Ферментативный гидролиз полисахаридов

Гидролиз крахмала осуществляют амилолитические ферменты. Фермент α-амилаза гидролизует крахмал действуя хаотично, разрывает 1,4 связь с образованием декстринов и небольшого количества мальтозы. Фермент α-амилаза действуя на крахмальное зерно образует каналы, раскалывая полисахарид на части. Схема гидролиза крахмала приведена на рисунке 3.1.

 

α-амилаза

КРАХМАЛ (ГЛИКОГЕН) → ДЕКСТРИНЫ + МАЛЬТОЗА + ГЛЮКОЗА

(много) (мало) (мало)

 

 

Рис. 3.1- Схема гидролиза крахмала ферментом α-амилаза

 

Фермент ß-амилаза гидролизует крахмал действуя с конца цепочки, разравыет связь 1,4 и образует мальтозу, в местах разветвления амилопектина действие ß -амилазы прекращается, в этом случае остается небольшое количество декстринов. Схема гидролиза крахмала ферментом ß –амилаза представлена на рисунке 3.2.

 

β-амилаза

КРАХМАЛ (ГЛИКОГЕН) → МАЛЬТОЗА + ДЕКСТРИНЫ

(много) (мало)

Рис. 3.2- Схема гидролиза крахмала ферментом ß –амилаза

 

Фермент глюкоамилаза действует с конца цепочки, отщепляет одну молекулу глюкозы, разрывает 1,4 связь, в местах разветвления амилопектина действие глюкоамилазы прекращается и остается небольшое количество непрогидролизовавшихся декстринов. Фермент олиго- 1,6- гликозидаза расщепляет 1,6 связь с образованием декстринов. Фермент изомальтаза гидролизует дисахарид изомальтоза до глюкозы. Гидролиз крахмала является важнейшей реакцией, происходящей при технологической переработке сырья в производстве пива, спирта.

Гидролиз гликогена осуществляют амилолитические ферменты.

Гидролиз пектина осуществляют пектолитические ферменты.

Растворимый пектин переходит из нерастворимого пектина в растворимое состояние при действии фермента протопектиназа или в присутствии разбавленных кислот. При этом пектин отщепляется от гемицеллюлозы или других связывающих компонентов. Растворимый пектин способен в кислой среде и в присутствии сахара образовывать желе и гели;

Пектовые кислоты образуются из растворимого пектина при действии фермента пектаза (пектинэстереза) или в присутствии разбавленных щелочей, при этом пектовая кислота теряет способность образовывать желе и гели. В результате действия фермента пектаза от растворимого пектина отщепляется метиловый спирт. Ферментативный гидролиз пектина можно представить в виде схемы:

 

протопектиназа пектинэстераза

НЕРАСТВОРИМЫЙ ПЕКТИН → РАСТВОРИМЫЙ ПЕКТИН →

 

→ ПЕКТОВАЯ КИСЛОТА + МЕТИЛОВЫЙ СПИРТ

 

Гидролиз гемицеллюлоз осуществляют цитолитические ферменты, которые включают эндо-ß- глюканазу, арабинозидазу и ксиланазу. Гемицеллюлозы не способны растворяться в воде, значительно затрудняют гидролиз крахмала.При действии фермента эндо-ß- глюканаза отщепляется остаток глюкозы, при действии фермента арабинозидаза отщепляется остаток арабинозы, а при действии фермента ксилоназа отщепляется остаток ксилозы. При частичном гидролизе гемицеллюлозы образуются гуммивещества или амиланы, которые имеют меньшую молекулярную массу, растворяются в воде, образуя вязкие растворы. От степени гидролиза гемицеллюлоз зависит скорость гидролиза крахмала при осахаривании солода в производстве пива, длительность фильтрации затора.

Пищевая ценность углеводов

 

Одна из важнейших функций низкомолекулярных углеводов это придание сладкого вкуса продуктам питания. В таблице 3.1 приведена характеристика относительной сладости различных углеводов и сахарозаменителей по сравнению с сахарозой, сладость которой принята за 1 единицу.

Углеводы являются основным источником энергии для человека, при усвоении 1 г моно или дисахарида выделяется 4 ккал энергии. Суточная потребность человека в углеводах составляет 400 - 500 г, в том числе моно и дисахаридов 50 - 100 г. Балластных углеводов (пищевых волокон) – целлюлозы и пектиновых веществ в сутки необходимо употреблять 10 - 15 г, они способствуют очищению кишечника и нормализуют его деятельность. Избыток углеводов в питании приводит к ожирению, так как углеводы используются для построения жирных кислот, а также приводит к нарушению деятельности нервной системы, к аллергическим реакциям.

 

Таблица 3.1

Относительная сладость (ОС) углеводов и сахарозаменителей.

 

Углеводы	ОС	Углеводы или сахарозаменители	ОС
Сахароза		α-D-лактоза	0,16
ß-D-фруктоза	1,8	ß-D-лактоза	0,32
α-D-глюкоза	0,74	Ксилоза	0,40
ß-D-глюкоза	0,82	Сорбит	0,63
α-D-галактоза	0,32	Ксилит	0,90
ß-D-галактоза	0,21	Цикломаты
α-D-манноза	0,32	Аспартам
ß-D- манноза	Горькая	Сахарин

ТЕМА 4 ЛИПИДЫ

Классификация липидов

Превращения липидов

Пищевая ценность липидов

Классификация липидов

Липиды являются производными жирных кислот, спиртов, построенных с помощи сложноэфирной связи. В липидах также встречается простая эфирная связь, фосфоэфирная связь, гликозидная связь. Липидами называют сложную смесь органических соединений с близкими физико-химическими свойствами.

Липиды нерастворимы в воде (гидрофобны), но хорошо растворимы в органических растворителях (бензине, хлороформе). Различают липиды растительного происхождения и животного происхождения. В растениях накапливается в семенах и плодах, больше всего в орехах (до 60 %). У животных липиды концентрируются в подкожных, мозговой, нервных тканях. В рыбе содержится 10-20 %, в мясе свинины до 33 %, в мясе говядины 10 % липидов.

По строению липиды разделяют на две группы:

- простые липиды

- сложные липиды.

К простым липидам относят сложные (жир и масло) или простые (воск) эфиры высших жирных кислот и спиртов.

Строение жиров и масел можно представить общей формулой:

 

СН₂ - О – СО - R₁

|

СН – О - СО – R₂

_|

СН₂ - О – СО - R₃

 

Где: радикалы жирных кислот - R_1,R_2, R_3.

 

Сложные липиды имеют в своем составе соединения, содержащие атомы азота, серы, фосфора. В эту группу относят фосфолипиды. Они представлены фосфотидной кислотой, которая содержат только фосфорную кислоту, занимающую место одного из остатков жирных кислот, и фосфолипидами, в состав которых входят три азотистых основания. Азотистые основания присоединяются к остатку фосфорной кислоты у фосфотидной кислоты. Фосфотидилэтаноламин содержит азотистое основание этаноламин НО - СН₂ – СН₂ - NH₂ . Фосфотидилхолин содержит азотистое основание холин [НО- СН₂ – (СН₃)₃ N]+(ОН), это вещество называют лецитин. Фосфотидилсерин содержит аминокислоту серин НО- СН(NH₂) – СООН.

Сложные липиды содержат остатки углеводов – гликолипиды, остатки белков – липопротеиды, спирт сфингозин (вместо глицерина) содержат сфинголипиды.

Гликолипиды выполняют структурные функции, входят в состав клеточных мембран, в состав клейковины зерна. Чаще всего в составе гликолипидов встречаются моносахариды D- галактоза, D – глюкоза.

Липопротеиды входят в состав клеточных мембран, в протоплазму клеток, влияют на обмен веществ.

Сфинголипиды участвуют в деятельности центральной нервной системы. При нарушении обмена и функционирования сфинголипидов развиваются нарушения в деятельности центральной нервной системы.

Наиболее распространены простые липиды – ацилглицнриды. В состав ацилглицеридов входят спирт глицерин и высокомолекулярные жирные кислоты. Наиболее распространены среди жирных кислот насыщенные кислоты (не содержащие кратных связей) пальмитиновая (С₁₅Н₃₁СООН) и стеариновая (С₁₇ Н₃₅СООН) кислоты и ненасыщенные кислоты (содержащие кратные связи): олеиновая с одной двойной связью (С₁₇ Н₃₃СООН), линолевая с двумя кратными связями (С₁₇ Н₃₁СООН), линоленовая с тремя кратными связями (С₁₇ Н₂₉СООН). Среди простых липидов главным образом встречаются триацилглицериды (содержат три одинаковых или различных остатка жирных кислот). Однако простые липиды могут быть представлены в виде диацилглицеридов и моноацилглицеридов.

В составе жиров преимущественно находятся насыщенные жирные кислоты. Жиры имеют твердую консистенцию и повышенную температуру плавления. Содержатся преимущественно в липидах животного происхождения. Масла содержат в основном ненасыщенные жирные кислоты, имеют жидкую консистенцию и низкую температуру плавления. Содержатся в липидах растительного происхождения.

Восками называют сложные эфиры, в состав которых входит один высокомолекулярный одноатомный спирт с 18 - 30 атомами углерода, и одна высокомолекулярная жирная кислота с 18 – 30 атомами углерода. Воска встречаются в растительном мире. Воск покрывает очень тонким слоем листья, плоды, предохраняя их от переувлажнения, высыхания, воздействия микроорганизмов. Содержание воска невелико и составляет 0,01 - 0,2 %.

Среди сложных липидов распространены фосфолипиды. В составе фосфолипидов имеются заместители двух типов: гидрофильные и гидрофобные. Гидрофобными выступают радикалы жирных кислот, а гидрофильными - остатки фосфорной кислоты и азотистые основания. Фосфолипиды участвуют в построении мембран клетки, регулируют поступление в клетку питательных веществ.

При извлечении липидов из масличного сырья в масло переходят различные жирорастворимые соединения: фосфолипиды, пигменты, жирорастворимые витамины, стеролы и стерины. Извлекаемая смесь называется «сырой жир». При очистке (рафинировании) растительных масел практически все компоненты, сопутствующие маслам удаляются, что значительно снижает пищевую ценность масла.

Из жирорастворимых пигментов следует отметить группу каротиноидов – предшественников витамина А. По химической природе это углеводороды. Это вещества красно-оранжевого цвета. Хлорофилл – зеленый краситель растений.

Стероиды это циклические соединения, имеющие структуру пергидроциклопентанофенантрена. Из стероидов большое влияние на человека оказывает холистерин. Он участвует в обмене гормонов, желчных кислот.

 

Превращения липидов

Превращения липидов можно разделить на реакции, протекающие с участием сложноэфирных групп, и с участием радикалов углеводородов.

Гидролиз липидов. Различают три варианта гидролиза липидов:

- Кислотный гидролиз проходит в присутствии растворов кислот;

- Щелочной гидролиз проходит в присутствии растворовщелочей;

- Ферментативный гидролиз проходит под действием фермента липаза.

В результате гидролиза липидов осуществляется разрушение сложноэфирной группировки. Из триацилглицеридов образуются вначале ди-, затем моноацилглицериды, а далее многоатомный спирт глицерин и свободные жирные кислоты.

Гидролитический распад липидов пищевых продуктов является одной из причин ухудшения их качеств, в конечном счете – их порче. Процессы гидролиза липидов ускоряются при повышенной влажности, повышенной температуре хранения, активности фермента липазы.

Переэтерификация липидов. Эта реакция приводит к обмену остатками жирных кислот у липидов. Различают внутримолекулярную переэтерификацию, когда ацильный радикал мигрирует внутри молекулы липида, и межмолекулярную переэтерификацию, когда ацильный радикал мигрирует между различными молекулами липидов. Эта реакция приводит к изменению физико-химических свойств жировых смесей.

Переэтерификация высокоплавких животных жиров с жидкими растительными маслами позволяет получить пластичные жиры, которые являются основой для получения маргарина. Возможно также получение аналога молочного жира, кондитерского жира.

Гидрирование липидов. При гидрировании липидов происходит разрыв кратных связей у остатков жирных кислот с присоединением водорода. При этом можно направленно изменять жироно-кислотный состав исходного липида. В первую очередь расщепляются кратные связи линоленовой кислоты, затем линолевой, затем олеиновой. В конечном итоге образуется стеариновая кислота. В результате реакции гидрирования получается продукт с заранее заданными свойствами, его называют саломас. Саломасы применяют в производстве маргарина.

Реакция гидрирования протекает по схеме:

 

+ Н₂ + Н₂ + Н₂

СН³ ₁₈ → СН² ₁₈ → СН¹₁₈ → СНº₁₈

линоленовая линолевая олеиновая стеариновая

кислота кислота кислота кислота

Окисление липидов. Липиды подвергаются окислению кислородом воздуха. Первыми продуктами окисления являются гидропероксиды, которые внедряются в радикал карбоновой кислоты. Быстрее всего воздействие оказывается на углерод, ближайший к кратной связи, а у насыщенных жирных кислот атакуется кислородом середина цепочки жирных кислот. Образовавшиеся гидропероксиды неустойчивы, в результате их превращения разрывается цепочка атомов углерода, образуются вторичные продукты окисления: эпоксисоединения, спирты, альдегиды, реже кетоны, карбоновые кислоты с углеродной цепочкой короче, чем у жирной кислоты.

Процесс окисления липида можно представить в виде схемы:

 

ЖИРНАЯ КИСЛОТА → ГИДРОПЕРОКСИД → ЭПОКСИСОЕДИНЕНИЯ→

 

→ СПИРТЫ → АЛЬДЕГИДЫ (КЕТОНЫ) → КАРБОНОВАЯ КИСЛОТА

 

Окисление липидов кислородом воздуха является автокаталитическим процессом. Окисление идет по цепному пути, продукты окисления способны реагировать друг с другом и образовывать полимеры. Направление и глубина окисления зависят от состава жирных кислот. С увеличением степени непредельности жирных кислот возрастает скорость их окисления.

Скорость окисления составляет:

 

СН³ ₁₈: СН² ₁₈ : СН¹₁₈ как 77: 27: 1

линоленовая линолевая олеиновая

кислота кислота кислота

 

Окисление насыщенных жирных кислот происходит значительно медленнее, чем ненасыщенных.

На скорость окисления липидов оказывает влияние присутствие влаги, свет, металлов переменной валентности (Pb, Cu, Co, Mn, Fe), антиокислителей. К антиокислителям относят вещества, присутствие которых приводит к обрыву цепей окисления. Вместо активных радикалов, которые бы инициировали процесс окисления, образуются стабильные радикалы, которые не участвуют в этом процессе. Из природных антиокислителей часто применяют текоферол (витамин Е), из синтетических - соединения фенольной природы: ионол, Бутилгидрокситолуол (БОТ), Бутилгидроксианизол (БОА), пропилгаллаты. При внесении антиоксидантов в количестве 0,01 % стойкость жиров к окислению увеличивается в 10 – 15 раз. Подробнее различные антиокислители рассматриваются в дисциплине «Пищевые и биологически активные добавки».

Окисление липидов может проходить при действии биологических катализаторов – ферментов. В процессе ферментативного окисления липидов совместно участвуют ферменты липаза и липоксигеназа. На первом этапе окисления липаза осуществляет гидролиз тириацилглицеридов. Этот этап еще называют ферментативное прогоркание. Затем липоксигеназа катализирует образование гидропероксидов ненасыщенных жирных кислот (чаще это линолевая и линоленовая кислоты). Свободные жирные кислоты окисляются быстрее, чем их остатки, входящие в состав молекулы липида. При распаде гидропероксида образуются вещества, аналогичные продуктам окисления кислородом - образуются вторичные продукты окисления: эпоксисоединения, спирты, альдегиды, реже кетоны, карбоновые кислоты с углеродной цепочкой короче, чем у жирной кислоты.

В процессе окисления липидов образуются различные вещества, которые имеют неприятный вкус и запах (появляется «осаливание», «прогорклость», «запах олифы»), изменяется цвет продукта. В результате снижается пищевая и физиологическая ценность, а продукты могут оказаться непригодными в пищу (пищевая порча жиров). Наименее стойки при хранении сливочное масло, маргарин, кулинарный жир.

 

Пищевая ценность липидов

Пищевые жиры и масла являются обязательным компонентом пищи, источником энергетического и пластического материала для человека, поставщиком необходимых веществ, таких как: ненасыщенные жирные кислоты, фосфолипиды, жирорастворимые витамины, стерины. Рекомендуемое содержание жиров в рационе человека по калорийности составляет 30 – 33 % или 90 – 107 г в сутки. Среднем считается норма в 102 г в сутки. В питании имеет значение не только количество, но и химический состав жиров. Линолевая и линоленовые кислоты не синтезируются в организме человека, арахидоновая кислота синтезируется из линолевой кислоты при участии витамина В₆. Поэтому они получили название незаменимых или эсенциальных жирных кислот. В последние годы часто употребляется термин «полиненасыщенные жирные кислоты семейства омега – 3», в эту группу входят ά – линоленовая, эйкозапентаеновая, докозагексаеновая кислоты, содержащие несколько кратных связей и «полиненасыщенные жирные кислоты семейства омега – 6», в эту группу вхадит арахидоновая кислота.

Ненасыщенные жирные кислоты участвуют в расщеплении липопротеидов, холестерина, предотвращают образование тромбов, снижают воспалительные процессы.

Липиды оказывают влияние на обмен веществ в клетках, входят в состав клеточных мембран, влияют на кровяное давление, выводят из организма холестерин, при этом повышается эластичность стенок кровеносных сосудов. Повышенной биологической активностью обладают арахидоновая и линолевые кислоты. Среди продуктов питания наиболее богаты полиненасыщенными жирными кислотами растительные масла. Арахидоновая кислота содержится в яйцах, субпродуктах. Сбалансированный состав ежедневного рациона человека должен содержать 10 – 20 % полиненасыщенных жирных кислот, 50 – 60 % мононенасыщенных жирных кислот, 30 % насыщенных жирных кислот. \это обеспечивается при использовании в рационе одной трети растительных и двух третей животных жиров.

Фосфолипиды участвуют в построении клеточных мембран, транспорте жиров в организме, способствуют лучшему усвоению жиров, препятствуют ожирению печени. Суточная потребность в фосфолипидах составляет 5 – 10 г.

При усвоении 1 грамма липида выделяется 9 ккал энергии. При избыточном потреблении жиров возникает опасность ожирения организма.

Растительные жиры являются источником поступления жирорастворимых витаминов Е и β- каротина, животные жиры – источник жирорастворимых витаминов А, D.

 

ТЕМА 5 ПИЩЕВЫЕ КИСЛОТЫ

 

Продукты питания содержат различные органические кислоты, которые объединяют в группу пищевых кислот. Пищевые кислоты накапливаются в растительном сырье в результате биохимических превращений на стадии развития растения, также кислоты могут накапливаться вследствие биохимических изменений в ходе технологического процесса приготовления продуктов питания (спиртовое брожение, молочнокислое брожение). Пищевые кислоты могут быть внесены в пищевую систему в ходе технологического процесса для регулирования рН, придания определенного вкуса (напитки), для формирования определенной консистенции (молочные продукты, кондитерские изделия).

Вносимые пищевые кислоты в процессе производства продуктов отнесены к группе пищевых добавок. Их использование не лимитируется в гигиеническом отношении, а регламентируется технологическими инструкциями на конкретные пищевые продукты. Повышенной токсичностью обладает фумаровая кислота, для которой установлен уровень ДСД допустимой суточной дозы – 6 мг/кг массы тела человека.

Уксусная кислота используется в виде эссенций 70 - 80 % концентрации и в виде столового уксуса 9 % концентрации. Применяются также соли уксусной кислоты – ацетаты. Основная область применения уксусной кислоты – приготовление овощных консервов.

Молочная кислота используется в виде 40 % раствора и концентрата 70 % раствора. Соли молочной кислоты называются лактатами. Молочная кислота применяется в производстве пива (подкисление затора), безалкогольныз напитков, кондитерских изделий, кисломолочных продуктов.

Лимонная кислота используется в виде кристаллов белого цвета, полученных биохимическим синтезом из плесневого гриба Aspergillus niger. Соли лимонной кислоты называются цитраты. Лимонная кислота имеет мягкий вкус, меньше раздражает слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта. В высоких концентрациях лимонная кислота содержаться в цитрусовых плодах. Применяется в производстве напитков, соков, кондитерских изделий, рыбных консервов.

Яблочная кислота используется в виде кристаллов белого или желтоватого цвета. Соли яблочной кислоты называются малаты. Яблочная кислота имеет мягкий вкус, не раздражает слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта. В высоких концентрациях яблочная кислота содержаться во фруктах. Применяется в производстве напитков, кондитерских изделий.

Винная кислота используется в виде кристаллов белого или желтоватого цвета. Получают при переработке отходов виноделия. Соли винной кислоты называются тартраты. Винная кислота имеет мягкий вкус, меньше раздражает слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта. Содержится в винограде. Применяется в производстве напитков, кондитерских изделий.

Реже в производстве продуктов питания используются кислоты: адипиновая, янтарная, фумаровая.

Фосфорная кислота является представителем минеральных кислот, однако она широко представлена в в пищевом сырье и продуктах питания, особенно распространены соли фосфорной кислоты – фосфаты. Фосфорная кислота входит в состав сложных органических соединений: фосфолипиды, нуклеиновые кислоты, АТФ (аденозинтрифосфат). В высоких концентрациях фосфаты содержаться в молочных, мясных продуктах, в орехах. Применяется в производстве напитков, кондитерских изделий.

Пищевые продукты содержат различные аминокислоты: аланин, валин, серин, лизин, метионин и др ., входящие в состав белков. Продукты питания содержат различные липиды, в состав которых входят жирные кислоты: пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая, линолековая и другие. Ароматическая кислота – бензойная кислота является природным консервантом, она содержится в некоторых ягодах.

ТЕМА 6 ВИТАМИНЫ

Классификация витаминов

Водорастворимые витамины

Жирорастворимые витамины

Витаминоподобные соединения