Химическая структура и классификация углеводов

Само называние «углеводы», предложенное в 1844 г. К. Шмидтом, основано на том, что в химической структуре этих веществ атомы углерода сочетаются с атомами кислорода и водорода в таких же соотношениях, как в составе воды. Например, химическая формула глюкозы С₆(Н₂О)₆, сахарозы С₁₂(Н₂О)₁₁, крахмала С₅(Н₂О)_n. В зависимости от сложности строения, растворимости, быстроты усвоения и использования для гликогенообразования углеводы могут быть представлены в виде следующей классификационной схемы:

1) простые углеводы (сахара):

а) моносахариды: глюкоза, фруктоза, галактоза;

б) дисахариды: сахароза, лактоза, мальтоза;

2) сложные углеводы: полисахариды (крахмал, гликоген, пектиновые вещества, клетчатка).

Значение простых и сложных углеводов в питании

Простые углеводы. Моносахариды и дисахариды характеризуются легкой растворимостью в воде, быстрой усвояемостью (всасываемостью) и выраженным сладким вкусом.

Моносахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза) – это гексозы, имеющие в своей молекуле 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. В пищевых продуктах гексозы находятся в неусвояемой α– и β-формах. Под действием ферментов поджелудочной железы гексозы переходят в усвояемую форму. При отсутствии гормона (например, инсулина при диабете) гексозы не усваиваются и выводятся с мочой.

Глюкоза в организме быстро превращается в гликоген, идущий на питание тканей мозга, сердечной мышцы, поддержания сахара в крови. В связи с этим глюкоза применяется для поддержания послеоперационных, ослабленных и тяжело больных.

Фруктоза, обладая теми же свойствами, что и глюкоза, медленнее усваивается в кишечнике и быстро покидает кровяное русло. Обладая большей сладостью, чем глюкоза и сахароза, фруктоза позволяет снизить потребление сахаров, а следовательно, и калорийность рациона. При этом сахар меньше переходит в жир, что благоприятно влияет на жировой и холестериновый обмен. Употребление фруктозы является профилактикой кариеса и гнилостных колитов кишечника, она применяется для питания детей и пожилых людей.

Галактоза в свободном виде в пищевых продуктах не встречается, а является продуктом расщепления лактозы.

Источником гексоз являются фрукты, ягоды и другая растительная пища.

Дисахариды. Из них в питании имеют значение сахароза (тростниковый или свекловичный сахар) и лактоза (молочный сахар). При гидролизе сахароза распадается до глюкозы и фруктозы, а лактоза – до глюкозы и галактозы. Мальтоза (солодовый сахар) – продукт расщепления крахмала и гликогена в желудочно-кишечном тракте. В свободном виде встречается в меде, солоде и пиве.

Больше всего из дисахаров употребляется сахар – до 40—45 кг в год, избыточное количество которого оказывает влияние на развитие атеросклероза, ведет к гипергликемии.

Сложные углеводы, или полисахариды, характеризуются сложностью молекулярного строения и плохой растворимостью в воде. К ним относят крахмал, гликоген, целлюлоза (клетчатка) и пектиновые вещества. Два последних полисахарида относят к пищевым волокнам.

Крахмал. На его долю в пищевом рационе человека приходится до 80 % общего количества потребляемых углеводов. Источником крахмала являются зерновые продукты, бобовые и картофель. Крахмал в организме проходит целую стадию превращений полисахаридов: сначала до декстринов (под действием ферментов амилазы, диастазы), затем до мальтозы и конечного продукта – глюкозы (под действием фермента мальтазы). Этот процесс сравнительно медленный, что создает благоприятные условия для полного использования крахмала. Поэтому при средних энергетических затратах организм обеспечивается сахаром в основном за счет крахмала пищи. При значительных энергетических затратах возникает необходимость введения сахаров, являющихся источником быстрого гликогенообразования. Необходимость параллельного использования крахмала и сахара допускается тем, что крахмал пищи не удовлетворяет потребности организма в ощущении вкуса. При средних энергетических затратах (2500—3000 ккал) количество сахара в рационе взрослого составляет 15 % от общего количества углеводов, для детей и юношей – 25 %. Суточная потребность сахара составляет 50—80 г. Сбалансированное поступление крахмала и сахара в составе пищи обеспечивает благоприятные условия для поддержания нормального уровня сахара в крови.

Гликоген (животный крахмал). Присутствует в животной ткани, в печени до 230 % от сырого веса, в мышцах – до 4 %. В организме расходуется для энергетических целей. Его восстановление происходит путем ресинтеза гликогена за счет глюкозы крови.

Пектиновые вещества – коллоидные полисахариды, гемицеллюлоза (желирующее вещество). Различают два вида этих веществ: протопектины (нерастворимые в воде соединения пектина и целлюлозы) и пектины (растворимые вещества). Пектины под действием пектиназы подвергаются гидролизу до сахара и тетрагалактуроновой кислоты. При этом от пектина отщепляется метоксильная группа (ОСН₃), и образуются пектиновая кислота и метильный спирт. Способность пектиновых веществ преобразовываться в водных растворах в присутствии кислоты и сахара в желеобразную, коллоидную массу широко используется в пищевой промышленности. Сырьем для пектинов служат отходы яблок, подсолнечника и арбузов.

Пектины благотворно влияют на процессы пищеварения. Они оказывают детоксирующее действие при отравлении свинцом, находят применение при лечебно-профилактическом питании.

Клетчатка (целлюлоза) по своей структуре весьма близка к полисахаридам. Организм человека почти не продуцирует ферментов, расщепляющих целлюлозу. В небольшом количестве эти ферменты выделяют бактерии нижних отделов пищеварительного тракта (слепая кишка). Клетчатка расщепляется под действием фермента целлюлазы с образованием растворимых соединений, которые активно выводят холестерин из организма. Чем нежнее клетчатка (картофель), тем полнее она расщепляется.

Значение клетчатки состоит:

1) в стимулировании перистальтики кишечника за счет сорбции воды и увеличения объема каловых масс;

2) способности выведения из организма холестерина за счет сорбции стеринов и препятствия их обратного всасывания;

3) в нормализации микрофлоры кишечника;

4) способности вызывать чувство сытости.

Суточная потребность клетчатки и пектиновых веществ составляет около 25 г.

За последнее время роли пищевых волокон (целлюлозы, пектина, камеди, или гумми и других балластных веществ растительного происхождения) в питании стали придавать большее значение. Рафинированные продукты (сахар, мука тонкого помола, соки) полностью освобождены от пищевых волокон, которые плохо перевариваются и всасываются в желудочно-кишечный тракт. Однако не следует забывать, что некоторые виды пищевых волокон удерживают воды в 5—30 раз больше, чем их собственная масса. В результате значительно увеличивается объем каловых масс, ускоряется их передвижение по кишечнику и опорожнение толстой кишки. Последнее крайне полезно для больных с гипомоторной дискинезией и синдромом запора. Пищевые волокна изменяют состав кишечной микрофлоры, увеличивая общее число микробов при одновременном снижении количества кишечных палочек. Важным свойством пищевых продуктов с высоким содержанием пищевых волокон является их низкая калорийность при значительном объеме продукта. Вместе с тем избыточное потребление пищевых волокон может привести к уменьшению всасывания некоторых минеральных веществ (кальция, марганца, железа, меди, цинка).

Основным источником пищевых волокон являются зерновые продукты, фрукты и овощи. Наиболее высоким уровнем пищевых волокон характеризуются ржаной хлеб грубого помола, горох, бобовые, овсяная крупа, капуста, малина, черная смородина. Больше всего пищевых волокон в отрубях. В пшеничных отрубях содержится 45—55 % пищевых волокон, из них 28 % – гемицеллюлозы, 9,8 % целлюлозы, 2,2 % пектина. 3/4 всех биологически активных веществ содержится в отрубях. Добавление к суточному рациону 2—3 ст. л. отрубей в достаточной степени усиливает моторно-эвакуационную функцию толстой кишки, желчного пузыря, уменьшают возможность камнеобразования в желчном пузыре, сдерживает повышение сахара крови после еды при сахарном диабете.

Камеди широко используют в пищевой промышленности для придания растворам вязкости. Их получают из некоторых растений и используют для кристаллизации сахара, изготовления жевательной резинки. Имеются данные, что гумми снижают кислотность желудочного сока и замедляют опорожнение желудка у больных язвенной болезнью двенадцатиперстной кишки. Камеди повышают чувство насыщения, позволяют уменьшить калорийность пищевого рациона, что имеет значение в диетотерапии ожирения.

Суммарный уровень пищевых волокон для организма составляет около 25 г в сутки. При некоторых заболеваниях (запорах, дискинезии желчного пузыря, гиперхолестеринемии, сахарном диабете) необходимо увеличить содержание пищевых волокон в рационе до 40—60 г в сутки.

При построении рационов следует иметь в виду, что потребление продуктов, богатых крахмалом, а также фруктов и овощей, содержащих сахара, имеет преимущество перед приемом такого высококалорийного продукта, как сахар и кондитерские изделия, поскольку с первой группой продуктов человек получает не только углеводы, но и витамины, и минеральные соли, микроэлементы и пищевые волокна. Сахар же является носителем «голых», или пустых, калорий и характеризуется лишь высокой энергетической ценностью. Поэтому квота сахара в суточном рационе не должна превышать 10—20 % (50—100 г в сутки).