Білет № 24

1. Біологічна роль та характеристика вуглеводів.

2. Мікробіологічні процеси харчових виробництв.

3. Вплив сторонніх речовин на технологічні процеси виробництва харчових продуктів.

1. Біологічна роль та характеристика вуглеводів.

Вуглеводи у вигляді різних похідних входять до складу клітин
любого живого організму і виконують роль конструкційного
матеріалу, постачальника енергії, субстратів та регуляторів
специфічних біохімічних процесів. Поєднуючись з нуклеїновими
кислотами, білками та ліпідами, вуглеводи складають ті складні
високомолекулярні комплекси, які лежать в основі субклітинних
структур і представляють собою основу живої матерії.

Основним джерелом вуглеводів у харчуванні є рослинні
продукти. Серед важливих фізіологічних функцій вуглеводів слід
відмітити такі:

1. Енергетична функція. Вуглеводи є головним джерелом
енергії для організму людини. Енергія необхідна для
життєдіяльності клітин, тканин та органів. В результаті
біологічного окиснення вуглеводів виділяється енергія, яка
акумулюється у вигляді багатих на енергію сполук, наприклад,
аденозинтрифосфорної кислоти, що приймає участь в забезпеченні
значних енергетичних потреб організму.

2. Пластична функція. Вуглеводи використовуються для
синтезу нуклеїнових кислот, амінокислот, білків та входять до
складу різних тканин і рідин, виконуючи роль пластичного
матеріалу.

3. Захисна функція. Вуглеводи відіграють важливу роль у
захисних реакціях організму, особливо у тих, що відбуваються у
печінці. Наприклад, глюкуронова кислота в результаті поєднання з
деякими токсичними речовинами утворює нетоксичні складні
ефіри, які розчиняються у воді і виводяться з організму разом із
сечею. В’яжучі секрети, які виділяються різними залозами і багаті
на мукополісахариди, захищають стінки деяких порожнистих
органів від механічних пошкоджень і від проникнення патогенних бактерій і вірусів. Вуглеводи також є головними компонентами
оболонок рослинних тканин і приймають участь в утворенні
клітинних мембран.

4. Опорна функція. Клітковина та інші полісахариди
утворюють міцний каркас рослин, складають їх механічні та опорні
тканини. Разом з білками вуглеводи входять до складу хрящів, які
виконують опорну функцію у людини та тварин.

5. Регуляторна функція. Вуглеводи протидіють накопиченню
кетонових тіл, які утворюються при окисненні жирів. Тому, якщо
порушується обмін вуглеводів, то вони накопичуються в організмі,
що призводить до розвитку ацидозу. Баластні речовини
стимулюють перистальтику кишечника, сприяють виведенню із
організму холестерину, перешкоджають всмоктуванню отруйних
речовин з товстого кишечнику та покращують травлення.
Моносахариди відіграють значну роль в регуляції осмотичних
процесів.

6. Спеціалізована функція. Деякі вуглеводи та їх похідні мають
біологічну активність, виконуючи в організмі спеціалізовані
функції. Так, гепарин попереджає зсідання крови в судинах, а
гіалуронова кислота запобігає прониканню бактерій через клітинну
оболонку. Окремі представники вуглеводів виконують в організмі
особливі функції, наприклад, беруть участь у проведенні нервових
імпульсів, утворенні антитіл, забезпечують специфічність груп
крові, нормальну діяльність центральної нервової системи.

Запаси вуглеводів в організмі людини обмежені. їх кількість
не перевищує 1 % ваги тіла, а під час інтенсивної роботи цей запас
швидко зменшується. Вуглеводи повинні кожної доби поступати до
організму з їжею. Добова потреба людини у вуглеводах складає
400—500 г.

Вуглеводи за харчовою цінністю поділяються на ті, що
перетравлюються в організмі, і баластні речовини. До першого типу
вуглеводів відносяться моносахариди, олігосахариди і полісахариди —
глікоген, декстрини, крохмаль. До баластних речовин або харчових
волокон відносяться такі полісахариди, як клітковина, геміцелюлози,
пектинові речовини, інулін, гуми, слизи.

Вуглеводи першого типу, за виключенням моносахаридів, у
травневому тракті розщеплюються, всмоктуються і потім
безпосередньо утилізуються у вигляді глюкози або перетворюються на
жир чи відкладаються у вигляді глікогену на збереження.

До основних процесів, що відбуваються під час обміну вуглеводів в організмі людини відносять такі:

1. Розщеплення у шлунково-кишковому тракті полісахаридів і
дисахаридів, що поступають із їжею. Моносахариди всмоктуються із
кишечника у кров.

2. Синтез та розпад глікогену у тканях.

3. Глюкоза анаеробно розщеплюється з утворенням піирувату
(гліколіз).

4. Аеробний метаболізм пірувату (дихання).

5. Вторинні шляхи катаболізму глюкози.

6. Взаємоперетворення гексоз.

7. Утворення вуглеводів із невуглеводних продуктів
(піровиноградна, молочна кислоти, гліцерин, амінокислоти та ін.).

Вуглеводи у вигляді глюкози циркулюють у крові і забезпечують
потреби організму. Нормальний вміст глюкози у крові 80—120 мг в
100 мл, або 3,3—5,5 од. Надлишок вуглеводів перетворюється на
глікоген, який використовується у якості джерела глюкози при
недостатній кількості вуглеводів у їжі. При порушенні функції
підшлункової залози, яка починає виробляти недостатню кількість
гормону інсуліну, процеси утилізації глюкози уповільнюються, рівень
глюкози у крові значно підвищується і у сечі виявляють цукор. Таке
захворювання має назву цукровий діабет. При цьому захворюванні
вживають замість цукру фруктозу, тому що цей моносахарид більше
затримується печінкою, у крові швидше вступає в процеси обміну і для
його утилізації не потрібний інсулін.

Вуглеводи, що не перетравлюються в організмі, складають
харчові волокна. Вони не утилізуються організмом, проте відіграють
важливу роль у травленні. Серед важливих функцій харчових волокон
слід відзначити такі:

1. Стимуляція моторної функції кишечнику.

2. Перешкоджання всмоктуванню холестерину.

3. Нормалізація складу мікрофлори кишечнику, уповільнення
гнилісних процесів.

4. Вплив на ліпідний обмін, порушення якого приводить до
ожиріння.

5. Адсорбція жовчних кислот.

6. Сприяння зниженню вмісту токсичних речовин
життєдіяльності мікроорганізмів і виведення із організму токсичних
речовин.

Добова потреба людини у харчових волокнах складає 20—25 г.
Недостатність у раціоні харчових волокон призводить до порушення обміну речовин, погіршення травлення та загального
ослаблення організму. Характерними хворобами при дефіциті
харчових волокон є виразкова хвороба шлунку і дванадцятипалої
кишки, сечокам’яна хвороба та подагра. Водночас переважання у
їжі грубих овочів, які містять багато харчових волокон, також
небажане і призводить до неповного перетравлення їжі, порушення
всмоктування мінеральних речовин та вітамінів. Це призводить до
утворення надлишкових газів у кишечнику, болю у шлунку та
проносу. Тому важливим є почуття міри і мудрість у вживанні
грубої овочевої їжі.

2. Мікробіологічні процеси харчових виробництв.

Для виробництва харчових продуктів людина використовує мікробіологічні процеси вже з давніх давен. Відомо, що наші далекі пращури в доісторичні часи вміли випікати хліб, варити квас, пиво, виробляти сири, вино та інші продукти. Не розуміючи причин і сутності перетворень, що відбувались в цих процесах, людина емпіричним шляхом шукала і знаходила кращі, більш ефективні варіанти технології їх проведення, орієнтуючись на кінцевий результат.

Наукове розуміння сутності мікробіологічних перетворень прийшло лише в XIX ст. завдяки фундаментальним роботам геніального французького мікробіолога Луї Пастера. Але цілеспрямоване промислове використання мікробіологічного синтезу почалось тільки у минулому, XX ст., коли мікробіологією були розроблені ефективні методи селекції та промислового застосування багатьох родин, видів, штамів і рас мікроорганізмів. Цьому сприяли також блискучі успіхи інших наук — цитології, молекулярної біології, мутаційної генетики, генної інженерії, які дозволили ретельно вивчити на клітинному і молекулярному рівні найтонші реакції обміну. На підставі цих досягнень стало можливим цілеспрямовано змінювати генетичний код мікробіальної клітини, надавати їй бажані для практичного використання властивості, спрямовувати мікробіологічний синтез на отримання необхідних людині речовин. Технології виробництва, які базуються на використанні направленого мікробіологічного та біохімічного синтезу, отримали назву Біотехнологій.

В даний час біотехнології набувають все більшого поширення. За їх допомогою виробляють харчові продукти, білкові препарати і амінокислоти, вітаміни, ферменти і антибіотики, кислоти, спирти, засоби захисту рослин, кормові та технічні продукти. Перевагами біотехнологій є те, що мікроорганізми мають найвищу серед живих істот швидкість росту і розмноження. Так, швидкість росту дріжджів в 500 разів більша швидкості росту сільськогосподарських рослин і в 1000 разів більша, ніж у тварин. За одну годину вирощування в одному кубічному метрі живильного середовища можна отримати 3 кг дріжджової біомаси, що відповідає 1,25 кг білка, тобто 30 кг білка за добу. Щоб отримати таку кількість білка гороху, необхідно 18 гектарів посівів, а білків м’яса — стадо зі 100 корів. Бактеріальна клітина здатна за добу переробляти живильного середовища в 30—40 разів більше власної маси.

Мікробіологічні процеси відбуваються переважно при відносно низьких температурах (до 70°С), атмосферному тиску, в простому за конструкцією обладнанні, завдяки чому технологічні процеси в біотехнологіях не складні, на їх організацію і проведення не потрібно значних капіталовкладень. Значною перевагою біотехнологій є також те, що субстратом для них можуть бути відходи переробки рослинної та тваринної сировини (деревина, солома, очерет, лузга, сироватка, барда, меляса, стічні води, відходи нафтопереробки), природний газ, мул та інші.

Мікроорганізми — це бактерії та мікроскопічні гриби, що надзвичайно поширені в природі. Величезна кількість їх населяє ґрунти, водойми, повітря. Це так звані "дикі" форми (банальна мікрофлора). Крім них, багато видів отримано методами селекції або штучно методами мутаційної генетики та генної інженерії. їх називають "культурною" або "корисною" мікрофлорою. Якщо мікробіологічні процеси збуджуються банальною мікрофлорою і протікають самоплинно, їх називають природними. Такі процеси доволі часто мають місце при зберіганні продовольчої сировини. Якщо ж процеси ініціюються чистими культурами або ж для певних видів дикої мікрофлори створюються оптимальні умови і процеси відбуваються керовано — їх називаютьнаправленими або біотехнологічними.

Біотехнологічні процеси за їх збудниками та сутністю поділяють на процеси бродіння та дозрівання. В харчових виробництвах широко використовують обидва.

Бродіння — це біохімічне перетворення вуглеводів субстрату під дією ферментів мікроорганізмів, які культивуються на даному субстраті. В залежності від виду продуцента і домінуючого метаболіта розрізняють спиртове, молочнокисле, оцтовокисле, маслянокисле, лимоннокисле, ацетонобутилове та інші види бродіння.

Більшість традиційних та нових біотехнологій засновані на використанні процесів бродіння, гідролізу та синтезу. Особливо широкого розповсюдження набули бродильні виробництва: виробництво етилового спирту, виноградних та плодово-ягідних вин, пивоваріння, хлібовипічка, молочнопереробне та інші харчові виробництва, основу технології яких складає процес бродіння.

Дозрівання— це складний біотехнологічний процес, в якому беруть участь ферменти сировини або внесені ферментні препарати і мікробіологічні процеси. При дозріванні зміни відбуваються не тільки у вуглеводних, а й у білкових, жирових сполуках, органічних кислотах тощо.

Дозрівання як біотехнологічний процес, переважно є складовою частиною технологій виробництва деяких харчових продуктів, тобто він є часткою, стадією інших технологічних процесів. Такі стадії мають місце в технологіях виготовлення вина, пива, кисломолочних продуктів. Вони завершують технологічний процес і відбуваються при зберіганні цих продуктів. Проте в деяких виробництвах, таких як виготовлення сирів, сирокопчених ковбас, м'ясокопченостей, солоної, пряної риби, рибних пресервів тощо процес дозрівання є вирішальним етапом технології, завдяки якому формуються основні функціональні та якісні характеристики продукту: смак, запах, консистенція, колір, структура та інші.

Сутність процесу дозрівання полягає в сукупній дії ферментів самої сировини або доданих до неї і ферментів мікрофлори, яка бере участь в дозріванні продукту. Так, при дозріванні вина під дією ферментів сировини в ньому відбуваються складні окислювально-відновні та гідролітичні процеси. Паралельно з ними протікають автолітичні процеси дріжджових клітин. Продукти автолізу і метаболіти взаємодіють з компонентами вина і внаслідок цього формуються колір, смак, аромат, прозорість та інші характеристики вина.

При виробництві сирів стадія дозрівання обумовлена дією ферментів молока, сичжного ферменту, молочнокислої та іншої мікрофлори. Під їх впливом у сирній масі проходять процеси гідролізу білків, молочного жиру, молочнокисле та пропіоновокисле бродіння. В залежності від складу сировини, від температурного режиму та інших виробничих умов ці процеси можуть протікати за різними механізмами і утворювати різні кінцеві продукти. Саме цим пояснюється така велика номенклатура сирної продукції і суттєві відмінності в її споживчих характеристиках.

Мікробіологічні процеси використовують з різною метою: для виробництва певних продуктів, для утилізації відходів, для очищення стічних вод та повітря, для консервування. В найбільших масштабах мікробіологічний синтез здійснюють для виробництва потрібної продукції. Любий біотехнологічний процес складається з двох етапів: культивування мікроорганізмів та виділення і очищення цільових продуктів.

Культивуванняабо вирощування мікробіальної біомаси в залежності від виду мікроорганізму — продуцента може здійснюватися двома способами —поверхневимабоглибинним. Процес може бутиперіодичнимібезперервним(поточним). Поверхневий спосіб вже застарів і зараз має обмежене використання. При цьому способі розчин субстрату (живильне середовище) розливається шаром 18—20 см у спеціальні плоскі кювети, які засівають чистою культурою продуцента. Для кращого доступу кисню шар пухкого носія (висівки, тирса) змочують субстратом і засівають продуцентом. Кювети витримують при оптимальних для мікроорганізмів умовах в спеціальних ростильних камерах. У цих умовах продуцент швидко розмножується, зростає його біомаса, витрачається субстрат і накопичується цільовий продукт. Суміш залишків субстрату, мікроорганізмів і продуктів його життєдіяльності називаєтьсякультуральною рідиною. На другому етапі процесу з цієї рідини видаляють і очищують цільовий продукт.

Поверхневий спосіб має просту технологію і обладнання але він малопродуктивний, періодичний і придатний для вирощування тільки аеробної мікрофлори.

Глибиннийспосіб полягає у вирощуванні мікроорганізмів в спеціальних ємностях (ферментаторах, реакторах). Процес може відбуватись як періодично, так і безперервно (хемостатний спосіб). В останньому випадку на певній стадії вирощування в хемостат потоком додається субстрат і одночасно відводиться культуральна рідина, тобто здійснюється проток. Цим способом можна вирощувати як анаероби, так і аероби. Для цього через культуральну рідину продувають весь час стерильне очищене повітря. Регулюючи швидкість протоку, досягають стаціонарний режим процесу. Глибинний спосіб більш складний за технологією, потребує спеціального обладнання і значних витрат, зате він значно продуктивніший, дає можливість механізувати і автоматизувати технологічний процес, має більш широке застосування, а тому на даний час є найбільш поширеним.

3 Вплив сторонніх речовин на технологічні процеси виробництва харчових продуктів.

Харчові продукти віддзеркалюють стан навколишнього середовища. Останнім часом внаслідок інтенсивного розвитку промисловості та транспорту, хімізації сільського господарства забруднення навколишнього середовища досягло критичного рівня. Більшість території України забруднено іонами важких металів через надмірні викиди промислових підприємств та радіонуклідами після аварії на Чорнобильській АЕС. Ці елементи являють собою неабияку небезпеку для здоров'я людей, особливо дітей. Так, рівень забрудненості радіонуклідами харчових продуктів у порівнянні із 60-ми роками ХХ ст. зріс в 5-20 разів; за останні п'ять-десять років рівень забрудненості нітратами та продуктами їх розпаду збільшився майже в п'ять разів.

Відомо, до 70 % шкідливих речовин людина отримує через харчові продукти та воду, тому забезпечення споживачів доброякісними продуктами сприяє значному покращанню здоров'я населення, збереженню його генофонду.

Серед найнебезпечніших речовин, що потрапляють у харчові продукти внаслідок різноманітних порушень виробничої діяльності людини, виділяють такі: солі важких металів та миш'як (свинець, ртуть, кадмій, миш'як тощо); пестициди (фосфорорганічні і хлорорганічні сполуки); нітрати, нітрити; радіоактивні ізотопи (цезій, стронцій); мікотоксини (афлатоксин В₁, М₁, патулін, охратоксини тощо); антибіотики; залишки мийних та дезінфікувальних засобів.

Багато з цих речовин змінюють природні властивості харчової сировини, що призводить до порушень технологічних процесів при виробництві харчових продуктів. Як наслідок, вміст сторонніх речовин у харчовій сировині знижує якість і харчову цінність продуктів харчування.

Маючи на меті виробництво безпечних харчових продуктів необхідно знати шляхи контамінації продовольчої сировини та готової продукції шкідливими речовинами та загальні принципи профілактики.

Основними шляхами забруднення сировини та харчових продуктів є:

• аерогенний (безпосередньо або опосередковано через ґрунт) - осадження або вимивання опадами атмосферних викидів;

• гідрогенний (через ґрунт) - використання стічних вод або забруднених поверхневих вод з метою зрошення сільськогосподарських угідь;

• ґрунтовий - вирощування сільськогосподарських культур на забруднених ґрунтах;

• технологічний - використання хімічних засобів захисту рослин, антибіотиків, харчових добавок і консервантів у виробництві продовольчої сировини і продуктів харчування;

• контактний - міграція хімічних речовин із тари і пакувальних матеріалів у продукти харчування.

До засобів профілактики відносяться:

• хімічні - охорона організму людини, зниження рівнів забруднення довкілля, зниження рівнів міграції сторонніх речовин у рослини, виключення із раціону найбільш забруднених продуктів, розроблення і використання технологічних заходів очистки харчових продуктів;

• біологічні - підвищення стійкості організму, раціональне харчування, зниження всмоктування, прискорення виведення, корекція метаболічних порушень, стимуляція функцій окремих органів і систем.