Углеводы, физиологическая роль

Углеводы являются основной составной частью пищегого рациона человека, так как их потребляют примерно в 4 раза больше, чем жиров и белков. Они выполняют в организме многие разнообразные функции но главная из них - энергетическая (рис. 2.1). На протяжении жизни человек в среднем потребляет около 14 т углеводов, в том числе более 2,5 т моно- и дисахаридов. За счет углеводов обеспечивается около 60% суточной энергоценности, тогда как за счет белков и жиров вместе взятых - только 40%

Рис. 2.1. Основные функции углеводов в человеческом организме.

Средняя потребность в углеводах составляет 350-500 г/сутки. При увеличении физической нагрузки доля углеводов должна возрастать.

Углеводы необходимы для биосинтеза нуклеиновых кислот, заменимых аминокислот, как составная структурная часть клеток. Они входят в состав гормонов, ферментов и секретов слизистых желез.

Регуляторная функция углеводов разнообразна. Они противодействуют накоплению кетоновых тел при окислении жиров, регулируют обмен углеводов и деятельность центральной нервной системы. Важную роль играют углеводы, выполняя защитные функции. Так, глюкуроновая кислота, соединяясь с некоторыми токсическими веществами, образует растворимые в воде нетоксические сложные эфиры, легко удаляемые из организма.

По пищевой ценности углеводы делят на усвояемые и неусвояемые. Усвояемые углеводы перевариваются и метаболизируются в организме человека. К ним относятся глюкоза, фруктоза, сахароза, лактоза, мальтоза, б-глюкановые полисахариды - крахмал, декстрины и гликоген. Неусвояемые углеводы не расщепляются ферментами, секретируемыми в пищеварительном тракте человека. К неусвояемым углеводам относятся рафинозные олигосахариды и не-б-глюконовые полисахариды - целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, лигнин, камеди и слизи.

1.2 Усвояемые углеводы

Известно более 200 различных природных моносахаридов, однако только некоторые из них используются в питании. Наибольшей пищевой ценностью обладают альдозы (глюкоза, галактоза, манноза, ксилоза), а также кетозы (фруктоза). Потребление глюкозы и фруктозы - двух наиболее распространенных в природе моносахаридов - достигает 20% общего потребления углеводов. Из кишечника углеводы всасываются в кровь только в виде глюкозы и фруктозы. Глюкозу в качестве питательного материала в организме человека используют в основном нервные клетки, мозговое вещество почек и эритроциты.

Депонируется глюкоза в виде гликогена печени (100 г) и мышц (250 г). В организме постоянный уровень концентрации глюкозы в крови поддерживается с помощью гормонов поджелудочной железы - инсулина и глюкагона.

Фруктоза менее распространена, чем глюкоза, и так же быстро окисляется. Фруктоза обладает наибольшей сладостью из всех известных сахаров. Поступая в организм, большая ее часть быстро усваивается тканями без инсулина, другая, меньшая, превращается в глюкозу. То, что фруктоза способна усваиваться без инсулина, делает ее незаменимой в питании больных диабетом. Основными пищевыми источниками глюкозы и фруктозы служат мед, сладкие овощи и фрукты. В семечковых преобладает фруктоза, а в косточковых (абрикосы, персики, сливы) - глюкоза. Количество фруктозы и глюкозы в ягодах приблизительно одинаково (табл. 2.1).

Табл. 2.1. Углеводы плодов

В современных условиях целесообразно удовлетворять потребность в углеводах, используя нерафинированные продукты, а также продукты, содержащие фруктозу (мед, некоторые плоды и овощи), поскольку фруктоза, как указывалось выше, медленнее усваивается, обмен ее практически не связан с инсулином и она не вызывает гипергликемии (увеличение содержания глюкозы в крови). Высокая сладость фруктозы позволяет использовать меньшие ее количества по сравнению с сахарозой и глюкозой для достижения сладости продуктов и напитков и снизить таким образом общее потребление сахаров.

Основные пищевые дисахариды в питании человека - сахароза и лактоза.

Сахар, основным компонентом которого является сахароза, выполняет в организме роль энергоносителя.

За последние 150 лет потребление сахара стремительно увеличилось - в гораздо большей степени, чем считает полезным медицина. В России и странах СНГ его реальное потребление достигло 70-100 г в сутки. В других странах еще выше: в Англии - 130 г, а среди подростков - 156 г в сутки.

За сахаром закрепилось название "белая смерть". В литературе по диетологии появилось понятие "сахаролик". Дело в том, что сахар представляет собой рафинированный продукт, что приводит к недополучению человеком сотен, а возможно, и тысяч разнообразных биологически-активных веществ, которые усваивали наши предки с пищей в течение миллионов лет. При попадании в кишечник сахароза быстро распадается на глюкозу и фруктозу и всасывается в кровь. В крови заметно повышается концентрация глюкозы. Это своеобразный удар по поджелудочной железе, от которой требуется поставлять организму достаточное количество гормона инсулина, чтобы отрегулировать содержание глюкозы в крови. Подобные резкие колебания уровня глюкозы в крови требуют от организма напряженной работы, и даже включения резервных регуляторных возможностей.

Наиболее частое и серьезное последствие избыточного потребления рафинированного сахара - нарушение обмена веществ, прежде всего обмена углеводов (рис. 2.2).

Неслучайно сахарный диабет пожилых людей называли "болезнью кондитеров". Задолго до появления диабета как заболевания у людей, потребляющих много сахара, понижается уровень сахара в крови (гипогликемия). Постоянное поступление сахара в организм вызывает повышенную активность ферментных систем, утилизирующих его. Для поддержания необходимого уровня глюкозы в крови сахара требуется все больше и больше. По мере истощения от чрезмерной нагрузки ферментных механизмов переработки сахара гипогликемия переходит в гипергликемию и диабет, которые нередко осложняются другими нарушениями обмена веществ, приводящих к ожирению, сердечно-сосудистым заболеваниям.

По данным ВОЗ, потребление сахара в странах с низкой смертностью от заболеваний органов кровообращения колеблется от 25 до 81 г в сутки, в странах с высокой смертностью - от 87 до 136 г.

Однако недопустимо сахар считать вредным продуктом, вредно лишь злоупотребление им. В суточном рационе питания доля сахара от общего количества углеводов должна составлять 15-20%. От такого количества сахара организм не будет испытывать излишних нагрузок.

Лактоза - наиболее важный углевод в период грудного вскармливания и при искусственном кормлении маленьких детей. Основным источником лактозы в пищевых продуктах являются молоко (4,8-5,2%), сливки (3,7%), сметана и кефир (3,1-3,6%).

При отсутствии или уменьшении фермента лактазы, расщепляющей лактозу до глюкозы и галактозы, наступает непереносимость молока.

Рис. 2.2 Основные опасности недостатка или избытка усвояемых углеводов

Большое значение для жизнедеятельности организма имеют олигосахариды, содержащие более двух моносахаридов. В силу более сложной химической структуры данная группа пищевых компонентов значительно медленнее подвергается действию пищеварительных ферментов. Вследствие этого большая их часть переходит в толстый кишечник, где активно используется в качестве питательного субстрата представителями естественной микрофлоры кишечника и в особенности бифидобактериями. В свою очередь это способствует восстановлению нормальных микробных соотношений и щелочно-кислотного баланса в кишечнике, а также обеспечивают организм целым рядом витаминов микробного происхождения. По этой причине данная группа соединений относится к группе бифидогенных факторов и отчасти компенсирует недостаток пищевых волокон.

Среди полисахаридов растительных продуктов наибольшее значение в питании человека имеет крахмал.

В организме человека крахмал сырых растений постепенно распадается в пищеварительном тракте, при этом распад начинается уже во рту. Ввиду того, что процесс гидролиза крахмала в кишечнике происходит постепенно, прием его с пищей не вызывает такого резкого подъема сахара в крови и черезмерного напряжения инсулярного аппарата поджелудочной железы, как глюкоза. Установлено, что крахмал снижает содержание холестерина в печени и в сыворотке крови, способствует синтезу рибофлавина кишечными бактериями, который, входя в ферменты способствует превращению холестерина в желчные кислоты и выведению его из организма, что имеет большое значение для предотвращения атеросклероза. Крахмал способствует интенсификации обмена жирных кислот.

Больше всего крахмала содержится в хлебопродуктах (40-73%), семенах бобовых растений (40-45%) и картофеле (15%).

В животных продуктах содержится относительно небольшое количество другого усвояемого полисахарида, близкого по химическому строению к крахмалу, - гликогена (в печени - 2-10%, в мышечной ткани - 0,3-1,0%).

При недостатке углеводов в организме появляются слабость, головокружение, головная боль, чувство голода, сонливость, потливость, дрожь в руках.

1.3 Неусвояемые углеводы

Основными неусвояемыми углеводами являются так называемые "пищевые волокна" - смесь различных структурных полисахаридов растительных клеток - целлюлозы, гемицеллюлоз и пектиновых веществ, лигнина, а также неструктурных полисахаридов, встречающихся в натуральном виде в продуктах питания, - камедей, слизей, а также полисахаридов, используемых в качестве пищевых добавок.

Пищевые волокна устойчивы к перевариванию и адсорбции в тонком кишечнике; они частично или полностью могут ферментироваться микрофлорой толстого кишечника.

Пищевые волокна классифицируют по различным принципам. По строению полимеров они делятся на:

1. Гомогенные (целлюлоза, пектин, лигнин, альгиновая кислота)

2. Гетерогенные (целлюлозолигнины, гемицеллюлозо-целлюлозолигнины и пр.).

По виду сырья:

1. Пищевые волокна из низших растений (водорослей и грибов)

2. Пищевые волокна из высших растений (злаков, трав, древесных).

По физико-химическим свойствам:

1. Растворимые в воде (пектин, камеди, слизи, растворимые фракции гемицеллюлозы)

2. Нерастворимые (целлюлоза, лигнин, некоторые гемицеллюлозы).

По методам выделения из сырья:

1. Неочищенные волокна: в составе цельного зерна и муки из него, нетрадиционные виды муки - овсяная, гороховая, пшенная, вторичные продукты растительного сырья.

2. Препараты волокон, выделенные и очищенные.

По степени микробной ферментации в толстой кишке:

1. Почти (или) полностью ферментируемые: пектин, камеди, слизи, гемицеллюлозы, инулин.

2. Частично ферментируемые: целлюлоза, гемицеллюлозы.

3. Неферментируемые: лигнин.

По основным медико-биологическим эффектам:

1. Ускоряющие и повышающие чувство насыщения благодаря связыванию воды в желудке - пектин, гуар и др.

2. Ингибирующие эвакуаторную функцию желудка - вязкие ПВ (гуар и др.).

3. Стимулирующие моторную функцию толстой кишки - аморфные ПВ (целлюлоза и др.).

4. Увеличивающие массу фекалий и, соответственно, частоту дефекаций за счет удерживания воды в просвете толстой кишки (ПВ пшеницы, бобовых) и возрастания массы микрофлоры толстой кишки (ПВ капусты и др.).

5. Сорбирующие желчные кислоты, холестерин, токсины и радионуклиды - гуар, целлюлоза, пектин, лигнин.

6. Замедляющие всасывание углеводов - пектин, гуар.

7. Снижающие уровень глюкозы и инсулина в крови - пектин, в-глюканы.

8. Оказывающие антиоксидантное действие - лигнин.

9. Обладающие пребиотическими свойствами, способствующими нормализации микрофлоры кишечника - гуммиарабик, инулин, полидекстроза.

Целлюлоза - основной структурный компонент оболочки растительной клетки. Основное ее физиологическое действие - это способность связывать воду (до 0,4 г воды на 1 г клетчатки).

Гемицеллюлозы - полисахариды клеточной оболочки, состоящие из полимеров глюкозы и других гексоз. Они способны также удерживать воду и связывать катионы.

Пектиновые вещества - гликаногалактуронаны - входят в число основных компонентов растений и водорослей. Общим признаком пектиновых веществ является основная цепь полигалактуроновой кислоты. Одним из важнейших свойств пектиновых веществ является комплексообразующая способность, основанная на взаимодействии молекулы пектина с ионами тяжелых металлов и радионуклидов. Это дает основание рекомендовать пектин для включения в рацион питания лиц, находящихся в среде, загрязненной радионуклидами, и имеющих контакт с тяжелыми металлами. Профилактическая норма пектина, утвержденная ВОЗ, составляет 2-4 г в сутки; для лиц, работающих в неблагоприятных условиях, составляет 8-10 г в сутки.

Пектин обладает лечебными свойствами и применяется при расстройствах пищеварительного тракта (гастроэнтериты, диарея), уменьшает потерю воды организмом, сокращает свертывание крови, связывает многие яды, замедляет выделение из организма аскорбиновой кислоты, инсулина, антибиотиков, снижает содержание холестерина в крови, влияет на обмен желчных кислот, обладает анафилактическим действием, обуславливает пролонгированное действие многих лекарственных веществ. Пектин связывает стронций, кобальт, радиоактивные изотопы. Большая часть пектинов не переваривается и не всасывается организмом, а выводится из него вместе с вредными веществами. Пектины улучшают пищеварение, снижают процессы гниения в кишечнике и выводят ядовитые продукты обмена, образующиеся в самом организме; способствуют выработке в кишечнике витаминов группы В, особенно В₁₂, жизнедеятельности и росту полезных микроорганизмов в кишечнике, выведению излишнего количества холестерина.

Пектин яблок задерживает размножение гриппозного вируса "А", уменьшает последствия ртутного и свинцового отравления, способствует выведению свинца из костной ткани. Пектин в относительно больших количествах содержится в овощах (0,4 -- 0,6%), фруктах (от 0,4% в вишнях до 1% в яблоках, но особенно много в кожице - от 1,5% в яблочной до 30% в цитрусовой) и ягодах (от 0,6% в винограде до 1 ,2% в черной смородине), а также в землянике, клюкве, апельсинах, калине и др.

В промышленных масштабах пектин получают из свеклы, отжатых лимонов, яблок и других продуктов. Он широко используется в пищевой промышленности для производства джемов, зефира, мармелада, повидла.

В ламинарии присутствует альгиновая кислота -- аналог пектиновой кислоте Она состоит из остатков D-маннуроновой и D-гулуроновой кислот, связанных в-гликозидными связями. В водорослях альгиновая кислота присутствует в виде солей кальция, магния, натрия и т.д. и составляет до 30% сухой массы водорослей.

Альгиновая кислота является природным ионообменником и обладает способностью селективно адсорбировать катионы тяжелых металлов и радиоизотопы. Применение альгиновой кислоты способствует предотвращению отложения радиоактивного стронция в организме человека и животных. Ионообменные свойства альгиновой кислоты зависят от соотношения уроновых кислот. Большее содержание L-гулуроновой кислоты обеспечивает большую адсорбционную способность.

В связи с этим ламинария имеет большое значение для получения пищевого сырья. Перспективным сырьем для производства альгината натрия являются также отходы первичной обработки таллома водоросли, в которых локализуется альгиновая кислота, обогащенная L-гулуроновой кислотой.

Лигнины представляют собой безуглеводные вещества клеточной оболочки, состоящие из полимеров ароматических спиртов. Лигнины в человеческом организме способны связывать соли желчной кислоты и другие органические вещества, а также замедлять или нарушать абсорбцию пищевых веществ в толстом кишечнике.

Камеди - гетерополисахариды, состоящие из остатков галактозы, маннозы, арабинозы, рамнозы, глюкороновой или галактуроновой кислоты. Наиболее часто встречаются на плодовых деревьях - вишне, абрикосе и др. Они состоят из гетерополисахаридов с обязательным участием уроновых кислот, карбонильные группы которых связаны с ионами Са²⁺, К⁺ и Мg²⁺. По растворимости в воде делятся на 3 группы: арабиновые, хорошо растворимые в воде (абрикосовая и аравийская камеди); бассориновые, плохо растворимые в воде, но сильно в ней набухающие (трагакантовая камедь), и церазиновые, плохо растворимые и плохо набухающие в воде (вишневая, сливовая камедь). Камеди возникают в результате истечения соков при повреждении растений. Они безвкусны или имеют слабый сладковатый вкус. Первоначально мягкие и вязкие, на воздухе они постепенно твердеют, превращаясь в аморфную массу разнообразной формы и величины. Реже камеди возникают на корнях, плодах, семенах.

Благодаря высокой эмульгирующей и обволакивающей способности камеди оказывают благоприятное воздействие на желудочно-кишечный тракт.

Глюкоманнан - представитель нейтральных камедей (полисахаридов, способных к набуханию). Нейтральные камеди используются в пищевой промышленности в качестве загустителей, а в диетотерапии - как источник неусвояемых пищевых волокон, увеличивающих объём пищи, усиливающих чувство сытости. Глюкоманнан получают из клубней конжака (Amorphophallus konjak) - растения сем. Ароидных, традиционно употребляемого в пищу жителями Японии.

Гуаровая камедь - гелеобразующая клетчатка из сока индийской акации - способна снижать уровень холестерина в крови, а также замедлять всасывание сахара из желудочно-кишечного тракта.

Демоноропс (Daemonorops drako) - камедь, получаемая из фруктов различных видов Daemonorops семейства Palmae. Применяется в качестве кровоостанавливающего и болеутоляющего средства.

Слизи - смеси полисахаридов - пентозанов и гексозанов, способные образовывать в воде густые слизистые растворы. Встречаются в семенах льна, подорожника, корнях алтея, клубнях ятрышника, цветках липы, листьях мать-и-мачехи. Слизи также находятся во внутреннем слое бобов, орехов и семян. В химическом отношении они мало отличаются от камедей, характеризуются преобладанием в своем составе пентозанов. Они хорошо и полностью растворимы в воде, при кислотном гидролизе расщепляются, образуя галактозу, ксилозу, арабинозу, рамнозу, маннозу, глюкозу и галактуроновую кислоту. Слизи оказывают благоприятное воздействие на желудочно-кишечный тракт, при раздражении верхних дыхательных путей, рефлекторно возникающем кашле, снижают раздражающее действие сопутствующих веществ. Много слизи содержится в овсяной, рисовой и перловой крупе, толокне, что позволяет их использовать при заболеваниях желудочно-кишечного тракта. Некоторые слизи оказывают послабляющее действие, снижают уровень холестерина в крови, уменьшают чувство голода. Они широко используются в пищевой промышленности при производстве сыра, супов, мороженого, приправ.

В водорослях содержатся полисахариды -- карагенин, ламинарии и фуколдин. Являясь структурными или запасными полиозами водорослей, они присутствуют практически во всех водорослях, составляя иногда десятки процентов от их массы. Установлено, что те из них, которые содержат эфиросвязанную серную кислоту, удлиняют время свертывания крови и обладают антилипемическим эффектом, другие - способностью связывать избирательно радиоактивный стронций (это свойство особенно выражено у низкомолекулярных фракций альгиновой кислоты), предотвращая его всасывание и накопление в организме. Отдельные полисахариды (к- и л-фракции карагенина и продукты их переработки) снижают секреторную деятельность желудочно-кишечного тракта, уменьшают протеолитическую функцию пепсина, предупреждая развитие пептических язв желудка и двенадцатиперстной кишки.

К пищевым волокнам относят пребиотики, избирательно стимулирующие рост и/или активность защитной микрофлоры кишечника человека и улучшающие тем самым его здоровье. Одним из пребиотиков является инулин - высокомолекулярный фруктозан. Это полисахарид, состоящий из 34 - 35 остатков фруктозы, связанных в-гликозидной связью. Является, как и крахмал, резервным углеводом, он растворим в воде, осаждается из водных растворов при добавлении спирта. Содержится в больших количествах в клубнях земляной груши и георгина, в корнях одуванчика, кок-сагыза и цикория, в артишоках, в корнях, листьях и стеблях каучуконосного растения гваюлы.

Инулин стимулирует рост и активность бифидо- и лактобактерий; повышает всасывание кальция в толстой кишке, тем самым снижая риск остеопороза; влияет на метаболизм липидов; снижает риск развития сахарного диабета; обладает антиканцерогенным действием; уменьшает риск атеросклеротических изменений в сердечно-сосудистой системе.

Таким образом, пищевые волокна - один из компонентов комплексной профилактики нарушений жирового обмена, атеросклероза, сахарного диабета, желчекаменной болезни. В последние годы появились данные, свидетельствующие о том, что недостаток пищевых волокон вызывает развитие мочекаменной болезни, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, подагры, кариеса и даже варикозного расширения вен (рис. 2.3)

Без сомнения, прав был в свое время известный немецкий химик, один из создателей агрохимии, иностранный член-корреспондент Петербургской академии Юстус Либих, который в знаменитых "Письмах о химии" (1861 г.) указывал, что "отделение отрубей от муки есть роскошь и для питания скорее вредно, нежели полезно". Прошло более столетия, и под это заключение подведена строгая научная основа (табл. 2.2).

Табл. 2.2. Химический состав продуктов помола пшеницы (% на СВ)

Рис. 2.3. Основные опасности недостатка и избытка неусвояемых углеводов.

Суточная норма пищевых волокон для взрослого человека - 25-30 г.

К продуктам с наиболее высоким содержанием пищевых волокон относятся пшеничные и ржаные отруби, хлеб из муки грубого помола, белково-отрубной хлеб, сухофрукты (особенно чернослив, урюк, курага), свекла, морковь, крупы (ячневая, гречневая, перловая, овсяная), отдельные фрукты, ягоды, овощи (табл. 2.3).

Таблица 2.3. Содержание неусвояемых углеводов в пищевых продуктах

Пищевые волокна влияют на функцию толстого кишечника. Они стимулируют перистальтику, усиливают выделение желчи. Пищевые волокна способны задерживать в кишечнике воду, что имеет особое значение в профилактике запоров, геморроя. Они способны адсорбировать продукты обмена микроорганизмов, желчные кислоты, соли тяжелых металлов, поступивших в кишечник. Это одно из важнейших свойств пищевых волокон, особенно пектиновых веществ, способствующие профилактике рака кишечника, уменьшению интоксикации организма как собственными ядами кишечника (индол, скатол, аммиак), так и поступившими извне.

В то же время избыточное потребление пищевых волокон скорее вредно, чем полезно. Оно может привести к неполному перевариванию пищи, нарушению всасывания в кишечнике макро- и микроэлементов, а также жирорастворимых витаминов. Чрезмерное потребление пищевых волокон вызывает поносы, дискомфорт от избыточного образования газов в кишечнике, боли в животе.

В пищевом рационе до 70-75% углеводов должно приходится на долю крахмала, около 10% - на долю пищевых волокон и 15-20% - на долю простых сахаров. Нарушение физиологической потребности в углеводах оказывает неблагоприятное воздействие на организм человека.

2. Функции углеводов в пищевых продуктах

2.1 Функции моносахаридов и олигосахаридов

Гидрофильность - одно из важнейших свойств углеводов, используемых при получении пищевых продуктов. Гидрофильность обусловлена наличием многочисленных ОН-групп. Они взаимодействуют с молекулой воды посредством водородной связи, приводя таким образом к сольватации и (или) к растворению сахаров и многих их полимеров. Эффект связывания воды в значительной степени зависит от структуры сахара. Например, фруктоза значительно более гигроскопична, чем D-глюкоза, хотя они имеют и одинаковое число гидроксильных групп. При 100%-й равновесной относительной влажности воздуха сахароза и мальтоза связывают одинаковое количество воды, в то же время лактоза гораздо менее гигроскопична. Гидратные формы, имеющие прочную кристаллическую структуру, в меньшей степени способны абсорбировать влагу.

Следует отметить, что неочищенные сахара или сахарные сиропы в большей степени способны абсорбировать воду, чем очищенные сахара. Причина этого заключается в том, что примеси препятствуют образованию водородных связей между молекулами сахара, и ОН-группы сахаров становятся более доступными для связывания воды посредством водородных связей. Способность связывать воду и контролировать активность воды (а_w) в пищевых продуктах - одно из наиболее важных свойств углеводов.

Связывание ароматических веществ

Для многих пищевых продуктов, при получении которых используются разные виды сушки, углеводы являются важным компонентом, способствующим сохранению цвета и летучих ароматических веществ. Сущность этого заключается в замене взаимодействия сахар - вода на взаимодействие сахар - ароматическое вещество:

Сахар - вода + ароматическое в-во > сахар - ароматическое вещество + вода

Летучие ароматические вещества - это многочисленная группа карбонильных соединений (альдегиды, кетоны), производные карбоновых кислот и др.

Способность к связыванию ароматических веществ у дисахаридов выражена в большей степени, чем у моносахаридов. Очень хорошими фиксаторами аромата являются циклодекстрины (декстрины Шардингера, рис. 2.4.), которые образуются при действии на крахмал амилазы Bacillus macerans.

Рис. 2.4. Декстрины Шардингера

Эффективными фиксаторами аромата и красящих веществ являются большие углеводные молекулы, например, гуммиарабик. Образуя пленку вокруг этих веществ, он препятствует абсорбции влаги и потере ее за счет испарения и химического окисления. Большим прогрессом в фиксации пищевых ароматов является использование в технике микрокап-сулирования смесей гуммиарабика и желатина.

Образование пищевого аромата при тепловой обработке

Продукты термического разложения сахаров включают пирановые и фурановые соединения, а также фураноны, лактоны, эфиры; наличие тех или иных ароматических соединений придает каждому продукту присущий ему аромат. При протекании сахар-аминной реакции также образуются ароматические вещества -- имидазолы, пиразины, пирролы и др. Например, при взаимодействии D-глюкозы с аминокислотами при 100°С может продуцироваться карамельный аромат (если используемая аминокислота -- глицин), аромат ржаного хлеба (валин), шоколада (глютамин). Кроме того, образование тех или иных ароматических веществ зависит от температуры. Например, при реакции D-глюкозы с валином при 100°С -- ощущается аромат ржаного хлеба, а при 180°С -- аромат шоколада; с пролином -- при 100°С -- запах жареного белка, а при 180°С -- аромат, присущий пекарским изделиям. Гистидин при реакции с D-глюкозой (100°С) не дает никакого аромата, а при 180°С -- запах жженого сахара. Аромат, получающийся при реакции D-глюкозы с серосодержащими аминокислотами, отличен от других аминокислот. Так, при взаимодействии D-глюкозы с метионином получаются продукты, имеющие запах картофеля, с цистеином и цистином -- запах жареного мяса. С этим необходимо считаться при производстве пищевых продуктов, и в ряде случаев, с точки зрения потребительских свойств, количество летучих ароматических компонентов должно ограничиваться.

Сладость

Ощущение сладости во рту при потреблении низкомолекулярных углеводов характеризует еще одну важную функцию их в пищевых продуктах. В табл. 2.4 дана характеристика относительной сладости различных углеводов по сравнению с сахарозой (сладость которой принимается за 100).

Таблица 2.4. Относительная сладость (ОС) различных углеводов и некоторых искусственных подсластителей.

2.2 Структурно-функциональные свойства полисахаридов

Полисахариды, присутствующие в пищевых продуктах, выполняют важную функцию, которая заключается в обеспечении их качества и текстуры: твердости, хрупкости, плотности, загустевания, вязкости, липкости, гелеобразующей способности, ощущения во рту. Именно благодаря полисахаридам образуется структура пищевого продукта - мягкая или хрупкая, набухшая или желеобразная.

Все растворимые полисахариды дают вязкие растворы из-за большого размера их молекул. Среди натуральных пищевых полисахаридов наименее вязкими являются растворы гуммиарабика. Вязкость зависит от размера молекулы, формы и заряда. Если молекула имеет заряд за счет ионизации присутствующих в ней карбоксильных групп, то эффект влияния заряда может быть очень большим во всех случаях, кроме очень кислых растворов. Вязкость зависит от присутствия полиэлектролитов, поскольку они влияют на конфигурацию и размер молекулы, и природы посторонних присутствующих веществ, так как их наличие может оказывать тормозящее действие на истечение полимера.

Все, что заставляет нерастворимые линейные молекулы становиться более вытянутыми, вызывает увеличение вязкости, и, соответственно, если в результате какого-либо воздействия молекулы становятся менее линейными, то есть более компактными или свернутыми, вязкость раствора уменьшается.

Крахмал

Крахмал - растительный полисахарид со сложным строением. Он состоит из амилозы и амилопектина; их соотношение различно в различных крахмалах (амилозы 13 - 30%; амилопектина 70 - 85%).

Амилоза и амилопектин (их свойства приведены в таблице 2.5) в растениях формируются в виде крахмальных зерен, структура которых до конца не выяснена.

Таблица 2.5. Свойства амилозы и амилопектина

Крахмал является важным компонентом пищевых продуктов, исполняя роль загустителя и связывающего агента. В одних случаях он присутствует в сырье, которое перерабатывается в пищевые продукты (например, хлебобулочные изделия). В других его добавляют для придания продукту тех или иных свойств - он используется широко при производстве пудингов, концентратов супов, киселей, соусов, салатных приправ, начинок, майонеза; один из компонентов крахмала - амилоза используется для пищевых оболочек и покрытий.

К основным физико-химическим свойствам крахмала, имеющим большое значение для пищевых продуктов относятся способность крахмала к клейстеризации, вязкость клейстеризованных растворов и их способность давать студни.

Неповрежденные крахмальные зерна нерастворимы в воде, но могут обратимо впитывать влагу и легко набухают. Увеличение диаметра зерен при набухании зависит от вида крахмала. Например, для обычного кукурузного крахмала - 9,1%, для восковидного - 22,7%.

Клейстеризация крахмала проявляется при его нагревании в воде, и эта его способность к клейстерообразованию обусловлена наличием в нем амилопектина. В первой фазе нагревания вода медленно и обратимо поглощается зернами крахмала, причем происходит их ограниченное набухание. Вторая фаза характеризуется тем, что зерна быстро набухают, во много раз увеличиваясь, поглощая большое количество влаги и быстро теряя двойное лучепреломление, т. е. свою кристаллическую структуру. При этом вязкость крахмальной суспензии быстро возрастает, и небольшое количество крахмала растворяется в воде. В третьей фазе набухания, протекающей при повышенных температурах, зерна становятся почти бесформенными мешочками, из которых вымылась наиболее растворимая часть крахмала. Как правило, большие крахмальные зерна клейстеризуются при более низкой температуре, чем мелкие. Температуру, соответствующую разрушению внутренней структуры крахмальных зерен, называют температурой клейстеризации. Она зависит от источника получения крахмала (табл. 2.6).

Таблица 2.6. Зависимость температуры клейстеризации крахмала от источника получения

Вязкость крахмальных клейстеров имеет очень важное практическое значение. При этом вязкость амилопектиновой фракции выше, чем амилозной, вследствие своего ветвистого строения молекулы амилопектина (внутреннее трение, у растворов с такими объемистыми молекулами больше).

Кривые вязкости, полученные на ротационном вискозиметре, показывают, что сначала увеличение температуры ведет к крутому подъему вязкости, что связано с набуханием крахмальных зерен. Затем набухшие крахмальные зерна разрываются и дезинтегрируют, вызывая падение вязкости (рис. 2.5). Наклон кривых сильно различается для различных краxмалов.

Рис. 2.5. Изменение вязкости в процессе клейстеризации крахмальной суспензии.

Пищевые кулинарные изделия, получаемые из крахмала (соусы, подливки, кисели и пр.), должны обладать необходимой вязкостью. Чем большую вязкость имеет клейстер, содержащий определенное количество крахмала, тем меньше его надо расходовать для получения продуктов с требуемой вязкостью. Картофельный крахмал дает клейстеры со значительно большей (в среднем) вязкостью, чем кукурузный. Для получения клейстеров с одинаковой вязкостью нужно брать разные количества того или иного крахмала.

Клейстеризация крахмала, вязкость крахмальных растворов, характеристика крахмальных гелей зависят не только от температуры, но и от вида и количества других присутствующих компонентов. С этим необходимо считаться, поскольку в процессе производства пищевых продуктов крахмал находится в присутствии таких веществ, как сахар, белки, жиры, пищевые кислоты и вода.

Высокие содержания сахара уменьшают скорость клейстеризации крахмала, снижают пик вязкости. Дисахариды являются более эффективными с точки зрения замедления клейстеризации и снижения пика вязкости, чем моносахариды. Кроме того, сахара уменьшают силу крахмальных гелей, играя роль пластификатора и вмешиваясь в образование зон связывания.

На клейстеризацию крахмала при производстве пищевых продуктов оказывают влияние и липиды - триглицериды (жиры, масла), моно- и диглицериды. Жиры, которые могут давать комплексы с амилозой, тормозят набухание крахмальных зерен. Вследствие этого в белом хлебе, в котором мало жира, 96% крахмала обычно полностью клейстеризовано. При производстве пекарских изделий эти два фактора (большие концентрации жира и низкая а_w) вносят большой вклад в неклейстеризацию крахмала.

Моноглицериды жирных кислот (С₁₆ - С₁₈) приводят к увеличению температуры клейстеризации, увеличению температуры, соответствующей пику вязкости, уменьшению силы геля. Это связано с тем, что компоненты жирных кислот в моноацилглицеридах могут образовывать соединения включения с амилозой, а, возможно, и с длинными внешними цепями амилопектина.

Кислоты присутствуют во многих продуктах, где используется крахмал в качестве загустителя. При низких рН (салатные приправы, фруктовые начинки) имеет место значительное снижение пика вязкости крахмальных клейстеров и быстрое снижение вязкости при нагревании

Поскольку при низких рН имеет место интенсивный гидролиз с образованием незагустевающих декстринов, необходимо, чтобы избежать кислотного разжижения, использовать в качестве загустителя в кислых продуктах модифицированные поперечно-сшитые крахмалы.

Студнеобразующая способность проявляется при достаточном содержании крахмала в клейстерах, а образование и свойства студней из них зависят, в основном, от амилозной фракции. Известно, что студни образуются в тех случаях, когда молекулы имеют цепочное (линейное) строение.

Образование студней используется, например, при изготовлении киселей, запеканок, конфет, колбас и др.

Свойства крахмальных студней зависят от концентрации крахмала, продолжительности выстойки и других факторов. Прочность студней быстро возрастает при их хранении и выстойке, причем наиболее быстро у концентрированных студней.

Студни из крахмалов разных видов по своим свойствам не одинаковы.

Студни, изменившие первоначальную прочность во время хранения, после вторичного нагревания приобретают ее снова, т. е. явления структурообразования обратимы при нагревании, причем у рисовых и пшеничных крахмалов наблюдается полная обратимость, а у картофельных - ограниченная.

У крахмальных студней, особенно из картофельного крахмала, с течением времени наблюдается синерезис, проявляющийся в том, что в результате уплотнения гелевой структуры выделяется свободная вода на поверхности.

В молекуле крахмала имеется много свободных гидроксильных групп, которые способны вступать в химические реакции со многими соединениями и давать эфиры и различные производные. На этом основано получение различных модифицированных его производных.

Модифицированные, или измененные, крахмалы, обладающие новыми свойствами, находят все большее и разнообразное применение в различных отраслях пищевой промышленности.

Модифицированные крахмалы имеют, как правило, такой же внешний вид, как и обычный (нативный) крахмал. Однако, воздействуя на него различными физическими, химическими и биологическими реагентами, изменяющими направленно такие его свойства, как растворимость, вязкость, прозрачность, стабильность клейстеров и другие физико-химические параметры, получают крахмалы с удивительными свойствами. Крахмалы, свойства которых изменены в результате специальной обработки, называют модифицированными крахмалами.

Основными превращениями, которые претерпевают крахмалы в

1. Расщепление (деполимеризация) полисахаридных компонентов крахмала с сохранением или без сохранения зернистой структуры.

2. Увеличение количества существующих или появление новых функциональных групп, перестройка структуры полисахаридных цепей в результате трансгликолизирования.

3. Потеря зернами крахмала первоначальной структуры и приобретение ими после дегидратации новой структуры.

4. Взаимодействие гидроксильных групп крахмала с различными химическими веществами с образованием эфирных связей и присоединением их остатков.

5. Одновременная полимеризация блоков частичного гидролиза крахмала и других мономеров (сополимеризация) с образованием новых соединений.

Модифицированные крахмалы могут быть получены путем одного из указанных превращений или в результате двух и более превращений, протекающих одновременно или последовательно.

Набухающие крахмалы получают полной или частичной клейстеризацией нативного или модифицированного крахмала в воде при нагревании с последующим высушиванием клейстера и измельчением. Они способны набухать в холодной воде, полностью или частично переходить в растворимое состояние. Набухающие крахмалы вводят в сухие смеси мороженного, пудингов, кремов и других изделий быстрого приготовления.

Крахмал, модифицированный кислотой, получают при нагревании слабо подкисленной водной суспензии крахмальных зерен до температуры 45 - 50 ⁰С.В зернах ослабляются межмолекулярные связи и происходит частичное расщепление гликозидных связей. Молекулы амилопектина становятся менее разветвленными, вследствие чего крахмал дает более прозрачные студни. Этот крахмал практически нерастворим в холодной воде, но хорошо растворим в кипящей воде. Для этого крахмала, по сравнению с исходным, характерна более низкая вязкость горячих клейстеров, уменьшение силы геля, увеличение температуры клейстеризации. Крахмал, модифицированный кислотой, широко применяют в пищевой промышленности: кукурузный и пшеничный - для приготовления конфет, рахат-лукума и других кондитерских изделий; картофельный - для пудинговых смесей.

Этерифицированные крахмалы. Известно, что крахмал может быть подвергнут этерификации. В пищевой промышленности чаще применяют крахмалофосфаты - эфиры крахмала и солей фосфорной кислоты. Их используют в качестве загустителей, стабилизаторов, эмульгаторов, не имеющих запаха и вкуса

Монофосфаты получают при нагревании крахмала с водорастворимыми фосфатами, солями орто-, пиро- или метафосфорной кислоты в течение 1 - 6 ч при повышенной температуре (обычно 50 - 60 ⁰С). По сравнению с обычным крахмалом этот крахмал имеет более низкую температуру клейстеризации, набухает в холодной воде (СЗ = 0,07 и выше), имеет пониженную способность к ретроградации. Характеристика фосфатных зерновых крахмалов в принципе подобна картофельному крахмалу, который тоже содержит фосфатные группы. Монофосфатный крахмал применяют в замороженных продуктах в качестве загустителя, благодаря его исключительной стабильности при замораживании-оттаивании. Предварительно клейстеризованныи фосфатный крахмал диспергируется в холодной воде, благодаря чему может успешно использоваться в инстант-десертных порошкообразных продуктах и в мороженом.

В отличие от монофосфатного крахмала, в дифосфатном крахмале фосфат этерифицируется с двумя гидроксильными группами, часто из двух соседних крахмальных цепей. Таким образом, образуется химический мост между близлежащими цепями, и эти крахмалы относят к поперечно-сшитым крахмалам. Наличие ковалентной связи между двумя крахмальными цепями предохраняет крахмальные зерна от набухания, дает большую стабильность при нагревании и возможном гидролизе.

Поперечно-сшитые крахмалы могут быть получены реакцией крахмала (R-ОН) с би- и полифункциональными агентами, такими как триметафосфат натрия, оксихлорид фосфора, смешанные ангидриды уксусной и дикарбоновой (например, адипиновой) кислот.

Наиболее значительное изменение в свойствах поперечно-сшитого крахмала - высокая стабильность при повышенных температурах, низких значениях рН, механических воздействиях, снижение способности к ретроградации, стабильность при замораживании - оттаивании; при хранении клейстеров поперечно-сшитых крахмалов не наблюдается синерезис. Благодаря этим свойствам поперечно-сшитые крахмалы применяют в детском питании, салатных приправах, фруктовых начинках, в кремах.

Ацетаты крахмала низкой степени замещения получают путем обработки зерен крахмала уксусной кислотой или, предпочтительнее, ацетангидридом в присутствии катализатора (как правило при рН 7-11; t = 25 °С; СЗ = 0,5). Растворы ацетатов крахмала очень стабильны, поскольку наличие ацетил-групп препятствует ассоциации двух амилозных молекул и длинных боковых цепей амилопектина. Ацетаты крахмала по сравнению с обычным кукурузным крахмалом имеют пониженную температуру клейстеризации, пониженную способность к ретроградации, образуют прозрачные и стабильные клейстеры. Благодаря этим качествам ацетаты крахмала применяют в замороженных продуктах, пекарских изделиях, инстант-порошках и т.д.

Окисленные крахмалы вырабатывают с применением перманганата, гипохлорита, перекисей, йодной кислоты. Окислители вызывают гидролитическое расщепление гликозидных связей, окисление спиртовых групп в карбонильные и карбоксильные. Крахмал окисляют в водных суспензиях и полусухой. Окисленные крахмалы, по сравнению с исходным, способны давать менее вязкие, но более прозрачные и стабильные клейстеры. Их применяют в качестве заменителей агара, агароида при производстве желейных кондитерских изделий, для стабилизации мороженого и др. Диальдегидный крахмал, полученный под действием йодной кислоты (со степенью окисления до 2%), используют в хлебопечении, он оказывает укрепляющее действие на клейковину муки.

Целлюлоза

Целлюлоза -- моноглюкан, состоящий из линейных цепей в-D-(1,4)-глюкопиранозных единиц. Исключительная линейность целлюлозы дает возможность молекулам ассоциировать, что имеет место в деревьях и других растениях. Целлюлоза имеет аморфные и кристаллические области, и именно аморфные зоны подвергаются воздействию растворителей и химических реагентов.

При производстве пищевых продуктов находит применение микрокристаллическая целлюлоза, для получения которой используют кислотный гидролиз целлюлозы. В этом случае аморфные области гидролизованы кислотой, остаются только небольшие кислотоустойчивые области. Этот продукт используется как наполнитель и реологический компонент в низкокалорийных пищевых продуктах.

Более жесткая химическая модификация целлюлозы используется для приготовления пищевых загустителей на целлюлозной основе.

Наиболее широко используется натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (Nа-КМЦ). Ее получают обработкой целлюлозы щелочью и хлоруксусной кислотой:

Благодаря реологическим свойствам и отсутствию токсичности и усваиваемости Nа-КМЦ находит широкое применение (особенно за рубежом) в пищевых продуктах. Она выполняет роль загустителя в начинках, пудингах, мягких сырах, фруктовых желе. Ее способность удерживать влагу делает ее полезной в пекарских изделиях, мороженом и различных замороженных десертах, где она ингибирует рост кристаллов. Она замедляет рост кристаллов сахара в кондитерских изделиях, глазури и сиропах, что имеет важное значение при длительном хранении изделий. Она способствует стабилизации эмульсий в соусах и салатных приправах, используется при производстве низкокалорийных продуктов. В низкокалорийных напитках, насыщенных СО₂, она способствует сохранению диоксида углерода.

Путем алкилирования могут быть получены другие производные целлюлозы с хорошими набухающими свойствами и повышенной растворимостью. Благодаря этому они также перспективны для применения в пищевых продуктах и широко применяются за рубежом. Наибольший интерес из этих продуктов представляет метилцеллюлоза. Метилцеллюлозу получают действием метилхлорида на целлюлозу в щелочной среде. СЗ зависит от условий проведения реакции. Регулируя условия проведения реакции можно получать продукты с разной набухающей способностью и растворимостью.

В пищевых продуктах метилцеллюлоза может выполнять функции водоудерживающего агента (например, в пекарских изделиях), ингибитора синерезиса (замороженные продукты), умягчителя и стабилизатора эмульсий (соусы, салатные приправы). Она может служить наполнителем для низкобелковых пищевых продуктов, оказывает благоприятное действие на текстуру и структуру изделий. Кроме того, она может быть очень полезна при производстве продуктов в съедобных оболочках.

Гемицеллюлозы

Известно, что клеточные стенки растений представляют собой комплексную матрицу, состоящую из целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз. Гемицеллюлозы - класс полисахаридов, не усваиваемых человеческим организмом.

Основная гемицеллюлоза в пищевых продуктах - ксилан. Этот полимер состоит в основном из в-D-(1,4)-ксилопиранозильных единиц, часто содержит в-L-арабинофуранозильные боковые цепи от третьей позиции нескольких D-ксилозных колец. Другие типичные составляющие - метильные эфиры D-глюкуроновой кислоты, D- и L-галактоза, ацетильные эфирные группы.

Присутствие гемицеллюлоз в пекарских изделиях имеет важное значение благодаря способности связывать воду. При приготовлении пшеничного теста они улучшают качество замеса, уменьшают энергию перемешивания, учавствуют в формировании структуры теста, в частности в формировании клейковины, что в итоге оказывает благоприятное действие для получения хорошего объема хлеба. Безусловный интерес при производстве хлебобулочных изделий представляет то, что гемицеллюлозы тормозят черствение хлеба.

Вторая важная функция гемицеллюлоз в пищевых продуктах заключается в том, что они, как пищевые волокна, образуют часть неперевариваемого комплекса, что чрезвычайно важно для перистальтики кишечника.

Пектиновые вещества

В растительной клетке пектин выполняет функцию структурирующего агента в центральном слое клеточной стенки. Кроме того, благодаря своей сильной способности к набуханию и своему коллоидному характеру пектин регулирует водный обмен растений. Название "пектин" происходит от греческого слова "пектос", что означает "желированный", "застывший".

Благодаря прекрасным желирующим свойствам пектин широко применяется при производстве пищевых продуктов - кондитерских изделий, желе, джемов. Пектин обладает детоксицирующими свойствами, т. к. способен связывать токсические элементы и радионуклиды и выводить их из человеческого организма (табл. 2.7).

Таблица 2.7. Связывание различных элементов (в % от добавленного компонента)

Важным свойством пектина, обусловливающим его применение в пищевых продуктах, является гелеобразование. Образование гелей обусловлено ассоциацией пектиновых цепей с образованием трехмерной пространственной структуры, где два или более участка цепи сближаются друг с другом с регулярной частотой. Имеются различные виды ассоциаций, которые определяются степенью этерификации.

Нормальные пектины (степень этерификации 50%), как правило, лучше всего образуют гели при концентрации 1%, хотя концентрация может варьироваться в зависимости от вида пектина.

Желирование высокоэтерифицированных пектинов вызывается двумя факторами:

а) добавлением сахара, который вызывает дегидратацию пектиновых молекул, способствуя тем самым их сближению;

б) снижением рН среды, которое подавляет диссоциацию свободных карбоксильных групп, снижая тем самым электростатическое отталкивание цепей.