Шпаргалка по дисциплине "Пищевая химия"

Вода в сырье и пищевых продуктах

Вода, не являясь, собственно питательным веществом, чрезвычайно существенна для жизни:

как стабилизатор температуры тела;

как переносчик нутриентов (питательных веществ) и пищеварительных отходов;

как компонент реакций и реакционная среда;

как стабилизатор конформации биополимеров;

как вещество, облегчающее динамическое поведение макромолекул, включая каталитические свойства.

Вода – важнейший (про) компонент пищевых продуктов.  Она имеет следующее значение:

присутствует как клеточный и внеклеточный компонент в растительных и животных продуктах;

присутствует как диспергирующая среда и растворитель в большом разнообразии продуктов;

обусловливает консистенцию и структуру продукта;

влияет на его внешний вид и вкус;

влияет на устойчивость продукта при хранении.

Благодаря тому, что многие виды пищевых продуктов содержат большое количество влаги, нужны эффективные способы для длительного хранения.

Удаление влаги, существенно изменяет биологические вещества и природные свойства продукта. Содержание влаги в пищевых продуктах находится в широких пределах.

Вода поддерживает химические реакции, она является прямым участником в гидролитических реакциях. Поэтому удаление влаги из пищевых продуктов или связывание ее увеличением содержания соли или сахара, тормозит многие реакции и ингибирует рост микроорганизмов. Таким образом, увеличивается продолжительность хранения многих пищевых продуктов. Благодаря физическому взаимодействию с белками, полисахаридами, липидами и солями, вода вносит значительный вклад в текстуру пищи.

Свободная и связная влага в пищевых продуктах

Вода в пищевых продуктах имеет важное значение с точки зрения связи ее с продуктом.

Общая влажность продукта указывает на количество влаги в продуктах, но не характеризует ее причастность к химическим, биологическим изменениям. С точки зрения устойчивости продукта при хранении важное значение имеет соотношение свободной и связной влаги.

Свободная влага – это влага не связанная полимерами и доступная для протекания химических, биохимических и микробиологических реакций.

Связанная влага- это влага прочно связанна с различными компонентами – белками, липидами, углеводами за счет химических и физических связей. Уточненное определение связанной влаги имеет следующий вид:

Связанная влага – это влага, которая существует вблизи растворенного вещества и других неводных компонентов, имеет уменьшенную, молекулярную подвижность и не замерзает при – 40 0С. Определенная доля прочно связанной влаги не замерзает даже при – 600С.

Количество и прочность связывания воды c  другими компонентами  зависит от ряда факторов: природы неводного компонента, состава соли, рН, температуры.

Например: влажность зерна 15-20%. При этом 10-15% - это связанная вода. Если влажность больше, то появляется свободная влага, и будет наблюдаться усиление биохимических процессов (например, при прорастании зерна). Плоды и овощи имеют влажность 75-95%. В основном, это свободная влага и только, примерно 5% удерживается клеточными коллоидами в связанном состоянии. Это очень прочно связанная влага, поэтому овощи и плоды легко высушивать до W=10-12%, а для высушивания до более низкой влажности – нужны специальные методы сушки.

Большая часть воды может быть превращена в лед при – 50С, а вся – при  – 500С и ниже.

Формы связи влаги в продуктах. Химическая -в состав вещества влага входит в строго опред.соотношении и удалить ее можно только при разрушении продукта прокаливанием или химическим воздействием. -Физ-хим связь- влага поглощается белками или крахмалом. Легко перемещается и участвует в реакциях. Удаляется при высушивании объектов.

-Механическая  связь-называется свободной, содержится  в капиллярах объекта и на  его поверхности и является  самой легкоудаляемой при высушивании.

Методы определения свободной и связанной влаги

Дифференциальная сканирующая калориметрия. Если образец охладить до температуры меньше 00С, то свободная влага замерзнет, связанная нет. При нагревании замороженного образца в калориметрах можно измерить количество тепла, затраченного для плавления замерзшей воды. Незамерзшая вода – разница между общей и замерзающей водой.

Термогравиметрический метод – основан на определении скорости высушивания. В контролируемых условиях границу между областью постоянной скорости высушивания и областью, где эта скорость снижается, можно принять за характеристику связанной влаги.

Диэлектрические измерения. Метод основан на том, что при 00С значение диэлектрической проницаемости воды и льда примерно равны. Но если часть влаги связана, то ее диэлектрическое поведение должно сильно отличаться от диэлектрического поведения основной массы воды и льда.

Измерение теплоемкости. Теплоемкость воды больше, чем льда, т.е. с повышением температуры в воде происходит разрыв водородных связей. Это свойство используют для изучения подвижности молекул воды. Значение теплоемкости воды в зависимости от ее содержания в полимерах дает сведения о количестве связанной воды.

Если влажность продукта низкая и  вода специфически связанна, то ее вклад в теплоемкость мал. В области высоких содержаний влажности присутствует в основном свободная влага, и ее вклад в теплоемкость примерно в 2 раза больше, чем льда.

Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР)  –  изучение подвижности воды в неподвижной матрице. При наличии свободной и связанной влаги получают две линии в спектре ЯМР, вместо одной, характерной для объемной воды.

ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ- совокупность св-в воды, обусловленная наличием в ней преим. катионов Са2+ (кальциевая жесткость воды) и Mg2+ (магниевая жесткость воды). Сумма концентраций Са2+ и Mg2+ наз. общей жесткостью воды. Она складывается из карбонатной (временной, устраняется кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости воды. Первая вызвана присутствием гидракарбонатов Ca и Mg, а вторая-наличием сульфатов, силикатов, хлоридов нитратов и фосфатов этих металлов.  Выражается в мг-экв/л.Один мг-экв/л соответствует содержанию в литре воды 20,04 миллиграмм Ca2+ или 12,16 миллиграмм Mg2+ (атомная масса делённая на валентность).

Роль белков в питании человека

Белки или протеины – высокомолекулярные азотосодержащие соединения, молекулы которых построены из остатков  α – аминокислот.

Термин «протеин», введенный Берцелиусом в 1838 г. в переводе с греческого означает «первостепенный», что отражает главенствующую роль белков.

В природе существует 1010 – 1012 различных белков, составляющих основу 1,2 х 1012  видов живых организмов, начиная от вирусов и заканчивая человеком. Они  количественно преобладают над другими макромолекулами, присутствуют в живой клетке и составляют примерно 20% массы человеческого тела, более 50% сухой массы клетки.

Огромное разнообразие белков обусловлено способностью 20-ю протеиногенных - аминокислот взаимодействовать друг с другом с образованием полимерных молекул.

Исключительное свойство белков – самоорганизация структур, т.е. способность самопроизвольно создавать определенную, свойственную только данному белку пространственную структуру.

Биологическое значение белков состоит в том, что через белки происходит передача генетической информации из поколения в поколение.

  Хорошо известна сократительная функция белков – это белки мышечной ткани.

  Белки играют роль регуляторов и катализаторов, ускоряющих течение биохимических реакций в процессе обмена веществ.

  Они выполняют транспортную функцию – переносят по крови гормоны, гемоглобин, железо, липиды и др.

Защитная функция – синтезируют антитела.

  Белки могут быть  источником энергии для человека. Но белки никогда не откладываются в запас – избыточное количество поступившего белка расходуется для получения энергии.

Белки невозможно заменить другими веществами,  роль их в организме человека чрезвычайно важна.

Необходимость белка нашему организму объясняется следующим:

Белок необходим для роста и развития. Организм постоянно растет и изменяется. Основным строительным материалом для образования новых клеток является белок.

Белок управляет обменом веществ.  При физической нагрузке в мышечной ткани сначала происходит процесс распада веществ –  катаболизм или диссимиляция и в  это время высвобождается энергия. Затем происходит обратный процесс анаболизм или ассимиляция, при котором энергия запасается. Этими процессами,  называемыми  «обмен веществ» или метаболизмом, управляют белки.

Белки обладают сильным динамическим воздействием на метаболизм. После еды скорость метаболизма возрастает. Если пища богата углеводами, метаболизм  ускоряется на 4%, если белками, то метаболические процессы ускоряются на 30%.

Белки регулируют водный баланс в организме. У здоровых людей белки в сочетании с некоторыми минеральными веществами регулируют содержание воды в разных участках тела. Это происходит потому, что белки гидрофильные, т.е. притягивают воду. Недостаток белков в пищи сказывается на его содержании в крови – она обедняется белками. В результате вода уходит в межклеточное пространство. В этом случае вода не удаляется почками и в результате развивается отек.

Белки усиливают иммунную систему. В крови находятся белковые антитела. Которые борются с инфекцией, ликвидируя угрозу заболевания. В тканях организма  человека белки не откладываются «в запас», поэтому необходимо их поступление с пищей ежедневно. Для изучения потребности организма в белках измеряют их баланс, т.е. сопоставляют количество поступивших в организм протеинов и выделившихся продуктов их распада.

У здорового взрослого человека при полноценном рационе питания существует азотистое равновесие.

В молодом растущем организме азота выводится  из организма меньше, чем поступает, т.к. преобладают пластические процессы.

При недостатке белков в рационе, а также у старых людей, азотистый баланс становятся отрицательным, что может привести к гибели организма.

Классификация белков. Делятся на простые(состоят только из аминокислот):альбумины(яичный альбумин и сывороточный альбумин крови),глобулин(антитела в крови, фибрин),гистоны, склеропротеины(кератин, коллаген, эластин); и сложные(включают небелковый материал-простетическую группу):фосфопротеины(казеин молока),гликопротеины(плазма крови),нуклеопротеины(хромосомы и рибосомы). По структуре на фибриллярные(нерастворимы в воде)-выполняют структурные функциии глобулярные(легкорастворимы в воде)-выполняют роль ферментов и антител.

Превращения белков в технологическом потоке

Любое изменение условий среды в технологическом потоке  производства пищевых продуктов оказывает влияние на нековалентные связи  молекулярной структуры и приводит к разрушению четвертичной, третичной и вторичной структуры белка.

Разрушение нативной структуры, сопровождающееся потерей биологической активности, называется денатурацией.

Тепловая денатурация белков является одним из основных физико-химических процессов, лежащих в основе выпечки хлеба, печенья, бисквитов, пирожных, сухарей, сушки макаронных изделий, варки, жарения овощей, рыбы, мяса, а также консервирования, пастеризации и стерилизации молока.

Данный вид превращений относится к полезным, т.к. он ускоряет переваривание белков в желудочно-кишечном тракте человека и обуславливает потребительские свойства пищевых продуктов (текстуру, внешний вид, органолептические свойства).

В связи с тем, что степень денатурации может быть различной, от незначительной до полного изменения расположения пептидных цепей с образованием новых ковалентных дисульфидных связей, то и усвояемость продуктов может не только улучшаться, но и ухудшаться. Параллельно с этим могут изменяться физико-химические свойства белков.

Термическая обработка белоксодержащей пищи при 100 – 120 0С приводит не к денатурации, а к разрушению (деструкции) макромолекул белков с отщеплением функциональных групп, разрывом пептидных связей и образованием сероводорода, аммиака, диоксида углерода.

Среди продуктов термического распада белков встречаются соединения, придающие пищевым продуктам мутагенные свойства. Термически индуцированные мутагены образуются в белоксодержащей пище в процессе ее обжаривания в масле, выпечке, копчении в дыму и сушке.

Мутагены содержатся в бульонах, жареной говядине, свинине, домашней птице, жареных яйцах, копченой и вяленой рыбе. Некоторые мутагены вызывают наследственные изменения в ДНК, и их воздействие на здоровье человека может быть от незначительного до летального.

Токсические свойства белков при термической обработке при температуре выше 200  0С (или более низкой, но в щелочной среде) могут обуславливать только процессами деструкции, но и реакциями изомеризации аминокислот из L  в D-форму.

Присутствие  D-изомеров понижает усвояемость белков (термообработка казеина молока при температуре 200 0С снижает его биологическую ценность на 50%).

Классификация углеводов: делятся на

-моносахариды(включает группу многоатомных спиртов с карбонильной группой)-альдозы,кетозы(глюкоза, фруктоза, дезоксирибоза.

-Олигосахариды - более сложные соединения, построенные

из нескольких (от 2 до 10) остатков моносахаридов.(сахароза,мальтоза,лактоза)

- Полисахариды — углеводы, состоящие из нескольких

молекул глюкозы, соединённых вместе. Делятся на гомо-и гетеросахариды.(крахмал,целлюлоза,хитин)

Усваиваемые и неусваемые ув. Усваяемые – это моно- и олигосахариды, а также крахмал и гликоген. Неусвояемые – целлюлоза, гемицеллюлоза, инулин, пектин, гумми, слизи.

При поступлении в пищеварительный тракт усваяемые углеводы расщепляются (кроме моносахаридов), всасываются, а затем утилизируются (в виде глюкозы) или превращаются в жир, могут также откладываться на временное хранение в виде гликогена.

Физиологическая роль углеводов. Являются основным источником энергии. Физиологическое значение углеводов в основном определяется их энергетическими свойствами. Углеводы являются поставщиками энергии, используемыми в организме в процессе мышечной деятельности. Каждый грамм углеводов обеспечивает поступление 16,7 кДж (4 ккал). Значение углеводов как источника энергии определяется их способностью окисляться в организме, как аэробным, так и анаэробным путем. Углеводы в наибольшей степени способны удовлетворить потребности организма в энергии. Избыток углеводов — широко распространенное явление. Это один из основных факторов в формировании избыточной массы тела. Углеводы являются основной частью пищевого рациона. За счет углеводов обеспечивается около половины суточной энергетической ценности пищевого рациона

Меланоидинообразование- под этим подразумевается процесс взаимодействия восстанавливающих сахаров(моноза и восстанавливающие дисахариды, как содержащиеся в продуктах, так и образующиеся при гидролизе более сложных углеводов), с аминокислотами, пептидами и белками, с образованием темно-окрашенных продуктов-меланоидов. Это ОВР, представляющая сабой параллельно и последовательно протекающие реакции. Скорость и глубина процессов зависит от состава взаимодействующих продуктов,соотношения отдельных компонентов, pH среды, температуры, влажности. Важную роль играет в процессах переработки растительного сырья.Особенно хорошщо процесс идет при повышенных температурах(выпечка хлеба, сушка овощей, фруктов).

Крахмал(C6H10O5)-главный компонент зерна, картофеля и др. пищ.сырья. Смесь полимеров 2ч типов, построенных из остатков глюкопиранозы, амилозы и амилопектина. ь. Крахмал,относительномедленнопереваривается,

расщепляясь до глюкозы. Способен впитывать влагу под воздействием температуры.

Гликоген”животный крахмал»-состоит из сильноразветвленных цепочек молекул глюкозы. В небольших количествах содержится в животных продуктах. Является запасным веществом и источником глюкозы при недостатке углеводов в пище.

Модифицированный крахмал- Это обычный крахмал с добавками, необходимыми для определенных целей. Например, крахмал с желатином образует желе.  
Липиды – это группа соединений растительного, животного или микробного происхождения,  практически не растворим в воде и хорошо растворимых в неполярных органических растворителях.

Классификация липидов:

-Простые липиды — липиды, включающие в свою структуру углерод(С), водород(H) и кислород(O).

Липиды- сложная смесь орг.соединений с близкими физ-хим.свойствами, кот.содержатся в растениях,животных и м/о.

Классификация липидов:

-Простые.производные одноатомных(высших  с C14-22)карбоновых кислот и 1 или многоатомных спиртов.(воски, жиры и масла)

-Сложные.(Фосфолипидыи гликолипиды) их молекулы построены из остатков спиртов,высокомолекулярных жирных кислот,фосфорной кислоты и азотистых оснований. Обязательный компонент клеток наряду с белками.

По функциям делят на запасные и структурные.

Фосфолипиды

Это основной компонент биомембран клеток, они играют важную роль в проницаемости клеточных оболочек и внутриклеточном обмене.

Наиболее важным из фосфолипидов является фосфатидилхолин (лецитин), он препятствует ожирению печени и лучшему усвоению жиров.

  Фосфолипиды выполняют следующие  функции:

Участвуют в образовании клеточных биомембран;

Способствуют транспортировке жира в организме;

Способствуют лучшему усвоению жиров и препятствуют ожирению печени;

Участвуют в процессе свертывания крови;

Предотвращают накопление избыточных количеств холестерина на стенках сосудов.

Фосфолипидами богаты нерафинированными растительными масла. Они содержатся так же в продуктах животного происхождения – мясо, печень, желтки, сливки, сметана. Суточная потребность 5-10 г.

Методика определения кислотного числа:

Содержание свободной жирной кислоты 1 г жира характеризуется кислотным числом жира;оно вырожается количеством мг щелочи, необхидимой для нейтрализации свободных жирных кислот в 1 г жира. КЧ определяется в пробах жира, кот.подвергается нагреву, через определенные промежутки времени из общей массы нагреваемого жира отбирается проба для определения кч.

КЧ=V*5,611/ь

ПЧ=(V1-V2)K0?001269*100/m

Кислоты, входящие в состав продуктов:

Пищевые кислоты представляют собой группу веществ органической и неорганической природы. Органические пищевые кислоты содержатся преимущественно в растительных продуктах, молочная кислота образуется в процессе жизнедеятельности молочно-кислых бактерий и других микроорганизмов. 
Жирные кислоты являются основными структурными элементами жиров. В зависимости от структуры молекулы различают ненасыщенные (содержат двойную связь между атомами углерода) и насыщенные (двойная связь отсутствует) жирные кислоты. Мононенасыщенные жирные кислоты (в основном олеиновая) являются структурными элементами клеточных мембран. Полиненасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая, эйкозапентаеновая и докозогексаеновая) участвуют в строительстве всех клеток организма, а также в образовании простагландинов и других веществ, контролирующих многие функции организма Достаточное поступление в организм этих жирных кислот способствует нормализации липидного и холестеринового обменов, они существенно снижают риск развития осложнений при гипертонической болезни, уменьшают свертываемость крови, а, следовательно, - риск развития различных тромбозов кровеносных сосудов, они эффективны при сахарном диабете, бронхиальной астме, при кожных заболеваниях и иммунодефицитных состояниях, способствуют нормализации холестеринового обмена, уменьшают синтез плохих липопротеидов низкой плотности,

положительно влияют на регуляцию содержания в крови глюкозы.

Пищевые кислоты(лимонная, виннокаменная, молочная, яблочная, уксусная) применяются в кондитерской и консервной промышленности, а так же в производстве безалкогольных напитков.

Уксусная кислота-самая распространенная, применяется при приготовлении маринованных изделий, овощных заготовок и консервов.

Технологическая схема получения лимонной кислоты.

ЛК-продукт лимоннокислого брожения сахаров в результате ферментации сахаросодержащего сырья, плесневым грибом aspergilus niger.

1)Приготовление питательной  среды. Ферментатор наполняют подготовленным  стерильным раствором мелассы, добавляют  растворы питательных солей и  доводят водой концентрацию питательной  среды до 3-4%, сохраняя стирильность  раствора(32-33 градуса). После этого питательные среды заливают выращенным в посевном ферментаторе мицелием плесневого гриба.

2)Сбраживание. Для активного  роста гриба и кислотонакопления  поддерживается t=31-32. Для восполнения дрожжевых сахаров в ферментатор добавляют раствор мелассы с C=25-30%. Длительность зависит от активности гриба и составляет 5-10 суток. Сброженный раствор нагревают до 60-65, отделяют мицелий и фильтруют. Полученный фильтрат  представляет собой смесь ЛК, глюконовой и щавелевой кислот. Получение цитрата Ca необходимо для деления ЛК от других кислот. Для этого к полученному горячему раствору добавляют известковое молоко до pH=6,8-7,5. В результате в осадок выпадает нерастворимые в воде соли Ca, ЛК и щавелевой. Осадок фильтруют, промывают горячей водой и просушивают. Для разложения цитрата кальция смесь цитрата и оксолата обрабатывают серной кислотой. При этом ее колическво строго дозируют, чтобы взаисодейстивие происходило только с цитратом. Затем очищают от солей Fe и тяжелых металлов и фильтруют.

3)Упаривание, кристаллизация и сушка.

После фильтрации раствор ЛК упаривают в вакуум-аппаратах до С(ЛК)=80%. Концентрированный раствор попадает в кристаллизатор. Кристаллизация происходит при медленном охлаждении раствора до t=8-10 и непрерывном перемешивании. Полученные кристаллы отделяют от маточного раствора, промывают холодной водой и сушат при t<= 35.

4)Упаковка и хранение. Высушенные кристаллы просеивают, упаковывают в тканевые мешки  или в ящики из гофрированного  картона, выстланные пергаментом. ЛК  применяется в кондитерской промышленности при производстве безалкогольных напитков и некоторых видов рыбных консервов.

Типы воды  в зависимости от ряда химических элементов:

Минера́льная вода — вода, содержащая в своем составе растворённые соли, микроэлементы, а также некоторые биологически активные компоненты. Среди минеральных вод выделяют минеральные природные питьевые воды, минеральные воды для наружного применения и другие.

По химическому составу различается шесть классов минеральных вод:

1) гидрокарбонатные (щелочные) — предназначены для тех, кто занимается спортом (оказывают благоприятное влияние при усиленной мышечной работе, восстанавливая резервную щелочность крови, а также при диабете, инфекционных заболеваниях). Применяются при лечении мочекаменной болезни и подагры. Противопоказания — гастрит

2) сульфатные[8] — рекомендуются тем, у кого наблюдаются проблемы с печенью и желчным пузырем (в качестве желчегонного, а также как слабительное), ожирение и сахарный диабет. Категорически нельзя употреблять такую воду детям и подросткам, так как сульфаты препятствуют росту костей, связывая кальций пищи в просвете ЖКТ в нерастворимые соли;

3) хлоридные[8] — способствуют регулировке работы кишечника, желчевыводящих путей и печени. Противопоказания к применению (категорически) — повышенное давление;

4)магниевые[10] — помогают при стрессовых ситуациях. Противопоказания — склонность к расстройству желудка;

5) железистая вода:  
содержит более 0,001 грамма железа в литре; рекомендуется людям, страдающим железодефицитной анемией; противопоказана людям имеющим проблемы с желудком и двенадцатиперстной кишкой (в частности, с язвенной болезнью); 

6) кислая вода:  
содержит более 0,25 граммов ангидридов углекислоты в литре;  
рекомендуется людям с пониженной кислотностью желудочного сока;