Пищевая химия

Вода является незаменимым компонентом жизнедеятельности организма. Вода присутствует в каждой клетке организма, она участвует во всех процессах, начиная с таких, в которых ее присутствие очевидно (кровообращение), и заканчивая твердыми структурами клетки. Вода является прекрасной средой для растворения и транспорта органических и неорганических веществ, реакций метаболизма.

Содержание воды – важный показатель качества пищевых продуктов. Она не имеет питательной ценности. Является непременным компонентом пищевых продуктов. Повышенное или пониженное ее содержание сверх установленной нормы ухудшает качество продуктов. Она: ◦ Клеточный и внеклеточный компонент; ◦ Служит диспергирующей средой и растворителем в растительных и животных продуктах. Она: –Обуславливает консистенцию и структуру продукта; –Влияет на его внешний вид и вкус; –Влияет на устойчивость продукта при хранении.

Влагосодержание указывает на количество влаги в продукте, но не характеризует ее причастность к химическим, биохимическим и микробиологическим изменениям в нем.

Общее содержание воды продукта можно подразделить на: 1. «прочно связанную» 2. «свободную».

«Прочно связанная» вода входит в состав кристаллов солей, а также белка, углеводов, липидов. Эта вода может быть высвобождена путем затраты определенного количества энергии. Связанная вода имеет плотность 1,2 г/см³ и более, замерзает при температуре (-50…-70 °С). Большая часть воды в пищевом продукте может быть превращена в лед при -5 °С, вся вода – при -50 °С и ниже;  Однако определенная доля прочно связанной воды не замерзает даже при температуре -60 °С.

«Свободная» вода не связана физически или химически, она находится в молекулярном состоянии в межмолекулярных промежутках белков, углеводов, липидов и частично сориентирована в нестойкое флуктуирующее образование. Флуктуации молекул воды очень непрочные, отдельные молекулы находятся в постоянном движении относительно друг друга и обнаруживают тем самым определенную активность. В процессе движения отдельные молекулы, обладающие большим моментом количества движения, могут покидать свободные промежутки между молекулами пищевого продукта и выходить на его поверхность и в окружающую среду. Плотность свободной воды – около 1 г/ см³ ,температура замерзания – 0°С.

Белки — являются наиболее ценными химическими соединениями пищевых продуктов. Они выполняют важнейшие биологические функции: каталитическую (ферменты) — обеспечивают протекание биохимических процессов в организме, структурную (коллаген, фиброин) — составляют основу клеточных мембран, регуляторную (гормоны) — регулируют гормональный обмен, защитную (иммуноглобулины, интерферон) — формируют иммунитет, двигательную (миозин) — входят в состав мышечной ткани, транспортную (гемоглобин, миоглобин) и другие функции.

По химической природе белки представляют собой биополимеры, состоящие из остатков аминокислот. Аминокислоты, входящие в состав белков, подразделяются на заменимые — они могут синтезироваться в организме человека из других веществ, и незаменимые (эссенциальные), которые должны поступать в организм в готовом виде (их всего 8, а у детей — 9). Биологическая ценность белков определяется сбалансированностью аминокислотного состава. Если в состав белка входят все незаменимые аминокислоты, белок называется полноценным. Полноценными являются большинство животных белков — белки молока (казеин, альбумин, глобулин), мяса и рыбы (миозин и актин), яиц (овоальбумин, овоглобулин), а также некоторые растительные белки (картофеля, пшеницы, ржи, гречихи, овса). Белки, в состав которых не входит хотя бы одна незаменимая аминокислота, называются неполноценными. К неполноценным относят животные белки соединительной ткани (коллаген, эластин), а также многие белки растительного происхождения (проса, кукурузы, некоторых бобовых культур).

Высоким содержанием белка отличаются такие пищевые продукты, как мясо и рыба (в среднем 15-20%), сыры и творожные изделия (15-30%), яйцо (около 13%), соя и соевые продукты (30-35%). Дефицит белка в составе некоторых пищевых продуктов (хлебобулочных, крупяных изделий и др.) восполняется за счет введения в их рецептуру белковых обогащающих добавок.

Жиры (липиды) обладают очень высокой энергетической ценностью: при окислении 1 г жира образуется 9,0 ккал (37,7 кДж) энергии. Жиры участвуют в пластических процессах (входят в состав клеточных мембран), являются источником жирорастворимых витаминов (A, D, E, K) и незаменимых полиненасыщенных жирных кислот (арахидоновой, линолевой, линоленовой), которые регулируют жировой обмен и уровень холестерина в крови.

Жиры по происхождению делят на животные и растительные, их оптимальное соотношение в пищевом рационе составляет 2:1. Высоким содержанием животных жиров отличаются коровье масло (62-99%), свинина (10-37%), некоторые виды морских животных и рыб (до 30%), а растительных — различные виды растительного масла (99,7%), орехи (40-70%), масличные семена. Смешанный жировой состав имеют такие пищевые жиры, как маргарин (40-82%) и майонез (30-67%).

Кроме типичных жиров в состав пищевых продуктов входят жироподобные соединения (липоиды), имеющие более сложное строение — фосфолипиды (лецитины), стерины (холестерин, эргостерол и др.), воски. Они обеспечивают полупроницаемость клеточной протоплазмы, входят в состав стероидных гормонов и желчных кислот, выполняют защитные функции.

При нарушении реакций липидного обмена в организме происходит дисбаланс липопротеидов высокой, низкой и очень низкой плотности, а также триглицеридов. Это приводит к большим проблемам, которые влекут за собой болезни. Одной из них является атеросклероз — нарушение липидного обмена. Он определяется у 10-20% детей и 40-60% взрослых.

Использование ферментов позволяет повышать скорость технологических процессов, ощутимо увеличивать выход готовой продукции, улучшать ее качество, экономить ценное сырье и снижать количество отходов. Для получения ферментных препаратов пищевого назначения используются органы и ткани сельскохозяйственных животных, культурные растения, специальные штаммы микроорганизмов (плесневых грибов, бактерий).

Ферментные препараты микробного происхождения получают при культивировании специфических микроорганизмов, способных вырабатывать определенные ферменты. В настоящее время большинство ферментов в промышленности получают, используя бактерии и плесневые грибы в специальных аппаратах биореакторах (ферментерах) в жестко контролируемых условиях. 

В технологии пищевых продуктов применяются ферментные препараты с амилолитической, протеолитической, липолитической, пектолитической, оксидазной активностью. 

Производство муки и хлебопечение. Качество хлеба определяется особенностями химического состава муки и активностью ее ферментного комплекса. Получить хлеб хорошего качества можно только в том случае, когда в процессе тестоведения гармонически сочетаются скорости микробиологических процессов и биохимических превращений. Ферментативный гидоолиз высокомолекулярных компонентов сырья (белков и углеводов) в определенной степени способствует интенсификации этих превращений и, в конечном счете, положительно сказывается на качестве хлеба.

Эффективность использования тех или иных ферментных препаратов в хлебопечении в значительной степени зависит от качества муки. Хлебопекарные свойства муки, в особенности качество клейковины и активность собственных ферментов, определяют требования к ферментным препаратам.

Ферменты для хлебопечения используют в виде добавок к муке и в составе разрыхлителей теста для компенсации низких качественных показателей муки, улучшения структуры теста и качественных характеристик готового изделия. В хлебопечении применяют в основном пять ферментных препаратов.

Улучшение клейковинного каркаса: Протеаза, Ксиланаза, Глюкозооксидаза, Липаза. Увеличение газоудерживающей способности теста и объёма хлеба: Альфа-амилаза, Ксиланаза, Глюкозооксидаза, Липаза. Улучшение цвета, вкуса и аромата: Альфа-амилаза, Липаза. Улучшение структуры мякиша: Альфа-амилаза, Ксиланаза, Глюкозооксидаза, Липаза. Увеличение срока хранения: Альфа-амилаза.

Пищевые добавки — природные, идентичные природным или искусственные вещества, сами по себе не употребляемые как пищевой продукт или обычный компонент пищи. Они преднамеренно добавляются в пищевые системы по технологическим соображениям на различных этапах производства, хранения, транспортировки готовых продуктов с целью улучшения или облегчения производственного процесса или отдельных его операций, увеличения стойкости продукта к различным видам порчи, сохранения структуры и внешнего вида продукта или намеренного изменения органолептических свойств.

Основные цели введения пищевых добавок предусматривают:

1. совершенствование технологии подготовки и переработки пищевого сырья, изготовления, фасовки, транспортировки и хранения продуктов питания. Применяемые при этом добавки не должны маскировать последствий использования некачественного или испорченного сырья, или проведения технологических операций в антисанитарных условиях;

2. сохранение природных качеств пищевого продукта;

3. улучшение органолептических свойств или структуры пищевых продуктов и увеличение их стабильности при хранении

Применение пищевых добавок допустимо только в том случае, если они даже при длительном потреблении в составе продукта не угрожают здоровью человека, и при условии, если поставленные технологические задачи не могут быть решены иным путем. 

Гигиеническое регламентирование пищевых добавок в продуктах и рационе питания осуществляется в четыре этапа.

Первый этап - проведение предварительной токсиколого-гигиенической оценки регламентируемого химического вещества - пищевой добавки. На основании сведений, представляемых разработчиком, определяют рациональное и товарное название химического вещества, его назначение, технологию получения, химическую структуру или химический состав, содержание примесей, его физико-химические свойства.

При оценке пищевых продуктов потребитель особое внимание уделяет их вкусу и аромату. Неприятный, нетипичный вкус часто связывают с низким качеством продукта. По современным представлениям вкусо-ароматические вещества способствуют оздоровлению микрофлоры кишечника, уменьшая дисбактериоз. В то же время чрезмерное употребление острых приправ и продуктов, содержащих эфирные масла, приводит к нарушениям функции поджелудочной железы и печени. Острые и сладкие блюда ускоряют процесс старения организма.

В пищевой промышленности, кулинарии, при приготовлении с давних времен широко применяли вещества, обладающие сладким вкусом, – подслащивающие вещества (подсластители). По строгому определению в этот раздел пищевых добавок вошли вещества несахарной природы, которые придают пищевым продуктам сладкий вкус, однако на практике в эту группу часто включают все сладкие добавки. Существуют различные их классификации: по происхождению (натуральные и искусственные), калорийности (высококалорийные, низкокалорийные, практически некалорийные), степени сладости (подсластители с высоким и низким сахарным эквивалентом), химическому составу и т.д.

Природные подсластители и сахаристые крахмалопродукты

Первыми из сладких веществ, употребляемых человеком, были мед, соки и плоды растений. Основное сладкое вещество, используемое человеком, – сахароза или сахар.

Мед – продукт переработки цветочного нектара медоносных цветов пчелами. Мед с глубокой древности использовался и в питании, и в качестве лекарства, применяется в кондитерской и хлебопекарной промышленности, при изготовлении напитков, в пищу.

Лактоза – молочный сахар. Дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и галактозы. Используют в детском питании и для производства специальных кондитерских изделий, в медицине.

Солодовый экстракт – водная вытяжка из ячменного солода. Смесь, состоящая из моно- и олигосахаридов (глюкозы, фруктозы, мальтозы, сахарозы и др.), белков, минеральных веществ, ферментов. Содержание сахарозы в нем достигает 5 %. Используется в кондитерской промышленности, при производстве продуктов детского питания.

Проблема безопасности продуктов питания — сложная комплексная задача, требующая многочисленных усилий для ее решения, как со стороны ученых — биохимиков, микробиологов, токсикологов и др., так и со стороны производителей, государственных органов и, наконец, потребителей. Под безопасностью продуктов питания следует понимать отсутствие опасности для здоровья человека при их употреблении, как с точки зрения острого негативного воздействия (пищевые отравления и пищевые инфекции). Безопасными можно считать продукты питания, не оказывающие вредного, неблагоприятного воздействия на здоровье настоящего и будущего поколения.

С продуктами питания в организм человека могут поступать значительное количество веществ, опасных для его здоровья. Поэтому в настоящее время остро стоят проблемы, связанные с повышением ответственности за эффективность и объективность контроля качества пищевых продуктов, гарантирующих их безопасность для здоровья потребителя.

Основные пути загрязнения продуктов питания и продовольственного сырья:

1. Применение новых нетрадиционных технологий производства продуктов питания или отдельных пищевых веществ, в том числе полученных путем химического синтеза.

2. Использование в животноводстве и птицеводстве неразрешенных кормовых добавок, консервантов, стимуляторов роста, профилактических и лечебных медикаментов или применение разрешенных добавок и т.д. в повышенных дозах.

3. Миграция в продукты питания токсических веществ из пищевого оборудования, посуды, инвентаря, тары, упаковок, вследствие использования неразрешенных полимерных, резиновых и металлических материалов.

4. Образование в пищевых продуктах эндогенных токсических соединений в процессе теплового воздействия, кипячения, жарки, облучения, других способов технологической обработки.

5. Несоблюдение санитарных требований в технологии производства и хранения пищевых продуктов, что приводит к образованию бактериальных токсинов.

6. Поступление в продукты питания токсических веществ из окружающей среды - атмосферного воздуха, почвы, водоемов.

Биологические, также природные или естественные контаминанты — нежелательные микроорганизмы (вирусы, патогенные и условно-патогенные бактерии, микроскопические грибы, простейшие, споры микромицетов итд.), а также их продукты метаболизма (например, ботулотоксин, продуцируемый Clostridium botulinum или охратоксины — группа микотоксинов, вырабатываемые некоторыми видами микроскопических плесневых грибов рода Аспергилл и Пеницилл), присутствующие в пищевых продуктах. Большое количество биологических контаминантов приходится на бактерии и их метаболитов (токсинов, антибиотиков). К этой группе можно отнести токсины морских животных, употребляемых в пищу (например, тетродотоксин из собаки-рыбы или фугу), а также токсины растений или фитотоксины (например, рицин, из ядер клещевины или амигдалин из косточек горького миндаля, абрикоса — ядовитый гликозид) и грибов (аматоксины, фаллотоксины и др.). 

По большей части бактериальные токсины представляют собой высокомолекулярные соединения, как правило, белковой, полипептидной или липополисахаридной природы, обладающие антигенными свойствами. В настоящее время выделены и изучены более 150 токсинов.

Многие бактериальные токсины относятся к числу самых ядовитых из известных веществ. Это, прежде всего, ботулотоксин, холерные токсины, тетанотоксин, стафилококковые токсины, дифтирийные токсины и т.д. Ботулотоксин и стафилококковые токсины рассматривались как возможные боевые отравляющие вещества. Бактериальные токсины действуют на разные органы и системы млекопитающих и, в частности, человека, однако преимущественно страдают нервная и сердечно-сосудистая системы, реже слизистые оболочки. Бактерии могут продуцировать и токсические вещества относительно простого строения. 

При фальсификации пищевых продуктов подделка осуществляется путем полной или частичной замены продукта его заменителем другого вида или наименования с сохранением сходства одного или нескольких признаков.

Для заменителей характерны: значительная дешевизна по сравнению с натуральным товаром, пониженные потребительские свойства, идентичность (сходство) наиболее характерных признаков (внешнего вида, цвета, вкуса и запаха, консистенции).

В зависимости от средств фальсификации, схожести свойств заменителя и фальсифицируемого продукта различают следующие способы фальсификации:

• частичная замена продукта водой;

• добавление в продукт низкоценного заменителя, имитирующего натуральный продукт;

• замена натурального продукта имитатором.

Генетически модифицированные организмы – это организмы, в которых генетический материал (ДНК) изменен невозможным в природе способом. ГМО могут содержать фрагменты ДНК из любых других живых организмов.

Цель получения генетически измененных организмов – улучшение полезных характеристик исходного организма-донора (устойчивость к вредителям, морозостойкость, урожайность, калорийность и другие) для снижения себестоимости продуктов. В результате сейчас существует картофель, который содержит гены земляной бактерии, убивающей колорадского жука, стойкая к засухам пшеница, в которую вживили ген скорпиона, помидоры с генами морской камбалы, соя и клубника с генами бактерий.

Пища представляет собой готовые к употреблению пищевые продукты, используемые в качестве источника строительного материала и энергии. Они могут быть натуральными или подвергнутыми кулинарной, либо промышленной обработке. Продукты бывают растительного, животного происхождения, минеральные или синтетические (произведены технологическим путем).

В состав продуктов входят пищевые вещества или нутриенты, которые являются органическими и неорганическими элементами. Организм использует их для обновления и построения клеток и тканей, для получения энергии, для координации биохимических и физиологических функций.

Пищевые вещества и являются компонентами питания. Их подразделяют на следующие виды:

1. Макронутриенты — пищевые вещества, необходимые в больших количествах организму, в десятках граммов в сутки. Это белки, углеводы, жиры — основные компоненты, которые дают энергию и материал для обновления организма. Также к макронутриентам относят воду, необходимую ежедневно в количестве полутора — двух литров.

2. Микронутриенты — пищевые вещества, которые требуются организму в малых количествах — в долях грамм (миллиграммах, микрограммах). Это витамины, ряд минеральных веществ, принимающие участие в процессе усвоения энергии, в координации различных функций, в процессах развития и роста организма.

Физические изменения пищи состоят в ее размельчении, набухании, растворении, химические — в последовательной деградации питательных веществ в результате действия на них компонентов пищеварительных соков, выделяемых в полость пищеварительного тракта его железами. Важнейшая роль в этом принадлежит гидролитическим ферментам секретов пищеварительных желез и исчерченной каемки тонкой кишки.

В результате деполимеризации питательных веществ образуются продукты, в основном мономеры, которые всасываются из кишечника в кровь и лимфу, транспортируются к тканям организма и включаются в его метаболизм. Вода, минеральные соли и некоторые органические компоненты пищи (в том числе витамины) всасываются в кровь неизмененными.

Основными конечными продуктами гидролитического расщепления высокомолекулярных веществ, содержащихся в пище, являются мономеры. Каждый из трех видов макронутриентов имеет свою схему процесса переваривания.

Переваривание углеводов. Из углеводов у человека перевариваются, в основном, полисахариды - крахмал, содержащийся в растительной пище, и гликоген, содержащийся в пище животного происхождения. Процесс начинается во рту под действием амилазы слюны с образованием смеси, состоящей из мальтозы, глюкозы и олигосахаридов, а продолжается и заканчивается в тонком кишечнике под действием амилазы поджелудочной железы, поступающей в двенадцатиперстную кишку. В эпителиальных клетках тонкого кишечника D-фруктоза, D-галактоза, а также D-манноза частично превращаются в D-глюкозу. Смесь простых гексоз поглощается выстилающими тонкий кишечник эпителиальными клетками и доставляется кровью в печень. Белки пищи расщепляются ферментами в желудочно-кишечном тракте до составляющих их аминокислот. Переваривание белков осуществляется в результате последовательного действия сначала пепсина в кислой среде желудка, а затем трипсина и химотрипсина в тонком кишечнике при рН 7-8. Далее, короткие пептиды гидролизуются под действием ферментов карбоксипептидазы и аминопептидазы до свободных аминокислот, которые проникают в капилляры ворсинок и переносятся кровью в печень.

По общепринятой терминологии в понятие "пищевая ценность", входит как количественное соотношение пищевых веществ в продукте и суммарная энергетическая ценность, так и органолептические характеристики изделия.

Энергетическая ценность дает представление о той части энергии, которая выделяется из пищевых веществ в процессе их биологического окисления в организме. Необходимая калорийность рациона питания различна для людей разного пола, возраста, массы, рода занятий и колеблется от 600 до 5000 ккал в сутки.

Зная уровень усвоения пищевых веществ в организме (белки - 84,5%, жир - 94%, углеводы - 95,6%) и величину теплоты сгорания компонентов пищи, можно расчитать физиологическую энергетическую ценность продукта.

Пищевая ценность продукта — это комплексное свойство, которое состоит из энергетической, биологической, физиологической ценности, доброкачественности и усвояемости продуктов питания.