Пищевая химия. 2

     Содержание 
 

1. Окружающая  среда  -  основной источник загрязнения  сырья и пищевых продуктов. Меры токсичности веществ, Токсичные  элементы………….3
2. Применение ферментов в пищевых технологиях. Мукомольное  производство и хлебопечение……………………………………………………10
3. Реакции ацилглициринов с участием углеводородных радикалов…….14

1. Присоединение водорода (гидрирование ацилглицеринов)……………14

2. Окисление ацилглицеринов……………………………………………….15

Список использованной литературы……………………………………………...22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Окружающая  среда – основной источник загрязнения сырья и пищевых продуктов. Меры токсичности веществ. Токсичные элементы.

     Загрязнение продовольственного сырья и пищевых  продуктов чужеродными веществами или ксенобиотиками, напрямую зависит от степени загрязнения окружающей среды.

     Химические  ксенобиотики поступают из окружающей среды, в которую они о попадают в основном из промышленных предприятий, автотранспорта, при использовании пестицидов и химикатов в сельскохозяйственном производстве, при применение полимерных и иных материалов, из которых изготавливается посуда, упаковочные и другие изделия, контактирующие с пищевыми продуктами. За последние 100 лет в биосферу было внесено огромное количество химических веществ, большинство из которых не встречались в экосистемах. И в силу этого крайне медленно окисляются и метаболизируются, либо недоступны деятельности редуцентов. Около 4 млн. химических веществ признаны опасны для окружающей среды особенно вследствие их длительного потенцирования свыше 180 000 – выраженными токсичными и мутагенными эффектами. В настоящее время в мире используется, и производятся более 40 тысяч особо опасных для человека  токсических веществ. При этом следует отметить, что сначала 90-х годов несмотря на заметное снижения объема производства в России, экологическая ситуация в стране ухудшилась. Около 300 ареалов территории страны характеризуются сложной экологической обстановкой и почти в 200 городах, где проживают 64,5 млн. человек, средняя концентрация загрязняющих веществ в атмосферном воздухе превышает ПДК вредных химических веществ и пыли. В среднем по России валовые выбросы наиболее вредных для здоровья веществ составляют около 1 кг/в сутки на человека. При этом в стране насчитывается около 100 тысяч производств, выделяющие вредные вещества в окружающую среду. Все это не может не сказаться на уровне загрязнения пищевых продуктов различными ксенобиотиками.

     Ксенобиотики, попадая в окружающую среду в  результате антропогенной деятельности человека, способны накапливаться в почвах, водоемах, с атмосферными и водными потоками распространяться на тысячи километров. Передвигаясь по пищевым цепям, ксенобиотики попадают в организм человека и вызывают серьёзные нарушения здоровья – от острых отравлений с летальным исходом до заболеваний, проявляющихся порой только через годы.

       Меры токсичности  веществ.

     Количественная  характеристика токсичности веществ достаточно сложна и требует многостороннего подхода. Судить о ней приходится по результатам  воздействия  вещества  на  живой  организм,  для  которого  характерна индивидуальная  реакция,  индивидуальная  вариабельность,  поскольку  в группе  испытуемых  животных  всегда  присутствуют  более  или  менее  восприимчивые к действию изучаемого токсина индивидуумы.

     Существуют  две основные характеристики токсичности – ЛД₅₀ и ЛД₀₀.          ЛД - аббревиатура летальной дозы, т. е. дозы, вызывающей при однократном введении гибель 50 или 100 % экспериментальных животных. Дозу обычно определяют в размерности концентрации. Токсичными считают все те вещества, для которых ЛД мала. Принята следующая классификация веществ по признаку острой  токсичности (ЛД₅₀ для крысы при пероральном введении, мг/кг):

     Чрезвычайно токсичные...................< 5

     Высокотоксичные ...............................5…50

     Умеренно  токсичные............................50…500

     Малотоксичные ....................................500…5 000

     Практически нетоксичные...................5 000…15 000

     Практически безвредные…………......> 15 000

     Величина t_0.5 характеризует время полувыведения токсина и продуктов его превращения из организма. Для разных токсинов оно может составлять от нескольких часов до нескольких десятков лет.

     В случае одновременного и последовательного  поступления в организм нескольких чужеродных веществ обнаруживается их комбинированное действие. Оно является результатом физических или химических взаимодействий друг с другом или с микро- или макронутриентами пищи; индукции или ингибирования ферментных систем, других биологических процессов. 

     Различают два основных эффекта: 

     · антагонизм - эффект воздействия двух или нескольких веществ, при котором  одно  вещество  ослабляет  действие  другого  вещества (например, действие ртути и селена в организме животных и человека);

     · синергизм - эффект воздействия, превышающий сумму эффектов воздействия каждого фактора (например, комбинированное воздействие ксенобиотиков и некоторых медикаментов).

     При  хронической  интоксикации  решающее  значение  приобретает  способность  вещества проявлять кумулятивные свойства, т. е. накапливаться  в организме и передаваться по пищевым цепям. В связи с возникающей опасностью отдаленных последствий важнейшее значение приобретают следующие воздействия ксенобиотиков:

     · канцерогенное (возникновение раковых  опухолей);

     · мутагенное (качественные  и  количественные  изменения  в  генетическом аппарате клетки);

     · тератогенное (аномалии в развитии плода, вызванные структурными, функциональными  и  биохимическими  изменениями  в  организме  матери  и плода) действия ксенобиотиков.

     На  основе токсикологических критериев (с точки зрения гигиены питания) международными организациями ООН - ВОЗ, ФАО и др., а также органами здравоохранения отдельных государств приняты следующие базисные (основные) показатели: ПДК, ДСД и ДСП.

           ПДК  (предельно-допустимая  концентрация) -  установленные  законом предельно допустимые  с  точки  зрения  здоровья  человека  количества  вредных (чужеродных)  веществ  в  атмосфере,  воде,  продуктах  питания  с  точки зрения безопасности их для здоровья человека. ПДК - это такие концентрации, которые при ежедневном воздействии в течение сколь угодно длительного  времени  не  могут  вызывать заболеваний  или  отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований, в жизни настоящего и последующих поколений.

     ДСД (допустимая суточная доза) - ежедневное поступление вещества, которое не оказывает негативного влияния на здоровье человека в течение всей жизни.

     ДСП  (допустимое  суточное  потребление) -  величина,  рассчитываемая как  произведение ДСД на среднюю величину массы тела (60 кг).

       Токсичные элементы.

        Токсичные элементы являются наиболее распространенными загрязнителями пищевых продуктов. Они  имеют важную особенность. Большинство из  них  относится  к  рассеянным  элементам (микроэлементам), которые присутствуют в микроколичествах повсеместно:  в  подземных и поверхностных водах, горных породах, почвах, атмосферном воздухе, растениях и животных.

     С пищей, водой и воздухом эти вещества поступают в организм человека. При  этом по мере загрязненности почв металлами увеличивается их содержание в сельскохозяйственных растениях, а затем и продуктах животного происхождения. Потребление пищевых продуктов, содержащих повышенные количества тяжелых металлов, представляет риск для здоровья людей, который может проявляться острыми и хроническими интоксикациями, а также мутагенным,  канцерогенным  и  эмбриотоксическим  эффектами.  Для  предупреждения этих последствий необходим строгий контроль со стороны органов  Госсанэпиднадзора  за  попаданием  в  пищевую  продукцию  соединений т,оксичных элементов как из внешней среды, так и в результате деятельности человека,  направленной  на  интенсификацию  процессов  производства  продуктов питания.

     Во  всех видах продовольственного сырья и пищевых продуктов нормируются токсичные элементы: свинец, мышьяк, кадмий, ртуть. Дополнительно к перечисленным элементам в консервированных продуктах (консервы из мяса  мясорастительные;  консервы  из  субпродуктов;  консервы  птичьи;  консервы  молочные;  консервы  и  пресервы  рыбные;  консервы  из  печени  рыб; консервы овощные, фруктовые, ягодные; консервы грибные; соки, нектары, напитки, концентраты овощные, фруктовые, ягодные в сборной жестяной или хромированной таре; джемы, варенье, повидло, конфитюры, плоды и ягоды, протертые с сахаром, плодоовощные концентраты с сахаром в сборной жестяной или хромированной таре) нормируются олово и хром. В продуктах переработки  растительных  масел  и  животных  жиров,  включая  рыбный  жир (маргарины, кулинарные жиры, кондитерские жиры, майонезы, фосфатидные концентраты) наряду со свинцом, мышьяком, кадмием и ртутью нормируется никель. Дополнительно к свинцу, мышьяку, кадмию и ртути в коровьем масле, топленых животных жирах, жировых продуктах на основе сочетания животных и растительных жиров нормируются медь и железо, в загустителях, стабилизаторах, желирующих агентах (пектин, агар, каррагинан и др. камеди) медь и цинк. Ртуть не нормируется в меде, сухих специях и пряностях.

     В отношении токсичных элементов  существуют несколько точек зрения. Согласно одной из  них, все элементы  периодической системы делят  на три группы:

     1.  эссенциальные  макро-  и   микроэлементы (незаменимые  факторы  питания);

     2.  неэссенциальные (необязательные  для жизнедеятельности);

     3.  токсичные. 

     Согласно  другой точке зрения, все элементы необходимы для жизнедеятельности, но в определенных количествах. 

     При превышении оптимальной физиологической  концентрации элемента в организме может наступить интоксикация, а дефицит многих элементов  в пище и воде может привести к достаточно тяжелым и трудно распознаваемым явлениям недостаточности.

     Металлы широко распространены в живой природе и многие из них являются  эссенциальными  факторами  для  организма  человека,  т.е.  биомикроэлементами. Для большинства из них определена оптимальная физиологическая потребность. Так, для взрослого человека суточная потребность в некоторых биомикроэлементах приведена в табл. 1

     Таблица 1

       Суточная потребность человека  в биомикроэлементах 

     Биологически  активными являются и некоторые другие элементы, способные стимулировать определенные физиологические процессы в организме (например,  мышьяк -  кроветворение),  однако  их  жизненная  необходимость  до  сих пор  не  доказана.  Все  микроэлементы,  даже  эссенциальные,  в определенных  дозах  токсичны.  Из  них  только 4 (свинец,  мышьяк,  кадмий, ртуть)  могут  быть безоговорочно  отнесены  к  токсичным.  Они  не  являются жизненно необходимыми и даже в малых дозах приводят к нарушению нормальных метаболических функций организма. Загрязнение водоемов, атмосферы, почвы, сельскохозяйственных растений  и  пищевых  продуктов  токсичными  металлами  обусловлено  действием следующих факторов:

     - выбросов промышленных предприятий  и ТЭЦ (особенно угольной, металлургической и химической промышленности);

     - выбросов городского транспорта (имеется в виду загрязнение  свинцом от сгорания этилированного  бензина);

     - использованием в сельском хозяйстве  металлсодержащих пестицидов;

     -  применения  в  консервном  производстве  некачественных  внутренних  покрытий и при нарушении технологии припоев;

     - контакта с оборудованием (для  пищевых целей допускается весьма ограниченное число сталей и других сплавов).

     Присутствие соединений металлов в пищевых продуктах  в количествах в 2…3  раза  превышающих  фоновые,  нежелательно,  а  в  количествах,  превышающих допустимые  уровни - недопустимо. В России подлежат обязательному контролю в пищевых продуктах 10 химических элементов - свинец, мышьяк, кадмий, ртуть, цинк, медь, олово, хром, никель, железо.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.   Применение ферментов в пищевых технологиях.

       Мукомольное производство и хлебопечение. 
 

     Ферментные  препараты в отличие от ферментов  содержат помимо активного фермента множество балластных веществ, в том числе и других белков. Кроме того, большинство ферментных препаратов являются комплексными, т. е. кроме основного фермента, имеющего наибольшую активность, в его состав входят другие сопутствующие ферменты. Однако существуют препараты и индивидуальных ферментов.

     Применение  ферментных препаратов в отраслях пищевой  промышленности позволяет интенсифицировать  технологические процессы, улучшать качество готовой продукции, увеличивать ее выход, а также сэкономить ценное пищевое сырье.

     Ферментные  препараты должны удовлетворять  требованиям, предъявляемым конкретными  технологиями не только по типу катализируемой реакции, но и в отношении условий их действия: рН, температуры, стабильности, присутствия активаторов и ингибиторов, т. е. тех факторов, которые обуславливают эффективность действия препарата в данной среде и позволяют правильно определить технологические режимы его применения.

     В зависимости от цели применения к  ферментным препаратам предъявляются определенные требования не только в отношении состава ферментов и оптимальных условий их действия, но и в отношении степени очистки, применяемых наполнителей, стоимости и ряда других параметров.

     Очень важным моментом является оценка безопасности ферментных препаратов, и в первую очередь это касается микробных ферментных препаратов, которые требуют тщательного химического, микробиологического и токсикологического контроля. Особое место занимают ферментные препараты, получаемые из генетически модифицированных микроорганизмов. Основными ферментными препаратами, полученными методами генной инженерии и разрешенными к применению в пищевой промышленности, являются: α-амилаза из В. stearothermophilys, экспрессированная в В. subtilis; α-амилаза из В. megaterium, экспрессированная в В. subtilis; химозин А, полученный из штамма Е. coli К-12, содержащего ген телячьего прохимозина А.

     В настоящее время в мире производится большое количество ферментных препаратов для разных отраслей пищевой промышленности, применяемых на различных стадиях технологического процесса. Различные фирмы выпускают ферментные препараты под разными коммерческими (торговыми) названиями. Однако работа по поиску новых продуцентов, созданию новых препаратов пролонгированного действия, очистке ферментных препаратов, повышению их стабильности и т. п. ведется весьма интенсивно.

       Мукомольное производство и хлебопечение

     Качество  хлеба определяется особенностями  химического состава муки и активностью ее ферментного комплекса. Значительное влияние оказывают также условия брожения и выпечки. Получить хлеб хорошего качества можно только в том случае, когда в процессе тестоведения гармонически сочетаются скорости микробиологических процессов и биохимических превращений. Ферментативный гидролиз высокомолекулярных компонентов сырья — белков и углеводов — в определенной степени способствует интенсификации этих превращений и, в конечном счете, положительно сказывается на качестве хлеба.

     Если  раньше в качестве источника ферментов  использовали солод, то в последние годы все большие масштабы приобретает применение ферментных препаратов для регулирования биокаталитических процессов, протекающих при приготовлении теста и выпечки хлеба. Солод используется в основном для приготовления питательных сред (заварок) для жидких дрожжей, для активации прессованных дрожжей, а также при выпечке специальных сортов хлеба, например рижского.

     Эффективность использования тех или иных ферментных препаратов в хлебопечении в значительной степени зависит от качества муки. Хлебопекарные свойства муки, в особенности качество клейковины и активность собственных ферментов, определяют требования к ферментным препаратам.

     Основным  препаратом, широко внедренным в хлебопекарную промышленность, является амилоризин П10Х. Препарат получают из поверхностной культуры A. oryzae осаждением этанолом. Он обладает амилолитической и протеолитической активностью. В соответствии с ГОСТом препарат должен удовлетворять следующим требованиям: амилолитическая способность — 2000 ед/г препарата; осахаривающая способность — 150 ед/г препарата; протеолитическая активность — 7 ед/г препарата. Кроме того, особо важное значение для хлебопекарной промышленности имеет степень обсемененности препарата спорами Вас. mesentericus (картофельная палочка) и Вас. subtilis (сенная палочка). Существенный признак поражения хлеба картофельной палочкой — тягучий мякиш и появление специфического неприятного запаха и вкуса. Поэтому на хлебозаводах при выработке хлеба с использованием препарата амилоризина П10Х каждую партию препарата проверяют на обсемененность спорами Вас. mesentericus (она не должна превышать величину 105). Одним из требований, обуславливающих стабильность ферментных препаратов, является их строгая стандартизация. За рубежом для этой цели используют различные наполнители — сахар, крахмал, декстрины и т. п. В нашей стране наряду с этими наполнителями применяют сернокислый аммоний, именно он включен в ГОСТ на амилоризин П10Х.

     Получить  хлеб с надлежащей пористостью, объемом  и окраской корки можно только в том случае, если на всех стадиях  технологического процесса достаточно сахаров, обеспечивающих интенсивность газообразования. Несмотря на присутствие в муке собственных сахаров, хлеб, полученный за счет сбраживания только собственных сахаров муки, не будет отвечать требованиям стандарта. При газообразовании только за счет собственных сахаров муки максимум выделения диоксида углерода приходится на первые 1 - 2 часа брожения. Между тем в процессе хлебопечения газообразование в тесте должно оставаться достаточно высоким и на последней стадии (расстойка и первые 10 -15 минут выпечки). При наличии в муке активной β-Амилазы газообразование в процессе брожения теста идет по возрастающей и максимум приходится на 4 часа брожения. В противном случае для получения дополнительного количества сбраживаемыхсСахаров и интенсификации процесса брожения необходимо применение амилолитических ферментных препаратов.

     Однако значение сахаров, безусловно, не ограничивается только процессом брожения. Огромную роль сахара играют в образовании красящих и ароматических веществ хлеба, участвуя в реакции меланоидино-образования.

     Исключительно важны для хлебопечения и те изменения, которые претерпевает при тестоведении и расстойке белковый комплекс муки. Именно белковый комплекс и его ферментативные изменения определяют собой физические свойства теста. От белкового комплекса зависит как поведение теста при его замесе и расстойке (в частности, формоудержание), так и качество готового хлеба, его объем, пористость, структура мякиша.

     Говоря  о протеолитических ферментах, воздействующих на белковый комплекс муки, необходимо еще раз отметить эндогенные протеазы зерна пшеницы, среди которых наибольшее значение имеют нейтральные протеиназы, превосходящие по своей активности кислые протеазы в несколько раз и способные в условиях теста эффективно расщеплять белки клейковины. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Реакции ацилглициринов  с участием углеводородных  радикалов. 
 

     3.1 Присоединение водорода (гидрирование ацилглицеринов)

     Гидрирование  масел и жиров молекулярным водородом  в промышленности проводят при температурах 180–240°C в присутствии никелевых или медно–никелевых катализаторов, при давлении, как правило, близком к атмосферному. Задача гидрогенизации масел и жиров – целенаправленное изменение жирно–кислотного состава исходного жира в результате частичного или полного присоединения водорода к остаткам ненасыщенных жирных кислот, входящим в состав ацилглицеринов подсолнечного, хлопкового, соевого, рапсового и других жидких растительных масел.

     Основная  химическая реакция, протекающая при  гидрогенизации, – присоединение водорода к двойным связям остатков непредельных жирных кислот:

     Подбирая  соответствующие условия реакции, удается осуществить этот процесс селективно (избирательно), гидрируя сначала, в основном, ацилы линоленовой кислоты до линолевой, затем линолевой до олеиновой, а уже потом остатки олеиновой (если это необходимо) до стеариновой кислоты, и получить продукт с заранее заданными свойствами, называемый саломасом:

     Селективность (избирательность) гидрирования объясняется  большей скоростью гидрирования ацилов более ненасыщенных кислот. Гидрирование масел и жиров является гетерогенным процессом, протекающим на границе раздела фаз: смесь ацилглицеринов – катализатор. Параллельно с присоединением водорода к двойным связям (гидрирование) на поверхности катализатора происходит смещение С=С–связи (структурная изомеризация, 1) и геометрическая изомеризация (цис–транс–изомеризация, 2).

     В отличие от гидрирования, реакции  изомеризации (1,2), идущие на поверхности катализатора, не требуют расхода водорода. Предпочтительное протекание реакций (селективность) по одному из возможных направлений определяется свойствами катализатора и условиями проведения процесса. В процессе гидрогенизации может проходить и частичная переэтерификация.

     3.2 Окисление ацилглицеринов

     Жиры  и масла, особенно содержащие радикалы ненасыщенных жирных кислот, окисляются кислородом воздуха. Первыми продуктами окисления являются разнообразные по строению гидропероксиды. Они получили название первичных продуктов окисления.

     Преимущественно окисляется группа –CH2–, соседняя с  двойной связью (α–положение), а  с наибольшей скоростью – расположенная  между двумя двойными связями. Образовавшиеся гидропероксиды неустойчивы; в результате их сложных превращений образуются вторичные продукты окисления: окси– и эпоксисоединения, спирты, альдегиды, кетоны, кислоты и их производные с углеродной цепочкой различной длины.

     Образование вторичных продуктов окисления может сопровождаться разрывом углеродной цепи:

     Направление и глубина окисления масел  и жиров зависят, в первую очередь, от их ацилглицеринового состава: с  увеличением степени непредельности жирных кислот, входящих в состав ацилглицеринов, скорость их окисления возрастает. В ряду эфиров олеиновой (C1lg), линолевой (С218) и линоленовой (С318) кислот соотношение скорости окисления 1 : 27 : 77. Ацилглицерины насыщенных кислот кислородом воздуха при обычных условиях практически не окисляются. Кроме того, на скорость окисления влияет присутствие влаги, металлов переменной валентности.

     Большое влияние на скорость окисления оказывают  антиокислители (ингибиторы) – вещества, добавление которых приводит к обрыву цепей окисления. При этом активные радикалы, которые инициируют процесс окисления, образуют стабильные радикалы, которые не участвуют в этом процессе:

     Среди антиоксидантов наибольшее значение имеют  соединения фенольной природы: ионол, БОТ, БОА, пропилгаллаты. Из природных антиокислителей наибольшее значение принадлежит токоферолам, сезамолу (кунжутное масло), госсиполу (хлопковое масло).

     При введении антиоксидантов в количестве 0,01 % стойкость жиров к окислению увеличивается в 10–15 раз.