Углеводы

Вода и углерод - основа жизни на Земле. Основной источник энергии в пище - углеводы - органические соединения из углерода, водорода и кислорода. Углерод и кислород находятся в соотношении, как в молекуле воды (отсюда и название - углеводы). В растительных продуктах на долю углеводов приходится 90 % органических веществ, а в животных - 2 %.

Образуются углеводы в процессе фотосинтеза в зеленых листьях растений из углекислоты воздуха и влаги почвы. Суммарное уравнение можно представить в таком виде:

n СО₂ + n Н₂О ^{хлорофилл, свет} (СН₂О)_n + n О₂,

где n чаще всего принимается равным 6.

В живых организмах в процессе дальнейших изменений сахара дают начало полисахаридам, жирам, органическим кислотам, а в связи с усвоением азотистых веществ из почвы белкам и другим соединениям.

С точки зрения пищевой ценности углеводы подразделяют на усвояемые (глюкоза, фруктоза, сахароза, крахмал, декстрины, гликоген) и неуевояемые (инулин, маннан, пектин, целлюлоза, гумми и слизи). Требующиеся организму человека ежедневно 400 - 500 г углеводов (в том числе 50 - 100 г моно- и дисахари-дов) являются важным источником энергии (1 г дает 15,7 кДж, или 3,75 ккал тепла).

Избыток углеводов превращается в жир, откладываемый в организме, а также увеличивает уровень холестерина в крови, что способствует развитию атеросклероза. Избыток сахара снижает пищеварительную, защитную и синтетическую функции полезной кишечной микрофлоры.

Чтобы обеспечить сбалансированность отдельных углеводов и близких к ним веществ, необходим достаточно высокий уровень пектиновых веществ и клетчатки (25 г в сутки). Находящиеся в плодах и овощах пектиновые вещества подавляют размножение гнилостных микроорганизмов, обеспечивая лучшие условия для жизнедеятельности полезной кишечной микрофлоры. Клетчатка стимулирует перистальтику кишечника, нормализует жизнедеятельность полезной кишечной микрофлоры, способствует выведению из организма холестерина. Ежедневное включение в рацион питания овощей и фруктов позволяет сбалансировать отдельные углеводы (крахмал - 75%, сахар - 20, пектиновые вещества - 3, клетчатка - 2 % общего их количества), что имеет значение для профилактики атеросклероза.

При смешанной пище усвояемость углеводов картофеля составляет 95 %, овощей - 85, фруктов - 90, молока и молочных продуктов - 98, сахара - 99%. Углеводы входят в состав нуклеиновых кислот, гликозидов, глюкопротеидов и других соединений клеток.

По физическим и химическим свойствам углеводы делят на три группы: моносахариды (простые сахара), олигосахариды (растворимые в воде) и полисахариды (несладкие, в воде образуют коллоидные растворы).

Моно- и олигосахариды называют сахарами, они обладают сладким, вкусом. Минимальная концентрация фруктозы в растворе, вызывающая ощущение сладости, - 0,25 %, сахарозы 0,38 %. При одинаковой температуре сладость фруктозы по сравнению со сладостью сахарозы (принятой за 100) равна 173, глюкозы - 74, мальтозы и галактозы - 32, рафинозы - 23, лактозы - 16.

На способность cахаров к кристаллизации из водных растворов значительное влияние наряду с другими факторами оказывает их растворимость. Растворимость cахаров в воде при температуре 20 °С (в %): фруктозы - 78,5, сахарозы - 66,9, глюкозы - 47,7, мальтозы - 44,1, лактозы- 16,1 , а при 50 °С - соответственно 86,9; 72,3; 70,9; 60,2 и 30,4.

При хранении пищевых продуктов с высоким содержанием сахара чаще всего наблюдается кристаллизация сахарозы (засахаривание конфет, карамели), иногда глюкозы (засахаривание меда, варенья, джема) и лактозы (засахаривание сгущенного молока). Фруктоза вследствие большой ее растворимости не кристаллизуется, а при относительной влажности воздуха 50 % она даже поглощает влагу. Глюкоза и мальтоза менее гигроскопичны, а химически чистая сахароза практически негигроскопична. Гигроскопичность Сахаров влияет на сохраняемость пищевых продуктов, что учитывают при их производстве (нормирование сахара в варенье, джеме, повидле для предупреждения брожения).

К моносахаридам относятся не усваиваемые организмом пентозы - арабиноза и ксилоза растительных оболочек, а также входящие в состав нуклеиновых кислот рибоза и дезоксирибоза и хорошо усваиваемые гексозы - глюкоза, галактоза, фруктоза.

Глюкоза СН₂ОН(СНОН)₄ обладает редуцирующими свойствами. Она находится в листьях, плодах, овощах, меде, в крови, является составным элементом свекловичного сахара, мальтозы, лактозы, клетчатки, крахмала.

Фруктоза СН₂ОН (СНОН)зСОСН₂ОН обладает восстанавливающими свойствами. Находится она в семечковых плодах, арбузах, меде, входит в состав сахарозы, инулина. Фруктоза легко усваивается организмом человека.

Глюкоза и фруктоза легко сбраживаются дрожжами с образованием спирта и углекислого газа.

Смесь глюкозы и фруктозы в равных количествах, получаемая при гидролизе сахарозы, называется инвертным сахаром. Применяют его в кондитерском производстве.

Галактоза является составной частью молочного сахара (лактозы) и рафинозы, агар-агара, пектиновых веществ. Отличается незначительной сладостью.

К олигосахаридам относят дисахариды (сахароза, мальтоза, трегалоза, лактоза, целлобиоза) - С₁₂Н₂₂О₁₁ и трисахарид ра-финозу - С₁₈Н₃₂О₁₆. Дисахариды хорошо растворимы в воде и спирте, сладкие, под влиянием ферментов пищеварительного тракта, дрожжей или при кипячении с кислотами превращаются в простые сахара. Олигосахариды подвергаются гидролизу при запекании яблок, варке киселей из кислых фруктов и ягод, в чае с лимоном. Чтобы на поверхности киселей не образовалась корочка, ее посыпают сахарной пудрой. Расплавленный сахар при нагревании Сахаров до температуры 160 - 190 °С карамелизуется (легче других карамелизуется лактоза и фруктоза), отщепляя воду и образуя сначала карамелан, а затем темноокрашенный карамелей, обладающий горьким вкусом и хорошо растворимый в воде. На карамелизации основано приготовление коричневой краски (жженки) для мясных соусов и желе.

Глюкоза, фруктоза, лактоза в растворе вступают в реакцию с аминокислотами белков, образуя темноокрашенные меланоидины; этим обусловлено потемнение молочных консервов, корки хлеба при выпечке и т. д.

Сахароза находится в сахарной свекле (до 24%), сахарном тростнике (до 26 %), сливах (до 9 %), дынях (до 8,5 %) и многих других продуктах.

Мальтоза в свободном виде в природе не встречается, образуется при гидролизе крахмала, содержится в патоке и проросшем зерне. Она менее сладкая по сравнению с сахарозой. При расщеплении мальтозы образуется глюкоза.

Лактоза содержится только в молоке, при расщеплении образует глюкозу и галактозу. Ферменты молочно-кислых бактерий сбраживают ее с образованием молочной кислоты.

Трегалоза находится в грибах, дрожжах и в некоторых водорослях.

Рафиноза содержится в небольших количествах в сахарной свекле, семенах сои, гороха, хлопчатника. Она растворима в воде, несладкая, при расщеплении ее образуется глюкоза, фруктоза и галактоза.

К полисахаридам относятся крахмал, гликоген, инулин, целлюлоза (клетчатка). Инулин расщепляется под действием минеральных кислот до фруктозы, а все остальные полисахариды до глюкозы. Целлюлоза и протопектин составляют основу опорных тканей растений, а крахмал, гликоген и инулин являются резервными питательными веществами.

Крахмал (С₆Н₁₀О₆)_n, содержится в зерне пшеницы (до 68 %), гороха (53%), в картофеле (до 24%), рисе (до 74%). При нагревании с водой он образует вязкие коллоидные растворы, что связано с клейстеризацией крахмала. Крахмальные зерна разных растений отличаются различной температурой клейстеризации (картофельного 62,5 °С, пшеничного - 67,5 °С, рисового - 61,2 °С, кукурузного - 62,5°С), формой и строением. Наиболее крупные зерна у крахмала картофельного, меньшие у пшеничного, кукурузного, рисового.

Оболочка крахмального зерна состоит из амилопектина, набухающего в горячей воде с образованием вязкого клейстера. В процессе приготовления пищи амилопектин разрушается, после чего крахмал способен образовать коллоидные растворы, становится доступным действию пищеварительных ферментов. Внутри зерна крахмала - амилоза, растворимая в горячей воде. В холодной воде крахмал нерастворим, но поглощает до 30 % ее, незначительно набухая. При небольшом нагревании происходит ограниченное и обратимое набухание крахмальных зерен. Наиболее интенсивное набухание с поглощением большого количества воды происходит при температуре клейстеризации. Затем зерна крахмала превращаются в максимально набухшие бесформенные частицы.

Фермент α-амилаза расщепляет крахмал до декстринов (растворимые в воде сладковатые вещества светлой окраски), а (3-амилаза - до мальтозы, которая при действии мальтазы превращается в конечный продукт расщепления - глюкозу. Хлебопекарные и кулинарные качества муки обусловлены соот­ношением α- и β-амилазы. Много α-амилазы в проросшем зерне, мука из него содержит много декстринов, обладающих склеивающими свойствами, поэтому хлеб из такой муки тяжелый, липкий, малопористый.

При нагревании крахмала без участия ферментов декстрины образуются при жарке картофеля, выпечке мучных изделий (блестящая корочка). При гидролизе крахмала амилазой образуется мальтозная патока, а при длительном кипячении крахмальных клейстеров с кислотами - глюкозная патока (при варке кислых соусов с мукой). Хорошо усваивается клейстеризованный крахмал хлеба, вареного и жареного картофеля, каш, блюд из макароннных изделий.

Гликоген (животный крахмал) содержится в печени, грибах, дрожжах, зерне кукурузы. При гидролизе его образуется глюкоза. Он легко набухает и растворяется в воде.

Инулин находится в клубнях земляной груши, корнях цикория. Он легко растворяется в теплой воде, образуя коллоидный раствор; при гидролизе превращается во фруктозу; употребляется для питания больных диабетом.

Целлюлоза (клетчатка) неодревесневшая (в листьях капусты и некоторых овощей) растворяется пищеварительными соками организма человека, а одревесневшая, т. е. пропитанная минеральными солями, лигнином, кутином (в оболочках зерна, кожуре картофеля), не усваивается.

Пектин - растворимое соединение клеточного сока яблок, абрикосов, крыжовника. В присутствии достаточного количества сахара (65 %) и кислоты (1%) способен образовывать прочное желе (пектина берут 1 - 1,5%). Содержащие пектин плоды (яблоки, абрикосы, ренклоды) используют для выработки мармелада, джема, желе, зефира, пастилы.

Липиды

Липиды объединяют природные органические вещества, многие из которых являются эфирами жирных кислот.

Общими свойствами липидов являются их гидрофобность и нерастворимость в воде, но все они по-разному растворяются в органических растворителях (эфире, бензине, хлороформе). Из липидов в товароведении изучают жиры, высокомолекулярные жирные кислоты, липоиды такие как фосфоглицериды, воска, стероиды и некоторые другие.

Жиры в пищевых продуктах встречаются чаще и в больших количествах, чем другие соединения группы липидов.

Жиры входят в состав всех живых клеток растительного и животного происхождения, и поэтому они должны постоянно поступать с пищей. Жиры в организме являются: важным источником энергии, так при полном сгорании 1 г образуется 9 ккал энергии, что в два с лишнем раза больше, чем при сгорании 1 г белков и углеводов. Жиры участвуют также в пластических процессах организма и являются структурными элементами клеток. Значение жиров в питании человека повышается еще и потому, что в них растворяются биологически активные вещества – витамины А, Д, Е, К.

Природным жирам сопутствуют вкусовые и ароматические вещества, пигменты, липоиды, белки и другие соединения, которые влияют на качество и свойства жиров. Так, растительные жиры имеют желтоватый или зеленоватый цвет из-за наличия в них каротиноидов и хлорофилла.

По происхождению жиры делят на растительные и животные.

Растительные жиры, называемые маслами делят на твердые и жидкие. К твердым жирам относят масло какао, кокосовое и пальмовое. Жидкие жиры в зависимости от свойств делят на невысыхающие (оливковое, миндальное и др.), полувысыхающие (подсолнечное, хлопковое и др.) и высыхающие (льняное, конопляное, маковое и др.).

Животные жиры также подразделяют на жидкие и твердые. Различают жидкие животные жиры наземных животных (копытный жир) и жидкие жиры морских животных (рыбий жир, жир печени китовых). К животным твердым относя жиры говяжий, бараний, свиной, а также коровье масло.

Строение и свойства. По химическому составу жиры представляют собой смесь сложных эфиров трехатомного спирта глицерина С₃Н₅(ОН) ₃ и жирных кислот.

О

¤ ¤

СН₂О - С - R₁

½ О

¤ ¤

СНО - С - R₂

½ О

¤ ¤

СН₂О - С - R₃

Для большинства жиров пищевых продуктов характерно наличие разнокислотных триглицеридов, содержащих в молекуле две или три различные жирные кислоты.

Жиры различного происхождения отличаются друг от друга по составу жирных кислот. В природе известно около 70 различных жирных кислот, но наиболее часто встречаются: пальмитиновая, стеариновая, которые являются предельными и олеиновая, линолевая, линоленовая, которые являются непредельными.

Свойства жиров обусловлены в основном свойствами жирных кислот. Так, преобладание предельных жирных кислот оказывает существенное влияние на температуру плавления жиров.

Непредельные жирные кислоты благодаря наличию в молекуле двойных связей обладают более низкой температурой плавления по сравнению с предельными, имеющими в молекуле то же количество атомов углерода.

Содержание непредельных жирных кислот в растительных жирах выше, чем предельных.

Большинство растительных жиров, богатых непредельными жирными кислотами, остается в жидком состоянии при температурах близких к 0 ^оС и ниже. Только кокосовое масло и масло бобов какао при комнатных температурах остаются твердыми, так как в составе триглицеридов этих масел преобладают предельные жирные кислоты – пальмитиновая и стеариновая.

Предельные жирные кислоты менее реактивны, чем непредельные. Так, в жирах морских животных и рыб содержатся жирные кислоты, в молекулах которых имеется четыре и пять двойных связей, и это обусловливает нестойкость таких жиров при хранении. Усвояемость жиров в значительной степени зависит от их температуры плавления. Чем выше температура плавления, тем он труднее усваивается.

Жидкие растительные жиры с помощью катализаторов могут превращаться в твердые путем насыщения водородом непредельных жирных кислот. Процесс этот называется гидрогенизацией. Гидрогенизированные жиры широко используют в пищевой промышленности для получения маргарина. По месту двойных связей к жирным кислотам могут присоединяться кислород, бром, йод и некоторые другие, простые и сложные вещества.

В чистом виде жиры растворимы в растворителях – хлороформе, бензине, петролейном эфире и др. Некоторые из этих растворителей находят промышленное применении при получении жиров из масличных семян методом экстракции.

Жиры способны растворять некоторые ароматические вещества. Поэтому при складировании с продуктами, имеющими запах (сливочное масло и сельдь или масло и чай) жиры могут приобретать несвойственный им аромат.

Жиры нерастворимы в воде, но в присутствии белковых слизистых или некоторых других веществ, называемых эмульгаторами, способны образовывать с водой стойкие эмульсии. На этом свойстве жиров основано получение маргарина, майонеза, различных кремов.

Жиры обладают плохой теплопроводностью, поэтому жировая ткань хорошо развита у водных млекопитающих животных – китов, моржей и др.

Плотность жиров колеблется от 0,92 до 0,95 и уменьшается с увеличением содержания в них высокомолекулярных жирных кислот.

Жиры относятся к группе нестойких соединений подвергающихся, главным образом, реакциям гидролиза, окисления и гидрогенизации.

В процессе гидролиза жиры расщепляются на глицерин и свободные жирные кислоты:

О

¤ ¤

СН₂О - С - R СН₂ОН

½ О ½

¤ ¤

СНО - С - R + 3 Н₂О ® СН₂ОН + 3 R - СООН

½ О ½

¤ ¤

СН₂О - С - R СН₂ОН

Важное значение при гидролизе жиров имеет присутствие воды, так как она принимает непосредственное участие в реакциях. Гидролиз жиров ускоряется под действием содержащихся в них ферментов липаз, а также ферментов микроорганизмов. Реакция гидролиза ускоряется при повышении температуры. Гидролиз жиров используют в жироперерабатывающей промышленности при получении мыла, глицерина и некоторых других продуктов.

Едкие щелочи (NаОН и КОН) также вызывают гидролиз жиров. Этот процесс называется омылением, так как в результате воздействия NаОН и КОН образуются натриевые или калиевые соли жирных кислот, называемые мылами.

Окисление жиров представляет собой реакцию непредельных жирных кислот с кислородом. Эта реакция активизируется под действием света, кислорода, тепла и некоторых веществ, содержащихся в жирах. Масло, хорошо очищенное от сопутствующих веществ, изолированное от кислорода воздуха, в темноте сохраняется длительное время. Присутствие в жирах таких металлов, как кобальт, марганец, медь, железо и некоторых других, ускоряет процесс окисления. Металлы в реакциях играют роль катализаторов.

В процессе окисления жиры прогоркают и претерпевают изменения, которые резко ухудшают их пищевые достоинства. Они часто становятся непригодными для употребления в пищу из-за неприятного жгучего или горького вкуса и резкого запаха. Быстрее прогоркают жиры, содержащие непредельные жирные кислоты, особенно олеиновую, линолевую и линоленовую.

Многие пищевые продукты, содержащие значительное количество жира, способны прогоркать во время хранения (пшено, кукурузная, мука, орехи, растительное и коровье масло).

Прогоркание сливочного и топленого коровьего масла и маргарина под действием света сопровождается явлением осаливания, которое состоит в том, что масло белеет на поверхности и приобретает свойственные салу вкус и запах. Осаливание масла – результат перехода под действием света непредельных жирных кислот в оксистеариновые кислоты, имеющие белый цвет.

В природных жирах часто присутствуют или добавляются специально вещества, препятствующие окислению, которые называются антиоксидантами. Роль естественных антиоксидантов в растительных жирах играют токоферолы (витамин Е), фенольные соединения, витамин С и др.

Хранить жиры необходимо хорошо упакованными для предохранения от действия воздуха и света, при пониженных температурах, в чистых помещениях.

Потребность в жирах зависит от возраста, характера работы, климатических условий и других факторов, но в среднем в сутки взрослому человеку необходимо от 80 до 100 г жиров, из них 20 – 30 г растительные. Растительные жиры содержат непредельные жирные кислоты, из которых наиболее важное значение имеют линолевая и линоленовая. Эти кислоты используются для синтеза очень важной непредельной арахидоновой кислоты. Без указанных кислот задерживается нормальное развитие организма, нарушается холестериновый обмен.

Жиры характеризуются некоторыми физико-химическими показателями: плотность, температура плавления и застывания, число рефракции, вязкость, кислотное число, йодное число и др.

Сопоставление полученных данных при анализе физико-химических показателей позволяет установить природу и качество жира.

Наиболее часто определяют кислотное число, йодное число, число омыления.

Кислотное число показывает, сколько мг едкого калия требуется для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в грамме жира. Кислотное число характеризует свежесть и доброкачественность жира и богатых жиром пищевых продуктов.

Число омыления характеризуется количеством мг КОН, необходимого для нейтрализации, как свободных, так и связанных с глицерином жирных кислот, содержащихся в 1 г жира.

Йодное число показывает количество граммов йода, которое может присоединиться к 100 г жира. Чет больше ненасыщенных жирных кислот содержится в молекуле жира, тем большее количество йода он может связать. Чем больше йодное число, тем жир легче окисляется и менее устойчив при хранении.