Углеводы

Углеводы - органические соединения, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Они синтезируются растениями из углекислоты и воды под действием солнечной энергии в присутствии хлорофилла. В растительных продуктах углеводы составляют 80% органических веществ, а в животных - 2%. При биологическом окислении углеводов выделяется энергия, необходимая для поддержания жизнедеятельности организма. При окислении 1 г углеводов выделяется 3,75 ккал, или 15,7 кДж. Избыток углеводов, особенно легкоусвояемых (сахар, кондитерские изделия), превращается в жир, который откладывается в организме и способствует повышению уровня холестерина в крови, что приводит к развитию атеросклероза.

По химическому строению углеводы подразделяют на моносахариды (простые сахара), олигосахариды (углеводы, построенные из небольшого количества моносахаридов) и полисахариды (несладкие, в воде образуют коллоидные растворы).

Моносахариды. Из моносахаридов в пищевых продуктах чаще всего встречаются гексозы (шесть атомов углерода) - глюкоза, фруктоза и галоктоза. Они имеют общую формулу С₆Н₁₂О₆, но разное расположение атомов.

Глюкоза (виноградный сахар) в наибольших количествах находится в винограде, ягодах, меде, плодах зеленых частей растений. Глюкоза усваивается наиболее эффективно и быстро при наличии соответствующих ферментов. Для нормального функционирования организма человека необходимо содержание глюкозы в крови в количестве 80-120 мг%. Значительное накопление глюкозы в крови приводит к перенапряжению гормональной системы, в моче появляется сахар, что свидетельствует о возникновении сахарного диабета. Глюкоза восстанавливается в шестиатомный спирт - сорбит, который применяют для лечения диабета. Получают глюкозу кислотным гидролизом крахмала и применяют в кондитерском производстве.

Фруктоза (плодовый сахар) обладает восстанавливающими свойствами, образуя при этом два шестиатомных спирта (сорбит и маннит), имеющих сладковатый вкус. Получают фруктозу кислотным гидролизом полисахарида инулина, содержащегося в чесноке, корнях цикория и в клубнях топинамбура. Наибольшее количество фруктозы содержится в меде (37%), ягодах и фруктах (4-7%).

Глюкоза и фруктоза хорошо растворяются в воде, обладают большой гигроскопичностью (особенно фруктоза), легко сбраживаются дрожжами с образованием спирта и углекислого газа.

Галактоза является составной частью молочного сахара (лактозы) и пектиновых веществ, имеет незначительную сладость.

Поскольку моносахариды обладают восстанавливающими свойствами, их называют восстанавливающими, или редуцирующими, сахарами. Для редуцирующих Сахаров характерна высокая гигроскопичность, поэтому их содержание регламентируется стандартом в таких продуктах, как сахар, карамель, мармелад, пастила и др. Моносахариды сбраживаются дрожжами и микроорганизмами, на чем основано производство многих продовольственных товаров - спирта, вина, сыров, кисломолочных продуктов и др.

Олигосахариды. Они состоят из 2-6 остатков моносахаридов. К олигасахаридам относят дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза, трегалоза) - С₁₂Н₂₂О₁₁ и трисахарид (рафинозу) - С₁₈Н₃₂О₁₆.

Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар) находится в сахарной свекле (12-24%), сахарном тростнике (14-26%), сахаре (99,7-99,9%), плодах и овощах, кондитерских изделиях. Под действием ферментов и кислот при нагревании происходит гидролиз (инверсия) сахарозы на глюкозу и фруктозу:

Мальтоза (солодовый сахар) образуется при гидролизе крахмала, содержится в патоке, проросшем зерне. Она менее сладкая, чем сахароза. При расщеплении мальтозы образуется только глюкоза (полный кислотный гидролиз).

Лактоза (молочный сахар). Основным источником ее служит коровье (5%) и женское (8%) молоко. В организме человека расщепляется под действием фермента лактозы на глюкозу и галактозу. У некоторых людей этот фермент может быть недостаточно активен или отсутствует, что приводит к непереносимости молока. Таким людям рекомендуются кисломолочные продукты, в которых лактоза сбраживается молочнокислыми бактериями в молочную кислоту.

Трегалоза (грибной сахар) содержится только в грибах и хлебопекарных дрожжах.

Рафиноза находится в небольших количествах в сахарной свекле и зерновых продуктах; она растворима в воде, несладкая на вкус. При ее гидролизе образуются глюкоза, фруктоза и галактоза.

Все сахара гигроскопичны, поэтому сахар, карамель при хранении в сыром помещении увлажняются. При нагревании Сахаров до температуры 160-190 °С образуются продукты темно-коричневого цвета. Такой процесс называется карамелизацией. Лактоза, глюкоза и фруктоза в растворе при 100 °С вступают в реакцию с аминокислотами белков, образуя темноокрашенные меланоидины. Этим объясняется потемнение молочных консервов, корки хлеба при выпечке, цвет черного чая, жареного кофе и других продуктов.

Сахара способны кристаллизоваться из водных растворов, например кристаллизация меда при хранении, варенья при низких температурах.

Полисахариды ( С₆Н₁₀О₅). Они состоят из большого количества остатков молекул моносахаридов, на которые распадаются при кислотном гидролизе. К полисахаридам относят крахмал, кликоген, инулин и клетчатку.

Крахмал - полисахарид второго порядка, состоит из сотен и тысяч остатков молекул моносахаридов. Находится в растениях в виде крахмальных зерен, различающихся свойствами и химическим составом. Крахмал разных видов имеет различные форму и размер зерен. Самые крупные зёрна овальной формы у картофельного крахмала, а самые мелкие угловатой формы - у рисового. Крахмал откладывается в качестве запасного вещества в клубнях, корнях, плодах и других частях растений. Наиболее богаты крахмалом зерна1 злаковых культур (в %): пшеница - 70, рожь -65, кукуруза, рис, горох - 60-80, картофель-24.

Наружная часть зерна крахмала состоит из вещества амилопектина, а внутренняя - из амилозы. Амилопектин при нагревании с водой набухает и клейстеризуется, в результате чего происходит увеличение объёма при варке круп; макаронных изделий, образование вязких коллоидных растворов (при варке киселей и др.). В холодной воде крахмал нерастворим. Под действием фермента α-амилазы крахмал расщепляется до декстринов, под действием β-амилазы - до мальтозы, которая в свою очередь под действием мальтазы превращается в глюкозу. Гидролизом крахмала получают патоку. Крахмал под действием осахаривающих ферментов слюны и пищеварительных соков осахаривается и хорошо усваивается. Под действием йода крахмал окрашивается в синий цвет; это характерная реакция для определения наличия крахмала.

Гликоген (животный крахмал) откладывается в печени животных, при гидролизе переходит в глюкозу, легко набухает и растворяется в воде. Содержание в животных продуктах (рыба, мясо, яйца) - до 1%. Гликоген имеется в грибах, дрожжах, зерне кукурузы.

Инулин содержится в клубнях и корнях некоторых растений - земляная груша (топинамбур), корни цикория и одуванчика (15-17%). Инулин легко растворяется в теплой воде, образуя при этом коллоидный раствор. При кислотном гидролизе или под действием инулазы он превращается во фруктозу. На этом свойстве инулина основано производство фруктового сахара, предназначенного для питания людей, больных диабетом, склонных к ожирению и больных кариесом.

Клетчатка является основной структурной частью клеточных стенок хлорофиллоносных растений и относится к пищевым волокнам. В значительных количествах она находится в кожуре плодов, овощей, в муке низших сортов и нешлифованных крупах. Клетчатка не растворяется в воде, в слабых растворах серной кислоты и щелочи. Она не усваивается организмом человека, поэтому относится к балластным веществам. Однако она необходима, поскольку вследствие волокнистого строения способствует пищеварению, усиливает перистальтику кишечника, так как она выводит из организма соли тяжелых металлов, холестерин и другие вредные вещества.

Пектиновые вещества. Они являются продуктом окисления глюкозы и построены из остатков галактуриновой кислоты. В значительных количествах находятся в плодах, ягодах и овощах (яблоки, абрикосы, хурма, персики, крыжовник - 0,3-1,5%; тыква, земляника, смородина - 0,5-0,8%) в виде протопектина, пектина и пектиновой кислот. Пектиновые вещества, так же как и клетчатка, являются балластными веществами, не перевариваются и не всасываются в желудке и кишечнике. Однако роль пектина огромна, так как он связывает вредные и ядовитые вещества и выводит их из организма, способствует нормальному выделению желчи, снижает уровень холестерина в крови.

Протопектином богаты недозрелые плоды и овощи, он обусловливает твердую консистенцию их. При созревании плодов и овощей протопектин гидролизуется до пектина, вследствие чего плоды и овощи становятся мягче. При перезревании плодов и овощей значительная часть пектина превращается в пектиновую кислоту, придающую плодам и овощам неприятный вкус.

Под действием кислот или фермента протопектиназы протопектин переходит в растворимый в воде пектин, который в присутствии сахара (65-70%) и кислот образует студни. Это свойство пектина широко используется в кондитерской промышленности для производства желе, варенья, джемов, мармеладов, зефира и др.

ЛИПИДЫ

Липиды - природные органические соединения, многие из которых являются эфирами жирных кислот и спиртов. Общими свойствами липидов являются их гидрофобность и нерастворимость в воде, но все они по-разному растворяются в органических растворителях - эфире, бензине, хлороформе, ацетоне и др.

Из липидов в товароведении продовольственных товаров изучают жиры, высокомолекулярные кислоты и липоиды.

Жиры. Обладают высокой энергетической ценностью - 1 г жира при окислении выделяет 9,0 ккал (37,7 кДж), активно участвуют в пластических процессах, входя в состав оболочек живых клеток и других структур, а также откладываются в тканях организма. Они являются источником необходимых витаминов и других биологически активных веществ. Жиры широко используют при производстве многих продовольственных товаров, они улучшают вкусовые свойства пищи.

По происхождению жиры делят на растительные и животные.

К растительным жирам (маслам) относят масло какао, кокосовое и пальмовое.

Жидкие жиры в зависимости от свойств делят на невысыхающие (оливковое, миндальное) и высыхающие (льняное, конопляное, маковое и др.) масла.

Животные жиры также делят на жидкие и твердые. Различают жидкие жиры наземных животных (копытный жир) и жидкие жиры морских животных и рыб (рыбий жир, жир печени китов и др.). Животные твердые жиры - говяжий, свиной, бараний, а также коровье масло.

По химическому составу жиры представляют собой смесь сложных эфиров трехатомного спирта глицерина С₃Н₅(ОН)₃ и жирных кислот. В состав жиров входят остатки жирных кислот предельных (насыщенных) и непредельных (ненасыщенных). Жиры разного происхождения отличаются друг от друга составом жирных кислот. Все жирные кислоты, входящие в состав жиров, содержат четное число атомов углерода - от 14 до 22, но чаще 16 и 18. Растительные жиры, кроме кокосового масла и масла бобов какао, остаются жидкими при температуре, близкой к О °С, так как содержат значительное количество непредельных жирных кислот.

Насыщенные жирные кислоты - пальмитиновая (С₁₅Н₃₁СООН), стеариновая (С₁₇Н₃₅СООН), миристиновая (С₁₃Н₂₇СООН).Эти кислоты используются в основном как энергетический материал, содержатся в наибольших количествах и в животных жирах, что определяет высокую температуру плавления (50-60 °С) и твердое состояние этих жиров.

Ненасыщенные жирные кислоты подразделяют на мононенасыщенные (содержат одну ненасыщенную водородную) и полиненасыщенные (несколько связей). Основной представитель мононенасыщенных жирных кислот - олеиновая кислота (С₁₈Н₃₄О₂), содержание которой в оливковом масле составляет 65%, в сливочном масле - 23%.

К полиненасыщенным жирным кислотам относят линолевую (С₁₈Н₃₂О₄)с двумя двойными связями; линоленовую (С₁₈Н₃₀О₂)с тремя двойными связями и арахидоновую (С₂₀Н₃₂О₂), с четырьмя двойными связями. Незаменимыми жирными кислотами являются линолевая, линоленовая и арахидоновая. Они обладают наибольшей химической активностью, принадлежат к витаминоподобным соединениям и носят название фактора F. Арахидоновая кислота находится в рыбьем жире и жире морских животных. Основной источник линолевой кислоты - подсолнечное масло (60%). В растительных маслах преобладают олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты. В стандартах на растительные масла имеется показатель - йодное число, который характеризует степень ненасыщенности кислот. Чем выше йодное число, тем больше ненасыщенных кислот в жире, тем выше вероятность его прогоркания.

Усвояемость жиров в значительной степени зависит от температуры плавления. По усвояемости различают: жиры с температурой плавления 37 "С, усвояемость 70-98% (все жидкие жиры, жиры молока, свиной топленый, жиры птиц и рыб); жиры с температурой плавления 50-60 °С усваиваются плохо (бараний жир - 44-51 °С).

Жидкие жиры могут превращаться в твердые путем насыщения водородом непредельных жирных кислот. Этот процесс называется гидрогенизацией. Получение маргарина основано на гидрогенизации жира.

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

Жиры легче воды, так как они имеют плотность ниже единицы - 0,7-0,9. У жиров высокая температура кипения, поэтому их используют для жарки, они не испаряются с горячей сковороды. Однако при сильном нагревании (240-260 °С) жир разлагается, образуя летучие сильно пахнущие вещества. Жиры относятся к нестойким соединениям, поэтому в процессе производства, обработки и хранения под влиянием внешних факторов в них могут происходить процессы гидролиза (расщепление на глицерин и свободные жирные кислоты в присутствии воды, кислот, ферментов). Гидролиз является первоначальной стадией порчи жиров при хранении. Образующиеся свободные жирные кислоты придают жиру посторонний привкус, поэтому в стандарты на пищевые жиры введен показатель качества жиров - кислотное число. В промышленности из жиросодержащего сырья при высокой температуре в присутствии щелочей получают мыло (процесс омыления).

Окисление жира - процесс химического взаимодействия кислорода и остатков непредельных жирных кислот триглицеридов - протекает в три стадии.

Окисление жиров под действием атмосферного кислорода называется автоокислением. Первая стадия автоокисления - индукционный период, когда окислительные процессы в жирах почти не обнаруживаются. Устойчивость различных жиров и масел к окислению характеризуется сравнительной длительностью их индукционных периодов. На второй стадии автоокисления происходят реакции, в результате которых образуются перекисные соединения. На третьей стадии протекают вторичные реакции перекисных соединений, в результате чего в жирах накапливаются гидроперекиси и продукты их превращений - альдегиды, кетоны, свободные низко-молекулярные жирные кислоты, которые изменяют вкус и запах жиров и масел и существенно снижают их пищевое достоинство.

Липоиды (жироподобные вещества). К ним относятся фосфатиды, стерины и воски.

Фосфатиды являются липидами, содержащими связанную фосфорную кислоту. Представляют собой сложные эфиры обычно одноатомных спиртов, одна или две спиртовые группы которых этерифицированы фосфорной кислотой. В фосфатиды, кроме остатков фосфорной кислоты входит одно из азотистых оснований - холин, коламин или серин. Фосфатиды, состоящие из остатков глицерина, жирных кислот, фосфорной кислоты и холина, называются лецитинами. Лецитин в воде не растворим, но образует с ней эмульсии. Это свойство лецитина используется в маргариновой промышленности, при производстве шоколада, вафель, печенья. Много лецитина в яичном желтке (9,4%), сое (1,7%), молочном жире (1,3%), грибах (7,0%), нерафинированных растительных маслах.

Кефалин - это фосфатид, в котором фосфорная кислота соединена с каломином, являющимся менее сильным основанием, чем холин. Кефалин обладает более кислыми свойствами, чем лецитин; играет важную роль в процессе свертывания крови.

Стерины - высокомолекулярные циклические спирты, в жирах встречаются в свободном виде и в виде стеридов - эфиров жирных кислот. В состав животных жиров входит холестерин (мозг, яичный желток, плазма крови - 1,6%). В растительных и бактериальных клетках наибольшее значение имеет эргостерин, отличающийся от холестерина двумя дополнительными двойными связями и одной дополнительной метильной группой, под действием ультрафиолетовых лучей эргостерин превращается в кальциферол - витамин D.

Воски по химической природе близки к жирам. Растительные воски образуют налет на поверхности листьев, плодов, овощей, который защищает их от микробов, высыхания, излишней влажности. К воскам животного происхождения относится пчелиный воск.