Пищевые и биологически активные добавки

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Ярослава Мудрого

Институт сельского хозяйства и природных ресурсов

Кафедра «Технология переработки сельскохозяйственной продукции»

ПИЩЕВЫЕ И БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ДОБАВКИ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Безопасность сельскохозяйственного сырья и продуктов его переработки»

для направления подготовки –  Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции

Великий Новгород

2014

1 ПИЩЕВЫЕ ДОБАВКИ

1.1 Токсиколого-гигиеническая оценка пищевых добавок

Широкое использование пищевых, в современном понимании, добавок началось лишь в конце XIX в., и быстро достигло максимального распространения в наши дни во всех странах мира.

Несмотря на существующие у многих предубеждения, пищевые добавки по остроте, частоте и тяжести возможных заболеваний следует все же отнести к разряду веществ минимального риска.

Термин «пищевые добавки» в настоящее время не имеет единого толкования. В большинстве случаев под пищевыми добавками понимают группу веществ природного или искусственного происхождения, используемых для усовершенствования технологии, получения продуктов специализированного назначения. К пищевым добавкам, как правило, не относят соединения, повышающие пищевую ценность продуктов (витамины, микроэлементы и т.д.). Не являются пищевыми добавками и загрязняющие вещества, попадающие в продукты из окружающей среды.

В соответствии с действующим в нашей стране законодательством под термином «пищевые добавки» понимают природные или синтезированные вещества, преднамеренно вводимые в пищевые продукты с целью придания им заданных свойств и неупотребляемые сами по себе в качестве пищевых продуктов или обычных компонентов пищи.

Пищевые добавки могут вноситься в продукт на различных этапах его производства, хранения и транспортирования с целью улучшения или облегчения технологического процесса, увеличения стойкости продукта к различным видам порчи, сохранения структуры и внешнего вида продукта. Пищевые добавки могут оставаться в продуктах полностью или частично в неизмененном виде или в виде веществ, образовавшихся в результате химического взаимодействия добавок с компонентами пищевых продуктов.

Большинство пищевых добавок не имеют, как правило, пищевого назначения и являются биологически инертными для организма. Однако известно, что любое химическое соединение или вещество в определенных условиях может быть токсичным. Следовательно, пищевая добавка только тогда считается безопасной, если у нее отсутствуют острая и хроническая токсичность, канцерогенные, ко-канцерогенные, мутагенные, тератогенные и гонадотоксические свойства. Поэтому к пищевым добавкам предъявляют строгие требования.

Понятие безвредности вещества, применяемого в качестве пищевой добавки, обусловливает способ его применения. Решающее значение имеют суточное количество вещества, поступающего в организм, длительность его потребления, режим питания, пути поступления вещества в организм и многие другие факторы.

В настоящее время вопросами применения пищевых добавок занимается специализированная международная организация -Объединенный комитет экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам и контаминантам (загрязнителям) - JECFA. (ФАО - от англ. РАО - Food and Agricultural Organization - Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН; ВОЗ

В России вопросы о применении пищевых добавок находятся в недении Департамента Госсанэпиднадзора Минздрава РФ. Основными документами, регламентирующими применение пищевых добавок, являются «Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов» - СанПиН 2.3.2.-560—96; Приложение 9 (обязательное) — «Список пищевых добавок, разрешенных к применению при производстве пищевых продуктов»; Приложение 10 (обязательное) — «Список пищевых добавок, запрещенных к применению при производстве пищевых продуктов» и «Санитарные правила по применению пищевых добавок» № 1923-78.

Пищевые добавки согласно российскому санитарному законодательству не допускается использовать в тех случаях, когда необходимый эффект может быть достигнут технологическими методами — технически и экономически целесообразными. Не разрешается также введение пищевых добавок, способных маскировать юхнологические дефекты, порчу исходного сырья и готового продукта или снижать его пищевую ценность.

Пищевые продукты для детского питания, особенно для питания (рудных детей, должны быть изготовлены без применения каких-либо пищевых добавок.

Исходным для определения допустимой концентрации пище-ной добавки является так называемое допустимое суточное поступ-.чение (ДСП) пищевых добавок в организм человека — ADI (Acceptable daily intake). ДСП представддел собой количество вещества  (в мг на 1 кг массы тела), которое человек может потреблять ежедневно в течение всей жизни без вреда для здоровья

Гигиеническое регламентирование пищевых добавок в продуктах и рационе питания осуществляется в четыре этапа.

Первый этап - проведение предварительной токсиколого-гигиенической оценки регламентируемого химического вещества - пищевой добавки.

Особое внимание уделяют на этом этапе исследования изучению механизма кумуляции, так как в одних случаях в организме происходит накопление самого вещества (материальная кумуляция); в других - эффект действия вещества суммируется (функциональная кумуляция).

Сверхкумулятивными свойствами обладают вещества, имеющие коэффициент кумуляции менее 1; при К = 1...3 вещества обладают выраженной кумуляцией; при К= 3...5 — умеренной и при К > 5 вещества относят к группе веществ со слабой кумуляцией. Наиболее опасными считаются вещества, у которых коэффициент кумуляции меньше в группе животных, получавших меньшие до-лиЛД50.

Второй этап исследования пищевой добавки является основным. В результате проведения хронического эксперимента определяют пороговую и максимально недействующую дозы пищевой добавки по общетоксическому действию. Для этого используют два вида модельных лабораторных животных, в организме которых метаболизм изучаемого химического соединения идентичен метаболизму человека. Длительность эксперимента составляет обычно 9...18 мес. Изучают влияние дозы, полученной в остром эксперименте и рассчитанной по формуле (7), в расчете на 1 кг массы тела животного, а также дозы в 5... 10 раз меньшей и в 10 и 100 раз большей.

По окончании хронического эксперимента на животных подопытных групп (во всех 3...4 поколениях) и контроля делают вывод о наличии или отсутствии у пищевой добавки генотоксичной, репродуктивной, субхронической и хронической токсичности.

Под генетической токсичностью вещества понимают его способность оказывать вредное воздействие на наследственность, то есть вызывать нежелательные мутации. Различают генные, хромосомные и геномные мутации.

Генные мутации вызываются в результате изменения исследуемым веществом химической структуры отдельных генов.

Хромосомные мутации обусловлены изменением структуры хромосом. Вещества, вызывающие хромосомные мутации, называются мутагенами.

Геномные мутации подразделяют на анеуплоидии и полиплоидии. Анеуплоидией называют изменение количества отдельных хромосом - уменьшение (нулли- и моносомия) или увеличение (три-, тетра- и полисемия) их числа. Полиплоидия — это увеличение числа

Очевидно, что пищевые добавки с мутагенными и комутагенными свойствами представляют опасность для жизни и здоровья человека, тогда как на основе пищевых добавок с антимутагенными свойствами возможна разработка продуктов, способных снижать «генетический риск» воздействия мутагенов на генетические структуры человека.

Исследования на репродуктивную токсичность включают проверку влияния исследуемого вещества на мужскую и женскую плодовитость и общую способность к продолжению рода, на внутри- и послеутробное развитие, а также выяснение наличия у него тератогенных свойств.

Под тератогенностью вещества понимают его способность вызвать появление уродств у эмбрионов. Тератогены принципиально недопустимы в качестве добавок в продуктах питания.

Для исследования субхронической токсичности доза исследуемого вещества должна быть выбрана так, чтобы, с одной стороны, токсическое действие было заметно, с другой — подопытные животные остались живы. Исследуемое вещество вводят в рацион животных в течение 3...6 мес в нескольких дозах. Опыты по субхронической токсичности включают исследования живых животных и их трупов (по окончании исследования). Результаты оценки субхронической токсичности служат для оценки диапазона доз и способа введения вещества в организм при изучении хронической токсичности.

Под хронической токсичностью понимают отрицательное действие, которое может быть выявлено после потребления исследуемого вещества в течение двух лет и более. Отрицательное действие может быть выражено в канцерогенезе или возрастной восприимчивости определенной ткани. Поэтому исследования по определению хронической токсичности рассматриваются как важный элемент оценки потенциального риска пищевой добавки

Отношение дозы, безопасной в долгосрочных токсикологических опытах, к концентрации в продукте питания называется степенью реальной безопасности.

На третьем этапе исследований обобщают результаты проведенных исследований и обосновывают допустимую суточную дозу (ДСД) и допустимое суточное потребление (ДСП) пищевой добавки, ее предельно допустимую концентрацию (ПДК) в пищевых продуктах.

Для определения ДСД максимально не действующую дозу (МИД), или дозу NOEL, делят на коэффициент запаса. Объединенный комитет экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым* добавкам во избежание неучтенных факторов рекомендовал использовать интегральный коэффициент запаса, равный 100. Определив ДСД, рассчитывают ДСП для взрослого человека (масса тела 60 кг): ДСП = 60 ДСД мг/сут. и для ребенка (масса тела 30 кг): ДСП = 30 ДСД мг/сут. Обоснование ДСД чрезвычайно трудоемко и составляет 3...5 лет.

В тех случаях, когда J ECFA считает, что токсикологическая безопасность вещества выяснена еще недостаточно, устанавливается временное ДСП. Существенные составляющие продуктов питания и малотоксичные пищевые добавки имеют неограниченное ДСП. Если в токсикологической безопасности уже разрешенного вещества появляются сомнения, то статус его ДСП «понижается» с постоянного до временного и проводятся дополнительные исследования.

После того как ПДК утверждена органами здравоохранения и пищевая добавка широко используется в пищевой промышленности и, наступает четвертый этап - наблюдение за ней, чтобы подтвердить безопасность использования и, если требуется, внести поправку в гигиенические нормативы. Пищевые добавки, являющиеся и считающиеся традиционно безопасными, называют GRAS-веществами.

Наличие пищевых добавок в продуктах, как правило, должно указываться на потребительской упаковке, этикетке, банке, пакете и в рецептуре. Пищевая добавка может обозначаться как индивидуальное вещество, например нитрит натрия, сорбиновая кислота, лецитин и т.д., либо групповым названием, например консервант, эмульгaтop, синтетический краситель и т.д. В последнее время за рубежом, особенно в странах Европейского Союза, все более широкое распространение получило обозначение пищевой добавки в виде индексов Е с трех- или четырехзначным номером, условно обозначающих те или иные добавки. Индексы Е заменяют собой длинные названия пищевых добавок. Эти коды или идентификационные номера используются только в сочетании с названиями функциональных классов добавок.

Согласно европейской цифровой кодификации пищевые добавки классифицируют следующим образом:

Е 100...Е 182 - красители;

Е 200...и далее — консерванты;

Е 300...и далее — антиокислители (антиоксиданты);

Е 400...и далее — стабилизаторы консистенции;

Е 450...и далее - эмульгаторы;

Е 500...и далее - регуляторы кислотности, разрыхлители;

Е 600...и далее - усилители вкуса и аромата;

Е 700...Е 800 - запасные индексы для другой возможной информации;

Е 900...и далее - антифламинги, улучшители качества хлеба и т.д.

Все компоненты, применяемые по разрешению Codex Alimentarius, имеют в списке INS (International Numbering System - Международная цифровая система) свой номер. Это делает идентификацию вещества легкой и точной, защищая от ошибок при переводе; позволяет выделять их в продуктах питания. Система INS-номеров разработана на основе цифровой системы классификации пищевых добавок, принятой в странах Европы, для краткости называемой системой Е-нумерации.

Список разрешенных пищевых добавок для производства пищевых продуктов или продажи населению постоянно пересматривается и обновляется в связи с получением новых научных данных об их свойствах и внедрении новых препаратов. Следует отметить, что в нашей стране список разрешенных пищевых добавок значительно меньший, чем за рубежом, например в США или странах Западной Европы. В России разрешено применение около 250 видов пищевых добавок; в мировой практике - около 500. В настоящее время в РФ запрещено к использованию 5 пищевых добавок (табл. 1).

Таблица 1.1 – Пищевые добавки, запрещенные к применению в России

2 Классификация пищевых добавок

В соответствии с технологическим предназначением пищевые добавки классифицируют следующим образом: -

A. Пищевые  добавки, обеспечивающие необходимый  внешний вид и органолептические свойства продукта, включающие, в свою очередь:

• улучшители консистенции;
• пищевые красители;
• ароматизаторы;
• вкусовые вещества

 Б. Пищевые  добавки, предотвращающие микробную  или окислительную порчу продуктов (консерванты);

• антимикробные средства: химические и биологические;
• антиокислители.

B. Пищевые  добавки, необходимые в технологическом  процессе производства пищевых продуктов:

• ускорители технологического процесса;
• фиксаторы миоглобина;
• технологические пищевые добавки: разрыхлители теста, гелеобразователи, пенообразователи, отбеливатели и др. \

Г. Улучшители качества пищевых продуктов. ,

Комиссия Codex Alimentarius выделяет ряд функциональных классов пищевых добавок, их определений и подклассов:

Класс 1 - Кислоты (Acid) - повышают кислотность и придают 
кислый вкус пище;

Класс 2 — Регуляторы кислотности (Acidity regulator) - изменяют или регулируют кислотность или щелочность пищевого продукта;

Класс 3 — Вещества, препятствующие слеживанию и комкованию (Anticaking agent) - снижают тенденцию частиц пищевого продукта прилипать друг к другу;

Класс 4 - Пеногасители (Antifoaming agent) - предупреждают или снижают образование пены;

Класс 5 - Антиокислители (Antioxidant) - повышают срок хранения пищевых продуктов, защищая от порчи, вызванной окислением;

Класс 6 - Наполнители (Bulking agent) — вещества, которые увеличивают объем продукта, не влияя на его энергетическую ценность;

Класс 7 - Красители (Colour) - усиливают или восстанавливают цвет;

Класс 8 - Вещества, способствующие сохранению окраски (Colour retention agent) - стабилизируют, сохраняют или усиливают окраску продукта;

Класс 9 - Эмульгаторы (Emulsifier) — образуют или поддерживают однородную смесь двух или более несмешиваемых фаз, таких, как масло и вода, в пищевых продуктах;

Класс 10 - Эмульгирующие соли (Emulsifying salt) - взаимодействуют с белками сыров с целью предупреждения отделения жира при изготовлении плавленых сыров;

Класс 11 - Уплотнители растительных тканей (Firming agent) -придают или сохраняют ткани фруктов и овощей плотными и свежими, взаимодействуют со студнеобразуюшими веществами;

Класс 12 - Усилители вкуса и запаха (Flavour enhancer) - усиливают природный вкус и запах пищевых продуктов;

Класс 13 - Вещества для обработки муки (Flour treatment agent) -вещества, добавляемые к муке для улучшения ее хлебопекарских качеств или цвета;

Класс 14 — Пенообразователи (Foarming agent) - создают условия для равномерной диффузии газообразной фазы в жидкие и твердые пищевые продукты;

Класс 15 - Гелеобразователи (Gelling agent) — вещества образующие гели;

Класс 16 — Глазирователи (Glazing agent) - вещества, придающие блестящую наружную поверхность или защитный слой;

Класс 17 - Влагоудерживающие агенты (Humectant) - предохраняют пищу от высыхания;

Класс 18 - Консерванты (Preservative) — повышают срок хранения продуктов, защищая от порчи, вызванной микроорганизмами;

Класс 19 - Пропелленты (Propellant) - газообразные вещества, выталкивающие продукт из контейнера;

Класс 20 - Разрыхлители (Raising agent) - вещества или сочетание веществ, которые увеличивают объем теста;

Класс 21 - Стабилизаторы (Stabilizier) - позволяют сохранять однородную смесь двух или более несмешиваемых веществ в пище-ном продукте или готовой пище

Класс 22 - Подсластители (Sweetener) - вещества несахарной природы, которые придают пищевым продуктам и готовой пище сладкий вкус;

Класс 23 - Загустители (Thickener) - повышают вязкость пищевых продуктов.

2 УЛУЧШИТЕЛИ ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

2.1 Улучшители консистенции

Чтобы придать пищевым продуктам требуемую консистенцию или улучшить ее, применяют пищевые добавки, изменяющие их реологические свойства. Ассортимент веществ, улучшающих консистенцию, достаточно широк - это загустители, гелеобразователи, пищевые поверхностно-активные вещества (ПАВ), а также стабилизаторы физического состояния и разрыхлители. Химическая природа этих веществ разнообразна.

Улучшители консистенции применяют преимущественно в производстве пищевых продуктов, имеющих неустойчивую консистенцию и гомогенную структуру. Такие продукты, как, например, мороженое или мармелад, сыры или колбасы, при использовании в технологии их производства указанных пищевых добавок приобретают качественно более высокие показатели

Пектиновые вещества (Е 440) – улучшители консистенции, загустители, уплотнители, гелеобразователи, стабилизаторы и эмульгаторы.

Пектиновые вещества представляют собой высокомолекулярные -полисахариды, входящие в состав клеточных стенок и межклеточных образований совместно с целлюлозой, теми целлюлозой и лигнином. В понятие «пектиновые вещества» входят гидратопектин (растворимый пектин), протопектин (нерастворимый в воде пектин), пектиновые кислоты и пектина, пектовые кислоты и пектаты.

Крахмал и модифицированные крахмалы (Е 1402).

Среди природных полимеров в пищевой технологии самыми дешевыми и доступными являются крахмалы. Крахмал - полимер глюкозы с большинством связей по 1-му и 4-му углеродным атомам. При этом образуется линейный полимер амилоза, который не имеет боковых цепей, и разветвленный полимер амилопектин с боковыми цепями.

В последние годы в пищевой промышленности все больше применяют модифицированные крахмалы, свойства которых в результате разнообразных способов обработки (физического, химического, биологического) заметно отличаются от свойств обычного крахмала. Так, модифицированные крахмалы существенно отличаются от обычного крахмала по степени гидрофильности, способности к клейстеризации и гелеобразованию. Модифицированные крахмалы используют в хлебопекарной и кондитерской промышленности, в том числе и для получения безбелковых диетических продуктов питания.

Целлюлоза. В пищевой технологии находят применение целлюлоза и ее производные: микрокристаллическая целлюлоза (Е 460), метил целлюлоза (Е 461), карбоксиметилцеллюлоза (Е 466), гидроксипропилцеллюлоза (Е 463), гидроксипропилметшшеллюлоза (Е 464), метилэтилцеллюлоза (Е 465). Эти пищевые добавки используют в производстве мороженого, кондитерских изделий и соусов. Производные целлюлозы применяют в качестве диетических волокон при создании сбалансированных продуктов питания. Они являются также эффективными загустителями, стабилизаторами и эмульгаторами.

Камеди. Из растительных структурообразователей полисахаридной природы, получаемых из семян, промышленное значение имеют камедь из бобов рожкового дерева, гуаровая камедь, камедь таро и др. Структурообразователи этой группы являются галактоманнанами, их полисахаридные структуры состоят из маннозных остатков, соединенных между собой.

Хитозан. Это вещество является производным природного целлюлозоподобного биополимера, относящегося к классу полисахаридов - хитина. Хитин, так же как и целлюлоза, широко распространен в природе, в частности он входит в состав опорных тканей   и внешнего скелета ракообразных, насекомых, микроорганизмов.

Полисахариды микробиологического происхождения. Многие виды микроорганизмов в процессе жизнедеятельности выделяют камеди, состоящие в основном из полисахаридов. К ним относятся ксантан (Е 415) и геллан (Е 417).

Ксантан впервые был получен в конце 50-х годов и стал производиться в промышленных масштабах с 1964 г Ксантан образуется в результате брожения культуры Xanihomonas eampesrris в углеводных растворах, служащих питательной средой для микроорганизмов.

Желатин — белок животного происхождения, в его составе присутствует смесь полипептидов с молекулярной массой 50 000...70 000, а также их агрегаты. Получают желатин из хрящей, сухожилий и костей сельскохозяйственных животных. Желатин хорошо растворяется в горячей воде, а при охлаждении водные растворы образуют гели.

Казеин. Известно, что белки молока представлены в основном казеином (80...83%) и сывороточными белками. Казеин получают путем его осаждения из обезжиренного молока при изоэлектрической точке — рН 4,6 и температуре 20 °С. В зависимости от вида осадителей выпускают солянокислый, молочнокислый, хлорокальциевый и другие виды казеина, различающиеся функциональными свойствами. Однако все виды казеина способны образовывать гели.

В пищевой технологии казеин используют как эмульгатор и загуститель для производства майонезных соусов и кондитерских желейных изделий.

2.2 Эмульгаторы и стабилизаторы

Эмульгаторы - это вещества, уменьшающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз, поэтому их добавляют к пищевым продуктам для получения тонкодисперсных и устойчивых коллоидных систем. В частности, с помощью таких добавок создают эмульсии жира в воде или воды в жире.

Принцип действия стабилизаторов такой же, как и эмульгаторов. Целью их применения является стабилизация уже существующих гомогенных систем или же улучшение степени гомогенизации смесей. Их поверхностная активность обычно меньше активности эмульгаторов

Лецитин (Е 322) входит в группу фосфолипидов, содержащихся в растительных маслах. Лецитины получают в основном из растительных масел - подсолнечного, соевого, рапсового и применяют в пищевой промышленности преимущественно как эмульгаторы. Хорошие эмульгирующие свойства их - это следствие комбинации липофильных и гидрофильных групп в молекулах.

Фосфолипиды синтезируются в организме животных и человека. Установлено, что введение лецитина в рацион питания человека в течение длительного времени не сопровождается какими-либо неблагоприятными последствиями. Объединенным комитетом экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам установлено, что безусловно допустимой дозой для человека является до 50 мг (в дополнение к ежедневному приему при обычном рационе) и условно допустимой 50... 100 мг на 1 кг массы тела. Принято считать, что средний пищевой рацион взрослого человека содержит 1...5 г лецитина.

Лецитин применяется при производстве хлеба, мучных кондитерских изделий, конфет, шоколада, напитков, мороженого, сухого молока.

Жирные кислоты и их соли (Е 481 - Е 482). В пищевой промышленности в качестве эмульгаторов применяют свободные жирные кислоты - олеиновую, стеариновую, пальмитиновую и их натриевые, калиевые, кальциевые соли в производстве хлебобулочных и кондитерских изделий в концентрации до 5 г на 1 кг массы продуктов.

Моно- и диацилглицеролы жирных кислот (Е 471). Их применение в шоколадном производстве позволяет экономить масло какао, а в маргариновом - получать низкожировые маргарины с содержанием жировой фазы 40...50%. В производстве маргарина применяют эмульгатор Т-8 - смесь эмульгатора Т-1 и фосфолипидных концентратов.

Спирты жирного ряда. Алифатические спирты жирного ряда, получаемые из соответствующих жирных кислот, отчасти являются естественными компонентами жиров. В большинстве случаев это стеариновые и олеиловые спирты. Они применяются непосредственно или в виде сложных эфиров уксусной, молочной, фумаровой, яблочной, лимонной и других кислот в качестве стабилизаторов при изготовлении печенья. К таким пищевым добавкам относят, например, ацилированный моноацилглицерол (Е 4721), малат-эфир (Е472с), стеароилмолочная кислота (Е484), олеиллактилат натрия (Е 481п), олеиллактилат кальция (Е 482н) и др. Области применения добавок этой группы различны. Ацилированный моноацилглицерол - эфир моноглицерола и уксусной кислоты и малат-эфир - эфир моноглицерола и яблочной кислоты используются в хлебопечении, сахарной промышленности и при производстве мороженого. Стеароилмолочная кислота - производное молочной кислоты с высшими жирными кислотами и ее натриевая соль -стеароиллактилат натрия используются в пищевой промышленности в качестве поверхностно-активного вещества для маргаринов и других продуктов.