Хімічний склад харчових продуктів

Хімічний склад харчових продуктів є основою, що визначає їх якість, харчову і споживну цінність.

Харчові продукти містять майже всі речовини, потрібні людському організмові для його життєдіяльності. Речовини, що їх містять харчові продукти, належать до різних груп хімічних сполук. Вони поділяються на дві групи: неорганічні та органічні. До неорганічних належать вода і мінеральні речовини, а з органічних найбільше значення мають вуглеводи, жири, білки та інші азотисті речовини, органічні кислоти, ферменти, дубильні речовини, а також барвники і пахучі речовини.

Неорганічні речовини

Вода (Н₂О). Води в людському організмі близько трьох чвертей його ваги, і значення її для життєдіяльності організму дуже велике. Всі поживні речовини можуть бути засвоєні організмом тільки при умові, якщо вони розчиняються у воді, в шлунковому соку, що містить воду. Вода є середовищем, в якому відбуваються властиві для живого організму процеси синтезу і розпаду, і зумовлює активність ферментів, тобто інтенсивний перебіг біохімічних процесів. Людина споживає воду з різною їжею, в чистому вигляді і як напої — чай, кава і т. д. Загальна добова потреба у воді дорослої людини дорівнює приблизно 2 л.

Харчові продукти містять різну кількість води. В цук­рі піску, наприклад, води дуже мало — не більше 0,14%; у хлібних виробах вміст її доходить до 30-50%, а в деяких свіжих овочах — до 92-96%.

Звичайно харчові продукти, що містять багато води, нестійкі при зберіганні і перевезенні, бо швидко псуються, втрачають свої товарні якості. Як правило, значно краще і довше зберігаються продукти з невисоким вмістом води.

Мінеральні речовини. Мінеральними називаються речовини, які залишаються в золі після спалювання харчових продуктів. Мінеральні речовини поділяються на дві групи: макроелементи (їх у золі не менше сотих часток процента) і мікроелементи (у золі їх від тисячної частки процента і менше). В організмі людини є різні мінеральні речовини, до складу яких входять калій, натрій, кальцій, магній, залізо, фосфор, сірка, хлор та ін., всього понад 60 різних елементів. Деякі з них (мідь, цинк, свинець, олово, миш'як, йод) містяться в дуже незначній кількості, тому їх називають мікро- і ультрамікроелементами.

При оцінці якості харчових продуктів треба завжди мати на увазі вміст у них мікро- та ультрамікроелементів, фізіологічне значення яких є вирішальним для нормальної життєдіяльності людського організму, особливо для його стійкості проти захворювань. Біологічна роль мікроелементів зумовлена їх взаємозв'язком з деякими ферментами, гормонами, стимуляторами росту і вітамінами.

Мінеральні речовини потрібні людині, бо вони входять до складу всіх тканин організму і відіграють важливу фізіологічну роль в обміні речовин. Магній, марганець, кальцій і фосфор, наприклад, входять до складу кісткових тканин, сірка — до складу всіх білків, мідь, кобальт і залізо впливають на утворення крові. Хлористий натрій, або кухонна сіль, входить до складу крові, є джерелом утворення соляної кислоти, що є складовою частиною шлункового соку і лужних сполук (у підшлунковій залозі), потрібних для розщеплення білків.

Солі калію регулюють вміст води в тканинах, поліпшують роботу серця. Мідь відіграє істотну роль в обміні речовин, і нестача її в організмі може викликати недокрів'я. Йод потрібний для нормального функціонування щитовидної залози.

Потреба дорослої людини в мінеральних речовинах дорівнює 20-30 г на добу. Усі ці речовини надходять в ор­ганізм з різноманітною їжею.

Особливу увагу треба приділяти забезпеченню організму кальцієм, фосфором і залізом, бо значення їх дуже велике. А не всяка їжа може дати організмові потрібну кількість їх. На добу дорослій людині в середньому потрібно: кальцію — 800, фосфору — 1600 і заліза — 15 мг.

Мінеральні солі є в усіх харчових продуктах. На солі кальцію особливо багаті молоко і овочі; заліза багато в м'ясі, яйцях, деяких овочах і фруктах; велика кількість фосфору є в оселедцях, грибах, гарбузах та інших овочах. Солі натрію (кухонну сіль) ми вводимо в організм як приправу з їжею. Інші мінеральні солі людина повністю одержує з їжі і води, які вона споживає.

Деякі з мікроелементів - свинець, миш'як, мідь, цинк, олово - кількостях, що перевищують природний вміст їх у продуктах, являють собою отрути, що можуть викликати тяжкі захворювання і навіть смертельне отруєн­ня. Особливо отруйні свинець і миш'як. На плоди і овочі миш'як і мідь можуть потрапити в результаті обприскування їх різними хімікатами при боротьбі з шкідниками в садах і городах. У різні консерви та соки свинець, цинк, олово можуть бути занесені через посуд і виробниче устаткування.

Через отруйність цих речовин стандарти не допускають наявності в усіх консервах свинцю і цинку, мідь і олово можуть бути лише в дуже обмежених кількостях, нешкідливих для організму.

У табл. 1.1. наведені основні відомості про найважливіші для організму людини макро- і мікроелементи.

Таблиця 1.1.

Основні мінеральні елементи, їх добова потреба, фізіологічні зміни при нестачі, харчові носії

Органічні речовини

Основними речовинами харчових продуктів є органічні сполуки. В природі ці речовини, тобто вуглеводи, білки, жири, органічні кислоти, утворюються в процесі фотосинтезу і дихання рослинних об'єктів.

Вуглеводи. З вуглеводів найбільш поширені в харчових продуктах моносахариди (глюкоза, фруктоза, галактоза), дисахариди (сахароза, мальтоза, лактоза) і полісахариди (крохмаль, інулін, глікоген, целюлоза, або клітковина). Моносахариди і дисахариди належать до групи сахарів, бо всі вони солодкі на смак і розчиняються у воді.

Моносахариди, або прості сахари. Фруктоза, глюкоза і галактоза, що розглядаються в цій групі, мають загальну формулу С₆Н₁₂О₆, але різну будову молекули, тому вони відрізняються одна від одної своїми властивостями.

Фруктоза, або плодовий цукор,— найсолодша, її найбільше в яблуках, грушах, але є також вона у багатьох інших фруктах і ягодах.

Глюкоза — менш солодкий цукор - у великій кількості є в винограді, а найбільше її в ягодах.

Галактоза у вільному вигляді в продуктах не буває, але її можна одержати з інших, складніших вуглеводів.

Дисахариди мають загальну формулу С₁₂Н₂₂О₁₁. Вони складаються з двох залишків моносахарів, тому й дістали свою назву (ди — означає два), але, як і моносахари, мають неоднакову будову молекули і характеризуються різними властивостями.

З дисахаридів найбільш поширена сахароза, або звичайний цукор. Вона міститься в дуже багатьох овочах, фруктах та інших рослинних продуктах, але особливо багато її в цукрових буряках та цукровій тростині, з яких її і добувають.

Лактоза, або молочний цукор, міститься в молоці, а мальтоза, або солодовий цукор, утворюється в пророслому насінні зернових культур з крохмалю.

Для всіх цих сахарів характерне те, що під впливом ферментів і кислот при наявності води вони гідролізуються (приєднують молекулу води), розпадаючись на дві молекули моносахарів. При гідролізі сахарози утворюються глюкоза і фруктоза, мальтози- дві молекули глюкози, лактози - глюкоза і галактоза.

Гідроліз сахарози інакше називають інверсією, а одержувану при цьому суміш однакових кількостей глюкози і фруктози - інвертним цукром.

Сахари мають різну гігроскопічність, тобто здатність вбирати вологу. З усіх сахарів найбільш гігроскопічні фруктоза і продукти, в яких вона є: інвертний цукор, мед. Завдяки цій властивості фруктози гігроскопічні і ті харчові продукти, які мають значну кількість фруктози, інвертного цукру або меду.

Усі сахари мають солодкий смак, проте інтенсивність відчуття солодкості їх при однаковій концентрації в розчині (в 5-6% концентрації) різна.

Якщо солодкість сахарози взяти за 100 одиниць, то всі сахари за ступенем солодкості їх можна розмістити в такому порядку: лактоза - 16, галактоза - 32, мальтоза - 32, глюкоза -74, сахароза - 100 і фруктоза -170.

Полісахариди дістали свою назву тому, що їх молекули складаються з великої кількості залишків моносахаридів — глюкози або фруктози. Крохмаль, глікоген, інулін і клітковина, або целюлоза, що входять до цієї гру­ші, мають загальну формулу — (С₆Н₁₀О₅)n, де літера п показує кількість глюкозних або фруктозних залишків, що входять до складу молекули.

Крохмаль нагромаджується в деяких рослинах як запасна речовина. Його багато в зерні злакових рослин, у картоплі, бататі, бобових культурах. Крохмаль складається з дуже дрібних зерен, які видно під мікроскопом, не розчиняється в холодній воді, а в гарячій утворює клейстер. Під дією ферментів при наявності води крохмаль гідролізується в мальтозу. Йод забарвлює крохмаль у синій колір, тому його неважко виявити в харчових продуктах.

Глікоген (тваринний крохмаль) на відміну від крохмалю утворюється в тканинах тваринного організму, в якому він виконує ту саму роль запасної речовини. Глікоген виявлений також у грибах і дріжджах. Він розчиняється у воді і за допомогою ферментів та кислот може бути перетворений на глюкозу.

Інулін нагромаджується у вигляді запасної речовини в коренях і бульбах деяких рослин (топінамбуру, або земляної груші, цикорію). Він, як і глікоген, розчиняється у воді; під дією кислот у водному розчині з нього утворюється фруктоза.

Целюлоза, або клітковина,— основна речовина, з якої складаються стінки клітин рослин. Целюлоза не розчиняється у воді, в органічних розчинниках, у слабких лугах і кислотах. У міцній соляній і сірчаній кислотах при нагріванні целюлоза гідролізується в глюкозу. Це найбільш стійкий вуглевод. Людський організм одеревенілу клітковину майже не засвоює, але невелика кількість її поліпшує травлення.

Вуглеводи в основному витрачаються в організмі на утворення енергії і тому належать до групи енергетичних речовин. Крім того, вуглеводи беруть участь в обміні речовин, сприяють економному використанню організмом білків і жирів. Добова потреба дорослої людини у вуглеводах становить 400-500 г, в т.ч. харчових волокон - 25-40 г.

Азотисті речовини. Азотистими називається група речовин, до складу яких входить як обов'язковий елемент азот. Найбільш складними, важливими і цінними з них є білки та їх складові частини — амінокислоти.

Останні можна поділити на такі групи :

До складу переважної більшості білків харчової сировини входять усі 20 амінокислот. Якщо не вистачає хоча б однієї з них, синтез білка в організмі неможливий.

Для визначення біологічної цінності білків використовують так званий метод амінокислотних шкал, що ґрунтується на використанні амінокислотного скору і дає можливість виявити лімітуючи незамінні амінокислот. Визначення лімітуючи амінокислот і ступеня їх нестачі в білку полягає у порівнянні процентного вмісту незамінних амінокислот у досліджуваному білку і в такій самій кількості стандартного („ідеального”) білка. Усі амінокислоти, скор яких становить менше 100 %, вважають лімітуючи ми, а амінокислота з найменшим скором є першою лімітуючою. Прийнято, що 1 г „ідеального” білка містить, мг:

ізолейцину – 40, лейцину – 70, лізину – 55, сірковмісних (метіоніну+цистіну) – 35, ароматичних (фенілаланіну+тирозину) – 60, триптофану – 10, треоніну – 40, валіну – 50.

Білки, що містять усі потрібні організмові незамінні амінокислоти, називають повноцінними. На відміну під них у неповноцінних білках немає деяких із незаміних амінокислот. До повноцінних належать білки тваринного походження - молока, м'яса, яєць, риби.

За своїм складом і властивостями білки поділяються на дві групи: протеїни (прості білки), які утворюють при гідролізі тільки амінокислоти або їх похідні, і протеїди (складні білки), що являють собою сполуки простих білків і речовинами небілкової природи. До протеїнів належать рівні за своїми властивостями білки, а саме: протаміни, гістони, альбуміни, глобуліни, проламіни, глютеліни. До протеїдів належать фосфопротеїди, хромопротеїди, в тому числі гемоглобін крові; нуклеопротеїди - дуже важлива група білків, у яких небілковою частиною є нуклеїнові кислоти, а також ліпопротеїди і глюкопротеїди.

Під впливом ферментів, кислот і лугів білки в організмі людини розщеплюються до амінокислот, з яких синтезуються білки тканин людського тіла. Надлишок білків витрачається на утворення енергії, а також зазнає розпаду і утворенням кінцевих продуктів - аміаку, вуглекислоти і води.

При нагріванні водних розчинів білків понад 70° С відбувається зсідання, або коагуляція, більшості з них. Деякі білки зсідаються під впливом кислот (казеїн молока). Багато з них осаджуються з розчинів спиртом, сильними кислотами, солями важких металів і нейтральними солями.

Для кращого збереження харчових продуктів треба прагнути до того, щоб наявні в них білки не зазнавали помітних змін.

При обробці продуктів азотисті речовини можуть зазнавати різних складних перетворень, які приводять до зміни кольору продуктів. Потемніння настає здебільшого внаслідок хімічних реакцій білків, амінокислот, пептидів з редукуючими сахарами. Такі реакції називаються меданоїдиновими, а продукти, що утворюються при них, - меланоїдинами.

Білки також піддаються гниттю під дією мікроорганізмів. При цьому вони розкладаються до амінів (деякі з них отруйні), сірководню, аміаку, а також продуктів з нудотним запахом (індол, скатол, меркаптани та ін.).

На білки найбагатші продукти тваринного походження - м'ясні, рибні, молочні. Серед рослинних продуктів найбільше білків міститься в зернових культурах, у бобових (квасолі, горосі, сої, сочевиці) і в усіх горіхах.

Потреба організму людини у білку

У світі не існує єдиних уявлень про кількісну характеристику потреби організму будь–якої людини у білку. Проте у нашій країні Наказом МОЗ України від 18 листопада 1999 року № 272 «Про затвердження Норм фізіологічних потреб населення України в основних харчових речовинах та енергії» встановлено добову потребу дитячого і дорослого населення у білку залежно від віку і ступеня інтенсивності праці (для дорослих).

Таблиця 1.2.

Добова потреба дорослого (працездатного) населення

України в білку

Як видно з наведених даних, потреба людини у білку збільшується зі збільшенням витрат енергії (збільшенням інтенсивності праці) і зменшується з віком. Збалансованість білкової частини раціону дорослих оцінюють за такими критеріями :

- загальна кількість білка в раціоні повинна становити в середньому 12 % від добової потреби в енергії;

- кількість білків тваринного походження має становити близько 50 % від загальної кількості білка в раціоні.

Нестачі білка в раціоні проявляється насампеперед зниженням захисних сил організму відносно дії несприятливих умов довкілля. При цьому порушуються процеси травлення, кровотворення (гемоглобін – це білок), діяльність ендокринних залоз (гормони – теж білки), нервової системи, гальмується ріст і розвиток організму, зменшується маса м’язів, печінки, виникають трофічні порушення шкіри, волосся, нігтів, послаблюється розумова діяльність, знижується працездатність.

Викликати нестачу білка в організмі може не лише низький його вміст у раціоні, але й порушення принципів збалансованого харчування, а також захворювання з порушенням травлення й обміну речовин.

Надлишок білків. На відміну від вуглеводів і жирів, азот в організмі не затримується, не відкладається про запас і постійно виводиться з організму завдяки роботі нирок. Тому ”надпланова” робота швидко виснажує нирки. Крім того, при надлишку білків у кишках утворюються продукти неповного їх розщеплення, що може призвести до інтоксикації, збільшення навантаження на печінку і навіть до порушення функції головного мозоку.

Жири - складні органічні речовини, які складаються, як і вуглеводи, з вуглецю, водню і кисню. Але на відміну від вуглеводів у жирах майже вдвічі більше вуглецю. За будовою вони являють собою суміш складних ефірів (гліцеридів), які складаються з молекул трьохатомного спирту - гліцерину і жирних кислот.

У складі жирів найчастіше бувають кислоти: стеаринова, пальмітинова, олеїнова, лінолева і ліноленова. Стеаринова і пальмітинова кислоти при звичайній температурі перебувають у твердому стані і плавляться при 62-70° С, а олеїнова, лінолева і ліноленова — рідкі кислоти. Жири, в складі яких міститься багато стеаринової і пальмітинової кислот (баранячий, яловичий), - тверді, а жири, в яких переважають олеїнова, лінолева і ліноленова кислоти, - рідкі (більшість олій). Залежно від складу жирних кислот жири також можуть бути в мазеподібному стані, наприклад коров'яче масло, гусячий жир та ін.

Жири не розчиняються у воді, спирті, кислотах, але розчиняються в ефірі, бензині, скипидарі та деяких інших речовинах. При кип'ятінні з лугами з них утворюється мило Питома вага їх менша, ніж води.

Жири мають велике біологічне значення. Вони є багатим джерелом енергії, беруть участь в обміні речовин, підвищують витривалість організму до несприятливих умов життя, а також є джерелом жиророзчинних вітамінів. Крім цього, з організмі тварин і рослин жири виконують роль резервних речовин, які відкладаються при надлишку харчування і витрачаються при голодуванні.

Добова потреба людини в жирі залежить від її віку, статті, виду трудової діяльності та інших факторів і становить у середньому близько 100 г, з них 70% тваринних і 30% рослинних.

Багато жиру є в насінні олійних культур (соняшника, льону, конопель, гірчиці, рапсу та ін.), у горіхах і сої. З тваринних продуктів багаті на жир молоко, м'ясо жирних тварин, деяких риб (лососевих, осетрових та інших) і морських тварин (китів, дельфінів).

Потреба організму людини у жирах

Вважають, що норма вживання жирів має відповідати 30 % добової потреби людини в енергії. При цьому 10 % потреби в енергії мають забезпечити насичені жирні кислоти, 10 % – мононенасичені, ще10 % – поліненасичені жирні кислоти. Важливо, що оптимальним співвідношенням жирних кислот груп ω₃ (ліноленова, екозапентаєнова, докозагексаєнова) і ω₆ (лінолева, арахідонова) має бути 1 : 10.

У нашій країні Наказом МОЗ України від 18 листопада 1999 року № 272 «Про затвердження Норм фізіологічних потреб населення України в основних харчових речовинах та енергії» встановлено добову потребу дитячого і дорослого населення у жирах залежно від віку і ступеня інтенсивності праці (для дорослих).

Таблиця 1.3

Добова потреба дорослого (працездатного) населення

України в жирах

Нестача жирів у раціоні послаблює імунітет, викликає збільшення нераціональних витрат білків, у т.ч. незамінних амінокислот, на утворення енергії.

Надлишок жирів у раціоні призводить до порушення обміну речовин, ожиріння, розвитку захворювань різних систем, у т.ч. системи кровообігу.

Органічні кислоти. В харчових продуктах часто трапляються органічні кислоти, значення яких досить різне. В поєднанні з іншими речовинами вони надають продуктам звичного для нас смаку, беруть участь в обміні речовин в організмі людини (збуджуюче діють на травні залози), деякі з них застосовуються для консервування продуктів та ін. Органічні кислоти в харчових продуктах перебувають у вільному стані або у вигляді солей, які легко розчиняються і добре засвоюються в процесі травлення.

У кожному продукті одночасно є кілька кислот, але завжди переважає тільки одна. Денна потреба дорослої людини в органічних кислотах становить 2г. Найбільш поширені кислоти: оцтова, молочна, яблучна, лимонна і винна.

Оцтова кислота (СН₃СООН) виробляється зі спирту при бродінні. Міститься в основному в різних маринадах і закисаючих продуктах. У вигляді водних розчинів (оцту) використовується як приправа і консервуючий засіб. Має гострий смак.

Молочна кислота (СН₃•СНОН•СООН) виробляється в продуктах в результаті молочнокислого зброджування сахарів. Вона міститься в хлібі і в усіх хлібних виробах, виготовлених на дріжджах, в усіх кисломолочних продуктах, у квашених і солоних овочах, в дозрілому м'ясі та в інших продуктах. Молочну кислоту використовують при виготовленні фруктових напоїв і в кондитерському виробництві.

Яблучна кислота (C₄H₆О₅) є майже в усіх плодах, деяких овочах і продуктах, що виготовляються з них, - вареннях, компотах, соках, пюре та ін. Використовується при виробництві фруктових безалкогольних напоїв і кондитерських виробів. Характеризується приємним смаком.

Лимонна кислота (С₆Н₈О₇) міститься в цитрусових плодах і в багатьох ягодах, особливо багато її в лимонах і журавлині. В чистому вигляді (в кристалах) широко застосовується в кулінарії, при виготовленні безалкогольних напоїв, кондитерських виробів та інших продуктів. Має м'який приємний смак.

Винна кислота (С₄H₆O₆) міститься в основному в винограді та винах і соках, що виготовляються з нього. Має кислий в'яжучий смак. Так само як яблучна та лимонна кислоти використовується при виготовленні кондитер­ських виробів і безалкогольних напоїв.

Вітаміни – це низькомолекулярні сполуки органічної природи, що не синтезуються в організмі людини, а потрапляють до нього з їжею. Фізіологічна роль вітамінів полягає у забезпеченні повного, правильного і економічного використання основних поживних речовин, при якому органічні речовини звільнюють необхідну енергію. Основні відомості про вітаміни: конкретні фізіологічні функції, добова потреба, харчові продукти-джерела (носії) вітамінів, – зведені у таблицю 1.4.

Зберігання рослинної сировини призводить до втрати великої кількості вітамінів: шпинат за 2 доби зберігання у тіні втрачає 80 % віт. С, картопля за 2 місяця – близько 50 %, за 4–6 міс. – 75 % віт. С. Під час біохімічного заквашування капусти віт. С частково зберігається, причому близько 50 % його переходить у рідину (розсіл). Сонячне світло за 5...6 хв знищує до 65 % вітамінів у молоці. Під час пастеризації молока руйнується 25...40 % віт. Д.

Під час витримування у воді із овочів у воду переходять вітаміни і мінеральні речовини. Висока температура швидко – у перші хвилини варіння – руйнує значну кількість вітамінів. Варіння та смаження картоплі призводить до втрат віт С на 30 %, руйнуються віт. А (на 15...37 %) і Е.

Під час випікання хліба втрати вітамінів становлять 15...30 %.

Таблиця 1.4.

Вітаміни, їх добова потреба, функції в організмі, сировина та харчові продукти, що їх містять

Фітонциди. На сьогодні відомо, що в рослинах є захисні речовини -фітонциди, які можуть вбивати або затримувати розвиток мікроорганізмів. Так, фітонциди цибулі і часинку вбивають кишкові, черевнотифозні, туберкульозні та інші бактерії. Під діянням пари фітонцидів цибулі і часинку припиняються гнильні процеси в ранах і прискорюється загоєння їх. Надзвичайно сильна бактерицидна дія коріння хріну. Цю властивість виявлено і в багатьох інших овочевих, плодових та ягідних рослин: апельсинів, лимонів, мандаринів, кропиви, картоплі, томатів, червоного перцю, моркви та ін.

Хімічну природу фітонцидів ще не повністю розкрито, але доведено, що ця речовина небілкового характеру, вона являє собою сукупність різних речовин: ефірних масел, кислот і деяких глюкозидів.

Інші речовини, що входять до складу харчових продуктів. Крім розглянутих основних і найбільш поширених речовин, у харчових продуктах містяться і деякі інші, характерні для окремих груп. До них, наприклад, належать дубильні і пектинові речовини, ефірні масла, бензой­на і саліцилова кислоти, різні глюкозиди, геміцелюлози, пентозани і т. д. Значення всіх цих та інших речовин буде розглянуто при вивченні тих товарів, для яких вони характерні.