Углеводы, физиологическая роль

Данный механизм описан в литературе, как "сахарно-кислотное" желирование. Он протекает при содержании сухих веществ в среде не менее 55% и рН 3,0. Результаты последних исследований показывают, что гели из высокоэтерифицированных пектинов могут стабилизироваться в результате возникновения водородных связей и гидрофобных взаимодействий.

Низкоэтерифицированные пектины могут образовывать гели в отсутствие сахаров, но требуют присутствия бивалентных катионов (например Са²⁺). Добавка ионов кальция вызывает образование кальциевых мостиков, соединяющих молекулы пектина. Низкоэтерифицированный пектин менее чувствителен к рН, чем стандартные пектиновые гели - для нормальных пектинов область рН 2,7 - 3,5, оптимум - 3,2. Гели этого типа используют в бессахарных или низкосахарных диетических кремах и желе. Хотя гелеобразование низкоэтерифицированного пектина и не требует сахара, добавление 10 - 20% сахарозы дает возможность улучшить структуру геля, так как без сахара (или других пластификаторов) эти гели имеют тенденцию быть хрупкими и менее эластичными, чем из обычного пектина. Кроме отмеченных выше факторов на желирующие свойства пектина влияют также молекулярная масса - с ее увеличением возрастает сила геля.

3. Превращения углеводов, происходящие при технологической обработке сырья

При переработке и хранении пищевого сырья и продуктов углеводы претерпевают сложные и разнообразные превращения, зависящие от состава углеводного комплекса, температуры и рН среды, влажности, наличия ферментов, присутствия в продуктах других компонентов, взаимодействующих с углеводами (белков, липидов, органических кислот и др.).

Основными процессами, протекающими в углеводах при различных видах технологической обработки и хранения пищевых продуктов, являются следующие:

· кислотный и ферментативный гидролиз ди- и полисахаридов;

· реакции дегидратации углеводов;

· меланоидинообразование;

· карамелизация.

3.1 Гидролиз ди- и полисахаридов

Гидролиз ди- и полисахаридов - наиболее распространенный процесс, протекающий в пищевых продуктах при тепловой и холодильной обработке, а также при хранении картофеля, плодов и овощей в замороженном и охлажденном состоянии.

При нагревании дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза) под действием кислот или в присутствии ферментов распадаются на моносахариды. Сахароза в водных растворах под влиянием кислот присоединяет молекулу воды и гидролизуется на равное количество глюкозы и фруктозы, вращающих плоскость поляризации влево, а не вправо, как сахароза.

Такое преобразование называют инверсией, а эквимолекулярную смесь глюкозы и фруктозы - инвертным сахаром, который имеет более сладкий вкус, чем сахароза.

Полисахариды также при нагревание под действием кислот или в присутствии ферментов подвергаются гидролизу с образованием низкомолекулярных соединений, принимающих участие в обменных процессах.

Из высокомолекулярных соединений существенным изменениям подвергаются крахмал и пектиновые вещества.

Гидролиз крахмала. При гидролизе крахмала под действием кислот сначала имеет место ослабление и разрыв ассоциативных связей между макромолекулами амилозы и амилопектина. Это сопровождается нарушением структуры крахмальных зерен и образованием гомогенной массы. Далее идет разрыв б-D-(1,4)- и б-D-(1,6)-связей с присоединением по месту разрыва молекулы воды. В процессе гидролиза нарастает число свободных альдегидных групп, уменьшается степень полимеризации. По мере гидролиза и нарастания редуцирующих (восстанавливающих) веществ содержание декстринов уменьшается, глюкозы - увеличивается, концентрация мальтозы, три- и тетрасахаров сначала увеличивается, затем их количество снижается. Наряду с основным процессом - гидролизом крахмала - происходят побочные реакции реверсии и разложения глюкозы.

Наиболее изученные реакции, происходящие при действии кислоты на крахмал, можно в основных чертах характеризовать следующей схемой (рис. 2.9).

Рис.2.9. Процессы, происходящие при кислотном гидролизе крахмала

Реверсия глюкозы -- обратимый процесс её полимеризации с образованием в основном других дисахаридов -- гентиобиозы, изомальтозы и других, а также трисахаридов и более сложных олигосахаридов.

Реверсия глюкозы -- обратимый процесс её полимеризации с образованием в основном других дисахаридов -- гентиобиозы, изомальтозы и других, а также трисахаридов и более сложных олигосахаридов.

В гидролизатах крахмала, в зависимости от интенсивности кислотного гидролиза и содержания свободной воды, продукты реверсии могут составлять до 5% и более.

Реакция реверсии глюкозы обратима, поэтому продукты реакции подвержены снова гидролизу и дают опять глюкозу. В связи с этим равновесие в растворах, содержащих глюкозу и продукты ее реверсии, наступает при сравнительно малых концентрациях продуктов реверсии, В патоке -- продукте неполного гидролиза крахмала -- количество ревертоз сравнительно меньше, чем в продуктах полного гидролиза крахмала.

В то же время происходит и необратимая интрамолекулярная дегидратация глюкозы как вторичная реакция в кислой среде с образованием оксиметилфурфурола, из которого затем получаются левулиновая и муравьиная кислоты. При обычных условиях гидролиза крахмала реакции данного типа занимают незначительное место, а продуктов этих реакций образуется до 1%.

Оксиметилфурфурол -- нестойкое соединение, из которого могут образовываться, помимо указанных выше, и другие соединения. Его присутствие связано с появлением красящих веществ. В то время при полимеризации оксиметилфурфурола образуются красящие вещества желто-коричневого цвета.

Накапливающиеся в патоке продукты разложения глюкозы ухудшают ее состав, цвет, повышают гигроскопичность. В разных видах патоки обнаружено содержание от 2 до 20 мг% оксиметилфурфурола. Примеси, присутствующие в крахмале, способствуют протеканию и других побочных реакций с образованием темноокрашенных соединений.

Кислотный гидролиз долгое время был главным при получении глюкозы из крахмала. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, которые связаны с использованием высоких концентраций кислот и высокой температуры, что приводит к образованию продуктов термической деградации и дегидратации углеводов и реакции трансгликозилирования.

Крахмал гидролизуется также и под действием амилолитических ферментов. К группе амилолитических ферментов относятся б- и в-амилаза, глюкоамилаза, пуллуланаза и некоторые другие ферменты. Амилазы бывают двух типов: эндо- и экзоамилазы.

Четко выраженной эндоамилазой является б-амилаза, способная к разрыву внутримолекулярных связей в высокополимерных цепях субстрата. Глюкоамилаза и в-амилаза являются экзоамилазами, т.е. ферментами, атакующими субстрат с нередуцирующего конца.

Схему гидролиза крахмала (гликогена) б-амилазой можно представить так:

в-Амилаза (а-1,4-глюканмальтогидролаза) является экзоамилазой, проявляющей сродство к предпоследней б-(1,4)-связи с нередуцирующего конца линейного участка амилозы или амилопектина. В отличие от б-амилазы, в-амилаза практически не гидролизует нативный крахмал; клейстеризованный крахмал гидролизуется до мальтозы в в-конфигурации. Схему можно записать следующим образом:

Глюкоамилаза б-(1,4)-глюканглюкогидролаза является экзоферментом, катализирующим последовательно отщепление концевых остатков б-D-глюкозы с нередуцирующего конца крахмальной цепи. Многие глюкоамилазы обладают способностью так же быстро, как и б-1,4-связь, гидролизовать б-1,6-глюкозидные связи. Но это происходит только в том случае, когда за б-1,6-связыо следует б-1,4-связь, поэтому декстран ими не гидролизуется. Отличительной особенностью глюкоамилаз является способность в десятки раз быстрее гидролизовать высокополимеризованный субстрат, чем олиго- и дисахариды.

Ферментативный гидролиз крахмала присутствует во многих пищевых технологиях как один из необходимых процессов, обеспечивающих качество конечного продукта -- в хлебопечении (процесс тестоприготовления и выпечки хлеба), производстве пива (получение пивного сусла, сушка солода), кваса (получение квасных хлебцев), спирта (подготовка сырья для брожения), различных сахаристых крахмалопродуктов (глюкозы, патоки, сахарных сиропов).

Ферментативный гидролиз некрахмалистых полисахаридов. Этот гидролиз имеет место под действием ферментов целлюлолитического, гемицеллюлазного и пектолитического комплекса. Используется в пищевой технологии для более полной переработки сырья и улучшения качества продукции. Например, гидролиз некрахмалистых полисахаридов (пентозанов и др.) при солодоращении имеет значение в последующем для образования окрашенных и ароматических продуктов (при сушке солода и создании определенных органолептических свойств пива). В производстве соков и в виноделии -- для осветления, увеличения выхода сока, улучшения условий фильтрации.

Гидролиз целлюлозы происходит под действием комплекса целлюлолитических ферментов.

Гемицеллюлозы вместе с пектиновыми веществами образуют основное вещество клеточных оболочек растений. Гидролиз гемицеллюлоз имеет место под действием обширного комплекса гемицеллюлазных ферментов. Эта группа полисахаридов, разнородная по строению, молекулярной массе и составу, при гидролизе дает довольно разнообразный набор соединений: глюкозу, фруктозу, маннозу, галактозу, ксилозу, араби-нозу, глюкуроновую и галактуроновую кислоты.

Гидролиз пектиновых веществ имеет место под действием пектолитических ферментов.

Пектинэстераза гидролизует сложные эфирные связи в пектиновой кислоте и пектине и отщепляет метиловый спирт.

Полигалактуроназа осуществляет гидролитическое расщепление б-1,4-гликозидных связей в цепи пектиновых веществ и по своему действию на пектиновые вещества разделяется на эндо- и экзоферменты.

Протопектиназа - это фермент, действующий на протопектин.

При переработке пищевого сырья в пищевые продукты эти реакции занимают важное место. Они катализируются кислотами и щелочами, и многие из них идут по типу в-элиминации. Пентозы, как главный продукт дегидратации, дают фурфурол, гексозы -- оксиметилфурфурол и другие продукты, такие как 2-гидроксиацетилфуран, изомальтол и мальтол. Фрагментация углеродных цепей этих продуктов дегидратации приводит к образованию левулиновой, муравьиной, молочной, уксуснойкислот и ряда других соединений. Некоторые из образующихся продуктов обладают определенным запахом и могут поэтому сообщать пищевому продукту желательный или, наоборот, нежелательный аромат. Этиреакции требуют высокой температуры. Фурфурол и оксиметилфурфурол образуются при тепловой обработке фруктовых соков. Токсичностьэтих продуктов изучалась на крысах, и было отмечено, что фурфурол токсичнее оксиметилфурфурола.

Ключевым соединением в реакции дегидратации является 3-дезоксиглюкозон (образование которого из D-глюкозы показано на рисунке 2.10. Реакция в-элиминации может продолжаться с енольной формой 3-дезоксиглюкозона. Конечным продуктом является оксиметилфурфурол.

Рис. 2.10 превращение D-глюкозы в 3-дезоксиглюкозон

Рис. 2.11 образование оксиметилфурфурола

3.2 Меланоидинообразование

Под меланоидинообразованием (МО) понимают взаимодействие восстанавливающих сахаров (моносахариды и дисахариды), как содержащихся в продукте, так и образующихся при гидролизе более сложных углеводов с аминокислотами, пептидами и белками.

При этом образуются темноокрашенные продукты - меланоидины (от греческого "меланос" - темный). Это реакция Майяра. по имени ученого, который в 1912 г. впервые описал данный процесс.

МО - окислительно-восстановительный процесс, который представляет собой совокупность последовательно и параллельно идущих реакций. Скорость и глубина этого процесса зависят от состава взаимодействующих продуктов, соотношения отдельных компонентов, рН среды, температуры и влажности.

Активность аминокислот и Сахаров в реакции Майяра снижается в следующей последовательности:

аминокислоты:

лизин > глицин > метионин > аланин > валин > глутамин > > фенилаланин > цистин > тирозин;

сахара:

ксилоза > арабииоза > глюкоза > лактоза > мальтоза > фруктоза.

Наиболее интенсивно МО протекает в нейтральной и щелочной среде, а также в концентрированных растворах. Замедляется эта реакция в присутствии Н₂SОз, Н₂О₂, NaНSО₄ и др. Образующиеся при МО карбонильные соединения (фурфурол, оксиметилфурфурол, ацетальдегид, изовалериановый альдегид, диацетил и др.) принимают участие в формировании аромата, цвета и вкуса готового продукта.

Обшей для структурных соединений, образующихся в результате реакции Майяра, является группа

Соединения, содержащие эту группу, обнаружены в обжаренных пищевых продуктах (хлеб, кофе, какао, солод), в которых под воздействием высоких температур происходит неферментативное потемнение.

Продуктами потемнения являются пиразаны, содержащиеся в миллионных долях в продуктах, которые подвергались обжариванию.

Продукты реакции меланоидинообразования оказывают различное влияние на органолептические свойства готовых изделий: заметно улучшают внешний вид жареного или тушеного мяса, котлет, но ухудшают вкус, цвет и запах мясных экстрактов, бульонных кубиков и других концентратов.

Реакция МО часто протекает при выпечке хлеба, сушке фруктов и овощей, получении сухого молока, упаривании сахарного сиропа, при производстве солода. Образование вкусной, хрустящей золотисто-коричневой корочки хлеба, его вкус и аромат во многом связаны с МО.

При получении вина, изготовлении коньяка и шампанского образуются продукты МО, которые влияют на цвет, вкус и аромат. При очень длительной выдержке вина идут глубокие изменения продуктов, участвующих в реакции МО, что приводит к изменению первоначальных свойств вина.

Потемнение фруктовых соков при хранении, изменение внешнего вида, вкуса и запаха готовых мясных продуктов также связано с реакцией МО.

При МО снижается пищевая ценность получаемых продуктов в результате связывания белков, витаминов, аминокислот в комплексные соединения.

При невысоких температурах реакции протекают медленно, при 100°С и выше - ускоряются. Чтобы задержать нежелательные изменения, используют соединения, легко связывающиеся с карбонильными соединениями, например, перекись водорода, сернистую кислоту.

Вопросы для повторения

1. Что такое пищевые волокна? Дайте современную классификацию пищевых волокон.

2. Назовите основные функции моносахаридов и олигосахаридов в пищевых продуктах.

3. Назовите основные физико-химические свойства крахмала..

4. Охарактеризуйте процесс клейстеризации крахмала. Какие вещества оказывают влияние на этот процесс?

5. Как влияет значение рН на вязкость крахмальных клейстеров?

6. Что такое набухающие крахмалы? Каково их использование?

7. Где используется крахмал, модифицированный кислотой? Каковы его свойства?

8. Охарактеризуйте этерифицированные крахмалы.

9. Что такое поперечно - сшитые крахмалы? Каково их использование?

10. Как вырабатывают окисленные крахмалы? Каковы их свойства и использование?

11. Какие производны целлюлозы используют в пищевой промышленности и для каких целей?

12. Охарактеризуйте процесс гелеобразования разных пектинов.

13. Охарактеризуйте процесс кислотного гидролиза крахмала. Каковы его недостатки?

14. Какие ферменты участвуют в процессе ферментативного гидролиза крахмала? Каково его использование?

15. Охарактеризуйте процессы ферментативного гидролиза целлюлозы, гемицеллюлоз, пектиновых веществ. Какие ферменты участвуют в этих процессах?

16. Какие продукты образуются при дегидратации пентоз? Гексоз?

17. Охарактеризуйте активность аминокислот и сахаров в реакции Майяра.

18. Каковы условия протекания процесса меланоидинообразования?

19. Что такое карамелизация сахаров? Какие процессы происходят при карамелизации?

20. При получении каких пищевых продуктов используется процесс карамелизации?

Выводы

1. Углеводы являются основой пищевого рациона человека. Они выполняют пластическую, регуляторную, защитную, синтезирующую функцию в организме, но главная из них - энергетическая. Средняя потребность в углеводах составляет 3500 - 500 г / сутки. Основные усвояемые углеводы в питании человека - глюкоза, фруктоза, сахароза, лактоза, крахмал. Неусвояемые углеводы - пищевые волокна - целлюлоза, пектиновые вещества, гемицеллюлозы, лигнины, камеди, инулин - положительно влияют на функцию толстого кишечника, адсорбируют соли тяжелых металлов, радионуклиды, уменьшают интоксикацию организма, регулируют уровень холестерина, глюкозы и триглицеридов в сыворотке крови. Пищевые волокна способствуют профилактике ожирения, атеросклероза, сахарного диабета, язвенных болезней желудка и двеннадцатиперстной кишки, подагры и др. Суточная норма пищевых волокон для взрослого человека - 25 - 30 г.

2. Одно из основных физических свойств углеводов, важных для пищевых продуктов - гидрофильность. Оно обусловлено наличием множества ОН-групп, взаимодействующих с молекулами воды. Углеводы являются эффективными фиксаторами аромата и красящих веществ. Продукты термического разложения сахаров включают разнообразные летучие компоненты, ответственные за запах пищевых продуктов: пирановые и фурановые соединения, фураноны, лактоны, эфиры, имидазолы, пиразины, пирролы и др.

Важной функцией низкомолекулярных углеводов в пищевых продуктах является сладость. Наиболее сладкий сахар - фруктоза (в 1,8 раз слаще сахарозы); сладость лактозы составляет примерно 30% от сладости сахарозы.

3. Полисахариды выполняют важную функцию - образование структуры пищевого продукта - мягкой, твердой, вязкой, липкой и т. д.

Крахмал является важным компонентом пищевых продуктов. Наиболее важное значение для пищевых продуктов имеют свойства крахмала: клейстеризация, вязкость клейстера, студнеобразование. В пищевой промышленности находят широкое применение модифицированные крахмалы - этерифицированные (монофосфатный, поперечно-сшитый), окисленные, модифицированные кислотой, предварительно клейстеризованные.

При производстве пищевых продуктов находит применение микрокристаллическая целлюлоза, для получения которой используют кислотный гидролиз целлюлозы; натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы используется в качестве загустителя, стабилизатора эмульсий и др.

Метилцеллюлозу получают действием метилхлорида на целлюлозу в щелочной среде. Она выполняет функцию водоудерживающего и структурированного агента в пищевых продуктах, умягчителя и стабилизатора эмульсий и др.

Пектин широко применяется при производстве пищевых продуктов благодаря прекрасным желирующим свойствам (фруктовые желе, джемы, другие кондитерские изделия).

4. Наиболее важным процессом превращения углеводов при производстве пищевых продуктов являются: гидролиз олиго- и полисахаридов (кислотный и ферментативный); термическая дегидратация углеводов с образованием фурфурола и оксиметилфурфурола, продуктов трансгликозилирования - изомальтозы и гентиобиозы, ангидросахаров.

Неокислительное потемнение пищевых продуктов включает процессы карамелизации и реакцию Майяра - взаимодействие углеводов с белками или аминами (меланоидинообразование).

Используемая литература

углевод пищевой рацион моносахарид

1. Донченко Л.В., Надыкта В.Д. безопасность пищевой продукции - М.: ДеЛипринт, 2005. - 539 с.

2. Колодязная В.С. Пищевая химия. Учебное пособие. - СПб: СПб ГАХПГ, 1996. - 140 с.

3. Игнатова Л.Г., Кочеткова А.А., Нечаев А.П. и др. Пищевые волокна в продуктах питания // Пищевая промышленность. - 2007. - №5, с. 8 - 10.

4. Нечаев А.П., Траубенберг С.Е. и др. Пищевая химия. Под ред. А.П. Нечаева. - СПб.: ГИОРД, 2007. - 640 с.

5. Арсеньева Т.П., Баранова И.В. Основные вещества для обогащения продуктов питания // Пищевая промышленность. - 2007. - № 1, с. 6 - 8.

6. Пилат Т.П., Иванов А.А. Биологически активные добавки к пище. - М.: Аввалон, 2002. - 710 с.

7. Чепурной И.П. Товароведение и экспертиза кондитерских товаров. - М.: "Дашков и К", 2002. - 416 с.

Размещено на Allbest.ru