1.2. Минеральные вещества

Современная биохимия отводит весьма важную роль минеральным или зольным веществам (при сжигании тканей любого организма они остаются в золе). Роль минеральных веществ в организме человека чрезвычайно разнообразна. Минеральные вещества содержатся в протоплазме и биологических жидкостях, играют основную роль в обеспечении постоянства осмотического давления, что является необходимым условием для нормальной жизнедеятельности клеток и тканей. Они входят в состав сложных органических соединений (гемоглобина, гормонов, ферментов и др.), являются пластическим материалом для построения костной и зубной ткани и участвуют в поддерживании кислотно-щелочного равновесия в организме. В теле человека и животных содержится около 70 минеральных элементов.

Минеральные элементы составляют 5 % массы организма человека. Так в организме взрослого человека (70 кг) содержится более 1000 г кальция (кости), 700 г фосфора, 245 г калия, 175 г серы, 105 г натрия, 35 г магния, 3 г железа, 2,3 г цинка, 1,2 г рубидия, 100 мг меди, 20 мг марганца, 5 мг кобальта и др.

Минеральный состав живого организма с возрастом изменяется, а точнее при старении происходит минерализация организма; у новорожденных детей на 1 кг массы тела приходится около 34 г минеральных веществ, а у взрослого человека количество их составляет более 43 г на 1 кг.

Ежедневное поступление минеральных веществ с пищей должно находиться на уровне ежесуточного вывода их из организма (20-30 г).

В зависимости от количества минеральных веществ в организме человека и пищевых продуктах их подразделяют на макро- и микроэлементы. Если массовая доля элемента в организме превышает 10^-2 %, то его следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10^-3-10^-5 %. Если содержание элемента ниже 10^-5 %, его считают ультрамикроэлементом. К макроэлементам относят калий, натрий, кальций, магний, фосфор, хлор и серу. Они содержатся в количествах, измеряемых сотнями и десятками миллиграммов на 100 г тканей или пищевого продукта. Микроэлементы входят в состав тканей организма в концентрациях, выражаемых десятыми, сотыми и тысячными долями миллиграмма – это барий, бром, йод, кобальт, марганец, медь, цинк, молибден, фтор, свинец и др. К ультрамикроэлементам относятся радиоактивные элементы – радий, уран, торий и др.

Однако для живых организмов и пищевых продуктов, полученных из различных функциональных органов растений или животных, приведенная выше градация элементов в известной степени является условной. Так йод и цинк, содержащиеся в золе целого организма в ничтожных количествах, в золе гормона щитовидной железы тироксина или фермента инсулина, соответственно могут обнаруживаться в довольно больших количествах.

Некоторые элементы, необходимые для организма растений и животных в ничтожно малых количествах (медь, свинец, цинк и др.), при содержании в значительных размерах становятся ядовитыми и опасными для жизни. Особенно большую опасность в этом отношении представляют собой консервированные пищевые продукты, обработанные в медной аппаратуре и хранившиеся в герметически закрытых металлических банках в течение более или менее длительного времени.

По этой причине в пищевых продуктах на содержание таких элементов, как свинец, мышьяк, медь, олово и ряд других, обращается особое внимание. Некоторые из них совершенно не допускаются (даже в виде следов) – свинец, мышьяк, а другие строго регламентируются. Например содержание меди допускается до 10 мг/кг, цинка - до 50, а олова – до 200 мг/кг.

Потребность организма в минеральных веществах обеспечивается пищей, поэтому продукты питания должны содержать в своем составе достаточное количество минеральных соединений, чтобы возместить потерю этих веществ в процессе жизнедеятельности организма.

Количество минеральных веществ в продуктах питания сравнительно невелико и зависит от природных свойств продукта. Так, например, в молоке их содержится примерно от 0,6 до 0,8 %, в яйце – около 1, в говядине – от 0,9 до 1,2, в рыбе - от 1 до 1,7 , в крупах – от 0,5 до 2,0.

Недостаток или избыток в питании каких-либо минеральных веществ вызывает нарушение обмена белков, жиров, углеводов, витаминов, что приводит к развитию ряда заболеваний.

Ниже приведены характерные симптомы при дефиците различных минеральных веществ в организме человека:

Ca – замедление роста скелета;

Mg – мышечные судороги;

Fe – анемия, нарушения иммунной системы;

Zn - повреждение кожи, замедление роста, замедление полового созревания;

Cu – слабость артерий, нарушение деятельности печени, вторичная анемия;

Mn – бесплодие, ухудшение роста скелета;

Mo – замедление клеточного роста, склонность к кариесу зубов;

Co – злокачественная анемия;

Ni – учащение депрессии, дерматит;

Cr – симптомы диабета;

Si – нарушение роста скелета;

F – кариес зубов;

J – нарушение работы щитовидной железы, замедление метаболизма;

Se – слабость сердечной мышцы.

Перечисленные причины заболеваний могут иметь место и при достаточном количестве отдельных минеральных веществ в продуктах, но при несбалансированном питании, применении методов кулинарной обработки пищевых продуктов, обусловливающих потери минеральных веществ (размораживание мяса и рыбы в горячей воде, удаление отваров плодов и овощей и др.), отсутствии коррекции состава рационов при изменении потребности организма в минеральных веществах и др.

Из всех минеральных веществ, находящихся в организме человека, наибольшее значение имеют кальций, фосфор и железо, значительную роль играют также натрий, калий, магний, медь, хлор, сера, йод.

Кальций – это основной структурный компонент костей и зубов; он входит в состав ядер клеток, клеточных и тканевых жидкостей. Однако кальций выполняет не только пластические функции, но и влияет на многие биохимические процессы в организме – участвует в регуляции проницаемости клеточных мембран, в процессах передачи нервных импульсов, в механизме мышечных сокращений, контролирует активность ряда ферментов.

Суточная потребность в кальции взрослого человека составляет 800-1200 мг. В повышенных количествах его нуждаются беременные и кормящие женщины (до 1500-2000 мг), а также дети, в организме которых кальций усиленно используется на образование костей. Недостаток кальция вызывает в организме деформацию скелета, ломкость костей и атрофию мышц. У детей, как правило, развивается рахит, а у взрослых - остеопороз – деминерализация костной ткани.

Кальций относится к трудноусвояемым элементам, так как он практически не растворим в воде. Усвояемость кальция организмом человека в значительной степени зависит от наличия в пище фосфатов, жиров, соединений магния и др. При избытке жиров значительная часть кальция выводится из организма, а повышенное количество фосфора в пище приводит к резкому снижению усвояемости кальция. Очень важную роль в усвоении кальция играет витамин Д, который содействует его отложению в костях в виде фосфорно-кислого кальция.

Лучшими источниками кальция являются молоко и молочные продукты, различные сыры и творог (100-1000 мг/100 г продукта); значительное количество его в овощах, фруктах и ягодах - от 7 (яблоки) до 89 (цветная капуста). В пище животного происхождения (яйца, мясо, рыба) количество кальция составляет 20-40 мг/100 г продукта. Кальций молока, молочных продуктов, плодов и овощей относится к легкоусвояемым соединениям.

Фосфор входит в состав всех тканей организма, особенно мышц и мозга. Во всех живых организмах фосфор участвует в разнообразных химических превращениях: в двигательных реакциях живых существ, в усвоении солнечной энергии зеленым листом, в дыхании и многих других процессах. В живом организме фосфор находится в виде фосфорной кислоты и частично неорганических солей – фосфатов. Фосфорная кислота является главной составной частью особого вещества – аденозинтрифосфата (АТФ), в котором запасается энергия, освобождающаяся при окислении органического вещества, для последующего использования в разных реакциях.

Высокой биологической активностью отличаются комплексные соединения фосфора с белком, с жирными и другими кислотами. К ним относятся нуклеопротеиды клеточных ядер, фосфатиды (лецитин), АТФ и др.

При постоянном дефиците фосфора в питании организм использует собственный фосфор из костной ткани. Это приводит к деминерализации костей и нарушению их структуры – разрежению. При обеднении организма фосфором снижается умственная и физическая работоспособность, отмечается потеря аппетита, апатия.

Суточная потребность в фосфоре для взрослых составляет 1200 мг; она возрастает при больших физических нагрузках или умственных нагрузках. Особенно чувствительны к недостатку фосфора в питании дети, беременные и кормящие женщины.

Большое количество фосфора содержится в продуктах животного происхождения, особенно в печени и икре рыб, а также в зерновых и бобовых. Его содержание в этих продуктах составляет от 100 до 500 мг в 100 г продукта. Богатым источником фосфора являются крупы (овсяная, перловая), в которых содержится 300-350 мг фосфора/100 г.

Из растительных продуктов соединения фосфора усваивается только на 55-60 %, а из животных - на 95%. Для повышения усвояемости фосфора, входящего в состав круп и бобовых, их перед кулинарной обработкой необходимо замачивать.

Железо является составной частью гемоглобина крови и переносчиком кислорода; оно необходимо для биосинтеза соединений, обеспечивающих дыхание и кроветворение. Железо участвует в иммунобиологических и окислительно-восстановительных реакциях и входит в состав некоторых ферментов (каталазы, пероксидазы, цитохромоксидазы). Лучшему усвоению железа организмом способствует витамин В₁₂, а также аскорбиновая кислота.

Недостаток железа в организме может привести к малокровию (анемии) и нарушению клеточного дыхания – то есть фундаментальных процессов обеспечивающих жизнь.

Суточная потребность человека в железе составляет 15 мг.

Железо содержится как в продуктах животного так и растительного происхождения. Много его в печени (8,4 мг%), в говядине и курином яйце (3,0 мг%), в фасоли (7,9 мг%), ржаном хлебе (3,0 мг%); в свежих плодах и овощах его количество составляет 0,6 (морковь) – 2,0 (яблоки) мг%. Однако в легкоусвояемой форме железо содержится только в мясе, мясных продуктах, печени и яичном желтке.

Калий вместе с другими солями обеспечивает осмотическое давление клеток и участвует в регуляции водно-солевого обмена. Он уменьшает водоудерживающую способность белков, снижая их гидрофильность, и тем самым способствует выведению из организма воды, а следовательно и шлаков из организма; поддерживает кислотно-щелочное равновесие внутренней среды организма, а также участвует в регуляции деятельности сердца и других органов.

Суточная потребность в калии взрослого человека составляет 2000-5500 мг. Оно увеличивается при обильном потоотделении, а также при заболеваниях сердца и печени.

Основная часть калия поступает в наш организм с продуктами растительного происхождения. Богатыми источниками калия являются: фасоль (1144 мг%), горох, картофель, чернослив, морская капуста, многие плоды (от 100 до 600 мг%); в говядине, яйцах, коровьем молоке, сыре его содержится от 89 мг% (сыр) до 338 мг%(говядина).

Калий не является дефицитным нутриентом в питании, и при разнообразном питании его дефицит не возникает.

Натрий содержится во всех тканях и биологических жидкостях организма. Он участвует в подержании осмотического давления в тканевых жидкостях и крови, в регуляции кислотно-щелочного равновесия, в водно-солевом обмене. Ионы натрия вызывают набухание коллоидов тканей, что обуславливает задержку воды в организме и противодействует ее выделению. Задержка воды в организме осложняет деятельность сердечно-сосудистой системы и способствует повышению кровяного давления. Поэтому потребление соли при сердечно-сосудистых заболеваниях в пищевом рационе ограничивают.

Суточная потребность взрослого человека в натрии составляет 4-6 г, что соответствует 10-15 г поваренной соли. Натрий естественно присутствует практически во всех пищевых продуктах. Обычные пищевые рационы содержат достаточное количество натрия, так как в пищу добавляется поваренная соль. Содержание поваренной соли в пище человека без ущерба для здоровья можно сократить до 5 г в сутки. На выделение хлористого натрия из организма влияет количество солей калия, получаемого организмом. Растительная пища, особенно картофель, богата калием, поэтому усиливает выделение натрия, а следовательно, и повышает потребность в нем.

Содержание натрия в отдельных пищевых продуктах следующее (мг%): хлеб ржаной - 701, рис – 25, картофель – 21, сыр – 606, яблоки – 11, говядина – 84, яйцо – 143, молоко коровье – 51.

Магний участвует в поддержании нормальной функции нервной системы и мышцы сердца, оказывает сосудорасширяющее действие и стимулирует желчеотделение. При недостатке магния нарушается усвоение пищи, задерживается рост, в стенках сосудов откладывается кальций. Усвоению магния мешает избыток жиров и кальция в пище.

Суточная потребность организма в магнии составляет 300-400 мг. Им в основном богаты продукты растительного происхождения. Большое количество магния содержат пшеничные отруби и различные крупы (40-200 мг%), бобовые, чернослив. Мало магния в молочных продуктах, мясе, рыбе, большинстве овощей и фруктов (20-40 мг%).

Марганец принимает активное участие в образовании многих ферментов, формировании костей, процессах кроветворения, а также стимулирует рост; в растениях он усиливает процесс фотосинтеза и образования витамина С. Недостатком является то, что от всего количества марганца, поступившего в организм, усваивается только 3 %. Суточная потребность в элементе составляет 5-10 мг.

Растительные продукты питания содержат марганца больше, чем животные. Больше всего его находится в клюкве, чае, какао, фруктах и овощах (100-200 мкг%).

Фтор принимает активное участие в пластических процессах при формировании костной ткани и зубной эмали; при недостатке его развивается кариес зубов (разрушение зубной эмали). Избыток фтора вызывает изменение цвета (крапчатость) и формы зубов, остеохондроз и костные наросты. Поэтому ряд ученых выступает против фторирования воды. Основным источником поступления фтора в организм человека является вода; растворенный в воде он лучше усваивается, чем находящийся в продуктах питания. Степень удерживания фтора в организме снижается с возрастом; у взрослых людей его содержание находится в состоянии равновесия.

Фтор содержится практически во всех пищевых продуктах, но больше всего его в рыбе, чае, отдельных овощах и хлебе из муки простых помолов. Для профилактики и лечения кариеса зубов используют различные зубные пасты, эликсиры, жевательные резинки, в которые добавляется фтор в неорганической форме.

Йод является необходимым элементом, участвующим в образовании гормона тироксина. В организме взрослого человека содержится около 25 мг йода, половина которого находится в щитовидной железе. При недостаточности элемента развивается заболевание щитовидной железы - зобная болезнь.

Содержание йода в продуктах растительного и животного происхождения во многом зависит от его количества в почве.

Потребность в элементе составляет 100-150 мкг в день. Для предупреждения зобной болезни предприятия пищевой промышленности добавляют в поваренную соль йодид калия (йодированная соль) в количестве 25 мг на 1 кг соли. Однако при хранении этой соли йод постепенно улетучивается, а поэтому через полгода йодированную соль реализуют как обычную.

Содержание йода в обычных пищевых продуктах как правило невелико (4-15 мкг%). Особенно богаты йодом продукты моря: морская рыба – 50мкг%, печень трески - до 800 мкг%, морская капуста, в зависимости от вида и сроков сбора – от 50 до 70000 мкг%.

Селен. Во второй половине ХХ столетия (60-х г.г.) было установлено, что причиной эндемической кардиомиопатии у животных и людей (болезнь Кешана) является дефицит селена в почве. Было выявлено, что этот элемент необходим для активации важнейших ферментов антиоксидантной системы организма – глутатионпероксидазы. Данный фермент предотвращает активацию перекисного окисления липидов мембран. Указанный процесс вызывает нарушение структурной и функциональной целостности мембран клеток, что повышает проницаемость клеточных структур. Особенно при недостатке селена страдает сердечно-сосудистая система, что проявляется прогрессирующим атеросклерозом и слабостью сердечной мышцы. Кроме этого было установлено, что селен является необходимым коферментом йодпероксидазы – основного фермента синтеза гормонов щитовидной железы. Ученые подтвердили мнение древнекитайской медицины о том, что селен способствует замедлению процесса старения организма и продлению жизни.

Важнейшими источниками селена являются зерно и зернопродукты, мясо (особенно субпродукты) и продукты моря, в которых обычно содержится более 0,2 мг/кг в пересчете на сырую массу; овощи и фрукты являются бедными источниками поступления селена.

Цинк в качестве кофермента участвует во многих реакциях биосинтеза белка и метаболизме нуклеиновых кислот, обеспечивающих рост и половое созревание организма. В последнее время изучается роль цинка в предотвращении гипертрофических процессов в предстательной железе. Он оказывает влияние на жировой обмен, усиливая расщепление жиров и предупреждая ожирение печени. Наряду с витаминами группы В цинк является важным регулятором функций нервной системы. В условиях дефицита цинка могут возникать эмоциональные расстройства, эмоциональная неустойчивость и раздражительность. Среднесуточное поступление цинка в организм человека через пищу составляет 12 мг, а с водой – 400 мкг. Наиболее богаты им мясные (20-60 мкг/кг) и молочные (3-5 мкг/кг) продукты, а также орехи и крупы.

Хлор участвует в образовании желудочного сока и формировании плазмы. Он совместно с натрием, играет важную роль в создании и регулировании осмотического давления крови и других жидкостей организма. Нарушения в обмене хлора ведут к развитию отеков и недостаточной секреции желудочного сока. Суточная потребность в хлоре составляет около 5000 мг. Он поступает в организм человека в виде хлористого натрия при добавлении его в пищу. В пищевых продуктах хлор содержится в незначительных количествах; меньше его в продуктах растительного происхождения и несколько больше в продуктах животного происхождения. Так, хлор содержится: в мясе – 76 мг%, молоке – 106, яйцах – 106, сыре – 880, картофеле – 54, яблоках – 5 мг%.

Сера является составной частью белков в виде серосодержащих аминокислот (метионина и цистина), а также входит в состав некоторых гормонов и витаминов. Потребность в элементе резко возрастает в период беременности и роста организма. Суточная потребность в сере составляет 400-600 мг. В наибольших количествах она содержится в хлебных продуктах, молоке и молочных продуктах, мясе, рыбе и особенно в яйцах.

Для нормального физиологического состояния организма человека необходимо поддерживание кислотно-щелочного равновесия. Для этого в организме очень важно наличие щелочных минеральных веществ, способных нейтрализовать кислоты. При их недостатке в пище наблюдаются сдвиги кислотно-щелочного равновесия в сторону кислотности (ацидоза). К кислотным элементам принадлежат сера, фосфор, хлор. Щелочными элементами являются натрий, калий, кальций, магний. Необходимо иметь в виду, что в одних пищевых продуктах преобладают кислотные элементы, в других – щелочные. При составлении пищевых рационов необходимо подбирать продукты таким образом, чтобы в них преобладали щелочные элементы.

Щелочные минеральные элементы находятся главным образом в продуктах растительного происхождения. При недостатке их в организме накапливаются свободные кислоты, изменяющие нормальную реакцию тканевых соков, что ведет к серьезным нарушениям.

Все пищевые продукты можно разделить на две группы:

– продукты, в которых преобладают щелочные соли. Такие продукты, как правило, бедны белковыми веществами, в них также содержится мало жиров. К ним принадлежат главным образом продукты растительного происхождения; из продуктов животного происхождения к этой группе относится молоко;

– продукты, в которых преобладают кислотные минеральные вещества. В большинстве случаев они содержат в основном белки и жиры. В эту группу входят мясо и мясные продукты, рыба и рыбные продукты, яйца, сыр, творог. Сюда относятся и некоторые растительные продукты: злаковые, бобовые и орехи.

В пищевых продуктах количество зольных элементов зависит от минерального состава сырья, из которого они готовятся, а также от рецептуры и схемы технологического процесса. Иллюстрацией может служить пшеничное зерно, в составных частях которого минеральные вещества распределены неравномерно: в оболочке – около 4%, зародыше – свыше 5, а в эндосперме – до 1 %. Вследствие этого в зависимости от схемы размола зерна различные сорта пшеничной муки характеризуются различным содержанием золы.

При переработке пищевого сырья происходит снижение содержания минеральных веществ. Так, содержание ряда макро- и особенно микроэлементов при получении крупы и муки после обработки зерна снижается, так как в удаляемых оболочках и зародышах этих компонентов находится больше, чем в целом зерне. Например, в зерне пшеницы и ржи зольных элементов содержится около 1,7 %, а в муке высшего сорта – только 0,5 %. При очистке овощей и картофеля теряется от 10 до 30 % минеральных веществ. Если их подвергают тепловой кулинарной обработке, то в зависимости от технологии (варки, обжаривании, тушении) теряется еще от 5 до 30 %.

Минеральные вещества готовых к потреблению продуктов могут быть двоякого происхождения: эндогенного и экзогенного.

К эндогенным следует отнести вещества, которые являются естественными составными частями в растительных и животных организмах, используемых в качестве сырья для изготовления данного продукта. Иначе говоря, эти минеральные вещества по своему происхождению являются биогенными.

Экзогенными являются минеральные вещества, добавляемые при изготовлении продуктов в виде солей (соли фосфорной и органических кислот, поваренная соль, сода), а также попадающие в продукты вместе с водой при их изготовлении. К ним следует отнести и минеральные вещества, засоряющие пищевые продукты: песок, землю и другие примеси, нерастворимые в 10 % соляной кислоте и резко снижающие качество и сортность пищевых продуктов.

По этой причине, как правило, чем выше зольность пищевых продуктов, тем ниже их качество, в особенности вследствие присутствия минеральных веществ, загрязняющих продукт. Вот почему при определении качества и сортности некоторых пищевых продуктов предусматривается определение золы, нерастворимой в 10 % соляной кислоте (кофе в зернах, зерновые, некоторые мучные кондитерские изделия и др.)

Содержание минеральных веществ в пищевых продуктах выражается, как правило, в миллиграмм-процентах (мг% – количество миллиграммов вещества в 100 г продукта).

При хранении и транспортировке пищевых продуктов содержание минеральных веществ в них по сравнению с другими веществами изменяется незначительно.