А27884 Матвеева НА Введение в спициальность

УДК 63 ББК 36

М 33

Матвеева Н.А. Введение в специальность: Учеб. пособие. – СПб.: Университет ИТМО, 2016. – 223 с.

Изложены исторические аспекты происхождения продуктов питания из растительного сырья – хлеба, пива, кваса, медовухи, вина, безалкогольных напитков, а также происхождение и развитие дрожжей, участвующих в получении продуктов питания, использующих биологию дрожжей. Рассмотрены основы технологий и принципиальные технологические схемы их производства.

Предназначено для студентов направления бакалавриата 19.03.02 Продукты питания из растительного сырья по дисциплине «Введение в специальность» очной и заочной форм обучения.

.

Рецензенты: лаборатория Санкт-Петербургского института управления и пищевых технологий (начальник лаборатории кандидат техн. наук, доц. И.П. Прохорчик); директор института АННИО «Институт медоварения» кандидат техн. наук И.Н. Яковлева

Рекомендовано к печати Советом факультета пищевых биотехнологий и инженерии № 2 от 28.10. 2015 г.

Университет ИТМО – ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО – участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров, известной как проект «5 – 100». Цель Университета ИТМО – становление исследовательского университета мирового уровня, предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений деятельности.

© Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2016

© Матвеева Н.А., 2016

2

ВВЕДЕНИЕ

В трех разделах учебного пособия изложена история происхождения основных продуктов питания из растительного сырья, созданных в процессе брожения дрожжей. Кроме того, даны сведения о безалкогольных напитках, в том числе напитках функционального назначения; рассмотрено применяемое растительное сырьѐ и основные технологические стадии получения продуктов, принципиальные технологические схемы.

История питания человека возникла задолго до начала истории самого человека. Доисторический человек был всеяден, что, как ни странно, послужило развитию его умственной деятельности.

Тесная взаимосвязь формирования цивилизации на земле и возникновения продуктов питания, которые во все времена являлись основным источником жизни человека, существовала всегда. Историческая эпоха влияла на происхождение продуктов питания, их потребление и дальнейшее совершенствование или исчезновение. Популярность того или иного продукта зависела от закономерностей развития общества и исторических случайностей. Кроме того, питание напрямую зависело от сезона, географических условий и культурных традиций: там, где сохранялась высокая культура, к пище относились очень серьѐзно, имея свой собственный рацион питания.

Ключевую роль в приготовлении пищи сыграло овладение огнѐм. Вместе с изобретением глиняной посуды у человека появилась возможность варить пищу – это первое открытие древности.

В период неолита человек научился выращивать злаки и разводить домашних животных – второе открытие древности.

Древние варили в специальной посуде злаковые супы и каши, из которых иногда получалось тесто. Так ненароком человек открыл процесс брожения – древнейший биотехнологический процесс, в результате которого люди стали получать новые продукты питания: хлеб, пиво, квас, медовуху, вино – третье открытие древности.

Итак, люди выступали в роли биотехнологов тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали вино, используя одноклеточные микроорганизмы – дрожжи, даже не подозревая об их существовании.

3

Дрожжи появились в Древнем Египте приблизительно в середине второго тысячелетия до нашей эры. Потом египтяне в процессе изготовления хлеба с помощью дрожжей научились получать алкогольные напитки из ячменя, винограда, мѐда.

Луи Пастер лишь в 1857 году доказал, что спиртовое брожение – не просто химическая реакция, а биологический процесс, производимый дрожжами.

Из Древнего Египта технологии хлебопечения и пивоварения были завезены в Древнюю Грецию, Древний Рим и другие европейские государства. В Древней Руси питание складывалось из тех продуктов, которые даровало земледелие, животноводство, охота и рыболовство; таким образом, питание всех слоѐв населения долгое время было экологически чистым.

В XX–XXI веках в питании человека произошли существенные перемены. Люди стали употреблять преимущественно переработанные продукты, содержащие консерванты, что стало негативно сказываться на здоровье, в то время как связь питания и здоровья была отмечена ещѐ в древности великими учѐными Гиппократом, Авиценной, Галеном и др. Но в последние десятилетия отношение людей к питанию, особенно социально активных слоѐв населения, значительно изменилось. Постепенно формируются новые подходы к выбору продуктов питания: на первое место выходят продукты функционального и специального назначения, целью которых является укрепление здоровья, уменьшение риска развития заболеваний, повышение жизненного тонуса организма. Следовательно, перед производителями стоит задача поиска новых технологических и продуктовых решений, а современное производство пищевых продуктов остро нуждается в научных исследованиях, улучшающих технологию, а следовательно, и качество выпускаемых пищевых продуктов. Огромное влияние на качество оказывает используемое сырьѐ, к которому предъявляются особые требования: оно должно быть натуральным, экологически чистым и полезным, одним словом, максимально приближенным к качеству пищи наших предков.

В связи с этим в последнее время динамично развивается рынок натуральных безалкогольных напитков, в том числе функциональных, которые воплощают концепцию продуктов нового поколения, ориентированных на здоровье.

4

РАЗДЕЛ 1. РОЛЬ ПИЩИ В ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

1.1. Пища и питание

Потребность в пище относится к области бессознательного, т. е. определяется биологической природой человека.

Питание является важнейшим условием существования человека, а производство продуктов питания – одной из сторон общечеловеческой культуры.

Пища необходима человеку для обеспечения его жизнедеятельности. Она снабжает организм веществами для построения клеток и тканей, постоянного их обновления, а также энергией, необходимой для жизнедеятельности, и веществами для осуществления обмена веществ.

Полноценное и рациональное питание – верный путь к здоровому образу жизни. Чтобы иметь стройную фигуру, необязательно использовать диеты и лечебное голодание, достаточно организовать свой дневной рацион таким образом, чтобы количество белков, жиров и углеводов было строго сбалансировано. Для этого важно знать калорийность потребляемых продуктов и суточную потребность человека в этих веществах, сферу профессиональной деятельности человека, его образ жизни, возраст, состояние эндокринной системы и желудочного тракта.

Калорийность продуктов определяется, в основном, по содержанию в нѐм белков, жиров и углеводов, так как именно эти вещества служат основными источниками энергии для человека. Известно, что при сгорании 1 г белков или углеводов организм человека получает 4,1 ккал, а при сгорании 1 г жира – 9,3 ккал. Таким образом, людям умственного труда, ведущим малоподвижный образ жизни, необходимо в среднем около 3000 ккал в сутки для поддержания организма, для занимающихся механизированным трудом – 3500 ккал; те же, кто занят тяжѐлым физическим трудом, испытывают самую высокую потребность в калорийной пище – от 4500 до 5000 ккал. Для сравнения, детям от 1 года до 3 лет требуется около 1000 ккал, от 3 до 5 лет – 1500 ккал, от 5 до 12 лет – до 2000 ккал и подросткам – 2400 ккал.

5

Ткани человека массой примерно 70 кг состоят из 40–45 кг воды, 16–17 кг белка, 7–10 кг жира, 2,5 кг минеральных веществ, 0,5–0,8 кг углеводов. Раньше считалось, что для полного обеспечения человека питанием надо, чтобы в пище в достаточном количестве присутствовали белки, жиры, углеводы и, попутно с ними, некоторое количество минеральных веществ.

Однако несмотря на, казалось бы, достаточное содержание

впище основных химических компонентов, как выяснилось впоследствии, из-за дефектов питания погибали люди. Позднее экспериментальным путѐм русский учѐный Н.И. Лунин установил, что, кроме белков, жиров и углеводов, организму для обеспечения нормальной жизнедеятельности необходимы дополнительные вещества, которые в дальнейшем назвали витаминами, он также выявил причины развития авитаминоза.

Установлено, что в клетках любого органа живого организма или растения происходят сложные химические превращения питательных веществ в строго определѐнной, заранее запрограммированной последовательности.

Ворганизме человека пища подвергается сложным изменениям, в результате которых она превращается в вещества самого организма, его клеток и тканей, т. е. усваивается. Этот процесс называется ассимиляцией. Одновременно с созданием клеток и тканей

ворганизме происходит их разрушение. Процесс распада веществ,

входящих в состав клеток и тканей, называется диссимиляцией и происходит с выделением энергии, затрачиваемой на все виды работы органов. Оба процесса находятся в тесной взаимосвязи. Их совокупность называется обменом веществ.

Обмен веществ бывает основным и дополнительным. Основной обмен веществ связан со всеми жизненными физиологическими процессами, протекающими в организме, например, дыханием, кровообращением, пищеварением и т. д. Дополнительный обмен веществ вызывается затратами энергии на выполняемую человеком работу. Единственным источником энергии является пища.

Энергию, поставляемую организму продуктами питания, принято выражать в тепловых единицах – килоджоулях (кДж) или килокалориях (ккал). Количество энергии, которое может выделиться при усвоении того или иного пищевого продукта, называют калорийностью этого продукта.

6

При полном окислении одного грамма жира организм получает 9 ккал (37,7 кДж) энергии, 1 г белка – 4 ккал (16,7 кДж), 1 г углеводов – 3,75 ккал (15,7 кДж). Эти величины называются калорийностью брутто, которая содержится в продукте и выделяется при его сгорании.

Однако питательные вещества организмом усваиваются не полностью, поэтому для определения истинной калорийности пищевого продукта калорийность брутто необходимо умножить на коэффициент усвояемости питательного вещества. Так, коэффициент усвояемости сахара – 1, жира животных – 0,85 (за исключением сливочного масла), растительных жиров – 0,95, белков – 0,85–0,95.

Потребность человека в различных пищевых веществах и энергии зависит от пола, возраста и характера трудовой деятельности. Для правильного составления рациона питания с учетом характера и интенсивности трудовой деятельности специалисты в области гигиены питания подразделяют все взрослое население на 4 группы:

1)лица, работа которых не связана с затратами физического труда или требует незначительных физических усилий. К этой группе относятся также лица, труд которых связан с большим нервным напряжением, например, работники пультов управления, диспетчеры и т. д.;

2)работники механизированных производств и сферы обслуживания, труд которых не требует физического напряжения;

3)работники производств с частично механизированными процессами труда и сферы обслуживания, труд которых связан с незначительным физическим напряжением;

4)работники полумеханизированных или немеханизированных производств средней или большей тяжести.

Кроме того, для определенных контингентов населения установлены специальные нормативы. Так, потребность в калориях

умужчин, занятых особо тяжким трудом (землекопы, грузчики, лесорубы и т. п.), составляет 4500 ккал, студентов – 3300 ккал, студенток – 2800 ккал.

Правильное составление индивидуального рациона питания возможно лишь при знании химического состава пищевых продуктов, которые подразделяются на две группы:

– группу органических веществ (белки, углеводы, жиры, пищевые кислоты, витамины, ферменты и т. д);

– группу минеральных веществ (вода, микро- и макроэлементы).

7

1.1.1. Роль белков в питании человека

Белки – важнейшая составная часть пищи. Белок поступает

ворганизм только с продуктами питания. Одной из причин повышенной восприимчивости организма к инфекционным заболеваниям является недостаточность белков в пище. При белковой недостаточности снижается кроветворение, задерживается развитие растущего организма, нарушается деятельность нервной системы, печени и других органов; после тяжѐлых заболеваний замедляется восстановление клеток. Избыток белков в рационе также может нанести вред организму.

Впринятых в нашей стране нормах питания рекомендуется, чтобы в пищевом рационе за счѐт поступления содержалось не менее 14 % белка от общей калорийности.

Белки – это органические высокомолекулярные соединения,

всостав которых входят пять элементов: углерод (51–55 %), водо-

род (6,5–6,7 %), кислород (21,5–23,5 %), азот (15–18 %), сера (0,3–2,5 %).

Белки имеют растительное и животное происхождение. Они могут быть простыми (протеины), состоящими только из аминокислот, и сложными (протеиды), состоящими из аминокислот и веществ небелковой природы.

Белки подразделяются на три группы:

1) белки, растворимые в воде или других жидкостях; 2) нерастворимые белки; 3) сложные белки (протеиды).

К первой группе белков относятся альбумины, глобулины, про-

ламины, глютелины, протамины и гистоны. Они состоят из -ами- нокислот.

Ко второй группе принадлежат белки животных: коллаген – белок сухожилий, кератин – белок шерсти, копыт и рогов и др. Они нерастворимы в солевых растворах, органических растворителях, но растворимы при длительном нагревании в воде.

К третьей группе относятся сложные белки:

–фосфопротеиды: соединения белков с фосфорной кислотой (казеин – главный белок молока);

–гликопротеиды: соединения белков с углеводами (хрящевые

ткани);

8

–липидопротеиды – соединения белков с липидами (встречаются в веществах плазмы клеток, клеточных мембранах и яичном белке);

–нуклеопротеиды – белки, связанные с нуклеиновой кислотой. Содержатся в клеточных ядрах, а также в плазме клеток. Играют важную роль в жизнедеятельности органов, в частности, в явлении наследственности;

–хромопротеиды – соединения белков и красящих веществ небелковой природы: например, гемоглобин крови, который играет роль переносчика кислорода в организме.

Массовая доля белков в отдельных пищевых продуктах составляет: в мясе – 17–20 %, горохе и фасоли – до 36 %, сырах – 20–30 %,

яйце – 12–15 %.

В химическом отношении белки – аминокислотные полимеры.

Внастоящее время описано примерно 150 аминокислот, но только 22 из них являются составными частями белков (например, в белках пшеницы их содержится 20).

1.1.2. Биологическая ценность белков

Белки представляют собой главный строительный материал тела человека и являются незаменимой частью пищи; они расщепляются до аминокислот, из которых затем синтезируются собственные белки. Кроме того, белки нужны человеку для синтеза гормонов, нервных тканей и ферментов. Биологическая ценность белков зависит от их аминокислотного состава, т. е. от наличия всех необходимых аминокислот.

Аминокислоты бывают заменимые и незаменимые. Незаменимые аминокислоты не вырабатываются организмом человека, а только поступают в него в готовом виде, т. е. с белками пищи. Из 22 аминокислот лишь 8 являются незаменимыми, суточная потребность в которых в среднем составляет: в триптофане – 1 г, треонине – 2–3 г, лейцине – 4–6 г, лизине – 3–5 г, изолейцине – 3–4 г, метионине – 2–4 г, валине – 3–4 г, фенилаланине – 2–4 г.

Продукты, содержащие все незаменимые аминокислоты, называются полноценными. При отсутствии в пище хотя бы одной незаменимой аминокислоты нарушается или приостанавливается синтез белков в организме. Пища, содержащая все необходимые

9

компоненты питания, называется сбалансированной по всем неза-

менимым факторам.

Человек получает белки при употреблении в пищу яиц, рыбы, мяса, молока, молочных продуктов, а также продуктов растительного происхождения, в первую очередь продуктов переработки злаковых.

Растительные белки не содержат все незаменимые аминокислоты и должны составлять примерно 40 % дневного рациона человека, в то время как более полноценные белки животного происхождения должны составлять большую часть рациона – примерно 60 %.

1.1.3. Роль жиров в питании человека

Жиры и жироподобные вещества объединяются общим названием липиды. Эти вещества играют весьма важную роль в клетках животных и растений, участвуя в регуляции проницаемости клеточной мембраны, через которую осуществляется обмен веществ

вклетках. Они играют также важную роль и в других процессах, происходящих в живых клетках.

Жиры являются запасными веществами, накапливающимися

вбольших количествах в семенах и плодах многих растений и в жировых тканях животных. Липиды являются соединением глицерина с жирными кислотами:

СНОН + 3RCOOH = CHOCOR

Жиры нерастворимы в воде, а растворяются в ряде органических растворителей. Они представляют собой смесь разных по составу триглицеридов жирных кислот, содержащих в качестве сопутствующих веществ другие кислоты.

Жиры распространены в природе. В растениях они составляют одну из составных частей семян, некоторые из которых содержат особенно много жира, их принято называть масличными (семена под-

10