Глава 1 химический состав продовольственных товаров

Люди потребляют самые разнообразные продукты питания. Пища младенца и старика, здоровых и больных людей, а также набор продуктов у разных народов могут очень отличаться. Каждый продукт имеет присущий ему химический состав, оказывающий определенный характер воздействия на организм. Наука о питании насчитывает более 50 различных элементов питания, содержание которых в пище должно находится в определенных соотношениях.

Все вещества, входящие в состав продуктов питания, подразделяются на две группы: 1) неорганические и 2) органические.

К неорганическим веществам продуктов питания относятся вода и минеральные вещества, а к органическим - азотистые соединения, углеводы, жиры, кислоты, витамины, ферменты, фенольные, красящие, ароматические и другие вещества.

Все пищевые вещества продуктов подразделяются на макро- и микронутриенты. К макронутриентам (от греч. «макрос» - большой), или основным пищевым веществам относятся белки, жиры и углеводы. Эти вещества нужны человеку в довольно большом количестве. Они называются основными, потому что при их окислении выделяется энергия для осуществления всех функций организма. Микронутриенты (от греч. «микрос» - малый) – витамины, минеральные вещества – нужны человеку в очень малых количествах; они не являются источником энергии, но участвуют в усвоении энергии пищи, в регуляции процессов роста и развития организма. Помимо витаминов и минеральных веществ к классу микронутриентов относят некоторые пищевые вещества, выделенные из отдельных групп макронутриентов. В их число входят представители группы липидов (полиненасыщенные жирные кислоты и фосфолипиды), белков (некоторые аминокислоты), углеводов (отдельные олигосахариды).

Кроме макро- и микронутриентов можно выделить отдельный класс веществ, обычно содержащихся в пищевых продуктах, но не используемых организмом в процессе жизнедеятельности. К таким веществам, объединяемым термином «непищевые», принадлежат различные технологические добавки (ароматизаторы, красители, консерванты, антиоксиданты и др.), ядовитые вещества и т.п. К пищевым веществам относятся также предшественники синтеза биологически активных веществ, ферменты и эубиотики, пищевые волокна.

Из класса микронутриентов в особую группу, объединяемую названием «парафармацевтики», выделяют вещества, оказывающие выраженное фармакологическое действие. В группу парафармацевтиков входят биофлавоноиды, гликозиды, алколоиды, эфирные масла, органические кислоты, биогенные амины, индолы, кумарины и др.

Каждой группе пищевых веществ в процессах питания принадлежит своя особая роль.

Рассмотрим роль и значение отдельных химических веществ, входящих в состав продуктов питания.

1.1. Вода

Из всех веществ, входящих в состав человеческого организма, вода занимает первое место, составляя 65-75 % массы взрослого человека. Установлено, что человеческий организм для совершения происходящих в нем различных физиологических процессов расходует в течение суток от 1,5 до 2,5 л воды. Степень выведения воды из организма определяет его потребность в ней. Суточная потребность в воде составляет около 35-40 г на 1 кг тела, то есть 2,0-2,5 л. Вода поступает в организм с питьем (в среднем 1200 мл в день) и пищей (около 1000 мл), некоторая часть ее (до 350-400 мл) образуется при окислении жиров, углеводов и белков. Живой организм очень чувствителен к недостатку воды: при потере 10 % влаги человек испытывает тяжелое недомогание, а при потере 20 % – наступает смерть. Организм при отсутствии поступления в него пищи может сохранять свою жизнедеятельность в течение 30 и даже более суток при условии ежедневного введения в него 400-500 мл воды, а без воды человек погибает уже на 4-5-е сутки.

Научно обосновано, что слишком большое питье вредно. Когда организм получает излишнее количество жидкости, значительно увеличивается работа сердечно-сосудистой системы и почек. При потоотделении вместе с водой из организма удаляются полезные для него минеральные вещества и растворимые в воде витамины.

Все процессы обмена веществ в организме могут протекать только при достаточном содержании воды в клетках. Непрерывная связь между всеми клетками, тканями и органами, обеспечивающая единство и целостность организма, в значительной мере осуществляется через водную среду организма – кровь, лимфу, спинномозговую жидкость и т. д.

Вода имеет молекулярную массу равную 18,02 и может существовать в состоянии жидкости, пара и льда. Она обнаруживает необычное свойство расширяться при замерзании, вследствие чего плотность льда ниже, чем воды при той же температуре. Другой аномалией воды является ее высокая теплоемкость (наибольшая из всех жидких и твердых веществ) и значительная теплопроводность.

Вода в пищевых продуктах играет важную роль, так как обусловливает консистенцию и структуру продукта, а ее взаимодействие с различными компонентами определяет устойчивость продукта при хранении.

Вода, будучи химически нейтральной жидкостью, обладает очень высокой растворяющей способностью. Химические же реакции осуществляются преимущественно в растворах, поскольку лишь в растворенном виде вещества становятся легко подвижными и, приходя в соприкосновение друг с другом, дают начало разным реакциям. Поэтому вода – среда, в которой совершаются естественные для живого организма процессы синтеза и распада. Вода и сама принимает активное участие в многочисленных реакциях: гидролиза, окисления, гидратации.

В живых организмах содержание в тканях воды обусловливает высокую активность ферментов и, следовательно, интенсивное течение биохимических процессов. При низком содержании воды активность ферментов подавляется. Этим, в частности, объясняется слабая активность биохимических процессов в сухом зерне и высокая - в свежих плодах и овощах.

Протоплазма клеток, тканевые жидкости, а также кровь животных и молоко представляют собой сложные коллоидные растворы белков, других органических, а также неорганических веществ в воде. Живой организм, как указывалось выше, очень чувствителен к недостатку воды, исключение составляют только некоторые микроскопические животные, которые при выслушивании, не погибая, переходят в состояние анабиоза в течение неопределенного длительного времени, а при увлажнении полностью восстанавливают свою жизнеспособность.

По содержанию воды пищевые продукты сильно отличаются. Так, например, плоды и овощи содержат от 70 до 95 % воды, мясо и рыба – от 65 до 80 %, молоко – от 87 до 90, хлеб и хлебопродукты – от 23 до 48, крахмал – от 13 до 20, крупа – от 12 до 15, пищевая соль – от 0,5 до 6, сахар-песок – не более 0,14 % и т.д. Некоторые морские животные содержат 98 % воды, сохраняя при этом определенную форму и структуру, что объясняется присутствием в них водорастворимых белков, способных связывать и лишать подвижности остальные белки. Этим также в значительной степени объясняется твердость и упругость сердца, содержащего воды лишь на 3 % меньше, чем жидкая кровь.

Продукты, содержащие в своем составе большое количеств воды, относятся к скоропортящимся, так как являются благоприятной средой для развития микроорганизмов и быстро подвергаются порче (гниению, плесневению, брожению.)

С количеством воды связана устойчивость многих продуктов при хранении. Например, при влажности зерна не более 15 % можно не опасаться его прорастания. Многие виды овощей вследствие большого содержания воды и высокой активности биохимических процессов довольно быстро прорастают при хранении. Большая часть питательных веществ находится в плодах и овощах в растворенном состоянии, поэтому они представляют хороший субстрат для развития фитопатогенных микроорганизмов.

На обезвоживание растительных и животных тканей основана заготовка пищевых продуктов путем сушки. Большая часть воды в пищевых продуктах находится в свободной подвижной форме. По этой причине можно сравнительно легко высушивать пищевые продукты до содержания воды 7-8 %. Однако удаление каждого последующего процента воды уже связано со значительными трудностями.

При замораживании пищевых продуктов большая часть содержащейся в них воды переходит в лед при температуре около -5С, а для замерзания почти всей воды температуру нужно понизить до -35 и даже -50С.

В специальной литературе вода подразделяется на два вида: свободная и связанная.

Свободная вода – это влага, не связанная полимером и доступная для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций.

Связанная вода – это влага, которая существует вблизи растворенного вещества и других неводных компонентов, имеет уменьшенную молекулярную подвижность и другие свойства, отличающиеся от свойств всей массы воды в той же системе, и не замерзает при -40С.

Наиболее прочно связанной является так называемая органически связанная вода. Она представляет собой очень малую часть воды в высоковлажных пищевых продуктах и находится, например, в щелевых областях белка или в составе химических гидратов. Другой весьма прочно связанной водой является близлежащая (ионная) влага, представляющая собой монослой при большинстве гидрофильных групп неводного компонента. К монослою примыкают мультислойная вода (вода полимолекулярной адсорбции) - менее прочно связанная влага, чем близлежащая, но также существенно отличающаяся от свободной воды. Небольшое количество воды в некоторых клеточных системах может иметь уменьшенные подвижность и давление пара из-за нахождения воды в капиллярах. В продуктах питания имеется также вода, удерживаемая макромолекулярной матрицей. Например, гели пектина и крахмала могут физически удерживать большие количества воды. Именно эта вода составляет главную часть воды в клетках и гелях, и изменение ее количества существенно влияет на качество пищевых продуктов. Например, хранение гелей часто приводит к потере их качества из-за потери этой воды (так называемого синерезиса); консервирование замораживанием тканей часто приводит к нежелательному уменьшению способности к удерживанию воды в процессе оттаивания.

Применительно к пищевым продуктам вода находится в трех формах связи: химической (ионная и молекулярная связи), физико-химической (адсорбционная, осмотическая и структурная связи), физико-механической (влага в капиллярах, микрокапиллярах и влага смачивания).

Преобладающими формами связи влаги в пищевых продуктах являются физико-химическая и физико-механическая.

Химически связанная вода в пищевых продуктах встречается сравнительно редко.

Остановимся лишь на некоторых формах связи влаги, непосредственно влияющих на качество и сроки хранения пищевых продуктов.

Адсорбционно связанная (или гидратационная) вода представляет собой воду, удерживающуюся у поверхности раздела коллоидных частиц с окружающей средой. Эта вода, соединяясь c коллоидными веществами, теряет обычные функции воды - она не действует как растворитель веществ и не замерзает при 0° и даже ниже (замерзает при - 71°С).

Вода связывается гидратационно составными частями клеток, главным образом белками. Большинство белков тканей способно связать при гидратации около 50 г воды на 100 г белков.

Известно, что семена и споры переносят низкие температуры без повреждений. Вода в них находится в гидратационном состоянии и не образует кристаллов льда, способных механически повредить структуру клеток.

Гидратационная вода составляет только лишь небольшую часть общего количества воды тканей организма. Так, в 100 г мышц в среднем содержится 20 г белковых веществ и 75 г воды. Такое количество белков способно связать лишь 10 г воды.

Таким образом, часть воды, входящей в состав тканей тела, находится в связанной форме. Вода, связанная с мицеллами гидрофильных коллоидов в значительной мере лишена обычной подвижности.

Осматически удерживаемая влага (или влага набухания) в отличие от адсорбционно-связанной, не вызывает выделение тепла при присоединении к веществу. Поэтому эта форма связи является менее прочной.

Влага набухания удерживается осмотическими силами. Осматически удерживаемая влага находится в соке клеток, обусловливая их тургор, оказывая влияние на пластические свойства животных тканей.

Макрокапилярная влага - влага, которая находится в капиллярах радиусом более 10^-5 см, микрокапиллярная - менее 10^-5 см. Эта влага удерживается силой в промежутках структурно-капиллярной системы продуктов.

Влага смачивания - влага в каплях на поверхности продуктов. Удерживается силами поверхностного натяжения.

Влагу смачивания, микро-, макрокапиллярную и осмотическую называют полусвободной водой пищевых продуктов.

К связанной воде с химической формой связи относят кристаллизационную влагу, которая входит в состав молекул (молочный сахар С₁₂Н₂₂О₁₁Н₂О, глюкоза С₆Н₁₂О₆Н₂О).

Не всегда удается провести резкую грань между свободной и связанной водой. Чем ближе к коллоидной частице расположены молекулы воды, тем прочнее они удерживаются электростатистическими силами притяжения. По мере удаления от поверхности коллоидной частицы такая связь ослабевает, и слои прочно связанной воды постепенно переходят в слои все менее связанной молекулы которой в крайних слоях могут свободно обмениваться с молекулами свободной воды.

Содержание воды в пищевых продуктах в процессе их перевозки и хранения не остается без изменения. В зависимости от особенностей самих продуктов, а также условий внешней среды они теряют влагу или увлажняются. Естественно, при этом происходит и изменение массы продукта: в первом случае она уменьшается, а во втором - увеличивается.

Таким образом, при прочих равных условиях различные пищевые продукты обладают не одинаковой способностью удерживать влагу, а также обладают разной гигроскопичностью. Это имеет важное значение для разработки оптимальных условий их упаковки, перевозки, хранения и реализации.

Для большинства пищевых продуктов содержание воды является важным показателем качества. Пониженное или повышенное содержание воды указывает на ухудшение качества продукции.