Химический состав пищевых продуктов.

Химические свойства продовольственных товаров обусловлены составом и свойствами веществ, входящих в их структуру. Все химические вещества продовольственных товаров делятся в зависимости от различных классификационных признаков.

По химической природе химические вещества подразделяются на неорганические и органические. Органические вещества – вещества, обязательными элементами которых являются углерод и водород. Неорганические вещества – вещества минерального происхождения или вода, характеризующиеся отсутствием комплексов элементов углерода и водорода.

По усвояемости химические вещества подразделяются на усвояемые, неусвояемые и трудноусвояемые. Усвояемые вещества – вещества, легко вовлекаемые в обмен других веществ организма человека. Они обеспечивают жизнедеятельность человека. К ним относятся сахара, крахмал, большинство белков, липиды, витамины и др. Неусвояемые вещества – вещества, которые не перевариваются организмом человека и выводятся из него. Однако большая часть неусвояемых веществ обладают свойствами абсорбента и выводят из организма некоторые загрязнители. К таким веществам относятся гемицеллюлоза, пектиновые вещества, клетчатка и др. Трудноусвояемые вещества – вещества, которые используются организмом человека лишь частично из-за плохой усвояемости. Такие вещества относятся к питательным, но поскольку они труднодоступны для ферментов желудочного сока и не полностью расщепляются на составные части, неусвояемая часть выводится из организма. К таким веществам относятся белки соединительной ткани мяса – эластин и коллаген, жиры с высокой температурой плавления и др.

По полезности химические вещества подразделяют на питательные, балластные и вредные. Питательные вещества – вещества, обладающие полезностью для организма человека благодаря вовлечению их в процессы жизнедеятельности. Именно питательные вещества удовлетворяют основные физиологические потребности человека. Балластные вещества – вещества, не вовлекаемые в обмен веществ организма человека, но выводящие из него различные загрязнители. Вредные вещества – вещества-загрязнители, наносящие вред здоровью и жизни человека. Вредные вещества подразделяют на токсичные и ксенобиотики. Токсичные вещества наносят вред здоровью человека только при превышении предельно допустимых норм (мышьяк, медь, железо, цинк, антибиотики и др.), ксенобиотики – опасные, чужеродные для организма вещества (хлор- и ртутьорганические соединения, микотоксины, афлотоксины, радионуклиды и др.).

По происхождению химические вещества подразделяются на природные, искусственные и синтетические. Природные вещества – вещества, образующиеся в результате природных процессов или жизнедеятельности биологических организмов. Эта группа является преобладающей в пищевых продуктах. Искусственные вещества – вещества, образующиеся при химических реакциях в процессе производства пищевых продуктов. Многие из них формируют новые потребительские свойства готовой продукции. К ним относятся переэтирифицированные жиры, искусственные красящие вещества (меланоиды, карамелины, флабофены и др.). Синтетические вещества – вещества, специально синтезируемые и используемые в качестве добавок для улучшения органолептических или лечебно-профилактических свойств пищевых продуктов.

Изучим химические вещества по их химической природе.

К неорганическим веществам относятся вода и минеральные вещества, которые подразделяются на отдельные виды и формы.

Водав продуктах питания содержится в двух формах: свободной и связанной. Свободная вода служит растворителем многих органических и неорганических веществ, средой для химических, физико-химических и микробиологических процессов, замерзает при 0°С. Связанная вода не обладает указанными свойствами и замерзает при -70°С.

Вода имеет большое значение для сохраняемости пищевых продуктов. Значительную роль при этом играет соотношение свободной и связанной воды, которое характеризует активность воды. Активность воды выражается соотношением давления водяных паров над продуктом к их давлению над поверхностью чистой воды при одной и той же температуре. Этот показатель определяет доступность воды для физических, химических, физико-химических и микробиологических процессов. Чем ниже активность воды в пищевых продуктах, тем лучше они сохраняются. Различают продукты с низкой активностью воды (менее 0,90): мука, крупа, жиры, сахар; со средней активностью (0,90 – 0,95): вареные колбасы, мясокопчености, хлеб, мороженные продукты, соленую, копченую рыбу, консервы и др.; с высокой активностью (0,95 – 1,0): плоды и овощи, алкогольные и безалкогольные напитки, молоко, охлажденные мясо и рыба и др.

По общему содержанию (массовой доле) воды все пищевые продукты подразделяются на 5 групп:

1. Очень сухие товары (0,1 – 12,0% воды): сахар, соль, кондитерские товары, орехи, жиры и др.

2. Сухие товары (13 – 25%): мука, крупа, торты и пирожные, мед, масло сливочное, маргарин, сушеные товары.

3. Товары со средней влажностью (26 – 60%): хлебобулочные изделия, сыры, колбасные изделия, соленая и копченая рыба и др.

4. Товары с повышенной влажностью (61 – 90%): плоды, овощи, грибы, мясо, рыба, молоко, кисломолочные товары, соки, мороженное и др.

5. Товары с очень высоким содержанием воды (91 – 99,9%): огурцы, томаты, тыквы, свежая зелень, квашенные овощи, квас, пиво и др.

В зависимости от содержания минеральные вещества подразделяются на макро- и микроэлементы.

Макроэлементы: натрий, калий, магний, кальций, фосфор, железо, хлор, сера, бор и др. – содержатся в пищевых продуктах в значиельных количествах (от 30 до 400 мг%). Суточная потребность в них у организма человека составляет от 100 до 1200 мг.

Микроэлементы: цинк, медь, марганец, кобальт, йод, фтор, молибден, никль, хром, селен, олово, ванадий, кремний, мышьяк и др. – признаны необходимыми для обеспечения жизнедеятельности человека. Эти содержаться в пищевых продуктах и требуются организму человека в небольших количествах ( от 1 до 20 мг).

Кратко рассмотрим характеристику важнейших минеральных веществ.

Натрий. Суточная потребность – 4 – 6 г. Обеспечивает осмотическое давление крови, участвует в водном обмене, в деятельности пищеварительной и нервной систем. Источники: пищевая соль, соленая, солено-сушеная, копченая рыба, мясокопчености, сыры, соленые овощи.

Калий. Суточная потребность – 3,5 г. Участвует во внутриклеточном обмене, передаче нервных импульсов к мышцам, регулирует водно-солевой обмен, осмотическое давление и кислотно-щелочное состояние организма, нормализует деятельность мышц, выводит из организма избыток натрия и воды, активизирует некоторые ферменты. Источники: свежие плоды и овощи, молочные продукты, мясо, рыба.

Магний. Суточная потребность – 400 мг. Снижает возбудимость нервной системы, нормализует деятельность мышц, участвует в процессах углеводного и фосфорного обменов, предотвращает образование камней в почках, снижает содержание холестерина, угнетает рост злокачественных новообразований. Источники: поваренная соль, орехи, отруби, гречневая крупа, зеленые плоды и овощи, горох, фасоль, халва.

Кальций. Суточная потребность – 1 г. Участвует в образовании костной ткани, кроветворении, влияет на процессы сократимости мышц, свертывания крови, активизации некоторых ферментов, регулирует функции эндокринных желез, снижает появление аллергии. Источники: молочные продукты, яйцо, рыба и мясо.

Фосфор. Суточное потребление – 1 г. Участвует вместе с кальцием в построении костной ткани, мембран клеток, обеспечивает углеводный и энергетический обмен. Источники: молочные продукты, сыр, мясные, рыбные товары, яйцо и яичные продукты.

Железо. Суточная потребность – 14 мг. Участвует в построении важнейших белков организма: гемоглобина и миогемоглобина, а также различных ферментов, в лизисе микроорганизмов и поддержании иммунитета, синтезе гормонов щитовидной железы. Источники: мясо и рыба, яйцо, нежирный творог, дрожжи, вино, белые грибы, абрикосы, персики, яблоки, зелень, печень, почки, язык.

Хлор. Суточная потребность – 5 – 7 г. Поддерживает осмотическое давление в тканях, участвует в образовании соляной кислоты желудочного сока. Источники: поваренная соль и содержащие ее продукты.

Сера. Суточная потребность – 1 г. Входит в состав большинства белков организма человека, участвует в образовании витамина В1, инсулина. Источники: хлебные злаки, капустные овощи, чеснок, бобовые, молочные продукты, мясо, рыба и яйца.

Цинк. Суточная потребность – 15 мг. Участвует в костеобразовании, ускорении заживления ран, входит в состав многих ферментов, повышает устойчивость к стрессам и простудным заболеваниям, участвует в обмене углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот, удлиняет действие инулина. Источники: рыба, мясо (баранина), печень, почки, яйца, орехи, имбирь, овсяные хлопья, чеснок.

Медь. Суточная потребность – 2 мг. Участвует в окислительно-восстановительных процессах, образовании кровяных клеток, белкового и углеводного обмена, активизирует витамины группы В. Источники: печень, мясо, рыба, бобовые, орехи, овсяная и гречневая крупы.

Марганец. Суточная потребность – 5 – 10 мг. Участвует в процессах кроветворения, образования костной ткани, входит в состав многих ферментов. Источники: все растительные продукты.

Кобальт. Суточная потребность – 0,2 мг. Способствует усвоению железа, стимулирует кроветворение и иммунологическую активность, предупреждают дегенеративные изменения нервной системы, входит в состав витамина В12. Источники: гречневая крупа, пшеница, кукуруза, свежие плоды и овощи, пиво.

Йод. Суточная потребность – 0,15 мг. Участвует в образовании гормонов щитовидной железы, регулирует энергетический и тепловой обмен веществ, функции сердечно-сосудистой системы. Источники: йодированная соль, рыба, нерыбные морепродукты, яйца, молочные продукты, фейхоа, виноград.

Фтор. Суточная потребность – 0,5 – 1 мг. Участвует в образовании костной ткани, зубной эмали. Источник: морская рыба, хлеб с отрубями, орехи, овсяная крупа.

Хром. Суточная потребность – 0,20 – 0,25 мг. Усиливает действие инсулина. Источники: печень, пивные дрожжи, проросшие зерна пшеницы, крупы.

Селен. Суточная потребность – 70 мкг. Является сильным антиоксидантом и стабилизатором мембран, препятствует развитию рака. Источники: каменная поваренная соль, морепродукты, почки, печень, сердце, желток яиц, кукуруза, томаты, чеснок, грибы, дрожжи.

Большинство органических веществ относятся к важнейшим питательным веществам.

Углеводы – органические соединения, молекула которых содержит атомы углерода, водорода и кислорода. Углеводы – основные компоненты пищевых продуктов растительного происхождения, они являются главными поставщиками энергии. По усвояемости углеводы делятся на усвояемые и неусвояемые. К усвояемым углеводам относятся мономахариды (глюкоза, фруктоза), дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза, трегалоза), трисахарид (раффиноза) и полисахариды (крахмал, инулин, гликоген). Моно- и дисахариды (сахара) обладают сладким вкусом и хорошей растворимостью. По степени сладости сахара можно проранжировать: фруктоза, сахароза, глюкоза, мальтоза, лактоза. Полисахариды нерастворимы в воде, усваиваются хуже, чем сахара.

При поступлении в организм человека усвояемые углеводы используются для выделения энергии путем биологического окисления. Однако данные углеводы необходимы организму не только для энергетических целей, но и для поддержания нормального уровня сахара в крови, а также эластичности сосудов.

Глюкоза содержится в пищевых продуктах в основном растительного происхождения, особенно много в меде и винограде, входит в состав инвертного сахара.

Фруктоза присутствует во многих продуктов растительного происхождения, в продуктах животного происхождения отсутствует. Наиболее богаты фруктозой натуральный мед (до 35%), семечковые плоды, арбузы.

Сахароза состоит из остатков молекул глюкозы и фруктозы, усваивается только после гидролиза до моносахаров. В пищевых продуктах встречается почти в чистом виде (сахар).

Лактоза состоит из остатков молекул глюкозы и галактозы, усваивается организмом человека и сбраживается микроорганизмами только после гидролиза. Лактоза – основной сахар молока и молочных продуктов. Кроме того, лактоза обнаружена в грибах.

Крахмал – количественно преобладающий полисахарид многих продуктов растительного происхождения. Особенно его много в зерномучных товарах, крахмал используется в качестве загустителя при производстве продуктов питания. В растительных тканях крахмал накапливается в виде зерен: в картофеле – крупные, овальные, слоистого строения; кукурузе - неправильные многогранники; пшенице – округлые среднего размера; рисе – округлые, самые мелкие. Крахмал обладает следующими свойствами: гидролиз до мальтозы и глюкозы, высокая гигроскопичность, окраска йодом в синий цвет, нерастворимость в холодной воде, образование густого вязкого раствора в горячей воде. Клейстеризация крахмала происходит при выпечке мучных изделий, варке круп, макаронных изделий, овощей.

Гликоген условно называют животным крахмалом. Содержится в мясе, сердце, мозге, печени, а также в грибах, кукурузе, дрожжах. С йодом дает красно-бурое окрашивание.

Клетчатка (целлюлоза) встречается во всех продуктах растительного происхождения. Она почти не усваивается организмом человека, в составе пищевых волокон способствует перистальтике кишечника, а также выведению солей тяжелых металлов, холестерина и других вредных веществ.

Пектиновые вещества – комплекс неусвояемых веществ, состоящих из остатков полигалактуроновой кислоты и включающих протопектин, пектин и пектиновую кислоту. Пектиновые вещества связывают и выводят из организма холестерин, соли тяжелых металлов, радионуклиды, бактериальные и грибные яды. Они содержатся в свежих плодах и овощах, фруктово-ягодных кондитерских изделиях.

Азотистые вещества– соединения в состав молекулы которых входит азот. В эту группу входят белки и небелковые вещества: аминокислоты и их амиды, аммиачные соединения, нитраты и нитриты, нуктеиновые кислоты, некоторые алкалоиды ( кофеин, теобромин и др.), гликозиды (амигдалин, соланин и др.

Белки – сложные азотистые вещества, молекула которых состоит из соединенных между собой остатков молекул аминокислот. Они входят в состав клеток и тканей организма, а также ферментов, выполняют транспортную и защитную функции, обеспечивают сокращение мышц.

По аминокислотному составу белки подразделяют на полноценные и неполноценные, а по компонентному составу – на простые и сложные.

Полноценные белки – белки, в состав которых входят все незаменимые аминокислоты в оптимальном для организма человека соотношении. неполноценные белки – белки, в составе которых отсутствует хотя бы одна из незаменимых аминокислот или содержание их недостаточно. К незаменимым аминокислотам относятся следующие: изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, валин, аргинин, гистидин.

Простые белки – белки, в состав которых входят только остатки аминокислот. К ним относятся альбумины, глобулины, проламины, глютелины, протамины, гистоны и др. Они отличаются друг от друга по растворимости в воде, растворах солей и спирте. Сложные белки – белки, молекулы которых состоят из остатков молекул аминокислот, а также других веществ. К ним относятся фосфопротеиды, гликопротеиды, липопротеиды, хромпротеиды и нуктеопротеиды.

Для формирования качества пищевых продуктов важное значение имеют следующие.

Набухание (гидратация) белков – способность белков поглощать и удерживать в течение определенного времени связанную воду. Денатурация (свертывание) белков – процесс свертывания и выпадения белков в осадок под действием различных факторов. При этом утрачивается их способность к растворению, но улучшается их усвояемость. Денатурация может быть обратимой и необратимой. Гидролиз белков – процесс распада молекулы белка с участием воды до полипептидов, пептидов и аминокислот, происходит при брожении теста, вина, квашении, созревании сыров, мяса, рыбы, гниении. Меланоидинообразование – взаимодействие свободных и связанных аминокислот белков с редуцирующими сахарами с образованием темноокрашенных соединений – меланоидинов. Оно снижает пищевую ценность продуктов, протекает при производстве хлеба, пива, консервов, сушении плодов и овощей.

Липиды – природные органические вещества, большинство из которых являются эфирами жирных кислот, а также одно- и многоатомных спиртов. Группа липидов пищевых продуктов подразделяется на подгруппы: жиры, свободные жирные кислоты и липоиды: фосфолипиды, стерины, воска.

Жиры – высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков молекул трехатомного спирта – глицерина и жирных кислот. Общим и наиболее значимым свойством для всех жиров является их энергетическая ценность (1 г дает 9 ккал), а также участвует в образовании оболочек мембран и протоплазмы животных клеток.

Жирные кислоты делятся на насыщенные и ненасыщенные. насыщенные жирные кислоты придают жирам твердую консистенцию, ненасыщенные – жидкую. Ненасыщенные жирные кислоты линолевая и линоленовая относятся к незаменимым. Ненасыщенные жирные кислоты могут насыщаться водородом при высокой температуре и катализаторе (никель, платина). На этой способности основана реакция гидрогенизации.

К другим свойствам жиров относят их способность служить растворителем жирорастворимым витаминам (К, Е, D, А), а также регулировать ферментативную активность белков.

Витамины — низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, небольшое количество которых способно обеспечивать нормальное течение физиологических и биохимических процессов в организме. Организм человека не синтезирует необходимого количества витаминов, поэтому растительные и животные продукты являются основными их источниками. При недостатке витаминов возникают такие заболевания, как авитаминоз и гиповитаминоз, а при избытке — гипервитаминоз.

По отношению к растворителям витамины подразделяют на водорастворимые (С, В, Р, РР и др.) и жирорастворимые (А, D, Е, К).

Витамин С (аскорбиновая кислота) содержится во всех продуктах растительного происхождения. В яблоках его имеется 3—20 мг, в картофеле 6—20 мг, в шиповнике 1000—4500 мг на 100 г продукта. Суточная потребность человека в витамине С составляет 75—100 мг. При недостатке аскорбиновой кислоты нарушаются окислительно-восстановительные процессы в организме, прекращается синтез белковых веществ мозга, появляется угроза цинги. При нагревании и длительном хранении пищевых продуктов витамин С разрушается.

Витамин B1 (тиамин). Источником витамина В являются дрожжи, орехи, крупа, свинина. Суточная потребность 1,5—2 г. Недостаток его в питании приводит к возникновению болезни бери-бери и полиневрита.

Витамин В2 (рибофлавин) обнаружен в дрожжах, печени, молочных продуктах, овощах. Суточная потребность 2,0—2,5 г. Недостаток его приводит к расстройству центральной нервной системы.

Витамин В3 (пантотеновая кислота) содержится в тех же продуктах, что и витамин В2. Суточная потребность 10—15 г. При недостатке его в организме нарушается работа центральной нервной системы и органов пищеварения.

Витамин В9 (фолиевая кислота) найден во всех растительных и животных продуктах. Суточная потребность 0,1—0,5 мг. Недостаток в пище вызывает малокровие.

Витамин Вп (цианокобаламин) присутствует в печени, почках, молочных продуктах, яичном желтке. Суточная потребность 0,005—0,05 мг. Отсутствие в питании вызывает нарушение синтеза белков, процесса кроветворения.

Витамин РР (никотиновая кислота) поступает в организм при употреблении мяса, рыбы, дрожжей, хлеба, круп, молока, яиц, картофеля. Суточная потребность 15—20 мг. Недостаток его проявляется в виде пеллагры, нарушения деятельности нервной системы, пищеварительного тракта.

Витамин Р присутствует в черной смородине, лимонах, дикорастущих ягодах. Суточная потребность 75—100 мг. Активность его усиливается в присутствии витамина С.

Витаминку (ретинол) найден в животных продуктах. В растительных продуктах он встречается в виде каротиноидов, придающих продукту оранжево-желтую окраску. Источником являются жиры морских животных и рыб, сливочное масло, морковь, абрикосы, перец красный. Суточная потребность 1—2 мг. При недостатке ретинола в пище возможно нарушение зрения, задержка роста.

Витамин D (кальциферол) поступает в организм с жиром морских рыб, из желтков яиц, с молоком. Суточная потребность для детей 12,5 мг, для взрослых — 2,5 мг. При недостатке в пище снижается сопротивляемость организма такому заболеванию, как рахит.

Витамин Е (токоферол) обнаружен в облепиховом, кукурузном, подсолнечном, хлопковом маслах, печени морских рыб, бобовых, овощах. Суточная потребность 10—25 мг. Присутствие его в организме человека предотвращает старение, бесплодие, ускоряет рост. В жирах витамин Е является антиокислителем.

Витамин К) (филлохинон) присутствует в свиной печени, печени морских рыб, шпинате, крапиве, картофеле. Суточная потребность 10—15 мг. При отсутствии его или недостатке замедляется свертывание крови, возникают кровоизлияния в коже.

Недостаток витаминов в пищевых продуктах восполняется их витаминизацией в процессе производства.

Ферменты. Без участия ферментов не осуществляется ни одно химическое или биохимическое преобразование в живом организме. Как ускорители многих реакций ферменты используются при производстве этилового спирта, чая, пива, кисломолочных и других продуктов. Однако они могут оказывать и отрицательное действие на качество товаров, вызывая, например, порчу мяса, рыбы, перезревание плодов.

По химической природе ферменты — вещества белкового характера. По направленности действия их делят на следующие классы:

гидролазы — катализируют процессы расщепления сложных

веществ с присоединением к ним воды;

оксидоредуктазы — катализируют реакции биологического

окисления и восстановления, дыхания и брожения;

трансферазы — катализируют реакции переноса химических

групп от одних органических соединений к другим;

лиазы — катализируют превращение органических веществ в их изомеры;

лигазы — катализируют реакции соединения друг с другом двух молекул органических веществ.

Общие свойства ферментов — высокая каталитическая активность, специфичность действия, которая проявляется в том, что каждый фермент катализирует определенную реакцию. Ферменты выдерживают низкие температуры, но разрушаются при температуре свыше 70 °С. Эти свойства учитываются при выборе условий хранения и технологии производства пищевых продуктов.