Краткие сведения о химическом составе пищевых продуктов

Качественный состав и количественное соотношение веществ, содержащихся в пищевых продуктах, обуславливает их пищевую ценность, безопасность и сохраняемость.

Все вещества, входящие в состав пищевых продуктов можно подразделить, на неорганические – вода и минеральные элементы, и органические – углеводы, жиры и жироподобные соединения, белки и другие азотсодежащие вещества, витамины, ферменты, органические кислоты, фенольные соединения, красящие и ароматические вещества.

Вода входит в состав всех пищевых продуктов, но в разных количествах. Она составляет около ²/₃ массы тела человека и обеспечивает протекание важнейших биохимических и физиологических процессов в организме. Потеря организмом воды в количестве 6-8% от массы тела приводит к серьезным физиологическим нарушениям, а свыше 10-12% - к изменениям, несовместимым с жизнью. Потребности человеческого организма в воде удовлетворяются за счет употребления питьевой воды и напитков, пищевых продуктов, содержащих воду, а также за счет воды, образующейся в тканях при биологическом окислении различных веществ (белков, жиров, углеводов и др.).

К пищевым продуктам с высоким содержанием воды относят свежие плоды и овощи (65-95%), молоко (87-90%), рыбу (62-84%), мясо (58-74%), печеный хлеб (42-51%). Эти продукты нестойки при хранении, поскольку вода является благоприятной средой для развития микроорганизмов, протекания биохимических, химических и других процессов. Они быстро подвергаются различным видам порчи, а для продления сроков хранения нуждаются в консервировании.

Низким содержанием воды отличаются мука, крупа, макаронные изделия (12-15%), чай и кофе (3-8%), крахмал (13-20%), сухофрукты (12-25%). Очень мало воды в сахаре, соли, растительных маслах и животных топленых жирах (десятые доли %). Эти продукты сохраняются лучше, но, обладая высокой гигроскопичностью (способностью поглощать и удерживать водяные пары из окружающей атмосферы), они легко увлажняются, что приводит к потере сыпучести, слеживанию, комкованию и другим нежелательным изменениям качества.

При выборе условий хранения пищевых продуктов стремятся создать и поддерживать на постоянном уровне такую относительную влажность воздуха, которая не вызывала бы процессов усушки или увлажнения. Содержание воды в продуктах является важным показателем, влияющим на их пищевую ценность и сохраняемость. Поэтому для многих продовольственных товаров в нормативной и технической документации, устанавливающей требования к качеству, предусмотрены показатели – массовая доля влаги (в %, не более) или влажность (в %, не более).

Минеральные вещества участвуют в пластических процессах организма (входят в состав тканей, ядер клеток, цитоплазмы), в водно-солевом обмене, поддержании кислотно-щелочного равновесия, осмотического давления крови, обеспечивают протекание многих ферментативных процессов.

Общее содержание минеральных веществ в большинстве пищевых продуктов составляет в среднем 1% . Все минеральные элементы делят на три группы: макроэлементы (Ca, P, Mg, Na, K, Cl, S, Fe), содержащиеся в пище в относительно больших количествах (более 1 мг%), микроэлементы (Zn, Cu, I, F, Мn, Cr, Ni и др.), концентрация которых невелика (менее 1 мг%) и ультрамикроэлементы (Sn, Pb, Hg и др.), присутствующие в продуктах в «следовых» количествах. Характеристика некоторых макро- и микроэлементов приведена в таблице 2.

Таблица 2.

Определяют содержание минеральных элементов в золе, остающейся после сжигания пищевых продуктов, поэтому их называют также зольными элементами. Для многих пищевых продуктов регламентируют показатели:

· зольность (в %, не более), массовая доля минеральных примесей (в %, не более), массовая доля общей золы (в %, не более) – для крупы, муки, крахмала, сахара, варенья, джема, чая и др.;

· массовая доля золы, нерастворимой в 10%-ной соляной кислоте (в %, не более) – для плодоовощных консервов;

· массовая доля металломагнитных примесей (в мг на 1 кг продукта или в %, не более) – для крупы, муки, макаронных изделий, чая, кофе и др.

Превышение установленных пределов по данным показателям снижает сортность изделий и указывает, как правило, на плохую очистку сырья, загрязнение продукта минеральными примесями, наличие трудно усваиваемых компонентов (например, оболочек зерновки – для крупы и муки). Некоторые минеральные элементы (мышьяк, ртуть, кадмий, свинец и др.) обладают ярко выраженной токсичностью, поэтому нормативные документы устанавливают допустимые уровни их содержания (см.п…..).

Углеводы образуются в процессе фотосинтеза в зеленых листьях растений из углекислого газа воздуха и воды. На их долю приходится до 90% сухих веществ растений и около 2% сухих веществ животного организма. По объему потребления и обеспечению калорийности пищевого рациона они занимают первое место среди других компонентов пищи. Кроме энергетической, углеводы выполняют и другие функции в организме: входят в состав важнейших клеточных структур (нуклеиновых кислот, антител, гормонов, ферментов), участвуют в регуляции многих биохимических процессов. В то же время избыточное поступление углеводов приводит к ожирению, нарушениям нервной системы, аллергизации организма.

Основным источником углеводов являются продукты растительного происхождения. Среди них есть такие, которые почти полностью состоят из одних углеводов - сахар, мед, крахмал. В некоторых продуктах на долю углеводов приходится основная часть сухих веществ - мука, крупа, кондитерские изделия, плоды и овощи.

Согласно принятой классификации, углеводы подразделяют на три больших класса: моносахариды – простые сахара (глюкоза, фруктоза, галактоза, ксилоза, арабиноза и др.); олигосахариды – содержат от двух до десяти моносахаридных остатков (дисахариды – сахароза, мальтоза, лактоза и др., трисахарид – раффиноза, тетрасахарид – стахиоза и др.); полисахариды - продукты поликонденсации моносахаридов (крахмал, гликоген, пектиновые вещества, целлюлоза или клетчатка, гемицеллюлозы, инулин, камеди и др.).

По усвояемости в организме углеводы делятся на усваиваемые (моно-, олигосахариды, крахмал и продукты его распада – декстрины, гликоген) и неусваиваемые (клетчатка, гемицеллюлозы, пектиновые вещества). Главными усваиваемыми углеводами являются крахмал и сахароза. На долю крахмала приходится около 80% всех потребляемых человеком углеводов. Источниками крахмала являются крупы, макаронные и мучные изделия, картофель, другие овощи и плоды. Неусваиваемые углеводы называют также пищевыми волокнами или балластными веществами. Они выполняют важную физиологическую функцию - вызывают перистальтику кишечника, обеспечивая тем самым продвижение пищи по желудочно-кишечному тракту.

Углеводы играют важную роль в формировании и сохранении качества продовольственных товаров. Некоторые свойства (превращения) углеводов используют в технологии производства и хранения пищевых продуктов:

· гидролиз (расщепление при участии воды) крахмала лежит в основе производства крахмалопродуктов (глюкозы, патоки, сахарных сиропов), спирта (при подготовке сырья для брожения), пива (при получении пивного сусла), хлеба (процесс приготовления теста) и других продуктов; гидролиз пектиновых веществ происходит при созревании и дозревании плодов и овощей; гидролиз сахарозы с образованием инвертного сахара используется в кондитерской промышленности, при производстве безалкогольных напитков;

· реакция карамелизации сахаров, происходящая при нагревании свыше 160⁰С и сопровождающаяся образованием коричнево окрашенных веществ с карамельным ароматом, используется при производстве сахарного колера (натуральный краситель, применяемый для подкрашивания безалкогольных напитков, коньяков), происходит при выпечке хлеба, обжаривании кофейных зерен, при приготовлении жареного мяса, рыбы и других продуктов;

· реакция меланоидинообразования (реакция Майяра) – реакция взаимодействия карбонильных групп восстанавливающих сахаров с аминогруппами белков, аминокислот, сопровождающаяся накоплением темноокрашенных веществ (меланоидинов) и летучих ароматических соединений, - происходит при хлебопечении, сушке солода, длительной термической обработке молока (цвет топленого молока, ряженки);

· способность моносахаридов к сбраживанию под воздействием микроорганизмов (дрожжей, молочнокислых бактерий и др.) лежит в основе технологии изготовления хлеба, кисломолочных продуктов, сыров, пива, вина, кваса и других продуктов;

· гидрофильность – способность к связыванию воды – обуславливает

высокую гигроскопичность многих углеводов, лежащую в основе нежелательных изменений качества при хранении пищевых продуктов; способность крахмальных зерен к набуханию в холодной воде и образованию крахмального клейстера в горячей – используется в пищевом производстве; при старении крахмальных зерен теряется их способность к удерживанию влаги (после длительного хранения ухудшается развариваемость крупяных изделий, снижаются хлебопекарные достоинства муки).

Жиры (липиды – от греч. lipos - жир)участвуют в пластических процессах организма, являются источником энергии (при окислении 1 г жира образуется 9,0 ккал энергии), жирорастворимых витаминов (A, D, E, K) и незаменимых полиненасыщенных жирных кислот (арахидоновой, линолевой, линоленовой), которые регулируют жировой обмен и уровень холестерина в крови.

Жиры по происхождению делят на животные и растительные, их оптимальное соотношение в пищевом рационе составляет 2:1. Высоким содержанием животных жиров отличаются коровье масло (62-99%), свинина (10-37%), некоторые виды морских животных и рыб (до 30%), а растительных – различные виды растительного масла (99,7%), орехи (40-70%), масличные семена. Смешанный жировой состав имеют такие пищевые жиры как маргарин (40-82%) и майонез (30-67%).

По химической природе жиры представляют смесь сложных эфиров трехатомного спирта глицерина и жирных кислот. В состав жиров могут входить насыщенные (предельные) жирные кислоты (лауриновая, миристиновая, пальмитиновая, стеариновая и др.) и ненасыщенные (непредельные) жирные кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая, арахидоновая и др.), имеющие в молекуле двойные связи. Ненасыщенные жирные кислоты имеют более низкую температуру плавления и проявляют более высокую реакционную способность по сравнению с насыщенными кислотами. Физические и химические свойства жиров зависят от их жирнокислотного состава.

Жиры, содержащие предельные жирные кислоты с большой молекулярной массой, имеют высокую температуру плавления и твердую консистенцию (t_{пл.бараньего жира} = 44-50⁰С). Большинство растительных жиров, а также некоторые животные жиры (например, жиры морских животных и рыб) отличаются высоким содержанием непредельных жирных кислот, соответственно, имеют низкую температуру плавления и жидкую консистенцию при температуре, близкой к 0⁰С и ниже (t_{пл.подсолн. масла)} = -21⁰С). Усвояемость жиров, прежде всего, зависит от их температуры плавления: чем она выше, тем жир труднее усваивается в организме.

Жиры нерастворимы в воде, но могут образовывать с ней эмульсии в присутствии эмульгаторов (производство маргарина, майонеза).

Жиры растворяются в органических растворителях (бензине, хлороформе, петролейном эфире и др.). На этом свойстве основаны экстракционный способ получения растительных масел, а также методика определения массовой доли жиров в составе пищевых продуктов.

Жидкие жиры могут превращаться в твердые в результате насыщения водородом непредельных жирных кислот. Этот процесс происходит в жестких условиях (при температуре 200-220⁰С, в присутствии никелевого катализатора) и называется гидрогенизацией жиров. Получаемый гидрожир или саломас является основным сырьем при производстве маргарина, кулинарных, кондитерских и хлебопекарных жиров.

При хранении снижение качества жиров происходит в результате их гидролиза и окисления.

Гидролиз жиров является первоначальной стадией их порчи. Под действием ферментов липаз в присутствии воды жиры расщепляются на глицерин и свободные жирные кислоты, которые подвергаются в дальнейшем окислительной порче. Для многих жиросодержащих продуктов в стандартах установлен показатель качества – кислотное число, указывающее на степень свежести жира.

Окислению подвергаются, прежде всего, ненасыщенные жирные кис-

лоты, входящие в состав жиров, они присоединяют кислород по месту разрыва двойной связи. Накапливающиеся токсичные продукты окисления – пероксиды и гидропероксиды (на начальной стадии), альдегиды, кетоны, оксикислоты (при глубоком окислении) – придают жирам неприятный прогорклый запах, резкий «царапающий» вкус. Реакция ускоряется с повышением температуры, под воздействием световой энергии, в присутствии влаги и металлов переменной валентности. Замедляют окислительные процессы – антиоксиданты (антиокислители), которые можно подразделить на природные (токоферолы, фенольные вещества, витамин С и др.) и синтетические (ионол, бутилоксианизол - БОА, бутилокситолуол -БОТ, пропилгаллаты и др.). Для предупреждения окислительной порчи жиров, жиросодержащие продукты следует хранить в герметичной упаковке при пониженной температуре, избегая воздействия прямых солнечных лучей.

Кроме типичных жиров в состав пищевых продуктов входят жироподобные соединения (липоиды), имеющие более сложное строение, – фосфолипиды (лецитины, кефалины), стерины (холестерин, эргостерол и др.), воски. Фосфолипиды являются основными компонентами клеточных мембран и обеспечивают их полупроницаемость, холестерин входит в состав стероидных гормонов и желчных кислот, эргостерол под действием ультрафиолетовых лучей в организме превращается в витамин D, воски растительного и животного происхождения выполняют защитные функции. Лецитин широко используется в пищевой промышленности в качестве эмульгатора (при производстве шоколада, маргарина, мороженого).

Белкиилипротеиныявляются наиболее ценными компонентами пищевых продуктов. Они выполняют важнейшие биологические функции: каталитическую (ферменты) – обеспечивают протекание биохимических процессов в организме, структурную (коллаген, фиброин) – составляют основу клеточных мембран, регуляторную (гормоны) – регулируют гормональный обмен, защитную (иммуноглобулины, интерферон) – формируют иммунитет, двигательную (актин, миозин) – входят в состав мышечной ткани, транспортную (гемоглобин, миоглобин) и другие.

По химической природе белки представляют собой высокомолекулярные биополимеры, молекулы которых построены из остатков аминокислот. Аминокислоты, входящие в состав белков, подразделяют на заменимые – они могут синтезироваться в организме человека из других веществ, и незаменимые (эссенциальные), которые должны поступать в организм в готовом виде (их всего 8, а у детей – 9). Биологическая ценность белков определяется сбалансированностью аминокислотного состава. Если в состав белка входят все незаменимые аминокислоты, белок называется полноценным. Полноценными являются большинство животных белков – белки молока (казеин, альбумин, глобулин), мяса и рыбы (миозин и актин), яйца (овоальбумин, овоглобулин), а также некоторые растительные белки (картофеля, пшеницы, ржи, гречихи, овса). Белки, в состав которых не входит хотя бы одна незаменимая аминокислота, называются неполноценными. К неполноценным относят животные белки соединительной ткани (коллаген, эластин), а также многие белки растительного происхождения (проса, кукурузы, некоторых бобовых культур).

Высоким содержанием белка отличаются такие пищевые продукты как мясо и рыба (в среднем 15-20%), сыры и творожные изделия (15-30%), яйцо (около 13%), соя и соевые продукты (30-35%). Дефицит белка в составе некоторых пищевых продуктов (хлебобулочных, крупяных изделий и др.) восполняется за счет введения в их рецептуру белковых обогащающих добавок.

Некоторые свойства белков лежат в основе технологии производства пищевых продуктов, а также учитываются при хранении.

Большинство белков являются гидрофильными соединениями. Способность белков к связыванию воды и набуханию используется при замесе теста в хлебопечении, производстве сухарных, бараночных и макаронных изделий, в технологии изготовления колбасных изделий. При длительном хранении способность белков к набуханию снижается: увеличивается время варки бобовых круп до готовности, происходит расслаивание простокваши и других жидких кисломолочных продуктов.

Нагревание при температуре выше 50-60⁰С приводит к изменению структуры большинства белков – они свертываются (денатурируют, коагулируют) и теряют гидрофильность. Это свойство белков используется при производстве сыров, творога и творожных изделий, при выпечке хлеба, сушке макарон, молока, рыбы и других продуктов. Оно лежит в основе некоторых методов определения содержания белков в составе продуктов.

Под действием ферментов протеиназ белки подвергаются гидролитическому расщеплению (гидролизу или протеолизу) с образованием пептидов и аминокислот. Гидролитические процессы оказывают благоприятное воздействие на формирование качества мяса, рыбы, сыров при их созревании.

Под действием гнилостных микроорганизмов белки могут разрушаться до более простых соединений – аминов, жирных кислот, фенолов, сероводорода, индола, скатола, меркаптана и других, многие из которых являются сильными ядами. Продукт приобретает резкий, неприятный запах, изменяются его консистенция и цвет. Процесс глубокого распада белков под действием гнилостных бактерий называется гниением и является основной причиной порчи продуктов с высоким содержанием белка.

В состав небелковых азотсодержащих соединений пищевых продуктов входят продукты гидролиза или неполного синтеза белков (пептоны, полипептиды, аминокислоты), аммиачные соединения, алкалоиды (кофеин, теобромин), нуклеиновые кислоты, нитраты и нитриты. Их роль в формировании качества пищевых продуктов различна: некоторые аммиачные соединения обуславливают специфический запах продуктов (например, триметиламин – основной компонент запаха морской рыбы), алкалоиды чая и кофе обладают высокой физиологической активностью – оказывают возбуждающее действие на нервную и сердечно-сосудистую системы, нитриты в небольших количествах добавляют при посоле мяса, колбасного фарша для формирования цвета и т.д.

Витамины являются биорегуляторами различных процессов, протекающих в живом организме. Для нормальной жизнедеятельности человека они необходимы в небольших количествах. Общая суточная потребность организма в различных витаминах составляет 0,1-0,2 г. Большинство витаминов не синтезируется человеческим организмом, поэтому они должны поступать вместе с пищей. В настоящее время известно более 30 витаминов и витаминоподобных веществ (полная незаменимость которых еще не доказана). По растворимости витамины классифицируют на две группы: жирорастворимые и водорастворимые. Характеристика наиболее важных витаминов и витаминоподобных веществ приведена в таблице 3.

Таблица 3.

Ферменты - это биологические катализаторы белковой природы, уско-

ряющие протекание различных биохимических реакций: окислительно-восстановительных (оксидоредуктазы), реакций отщепления (лиазы), внутримолекулярного переноса (изомеразы), синтеза (лигазы) и другие. Собственные эндогенные ферменты пищевых продуктов могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на их качество. Так, например, благоприятное воздействие ферментативных процессов наблюдается при созревании муки, рыбы и мяса при посоле, при дозревании плодов и овощей, получении солода, черного байхового чая. Глубокие ферментативные процессы приводят к порче пищевых продуктов (автолитическая порча мяса, мацерация – разрушение тканей - плодов и овощей, скисание пива и т.д.). Для продления сроков хранения пищевых продуктов используют различные методы консервирования, снижающие активность эндогенных ферментов.

В пищевой промышленности широко используют ферментные препа-раты - в хлебопечении, пивоварении, при производстве крахмалопродуктов, спирта, плодово-ягодных соков, виноградных вин, мучных кондитерских изделий, сычужных сыров. Ферментативные методы анализа применяют при исследовании качества и идентификации пищевых продуктов.

Органические кислоты придают кислый вкус пищевым продуктам, участвуют в формировании аромата (летучие кислоты), используются в пищевой промышленности в качестве консервантов (уксусная, сорбиновая, бензойная кислоты). Помимо аминокислот и жирных кислот, входящих соответственно в состав белков и жиров, наиболее распространенными являются яблочная, лимонная, винная, молочная, уксусная, щавелевая, муравьиная, хинная, янтарная, фумаровая, бензойная и сорбиновая кислоты.

Общее содержание кислот в составе пищевых продуктов варьирует от 0,1% (картофель, многие овощи) до 6% (лимоны). При хранении продуктов содержание кислот, как правило, увеличивается и в часто приводит к их порче: прокисанию молока, пива, уксуснокислому скисанию вин, соков и т.д. Для многих продовольственных товаров (молока, кисломолочных продуктов, пива, виноградных вин, хлеба и др.) в перечень физико-химических показателей качества входят: кислотность, титруемая кислотность, летучая кислотность, активная кислотность (рН).

Фенольные соединения содержатся преимущественно в продуктах растительного происхождения: плодах и овощах, чае, кофе, шоколаде, виноградных винах, коньяках и др. Многим продуктам они придают терпкий, вяжущий вкус, участвуют в формировании их цвета и аромата. Фенольные соединения относят к физиологически активным веществам: они обладают бактерицидными свойствами, проявляют Р-витаминную активность, являются сильными антиоксидантами.

Эта группа соединений включает фенолкарбоновые кислоты (гидроксибензойную, галловую, ванилиновую, сиреневую, коричную, кумаровую и др.), кумарины и их производные, флавонолы (кверцетин, мирицетин и др.), антоцианы и лейкоантоцианы, катехины, танины или дубильные вещества (являются продуктами полимеризации катехинов и лейкоантоцианов). Фенольные соединения имеют следующие свойства:

· при взаимодействии с белками образуют нерастворимые соединения (свойство используется при осветлении соков, виноградных вин);

· при окислении дают коричневоокрашенные продукты (при сушке и консервировании плоды и овощи бланшируют горячим паром или окуривают сернистым ангидридом для инактивации ферментов, катализирующих этот процесс);

· разрушаются при замораживании (снижается терпкость при замораживании плодов и овощей)

Красящие вещества, входящие в состав пищевых продуктов, можно подразделить на натуральные и синтетические красители. К натуральным относятся собственные эндогенные красящие вещества пищевых продуктов: хлорофиллы – пигменты зеленого цвета (цвет листовой зелени, огурцов, оливкового масла и др.), каротиноиды – пигменты желтого, оранжевого и красного цвета (цвет моркови, красного перца, яичного желтка и др.), флавоноиды – пигменты желто-коричневого цвета (цвет репчатого лука, чая и др.), антоцианы – пигменты красного и синего цвета (цвет кожицы красного винограда, черной смородины, кизила и др.) и другие пигменты. Выделенные из природных источников красители используют в пищевой промышленности для подкрашивания разных пищевых продуктов. Натуральные красители являются нестойкими соединениями – они чувствительны к нагреванию, действию кислорода воздуха, кислот, щелочей, микроорганизмов, поэтому изменение цвета пищевых продуктов при хранении является первым признаком их порчи.

Перечень синтетических красителей, разрешенных к применению в Российской Федерации при производстве пищевых продуктов, регламентирует СанПиН 2.3.2.1078-01 «Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы». В него входят такие красители как ультрамарин (голубой), тартразин (желтый), индигокармин (синий), азорубин (красный) и др. Запрещены к применению в Российской Федерации при производстве пищевых продуктов красители цитрусовый красный (Е121) и амарант (Е123).

В состав ароматических веществ пищевого продукта входят ароматические компоненты сырья, вещества, образовавшиеся в процессе технологии изготовления (при термической обработке, сушке и т.д.) и при хранении продукта, а также специально внесенные пищевые ароматизаторы. Так, например, в состав ароматических веществ жареного кофе входит 370 различных соединений, земляники – 256, хлеба – 174, коньяка – 128, мяса птицы – 189. Обычно одно или несколько соединений определяют основной аромат пищевого продукта, остальные – участвуют в образовании различных «тонов». Основной аромат лимонам придает цитраль, ванили – ванилин, чесноку – аллилсульфид, тмину – карвон. По химической природе ароматические вещества относятся к разным классам соединений: терпеноидам, спиртам, летучим кислотам, простым и сложным эфирам.

Пищевые ароматизаторы – это сложные композиции душистых веществ натурального, идентичного натуральному или искусственного происхождения. В их состав могут входить до 20-30 и более компонентов различной химической природы.

При длительном хранении пищевых продуктов их запах (аромат) претерпевает существенные изменения за счет улетучивания собственных ароматических веществ и поглощения (сорбции) запахов из окружающего пространства. Для предотвращения этих нежелательных изменений используют герметичную упаковку.