Органические вещества

У г л е в о д ы образуются при фотосинтезе в зеленых листьях растений из углекислого газа воздуха и воды. На долю углеводов приходится до 90 % сухого вещества растительных продуктов иоколо 2 % сухого вещества продуктов животного происхождения. Они являются основным источником энергии и занимают в рационе питания первое место (около 56 %). Углеводы также служат пластическим материалом, оказывают тонизирующее действие на центральную нервную систему, участвуют в обмене веществ, выполняют защитные функции.       В зависимости от строения молекул углеводы делятся на моносахариды (простые сахара), ?лигосахариды (сахароподобные сложные углеводы) и полисахариды (несахароподобные сложные углеводы); по пищевой ценности на усвояемые и неусвояемые. К усвояемым углеводам относятся моносахариды, олигосахариды, полисахариды (крахмал, продукты его гидролиза, гликоген); к неусвояемым - клетчатка, гемицеллюлоза, пектиновые вещества.

М о н о с а х а р и д ы представлены альдо- и кетоспиртами, включают пентозы и гексозы.

Пентозы содержат пять углеродных атомов. Пентозы арабиноза, ксилоза и рамноза входят в состав сложных полисахаридов пентозанов, содержащихся в оболочках зерна хлебных злаков, в стержне кукурузных початков, в плодах и овощах. Их содержание в муке пшеничной высшего сорта - 2 %, обойной - 8 %, ржаной - до 10 %. Структурная формула пентоз С₅Н₁₀О₅, в пентозанах содержатся в виде ангидридов С₄Н₈О₄. Пентозаны способны набухать, поглощая 8-кратное количество воды, образуя студни; организмом человека не усваиваются. Пентозы рибоза и дезоксирибоза служат строительным материалом при синтезе нуклеиновых кислот РНК и ДНК.

Гексозы имеют общую формулу С₆Н₁₂О₆. Важнейшие представители глюкоза, фруктоза и галактоза.

Глюкоза и фруктоза содержатся в плодах, овощах, меде. Глюкоза входит в состав олигосахаридов и полисахаридов, в чистом виде усваивается лучше всех других углеводов. Важнейшим потребителем глюкозы является мозг человека: при недостатке глюкозы человек впадает в коматозное состояние.      Фруктоза в некоторых плодах (яблоках, грушах, арбузах) является преобладающим сахаром, входит в состав сахарозы и полифруктозида инулина.      Галактоза в свободном виде в пищевых продуктах не встречается. Она входит в состав молочного сахара, агара, гумми-слизей, гемицеллюлоз. Галактоза содержится в тканях мозга и нервных волокон.

Роль гексоз в технологии пищевых производств очень велика, так как процесс брожения начинается с гексоз (цикл Кребса). Различают брожение спиртовое, молочно-кислое, масляно-кислое, уксусно-кислое, бутановое и другие.

О л и г о с а х а р и д ы имеют общую структурную формулу С₁₂Н₂₂О₁₁.      Лактоза - молочный сахар, содержится в молоке в количестве 4,7 % по массе, состоит из остатков глюкозы и галактозы. Лактоза - хорошая среда для развития молочно-кислых бактерий, поэтому лактоза нормализует микрофлору кишечника, препятствует развитию гнилостных микроорганизмов.      Мальтоза - солодовый сахар. Образуется при кислотном или ферментативном гидролизе крахмала; содержится в крахмальной патоке, солоде; при гидролизе распадается на две молекулы глюкозы.

Сахароза - тростниковый сахар, получают в промышленных масштабах из сахарной свеклы и сахарного тростника. Используется в повседневном питании, входит в состав кондитерских изделий, пищеконцентратов, консервов, содержится в меде, овощах, фруктах. При кислотном или ферментативном гидролизе сахарозы образуется равное количество глюкозы и фруктозы, называемое инвертным сахаром. Реакция идет по уравнению:

                                 _{фермент, кислота}

С ₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О  С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

    сахароза                   глюкоза    фруктоза.

     По такому же уравнению протекает гидролиз других олигосахаридов.    

Свойства сахаров, используемые в пищевых технологиях:

- все сахара имеют сладкий вкус: (сахароза-100; фруктоза-173; инвертный сахар-130; глюкоза-74; мальтоза-32; лактоза-16);

- хорошо растворимы в воде, с повышением температуры растворимость их повышается, при совместном присутствии сахаров их общая растворимость увеличивается. Этим обусловлены антикристаллизационные свойства крахмальной патоки и инвертного сахара;

- все сахара обладают оптической активностью - способностью вращать плоскость поляризации поляризованного луча: (сахароза-(+66), глюкоза-(+52,5), фруктоза-(-91,3), инвертный сахар-(-19,5);

- сахара, имеющие свободные альдегидные или кетонные группы, обладают редуцирующими (восстанавливающими) свойствами. Редуцирующие вещества вследствие высокой реакционной способности и гигроскопичности могут быть причиной потемнения и увлажнения продуктов. Поэтому содержание редуцирующих сахаров в некоторых продуктах (халве, карамели, сахаре-песке и других) ограничивается стандартами;

- редуцирующие сахара могут вступать в реакцию Майяра (меланоидинообразования) с аминосоединениями, за счет этого изменяется вкус,апах и цвет продуктов.

 П о л и с а х а р и д ы

     Крахмал - полимер, состоящий из ангидридов глюкозы, имеет структурную формулу (С₆Н₁₀О₅)_n, где n - несколько тысяч.

Крахмал является основной формой углеводов зерномучных продуктов, картофеля; используется в виде самостоятельного пищевого продукта. Крахмал синтезируется растениями и откладывается в виде крахмальных зерен в клубнях картофеля, плодах, зерне хлебных злаков. Крахмальные зерна имеют форму и размер, типичные для данной культуры, а также определенную температуру клейстеризации:

Вид	Размер зерен	Температура клейстеризации
картофельный	50-100 мкм	55-65 оС
пшеничный	20-40 мкм	60-80 оС
кукурузный	20 мкм	65-75 оС
рисовый	5-10 мкм	70-75 оС

    

Крахмал на 96-98 % состоит из полисахаридов амилозы и амилопектина. Амилоза представлена 100-1000 остатками глюкозы, соединенными  -1-4-гликозидной связью в цепочку. Амилоза растворяется в горячей воде, с йодом дает темно-синее окрашивание. Амилопектин имеет 300-6000 глюкозных остатков, соединенных в цепочки -1-4-гликозидной связью. Примерно через каждые 10 глюкозных колец имеется ответвление, образованное  -1-6-гликозидной связью. Длина внешних цепочек - 15-18 глюкозных остатков. Амилопектин в горячей воде набухает, образуя прочные студни с высокой вязкостью, с йодом окрашивается в фиолетовый цвет.

П од действием ферментов и кислот крахмал гидролизуется.      Кислотный гидролиз протекает по схеме: крахмал декстрины мальтоза глюкоза или в общем виде (С₆Н₁₀О₅)_n + nН₂О = nС₆Н₁₂О₆.

В реакционной смеси накапливаются продукты с различной молекулярной массой. Эта реакция лежит в основе получения крахмальной патоки и кристаллической глюкозы.

Ферментативный гидролиз протекает под действием амилолитических ферментов -  - и  -амилаз. Гидролиз амилозы  -амилазой начинается с неальдегидного конца молекулы, расщепление идет по связи -1-4 полностью до мальтозы. Действуя на амилопектин, -амилаза расщепляет его внешние цепочки, образуя мальтозу и оставляя нетронутым его внутреннее ядро, ограниченное  -1-6-гликозидными связями. 

-амилаза способна разрушать гликозидные связи в любом месте: в смеси накапливаются декстрины, состоящие из 6-8 глюкопиранозных остатков. Эти процессы протекают в условиях хлебопекарного, пивоваренного, спиртового производств.      Гликоген (животный крахмал) откладывается в мышечной ткани и печени животных или в клетках некоторых растений (дрожжей, грибов) как резервный материал. При недостатке сахаров в организме гликоген гидролизуется с образованием глюкозы. Гликоген принимает участие при ферментативном созревании мяса и рыбы.

Инулин - состоит из остатков фруктозы, содержится в цикории, топинамбуре, батате. Инулинсодержащие продукты используются для питания больных сахарным диабетом.

Клетчатка - содержится в продуктах растительного происхождения (оболочках плодов, овощей, зерна, стеблях растений). Имеет молекулярную массу большую, чем у крахмала; состоит из остатков глюкозы; в воде нерастворима; организмом человека не усваивается. Чем больше клетчатки, тем ниже пищевая ценность продукта; но клетчатка усиливает перистальтику кишечника, способствует выведению канцерогенных веществ, снижает уровень холестерина в крови, препятствуя развитию атеросклероза. Клетчатка находит широкое техническое применение для производства упаковочных материалов (бумага, целлофан), получения технического гидролизного спирта.

Гемицеллюлозы - сопутствуют клетчатке, имеют меньшую молекулярную массу. Содержатся в семенах, отрубях, орехах, кукурузных початках; пищевой ценности не имеют.

Пектиновые вещества - это этиловые или метиловые эфиры полигалактуроновой кислоты. Содержатся в плодах, овощах, сахарной свекле в виде протопектина, нерастворимого в холодной воде, и в виде растворимого гидратопектина. При нагревании протопектин переходит в растворимую форму, выделяя арабан. В растениях пектиновые вещества выполняют роль клеточных мембран. При порче плодов пектин этерифицируется, отщепляя метиловый спирт, ядовитый для организма человека. Этим обусловлено низкое качество плодово-ягодных вин. Пектиновые вещества не усваиваются организмом человека, но играют в физиологии важную роль. Они образуют комплексные соединения с тяжелыми металлами и выводят их из организма, являясь важным природным средством профилактики специфических профессиональных заболеваний. В технологии используется способность пектиновых веществ в присутствии кислоты и сахарозы (в соотношении 1:1:65) образовывать прочные фруктовые студни. На этом свойстве пектиновых веществ основано производство джема, повидла, мармелада, фруктовых начинок и других. В то же время пектиновые вещества повышают вязкость и мутность растворов, затрудняют фильтрование соков и прессование мезги.

  Лекция 4.