Пищевая химия

                                                      ПИЩЕВАЯ ХИМИЯ

                                                                   Вариант 1

 

  1. Характеристика и физиологическое значение липидов в питании человека.
  2. Виды брожения. Основные и побочные продукты брожения: спирты, альдегиды, эфиры, органические кислоты.
  3. Рассчитать энергетическую и пищевую ценность сока вишневого.

 

    1. Характеристика и физиологическое значение липидов в питании человека.

Важнейшие с биологической  точки зрения физико-химические свойства липидов противоположны свойствам  углеводов. Их молекулы:

  1. крупные;
  2. жирорастворимые, следовательно, гидрофобные;
  3. обладают относительно низким содержанием атомов кислорода.

Отсюда вытекают многие биологические  свойства и функции липидов.      

Липиды — медленный энергетический субстрат. Вследствие малой растворимости в воде липиды не могут достигать высокой концентрации в крови, и потому они не могут служить энергетическим субстратом для тканей с быстрым использованием энергии.      

Запасы липидов  велики. Во-первых, из-за низкого содержания атомов кислорода, а следовательно, высокого содержания окисляемых атомов — углерода и водорода — свободная энергия липидов велика: их калорийность равна 9,3 ккал/г. Во-вторых, благодаря гидрофобности липиды могут образовывать крупные капли, заполняющие практически всю клетку. Таким образом, липиды — компактный источник энергии, и именно в виде липидов в организме запасается основная часть энергии. Запасов липидов у среднего человека хватает примерно на 1,5 мес полного голодания.     

Липиды — важный пластический материал. Липиды способны образовывать гидрофобную оболочку, отграничивающую клетку от окружающего водного раствора. Поэтому именно они являются основой биологических мембран.      

Липиды способствуют всасыванию в кишечнике жирорастворимых  веществ, в частности жирорастворимых витаминов.      

Подкожная жировая  клетчатка служит теплоизолятором, играя тем самым важную роль в теплообмене.      

Отложения липидов  играют важную механическую функцию — подкожная жировая клетчатка смягчает механические травмы нижележащих тканей, жировые образования полостей организма фиксируют внутренние органы.       

Липиды входят в состав или служат источником многих важных веществ; так, из холестерина образуются стероидные гормоны и желчные кислоты, из ненасыщенных жирных кислот — простагландины и т. п.

Классификация липидов:  Основные липиды человеческого организма — это:

 

  1. триглицериды (и их производные — моно- и диглицериды) и жирные кислоты;
  2. фосфолипиды;
  3. холестерин.

Триглицериды и жирные кислоты выполняют в основном функцию энергетических субстратов. Фосфолипиды и холестерин используются преимущественно для других целей — образования мембран, биологически активных веществ и т. п.

Обмен липидов Триглицериды

Основные пути использования  и источники триглицеридов в  организме следующие (рис. 11.3).

Использование триглицеридов:

  1. Катаболизм (а также, в известной степени, пластический анаболизм — построение мембран).
  2. Депонирование в жировой ткани (подкожной жировой клетчатке и иных жировых отложениях). Липиды — главная форма запасания энергии; как уже говорилось, у среднего человека липидов хватает примерно на 1,5 мес полного голодания.
  3. Превращение в глюкозу (глюконеогенез). Происходит в печени из глицерина (компонента триглицеридов).

Источники триглицеридов:

  1. Поступление с пищей.
  2. Мобилизация из жировой ткани (липолиз).
  3. Образование из белков и углеводов (липогенез). При избыточном поступлении любых субстратов они превращаются в печени в триглицериды, переносятся кровью к жировой ткани и откладываются в ней.

Кроме того, разные триглицериды и их производные выполняют разные функции в энергетическом обмене.      

 Главная форма депонирования  липидов в жировой ткани — это собственно триглицериды (нейтральные жиры).     

 Основной энергетический  субстрат, поставляемый из жировой  ткани клеткам, — этожирные кислоты. Это связано с тем, что жирные кислоты гораздо лучше, чем триглицериды, проникают через клеточные мембраны. Поэтому липолиз представляет собой в основном мобилизацию жирных кислот.      

 Более быстрый энергетический  субстрат — это кетоновые тела (ацетоуксусная кислота, ацетон и b-оксимасляная кислота). Образование кетоновых тел — кетогенез — происходит в печени: в результате неполного распада жирных кислот образуется ацетоуксусная кислота, которая далее частично распадается на ацетон и b-оксимасляную кислоту. Кетоновые тела могут использоваться тканями с быстрым обменом (например, мышцами и даже головным мозгом). Однако для полного окисления кетоновых тел необходимы продукты окисления углеводов («жиры сгорают в пламени углеводов»). Поэтому при некоторых нарушениях катаболизма углеводов или же переходе на преимущественное использование липидов в качестве энергетического субстрата (когда усиленное образование кетоновых тел сочетается с их замедленным распадом), кетоновые тела накапливаются в крови. Поскольку они являются в основном кислотами, возникающее при этом состояние называется кетоацидозом.

Холестерин

Использование холестерина:

  1. образование желчных кислот (до 80% всего холестерина);
  2. участие в образовании рогового слоя эпидермиса;
  3. синтез стероидных гормонов.

Источники холестерина:

  1. поступление с пищей (экзогенный холестерин);
  2. синтез, преимущественно в печени (эндогенный холестерин).

Эти два источника холестерина (поступление и синтез) при нормальном питании примерно равны (соотношение  между ними зависит от характера  питания).

Фосфолипиды

Использование фосфолипидов:

  1. построение мембран;
  2. многочисленные прочие функции (образование миелиновой оболочки нервных волокон, участие в свертывании крови, резерв фосфатных групп и пр.).

Источники фосфолипидов:

  1. поступление с пищей (экзогенные фосфолипиды);
  2. синтез, на 90% в печени (эндогенные фосфолипиды).

Основной источник — синтез, с пищей фосфолипидов поступает значительно меньше.

Перенос липидов

Перенос липидов определяется двумя основными особенностями.    

 Будучи гидрофобными, липиды не могут находиться  в крови в чистом виде в  высоких концентрациях: это привело  бы к слиянию липидов в капельки  и эмболиям мелких сосудов.  Поэтому липиды переносятся в  форме частиц, в которых гидрофобная  липидная сердцевина окружена  гидрофильной оболочкой из белков  и фосфолипидов. Эти частицы называютсялипопротеидами, а белки оболочки — апопротеинами. Исключение составляют мобилизуемые из жировой ткани жирные кислоты (см. выше).     

 Триглицериды проникают  в клетку гораздо хуже жирных  кислот, и поэтому перед тем,  как пройти через клеточную  мембрану, триглицериды с помощью  различных липазгидролизуются до жирных кислот и глицерина.

Липопротеиды  и апопротеины

На основании различной  плотности липопротеиды разделяют  на 5 категорий (перечислены в порядке возрастания плотности и уменьшения размеров):

  1. хиломикроны;
  2. липопротеиды очень низкой плотности (ЛПОНП);
  3. липопротеиды промежуточной плотности (ЛППП);
  4. липопротеиды низкой плотности (ЛПНП);
  5. липопротеиды высокой плотности (ЛПВП).

Чем выше содержание липидов  в липопротеидах, тем крупнее  эти частицы и ниже их плотность. Соответственно, хиломикроны — это наиболее крупные частицы с наибольшим содержанием липидов, а ЛПВП — наиболее мелкие, в момент зарождения состоящие почти исключительно из белка .

Апопротеины выполняют в составе липопротеидов различные функции, в том числе:

  1. формируют гидрофильную оболочку;
  2. регулируют активность липаз и некоторых других ферментов обмена липидов;
  3. связываются с рецепторами, способствуя захвату липопротеидов тканями.

Существуют несколько  классов апопротеинов; важнейшие из них, формирующие основу гидрофильной оболочки, а следовательно, и саму структуру липопротеидов, следующие:

  1. апопротеин B100, входящий в состав ЛПОНП, ЛППП и ЛПНП;
  2. апопротеин B48 (фрагмент апопротеина B100, составляющий 48% от длины последнего), входящий в состав хиломикронов;
  3. апопротеин A1, входящий в состав ЛПВП.

Таким образом, все липопротеиды можно разделить на 3 группы:

  1. апопротеин B48-содержащие липопротеиды;
  2. апопротеин B100-содержащие липопротеиды;
  3. апопротеин A1-содержащие липопротеиды.

Как мы увидим дальше, это  разделение имеет важный физиологический  смысл.

Липазы

В транспорте липидов принимают  участие три основные липазы; все  они гидролизуют триглицериды до жирных кислот и глицерина.

·      Липопротеидлипаза. Локализуется в эндотелии сосудов жировой ткани и мышц, обеспечивает захват этими тканями жирных кислот и глицерина из липопротеидов (остальные ткани снабжаются непосредственно свободными жирными кислотами, см. ниже).

·      Триацилглицероллипаза. Локализуется в печени, обеспечивает захват гепатоцитами жирных кислот и глицерина из липопротеидов.

·      Гормон-чувствительная липаза. Локализуется в клетках жировой ткани, обеспечивает мобилизацию из этих клеток жирных кислот (липолиз), служит точкой приложения основных гормонов, регулирующих жировой обмен (см. ниже).

 Гормоны:

Адреналин

Стимулирует липолиз для мобилизации жирных кислот, необходимых в качестве энергетических субстратов в условиях острого стресса.

Глюкокортикоиды

Стимулируют липолиз и глюконеогенез из липидов для выработки глюкозы, необходимой в условиях хронического стресса (в частности, длительного голодания).

СТГ

Стимулирует липолиз, переводя организм на преимущественное использование липидов в качестве энергетического субстрата.

Тиреоидные гормоны

Стимулируют липолиз — видимо, непрямым путем, в результате общего повышения интенсивности обменных процессов.

Инсулин

Этот гормон способствует депонированию энергии в виде липидов; с этой целью он:

  1. тормозит липолиз;
  2. тормозит глюконеогенез из липидов;
  3. усиливает липогенез из углеводов.

Отсюда видно, что важнейшая  точка приложения гормонов, регулирующих липидный обмен, — липолиз. На него влияют все перечисленные гормоны, причем только инсулин его тормозит, остальные — усиливают.

Поддержание массы жировой  ткани

Масса жировой ткани, как  главного энергетического депо организма, не должна быть меньше некоего предельного  уровня. Особенно это важно для  женщин, так как у них должны быть достаточные запасы энергии  для вынашивания и вскармливания. За поддержание массы жировой  ткани отвечает гормон лептин. Этот гормон:

  1. вырабатывается липоцитами, нагруженными жиром; таким образом, чем больше масса жира, тем больше вырабатывается лептина;
  2. действует на гипоталамус, подавляя чувство голода.

При снижении массы жировой  ткани уменьшается выработка  лептина, чувство голода обостряется  и в результате повышенного потребления  пищи масса жировой ткани восстанавливается.

Таким образом, существуют две  системы регуляции пищевого поведения.

·      Кратковременная, при которой основным регуляторным фактором служит концентрация в крови глюкозы. Эта система определяет количество потребляемой за один прием пищи и интервалы между приемами, являясь, таким образом, системой регуляции голода и насыщения.

·      Долговременная, при которой основным регуляторным фактором служит масса жировой ткани. Эта система регулирует количество запасов энергии в организме, являясь, таким образом, системой регуляции аппетита.

    1. Виды брожения. Основные и побочные продукты брожения: спирты, альдегиды, эфиры, органические кислоты.

 

    1. Виды брожения:

 

  1. Спиртовое брожение  (осуществляется дрожжами и некоторыми видами бактерий), в ходе него пируват расщепляется на этанол и диоксид углерода. Из одной молекулы глюкозыв результате получается две молекулы спирта (этанола) и две молекулы углекислого газа. Этот вид брожения очень важен в производстве хлеба, пивоварении, виноделии ивинокурении[3]. Если в закваске высока концентрация пектина, может также производиться небольшое количество метанола. Обычно используется только один из продуктов; в производстве хлеба алкоголь улетучивается при выпечке, а в производстве алкоголя диоксид углерода обычно уходит в атмосферу, хотя в последнее время его стараютсяутилизировать.
  2. Молочнокислое брожение, в ходе которого пируват восстанавливается до молочной кислоты, осуществляют молочнокислые бактерии и другие организмы. При сбраживании молокамолочнокислые бактерии преобразуют лактозу в молочную кислоту, превращая молоко в кисломолочные продукты (йогурт, простокваша и др.); молочная кислота придаёт этим продуктам кисловатый вкус.

Молочнокислое брожение происходит также в мышцах животных, когда потребность в энергии выше, чем обеспечиваемая дыханием, и кровь не успевает доставлять кислород.

Обжигающие ощущения в  мышцах во время тяжелых физических упражнений соотносятся с получением молочной кислоты и сдвигом к анаэробному гликолизу, поскольку кислородпреобразуется в диоксид углерода аэробным гликолизом быстрее, чем организм восполняет запас кислорода; а болезненность в мышцах после физических упражнений вызванамикротравмами мышечных волокон. Организм переходит к этому менее эффективному, но более скоростному методу производства АТФ в условиях недостатка кислорода. Затемпечень избавляется от излишнего лактата, преобразуя его обратно в важное промежуточное звено гликолиза — пируват.

Считается, что анаэробный гликолиз был первым источником энергии  для общих предков всех живых  организмов до того, как концентрация кислорода в атмосфере стала  достаточно высокой, и поэтому эта  форма генерации энергии в  клетках — более древняя. За очень редкими исключениями она существует и у всех ныне живущих клеток.

  1. Уксуснокислое брожение осуществляют многие бактерии. Уксус (уксусная кислота) — прямой результат бактериальной ферментации. При мариновании продуктов уксусная кислота предохраняет пищу от болезнетворных и вызывающих гниение бактерий.
  2. Маслянокислое брожение приводит к образованию масляной кислоты; его возбудителями являются некоторые анаэробные бактерии рода Клостридиум.

 

    1. Основные и побочные продукты брожения: спирты, альдегиды, эфиры, органические кислоты:

            Спиртовое брожение.

           Спиртовое брожение — это процесс окисления углеводов, в результате которого образуются этиловый спирт, углекислота и выделяется энергия.

           Сбраживание cахаров известно с глубокой древности. В течение столетий пивовары и виноделы использовали способность некоторых дрожжей вызывать спиртовое брожение, в результате которого сахара превращаются в спирт.

           Брожение производят главным образом дрожжи, а также некоторые бактерии и грибы. В различных странах для получения спирта используют различные микроорганизмы. Например, в Европе используют в основном дрожжи из рода Saccharomyces, в Южной Америке — бактерии Pseudomonas lindneri, в Азии — мукоровые грибы.

           Сбраживаться могут лишь углеводы, и притом весьма избирательно. Дрожжи сбраживают только некоторые 6-углеродные сахара (глюкозу, фруктозу, маннозу).

           Процесс спиртового брожения — многоступенчатый, состоящий из цепи химических реакций. Превращения глюкозы до образования пи-ровиноградной кислоты происходят так же, как и при дыхании. Эти реакции происходят без участия кислорода (анаэробно). Далее пути дыхания и брожения расходятся.  
 
           При спиртовом брожении пировиноградная кислота превращается в конечном итоге в спирт и углекислоту. Эти реакции протекают в две стадии. Сначала от пирувата отщепляется С02 и образуется уксусный альдегид; затем уксусный альдегид присоединяет водород, восстанавливаясь в этиловый спирт. Все реакции катализируются ферментами. В восстановлении альдегида участвует НАД-H2.  
 
           Обычно при спиртовом брожении, кроме главных продуктов, образуются побочные. Они довольно разнообразны, но присутствуют в небольшом количестве: амиловый, бутиловый и другие спирты, смесь которых называется сивушным маслом — соединение, от которого зависит специфический аромат вина. Образование побочных веществ связано с тем, что превращение глюкозы частично идет другими путями.  
 
            Биологический смысл спиртового брожения заключается в том, что образуется определенное количество энергии, которая запасается в форме АТФ, а затем расходуется на все жизненно необходимые процессы клетки.

            Молочнокислое брожение: 
 
            При молочнокислом брожении конечным продуктом является молочная кислота.  
 
            С этим брожением люди знакомы издавна. Сквашивание молока, приготовление простокваши, кефира, квашение овощей — результаты молочнокислого сбраживания сахара молока или углеводов растений. Этот вид брожения осуществляется с помощью молочнокислых бактерий, которые подразделяются на две большие группы (в зависимости от характера брожения): гомоферментативные, образующие из сахара только молочную кислоту, и гетероферментативные, образующие, кроме молочной кислоты, спирт, уксусную кислоту, углекислый газ.  
 
            Гомоферментативное молочнокислое брожение вызывают бактерии рода Lactobacillus и стрептококки. Они могут сбраживать различные сахара с 6-ю (гексозы) или 5-ю (пентозы) углеродными атомами, некоторые кислоты. Однако круг сбраживаемых ими продуктов ограничен.  
 
            У молочнокислых бактерий нет ферментативного аппарата для использования кислорода воздуха. Кислород для них или безразличен, или угнетает развитие. 

            Процесс образования молочной  кислоты чрезвычайно близок к процессу спиртового брожения. Глюкоза также расщепляется до пирови-ноградной кислоты. Но затем ее декарбоксили-рование (отщепление С02), как при спиртовом брожении, не происходит, так как молочнокислые бактерии лишены соответствующих ферментов. У них активны дегидрогеназы (НАД). Поэтому пировиноградная кислота сама (а не уксусный альдегид, как при спиртовом брожении) принимает водород от восстановленной формы НАД и превращается в молочную кислоту. В процессе молочнокислого брожения бактерии получают энергию, необходимую им для развития в анаэробных условиях, где использование других источников энергии затруднено.  
 
            Гетероферментативное молочнокислое брожение — процесс более сложный, чем гомоферментативное: сбраживание углеводов приводит к образованию ряда соединений, накапливающихся в зависимости от условий процесса брожения. Одни бактерии образуют, помимо молочной кислоты, этиловый спирт и углекислоту, другие — уксусную кислоту; некоторые гетероферментативные молочнокислые бактерии могут образовывать различные спирты, глицерин, маннит.  
 
             Гетероферментативное молочнокислое брожение вызывают бактерии рода Lactobacterium и рода Streptococcus. Химизм этих брожений изучен не так хорошо, как спиртового или гомо-ферментативного молочнокислого брожения.  
 
             Гетероферментативные бактерии образуют молочную кислоту иным путем. Последняя стадия — восстановление пировиноградной кислоты до молочной — та же самая, что и в случае гомоферментативного брожения. Но сама пировиноградная кислота образуется при ином расщеплении глюкозы — гексозомонофосфат-ном. Выход энергии гораздо меньше, чем при спиртовом брожении.  
 
             Гетероферментативные бактерии сбраживают ограниченное число веществ: некоторые гексозы (причем определенного строения), пентозы, сахароспирты и кислоты.  
 
            Молочнокислое брожение широко используется при выработке молочных продуктов: простокваши, ацидофилина, творога, сметаны. При производстве кефира, кумыса наряду с молочнокислым брожением, вызываемым бактериями, имеет место и спиртовое брожение, вызываемое дрожжами. Молочнокислое брожение происходит на первом этапе изготовления сыра, затем молочнокислые бактерии сменяются пропионовокислыми.  
 
            Молочнокислые бактерии нашли широкое применение при консервировании плодов и овощей, в силосовании кормов. Чистое молочнокислое брожение применяется для получения молочной кислоты в промышленных масштабах.  
 
            Молочная кислота находит широкое применение в производстве кож, красильном деле, при выработке стиральных порошков, изготовлении пластмасс, в фармацевтической промышленности и во многих других отраслях. Молочная кислота также нужна в кондитерской промышленности и для приготовления безалкогольных напитков.

            Маслянокислое брожение.  
 
            Превращение углеводов с образованием масляной кислоты было известно давно. Природа маслянокислого брожения как результат жизнедеятельности микроорганизмов была установлена Луи Пасте-ром в 60-х годах прошлого века.  
 
            Возбудителями брожения являются масля-нокислые бактерии, получающие энергию для жизнедеятельности путем сбраживания углеводов. Они могут сбраживать разнообразные вещества — углеводы, спирты и кислоты, способны разлагать и сбраживать даже высокомолекулярные углеводы — крахмал, гликоген, декстрины.

             При этом брожении накапливаются различные побочные продукты. Наряду с масляной кислотой, углекислым газом и водородом образуются этиловый спирт, молочная и уксусная кислоты.  
 
              Некоторые маслянокислые бактерии, кроме того, образуют ацетон, бутанол и изопропи-ловый спирт.  
 
              Брожение начинается с процесса фосфорили-рования глюкозы и далее идет по гликолитиче-скому пути до стадии образования пировиноградной кислоты. Затем образуется уксусная кислота, которая активируется ферментом. После чего при конденсации (соединении) из двуугле-родного соединения получается четырехугле-родная масляная кислота. Таким образом, при маслянокислом брожении происходит не только разложение веществ, но и синтез.  
 
              По данным В. Н. Шапошникова, в маслянокислом брожении различаются две фазы. В первой параллельно с увеличением биомассы накапливается уксусная кислота, а масляная кислота образуется преимущественно во второй фазе, когда синтез веществ тела замедляется.  
 
              Маслянокислое брожение происходит в природных условиях в гигантских масштабах: на дне болот, в заболоченных почвах, илах и всех тех местах, куда ограничен доступ кислорода. Благодаря деятельности маслянокис-лых бактерий разлагаются огромные количества органического вещества.  
 
              Спиртовое, гомоферментативное молочнокислое и маслянокислое брожения являются основными типами брожений. Все другие виды брожений представляют собой комбинацию этих трех типов. Так, например, пропионовокислое брожение, играющее важную роль при производстве сыров и сопровождающееся накоплением пропионовой и уксусной кислот и углекислого газа, мо.жет рассматриваться как комбинация гомоферментативного молочнокислого и спиртового брожений. Брожения клетчатки и пектиновых веществ являются разновидностями маслянокислого брожения. 

 

    1. Рассчитать энергетическую и пищевую ценность сока вишневого.

 

Вишневый сок, на 100 мл. продукта:

Рассчитываем по формуле Калорийность(ккал) = Белки * 4 + Жиры * 9 +  Углеводы * 4

 

 

    1. Белки: 0.7 гр.
    2. Жиры: 0 гр.
    3. Углеводы: 10.2 гр.

  0.7*4+0*9+10.2*4=43,6 кКал

Ответ: 43,6 кКал

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Литература:

1. Пищевая химия: Учеб. для пищ. спец. вузов./А. П. Нечаев, С.Е. Траубенберг, А.А. Кочеткова и др. Под ред. А.П. Нечаева.- СПб.: ГИОРД, 2001. – 588 с. 
 
2. Нечаев А.П., Попов М.П., Траубенберг С.Е., Кочеткова А.А., Витол И.С., Кобелева И.Б. Пищевая химия. Курс лекций. В 2-х ч. – Издательский комплекс МГУПП, 1988. 
 
3. Голубев В.Н. Основы пищевой химии: Курс лекций для студентов высших учебных заведений./В.Н. Голубев. – М.: МГЗИПП, 1997. – 224с. 
 
4. Скурихин И. М., Нечаев А. П. Все о пище с точки зрения химика. – М.: Высшая школа, 1991. – 288 с. 
 
5. Химический состав пищевых продуктов. Книга 1. Справочные таблицы содержания основных пищевых веществ и энергетической ценности пищевых продуктов. / Под ред. Скурихина И. М., Волгарева М. Н. – М.: Агропромиздат, 1987. – 224 с. 
 
6. Химический состав пищевых продуктов. Книга 2. Справочные таблицы содержания аминокислот, жирных кислот, витаминов, макро- и микро- элементов, органических кислот и углеводов. / Под ред. Скурихина И. М., Волгарева М. Н. – М.: Агропромиздат, 1987. – 360 с. 
 
7. Рогов И.А., Антипова Л.В., Дунченко Н.И. Химия пищи. – М.: КолосС, 2007. – 853 с.


Пищевая химия