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

Лактозу организм может почерпнуть не только из молочной про- дукции, но и из иной пищи, так как молочный сахар входит в состав многих других продуктов. К ним относятся хлеб и хлебобулочные изделия, горький шоколад, сгущенное молоко и конфеты, сухие слив- ки, маргарин и многие другие продукты. Не содержащих лактозу продуктов достаточно много. Среди них: кофе и чай, фрукты и ово- щи, растительные масла и соевые продукты, бобовые и зерновые культуры, яйца, рыба и мясо, картофель и орехи, алкогольные напит- ки натурального происхождения.

Лактоза является одним из полноценных сахаров и применяется в пищевой промышленности. Кроме того, лактоза используется в фармацевтической промышленности, в частности применяется для приготовления питательных сред, например при производстве пенициллина [4].

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Цель работы: знакомство с физико-химическими свойствами ка- зеина и лактозы, способом получения казеина из цельного молока и лактозы из молочной сыворотки.

Лабораторная посуда, реактивы, оборудование: стакан хими-

ческий стеклянный вместимостью 200 мл, 500 мл, 2000 мл; колба ко- ническая вместимостью 1000 мл; мерный цилиндр вместимостью 50 мл, 200 мл; палочка стеклянная; воронка стеклянная; глазная пи- петка; фильтровальная бумага; воронка Бюхнера; колба Бунзена; эк- сикатор; фарфоровая ступка; пестик; фарфоровая чашка; молоко цельное 500 мл; уксусная кислота (10%-ный водный раствор); карбо- нат натрия (0,1%-ный водный раствор); этанол; диэтиловый эфир; ткань хлопчатобумажная, водяная баня; электрическая плитка, весы технические с точностью взвешивания 0,01 г [5].

Последовательность выполнения работы. В стеклянном хими-

ческом стакане вместимостью 2 л смешивают 500 мл молока и 1 л дистиллированной воды. К полученному раствору при перемешива-

11

нии стеклянной палочкой добавляют по каплям 10%-ный водный рас- твор уксусной кислоты до прекращения выделения казеина. Образо- вавшийся осадок отфильтровывают через ткань в коническую колбу вместимостью 1000 мл, тщательно отжимают и промывают дистил- лированной водой объемом 100 мл на воронке. Сыворотку и промыв- ные воды сохраняют для выделения лактозы.

Для очистки казеина от жиров и других веществ отфильтрован- ную массу освобождают от тканевого мешочка, помещают в химиче- ский стакан вместимостью 500 мл, добавляют 200 мл 0,1%-ного рас- твора карбоната натрия. В щелочной среде казеин растворяется, при этом жир остается во взвешенном состоянии. Смесь фильтруют через влажную хлопчатобумажную ткань в коническую колбу вместимо- стью 500 мл, при этом жиры остаются на фильтре, затем фильтрат, содержащий натриевую соль казеина, снова осаждают 10%-ным вод- ным раствором уксусной кислоты. Полученную смесь с осадком ка- зеина отфильтровывают в мерную колбу вместимостью 1000 мл, в которой находится сыворотка и промывные воды. Казеин досуха отжимают между листами фильтровальной бумаги, переносят в фар- форовую ступку, добавляют цилиндром 15–20 мл этилового спирта и растирают пестиком для обезвоживания. Полученную смесь фильт- руют под вакуумом на воронке Бюхнера и промывают диэтиловым эфиром объемом 20–25 мл из цилиндра. Полученный продукт сушат на воздухе или в эксикаторе. Чистый казеин представляет собой бе- лый аморфный порошок.

Сыворотку, оставшуюся после удаления казеина, переносят в фарфоровую чашку, кипятят на водяной бане или на электрической плитке с подложенной асбестовой сеткой до коагулирования сыворо- точного альбумина. Осадок отфильтровывают через хлопчатобумаж- ное полотно в химический стакан вместимостью 200–300 мл, раствор снова упаривают до тех пор, пока он не начнет мутнеть, что свиде- тельствует об образовании лактозы. Выпавший после охлаждения сырой кристаллический продукт отделяют на воронке Бюхнера и су-

12

шат в эксикаторе. Дальнейшее упаривание маточного раствора на во- дяной бане приводит к образованию второй порции продукта.

Получаемые результаты. Казеин и лактозу взвешивают и опре- деляют выход продуктов.

Контрольные вопросы

1.Дайте характеристику белка казеина, опишите его физико- химические свойства.

2.Опишите процесс получения пищевого казеина.

3.Каким требованиям должен удовлетворять пищевой казеин?

4.Дайте характеристику лактозы. Какую структуру имеет лактоза?

5.Какие соединения образуются при кислотном и ферментативном гид- ролизе лактозы?

6.Что такое непереносимость лактозы?

7.Приведите источники получения лактозы и опишите ее применение.

Лабораторная работа № 2

БЕЛКИ И УГЛЕВОДЫ В ПИЩЕВОМ СЫРЬЕ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ БЕЛКОВ В ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Белки (белковые вещества) – сложные высокомолекулярные по- лимеры, молекулы которых построены из остатков аминокислот, со- единенных между собой пептидными (амидными) связями:

Н Н О Н Н О Н Н О

|| || | | || | | ||

…−N−C−C−N−C−C−N−C−C−…

| | |

R1 R2 R3

Аминокислоты – органические соединения, содержащие две функциональные группы: аминогруппу −NH2 и карбоксильную груп-

пу −COOH.

13

Простейшими являются одноосновные моноаминокислоты, со- став которых выражают общей формулой NH2−R−COOH, в которой −NH2 – аминогруппа, обладает осно́вными свойствами белков; R – радикал, влияет на пространственную конфигурацию молекул белка; −COOH – карбоксильная группа, обладает кислотными свойствами [1, 2]. Остатки аминокислот в молекуле белка соединяются полипеп- тидной связью −CO−NH−.

Белки – наиболее важные и сложные по химической структу- ре среди веществ, входящих в пищевые продукты. Полипептид- ные цепи белков построены из десятков и сотен молекул разных аминокислот, которые, образуя цепь, могут присоединяться в раз- личной последовательности, что приводит к огромному многооб- разию комбинаций аминокислотных остатков в полипептидных цепях [1, 2].

Существует несколько видов классификации белков.

Классификация по строению пептидной цепочки: различают спиралевидную форму в виде α-спирали и складчатую структуру в виде β-спирали.

Классификация по ориентации белковой молекулы в простран- стве:

–первичная структура представляет собой соединение аминокис- лот в простейшую линейную цепь за счет только пептидных связей;

–вторичная структура представляет собой пространственное

расположение полипептидной цепи в виде α-спирали или β- складчатой структуры. Структура удерживается за счет водородных связей между соседними пептидными связями;

–третичная структура представляет собой специфическое укла- дывание α-спирали в виде глобул. Структура удерживается за счет возникновения связей между боковыми радикалами аминокислот;

–четвертичная структура представляет собой соединение не-

скольких глобул, находящихся в состоянии третичной структуры, в одну укрупненную структуру, обладающую новыми свойствами, не

14

характерными для отдельных глобул. Глобулы удерживаются за счет образования водородных связей.

Классификация по степени растворимости белка:

–водорастворимые белки имеют небольшую молекулярную мас- су (альбумины яйца);

–солерастворимые белки растворяются в 10%-ном растворе хлорида натрия (глобулины: белок молока казеин, белок крови глобулин);

–щелочерастворимые белки растворяются в 0,2%-ном растворе гидроксида натрия (глютелины: белок клейковины пшеницы);

–спирторастворимые белки растворяются в 60–80%-ном этило- вом спирте (проламины: белки злаковых культур).

Классификация по строению белка: белки по строению белковой молекулы разделяют на простые (протеины) и сложные (протеиды).

Всостав простых белков входят только аминокислоты, в состав сложных белков входят аминокислоты (апобелок) и вещества небел- ковой природы (простетическая группа), которая включает фосфор- ную кислоту, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и т. д.

Протеиды подразделяют на подгруппы в зависимости от состава небелковой части:

–липопротеиды состоят из белка и остатков липидов, они входят в состав клеточных мембран, в протоплазму клеток;

–гликопротеиды состоят из белка и высокомолекулярных угле- водов, входят в состав яичного белка;

–хромопротеиды состоят из белка и красящих веществ − пигмен- тов, имеющих в своем составе металлы; например, гемоглобин со- держит железо;

–нуклеопротеиды состоят из белка и нуклеиновых кислот, вхо- дят в состав протоплазмы клеток и в ядро клетки;

–фосфопротеиды состоят из белка и фосфорной кислоты, входят в состав клетки [1, 2, 4, 6].

15

В ежедневном рационе взрослого человека белки должны состав- лять 14 % общей калорийности, сочетаясь в определенном соотно- шении с другими пищевыми веществами.

Растительные белки по сравнению с животными усваиваются ор- ганизмом не полностью. Белки молока и яиц усваиваются на 96 %, белки рыбы и мяса – на 95 %, белки хлеба из муки пшеничной I и II сортов – на 85 %, белки картофеля, хлеба из обойной муки, бобовых – на 70 %. Учитывая, что растительные белки менее полноценны по со- ставу незаменимых аминокислот, чем животные, потребление опре- деленного количества животных белков совершенно необходимо. Для взрослого человека доля животных белков в среднем должна состав- лять 55 % общего количества белков в рационе.

Технологические свойства белков [1, 2]:

1.Снижение растворимости при достижении изоэлектрической точки. Белки – амфотерные соединения, при рН 4,6–4,7 (изоэлектри- ческая точка белка) они электронейтральны, растворимость и вяз- кость наименьшая, поэтому снижение растворимости при данных значениях рН используют в пищевой промышленности, например при производстве сыра и творога.

2.Гидратация белков. Белки, присоединяя воду, проявляют гид- рофильные свойства, увеличивают объем и массу, при этом набуха- ние может сопровождаться частичным растворением белков. На по- верхности молекулы белка содержатся карбоксильная, аминная, пеп- тидная группы, которые притягивают к себе молекулы воды и обра- зуют защитную гидратную оболочку. В результате молекулы белков не могут соединяться друг с другом, т. е. агрегироваться. В изоэлек- трической точке данная оболочка разрушается, молекулы белков со- единяются друг с другом, агрегаты могут выпадать в осадок. При из- менении среды макромолекулы белков становятся заряженными, их способность присоединять воду меняется, при ограниченном набуха- нии белковые растворы образуют сложные смеси, называемые студ- нями. Набухший в воде белок пшеничной муки образует клейковину.

16

Студни и клейковина обладают свойствами упругости и эластично- сти, пластичности и текучести, т. е. свойствами твердого и жидкого геля. Свойства набухания играют большую роль в пищевой техноло- гии: набухание зерна при замочке, муки при замесе теста.

3.Денатурация – изменение пространственной ориентации бел- ковой молекулы, не сопровождающееся разрывом ковалентных свя- зей. Денатурация может быть вызвана повышением температуры, ме- ханическим и химическим воздействием, ультразвуком, ионизирую- щим облучением и другими факторами. В этом процессе изменяются физические свойства белка: уменьшается способность к гидратации, снижается растворимость и биологическая активность, изменяется форма макромолекулы. Денатурация играет важную роль в техноло- гических процессах, связанных с образованием структурных систем полуфабрикатов и готовых продуктов: хлеба, кондитерских, мака- ронных и других изделий.

4.Гидролиз белков – процесс присоединения группы ОН к кар- боксильной группе; протекает под действием ферментов ступенчато

собразованием промежуточных продуктов: пептонов, полипептидов, дипептидов, аминокислот.

5.Пенообразование – способность белков образовывать эмуль- сии в системе жидкость – газ, называемые пенами. Белки как пено- образователи широко используют при производстве многих конди- терских изделий.

6.Меланоидинообразование – взаимодействие аминогруппы бел- ка с карбоксильными группами сахаров. Данная реакция сопровожда- ется образованием меланоидинов, веществ, обладающих различной окраской и ароматом.

Массовую долю белков в пищевых продуктах определяют по ко- личеству общего азота методом Кьельдаля, фото- и спектрофото- метрическим методами, основанными на способности белка образо- вывать окрашенные соединения с некоторыми реагентами. Среди них следует отметить метод Лоури, биуретовый метод.

17

Определение массовой доли белка биуретовым методом.

Специфической реакцией на белок является биуретовая реакция, в которой участвуют пептидные связи. Реакция получила свое на- звание от производного мочевины – биурета, который образует в щелочном растворе гидроксида меди (II) окрашенное комплексное соединение. Интенсивность окрашивания пропорциональна со- держанию пептидных связей, т. е. концентрации белка. Биурето- вую реакцию дают все белки, пептоны и полипептиды, начиная с тетрапептидов.

Биуретовую реакцию длительное время использовали как качест- венную реакцию на белок. В дальнейшем (с 1949 г.) ее стали приме- нять для количественного определения белка в различных объектах. Биуретовый метод применяют в разных модификациях, различаю- щихся условиями экстрагирования белка, способами внесения биуре- тового реактива и техникой колориметрирования.

В данной лабораторной работе использован метод определения белков в муке в модификации Дженнингса [4, 6].

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Цель работы 1: количественное определение белков в муке.

Лабораторная посуда, реактивы, оборудование: конические колбы с притертыми пробками вместимостью 250 мл; пипетки вме- стимостью 2 мл, 50 мл; биуретовый реактив (15 мл гидроксида калия молярной концентрацией 10 моль/л и 25 г сегнетовой соли, взятой с погрешностью ±0,01 г, растворяют примерно в 900 мл дистиллиро- ванной воды в мерной колбе вместимостью 1000 мл. Медленно до- бавляют при постоянном перемешивании 30 мл 4%-ного раствора сульфата меди, отмеренного цилиндром, и доводят объем мерной колбы до метки дистиллированной водой); четыреххлористый угле- род; весы лабораторные с пределом взвешивания 200 г, точностью 0,001 г; механический встряхиватель; центрифуга; фотоэлектроко- лориметр; пипетатор.

18

Последовательность выполнения работы. В двух сухих кони-

ческих колбах вместимостью 250 мл взвешивают на весах по 1,5 г муки с погрешностью ±0,001 г, колбы закрывают пробками. В вы- тяжном шкафу пипеткой вместимостью 2 мл отмеривают в каждую колбу по 2 мл четыреххлористого углерода для извлечения жира из образца, добавляют пипеткой (бюреткой) 100 мл биуретового ре- актива. Закрытые пробками колбы встряхивают на механическом встряхивателе в течение 60 мин. Далее вытяжки центрифугируют в течение 10 мин при частоте вращения 4500 мин−1. Прозрачные цен- трифугаты помещают в кюветы фотоэлектроколориметра с толщиной слоя раствора 5 мм. Измерение оптической плотности проводят при длине волны 550 нм относительно дистиллированной воды.

Получаемые результаты. По величинам оптической плотности двух проб определяют массу белка по градуровочному графику

(рис. 2.1).

Содержание белка, мг

Рис. 2.1. Градуировочный график для определения массы белка биуретовым методом

19

Рассчитывают массовую долю белка в пересчете на сухие веще- ства муки:

где ω – массовая доля белка в муке, %;

mкр – масса белка, определенная по градуировочному графику, мг; mн – масса белка, взятая для анализа, г;

100 – масса муки для пересчета массовой доли муки, 100 г; 1000 – коэффициент пересчета мг в г.

За окончательный результат эксперимента принимают среднее арифметическое результатов двух параллельных определений. Вы- числения проводят до второй значащей цифры.

Определение содержания белка методом формольного титро-

вания. Сущность реакции формалина на белок заключается в том, что альдегидная группа формалина взаимодействует с аминогруппой бел- ка, которая теряет свои основные свойства, в результате чего увеличи- ваются кислотные свойства белка. Количество титруемых карбоксиль- ных групп будет эквивалентно количеству связанных формальдегидом аминных групп.

Схематично эти реакции могут быть представлены в следую- щем виде:

Образующаяся метиленаминокислота является сильной кислотой, которая может быть оттитрована раствором щелочи:

20