Предмет харчової хімії та поживні речовини у харчуванні людини

Серед основних проблем, що стоять перед суспільством в наш час, є забезпечення населення земної кулі продуктами харчування, тому, що від складу і якості продуктів харчування залежить забезпеченість нашого організму пластичним матеріалом і енергією, працездатність, здоров'я, здатність людини до відтворення.

Однією з найважливіших причин погіршення показників здоров'я населення в усьому світі на сьогоднішній день є незадовільне, неповноцінне харчування, що визначається низкою факторів:

· дефіцит вітамінів (аскорбінової кислоти, рибофлавіну (В₂), тіаміну (В₁), фолієвої кислоти, ретинолу (А) і та інших;

· дефіцит мінеральних речовин (кальцію, заліза);

· дефіцит мікроелементів (Селену, Цинку, Йоду, Флуору);

Таким чином, організація здорового харчування населення – складний і багатофакторний процес, що залежить від екологічної ситуації, забезпеченості населення, досягнень медицини, розвитку фундаментальних наук (фізики, хімії, мікробіології), нових технологічних можливостей харчової промисловості. Все це вимагає докорінного вдосконалення технології отримання традиційних продуктів та створення нового покоління харчових продуктів. Ці напрямки в значній мірі охоплюються харчовою хімією.

Предмет харчової хімії – це сфера харчування людини. Харчова хімія – це наука про хімічний склад харчових систем (сировина, напівпродукти, готові харчові продукти) та його зміни в ході технологічного процесу та в організмі людини, про розробку нових методів аналізу та систем управління якістю харчових продуктів.

В усі періоди існування людини добування їжі було життєво важливою проблемою і зараз в багатьох країнах Азії та Африки не вистачає продуктів харчування. В усьому світі виникають проблеми щодо їх якості.

Продукти харчування повинні задовольняти потреби людини в харчових речовинах і енергії, а також виконувати профілактичні та лікувальні функції. Робота в цій області передбачає використання спеціальної термінології, встановленої експертами Міжнародної організації по стандартизації – ISO (ІСО). Якість продукції – це сукупність властивостей і характеристик продукції, які повинні задовольняти потреби людини в основних харчових речовинах (нутрієнтах) з високими органолептичними показниками і забезпечувати безпеку для здоров'я людини. Задоволення потреб населення у високоякісних продуктах харчування - одна з основних соціально-економічних проблем сьогодення. Контроль якості продуктів повинен здійснюватись на виробництві. Виробничий контроль – це контроль дотримання стандартів, медико-біологічних вимог та санітарних норм на всіх етапах виробництва, що включають приймання і зберігання сировини, технологічну обробку, зберігання і реалізацію готової продукції.

Основні класи речовин, що входять до складу продуктів харчування представлені білками, вуглеводами, ліпідами та вітамінами. За класифікацією академіка О.О. Покровського компоненти їжі поділяють на аліментарні – харчові та неаліментарні – нехарчові (рис. 1).

Аліментарні речовини поділяються, в свою чергу, на макронутрієнти та мікронутрієнти. До макронутрієнтів належать білки, жири, вуглеводи та макроелементи, до мікронутрієнтів – мікроелементи та вітаміни.

Нутрієнти, які не синтезуються в організмі або утворюються в недостатній кількості, називаються незамінними, або есенціальними. До них належать незамінні амінокислоти, незамінні жирні кислоти, мінеральні речовини та вітаміни. Вони входять до структури тканинних білків, ліпідів, ферментів, гормонів і забезпечують функціонування організму.

До неаліментарних речовин належать баластні речовини (за теорією адекватного харчування О.М. Уголєва ці речовини віднесені до аліментарних, які необхідні у харчуванні у певних межах – від 20 до 65 г/добу), попередники синтезу біологічно активних речовин, флаворні та шкідливі речовини – отруйні й антиаліментарні речовини.

Рис. 1. Класифікація речовин харчових продуктів

Вода не є поживною речовиною, але вона життєво необхідна, як стабілізатор температури тіла, переносник нутрієнтів (поживних речовин) і травних відходів, реагент і реакційне середовище в ряді хімічних перетворень. Крім того, вода формує органолептичні показники продукту.

Вміст вологи (%) у харчових продуктах змінюється в широких межах: від 5 – 15% в борошні, сухому молоці, маслі, маргарині до 85 – 95% у молоці, фруктах, овочах, пиві, соках.

На відміну від інших речовин, вода характеризується рядом аномалій. Для неї характерні висока температура кипіння 100°C і плавлення 0°C, високі значення теплоти фазових переходів (плавлення 6,01 кДж/моль, пароутворення 40,63 кДж / моль, сублімації 50,91 кДж / моль). Крім того, вода має аномально високу теплоємність і, таким чином, є регулятором температури в живих організмах і в цілому на земній кулі. Вода розширюється при замерзанні, внаслідок чого щільність льоду нижче, ніж води.

Вода при атмосферному тиску може існувати в станах рідини, пари та льоду.

Аномальні властивості води визначаються її структурою. Так в молекулі води шість валентних електронів Оксигену гібридизовані в чотирьох sр³ – орбіталях, які витягнуті до кутів, утворюючи тетраедр. Дві гібридні орбіталі утворюють О–Н ковалентні зв'язки, тоді як інші дві орбіталі мають неподілені електронні пари. Ковалентні О–Н зв'язки, завдяки високій електронегативності атома Оксигену, частково мають іонний характер. Таким чином, молекула води має два негативних і два позитивних заряди по кутах тетраедра, тобто має дипольну структуру. Внаслідок цього, кожна молекула води координована з чотирма іншими молекулами води завдяки водневим зв'язкам, що забезпечує більшу силу взаємодії між молекулами і пояснює особливі фізичні властивості води.

З хімічної точки зору вода є досить реакційноздатною речовиною. Вона реагує з багатьма оксидами металів і неметалів, взаємодіє з активними металами, бере участь в реакціях перетворення білків, ліпідів, вуглеводів.

При додаванні різних речовин до води змінюються властивості як самої речовини, так і води. З зарядженими іонами металів і кислот вода утворює міцні іонні зв'язки. З нейтральними, але полярними молекулами (спирти, аміни, альдегіди, кетони) вода утворює водневі зв'язками (більш слабкі, ніж іонні зв'язки). З неполярними речовинами (вуглеводні) вода хімічно не взаємодіє, але утворює навколо них сітку з молекул води.

У харчових продуктах волога може бути вільною або зв'язаною.

У забезпеченні стійкості продукту при зберіганні важливу роль відіграє співвідношення вільної та зв'язаної вологи.

Вільна волога – це вода, що не зв'язана з полімерами, і доступна для протікання біохімічних, хімічних і мікробіологічних реакцій. Зв'язана волога – це асоційована вода, міцно пов'язана з різними компонентами – білками, ліпідами і вуглеводами за рахунок хімічних і фізичних зв'язків. Для зв'язаної води характерні наступні властивості:

- існує поблизу розчиненої речовини та інших наведених речовин і має властивості, відмінні від властивостей вільної води;

- не може служити розчинником для доданих речовин;

- не замерзає при низьких температурах (-40°С і нижче).

«Зв'язування води» і «гідратація» – це здатність води до асоціації з гідрофільними речовинами різного ступеня міцності. Розмір і сила зв'язування води або гідратації залежить від таких факторів як природа неводного компонента, його сольовий склад, рН, температура. Найбільш міцно зв'язаною є так звана органічно зв'язана вода. Вона являє собою дуже малу частину води в високовологих харчових продуктах і знаходиться, наприклад, в щілинних областях білка або у складі хімічних гідратів. Іншою дуже міцно зв'язаною водою є прилегла волога, що представляє собою моношар при більшості гідрофільних груп неводного компонента. До моношару прилягає багатошарова вода (вода полімолекулярної адсорбції), що утворює декілька шарів за прилеглою водою. Багатошарова вода – ще менш міцно пов'язана волога.

У харчових продуктах є також вода, яка утримується макромолекулярною матрицею. Наприклад, гелі пектину і крохмалю, рослинні і тваринні тканини при невеликій кількості органічного матеріалу можуть фізично утримувати великі кількості води. Ця вода не виділяється з харчового продукту навіть при великому механічному зусиллі. З іншого боку, в технологічних процесах обробки вона веде себе майже як чиста вода. Її, наприклад, можна видалити при висушуванні або перетворити на лід при заморожуванні.

З світової практики відомо, що існує взаємозв'язок між вмістом вологи харчових продуктів та їх збереженням (або псуванням). Однак, часто різні харчові продукти з одним і тим же вмістом вологи псуються по-різному, що можна пояснити різним співвідношенням «вільної» і «зв'язаної» вологи. Щоб врахувати ці фактори, було введено термін «активність води». Цей показник добре корелюється зі швидкістю багатьох руйнівних реакцій.

Активність води (a_w) – це відношення тиску парів води над даним продуктом до тиску парів над чистою водою за тих же умов. За величиною активності води виділяють: продукти з високою вологістю (a_w= 0,9 – 1,0) (фрукти, овочі, молоко й рідкі молочні продукти, варені ковбаси); продукти з проміжною вологістю (a_w= 0,6 – 0,9) (сири, хлібобулочні вироби, в'ялені м'ясні вироби); продукти з низькою вологістю (a_w=0,0 – 0,6) (молоко сухе, борошно, злакові й круп'яні).

Залежність між вмістом вологи (маса води, гН₂О/гСВ) в харчовому продукті і активністю води в ньому при постійній температурі, називається ізотермою сорбції (рис. 2). Очевидно, що в продуктах з високим вмістом вологи «активність води» вища, ніж в продуктах з низьким вмістом вологи.

Рис. 2. Ізотерма сорбції вологи для продуктів з високою вологістю

Встановлено, що в продуктах з низькою вологістю при зберіганні можуть відбуватися процеси окислення жирів, неферментативне потемніння, втрата водорозчинних речовин (вітамінів), псування, викликане ферментами. Роль мікроорганізмів тут мінімальна. У продуктах з проміжною вологістю можуть протікати різні процеси, в тому числі значно зростає роль мікроорганізмів у псуванні. У процесах, що протікають при високій вологості, мікроорганізмам належить вирішальна роль. При цьому дріжджі та цвілі менш чутливі до низького вмісту вологи. Для них сприятливе середовище, якщо в ньому активність води вища за 0,6. Для бактерій і цвілі граничне значення активності води не повинно бути нижчим за 0,9. В цілому процеси псування значно сповільнюються при значеннях а_w= 0,2 – 0,4. Для зниження активності води використовують такі технологічні прийоми, як сушіння, в'ялення, додавання різних речовин (цукор, сіль тощо), заморожування.

1.2.3. Структура і властивості льоду. Роль льоду в забезпеченні стабільності харчових продуктів

Молекула води при кристалізації утворює лід, який має гексагональну кристалічну решітку. Однак, лід за певних умов може існувати і в дев'яти інших кристалічних поліморфних модифікаціях. Заморожування є найбільш поширеним способом консервування (збереження) багатьох харчових продуктів. Необхідний ефект при цьому досягається більшою мірою від впливу низької температури, але також і від утворення кристалів льоду. Утворення льоду в клітинних структурах харчових продуктів і гелях має два важливих наслідки:

1) під час заморожування вода переходить в кристали льоду досить високого ступеня чистоти. Всі неводні компоненти при цьому концентруються в зменшеній кількості води, що не замерзла. Ці зміни можуть збільшити швидкості хімічних реакцій. Таким чином, заморожування має два протилежних впливи на швидкість реакцій:

- зниження температури сповільнює хімічні реакції,

- збільшення концентрації компонентів в незамерзаючій воді може іноді їх прискорювати (за принципом Ле-Шательє).

Проте, в цілому, швидкість хімічних реакцій при заморожуванні харчових продуктів сповільнюється.

2) Об‘єм води, що перетворюється на лід, збільшується приблизно на 9%. При цьому відбувається значна деформація або навіть руйнування клітинних структур, в тому числі і мікробіальних клітин. При цьому може відбуватися загибель мікробіальної клітини, або суттєво знижується її активність. Найбільш стійкими при заморожуванні виявляються спори мікроорганізмів, що містять досить низьку кількість вологи.

Слід зазначити, що структура льоду не ідеальна. Він містить мікротріщини, в яких можлива дифузія молекул води, що не замерзла. Цей факт має певне відношення до швидкості псування харчових продуктів і біологічних речовин в умовах зберігання за низьких температур.

Велика кількість елементів у вигляді мінеральних солей, іонів, комплексних сполук і органічних речовин входять до складу організму та є незамінними нутрієнтами. Щоденне надходження мінеральних речовин з їжею та їх виведення з організму повинно знаходитися у відносній сталості (баланс мінеральних речовин).

В організмі мінеральні речовини містяться в протоплазмі та біологічних рідинах, відіграють основну роль у забезпеченні сталості осмотичного тиску в клітинах і тканинах. Вони входять до складу органічних сполук (наприклад гемоглобіну, гормонів, ферментів), є пластичним матеріалом для побудови кісткової тканини. У вигляді іонів мінеральні речовини беруть участь у передачі нервових імпульсів та інших фізіологічних процесах організму.

Залежно від кількості мінеральних речовин в організмі людини і харчових продуктах, їх поділяють на макро- і мікроелементи. Так, якщо масова частка елемента в організмі перевищує 10^-2%, то його слід вважати макроелементом. Частка мікроелементів в організмі становить 10^{-5 –} 10^-3%. Якщо вміст елемента нижче 10^-5%, його вважають ультрамікроелементом.

До найбільш дефіцитних мінеральних речовин у харчуванні сучасної людини відносяться кальцій і залізо, до надлишкових – натрій і фосфор.

Дефіцит мінеральних речовин, як правило, пов'язаний з незбалансованим харчуванням. Однак, порушення обміну мінеральних речовин може мати місце навіть при їх достатній кількості в їжі. Це відбувається у разі, якщо:

1) методи кулінарної обробки харчових продуктів обумовлюють втрати мінеральних речовин, наприклад, при розморожуванні в гарячій воді або при видаленні відварів овочів і фруктів, куди переходять розчинні солі;

2) відсутня своєчасна корекція складу раціону харчування при зміні потреби організму в мінеральних речовинах, пов'язаної з фізіологічними причинами. Так, наприклад, у людей, що працюють в умовах підвищеної температури зовнішнього середовища, збільшується потреба в калії, натрії, хлорі та інших мінеральних речовинах, у зв'язку з тим, що більша їх частина виводиться з організму з потом;

3) є порушення процесу всмоктування мінеральних речовин в шлунково-кишковому тракті або підвищення втрат рідини (наприклад, крововтрати).

1.3.1. Фізіологічна роль окремих мікроелементів

Кальцій. Це основний структурний компонент кісток і зубів; необхідний для згортання крові, бере участь у регуляції проникності клітинних мембран, в молекулярному механізмі м'язових скорочень. Кальцій належить до елементів, які важко засвоюються.

При недостатньому споживанні Кальцію або при порушенні всмоктування його в організмі спостерігається підвищене виведення його з кісток і зубів. В таких випадках у дорослих розвивається остеопороз – демінералізація кісткової тканини, а у дітей порушується становлення скелета, розвивається рахіт.

Кращими джерелами Кальцію є молоко і молочні продукти, різні сири, зелена цибуля, петрушка, квасоля.

Магній. Цей елемент необхідний для активності ряду ключових ферментів, бере участь у підтримці нормальної функції нервової системи і м'яза серця; має судинорозширювальну дію; стимулює жовчовиділення; підвищує перистальтику (рухову активність) кишечника. При нестачі Магнію порушується засвоєння їжі, затримується ріст, в стінках судин відкладається кальцій, розвивається ряд інших патологічних явищ.

Магнієм багаті в основному рослинні продукти: пшеничні висівки, різні крупи, бобові, курага, чорнослив.

Калій. Він разом з іншими солями забезпечує осмотичний тиск; бере участь у регуляції водно-сольового обміну; кислотно-лужної рівноваги; сприяє виведенню води і шлаків з організму; бере участь у регуляції діяльності серця та інших органів. Він добре всмоктується з кишечника, а надлишок Калію швидко видаляється з організму з сечею. Багатими джерелами Калію є рослинні продукти: курага, чорнослив, родзинки, шпинат, морська капуста, квасоля, горох, картопля та ін.

Натрій. Цей елемент бере участь у підтримці осмотичного тиску в тканинних рідинах і крові; водно-сольового обміну; кислотно-лужної рівноваги. Цей нутрієнт легко всмоктується з кишечника. Іони Натрію викликають набухання колоїдів тканин. В основному іони Натрію надходять в організм за рахунок кухонної солі – NaCl. При надмірному споживанні хлориду натрію відбувається затримка води в організмі, що ускладнює діяльність серцево-судинної системи, підвищує кров'яний тиск.

Доросла людина щодня споживає до 15 г кухонної солі. Цей показник без шкоди для здоров'я можна знизити до 5 г на добу.

Фосфор. Цей елемент бере участь в усіх процесах життєдіяльності організму: регуляції обміну речовин; входить до складу нуклеїнових кислот; необхідний для утворення аденозинтрифосфатної кислоти (АТФ). У тканинах організму і харчових продуктах Фосфор міститься у вигляді фосфатної кислоти та її органічних сполук (фосфатів). Основна його маса знаходиться в кістковій тканині у вигляді фосфату кальцію. При тривалому дефіциті Фосфору в харчуванні знижується розумова і фізична працездатність.

Велика кількість Фосфору міститься в продуктах тваринного походження, особливо в печінці, ікрі, а також в зернових і бобових.

Сульфур. Значення цього елемента в харчуванні визначається, в першу чергу тим, що він входить до складу білків у вигляді сірковмісних амінокислот (метіоніну та цистеїну), а також є складовою частиною деяких гормонів і вітамінів.

Вміст Сульфуру зазвичай пропорційний вмісту білків у харчових продуктах, тому її більше в тваринних продуктах, ніж у рослинних.

Хлор. Цей елемент бере участь в утворенні шлункового соку, формуванні плазми. Він легко всмоктується з кишечника. Надлишок Хлору накопичується в шкірі. Добова потреба в хлорі становить приблизно 5г. Хлор надходить в організм людини в основному у вигляді хлориду натрію.

Ферум. Цей елемент необхідний для біосинтезу сполук, забезпечує дихання, кровотворення; він бере участь в окисно-відновних реакціях; входить до складу цитоплазми, клітинних ядер. Потреба дорослої людини у Ферумі з надлишком задовольняється звичайним раціоном. У легкозасвоюваній формі залізо міститься тільки в м'ясних продуктах, печінці, яєчному жовтку.

Купрум. Купрум відіграє роль в утворенні еритроцитів, розвитку скелета, центральної нервової системи та сполучної тканини. Зазвичай, Купрум з'єднаний з білками, що входять до складу еритроцитів і плазми крові.

Купрум широко поширений в харчових продуктах і в достатку забезпечується добовим раціоном. Надмірне споживання Купруму веде до подразнення і роз’їдання слизових оболонок, ураження капілярів, печінки і нирок.

Йод. Йод є необхідним елементом, який бере участі в утворенні гормону тироксину. При недостатності Йоду розвивається зобна хвороба – захворювання щитоподібної залози. Добова потреба в Йоді часто не забезпечується добовим раціоном. Найбільш багаті Йодом продукти моря.

Флуор. Флуор бере участь у формуванні зубної емалі і входить до складу скелета. Для людини небажані як нестача, так і надлишок Флуору. У першому випадку відбувається руйнування зубної емалі. При надлишку Флуору в організмі його солі накопичуються в кістках, що призводить до остеохондрозу, тобто огрубінню суглобів, утворенню кісткових наростів.

Для профілактики і лікування карієсу зубів використовують різні зубні пасти, порошки, еліксири, жувальні гумки тощо, які містять Флуор.

Цинк. Даний мікроелемент бере участь у біосинтезі білка і метаболізмі нуклеїнових кислот. Цинк дуже важливий для процесів травлення і засвоєння поживних речовин, тому що цинк забезпечує синтез найважливіших травних ферментів у підшлунковій залозі. Добова потреба в Цинку цілком задовольняється звичайним раціоном. Переважно міститься в тваринних продуктах, а також у бобових.

Селен і Молібден входять до складу ферментів оксидоредуктаз, Селен також сприяє засвоєнню Йоду. Молібден гальмує розвиток карієсу.

На Селен багаті зернові продукти, м'ясо (особливо субпродукти), продукти моря. Найбільш багаті на Молібден різні види овочів (наприклад бобові) і внутрішні органи тварин.

Таблиця 1. Симптоми відхилень в організмі людини при нестачі мінеральних речовин

1. Предмет харчової хімії. Проблеми якості харчових продуктів.

2. Класифікація компонентів їжі за О.О.Покровським. Аліментарні та неаліментарні компоненти їжі.

3. Значення води для організму людини. «Вільна» та «зв'язана» волога в харчових продуктах

4. Роль води у харчових продуктах. Агрегатні стани води. Ізотерма сорбції вологи для продуктів з високою вологістю та її аналіз.

5. Активність води. Її вплив на зберігання харчових продуктів.

6. Структура та властивості льоду. Роль льоду в забезпеченні стабільності харчових продуктів.

7. Шляхи потрапляння мінеральних речовин до організму людини. Фізіологічне значення мінеральних речовин в харчуванні людини. Які елементи називаються макро-, мікро- та ультрамікроелементами?

8. Шляхи надходження мікроелементів до організму людини. Фізіологічна значення мікроелементів в харчуванні людини. Наведіть приклади. Чому залізо вважається мікроелементом, незважаючи на його значний вміст в організмі?

9. Шляхи надходження макроелементів до організму людини. Фізіологічна значення макроелементів в харчуванні людини. Наведіть приклади.

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: