Функції вуглеводів у харчових продуктах

 

Гідрофільність – Здатність зв’язувати воду і контролювати активність води в харчових продуктах - одна із головних властивостей вуглеводів, корисних для харчування. Гідрофільність обумовлена наявністю багато чисельних ОН-груп. Ці групи взаємодіють з молекулою води, що приводить до сольватації та розчиненню вуглеводів та інших їх полімерів. Завдяки цій властивості вирішується питання: потрібно лімітувати надходження вологи чи контролювати її втрату. Наприклад, заморожені пекарські продукти не повинні містити великої кількості вологи, тому доцільно замість сахарози використовувати мальтозу, лактозу. В інших випадках потрібний контроль активності води, щоб запобігти втраті вологи під час зберігання. (це стосується гігроскопічних вуглеводів, фруктових сиропів, інвертного цукру.)

Зв’язування ароматичних речовин. Для більшості харчових речовин, під час добування яких використовуються різні види сушки, вуглеводи є важливим компонентом, що сприяє збереженню кольору та летких ароматичних речовин, сутність цього пояснюється заміною взаємодії сахароза-вода на взаємодію сахароза-ароматична речовина.

Сахароза-вода + ароматична речовина → сахароза-ароматична речовин + вода.

Леткі АР – численна група карбонільних сполук, похідних карбонових кислот. Здатність зв’язувати ароматичні речовини більшою мірою виявляють дисахариди. Ефективними фіксаторами аромату є великі вуглеводневі молекули, гуміарабік. Утворюючи плівку навколо АР він запобігає витрачанню вологи за рахунок випарування та хімічного окиснення. Також фіксує аромати желатин.

Солодкість. Відчуття солодкого смаку під час вживання вуглеводів характеризує ще одну важливу функцію їх в харчових продуктах.

Хоч вуглеводи не належать до незамінних чинників харчового раціону, зниження їх споживання до 50-60 г на добу може спричинити порушення метаболічних процесів: посилення окислення ендогенних ліпідів, що пов'язане з накопиченням кетонних тіл, збільшення розщеплення м'язових білків, що витрачаються на глюконеогенез; зниження детоксикаційної функції печінки. Необхідно враховувати, що використання у харчовому раціоні рафінованих моно- і дисахаридів веде до: надходження «порожніх» калорій, які не збагачують раціон вітамінами, мінеральними елементами та іншими біологічно активними речовинами; гіперхолестеринемії; розвитку карієсу внаслідок зменшення рН слини.

 

Обмін вуглеводів

 

Вуглеводи надходять до нас в організм у вигляді складних полісахаридів - крохмалю, дисахаридів і моносахаридів. Основна кількість вуглеводів надходить у вигляді крохмалю. Розщепившись до глюкози, вуглеводи всмоктуються й через ряд проміжних реакцій розпадаються на вуглекислий газ і воду. Ці перетворення вуглеводів і остаточне окиснювання супроводжуються звільненням енергії, яка і використовується організмом. Розщеплення складних починається вже в порожнині рота. У тонких кишках всі вуглеводи розщеплюються до моносахаридів.

У результаті розщеплювання різних дисахаридів утворюються три моносахариди — глюкоза, фруктоза і галактоза, які і всмоктуються в шлунково-кишковому тракті. Вони надходять у печінку, де фруктоза і галактоза перетворюються на глюкозу, що накопичується у вигляді глікогену.

Глікоген — це ніщо інше, як скупчення молекул глюкози, які хімічно з'єднуються між собою і у такому вигляді зберігаються в організмі. Роль печінки в накопиченні вуглеводів встановив французький фізіолог Клод Бернар. Він визначив вміст глюкози в крові, що входить у печінку і виходить з неї після їди, і знайшов, що концентрація цукру в крові, що притікає, набагато вища, ніж у крові, що відтікає. Аналіз печінки показав, що одночасно з цим з'являється новий глікоген. Пізніше печінка знову перетворює глікоген на глюкозу, і тоді концентрація глюкози в крові, що відтікає, стає вищою, ніж в крові, що притікає до печінки. Таким чином, Клод Бернар встановив, що печінка підтримує концентрацію глюкози в крові на більш менш постійному рівні у будь-який час доби.

Печінка може містити достатній запас глікогену для постачання глюкози в кров протягом 12—24 годин; після цього печінка для підтримки нормального рівня глюкози в крові повинна перетворювати на глюкозу інші речовини, головним чином амінокислоти. При достатньому надходженні в організм білків печінка здатна перетворювати на глюкозу до 60 % амінокислот їжі. Оскільки глюкоза служить основним джерелом енергії для всіх клітин, її вміст в крові повинен підтримуватися вище певного мінімального рівня, що становить близько 60 міліграма на 100 мл крові. При зниженні вмісту глюкози нижче за цей рівень першим починає страждати головний мозок, оскільки його клітини на відміну від більшості інших клітин організму не здатні запасати скільки-небудь істотні кількості глюкози і не можуть використовувати як джерела енергії жири і амінокислоти. Коли рівень глюкози у крові низький, дифузія цієї речовини з крові в клітини, де вона піддається окисненню, відбувається недостатньо швидко, щоб забезпечити мозок необхідним «паливом». Це приводить до симптомів, схожих на ті, які спостерігаються при нестачі кисню: до запоморочення свідомості, судом, втрати свідомості та смерті. Всякий раз, коли клітини головного мозку (або будь-які інші клітки) виявляються позбавленими глюкози або кисню, вони не можуть здійснювати процеси обміну, що доставляють енергію для нормального функціонування цих клітин. Решта тканин зазвичай теж отримує для цієї мети глюкозу з крові, але вони здатні у разі потреби використовувати і інші речовини. М'язові клітини, подібно до клітин печінки, також можуть перетворювати глюкозу на резервний глікоген, але глікоген м'язів служить тільки місцевим запасом «палива»: він витрачається для м'язової роботи, але не може бути використаний для регулювання рівня глюкози в крові. У печінці міститься фермент — глюкозо-6-фосфатаза, який перетворює глюкозо-6-фо-сфат у вільну глюкозу, що надходить у кров. У м'язових клітках цей фермент відсутній. Глюкоза не тільки накопичується у вигляді глікогену або окиснюється для отримання енергії, але і може бути перетворена на резервний жир. Коли надходження глюкози перевищує безпосередню потребу в цій речовині, печінка перетворює глюкозу на жир, який може бути використаний як джерело енергії коли-небудь потім. Давно відомо, що споживання великих кількостей крохмалю або дисахаридів сприяє відкладенню жиру; наприклад, люди згодовують великій рогатій худобі і свиням крохмаль у вигляді кукурудзи і пшениці, та отримує жири — вершкове масло і сало. Але лише нещодавно завдяки використанню радіоактивних або стабільних ізотопів вдалося точно показати, що певний вуглецевий або водневий атом, введений в організм у складі вуглеводу, може бути виявлений у складі жирів адипозної (жирової) тканини і печінці. Як гліцерин, так і жирні кислоти, що входять до складу молекули ліпідів, можуть синтезуватися з вуглецевого ланцюга глюкози. Функція печінки у вуглеводному обміні регулюється складною взаємодією чотирьох гормонів, що виробляються відповідно підшлунковою залозою, мозковою речовиною надниркової залози, корою надниркової залози та гіпофізом.

 

3.8. Перетворення вуглеводів під час виробництва харчових продуктів:

 

Реакції утворення коричневих продуктів. Під час смаження овочів на поверхні утворюється рум’яна кірочка внаслідок декстринізації (розщеплювання) крохмалю, карамелізації (глибокого розщеплювання) вуглеводів і меланоїдових утворень.

Крохмаль розщеплюється з утворенням розчинних у воді речовин – піродекстринів коричневого кольору, вуглеводи – з утворенням темнозабарвлених речовин. Меланіни (темнозабарвлені речовини) утворюються внаслідок сполучення азотистих речовин з цукрами. Внаслідок карамелізації кількість цукру в овочах зменшується, а на поверхні утворюється добре підсмажена кірочка. Окиснювальне або ферментативне потемніння – це реакція між фенольним субстратом та киснем, що каталізується ферментом поліфенолоксидазою. Потемніння на зрізах яблук, груш, бананів – не пов’язано з вуглеводами. Неокиснювальне або неферментативне потемніння в харчових продуктах відбувається достатньо широко. Це явище пов’язано з реакціями вуглеводів – карамелізацією та взаємодією вуглеводів з білками або амінами – реакція Майяра.

У сирих овочах клітини рослинної тканини пов’язані між собою протопектином, який при тепловій обробці переходить у розчинну речовину – пектин. При цьому зв’язок між клітинами послаблюється й овочі розм’якшуються. Тривалість теплової обробки овочів залежить від стійкості протопектину, а також навколишнього середовища. Так, наприклад, у кислому середовищі і середовищі з великою кількістю солей кальцію перехід протопектину в пектин сповільнюється і овочі погано розм’якшуються. Овочі краще варити у м’якій воді, яка містить незначну кількість солей кальцію.

Гідроліз вуглеводів. Гідроліз має важливе значення не тільки для процесів отримання харчових продуктів, а також і для процесів зберігання. В останньому випадку реакції гідролізу викликають небажані зміни кольору або у випадку полісахаридів призводять до нездатності утворювати гелі (драглі).

Процеси глікозування. Карбонільні групи ланцюгових форм моносахаридів вступають без участі каталізаторів (неферментативно) в реакції з аміногрупами білків. Цей процес відбувається в декілька стадій і призводить до утворення продуктів з характерним кольором смаженого м'яса, названих продуктами Майара на честь біохіміка, який відкрив їх у 1912 р. Вони утворюють скоринку при смаженні. Процеси глікозування призводять у хворих на діабет до порушення згортання крові, еластичності сполучної тканини та багатьох інших функцій. Завдяки продуктам Майара шкіра діабетиків та людей похилого віку має буруватий відтінок.

Процес бродіння – процес, який використовується в харчових технологіях при виробництві хліба, пива, квасу, спирту, вина та інших продуктів.

Спиртове бродіння

Бродіння під впливом дріжджових грибів. Так добувають етиловий спирт і спирти з великою кількістю атомів вуглецю в молекулі (включаючи ізомери амілового спирту, або пентанолу, С₅Н₁₁ОН). Етиловий спирт утворюється з вуглеводів (глюкози), а вищі спирти — з білків:

С₆Н₁₂ О₆ ® 2СН₃СН₂ОН + 2СО₂.

Молочнокисле бродіння

Із однієї молекули гексози - дві молекули молочної кислоти.

 

Висновки

З точки зору харчової хімії всі вуглеводи, незалежно від того прості чи складні, мають велике значення не тільки як такі, що засвоюються чи не засвоюються людиною речовини, але і щодо їх важливого значення в харчових продуктах та харчових технологіях. Вуглеводи, особливо крохмаль та сахароза, забезпечують основну частину калорійності раціону та суттєво впливають на сенсорну оцінку харчових продуктів. Вуглеводи вносять вагомий внесок у текстуру продуктів, оскільки вони здатні впливати на в’язкість, кристалізацію, гелеутворення, стабільність. Вони впливають на приємні відчуття у ротовій порожнині завдяки солодкості, на колір та аромат харчових продуктів завдяки їх здатності вступати в хімічні перетворення з утворенням забарвлених та ароматичних речовин. Під час виробництва багатьох харчових продуктів вуглеводи складають один із головних сировинних ресурсів для фізичних, хімічних, біохімічних та мікробіологічних процесів, керування якими надасть можливостей отримати широкий спектр продуктів харчування різного призначення та з різними властивостями.

Контрольні запитання та завдання:

 

1. Наведіть класифікацію вуглеводів.

2. Наведіть класифікацію моноцукрів.

3. Проілюструйте хімічні властивості вуглеводів прикладами рівнянь відповідних хімічних реакцій.

4. Які перетворення зазнають вуглеводи при виробництві харчових продуктів і в яких реакціях вони беруть участь?

5. У яких харчових технологіях використовується процес бродіння?

6. Що таке процес карамелізації?

7. Що є процесом меланоїдіноутворення?

8. Які чинники впливають на утворення меланоїдінових продуктів?

9. Як функціональне значення моно- і олігоцукрів в харчових продуктах?

10. У яких харчових технологіях використовують гідроліз полісахаридів?

11. Які функції в харчових продуктах виконують полісахариди?

12. Які методи визначення вуглеводів ви знаєте?

13. Які речовини відносять до вуглеводів і звідки ця назва походить? Класифікація вуглеводів, представники.

14. Фізіологічне значення вуглеводів. Обмін вуглеводів.

15. Моносахариди. Представники. Будова. Властивості. Як можна довести наявність у молекулі глюкози альдегідної групи?

16. Як побудована молекула глюкози? які функціональні групи містяться в ній? Наведіть рівняння реакцій, у яких глюкоза виявляє відновні властивості; б) окисні властивості. Яке значення глюкози в життєвих процесах тварин і людини

17. Які види бродіння глюкози вам відомі? Назвіть їх практичне значення. Наведіть рівняння реакцій, у яких глюкоза виявляє окисні властивості.

18. Наведіть схему реакцій добування глюкози з крохмалю.

19. Функції вуглеводів у харчових продуктах. Продукти, збагачені на вміст моносахаридів; дисахаридів.

20. Функції харчових волокон в травленні. Харчові волокна в продуктах харчування.

21. Які бувають вуглеводи з точки зору харчової цінності. Привести приклади.

22. Важливе значення вуглеводів в харчових продуктах та харчових технологіях:

23. Чому фруктоза і глюкоза належать до моносахаридів, а крохмаль і целюлоза до полісахаридів? Відповідь підтвердить відповідними схемами рівняннями реакції.

24. Резервні полісахариди. Представники. Будова. Властивості застосування. Кінцевим продуктом гідролізу крохмалю є: а) сахароза; б) фруктоза; в) глюкоза.

25. Яку спільну хімічну властивість мають сахароза, крохмаль і целюлоза? Відповідь підтвердить відповідними схемами рівняннями реакції.

26. Характеризуючи будову молекулу сахарози, висвітліть основні досліди, які свідчать про наявність чи відсутність в молекулі сахарози спиртової, альдегідної груп (взаємодія з Сu(OH)₂, з аміачним розчином срібла).

27. Згадайте досліди, які підтверджують наявність альдегідної групи і обґрунтуйте відповідь на питання: чому сахароза не дає характерних реакцій на альдегідну групу.

28. Структурні полісахариди. Представники. Значення структурних полісахаридів у харчуванні людини.