І.П. Клименко

ХАРЧОВА ХІМІЯ

Навчальний посібник

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ЕКОНОМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

І.П.Клименко

Харчова хімія

Навчальний посібник

Одеса ОНЕУ 2013

УДК [664:54](075.8)

ББК 24:36я73

К49

Рекомендовано Вченою радою Одеського національного економічного університету (протокол № від 2013 року)

Рецензенти:

В. О. Омаров - кандидат хімічних наук, доцент

М. М. Мадані - кандидат технічних наук, доцент

О. Б. Гуляєнко - кандидат хімічних наук, доцент ОНПУ

Клименко І.П. Харчова хімія: Навчальний посібник. – Одеса: ОНЕУ, ротапринт, 2013 – 260 с.

Навчальний посібник «Харчова хімія» рекомендовано студентам спеціальності «Готельно-ресторанна справа», а також як додаткова література студентам спеціальності «Експертиза товарів та послуг» денної форми навчання. У посібнику представлені такі основні розділи курсу «Харчова хімія»: макро- та мікроелементи, ферменти, розчини, основи аналізу та дослідження харчових систем, білки, жири, вуглеводи, вітаміни, харчові кислоти тощо, наведені контрольні питання та перелік рекомендованої літератури.

Наведено характеристику основних функціональних класів харчових добавок, їх технологічні властивості, місце в сучасному раціоні харчування людини, гігієнічне регламентування у продуктах харчування.

Приділено увагу проблемам безпеки сировини та харчових продуктів.

ЗМІСТ

ВСТУП 5

РОЗДІЛ І. ВВЕДЕННЯ В ХАРЧОВУ ХІМІЮ 6

1.1. Основні поживні речовини 6

1.2. Основні напрямки харчової хімії 11

1.3. Класифікація сучасних продуктів харчування 14

1.4. Теорії та концепції харчування 23

1.5. Перший принцип раціонального харчування 29

1.6. Другий принцип раціонального харчування 35

1.7. Третій принцип раціонального харчування 38

1.8. Рекомендовані норми споживання харчових речовин та енергії 40

1.9.Харчовий раціон сучасної людини. Основні групи харчових продуктів 44

1.10. Концепція здорового харчування. Функціональні інгредієнти та продукти 46

Контрольні питання та завдання: 49

РОЗДІЛ ІІ. БІЛКИ: БУДОВА, ВЛАСТИВОСТІ ТА ЇХ ФУНКЦІЇ 51

2.1.Структура білків 54

2.2. Фізико-хімічні властивості амінокислот та білків 56

2.3. Класифікація білків 57

2.4. Обмін білків. Норми споживання білку. 62

2.5. Перетворення білків у технологічному процесі 67

2.6. Білки харчової сировини 68

2.7. Ферменти 72

2.8. Загальні властивості ферментів 72

2.9. Класифікація та номенклатура ферментів 74

Контрольні запитання та завдання: 75

РОЗДІЛ ІІІ. ВУГЛЕВОДИ 77

3.1. Фізичні та хімічні властивості вуглеводів 79

3.2. Хімічні властивості моносахаридів 82

3.3. Складні вуглеводи 86

3.4. Некрохмальні полісахариди 92

3.5. Вуглеводи в харчових продуктах 95

3.6. Функції вуглеводів у харчових продуктах 98

3.7. Обмін вуглеводів 99

3.8. Перетворення вуглеводів під час виробництва харчових продуктів: 101

Контрольні запитання та завдання: 102

РОЗДІЛ IV. ЛІПІДИ (ЖИРИ ТА ОЛІЇ) 105

4.1. Фізіологічне значення ліпідів. Обмін ліпідів 105

4.2. Будова жирів 106

4.3. Вищі жирні кислоти 108

4.4. Харчова цінність олій та жирів 115

4.5. Класифікація ліпідів 116

У харчовій хімії ліпіди часто класифікують за походженням (рис.8). 116

4.6. Фізичні та хімічні властивості жирів 122

4.7. Методи виділення ліпідів з сировини, перетворення ліпідів при виготовленні продуктів харчування. Обмін жирів 125

Контрольні запитання та завдання: 126

РОЗДІЛ V. ВОДА 129

5.1. Вода в природі і її роль у життєвих процесах 129

5.2. Активність води та вплив на зберігання продуктів 131

Контрольні запитання та завдання: 134

РОЗДІЛ VI. МІНЕРАЛЬНІ РЕЧОВИНИ, МАКРО- ТА МІКРОЕЛЕМЕНТИ 135

6.1. Роль мінеральних речовин в організмі людини 135

6.2. Макроелементи 141

6.3. Мікроелементи 150

6.4. Вплив технологічної обробки на мінеральний склад харчових продуктів 165

Контрольні запитання та завдання: 166

РОЗДІЛ VII. ВІТАМІНИ ТА ХАРЧОВІ КИСЛОТИ 169

7.1. Водорозчинні вітаміни 173

7.2. Жиророзчинні вітаміни 177

7.3. Вітаміноподібні сполуки 179

7.4. Вітамінізація продуктів харчування 179

7.5. Органічні кислоти як регулятори рН харчових систем. Хімічна природа та фізико-хімічні властивості найважливіших харчових кислот 180

7.6. Харчові кислоти та їх вплив на якість продуктів 184

7.7. Регулятори кислотності харчових систем 185

7.8. Харчові кислоти в харчуванні 187

Контрольні запитання та завдання: 188

РОЗДІЛ VIII. ХАРЧОВІ І БІОЛОГІЧНО АКТИВНІ ДОБАВКИ ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ХАРЧОВІ ДОБАВКИ 191

8.1. Визначення. Класифікація 191

8.2. Загальні підходи до підбору технологічних добавок. Безпека харчових добавок 199

8.3. Речовини, які поліпшують зовнішній вигляд харчових продуктів 202

8.4. Речовини, що впливають на смак та аромат харчових продуктів 205

8.5. Харчові добавки, які уповільнюють мікробіологічне та окислювальне псування харчової сировини та готових продуктів 213

Контрольні запитання та завдання: 221

РОЗДІЛ IX. БЕЗПЕКА ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ 224

9.1. Класифікація чужорідних речовин та шляхи їх надходження в продукти харчування 226

9.2. Навколишнє середовище – основне джерело забруднення сировини та харчових продуктів 226

9.3. Токсичні елементи 229

9.4. Радіоактивне забруднення 234

9.5. Діоксини та діоксинподібні сполуки 236

9.6. Поліциклічні ароматичні вуглеводні 238

9.7. Забруднення речовинами, які використовуються в рослинництві 240

9.8. Забруднення речовинами, вживаними в тваринництві 246

9.9. Природні токсиканти 249

Контрольні запитання та завдання: 257

ЛІТЕРАТУРА 258

ВСТУП

Метою викладання курсу “Харчова хімія” є формування сучасних наукових уявлень про харчування людини, які вважаються одним з найважливіших досягнень харчової хімії, закріплення у свідомості студентів необхідності забезпечення збалансованим економічно рентабельним харчуванням усіх груп населення.

Вивчення курсу надає можливість студентам набути необхідного рівня теоретичної та практичної підготовки для використання у майбутній практичній діяльності знань щодо хімічної природи основних речовин, що входять до складу живих організмів, а також ознайомитися з хімічними перетвореннями білків, вуглеводів, ліпідів, мінеральних елементів у процесі життєдіяльності людини, із роллю вітамінів та ферментів у цих процесах, принципами здорового способу життя та методами раціонального харчування.

Вивчення курсу “Харчова хімія” дасть змогу підготувати майбутнього фахівця у галузі готельно-ресторанного бізнесу, який повинен володіти знаннями про хімічний склад харчової сировини, а також про хімічні та біохімічні перетворення, які відбуваються при зберіганні та використанні продуктів харчування, до вирішення основного завдання – забезпечення населення продукцією, що відповідає за складом потребам організму в харчових речовинах та захисних компонентах.

Одним із найважливіших і найскладніших завдань є забезпечення населення Землі продуктами харчування. Як один із найважливіших чинників навколишнього середовища, харчування з моменту народження до останнього дня життя людини впливає на його організм. Інгредієнти харчових речовин, потрапляючи в організм людини з їжею і перетворюючись у ході метаболізму в результаті складних біохімічних перетворень на структурні елементи клітин, забезпечують наш організм пластичним матеріалом і енергією, створюють необхідну фізіологічну й розумову працездатність, визначають здоров'я, активність і тривалість життя людини, його здатність до відтворення. Тому стан харчування, є одним з найважливіших чинників, що визначають здоров'я нації.

Продукти харчування повинні не тільки задовольняти потреби людини в основних харчових речовинах та енергії, але і виконувати профілактичні й лікувальні функції.

Розділ і. Введення в харчову хімію

Харчова хімія – один із розділів хімічної науки, значення якого, враховуючи роль харчування в житті суспільства, надзвичайно велике.

Харчова хімія – наука про хімічний склад харчових систем (сировина, напівфабрикати, готові до вживання харчові продукти), його зміни в ході технологічного потоку під впливом різних факторів (фізичних, хімічних, біохімічних і т.д.), що містить ліпід-білкові, ліпід-вуглеводневі, білок-білкові, білок-вуглеводневі взаємодії, загальні закономірності цих перетворень.

Харчова хімія – містить вивчення взаємодії структури та властивостей харчових речовин та її вплив на властивості та харчову цінність продуктів харчування.

Харчова хімія також приділяє увагу методам виділення, фракціонування, очищення харчових речовин (білків, вуглеводів, ліпідів і так далі), їх каталітичної модифікації. Невід'ємною частиною харчової хімії є розділи, присвячені харчовим і біологічно активним добавкам, забруднювачам харчової сировини і продуктів.

1.1. Основні поживні речовини

Основні поживні речовини (нутрієнти) — це білки, жири, вуглеводи, мінеральні речовини, вітаміни і вода. До незамінних поживних речовин, які не утворюються в організмі або утворюються в недостатній кількості, належать білки, деякі жирні кислоти, вітаміни, мінеральні речовини і вода. До замінних поживних речовин належать жири та вуглеводи. Надходження з їжею незамінних поживних речовин є обов'язковим. Замінні поживні речовини теж потрібні в харчуванні і, оскільки при нестачі останніх на їх утворення в організмі витрачаються інші поживні речовини, порушуються обмінні процеси. Харчові волокна, що складаються з клітковини, пектинів та інших речовин, майже не засвоюються організмом, проте вони потрібні для нормальної діяльності органів травлення і всього організму. Тому харчові волокна є необхідною складовою частиною харчування. Тривалий час поживні речовини поділяли на дві групи: макронутрієнти (білки, жири, вуглеводи) та мікронутрієнти (вітаміни, макро та мікроелементи). Саме ці класи нутрієнтів багато років були предметом досліджень нутріціологів і дієтологів, які займалися питаннями раціонального та лікувально-профілактичного харчування. Останнім часом встановлено факт існування невідомих раніше факторів їжі, так званих мінорних нехарчових біологічно активних компонентів, які покращують якість життя і знижують ризик розвитку багатьох захворювань. Ці дані дозволили обґрунтувати необхідність значного розширення переліку якщо не есенціальних, то, принаймні, бажаних факторів їжі — біофлавоноїдів, індолів, фітостеролів, ізотіоціанатів тощо (Див. рис.1). Основним джерелом таких речовин є рослинна їжа — культивовані та дикі рослини.

Аліментарні (від англ. - харчовий) речовини поділяються на:

Макронутрієнти (від лат - харчування): клас головних харчових речовин, які є джерелом енергії та структурних матеріалів, присутні в їжі у досить великих кількостях (від 1 г)

• Вуглеводи

• Ліпіди

• Білки

Мікронутрієнти: клас головних харчових речовин, що виявляють біологічні ефекти на різні функції організму; містяться як правило в невеликих кількостях:

• Вітаміни

• Вітаміноподібні речовини

• Мінеральні речовини

• Поліненасичені жирні кислоти

• Олігосахариди

• Фосфоліпіди

• Деякі амінокислоти.

• Парафармацевтики – речовини їжі, які виявляють фармакологічну дію (глікозиди, алкалоїди, ефірні олії, органічні кислоти та ін.)

Неаліментарними сполуками є:

• Технологічні добавки (ХД, БАД)

• Отруйні речовини, харчові волокна

• Ферменти

• Пробіотики (еубіотики) – хд мікробного та немікробного походження, які позитивно впливають на організм людини через регуляцію мікрофлори кишечнику.

Представники кожного класу характеризуються певним хімічним складом, особливостями фізіологічної дії та рівнем вмісту в харчових продуктах.

Рис. 1. Класифікація поживних речовин їжі

Нутриціологія (з грецької Νυτριτιο - живлення) — наука про харчування, що вирішує питання дослідження харчових речовин і компонентів, що містяться в продуктах харчування, правила, закони взаємодії їжі, вплив її на організм. Мета нутриціології - вивчити закони впливу їжі і процесу її споживання на здоров'я людини, знайти шляхи полегшення засвоєння їжі, переробки, утилізації та виведення з організму продуктів розпаду. А також дослідження мотивів вибору їжі людиною та механізми впливу цього вибору на її здоров'я.

Нутрицевтики — це есенціальні біологічно активні речовини, які застосовуються для корекції хімічного складу раціону людини.

Парафармацевтики — біологічно активні речовини, які мають певну фармакологічну активність та застосовуються для підтримки у фізіологічних межах функціональної активності органів та систем, профілактики патологічних станів та допоміжної терапії.

Еубіотики (пробіотики) — біологічно активні добавки, які містять живі мікроорганізми та нормалізують мікрофлору кишечника

Згідно з законом України “Про якість та безпеку харчових продуктів і продовольчої сировини” до біологічно-активних харчових добавок уналежнюють речовини та їх суміші, що використовуються з метою надання раціону харчування лікувальних або лікувально-профілактичних властивостей. БАД до харчових раціонів є насамперед концентратами біологічно активних речовин, які отримують з натуральних продуктів або синтезують хімічним шляхом і біотехнологічними засобами. При вживанні БАД необхідно враховувати, що їх доцільно призначати на фоні відповідного харчового раціону, бо це лише додатки до їжі. Вони не можуть замінити ліки, але є чудовим допоміжним засобом дієтотерапії. Біологічно активні добавки до їжі поділяють на дві основні групи: нутріцевтики та парафармацевтики.

Нутрицевтики – природні інгредієнти їжи, використання яких дозволяє:

а) ліквідувати дефіцит незамінних харчових речовин;

б) індивідуалізувати харчування конкретної людини залежно від її потреб;

в) задовольнити фізіологічні потреби в харчових речовинах хворої людини;

г) обминути пошкоджений патологією ланцюг метаболічного конвейєру;

д) підвищити за рахунок посилення елементів ферментного захисту клітини стійкість організму до впливу шкідливих факторів навколишнього середовища;

е) посилити та прискорити зв`язування і виведення токсичних і чужерідних речовин з організму;

ж) спрямовано змінювати обмін окремих речовин, зокрема, токсинів.

Парафармацевтики - мінорні компоненти їжі – органічні кислоти, біофлавоноїди, біогенні аміни, регуляторні пептиди, деякі олігосахариди та ін. Введення парафармацевтиків у аліментарні програми забезпечує:

а) необхідне спрямування змін метаболізму окремих речовин, зокрема, токсикантів;

б) підвищення неспецифічної резистентності організму до дії екзогенних ризик-факторів (адаптогенний ефект);

в) реалізацію механізму немедикаментозного шляху регулювання і підтримки функцій.

Пробіотики – живі або ферментовані (культивовані) мікроорганізми або продукти, які сприятливо діють на здоров`я людини, значною мірою вони реалізуються в шлунково-кишковому тракті (ШКТ). Більшість фахівців уналежнюють до бактерій-пробіотиків в основному так звані еубіотики (представники нормальної мікрофлори кишечника та інших порожнин організму). Разом з тим, є достатньо фактичних доказів, які доводять наявність пробіотичних властивостей у молочнокислих паличок і коків, яких немає в кишечнику людини, а також інших мікроорганізмів - бактерій, дріжджів і грибів, зокрема вищих.

Позитивна дія пробіотиків на організм людини реалізується такими шляхами:

а) колонізація ШКТ пробіотичними мікроорганізмами, які виявляють антагонізм щодо потенціально-патогенних і патогенних бактерій, вірусів, грибів і дріжджів;

б) відновлення порушеного балансу мікроорганізмів в кишечнику і припинення дисбактеріозів та дисбіозів у цілому;

в) корисна метаболічна активність - продукція вітамінів К, біотину, ніаціну, піродиксину та фолієвої кислоти; гідроліз жовчних солей і холестерину, участь у регуляції жіночих статевих гормонів та ін.;

г) оптимізація травлення та нормалізація моторної функції кишечника;

д) детоксикація організму.

Пребіотики – речовини, які добре впливають на організм шляхом активізації метаболізму корисних представників кишкової мікрофлори, таким чином пребіотики можна назвати стимуляторами пробіотиків.

Харчова цінність - це комплексна властивість, яка обєднує енергетичну, біологічну, фізіологічну цінність, а також засвоюваність та безпеку.

Енергетична цінність характеризується кількістю енергії, що вивільняється з харчових речовин в процесі їх біологічного окиснення.

Біологічна цінність визначається в основному якістю білків їжі - переварюваністю та ступенем збалансованості амінокислотного складу.

Фізіологічна цінність обумовлена наявністю речовин, які активно впливають на організм людини (сапоніни буряка, кофеїн кави та чаю та ін.).