Введение в химию пищи

Введение в химию пищи

1. Предмет, задачи и значение химии пищи

Обеспеченность населения здоровым питанием, решение продовольственной проблемы в любом государстве характеризует жизненный уровень народа. Проблема питания была и остается одной из самых важных как в социально-экономическом, так и в медицинском аспектах. Питание людей в разных странах отличается по своему характеру и направленности, зависит от уровня и конкретных условий проживания, национальных традиций и привычек. Вместе с тем, имеются общие тенденции, которые являются неизбежным результатом цивилизации: увеличение доли рафинированных, подвергнутых кулинарной обработке и подлежащих хранению пищевых продуктов; расширение области применения пищевых добавок; производство комбинированных продуктов питания; использование нетрадиционного пищевого сырья. Наряду с этим, происходит загрязнение продуктов питания потенциально опасными контаминантами химического и биологического происхождения. Человечество вступает в ХХ1 век, который несомненно внесет коррективы в теоретические и практические аспекты питания с учетом демографических изменений в обществе, наличия продовольственных ресурсов, особенностей трудовой деятельности, резкого ухудшения экологической ситуации, новой информации о значении различных компонентов пищи в питании человека.

В настоящее время в результате фундаментальных и прикладных исследований, проведенных учеными России и многих стран мира, накоплена информация о химическом составе пищевых продуктов, о наличии полезных и вредных веществ, об изменении свойств продуктов под воздействием внешних факторов при переработке, консервировании и хранении. Научные знания, современные технологии, технические решения и практический опыт позволяют создавать новые поколения экологически безопасных продуктов питания целевого назначения, которые смогут отвечать медико-биологическим требованиям, предъявляемым к пище ХХ1 века. Важное значение в решении поставленных задач имеет пищевая химия  новая научная дисциплина, которая в настоящее время находится в стадии становления, развития и совершенствования.

Основными направлениями пищевой химии являются:

1. Химический состав продовольственного сырья, полуфабрикатов, готовых продуктов питания, пищевая ценность и экологическая безопасность.

2. Биохимические и физико-химические основы превращения мак-рои микронутриентов в технологических процессах переработки, консервирования и хранения продовольственного сырья и продуктов питания.

3. Научные основы питания и биохимия пищеварения.

4. Научные основы технологий производства и применения пищевых добавок.

5. Научные основы создания экологически безопасных продуктов питания, сбалансированных по макро- и микронутриентам для различных групп населения.

6. Теоретические основы выделения, фракционирования компонентов продовольственного сырья, их модификация.

7. Методы анализа и исследования пищевых систем, их компонентов и добавок.

В первом направлении изучается химический состав продовольственного сырья, полуфабрикатов, готовых продуктов питания, их пищевая ценность и экологическая безопасность. Важное внимание уделяется пищевым (макронутриентам) и биологически активным (микронутриентам) веществам, в том числе эссенциальным (незаменимым) факторам питания незаменимым аминокислотам, витаминам, полиненасыщенным жирным кислотам, а также содержанию, составу и структуре пищевых волокон. Изучаются также ксенобиотики  вредные вещества, попадающие в продукты питания на различных этапах пищевой цепи "производство  переработка  консервирование  хранение  потребление". Проблеме загрязнения окружающей среды и продуктов питания  основных источников поступления вредных веществ (пестицидов, солей тяжелых металлов, микотоксинов, радионуклидов) в организм человека  в последние годы уделяется особое внимание.

Второе направление пищевой химии посвящено биохимическим и физико-химическим изменениям белков, углеводов, липидов, витаминов, минеральных веществ, фенольных и других соединений в технологических процессах переработки, консервирования и хранения продовольственного сырья и продуктов питания. При этом рассматриваются взаимодействие между собой отдельных компонентов пищевой системы, характер возни-

кающих связей, структура и строение образующихся комплексов и ассоциатов, их влияние на состав и свойства получаемых продуктов (пищевая, в том числе биологическая и энергетическая ценность, потребительские свойства и т. д.), а также соответствие ферментных систем организма химическим структурам пищи.

В пищевой химии важное значение придается разработке общей концепции превращений пищевых веществ в различных технологических процессах. Она основывается на знании состава, структуры химических компонентов пищевых систем и теории множественности и неоднозначности химических превращений, протекающих в продуктах под воздействием различных физико-химических, биохимических, микробиологических и других факторов.

Большое внимание уделяется изучению механизма образования устойчивых комплексов и соединений, формированию органолептических показателей качества (вкус, аромат, консистенция), а также доброкачественности продуктов питания.

В третьем направлении изучаются основы адекватного и рационального питания человека, биохимии пищеварения. За последние годы наука о питании пополнилась и обогатилась знаниями о новых закономерностях в формировании потребности в пищевых, балластных и биологически активных веществах; о количественной потребности в отдельных витаминах, микро- и макроэлементах; о потребительских свойствах пищевого сырья, возможности максимального сохранения полезных нутриентов в процессе переработки и хранения пищевого сырья и продуктов питания; об изменении теоретических основ питания  от теории "сбалансированного питания" к теории "адекватного питания".

В четвертом направлении изучаются природные и синтетические пищевые добавки, используемые с целью получения специальных пищевых продуктов, совершенствования технологии производства продуктов питания или придания им определенных свойств, сохранения нативных характеристик качества, улучшения органолептических показателей, увеличения продолжительности хранения.

Важное место в пищевой химии отводится изучению научных основ создания комбинированных, экологически безопасных продуктов питания, сбалансированных по макро- и микронутриентному составу для различных групп населения, что составляет пятое направление курса.

В шестом и седьмом направлениях изучаются теоретические основы выделения, фракционирования и модификации продовольственного сырья, получения композитов, а также методы анализа и исследования пищевых систем, макро- и микронутриентов, пищевых добавок.

2. Пищевая ценность и качество пищевых продуктов

Пищевые продукты  это объекты животного или растительного происхождения, используемые в пищу в натуральном или переработанном виде в качестве источника энергии, пищевых и вкусоароматических веществ. Для производства пищевых продуктов используется продовольственное сырье, представляющее собой объекты растительного, животного, микробиологического, а также минерального происхождения, и вода.

Пищевые продукты подразделяются на следующие группы:

1. Продукты массового потребления, выработанные по традиционной технологии и предназначенные для питания основных групп населения.

2. Лечебные (диетические) и лечебно-профилактические продукты специально созданные для профилактического и лечебного питания. Характеризуются измененным химическим составом и физическими свойствами. В эту группу входят продукты: витаминизированные, с низким содержанием жира (снижение жира на 33%), низкокалорийные (менее 168 кДж/100 г), с повышенным содержанием пищевых волокон, с пониженным количеством

сахара, холестерина, хлористого натрия и других веществ.

3. Продукты детского питания  специально созданные для питания здоровых и больных детей до трехлетнего возраста. К продуктам детского питания предъявляются особые требования по пищевой ценности и безопасности. Для их изготовления используется высококачественное сырье, разрабатываются специальные рецептуры и технологии. Выпускаются специализированные продукты детского питания на молочной, зерновой,

мясной основе, а также продукты из рыбы, плодов, ягод и овощей.

Пищевая ценность  понятие, отражающее всю полноту полезных свойств пищевого продукта, включая степень обеспечения физиологических потребностей человека в основных пищевых веществах, энергию и органолептические свойства. Характеризуется химическим составом пищевого продукта с учетом его потребления в общепринятом количестве. Все вещества, входящие в состав пищевых продуктов и пищи, подразделяются на две группы: органические (белки, углеводы, жиры, пищевые кислоты, витамины, ферменты) и минеральные (вода, макро- и микроэлементы). Среди них имеются вещества, определяющие пищевую, в том числе энергетическую и биологическую, ценность, участвующие в формировании структуры, вкуса, аромата и цвета пищевых продуктов.

Пищевая ценность определяется не только содержанием биологически активных пищевых веществ (нутриентов), но и их соотношением, усвояемостью и доброкачественностью.

Термины "энергетическая" и "биологическая" ценность являются более узким понятием пищевой ценности.

Энергетическая ценность характеризует ту долю энергии, которая может высвободиться из пищевых продуктов в процессе биологического окисления и использоваться для обеспечения физиологических функций организма. Пища является единственным источником энергии для человека. Количество энергии, выделяемой при усвоении организмом пищевых продуктов, называется калорийностью. При окислении одного грамма жира организм получает 9 ккал (37,7 кДж); одного грамма белка  4 ккал (16,7 кДж); одного грамма углеводов  3,75 ккал (15,7 кДж). Это калорийность брутто, т.е. та, которая содержится в продукте и выделяется при его сгорании, или теоретическая энергетическая ценность. Но пищевые вещества усваиваются организмом не полностью. Так, белки усваиваются на 94,5%, жиры  на 94,0%; углеводы  на 95,6%. Поэтому следует теоретическую энергетическую ценность умножать на коэффициент усвояемости. Коэф-

фициент усвояемости сахарозы равен 1, животных жиров 0,85 (за исключением сливочного масла), растительных жиров 0,95, белков в зависимости от их природы 0,8-0,95. Зная содержание в рационе белков, жиров и углеводов и коэффициенты их усвояемости, можно легко рассчитать фактическую энергетическую ценность.

Продукты, входящие в рацион питания, должны содержать вещества, необходимые для получения энергии, обмена веществ и построения тканей. В зависимости от характера, трудовой деятельности, возраста, пола, состояния здоровья человека необходимо в сутки 220-3900 ккал (9218-16341 кДж).

Для организма важно, какие группы пищевых веществ обеспечивают калорийность питания. Для нормальной жизнедеятельности человека необходимо определенное соотношение белков, жиров и углеводов, а также наличие витаминов и минеральных веществ.

Белки должны составлять, в среднем, 12%, жиры 30-35% от общей калорийности рациона, остальное углеводы. В настоящее время энергетическая ценность общедоступного рациона,

соответствующего средним энергетическим затратам человека, составляет 2000-2500 ккал (8380-10500 кДж). В состав этого рациона входят главным образом продукты, подвергнутые кулинарной обработке, консервированию и хранению, значит, и с низким содержанием витаминов и других биологически активных веществ. Как же обеспечить в этом количестве энергии необходимые организму нутриенты? Этот показатель получил название пищевой плотности рациона; характеризуется количеством незаменимых пищевых веществ в 1000 ккал (4190 кДж).

Проблема пищевой плотности рациона может быть успешно решена путем производства низкокалорийных продуктов повышенной пищевой ценности, обогащенных незаменимыми нутриентами.

Биологическая ценность пищевых продуктов определяется главным образом наличием в них незаменимых факторов питания, не синтезируемых в организме или синтезируемых в ограниченном количестве и с малой скоростью. К основным незаменимым компонентам пищи относятся 8-10 аминокислот, 3-5 полиненасыщенных жирных кислот, все витамины

и большинство минеральных веществ, а также природные физиологические вещества высокой биологической активности: фосфолипиды, белковолецитиновые и глюкопротеиновые комплексы. Биологическая ценность пищевых продуктов - более общее понятие и характеризуется биологической ценностью белков, жиров, углеводов, витаминов и минеральных веществ.

Биологическая ценность белка характеризуется степенью соответствия его аминокислотного состава потребностям организма в аминокислотах для синтеза белка, а также способностью к перевариванию. Несмотря на многообразие белковых веществ в природе, в построении организма человека участвует 22 аминокислоты, из которых восемь (лейцин, изолейцин, триптофан, валин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин) являются незаменимыми, так как они не синтезируются в организме и должны поступать извне с продуктами питания. Кроме того, аминокислоты гистидин и цистин незаменимы для организма грудных детей.

Показатель соответствия аминокислотного состава пищевых и синтезируемых белков послужил основой для создания ряда методов определения и сравнения биологической ценности различных пищевых белков. Аминокислотный состав пищевых продуктов сравнивают с аминокислотным составом идеального (гипотетического) белка, принятого экспертным комитетом ФАО-ВОЗ в 1973 г., путем определения аминокислотного

скора (АКС).

Одним из доступных способов расчета АКС является вычисление отношения содержания незаменимых аминокислот (АКн) в исследуемом и идеальном белке.

АКС = m1: m2 ×100%,

где m1, m2 - количество незаменимой аминокислоты в 1 г, соответственно, исследуемого и идеального белка.

В одном грамме идеального белка содержится восемь АКн в следующем количестве, мг: изолейцин - 40; лейцин - 70; лизин - 55; метионин + цистин - 35; фенилаланин + тирозин - 60; триптофан - 10; треонин - 40; валин - 50.

В идеальном белке АКС каждой АКн принимается за 100%. Лимитирующей биологическую ценность АКн считается та, АКС которой имеет значение меньше 100%.

Не все продукты питания полноценны по аминокислотному составу. Животные белки, т.е. белки мяса, молока, яиц, наиболее близки по своему скору идеальному, растительные - дефицитны по отдельным АКн, чаще лизину, метионину, цистину. Несбалансированность аминокислотного состава белков может привести к нарушению обмена веществ, замедлению синтеза белка и роста организма. Избыток одних АКн приводит к недостаточности и плохой усвояемости других.

Существенное значение имеет сбалансированность незаменимых АКн, особенно соотношение таких эссенциальных АКн, как триптофан, метионин и лизин. Оптимальное их соотношение 1 : 2 : 3,5 (4,0). Триптофан участвует в процессе восстановления тканей и содержится в мясе, горохе, фасоли. Метионин предупреждает ожирение почек, поражение легких, способствует образованию инсулина; содержится в мясе и зерновых. Лизин нормализует кровообращение, поддерживает необходимый уровень гемоглобина.

Однако опыты на животных показали, что расчетные данные АКС не совпадают с экспериментальными, которые обычно выше, а простое соответствие аминокислотного состава пищевых и синтезируемых белков дает только примерное представление о биологической ценности белков.

Некоторые исследователи считают, что биологическая ценность белков связана также с особенностями строения белковых компонентов пищи, влияющих на растворимость продукта в воде, на студнеобразование, вязкость, влагоудерживающую способность и на другие молекулярные характеристики продукта. Одна из важнейших характеристик пищевой ценности - перевариваемость пищи  существенно зависит от доступности белковых и других биополимерных соединений к воздействию ферментов.

При применении биологических методов (на животных) для определения биологической ценности белков рассчитывают коэффициент эффективности белка (КЭБ), коэффициент чистой утилизации белка (ЧУБ), показатель биологической ценности белка (ПБЦ), коэффициент ретенции (задержки) азота (КРА) и другие.