ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ»

 

 

ПИЩЕВАЯ ХИМИЯ

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

 

 

 

Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр

 

 

Воронеж – 2011

Введение.

 

Предмет и задачи науки.

Классификация продуктов питания. Социальные проблемы питания.

Основные направления научно – исследовательских работ по вопросам питания.

Предмет и задачи науки.

Пищевая химия – это наука, изучающая законы ассимиляции пищи и превращения отдельных компонентов пищи в организме человека. Это наука о химическом составе пищевых сис­тем (сырье, полупродукты, готовые пищевые продукты), его изменениях в ходе технологического потока под влиянием различных факторов (фи­зических, химических, биохимических и т. д.), включающих липид-белковое, липид-углеводное, белок-белковое, белок-углеводное взаимодей­ствия, общих закономерностях этих превращений. Она включает изуче­ние взаимосвязи структуры и свойств пищевых веществ и ее влияние на свойства и пищевую ценность продуктов питания. Пищевая химия так­же уделяет внимание методам выделения, фракционирования, очистки пищевых веществ (белков, углеводов, липидов и т.д.), их каталитической модификации. Неотъемлемой частью пищевой химии являются разде­лы, посвященные пищевым и биологически активным добавкам, загряз­нителям пищевого сырья и продуктов.

Решение всех перечисленных вопросов требует знания методов ис­следования пищевого сырья и готовых продуктов. Эта наука предусмат­ривает как разработку новых принципов и методов анализа пищевых си­стем, так и установление строения отдельных компонентов, их функций и взаимосвязи с другими компонентами. Кроме этого, пищевая химия уделяет особое внимание вредным и посторонним веществам в сырье, полуфабрикатах и готовых продуктах.

Пищевая химия связана с другими науками, такими как неорганическая химия, органическая химия, физическая и коллоидная химия, биохимия, технология, физиология и гигиена питания.

Задачи курса: знание химического состава сельскохозяйственного растительного сырья и производящихся из него продуктов; умение дать биологическую оценку продуктов; овладеть основными методами анализа сырья и пищевых продуктов; идентификация биологически активных компонентов пищи (незаменимых аминокислот, витаминов, ферментов, ненасыщенных жирных кислот и др.), а также приобретение теоретических знаний и практических навыков для самостоятельного решения конкретных производственных задач, связанных с повышением выхода и качества пищевых продуктов.

 

 

Классификация продуктов питания.

Существуют 4 группы продуктов питания: продукты массового потребления традиционной технологии, продукты массового потребления с изменённым химическим составом (витаминизированные, низкокалорийные и др.), лечебные и диетические продукты с изменённым химическим составом и физическими свойствами, специально создаваемые для лечебного и профилактического питания (с повышенным содержанием белка, пищевых волокон и др.), продукты детского питания, создаваемые для детей младше трёх лет.

 

 

 

Пищевые продукты по составы представляют собой сложные многокомпонентные системы, содержащие в качестве основных компонентов ограниченный ряд ингридиентов или нутриентов (от латинского слова nutrition – питание).

Белки, жиры, углеводы и макроэлементы – это главные пищевые вещества, называемые по международной классификации макронутриентами. Они являются главными источниками энергии и питательных веществ для организма.

К микронутриентам относятся витамины, ферменты и микроэлементы.

Вещества, содержащиеся в пищевых продуктах, но не используемые организмом в процессе жизнедеятельности, называются неалиментарными. Это вещества вкуса и запаха, пищевые добавки, структурообразователи, оксиданты и консерванты.

Среди макро- и микронутриентов есть группы веществ, которые организм может получать только с пищей. Такие вещества называются незаменимыми или эссенциальными.

 

 

Вода в сырье и пищевых продуктах.

 

 

Физическая и термодинамическая характеристика воды, связанной биомакромолекулами.

Роль воды в развитии микроорганизмов на сырье и пищевых продуктах.

3. Свободная и связанная вода в пшеничном тесте. Методы определения связанной воды.

Водопоглотительная способность муки и факторы на неё влияющие.

Роль гидратации в стабилизации структуры белков. Взаимодействие воды с углеводами и липидами.

Взаимодействие воды с углеводами.

Основные химические вещества пищи.

Строение. Физические и химические свойства аминокислот и белков.

 

Свойства белков.

Белки — амфотерные электролиты. При определенном рН среды (изоэлектрическая точка) число положительных и отри­цательных зарядов в молекуле белка одинаково. Это одна из основных констант белка. Белки в этой точке электронейтральны, а их вязкость и растворимость наименьшая. Способность белков снижать растворимость при достижении электронейтральности их молекул широко используется для выделения их из растворов, например в технологии получения белковых продуктов.

Гидратация. Белки связывают воду, т. е. проявляют гидро­фильные свойства. При этом они набухают, увеличивается их масса и объем. Набухание белка сопровождается его частичным растворением. Гидрофильность отдельных белков зависит от их строения. Имеющиеся в составе и расположённые на поверхно­сти белковой макромолекулы гидрофильные СО—NН (пеп­тидная связь), аминные NH и карбоксильные СООН группы притягивают к себе молекулы воды, строго ориентируя их на поверхности молекулы.

Окружающая белковые глобулы гидратная (водная) оболоч­ка препятствует агрегации, а следовательно, способствует устойчивости растворов белка и препятствует его осаждению.

В изоэлектрической точке белки обладают наименьшей спо­собностью связывать воду, происходит разрушение гидратной оболочки вокруг белковых молекул, поэтому они соединяются, образуя крупные агрегаты. Агрегация белковых молекул проис­ходит и при их обезвоживании с помощью некоторых органиче­ских растворителей, например этилового спирта. Это приводит к выпадению их в осадок. При изменении рН среды макромоле­кула белка становится заряженной, и его гидратационная спо­собность меняется. При ограниченном набухании концентриро­ванные белковые растворы образуют сложные системы, называе­мые студнями. Студни не обладают текучестью, они упруги, обладают пластичностью, определенной механической проч­ностью, способны сохранять свою форму. Глобулярные белки могут полностью гидратироваться, растворяясь в воде (напри­мер, белки молока, образуя растворы с невысокой концентра­цией).

Гидрофильные свойства белков, т. е. их способность набухать, образовывать студни, стабилизировать суспензии, эмульсии и пены имеют большое значение в биологии и пищевой промыш­ленности. Очень подвижным студнем, построенным в основном из молекул белка, является цитоплазма — полужидкое содержимое клетки. Сильно гидратированный студень — сырая клейковина, выделенная из пшеничного теста, она содержит до 65 % воды. Различная гидрофильность клейковинных белков — один из признаков, характеризующих качество зерна пшеницы и получае­мой из него муки (так называемые сильные и слабые пшеницы). Гидрофильность белков зерна и муки играет большую роль при хранении и переработке зерна, в хлебопечении. Тесто, которое получают в хлебопекарном производстве, при изготовлении муч­ных кондитерских изделий, представляет собой набухший в воде белок, концентрированный студень, содержащий зерна крахмала.

Денатурация. Денатурация белков — сложный процесс, при котором под влиянием внешних факторов (температуры, меха­нического воздействия, действия химических агентов и ряда дру­гих факторов) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структуры белковой макромолекулы, т. е. ее нативной пространственной структуры. Первичная структура, а следовательно, и химический состав белка не меняются. При денату­рации изменяются физические свойства белка, снижается раство­римость, способность к гидратации, теряется его биологическая активность. Меняется форма белковой макромолекулы, происхо­дит агрегирование. В то же время увеличивается активность некоторых химических групп, облегчается воздействие на белки протеолитических ферментов, а следовательно, он легче гидролизуется.

В пищевой технологии особое практическое значение имеет тепловая денатурация белков. Степень тепловой денатурации белков зависит от температуры, продолжительности нагрева и влажности. Это необходимо помнить при разработке режимов термообработки пищевого сырья, полуфабрикатов, а иногда и го­товых продуктов. Особую роль процессы тепловой денатурации играют при бланшировании растительного сырья, сушке зерна, выпечке хлеба, получении макаронных изделий.

Денатурация белков может вызываться и механическим воздействием (давле­нием, растиранием, встряхиванием, ультразвуком). Наконец, к денатурации белков приводит действие химических реагентов (кислоты, щелочи, спирт, ацетон). Все эти приемы широко используют в пищевой и биотехнологии.

 

Пенообразование. Под этим процессом понимают способность белков образовывать высококонцентрированные системы жидкость — газ. Такие системы называют пенами. Устойчивость пены, в которой белок является пенообразователем, зависит не только от его природы, но и от концентрации, а также от температуры. Белки в качестве пенообразователей широко используются в кондитерской промышленности (пастила, зефир, суфле). Структуру пены имеет хлеб, и это влияет на его органолептичеуские свойства. Молекула белков под влиянием ряда факторов может разрушаться или вступать во взаимодействие с другими X веществами с образованием новых продуктов. Для пищевой промышленности можно выделить два очень важных процесса гидролиз белков под действием ферментов и взаимодей­ствие аминогрупп белков или аминокислот с карбонильными группами восстанавливающих Сахаров (реакция меланоидинообразования, см. раздел «Углеводы»). Под влиянием протеаз — I ферментов, катализирующих гидролитическое расщепление белков, последние распадаются на более простые продукты (поли- и I дипептиды) и в конечном итоге на аминокислоты. Скорость гидролиза белка зависит от его состава, молекулярной струк­туры, активности фермента и условий. Частичный гидролиз белка мы наблюдаем при тестоведении, получении ряда мясных и молочных продуктов.

 

Классификация белков.

Все белки делятся на три группы: простые, сложные, производные. К простым или протеинам относят такие, которые при полном гидролизе дают только аминокислоты. По растворимости в отдельных растворах их делят на следующие группы: альбумины, глобулины, проламины, гистоны, склеропротеины и глютелины.

Альбумины - это белки, растворимые в воде, свёртываются при нагревании. Содержаться в молоке, яиц ах, сыворотке крови, ферментах и семенах растений. Все альбумины – глобулярные белки с молекулярной массой не более 75000. Альбумины богаты серосодержащими и дикарбоновыми аминокислотами.

Глобулины - это белки нерастворимые в воде, но растворимые в разбавленных солевых растворах, кислотах, щелочах. Свёртываются при нагревании, встречаются в тканях животного происхождения (миозин), в крови, молоке, яйцах, семенахбобовых и маслистых культур.

Проламины - это белки семян различных злаковых растений, растворимые в 60-80 процентном спирте, нерастворимые в воде. Хорошо растворимы в раэличных растворах кислот и щелочей. При кипячении не свёртываются. Проламин из семян пшеницы и ржи называется глиадином, из семян кукурузы - зеином.

Гистоны - это белки основного характера, содержащие большое количество лизина и агренина. Они растворимы в кислых и нейтральных растворах, осаждаются аммиаком, входят в состав клеточных ядер.

Склеропротеины - это белки резко отличающиеся от других белков по своим свойствам. Они растворяются лишь при длительной обработке концентрированными кислотами и щелочами, причём с расщиплением молекул. В животных организмах выполняют опорные и покровные функции, в растениях не встречаются. Представители: кератин – белок волос шерсти, эпидермиса кожи. Эластин – белок стенок кровеносных сосудов и сухожилий. Кологенн – белковое вещество кожи, костей, хрящей, соединительных тканей.

Глютелины - растительный белок. Растворяется только в разбавленных растворимых щелочах. Содержится в основном в семействе злаков, в частности входит в состав клейковины.

К сложным белкам или протеидам относятся компоненты простых белков с небелковыми компонентами (углеводами, фосфорной кислотой, нуклеиновыми кислотами и т.п.).

Протеиды делятся на ряд групп.

Фосфопротеиды - содержат остатки фосфорной кислоты, связанной эфирной связью с аминокислотами ксерина и треонина. Например: козеин – белок молока, вителлин – белок, входящий в состав желтка куриного яйца. К группе фосфопротеидов пренадлежат многие ферменты, функцией которых является каталитический перенос фосфатных групп. Они входят в состав клеток и тканей, с обменом фосфопроидов связана работа ионного насоса, а также окислительные процессы в митохондриях живой клетки.

Нуклеопротеиды - это белки, в которых белковая часть связана с нуклеиновыми кислотами. Они входят в состав ядер растительных и животных клеток.

Хромопротеиды - это вещества, в которых белковая часть связана с красящим веществом. Например: гемоглобин крови, хлорофилл.

Глюкопротеиды - это белки, у которых белковая часть соединена с углеводом.

Липопротеиды - это белки, связанные с липидами. Они растворимы в воде и не растворимы в органических растворителях, содержаться в протоплазме клеток, сыворотке крови, яичном желтке.

 

Азотный баланс.

 

В организме человека должен быть баланс между количеством поступивших белков и выделившимися продуктами распада. Для оценки белкового обмена введено понятие азотного баланса.

В зрелом возрасте у здорового человека существует азотное равновесие. В молодом растущем организме идет положительный азотный баланс- т.е. количество поступившего азота с пищей превышает количество выводимого азота из организма. У людей пожилого возраста, а также при некоторых заболеваниях, недостатки в рационе питания белков, витаминов, минеральных веществ наблюдается отрицательный азотный баланс – т.е. количество выделившегося из организма азота превышает его поступление в организм. Длительный, отрицательный азотный баланс ведёт к гибели организма.

 

Клейковина.

В состав белков пшеничной муки входят альбумины, глобулины, глиадины и глютенины. На долю глиадина приходится 40-50%, а на долю глютенина 34-42%. Глиадиновая и глютениновая фракции при замесе образуют связную структуру, называемую клейковиной. Клейковину можно рассматривать как набухший белковый комплекс, скрепляемый водородными, дисульфидными, солевыми и другими связями. Между влагоёмкостью клейковины и её физическими свойствами существует определённая зависимость. Чем выше влагоёмкость тем меньше упругостьклейковины и тем выше растяжимость и расплываемость. Различия между клейковиной сильной и слабой пшеницы следует искать во внутренней структуре балка в третичном и четвертичном уровнях его пространственной организации. Для клейковины сильной и слабой пшеницы свойственны различный характер и прочность связи. Установлено, что укрепление клейковины сопровождается увеличением количества дисульфидных связей. Соотношения дисульфидных связей и сульфгидрильных групп у сортов сильной пшеничной выше, чем у сортов слабой.

Выявлено также значение водородных связей в укреплении структуры клейковинных белков. Установлено также, что содержащиеся в муке ненасыщенные жирные кислоты и их соли(олеиновая, линолевая, линолнновая)оказывают сильное укрепляющее действие на клейковину, что имеет большое значение при хранении пшеничной муки в процессе её так называемого созревания. По растяжимости и упругости клейковину подразделяют на несколько качественных групп: слабая, средняя и сильная. Чем крепче клейковина, тем ниже её растворимость. Значение клейковины состоит в том, что она формирует тесто и является важнейшим фактором хлебопекарного достоинства муки. При замесе теста происходит гидротация клейковинных белков путём адгезии набухших белков, формируется непрерывная структура теста, образующий его белковый каркас, включающий нерастворимые компоненты муки. В дальнейшем в ходе брожения теста клейковинный каркас постепенно растягивается за счёт выделяющегося диоксида углерода. Разрыхлённое тесто состоит из огромного количества пузырьков стенки которых обработаны в основном клейковиной. В таком виде оно закрепляется при выпечке, образуя характерную пористую структуру хлебного мякиша.

 

Пищевые аллергии.

Пищевые аллергии играют отрицательную роль для человека, выражаются в нежелательных болезненных реакциях( отёк, покраснение и зуд кожи, затруднение дыхания и т.д.)в ответ на потребление белка одного или нескольких пищевых продуктов( чаще всего это клубника, молоко, яйца).аллергии являются результатом индивидуальной повышенной чувствительности организма человека к определённому веществу ( аллергену) в результате предыдущего контакта с этим веществом. При попадании в кровь человека чужеродных клеток или молекул белков ( антигенов) образуются антитела против них. Однако, в ряде случаев при первичном попадании в кровь человека образуются особые так называемые реагиновые антитела, которые присутствуют не только в сыворотке крови. Но и располагаются на поверхности ряда весьма реактивных клеток как в крови так и в некоторых тканях. Реакции этих тел со вторичным поступившем в кровь антигеном сопровождаются изменением структуры и обмена веществ в этих клетках, при этом в них образуются высокоактивные вещества, которые выделяются в кровь и приводят к развитию клинической картины аллергии. Пищевая аллергия может вызываться не только пищевыми белками, являющихся антигенами для организма человека, но и необычными низкомолекулярными соединениями, попадающими в пищу. Они присоединяются к собственным белкам организма человека и преобразовывают их тем самым в чужеродные белки, которые вызывают ответные иммунологические реакции в ряде случаев аллергической природы. Присоединение необычных низкомолекулярных соединений, попавших в пищу, а из неё в кровь к собственным белкам организма человека происходит в печени. Профилактика и лечение пищевой аллергии заключается в исключении непереносимых продуктов питания из суточного рациона.

 

Ферменты.

Гликозиды растений.

 

Гликозиды растений

Гликозиды – это производные сахаров, которые встречаются в растениях. Они состоят из двух частей: сахара (обычно моносахарида и агликона). В качестве агликона в построении молекул могут участвовать остатки спиртов, стероидов и органических соединений, горький вкус, специфический запах.

Некоторые из них обладают токсикологическим действием, первый из них гликозид синигрин встречается в семенах горчицы, корнях хрена, в рапсе, придавая им, горький вкус и специфический запах. Под действием содержащихся в семенах горчицы ферментов этот гликозид гидролизуется.

 

Амигдалин содержится в косточках персика, абрикосов, слив, вишен, яблок и т.д. Представляет собой сочетание гентобиозы и бензальдегида.

 

 

Ванилин содержится в стручках ванили. При его ферментативном гидролизе образуется глюкоза и ванилин. Ванилин − ценное душистое вещество, применяемое в пищевой и парфюмерной промышленности.

 

Превращение углеводов в ЖКТ

Через кишечную стенку в кровь без предварительного расщепления всасываются только простые, хорошо растворимые в воде сахара − моносахариды.

Полисахариды и дисахариды усваиваются организмом только после их превращения в простые сахара. Сложные углеводы начинают подвергаться превращениям уже в полости рта. В слюне содержится фермент, расщепляющий крахмал .

Промежуточными продуктами осахаривания крахмала являются различные декстрины. Так как пища во рту долго не задерживается переваривание крахмала и гликогена здесь только начинается.

В желудке действие амилазы прекращается, т.к. желудочное содержимое имеет резко кислую реакцию (pH=1, 5-2, 5). Наиболее важная фаза осахаривания крахмала и гликогена протекает в двенадцатипёрстной кишке под действием амилазы желудочного сока. Именно здесь, после нейтрализации соляной кислоты, поступившими из желудка бикарбонатами поджелудочного сока создаются условия для полного расщепления полисахаридов. В кишечном соке обнаружен также фермент, «конечная декстриназа», гидролизующий в конечных декстринах.

Таким образом, расщепление крахмала и гликогена до мальтозы происходит в кишечнике под действием двух ферментов и конечной декстриназы. Кишечный сок содержит также (мальтозу), сахарозу, лактозу ( ), катализирующее гидролитическое расщепление соответствующих углеводов.

В результате последовательного действия перечисленных ферментов углеводы пищевых продуктов превращаются в моносахариды (глюкозу, фруктозу, галактозу), которые всасываются кишечной стенкой, попадают в кровеносную систему и с током крови через воротную вену доставляются в печень.

Скорость всасывания моносахаридов различна. Если скорость всасывания глюкозы принять за 100, то для остальных сахаров скорость всасывания составит:

 

Д − глюкоза - 100

Д − галактоза - 110

Д − фруктоза - 43

Д − манноза - 19

L − ксилоза - 15

L − арабиноза – 9

 

Всасывание углеводов активный физиологический процесс, требующий затраты энергии. Слизистая тонкого кишечника отличается исключительно активным обменом веществ, превосходящем по своей интенсивности таковой в почках и в печени. Часть глюкозы в неизменном виде проходит через печень, поступает в большой круг кровообращения и с током крови разносится по всему организму. Из крови все ткани черпают глюкозу, покрывая за счёт её окисления свои энергетические потребности. Значительная часть глюкозы превращается в жировые депо − триглицериды.

 

Сахарный диабет. Содержание глюкозы в крови натощак должно содержать от (80-100) мг %. Это вся сумма редуцирующих веществ крови. Регуляция содержания сахара в крови происходит под влиянием центральной нервной системы (путём прямого воздействия на печень) и под действием эндокринных желез.

 

ЦНС ЭНДОКРИННЫЕ РАСЩЕПЛЕНИЕГЛИКОГЕНА ЖЕЛЕЗЫ ПЕЧЕНИ

ГЛЮКОЗА

В кровь

ПОДЖЕЛУДОЧНАЯ СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ

ЖЕЛЕЗА ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ