура. Это далo возможность организовать промышленное производство витаминов не только путем переработки продуктов, в которых они содержатся в готовом виде, но и искусственно, путем их химического синтеза.
Таким образом, витамины — органические вещества различной химической природы, содержащиеся в пищевых продуктах и необходимые для нормальной жизнедеятельности организма человека и животных.
В результате ряда исследований была установлена тесная связь между ферментами и витаминами (ряд витаминов входит в состав простетических—не белковых—групп некоторых ферментов). Поэтому многие нарушения обмена веществ при недостатке витаминов рассматривают как следствие нарушения ферментных систем.
Отсутствие витаминов в пище вызывает заболевания — авитаминозы, а недостаток их—гиповитаминозы.
Витамины подразделяются на две группы: витамины, растворимые в воде, и витамины, растворимые в жирах. К первой группе относятся витамины С, В1, В2, B6, В12, Р, РР,и другие, ко второй группе—витамины A, D, Е и К.
Витамин С (противоцинготный) — аскорбиновая кислота. Играет важную роль в окислительно-восстановительных процессах организма. Недостаток его в пище приводит к понижению сопротивляемости различным заболеваниям, к легкой утомляемости и другим болезненным явлениям
Аскорбиновая кислота легко подвергается разрушению при нагревании, особенно в щелочной среде. Содержится в различных продуктах питания преимущественно растительного происхождения. Производится в больших количествах синтетическим путем (из глюкозы). Суточная потребность человека 50—100 мг витамина С (в зависимости от возраста, условий труда и пр.).
Витамин B1 (благодаря присутствию в витамине серы и азота его называют «тиамин»). Недостаток его приводит к потере аппетита, расстройству нервной системы.
В кислой среде тиамин довольно устойчив к нагреванию и окислению, в щелочной — при нагревании разрушается.
Содержится в мясе (особенно в печени) рыбе и дрожжах, а также пищевых продуктах растительного происхождения, в особенности в семенах злаков (преимущественно в зародышах и оболочке). В муке высших сортов и изделиях из нее содержится очень мало витамина В1:, так как он лишь в небольших количествах находится в эндосперме зерна, из которого главным образом состоит мука высших сортов.
Тиамин получают синтетическим путем.
Суточная потребность человека в витамине B1 -1—3 мг.
Витамин В2 — рибофлавин. При его отсутствии наблюдается нарушение аппетита, остановка роста заболевание глаз, развитие анемии и другие paccтройства.
Этот витамин при нагревании, кипячении и т. п. разрушается. Быстро распадается под действием ультрафиолетовых лучей.
Широко распространен во всех животных и растительных тканях, его много в печени, почках, яйцах, молоке и листовых овощах (салат, шпинат и др.), особенно его много в дрожжах. Получается синтетическим путём.
Суточная потребность человека 2 мг витамина В2.
Витамин В6 (антидерматический) — пиридоксин. При его отсутствии наблюдается нарушение белкового обмена и синтеза жиров в организме, отмечаются заболевания кожи (дерматит).
Витамин устойчив к кислотам и щелочам, но легко разрушается под действием света при рН==6,8.
Распространен в продуктах как животного, так и растительного происхождения, особенно много его в дрожжах, пшеничных зародышах, рисовых отрубях.
Витамин B12 чрезвычайно эффективен при лечении различных форм анемии. Обладает кроветворной способностью, а также повышает использование организмом растительных белков, приближая их по пищевой ценности к животным белкам.
Главный источник этого витамина — продукты животного происхождения, особенно печень и почки. Человек частично получает витамин B12 за счет микрофлоры кишечника: его способны вырабатывать некоторые микроорганизмы.
Витамин Р — цитрин, чайный катехин. При отсутствии его повышается проницаемость кровеносных сосудов
В присутствии витамина Р аскорбиновая кислота лучшe усваивается и задерживается в организме.
Много витамина Р содержится в плодах шиповника, ягодах черной смородины, винограде, а также в чайном листе. В промышленных условиях он вырабатывается из чайных листьев.
Витамин РР (антипеллагрический) — никотиновая кислота. При недостатке его в пище возникает заболевание пеллагра. Витамин играет важную роль в обмене веществ, в синтезе окислительно-восстановительных ферментов. Отличается значительной стойкостью.
Довольно широко распространен в пищевых продуктах — мясе, ветчине, гречневой крупе; меньше — в хлебе и, кукурузе. Может быть получен синтетическим путём.
Суточная потребность человека составляет 15—25 мг витамина РР.
Витамин А (антиксерофтальмический). При его отсутствии наблюдается заболевание глаз — ксерофтальмия, а также остановка роста и другие болезненные явления.
Под действием кислорода разрушается довольно быстро, при отсутствии его сохраняется даже при нагревании до 120—130°.
Содержится в некоторых продуктах животного происхождения — топленом масле, яичном желтке, печени и др. Препараты, богатые витамином А, получают из печени рыб и морских млекопитающих. В растительных продуктах (моркови, абрикосах, зеленых частях растений и пр.) содержится провитамин А—каротин, — который превращается в организме человека в витамин А и имеет такие же свойства, однако биологическая активность его в 2 раза меньше активности витамина А.
Витамин А получен синтетическим путем.
Суточная потребность человека 1,5—2,5 мг витамина А или 3—5 мг каротина.
Витамин D (антирахитический). При его отсутствие в пище наблюдается заболевание, называемое рахитоме; при котором нарушается обмен фосфорнокальциевых солей и отложение их в костных тканях. Может быть получен синтетическим путем.
Образуется при ультрафиолетовом облучении эргостерола и 7-дегидрохолестерола. Соответственно получаются витамины D2 и Dз. Тот и другой устойчивы к высоким температурам.
Витамины группы D содержатся в достаточном количестве в топленом масле, в желтках яиц, в печени, особенно много их в рыбьем жире.
Суточная потребность человека в витамине D 12,5 g (дети) и 25 g (взрослые).
Витамин Е (антистерильный). Отсутствие его вызывает бесплодие, нарушение деятельности желез внутренней секреции, мышечную слабость и другие болезненные явления, но поскольку этот витамин широко распространен в продуктах как животного, так и растительного происхождения, Е-авитаминоз у людей возникает очень редко. Особенно много витамина Е в масле из зародышей семян злаков. Он получен и синтетическим путем.
Витамин К (антигеморрагический). При недостатке его происходит замедление свёртывания крови и внутримышечные кровоизлияния.
Богаты витамином К зеленые части растений (caлaт шпинат, капуста и др.).
Вода нужна для того, чтобы в организме совершались биохимические и физиологические процессы. Уменьшение количества ее в тканях и клетках ниже известного уровня приводит к остановке жизненных функций.
В молодом человеческом организме содержится до 87% воды, а во взрослом — до 70% (по весу).
Человек постоянно теряет воду при дыхании легкими и через кожу, с выделениями. Эти потери достигают 2—3 л в день и больше в зависимости от климата, времени года, производимой работы.
К питьевой воде предъявляются определенные тpe6oвания: она должна быть прозрачной, бесцветной, без запаха и постороннего привкуса и не содержать вредных микроорганизмов.
К воде, применяемой в производстве пищевых продуктов, предъявляются такие же требования, как и к питьевой воде.
Пищевые продукты, за исключением жиров, являются гидрофильными структурами, содержащими в качестве основного растворителя воду. Вода входит в состав почти всех пищевых масс, и в большей мере, чем остальные вещества определяет физико-механические свойства.
Большое количество воды в пищевом продукте, содержащем углеводы, азотистые вещества и жиры, создаёт благоприятные условия для развития микроорганизмов, поэтому такие продукты являются скоропортящимися, и для сохранения их требуются особые условия.
Это относится к мясу, рыбе, молоку, плодам и овощам, которые содержат 70—95% воды.
Мясо и рыба легко поражаются гнилостными бактериями, вызывающими их порчу (гниение), плоды и овощи чаще поражаются плесневыми грибками (плесневение).
Продукты, содержащие малое количество воды, легче сохраняются; так, мука, крахмал, сушеные плоды и овощи сохраняются при нормальных условиях хранения в течение продолжительного времени, если содержание воды в них не превышает известной нормы.
При рациональном питании, с продуктами животного и растительного происхождения, в организм человека поступает весь комплекс необходимых ему минеральных веществ и микроэлементов. При сжигании продуктов эти вещества остаются в виде золы.
Минеральные вещества необходимы для обеспечения всех жизненных процессов – дыхания, роста, обмена веществ, образования крови, кровообращения, деятельности центральной нервной системы и т. д.
Из солей особенно важны соли кальция (содержащиеся в молочных продуктах, капусте, яичном желтке, овощах, фруктах); железа ( в зелени, фруктах, мясе); фосфора ( в желтке, мясе, молоке);калия ( в овощах и картофеле); хлористый натрий – поваренная соль ( в мясе, молоке, солёных блюдах и приправах).
Минеральные вещества являются основным регулятором свойств дисрерсных (коллоидных) систем, входят во все продукты питания, и также как и вода играют важную роль в формировании физико-механических свойств пищевых масс.
Кальций и фосфор имеет исключительно большое значение для растущего, молодого организма.
При недостатке кальция в пище организм начинает расходовать кальций, входящий в состав костей, в результате чего возникают костные заболевания.
Железо входит в состав гемоглобина крови. При недостатке его в пище резко нарушается синтез гемоглобина и формирование железо содержащих ферментов.
Натрий и калий находятся во всех пищевых продуктах; в растительных продуктах находится больше калия, а в животных натрия. Кровь человека содержит 0,32% натрия и 0,2% калия.
Источником натрия для человеческого организма служит в основном поваренная соль. Значение её для нормальной жизнедеятельности организма очень велико. Она участвует в регуляции осмотического давления, обмена веществ и играет большую роль в поддержании щёлочно-кислотного равновесия. За счёт поваренной соли, находящейся в пище, восполняется расход хлористого натра, входящего в состав крови, и соляной кислоты желудочного сока.
Всего в организме человека содержится 0,5 кг поваренной соли, а за год человек её съедает около семи килограм.
Магний является составной частью хролофила всегда содержится в растительных продуктах. Этот элемент является также составной частью растительных организмов, но содержится в них в меньших количествах, чем в растительных ( например, в молоке – 0,043%, в мясе – 0,013%).
Соли магния участвуют в ферментативных процессах.
2.7.1 Микроэлементы. В живом организме имеется 58 биологически активных элементов. При этом большинство содержится в очень незначительных количествах, это так называемые микроэлементы. Из микроэлементов особый интерес представляют медь, цинк, свинец, олово, мышьяк,.йод, марганец, кобальт.
Медь влияет на рост и развитие живого организма, участвует в деятельности ферментов и витаминов. Главной биологической функцией её является участие в тканевом дыхании и кроветворении.
Медь присутствует во многих пищевых-продуктах. При завышенном ее содержании продукты приобретают не приятный привкус. Количество меди, которое без вреда для здоровья можно вводить с пищей в организм за день, составляет примерно 4,5 мг . Большие дозы этого элемента могут привести к очень тяжёлым расстройствам здоровья человека и даже к смерти. Доза около 0,03г приводит к рвоте и другим нарушениям, 1 г – является смертельной.
Соединения меди ядовиты, они могут попадать в продукты, приготавливаемые в медной аппаратуре. Нормы содержания меди в пищевых продуктах устанавливаются в законодательном порядке.
Цинк и его растворимые соли обладают свойствами, сходными со свойствами медных солей: им присуще разъедающее действие на слизистые оболочки организма. Эти соединения могут вызывать острые отравления.
Так как кислые и жирные продукты растворяют цинк, то применение оцинкаванной аппаратуры и посуды для приготовления пищи не допыскается (такую аппаратуру применяют только для хранения воды).
Свенец как микро элемент встречается реже. В определённых дозах он тоже вреден: 1 мг его вызывает хроническое заболевание, а 0,3 г отравление.
Олово не является ядом (в отличие от свинца и меди), но оно извлекается органическими кислотами, содержащимися в пищевых продуктах, из аппаратуры, посуды, консервных банок и попадает в пищу, поэтому количество его ограничивается 150—200 мг на 1 кг продукта.
Мышьяк входит в состав продуктов в крайне малых количествах. Безвредно потребление мышьяка в количестве 218 g в день. Токсическая доза 10 мг, смертельная-60 мг.
Мышьяк может попадать в пищу в процессе ее приготовления. Так, например, он может оказаться на плодах в результате опрыскивания плодовых деревьев мышьяковистыми соединениями (с целью борьбы с вредителями).
Иод является необходимым для нашего организма элементом. Потребность в нем 50 g в день. У человека больше всего содержится йода в щитовидной железе.
Марганец содержится во всех органах и тканях человека и животных. Особенно много этого микроэлемента в коре мозга, сосудистых системах.
Наиболее важным свойством марганца является его участие в окислительно-восстановительных процессах. Соединения марганца повышают также интенсивность обмена белков. С марганцем связаны и многие ферментативные процессы и процессы синтеза витаминов группы В и гормонов.
Кобальт выполняет многогранные биологические функции, среди них можно выделить две основные: влияние на обмен веществ и рост организма и непосредственное участие в процессах кроветворения.
Установлено, что кобальт способствует синтезу мышечных белков, улучшает ассимиляцию азота, повышает основной обмен в организме, активизирует ряд ферметов, участвующих в обмене веществ. Он является незаменимым структурным компонентом витаминов группы В, способствует усвоению кальция и фосфора, понижает возбудимость и тонус симпатической нервной системы.
2.7.2. Зольность пищевых продуктов. Содержание минеральных веществ зависит от вида и сорта продуктов. Кроме того, оно может быть различным в разных частях одного и того же продукта. Например, количество минеральных веществ во внутренней части зерна пшеницы (эндосперме) — 0,5%, в оболочках — 4,5, а в зародыше 5,3%.
По зольности можно судить о качестве продукта. Например, в картофельном крахмале разных сортов в зависимости от степени очистки допускается зольность от 0,35 до 1,2%.
Иногда в готовом продукте содержание зольных веществ может быть завышено вследствие переработки сырья, загрязненного песком, землей и пр., или попадания в продукт, в процессе производства минеральных примесей от аппаратуры (например, жерновой песок в муке).
При измельчении на аппаратах со стальными измельчающими частями, при трении продукта о стальную поверхность в него попадают мелкие частицы металла, которые приходится затем удалять при помощи магнитов (например, из муки, кофе, чая).
Содержание золы является важным фактором для оценки качества многих пищевых продуктов.