Химия пищи и основы рационального питания. Пищевая химия. Лабораторный практикум

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО О БРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕ ГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕС КИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Технология пищевых производств и биотехнология»

ХИМИЯ ПИЩИ И ОСНО ВЫ РАЦИОН АЛЬНОГО ПИТА НИЯ. ПИЩЕВАЯ ХИМИЯ

Лабораторный практикум

Самара Самарский государственный технический университет

2020

1

Печатается по решению ученого совета СамГТУ (протокол № 8

от 28.03.2019).

УДК 664(076.5) ББК 36-1я73 Х 465

Химия пищи и основы рационального питания. Пищевая химия:

лабораторный практикум / Сост. В.В. Бахарев, Г.С. Муковнина, А.Г. Кашаев, А.В. Зимичев. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2020. – 76 с.

Предназначен для приобретения практических знаний, умений и навыков по химии пищевых систем, методам выделения, очистки, хими- ческим и физико-химическим свойствам компонентов пищевых систем, методам оценки физико-химических превращений компонентов пищевых систем в процессе технологической переработки, методам оценки безо- пасности пищевого сырья.

Предназначен для студентов, обучающихся по направлениям 19.03.01 «Биотехнология» и 19.03.02 «Продукты питания из растительного сырья».

Рецензент: канд. хим. наук, доцент А.Г. Назмутдинов

УДК 664(076.5) ББК 36-1я73 Х 465

© В.В. Бахарев, Г.С. Муковнина, А.Г. Кашаев, А.В. Зимичев, 2020

© Самарский государственный технический университет, 2020

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Пищевая химия – это наука о химическом составе пищевых сис- тем, изменениях компонентов пищевых систем в ходе технологиче- ской переработки под влиянием различных факторов [1].

Пищевая химия изучает взаимосвязи структуры и свойств пище- вых веществ, общие закономерности липид-белкового, липид- углеводного, белок-белкового, белок-углеводного взаимодействия и их влияние на свойства и пищевую ценность продуктов питания. Отдельным разделом пищевой химии является разработка методов выделения и очистки компонентов пищевых систем и продуктов их превращений.

Важными разделами пищевой химии являются принципы и мето- ды исследования пищевого сырья и готовых продуктов, установление строения отдельных компонентов, их функций и взаимосвязи с дру- гими компонентами, анализ вредных и посторонних веществ в сырье, полуфабрикатах и готовых продуктах.

Превращения макро- и микронутриентов, пищевых и биологи- чески активных добавок, а также посторонних веществ в техноло- гическом процессе играют важную роль в превращении пищево- го сырья в готовый пищевой продукт. В последнее время большое внимание уделяется не только изменению содержания отдельных компонентов, но и продуктам их взаимодействия между собой, а также продуктам их деструкции и трансформации, в том числе строению и безопасности образующихся при этом соединений и комплексов, влиянию всех этих процессов на потребительские свойства пищевого продукта (пищевую ценность, безопасность, текстуру, вкус, аромат и т. д.) [1, 2].

Для решения этих задач бакалавр по направлениям подготовки 19.03.01 «Биотехнология», 19.03.02 «Продукты питания из расти- тельного сырья» должен уметь применять знания, полученные при изучении теоретической части дисциплин «Химия пищи и основы ра- ционального питания», «Пищевая химия».

4

В результате освоения лабораторного практикума бакалавр дол- жен уметь выделять основные компоненты пищевых систем и разби- раться в сущности химических, биохимических, микробиологических и других процессов, протекающих при хранении и переработке пи- щевых систем. Он должен владеть основными методами выделения компонентов пищевых систем и методами оценки основных превра- щений макро- и микронутриентов пищевых систем.

Лабораторный практикум подготовлен на основе образователь- ной программы дисциплины «Химия пищи и основы рационального питания» по направлению подготовки 19.03.01 «Биотехнология»; на основе образовательной программы дисциплины «Пищевая хи- мия» по направлению подготовки 19.03.02 «Продукты питания из растительного сырья».

5

Лабораторная работа № 1

БЕЛКИ И УГЛЕВОДЫ В ПИЩЕВОМ СЫРЬЕ. ВЫДЕЛЕНИЕ КАЗЕИНА И ЛАКТОЗЫ ИЗ МОЛОКА

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Казеин. Общие сведения и получение. Казеин (от лат. − сыр) −

основная белковая фракция коровьего молока; относится к запасным белкам. Представляет собой смесь нескольких фосфопротеидов сход- ной структуры. В коровьем молоке содержание казеина составляет 2,8–3,5 % по массе (от всех белков молока − около 80 %), в женском − в два раза меньше. Содержание α-, β- и k-казеинов от всего казеина составляет соответственно 54,2; 30,1 и 13,3 %. В фракцию казеина входит также γ-казеин (2,5 % от всего казеина) − продукт частичного протеолиза β-казеина, катализируемого протеиназой молока. Основ- ные компоненты казеина имеют генетические варианты, отличаю- щиеся несколькими аминокислотными остатками. Высушенный казе- ин – белый порошок без вкуса и запаха, практически нерастворим в воде и органических растворителях, растворим в водных растворах солей и разбавленных щелочей, из которых выпадает в осадок при подкислении, устойчив к действию денатурантов. Казеин обладает способностью к створаживанию. Этот процесс имеет ферментатив- ную природу. У новорожденных в желудочном соке содержится осо- бая протеиназа − реннин, или химозин, который отщепляет от казеи- на гликопептид с образованием пара-казеина, обладающего способ- ностью к полимеризации. Этот процесс – первая стадия створажива- ния всего казеина. У взрослых животных и человека образование па- ра-казеина происходит в результате действия пепсина. По способно- сти к створаживанию казеин сходен с фибриногеном плазмы крови, который при действии тромбина превращается в легко полимери- зующийся фибрин. Считается, что фибриноген является эволюцион- ным предшественником казеина. Способность к створаживанию име- ет большое значение для эффективной ассимиляции новорожденны-

6

ми молока, так как обеспечивает его задержку в желудке. Казеин лег- ко доступен для пищеварительных протеиназ уже в нативном состоя- нии, в то время как все глобулярные белки приобретают это свойство при денатурации. При частичном протеолизе казеина, происходящем при ассимиляции молока новорожденными, образуются физиологи- чески активные пептиды, регулирующие такие важные функции, как пищеварительная, кровоснабжение мозга, активность центральной нервной системы и др. При кипячении молока казеин не осаждается. Казеин выделяют чаще всего путем подкисления молока, методом, введенным Г.Я. Мульдером в начале прошлого века. Считают, что ка- зеин содержится в молоке в виде казеиногена, который в процессе выделения превращается в казеин.

Казеин содержит все необходимые организму аминокислоты (в т. ч. незаменимые), является главной составной частью творога

исыра, служит пленкообразователем в производстве клеев и клеевых красок, а также сырьем для пластмасс и волокон. В некоторых стра- нах казеин используют в качестве исходного сырья для производства искусственной шерсти (ланиталь, файбролен).

Пищевой казеин получают воздействием на молоко кислотой или свертывающим его ферментом (сычужный фермент, пепсин). Обезжи- ренное молоко с содержанием жира 0,05 % пастеризуют, охлаждают до 35 °С, добавляют соли кальция (примерно 20–30 г сухой соли на 100 кг молока) и свертывают. Можно до свертывания молока внести

ибактериальную закваску. Сычужный казеин содержит больше мине- ральных солей, чем кислотный. Полученный сгусток разрезают, из- мельчают до 4–6 мм, нагревают до 57–60 °С и вымешивают в течение 15–25 мин для максимального обезвоживания. После этого дают ка- зеиновой массе осесть на дно, сливают всю сыворотку, а массу про-

мывают трижды водой при постоянном помешивании. Температура первой промывной воды должна быть 30–35 °С, второй − 20–25 оС

итретьей − 8–10 °С. Для промывки казеина используют чистую воду объемом в 4–5 раз меньше объема перерабатываемого молока, при этом массу выдерживают при постоянном помешивании каждый раз

7

10–15 мин. Затем воду удаляют и массу либо прессуют 2–3 ч, либо центрифугируют 8–10 мин для лучшего освобождения от механиче- ски захваченной воды. Отпрессованный или отцентрифугированный казеин пропускают через волчок или дробят на механической терке до 3–5 мм и сушат. Температуру сушки устанавливают не выше 55– 60 °С, иначе казеин может плавиться. Готовый казеин должен содер- жать не более 12 % воды.

Пищевой казеин должен соответствовать следующим тре- бованиям: кислотность 50 °Т, массовая доля влаги не более 12 %, жи- ра не более 1,5 %, золы 2 % (для высшего сорта) и 2,5 % (для I сорта). Солей олова в пересчете на чистое олово допускается не более 10 мг на 1 кг казеина, солей меди в пересчете на медь не более 8 мг. Содер- жание солей свинца не допускается. Общее количество бактерий для высшего сорта может составлять до 50 тыс. в 1 г, а для I сорта до 100 тыс. в 1 г. Для того чтобы пищевой казеин можно было использовать в пищевой промышленности, его необходимо перевести в раствори- мую форму. С этой целью после промывки к нему добавляют карбо- нат натрия до полной нейтрализации и доведения рН до 7,0 и высу- шивают. Сушку лучше проводить распылительным способом, пред- варительно нагрев смесь до 70 °С, а иногда и выше − до 90–95 °С. На- гревание нужно для понижения вязкости смеси. Для получения ка- зеината натрия можно вместо карбоната натрия применять гидроксид натрия. В этом случае к казеину влажностью 55–60 % добавляют сна- чала равную массу воды, а потом 1%-ный раствор гидроксида натрия. После этого смесь казеина и щелочи обрабатывают на коллоидной мельнице и сушат.

Массовая доля влаги в пищевом казеине, обработанном щелочью и высушенном, должна быть не более 6 % для высшего сорта и 8 % для I сорта. Цвет его белый, со слегка кремоватым оттенком. Содер- жание металлических примесей для всех казеинов одно и то же. Мик- рофлора в растворимом казеине не должна превышать 3 тыс. клеток для высшего сорта и 50 тыс. для I сорта, т. е. требования значительно строже, чем для пищевого казеина [3].

8

Лактоза. Общие сведения и получение. Лактоза, или молочный сахар 4-(β-D-галактозидо)-β-D-глюкоза, представляет собой дисаха- рид, образованный остатками D-галактозы и D-глюкозы; существует в виде α- и β-форм. Кристаллическая лактоза растворима в воде, раз- бавленном этиловом спирте, пиридине, нерастворима в эфире и абсо- лютном спирте (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структурная формула лактозы

Первые упоминания о лактозе найдены в трудах ученого из Ита- лии Фабрицио Бертолетти, который в 1619 г. при выпаривании сыво- ротки молока получил вещество, названное им самим «манной»

и«солью молока». Ему не удалось определить структуру выделенно- го продукта – это спустя 160 лет сделал Карл Вильгельм Шееле, шведский химик, поставив лактозу в один ряд с углеводами. Со вре- мен Бертолетти способ получения лактозы не претерпел существен- ных изменений. Молочный сахар выделяют сегодня все так же путем сгущения сыворотки. Кристаллы обезвоживают центрифугированием

исушкой, в результате чего и образуется готовый продукт.

в свободном виде (2–8,5 %), а также входит в состав олигосахаридов, гликолипидов, гликопротеидов. Обнаружена в пыльцевых трубках некоторых растений. Биосинтез лактозы осуществляют ферментом галактозилтрансферазой, катализирующей перенос остатка галактозы от уридиндифосфатгалактозы на D-глюкозу. Ферментативный гидро- лиз лактозы происходит под действием β-галактозидазы. Отсутствие галактозидазы в слизистой оболочке кишечника у новорожденного − наследственное заболевание, которое, если не исключить лактозу из рациона, может привести к гибели организма. Непереносимость

9

молочного сахара довольно распространена и часто встречается среди коренного населения Африки, Америки и ряда стран Азии. Она свя- зана с отсутствием в этих регионах традиционного молочного живот- новодства. Например, в племенах масаев, фулани и тасси в Африке выращивают молочный скот, и у взрослых представителей этих пле- мен непереносимость лактозы встречается относительно редко. Час- тота этого явления в России составляет в среднем около 16–18 %.

Следует заметить, что непереносимость лактозы может быть как генетически приобретенной, так и врожденной. Непереносимость мо- лочного сахара приобретенного характера связывают с перенесенны- ми инфекционными заболеваниями, воспалительными процессами в кишечнике или желудке, дисбактериозом или химиотерапией. При- чем непереносимость как таковую не следует путать с аллергией на молоко, т. е. с реакцией организма на молочный белок. Если послед- нее явление исключает употребление молока вовсе, то при неперено- симости его следует пить в ограниченных объемах: с малыми дозами лактозы организм в состоянии справиться. К тому же в кишечнике очень много бактерий, которые питаются именно лактозой, и при ее недостатке организм не в состоянии бывает побороть гнилостные процессы и полноценно усвоить кальций. Если же даже малые дозы молока приводят к дискомфортным явлениям, то таким людям реко- мендуется употреблять в пищу безлактозное молоко, в котором сахар находится в ферментированном состоянии. Его выпускают многие мировые концерны. В таком молоке нет лактозы; при его производст- ве в нем искусственно расщепляют лактозу на легко усвояемые орга- низмом составляющие: глюкозу и галактозу.

Сегодня известны следующие полезные свойства лактозы. Она является для человека источником энергии, а также:

–участвует в таком важном процессе, как обмен кальция;

–стимулирует процессы нервной регуляции;

–сохраняет микрофлору кишечника за счет увеличения числа лактобактерий, которые, в свою очередь, предотвращают развитие гнилостных процессов;

–сокращает число сердечно-сосудистых заболеваний.

10