1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра технологий

пищевых производств Корчунов В. В., Бражная И. Э.

ХИМИЯ ПИЩИ

Учебное пособие Допущено Ученым советом университета в качестве учебного пособия для студентов всех форм обучения по дисциплинам «Химия пищи» и «Пищевая химия» для специальностей 260302.65 «Технология рыбы и рыбных продуктов», 260501.65 «Технология продуктов общественного питания», 260602.65 «Пищевая инженерия малых предприятий»

Мурманск УДК 664. 951. 014 : ББК 36- Х- Рецензенты Васюкова А. Т. – д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой технологии общественного питания Российского университета кооперации.

Толкачва В. Ф. – канд. техн. наук, доцент, главный специалист отдела промышленного рыболовства и береговой инфраструктуры Комитета рыбохозяйственного комплекса Мурманской области.

Корчунов, В. В. Химия пищи [Электронный ресурс] : электрон.

учеб. пособие по дисциплинам «Химия пищи» и «Пищевая химия»

для специальностей 260302.65 «Технология рыбы и рыбных продуктов», 260501.65 «Технология продуктов общественного питания», 260602.65 «Пищевая инженерия малых предприятий» / В.

В. Корчунов, И. Э. Бражная. – Мурманск : Изд-во МГТУ, 2011. - с. : 5 ил., 20табл. – Библиогр.: 30 ист. – Загл. с контейнера.

Учебное пособие написано в соответствии с программами дисциплин «Пищевая химия», «Химия пищи» для специальностей 260302.65 «Технология рыбы и рыбных продуктов», 260501.65. «Технология продуктов общественного питания», 260602.65 «Пищевая инженерия малых предприятий»

технологических специальностей высших учебных заведений. В пособии рассматриваются биохимические основы гомеостаза организма, теории питания. Большое внимание уделено таким основным соединениям пищевых продуктов как вода и белок. Рассмотрены также строение, свойства, функции, пищевая ценность белка, его источники в пищевых продуктах, превращения в ходе технологических процессов и хранения сырья и пищевых продуктов, понятие активность воды и др.

Пособие предназначено для студентов технологических вузов. Оно также может использоваться для химических и биологических специальностей вузов и техникумов.

The manual has been written according to the programmes of the subjects « Food chemistry» and «Chemistry of the food» for students of the specialities 260302.65 «Technology of the fish products», 260501.65 «Technology of Public Catering Products», 260602.65 «Food engineering of the little enterprises»

- technological specialities in the higher educational institutes. Biochemical basics of the organism homeostasis and nutrition theory were considered in the manual. High attention was devoted to main substances of foodstuffs such as water and proteins. The proteins properties and functions were considered, also the protein structure, the protein value, the sources of proteins in foodstuffs, the conversions at the time of the technological processes, the storage of the raw material and foodstuffs, water activity notion and etc.

The manual is destined for students of technological institutes. It can be useful for students of the chemical and biological specialties also.

НТЦ «Информрегистр» ©Мурманский государственный технический университет, © Корчунов В. В., Бражная И. Э.

Оглавление Введение 1. Основные направления пищевой химии 2. Гомеостаз и питание 3. Дисперсные и коллоидные системы Введение Химия пищи - это наука о химическом составе пищевых систем, его изменениях в ходе технологического процесса под влиянием различных физических, химических, биохимических и других факторов, а также общих закономерностях этих превращений и взаимосвязи структуры и свойств пищевых веществ, ее влиянии на свойства и пищевую и биологическую ценность продуктов питания, методах выделения, фракционирования, очистки пищевых веществ (белков, углеводов, липидов и т.д.) и их каталитической модификации.

Химия пищи основывается на достижениях фундаментальных дисциплин (физики, химии и т.д.), науке о питании и связана с биохимией, биотехнологией, пищевой инженерией.

Предлагаемое учебное пособие позволит ознакомиться с основными направлениями развития пищевой химии как науки, изучить взаимосвязь гомеостаза и питания человека, изучить основные свойства воды и белков как основных компонентов пищевых продуктов и их влияние на качество и сроки хранения.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям «Технология рыбы и рыбных продуктов», «Технология продуктов общественного питания», «Пищевая инженерия малых предприятий» технологических специальностей высших учебных заведений.

В настоящее время - это активно развивающаяся отрасль знаний.

Основные направления пищевой химии приведены на рисунке 1.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПИЩЕВОЙ ХИМИИ

процесса производства и конструирование Рисунок 1 - Основные направления пищевой химии Первое направление посвящено изучению химического состава пищевых систем: сырья, полуфабрикатов, готовых пищевых продуктов;

его полноценности и экологической безопасности. Наряду с изучением состава и свойств основных макро- и микронутриентов, большое внимание уделяется пищевым веществам, которые организм не способен синтезировать (незаменимые аминокислоты, эссенциальные полиненасыщенные жирные кислоты, витамины и так далее), а также пищевым волокнам (их содержанию, составу и структуре), наличию и содержанию вредных веществ - ксенобиотиков, попадающих в продукты питания из окружающей среды и в ходе переработки сырья. Продукты питания - один из основных источников (40-50%) поступления вредных веществ в организм человека, таких как тяжелые металлы, пестициды, антибиотики, радионуклиды.

отдельных химических элементов в пищевых продуктах. В рыбе, например, обнаружено более 60 химических элементов. В зависимости от продуктах, принято подразделять на макро- и микроэлементы.

Элементы, содержание которых в тканях выражается целыми или десятыми долями процента относят к макроэлементам. Основная их часть приходится на кислород (около 75 %), водород (около 10 %), углерод (около 9,5 %), азот (2,5-3 %), кальций (1,2-1,5 %), фосфор (0,6-0,8 %), серу и другие.

Если содержание элементов составляет менее 0,01 %, то они относятся к микроэлементам (Fe, Zn, F, Cu и другие). В некоторых случаях, для элементов, содержание которых не превышает 0,001 %, поэтому в литературе введено понятие ультрамикроэлементы.

Молекулярный химический состав показывает содержание в пищевых продуктах отдельных химических соединений или групп родственных веществ. Знание молекулярного химического состава применяют для определения ценности промышленного сырья и выбора способа обработки, а также для выявления степени его свежести.

При оценке рыбы как промышленного сырья учитывают массовые доли воды, липидов, сырого протеина (ОА*6,25)1 и минеральных веществ.

В связи с тем, что содержание углеводов в рыбе, как правило, не дополнительно содержание собственно белков (истинного протеина) и небелковых азотистых веществ (НБА), а также витаминов, амино - и ОА массовая доля общего азота, 6,25 коэффициент пересчета азота на белок.

жирных кислот, наиболее важных минеральных и других веществ.

Химический состав гидробионтов варьируется в зависимости от сезона вылова, кормовой базы и других условий.

Второе направление пищевой химии связано с превращением в ходе технологического процесса макро- (белков, углеводов, липидов) и микронутриентов (витаминов, минеральных веществ и так далее), пищевых добавок и посторонних веществ.

Большое внимание при этом уделяется взаимодействию между собой отдельных компонентов пищевых продуктов, характеру возникающих связей и видов взаимодействия: ковалентных (, -гликозидных, сложноэфирных и так далее) и водородных, гидрофобному взаимодействию, стереоформам (конформационной, оптической, геометрической), структуре (первичной, вторичной, третичной и четвертичной для белков), размеру оксидных колец (пиранозные, фуранозные взаимодействию между собой, влиянию этих процессов и образующихся соединений, комплексов и ассоциатов на состав и свойства получаемых продуктов (пищевая, биологическая ценность и полноценность, безопасность, текстура, органолептические свойства), а также соответствию ферментных систем организма химическим структурам пищи.

Особенно важно знать это при использовании различных методов воздействия на сырье и полуфабрикаты, таких как температура, поле СВЧ, инфракрасное излучение, ультрафиолетовые лучи, ультразвук, ферментные препараты и так далее, применении пищевых добавок, новых упаковочных материалов.

Особое внимание уделяется изучению механизма образования устойчивых соединений и комплексов, формированию текстуры, вкуса, аромата, и, конечно, вопросам безопасности продуктов питания, а также разработке теоретических основ выделения, фракционирования и модификации компонентов пищевого сырья, получению композитов.

Следующие два направления пищевой химии - разработка научных основ технологии получения и применения пищевых добавок соединений, которые могут быть определены как группа природных или синтетических веществ, не употребляемых обычно в качестве продуктов или основных компонентов пищи и специально вводимых в сырье, совершенствования технологии их получения, придания им необходимых свойств, сохранения природных свойств пищевых продуктов, улучшения их органолептических свойств и обеспечения стабильности при хранении, а также для получения специальных пищевых продуктов.

Следующее направление - разработка методов анализа и исследования пищевых систем, их компонентов и пищевых добавок.

Основной задачей государственной политики в области здорового питания является создание экономической, законодательной и материальной базы, обеспечивающей:

производство в необходимых объемах продовольственного доступность пищевых продуктов для всех слоев населения;

высокое качество и безопасность пищевых продуктов;

контроль за состоянием питания населения.

Основные принципы государственной политики в области здорового питания Государственная политика в области здорового питания населения основывается на следующих принципах:

а) здоровье человека - важнейший приоритет государства;

б) пищевые продукты не должны причинять ущерб здоровью человека;

в) питание должно не только удовлетворять физиологические потребности организма человека в пищевых веществах и энергии, но и выполнять профилактические и лечебные задачи;

г) рациональное питание детей, как и состояние их здоровья, должны быть предметом особого внимания государства;

д) питание должно способствовать защите организма человека от неблагоприятных условий окружающей среды.

Основные нарушения питания населения России:

избыточное потребление животных жиров;

дефицит полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК);

дефицит полноценных (животных) белков;

дефицит витаминов;

дефицит минеральных веществ (кальций, железо);

дефицит микроэлементов (селен, цинк, фтор, йод);

дефицит пищевых волокон.

Структура питания населения России, в том числе и детей, особенно детей школьного возраста, характеризуется продолжающимся снижением потребления наиболее ценных в биологическом отношении пищевых продуктов, таких как мясо и мясопродукты, молоко и молочные продукты, рыба и рыбные продукты, яйца, растительное масло, фрукты и овощи. При этом существенно увеличивается потребление хлеба и хлебопродуктов, а также картофеля.

Как следствие сложившейся структуры питания на первый план выходят следующие нарушения пищевого статуса:

рекомендуемых величин, особенно в группах населения с низкими доходами;

дефицит полиненасыщенных жирных кислот на фоне избыточного поступления животных жиров;

выраженный дефицит большинства витаминов, выявляющийся повсеместно у более половины населения (дефицит витамина С выявляется более чем у 70% населения Российской федерации, витаминов группы В и фолиевой кислоты - у 60-80%, b-каротина - у 40-60%).

минеральных веществ и микроэлементов, таких как:

железо (особенно для беременных женщин и детей раннего возраста, что сопровождается развитием анемии);

йод (особенно для детей до 17 лет в период интенсивного развития ЦНС, что приводит к потере существенной доли интеллектуальных способностей);

Весьма значителен в нашем рационе и дефицит пищевых волокон.

При этом не вызывает сомнений факт, что ведущим по степени негативного влияния на здоровье населения в настоящее время является дефицит так называемых микронутриентов (витаминов, микроэлементов, отдельных ПНЖК и других веществ), приводящий прежде всего к резкому снижению резистентности организма к неблагоприятным факторам окружающей среды за счет нарушения функционирования систем антиоксидантной защиты и развития иммунодефицитных состояний.

Последствия выявленных нарушений структуры питания для здоровья населения:

прогрессирующее увеличение в последние годы числа лиц со антропометрическими показателями у детей раннего возраста;

широкое распространение среди взрослого населения различных форм ожирения (среди лиц старше 30 лет избыточная масса тела и ожирение выявляются у 55%), которое является ведущим ишемическая болезнь сердца, гипертоническая болезнь, сахарный частое выявление среди населения лиц с нарушенным иммунным статусом, в частности с различными формами иммунодефицитов, неблагоприятным факторам окружающей среды, таким как радиационное заражение и контаминанты химической природы;

увеличение частоты таких алиментарно-зависимых заболеваний, как железодефицитные анемии у взрослых и детей, заболевания щитовидной железы, связанные с дефицитом йода, заболевания опорно-двигательного аппарата, связанные с дефицитом кальция Нарушения структуры питания в значительной степени приводят к продолжительность жизни почти на 10 лет меньше, чем в европейских странах (мужчины – 59 лет, женщины – 72 года, средняя – 65 лет), увеличились показатели заболеваемости, связанные с болезнями органов пищеварения, кровообращения, расстройства питания и нарушения обмена веществ, а также смертность от указанных заболеваний.

Таблица 1 - Средняя продолжительность жизни жителей ряда стран и смертность от ишемической болезни сердца и новообразований Страна Продолжительность Смертность на 100 000 населения Таким образом, мы постоянно стоим перед дилеммой: уменьшить потребление пищи в целях профилактики ожирения и усугубить тем самым дефицит эссенциальных микронутриентов или увеличить потребление пищи, ликвидировав дефицит микронутриентов, но резко увеличив риск развития ожирения и сопутствующих ему заболеваний.

У этой, еще некоторое время назад неразрешимой задачи, в настоящее время есть два решения:

1. Создание пищевых продуктов с измененным (заданным) химическим составом. При этом из продукта убирают все лишнее (например, жир, сахар) и добавляют в него все необходимое (например, белок, витамины, микроэлементы). Конструированием такой пищи сейчас занимаются специалисты пищевой промышленности, а в недалеком будущем будут, скорее всего, специалисты в области генной инженерии и биотехнологии.

2. Создание и широкое применение биологически активных добавок (БАД) и прежде всего нутрицевтиков.

Таким образом, исходя из вышесказанного, формула пищи ХХI века это постоянное использование в рационе, наряду с традиционными натуральными пищевыми продуктами, продуктов из генетически модифицированных источников (с улучшенными потребительскими свойствами и повышенной пищевой ценностью), продуктов с заданными свойствами (так называемых функциональных пищевых продуктов, микронутриентами) и биологически активных добавок к пище (концентратов микронутриентов и других минорных непищевых биологически активных веществ).

Новые тенденции в питании приводят к созданию новых поколений пищевых продуктов – продуктов со сбалансированным составом, низкой калорийностью, с пониженным содержанием сахара, жира и повышенной долей полезных для здоровья ингредиентов, функционального и лечебного назначения, с увеличенным сроком хранения, быстрого приготовления, безопасных для здоровья человека.

Основные проблемы, которые стоят перед человеческим обществом в наше время:

обеспечение населения земного шара продуктами питания;

обеспечение энергией;

обеспечение сырьем, в том числе водой;

охрана окружающей среды, экологическая и радиационная последствий интенсивной производственной деятельности и защита человека от результатов этой деятельности.

Одной из самых важных является обеспечение населения земного шара продуктами питания. В данный момент на Земле проживает более миллиардов человек, которые потребляют более 5 миллионов тон пищи в день и этого количества явно недостаточно. При этом производство и потребление пищи чрезвычайно неравномерно между различными регионами мира, странами и группами населения. В развитых странах большинство населения потребляет необходимое и достаточное количество питательных веществ, а в развивающихся странах наоборот.

Проблема голода и неполноценного питания, в частности дефицит белка, характерна, прежде всего, для населения большинства стран третьего мира, таких как страны Африки, Азии и Латинской Америки. Проблема обеспечения полноценным питанием существует и в странах с большим числом жителей (Китай, Индия).

сельскохозяйственным сырьем и устойчивого роста сельскохозяйственного производства актуальны и для России. Особенно остро стоит проблема производства сырья при непрерывном спаде производства в течение последних лет. Ингредиенты пищевых веществ, поступая в организм человека с пищей и преобразуясь в ходе метаболизма в результате сложных биохимических превращений в структурные элементы клеток, обеспечивают наш организм пластическим материалом и энергией, работоспособность, определяют здоровье, активность и продолжительность жизни человека, его способность к воспроизводству.

Состояние питания, поэтому, является одним из важнейших факторов, определяющих здоровье нации.

Продукты питания должны не только удовлетворять потребности человека в основных питательных веществах и энергии, но и выполнять профилактические и лечебные функции.

На данный момент существуют две категории продовольственных проблем:

- необходимость производить столько продовольствия, чтобы обеспечить каждого человека достаточным количеством полноценной пищи;

- создание условий, гарантирующих, что каждый человек получит достаточно пищи.

Первая категория проблем связана с социальными, политическими и экономическими особенностями конкретной страны и имеет технические решения.

Перспективы увеличения мировых запасов продовольствия:

- повышение эффективности сельского хозяйства для увеличения запасов традиционных продуктов питания (молочных, мясных и др.);

- уменьшение потерь при технологической переработке и повышении ее эффективности;

- уменьшение потерь при хранении сырья и готовых продуктов (хранение в регулируемой газовой среде, консервирование, хранение при пониженных температурах и т.п.);

- повышение эффективности использования сырья, в том числе малоценного, создание мало- и безотходных технологий, позволяющих использовать все полезные свойства сырья;

- развитие новых путей получения пищевых продуктов (микробный синтез белка, органический синтез и тому подобное);

- сокращение пищевой трофической цепи (от греческого tropheпитание), то есть исключении из общего цикла производства отдельных стадий (например, непосредственное потребление в пищу растительных белков взамен животных).

Решение второй категории продовольственных проблем является более сложным, однако специалисты считают, что выход из мировых продовольственных кризисов состоит в справедливом распределении продуктов питания. Это предполагает отправку продовольствия в районы его нехватки, снижение колебаний цен на него, изменение распределения доходов.

Только реализация этих программ позволит полностью удовлетворить потребности каждого человека в пище.

Современная пищевая промышленность должна решить задачу не только полного количественного обеспечения продуктами питания, но и предоставления возможности каждому человеку получать продукты, соответствующие его физиологическим потребностям, вкусам и не оказывающие вредного влияния на его здоровье. До конца столетия сохранится и получит дальнейшее развитие тенденция к интернационализации рациона питания, причем в европейских странах будет происходить рост популярности продуктов, получаемых с применением современных технологий.

Использование пищевых продуктов человеческим организмом называется питанием. Питание представляет собой сложный процесс поступления, переваривания, всасывания и ассимиляции (усвоения) в организме пищевых веществ, необходимых для покрытия энергозатрат, возобновления погибших и построения новых клеток и тканей, регуляций различных функций организма.

В процессе питания факторы внешней среды (продукты питания), вступая в контакт с пищеварительными органами, целенаправленно изменяются под действием пищеварительных ферментов, поступают в лимфу и кровь, превращаются в факторы внутренней среды организма.

Для удовлетворения своих потребностей в энергетическом и пластическом материале человек ежедневно употребляет различные по составу, виду и качеству пищевые продукты.

По составу пищевые продукты представляют собой сложные многокомпонентные системы, содержащие в качестве основных компонентов ограниченный ряд ингредиентов (нутриентов от слова nutrition питание).

Все вещества, которые могут входить в состав пищевого продукта, подразделяются на 3 основных класса:

Неалиментарные вещества (непищевые).

представляющих собой источники энергии и пластических (структурных) материалов; присутствуют в пищевых продуктах в относительно больших количествах (от 1 грамма) – белки, углеводы, липиды.

выраженные биологические эффекты на различные функции организма;

содержатся, как правило, в небольших количествах – минеральные вещества, провитамины, витамины, отдельные аминокислоты, ПНЖК, олигосахариды.

Неалиментарные вещества (непищевые), содержатся в пищевых продуктах, но не используются организмом в процессе жизнедеятельности – технологические добавки (ароматизаторы, красители, консерванты), ядовитые вещества и тому подобное; балластные вещества.

Пищевые продукты - это безопасные для здоровья объекты животного или растительного происхождения, используемые в пищу в натуральном или переработанном виде в качестве источника энергии, пищевых и вкусо-ароматических веществ. Все современные продукты питания делятся на 4 группы:

- продукты массового потребления традиционной технологии;

- продукты массового потребления с измененным химическим составом (витаминизированные, низкокалорийные);

- лечебные и диетические продукты - продукты с измененными химическим составом и физическими свойствами, специально созданные для лечебного и профилактического питания (с повышенным содержанием белков, пищевых волокон и др.);

- продукты детского питания, специально созданные для детей до 3-х летнего возраста.

В настоящее время потребители все большее внимание уделяют пищевым продуктам второй группы - полезным для здоровья, не содержащим холестерина и других нежелательных компонентов, имеющим пониженную энергетическую ценность (калорийность). Современный потребитель считает, что пища должна оказывать на организм очищающее загрязненностью окружающей среды и предупреждать накопление избыточного веса. Ассортимент перспективных видов пищевых продуктов весьма широк - от витаминизированных до продукции с пониженным содержанием жиров и сахара. В этой связи к началу третьего тысячелетия предполагается значительное расширение ассортимента готовых к самостоятельно приготовить в домашних условиях. При этом все большее значение приобретают вкусовые качества продукции.

Среди диетических товаров, ассортимент которых охватывает все новые категории продуктов питания и напитков, особое место занимают молочные продукты. Это обезжиренное молоко, различные йогурты, сливочное масло пониженной жирности, низкокалорийные майонезы и соусы и другие продукты, причем для некоторых видов низкокалорийной продукции темпы прироста продаж достигают 100% в год, на фоне 2-3% для традиционных продуктов.

Основные требования, предъявляемые к пищевым продуктам пищевая ценность, потребительские свойства, безопасность и удобства в использовании. Для оценки качества и характеристики пищевого продукта в целом введено понятие пищевой ценности.

Пищевая ценность - комплекс свойств пищевых продуктов, обеспечивающих физиологические потребности человека в энергии и основных пищевых веществах. Совокупность всех полезных свойств (качеств) продукта определяется количеством и соотношением содержащихся в нем нутриентов, доброкачественностью, энергетической и биологической ценностью, усвояемостью, вкусом и запахом.

С физиологической точки зрения пища является источником энергии продуцирования, восстановления и замены тканей тела человека.

Потребность человека в источниках энергии покрывается главным образом углеводами и липидами, в меньшей степени - белками.

Пищевая ценность характеризуется, прежде всего, химическим составом пищевого продукта с учетом потребления его в общепринятых количествах. Данные вопросы освещает теория сбалансированного и адекватного питания.

Теория сбалансированного питания рассматривает потребление пищи как способ поддержания постоянства молекулярного состава в компенсируются новым поступлением нищи.

Основные положения теории сбалансированного питания:

1. При сбалансированном питании приток веществ соответствует их потере;

2. Приток питательных веществ обеспечивается путем разрушения пищевых структур и использования организмом образующихся органических и неорганических веществ;

3. Энергетические затраты организма должны быть сбалансированы с поступлением энергии.

Теория сбалансированного питания позволила установить набор жизненно важных пищевых веществ и определить потребность в них в соответствии с физиологическими особенностями организма.

потребностями в них (таблица 2).

Таблица 2 - Потребность взрослого человека в пищевых веществах (формула сбалансированного питания по А. А.Покровскому) аминокислоты, г Полноценный рацион должен содержать питательные вещества основных пяти классов:

- источники энергии - белки, жиры, углеводы:

- незаменимые аминокислоты;

- витамины;

- незаменимые жирные кислоты;

- неорганические элементы.

Вода не является питательным веществом, но необходима человеку для воспроизведения потерь в различных процессах, например, при дыхании, потоотделении и других. Обычно организмом используется от 300 до 400 мл метаболической (эндогенной) воды, освобождающейся в процессе биологического окисления. При окислении 100 граммов пищевых веществ образуется: из жиров - 107 мл, из углеводов - 55 мл, из белков – 41 мл воды.

Балансовый подход к питанию предполагал, что ценными являются только усваиваемые организмом компоненты пищи, а остальная ее часть относится к балласту. При этом был сделан вывод, что пищу можно улучшить, освобождая ее от балласта, удаляя соединительную ткань мяса, кожуру фруктов и так далее. Однако дальнейшие исследования показали важность балластных веществ для организма человека.

Роль балластных веществ и кишечной микрофлоры в процессах пищеварения была сформулирована в теории адекватного питания.

Основные положения теории адекватного питания:

1. Пищу усваивает как поглощающий ее организм, так и населяющие его бактерии;

2. Приток нутриентов складывается не только за счет извлечения их из пищи, но и благодаря деятельности бактерий, синтезирующих дополнительные питательные вещества;

3. Нормальное питание обусловлено не только потоком нутриентов, а несколькими потоками питательных и регуляторных веществ;

Балластные вещества являются физиологически важными компонентами пищи. Они получили название "пищевые волокна".

Теория сбалансированного питания является составной частью теории адекватного питания. Основной вывод теории заключается в постулате «питание должно быть рациональным».

Основой рационального питания являются три основных принципа:

1. Баланс энергии, то есть равновесие между энергией, поступающей с пищей, и энергией, расходуемой в процессе жизнедеятельности;

2. Удовлетворение потребностей организма в оптимальном количестве и оптимальном соотношении пищевых веществ;

3. Режим питания, то есть соблюдение определенного времени приема и количества пищи при каждом ее приеме;

Первый принцип рационального питания - пища является для человеческого организма источником энергии, которая выделяется при ее превращениях - окислении и распаде сложных веществ на более простые.

Роль основных источников энергии принадлежит макронутриентам белкам, жирам и углеводам.

Общая потребность человека в энергии (ПЭ) складывается из затрат на поддержание физиологических процессов, выполнение социальных функций и рассчитывается по следующей формуле де ВОО – величина основного обмена;

КФА – коэффициент физической активности.

Величина основного обмена (ВОО) – минимальное количество энергии, необходимое для осуществления жизненно важных процессов, то есть затраты энергии на выполнение всех физиологических, биохимических процессов, на функционирование органов и систем организма в состоянии температурного комфорта (20°С), полного физического и психического покоя натощак. ВОО зависит от ряда факторов, в первую очередь, от возраста, массы тела и пола. У женщин:

ВОО на 15% ниже, чем у мужчин (таблица 3).

При нормальном телосложении ВОО соответствует 1ккал/ч на 1 кг массы человека у мужчин, 0,9 ккал/ч – у женщин и зависит от возраста, роста человека. Используя уравнение Харриса-Бенедикта можно рассчитать ВОО для мужчин (начиная с 10-летнего возраста) и женщин любого возраста ВОО=66,5+13,5 Масса (кг)+5,0Рост (см)-6,75 Возраст (лет) (2) Таблица 3 - Средние величины основного обмена взрослого населения Потребность в энергии и пищевых веществах зависит от физической активности, характеризуемой коэффициентом физической активности (КФА), равным отношению энергозатрат на выполнение конкретной работы к величине основного обмена (ВОО).

Все взрослое население в зависимости от величины энергозатрат делится на 5 групп для мужчин и 4 группы для женщин, учитывающих производственную физическую активность и иные энергозатраты:

I группа (очень низкая физическая активность; мужчины и служащие административных органов и учреждений, научные работники, преподаватели вузов, колледжей, учителя средних школ, студенты, специалисты-медики, психологи, программисты, работники финансово-экономической, юридической и административнохозяйственной служб, работники конструкторских бюро и отделов, рекламно-информационных служб, библиотекари, дилеры, брокеры, работники бюро путешествий, справочных служб и других родственных видов деятельности);

II группа (низкая физическая активность; мужчины и женщины) – работники занятые легким трудом, коэффициент физической активности – 1,6 (водители городского транспорта, рабочие пищевой, текстильной, швейной, таможенные инспектора, работники милиции и патрульной службы и других родственных видов деятельности);

III группа (средняя физическая активность; мужчины и женщины) – работники средней тяжести труда, коэффициент физической активности – 1,9 (слесари, наладчики, станочники, буровики, водители электрокаров, экскаваторов, бульдозеров и другой тяжелой техники, работники тепличных хозяйств, растениеводы, садовники, работники рыбного хозяйства и других родственных видов деятельности);

IV группа (высокая физическая активность; мужчины и женщины) – работники тяжелого физического труда, коэффициент физической активности - 2,2 (строительные рабочие, грузчики, рабочие по обслуживанию железнодорожных путей и ремонту автомобильных дорог, металлурги, доменщики-литейщики и другие родственные виды деятельности);

V группа (очень высокая физическая активность; мужчины) – работники особо тяжелого физического труда, коэффициент физической активности - 2,5 (спортсмены высокой квалификации в тренировочный период, механизаторы и работники сельского хозяйства в посевной и уборочный период, шахтеры, грузчики немеханизированного труда, оленеводы и другие родственные виды деятельности).

Физиологические потребности в энергии для взрослых - от 2100 до 4200 ккал/сутки для мужчин и от 1800 до 3050 ккал/сутки для женщин.

Физиологические потребности в энергии для детей - от 110 до ккал/кг массы тела для детей до 1 года и от 1200 до 2900 ккал/сутки для детей старше 1 года.

Энергетическая ценность (калорийность) - количество энергии (ккал, кДж, 1 ккал составляет 4,19 кДж), высвобождаемой в организме человека из пищевых веществ продуктов питания для обеспечения его физиологических функций. При распаде питательных веществ в организме человека выделяется определенное количество энергии, нужно также учитывать, что компоненты пищевых продуктов усваиваются не полностью. Животные белки имеют более высокую усвояемость, чем растительные. Например, белки молока, молочных продуктов, яиц усваиваются на 96 %, белки мяса и рыбы на 93 95 %, белки хлеба – на 62 – 86%, овощей – на 80%, картофеля и некоторых бобовых – на 70%.

Жиры в среднем усваиваются на 94%, углеводы – на 95, 6 %. Поэтому при определении калорийности пищевых продуктов учитывают степень усвояемости.

Для определения энергетической ценности (калорийности) продуктов питания, то есть количества тепла, которое может быть получено в человеческом организме при окислении белков, липидов и углеводов, содержащихся в 100 г продукта, используют следующую формулу где К - энергетическая ценность (калорийность) в пересчете на 100 г продукта, кДж или ккал;

Б, Ж и У- содержание соответственно белка, жира и углеводов в продукте, г/100 г;

Эб, Эж и Эу - энергетическая ценность соответственно белка, жира и углеводов, кДж или ккал;

Кб, Кж и Ку - коэффициенты усвояемости соответственно белка, жира и углеводов.

В том случае, если определяется энергетическая ценность рыбы, то содержание в ней углеводов условно принимают равным нулю, а коэффициенты усвояемости белка и жира в среднем составляют 0,96 и 0, соответственно.

растительные компоненты, следует учитывать, что в состав углеводов могут входить неусвояемые вещества (клетчатка, пектин и др.), которые могут доминировать в продукте. В этом случае коэффициент усвояемости углеводов может варьировать в очень широких пределах, но для большинства пищевых продуктов его принимают равным 0,98.

Коэффициенты энергетической ценности основных пищевых компонентов с учетом их средней усвояемости представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Коэффициенты энергетической ценности макронутриентов Компоненты Усвояемость, % Коэффициент энергетической ценности, ккал/г По энергетической ценности пищевые продукты делятся на 4 группы (таблица 5).

Таблица 5 - Классификация пищевых продуктов по энергетической ценности макароны, сахар 3. Среднеэнергетичные: хлеб, мясо, колбаса, 100- яйца, яичный ликер, водка картофель, овощи, фрукты, пиво, белое вино Существует три направления энергозатрат в организме:

основной обмен;

специфическое динамическое действие пищи (переваривание пищи);

мышечная деятельность.

Переваривание пищи даже без мышечной активности требует энергии. На переваривание белков расход энергии составляет от 30 до 40% от основного обмена, при переваривании жиров и углеводов от 4 до 14 и от 4 до 7% соответственно. Суммарный расход энергии на переваривание пищи составляет от 140 до 160 ккал в сутки.

Мышечная деятельность требует различной энергии, которая зависит от вида физической активности и прямо связана с характером работы.

Даже самые простые, легкие движения увеличивают расход энергии сверх основного обмена (ходьба - в 2-3 раза; бег со скоростью 8 км/ч - в 7-8 раз).

На мышечную деятельность требуется ежедневно в среднем от 1000 до 2500 ккал. Средний расход энергии в сутки составляет около 2700 ккал, следовательно, в соответствии с первым принципом рационального питания, именно такое количество энергии должно поступать с пищей.

Но это не означает, что пищевая энергия может быть получена любым путем, например, за счет потребления преимущественно одного макронутриента.

В соответствии со вторым принципом рационального питания должно быть обеспечено удовлетворение потребности организма в основных пищевых веществах. В состав полноценного рациона должны входить питательные вещества пяти классов, каждый из которых играет свою особую роль.

Третий принцип рационального питания, связанный с режимом питания, указывает на необходимость приема пищи в определенное время, через определенные интервалы, в определенном количестве при каждом приеме. Рекомендуемый режим питания приведен в таблице 6.

Таблица 6 – Суточное распределение пищевого рациона (в процентах) Питание при малом обеденном перерыве и в летние месяцы в работе в ночную смену.

многофакторный процесс, который можно реализовать, только опираясь на глубокие знания, стройную научную концепцию и продуманную научнотехническую политику.

Технический прогресс в пищевой промышленности во многом определяется демографическими изменениями (численность населения, увеличение доли пожилых и больных людей), социальными изменениями, изменениями в условиях жизни и труда (рост численности городского населения, изменение характера труда, социальное расслоение общества).

Он связан с достижениями медицины, фундаментальных наук (физика, химия, микробиология), новыми технологическими возможностями, которые появились у производителей продуктов питания в результате развития науки, технологии, техники; ухудшением экологической обстановки; жесткой конкуренцией на рынке продуктов питания. Все это требует не только коренного совершенствования технологии получения традиционных продуктов, но и создания нового поколения пищевых продуктов, отвечающих возможностям и реалиям сегодняшнего дня. Это продукты со сбалансированным составом, низкой калорийностью, с пониженным содержанием сахара и жира и повышенным содержанием полезных для здоровья ингредиентов, функционального и лечебного назначения, с увеличенным сроком хранения, быстрого приготовления и, конечно, совершенно безопасных для человека.

Организм можно определить как физико-химическую систему, существующую в окружающей среде в стационарном состоянии. Именно эта способность живых систем сохранять стационарное состояние в условиях непрерывно меняющейся среды и обусловливает их выживание.

Для обеспечения стационарного состояния у всех организмов — от морфологически самых простых до наиболее сложных — выработались разнообразные анатомические, физиологические и поведенческие приспособления, служащие одной цели — сохранению постоянства внутренней среды.

обеспечивает оптимальные условия для жизни и размножения организмов, была высказана в 1857 г. французским физиологом Клодом Бернаром. На протяжении всей научной деятельности Бернара поражала способность организмов регулировать и поддерживать в достаточно узких границах такие физиологические параметры, как температура тела или содержание в физиологической стабильности он резюмировал в виде ставшего классическим утверждения: Постоянство внутренней среды является обязательным условием свободной жизни.

Клод Бернар подчеркивал различие между внешней средой, в которой живут организмы, и внутренней средой, в которой находятся их отдельные клетки, и понимал, как важно, чтобы внутренняя среда оставалась неизменной. Так, например, млекопитающие способны поддерживать температуру тела, несмотря на колебания окружающей температуры. Системы саморегуляции действуют не только на уровне организма, но и на уровне клеток. Организм является суммой составляющих его клеток, и оптимальное функционирование организма как целого зависит от оптимального функционирования образующих его частей. Любая самоорганизующаяся система поддерживает постоянство своего состава — качественного и количественного. Это явление называется гомеостазом, и оно свойственно большинству биологических и социальных систем. Термин гомеостаз в 1932 г. ввел американский физиолог Уолтер Кэннон.

Гомеостаз (гр. homoios подобный, тот же; stasis стояние, неподвижность) — совокупность сложных приспособительных реакций организма животного и человека, направленных на устранение или максимальное ограничение действия различных факторов внешней или внутренней среды организма (например, постоянство температуры тела, кровяного давления, содержания глюкозы в крови и др.). Границы гомеостаза могут меняться в зависимости от индивидуальных возрастных, половых, социальных и других условий.

К основным компонентам гомеостаза относятся:

материалы, обеспечивающие клеточные потребности;

окружающие факторы, влияющие на клеточную деятельность осмотическое давление, температура, рН);

механизмы, обеспечивающие структурное и функциональное иммунобиологическая активность).

Питание играет важную роль в поддержании гомеостаза, так как именно в процессе питания в организм поступают вещества необходимые для образования энергии, для роста и возобновления тканей (белки) и нормального функционирования организма (вода, витамины, минеральные вещества, ферменты).

В процессе питания факторы внешней среды (пищевые вещества) вступают в тесный контакт с пищеварительными органами, подвергаются необходимым изменениям под действием пищеварительных ферментов, поступают в лимфу и кровь, и превращаются в факторы внутренней среды организма. Таким образом, именно пищеварительная система в первую очередь обеспечивает гомеостаз организма.

Ассимиляция пищевых веществ осуществляется в три этапа:

полостное пищеварение мембранное пищеварение всасывание.

пищеварительных полостях (ротовой, желудочной, кишечной), которые синтезируют пищеварительные ферменты. Этот вид пищеварения обеспечивает интенсивное начальное переваривание.

Мембранное пищеварение осуществляется с помощью ферментов, локализованных на структурах свободных поверхностей клеток (микроворсинках) в тонком кишечнике. Мембранное пищеварение осуществляет промежуточные и окончательные стадии расщепления веществ.

Процессы пищеварения объединяют механическое, физикохимическое и химическое изменение пищевых веществ, и осуществляются пищеварительную систему человека. Пищеварительный аппарат человека представлен на рисунке 2.

1 – глотка; 2 – пищевод; 3 – желудок; 4 – тонкая кишка; 5 – нисходящая часть толстой кишки; 6 – прямая кишка; 7 – подвздошная кишка; 8 – аппендикс; 9 – слепая кишка; 10 – восходящая часть толстой кишки; 11 – ободочная кишка; 12 – двенадцатиперстная кишка; 13 – поджелудочная железа; 14 – желчный проток; 15 – желчный пузырь; 16 – печень; 17 – ротовая полость; 18 – слюнные железы Рисунок 2 – Строение пищеварительного аппарата человека.

В состав пищеварительной системы входят пищеварительный канал (тракт), в который входят ротовая полость, глотка, пищевод, желудок, двенадцатиперстная кишка, тонкий и толстый кишечник с прямой кишкой, а так же поджелудочная железа и печень.

Ротовая полость включает в себя – язык, зубы и слюнные железы.

Здесь происходит оценка вкуса, консистенции и температуры пищи, а так же ее подготовка к перевариванию, заключающаяся в измельчении, смачивании слюной и набухания. В слюне человека содержаться ферменты, вызывающие расщепление углеводов.

Образовавшийся пищевой комок перемещается с помощью языка и мышц в глотку, затем в пищевод. В нижней части пищевода находятся круговые мышцы (сфинктер), их сокращение закрывает вход в желудок.

При глотании эти мышцы расслабляются, и пищевой комок поступает в желудок.

Желудок представляет собой мускулистый мешок, расположенный под диафрагмой. В слизистой желудка расположены три вида секреторных клеток: главные – вырабатывают протеазы в неактивной форме;

обкладочные – образуют соляную кислоту; добавочные – секретируют слизь. В желудке пищеварение продолжается в течение 3-10 часов, при этом наряду с физико-химическими, начинаются химические процессы, происходящие под действием ферментов желудочного сока. Желудочный сок – это бесцветная прозрачная жидкость, содержащая соляную кислоту (концентрация 0,4-0,5% и рН 1-3). В желудке расщепляется до 10% пептидных связей белков, жиры расщепляются незначительно.

Из желудка пищевая масса поступает в двенадцати перстную кишку.

Здесь происходит пищеварение под действием сока поджелудочной железы и желчи (рН поджелудочного сока 7,8-8,2). В переваривании пищи участвуют протеазы, расщепляющие белки и полипептиды, липазы – расщепляют жиры, амилазы – заканчивают полное расщепление крахмала.

Затем пища поступает в тонкий кишечник, где заканчивается разрушение основных компонентов пищи и происходит их всасывание в кровь. Поверхность тонкого кишечника представляет собой складки с большим количеством пальцевидных выступов (ворсинок), которые покрыты эпителиальными клетками, несущими многочисленные микро ворсинки.

Печень - участвует в пищеварении, распределяет во внутренней среде ряд веществ, которые поступают из желудочно-кишечного тракта, обезвреживает токсичные соединения, играет ведущую роль в обмене белков, липидов, углеводов, витаминов. Железистые клетки печени выделяют желчь, которая содержит желчные кислоты, пигменты, фосфаты, ряд гормонов и др.

Поджелудочная железа – синтезирует гормоны инсулин и глюкагон, двенадцатиперстной кишки.

Регуляторные механизмы, поддерживающие физиологическое состояние или свойства клеток, органов и систем целостного организма на уровне, соответствующем его текущим потребностям, называются гомеостатическими.

Организм человека постоянно и активно извлекает из окружающей среды полезные для себя соединения, используя необходимое их жизнедеятельности, и удаляет в окружающую среду избыточные или вредные для себя соединения (ксенобиотики). Баланс веществ, активно регулируемый при участии механизмов гомеостаза (поддержания гомеостатированным, поскольку такой баланс по существу является внешним проявлением гомеостаза.

терморегуляции: у гомойотермных животных колебания температуры во внутренних отделах тела при самых резких изменениях температуры в окружающей среде не превышают десятых долей градуса.

Основные причины нарушения гомеостаза:

- необычные для нормальной жизнедеятельности неферментативные реакции, протекающие в мембранах; в большинстве случаев это цепные реакции окисления с участием свободных радикалов, возникающие в фосфолипидах клеток. Эти реакции ведут к повреждению структурных элементов клеток и нарушению функции регулирования;

ионизирующие излучения, инфекционные токсины, некоторые продукты питания, никотин, а также недостаток витаминов и т. д.).

К факторам, стабилизирующим гомеостатическое состояние и функции мембран, относятся биоантиокислители, которые сдерживают развитие окислительных радикальных реакций.

функционально и морфологически объединяющее сердечно-сосудистую систему, систему дыхания, почечную систему, водно-электролитный обмен, кислотно-щелочное равновесие.

1. Дайте определение понятия «гомеостаз».

2. Приведите биофизические механизмы гомеостаза.

3. Как влияет питание человека на гомеостаз?

4. Перечислите факторы, стабилизирующие гомеостатическое Пищевые продукты представляют собой дисперсные системы, состоящие из двух или более фаз. В них дисперсионной средой является непрерывная фаза, дисперсной фазой - раздробленная фаза, состоящая из частиц, не контактирующих друг с другом. При этом под фазой понимается совокупность гомогенных частей системы, ограниченных от других частей физическими поверхностями раздела.

дисперсности на 3 основные группы:

Грубодисперсные системы (размеры частиц дисперсной фазы более 10-5 м, при распределении в жидкости или газе, где они постепенно оседают или всплывают, наблюдаются визуально) – представляют собой механические смеси, легко разделяемые отстаиванием или отфильтровыванием дисперсной фазы.

Среднедисперсные системы (дисперсоиды, размеры частиц дисперсной фазы от 10-5 м до 10-7 м) – представляют собой коллоидные системы, не поддающиеся простому отделению фазы от среды. При образовании коллоидных систем должны выполняться следующие основные условия: нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде; достижение частицами дисперсной фазы коллоидной дисперсности; наличие стабилизатора, сообщающего коллоидной системе агрегативную устойчивость.

Тонкодисперсные системы (дисперсиды, размеры частиц дисперсной фазы менее 10-7 м) - представляют собой обычные или истинные растворы.

В таблицах 7 и 8 приведены примеры дисперсных систем пищевых продуктов.

Таблица 7 - Сложные дисперсные системы пищевых продуктов.

Шоколад Кристаллы сахара, твердые частицы какао, Кристаллическая Мороженое Пузырьки воздуха, капельки жира, белковые Кристаллическая Фрукты, овощи, Пузырьки воздуха, капельки жидкости, Целлюлоза, белковая картофель, Таблица 8 - Типы дисперсных систем пищевых продуктов.

Твердое тело Газ Твердая пена, Мороженое, безе, сухари, пастила, 1. Дайте определение дисперсионной среды и дисперсной фазы.

2. Приведите классификацию дисперсных систем.

3. Приведите примеры пищевых продуктов и характерные для них дисперсионные среды и дисперсные фазы.

Большинство продуктов пищевой промышленности в тех или иных количествах содержат воду. Она, являясь в большинстве систем дисперсионной средой, в значительной мере определяет структуру продукта. Поэтому вид или форма связи влаги с продуктом определяют технологические показатели продукта и его структурно-механические характеристики.

Вода – самый значительный в количественном отношении и наиболее подвижный компонент в живом организме, на е долю приходится от 40 до 75 % массы организма. Она присутствует как клеточный и внеклеточный компонент в растительных и животных продуктах, как диспергирующая среда, выполняет функции растворителя в большинстве пищевых продуктов, обусловливает их консистенцию и структуру, влияет на органолептические свойства, такие как внешний вид и вкус, а также устойчивость продукта при хранении.

Биологическая роль воды Вода – основа биологических жидкостей: тканевая жидкость, лимфа, кровь. В организме человека содержится от 5 до 6 литров крови.

Все обменные процессы протекают в водной среде, вода участвует в реакциях обмена (реакции гидролиза).

Участвует в терморегуляции организма. Потеря от 9 до 10% воды вызывает тяжелые патологические изменения, потеря от 15 до 20% приводит к гибели организма.

питательных веществ и эвакуация продуктов метаболизма).

Структурная функция – входит в состав биологических мембран.

Расход воды в организме пополняется экзогенно (поступает с пищей) и эндогенно (образуется при окислении). В организме человека при окислении 1 г жира образуется 1,07 г воды, 1 г углеводов – 0,55 г, 1 г белка – 0,41 г воды.

Вода представляет собой жидкость с рядом специфических и аномальных свойств, что делает ее почти уникальным веществом для развития живой материи. Вода обладает широким спектром физических и химических свойств, она может существовать в трех состояниях – жидком (вода), твердом (лед) и газообразном (пар). Среди физических свойств выделяют следующие: точка замерзания (плавления) воды - 0°С, температура кипения - 100°С, тройная точка – 0,0099°С. При замерзании вода способна расширяться, так же она обладает высокой теплоемкостью (наибольшую среди жидкостей) и высокой теплопроводностью. Вода плавится и кипит при высоких температурах; она имеет необычно высокие значения поверхностного натяжения, диэлектрической постоянной, теплоемкости, теплоты фазовых переходов (плавления, парообразования, сублимации). Эти значения значительны по сравнению с гидридами периодической таблице (СН4, NH3, HF, H2S, HCL).

расширяется при замерзании, обладает вязкостью. Кроме того, теплопроводность воды выше, чем у других жидкостей, теплопроводность льда больше, чем у других неметаллических твердых веществ.

Теплопроводность льда при 0°С приблизительно в четыре раза больше, чем воды при той же температуре, поэтому что лед будет проводить тепло во много раз быстрее, чем иммобилизованная (неподвижная) вода, которая содержится в тканях пищевых продуктах. Тепловая диффузия воды и льда характеризует скорость, с которой твердая или жидкая форма воды производят температурные изменения. Лед изменяет эту величину примерно в 9 раз больше, чем вода, что говорит о том, что лед в данной среде будет подвергаться температурным изменениям много быстрее, чем вода. Эти различия в значениях теплопроводности и теплорассеяния воды и льда позволяют объяснить, почему ткани замерзают быстрее, чем размораживаются, если задается одинаковая (но обратная) разность температур.

пространствами - внутриклеточным (внутриклеточная жидкость) и внеклеточным (внеклеточная жидкость, плазма, лимфа). В живом организме вода свободно диффундирует между этими пространствами, а движение растворимых в ней веществ строго регулируется. После смерти организма распределение влаги в органах и тканях выходит из-под контроля и динамика процессов определяется воздействием внешних факторов.

Классификация влажных материалов (по Лыкову А.В.) Твердые тела, содержащие влагу, подразделяются на 2 группы:

1. Кристаллические (сахар, поваренная соль и т.д.);

2. Коллоидно-дисперсные системы, которые включают в себя:

коллоидные капиллярно-пористые тела.

Коллоидные тела – эластичные гели, которые при удалении влаги значительно изменяют свои свойства (сжимаются), но сохраняют свои эластичные свойства. Например: желатин (мармелад), агар-агар (пастила, зефир, студни, заливное), кисель, прессованное мучное тесто. Коллоидные тела отличаются высокой адсорбционной способностью, так как обладают большой внутренней поверхностью. Они способны адсорбировать на своей поверхности ионы электролитов, молекулы растворителя и так далее.

Вследствие адсорбции ионов коллоидная частица приобретает определенной заряд. Коллоидная частица с адсорбционным слоем и зарядом называется мицеллой. Жидкость может находиться на поверхности мицеллы, а также проникать внутрь е. Эластичные гели поглощают наиболее близкие по полярности жидкости, при этом они увеличивают свои размеры (набухают).

Капиллярно-пористые тела – хрупкие гели, материалы, которые при удалении влаги становятся хрупкими, мало сжимаются и могут превратится в порошок. Например: древесный уголь.

обладающие свойствами двух первых тел. Стенки их капилляров эластичны и при поглощении влаги изменяются (мука, крахмал, зерно, хлеб, сухари, изюм, курага, сухофрукты). Эластичные стенки капилляров деформируются при усушке, поэтому изделия могут изменять свой объем (усадка) и форму (крошение). После сушки коллоидные капиллярнопористые тела могут становиться хрупкими как, например, сухари.

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.

Пищевые продукты – это сложные системы, в которых влага находится в связанном и свободном состоянии.

Вода, содержащаяся в мышечной ткани, неоднородна по своим физико-химическим свойствам и биологической роли, она условно подразделяется на связанную и свободную. В животных организмах вода входит в состав коллоидных, главным образом белковых систем. Основная часть (80-90 %) содержащейся в тканях воды является связанной.

Связанная вода – это вода, которая удерживается тканями за счет различных форм связи и существует вблизи растворенного вещества и других неводных компонентов, имеет уменьшенную молекулярную подвижность, не замерзает при температурах ниже минус 40 °С.

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 влажности 10-12%, а для высушивания до более низкой влажности – нужны специальные методы сушки.

Свободная вода – вода, доступная для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций, обладающая теми же свойствами, что и чистая вода. Свободная вода - вода плазмы крови, лимфы, спинно-мозговой жидкости, пищеварительных соков, молока.

Свободная вода также присутствует и в межклеточных пространствах, где участвует в транспортировке питательных веществ в клетки и ткани и удалении из них продуктов метаболизма. Она может быть легко удалена из продукта. К свободной воде относят капиллярно удерживаемую влагу, которая способна свободно передвигаться в макрокапиллярах структурной сетки (в промежутках между мышечными волокнами, в миосептах и в соединительной ткани).

Структурно свободная влага может быть выделена из продукта механическим путм без нарушения структуры продукта путем прессования или центрифугирования, причем количество выделенной воды будет зависеть от состояния продукта (его свежести) и условий механического воздействия.

Свободная вода представляет собой бесцветную жидкость без вкуса и запаха, вкус и запах ей придают растворенные газы и соли, может быть представлена в трех агрегатных состояниях (твердое, жидкое, газообразное), плотность – 1000 кг/м3, температура кипения при 101,3 кПа (1 атм) – 100 °С; точка замерзания (плавления) - 0°С.

Существует несколько классификаций форм связи воды. Согласно классификации Риделя вода подразделяется на свободную и связанную вода, Думанского – свободную воду, диффузионный и адсорбционный слои воды; Люйе – излишнюю (метаболическая вода), жизненную воду (вода способная к замораживанию), незамерзающую воду. Согласно широко распространенной классификации форм связи воды с материалом, предложенной П.А. Ребиндером, различают химическую, физикохимическую и механическую формы связи воды.

Химическая связь является наиболее прочной, она влияет на химическую природу вещества. Вода в этом случае входит в состав вещества в определенных количественных соотношениях и связана в виде (например, Nа2SО4 10 Н2О). Такая связь является самой прочной, она не удаляется из продукта при обычной тепловой сушке и других видах технологической обработки, может быть удалена из продукта только путем химического взаимодействия или при прокаливании.

Физико-химическая форма связи менее прочна, она обеспечивается за счет сил адсорбции, осмоса и присутствия в структурах гелей.

Адсорбционно-связанная влага - это вода, связывание которой происходит за счет большой поверхности и свободной поверхностной энергии коллоидных тел, характеризующихся высокой дисперсностью частиц. К данной форме относится вода, образующая гидратные оболочки на поверхности белковых молекул.

При адсорбции воды выделяется теплота гидратации, в которую поглощаемая материалом с выделением теплоты и контракцией системы, называется гидратационной массовой долей влаги. Контракция системы (V) – это разница между объмом влажного тела и объмом тврдого тела и поглощнной жидкости. Контракция системы определяется по формуле где Vж - объем поглощнной жидкости, см3;

Таким образом, процесс гидратации - это процесс присоединения адсорбционной влаги. Адсорбционно-связанная вода не является растворителем, не растворяет обычно хорошо растворимые вещества (соль, сахар), плотность ее несколько отличается от единицы, замерзает при более низких температурах, диэлектрическая проницаемость этой влаги меньше, чем у свободной.

адсорбционной влаги из материала ее нужно превратить в пар, который экспериментальным данным 1 г сухой массы белков животного происхождения связывает от 0,15 до 0,41 г воды. Адсорбционная влага при сушке удаляется в последнюю очередь.

С достижением гидратационной массовой доли влаги процесс присоединение воды обуславливается уже другими силами - силами осмоса.

Осмотически связанная влага. По теории С.М. Липатова в пищевых продуктах концентрация растворимых фракций органических веществ внутри клетки выше, чем на ее поверхности, и, следовательно, вода через полупроницаемую оболочку проникает с поверхности внутрь клетки за счт сил осмоса. В результате клетка набухает, при этом выход воды из клетки всегда затруднн. Любой вид технологической обработки вызывает разрушение оболочек и полупроницаемых мембран, в результате происходит нарушение осмотического давления, и вода выходит из клетки. Нарушить осмотическое давление можно путм добавления водорастворимых веществ (соль, сахар) в продукт. В этом случае концентрация водорастворимых веществ выше на поверхности, чем внутри клетки, и они проникают в клетку, а вода при этом выходит из клетки. Это явление называется лизисом или плазмолизом.

Осмотически поглощенная вода связывается коллоидами пищевых продуктов с высокополимерным строением и также прочно ими удерживается, не растворяет легко растворимые вещества, во всем остальном мало отличается от свободной воды.

При поглощении телом жидкости и образовании осмотически связанной влаги не происходит выделение тепла или контракции системы.

Такой процесс называется набуханием.

Удаляется при сушке в первую очередь вместе с поверхностной влагой и макрокапиллярной влагой.

Механически связанная влага (капиллярная влага) - это влага, заполняющая капилляры и открытые поры тела, а также влага смачивания.

Все капилляры делятся на 2 группы:

Влага самопроизвольно заполняет капилляры, средний радиус которых менее 10-7 м. Жидкость может заполнять любые микрокапилляры не только при непосредственном соприкосновении с ним, но и путем сорбции из влажного воздуха.

Высоту самопроизвольного подъема жидкости в микрокапиллярах определяют по формуле где – поверхностное натяжение, Н/м;

– плотность жидкости, кг/м;

g – ускорение свободного падения, м/с;

Энергия связи воды обратно пропорциональна радиусу капилляра.

При сушке некоторых материалов, например, рыбы, диаметр капилляров уменьшается, при этом энергия связи увеличивается и удаление микрокапиллярной влаги замедляется. Механически связанная вода удерживается в неопределенных соотношениях и обычно свободно выделяется из продуктов высушиванием или прессованием.

Микрокапилляры обладают свойством конденсировать влагу из насыщенного влагой воздуха, свойства этой конденсированной воды не отличаются от свойств свободной влаги, но удалить е из материала труднее, чем свободную.

Влага, удерживаемая силами поверхностного натяжения, обладает всеми свойствами свободной воды, при сушке удаляется в первую очередь.

Влага макрокапилляров находится в капиллярах, средний радиус которых больше 10-7 м. Эту влагу в литературных источниках рассматривают как свободную, она перемещается в капиллярах продукта в виде жидкости и пара.

Исходя из вышеизложенного, любое внешнее воздействие на продукт вызывает изменение соотношения разных форм связи влаги в материале. При этом происходит и изменение консистенции продукта (замороженные овощи, фрукты: после оттаивания изменяется форма, консистенция и, следовательно, форма связи влаги с продуктом изменяется). В ходе посмертных изменений и при порче продукта, консистенция продукта также изменяется и увеличивается количество структурно-свободной влаги в продукте.

влагосодержания продукта, его химического состава и структуры. По величине активности воды можно сделать вывод о консистенции продукта, его структурно-механических свойствах, величине усушки, можно регулировать стабильность продукта и его ферментативную активность, определять скорость протекания нежелательных процессов, срок хранения.

уменьшение содержания влаги. Термин активность воды характеризует влияние влаги на процесс порчи продукта лучше, чем такой показатель как массовая для влаги. Активность воды характеризует состояние воды как растворителя и обозначается как Aw или aw.

Активность воды – это отношение парциального давления паров воды над данным продуктом к парциальному давлению паров над чистой водой при той же температуре, единицы измерения - доли единицы или %.

Это отношение входит в формулу определения энергии связи влаги с материалом (уравнение Ребиндера):

где F - уменьшение свободной энергии (при постоянной температуре);

- работа отрыва 1 моля воды от сухого скелета материала (без изменения состава);

R - универсальная газовая постоянная;

T - абсолютная температура.

Величина активности воды определяется по формуле:

где Pw - давление водяного пара в системе пищевого продукта;

Р0 - давление пара чистой воды;

РОВ - относительная влажность в состоянии равновесия, при которой продукт не впитывает и не теряет влагу в атмосферу, %.

Чем прочнее влага связана с материалом, тем меньше величина PW, и наоборот, для свободной воды PW достигает значения PO и становится равным единице, а энергия связи равно нулю.

Величина активности воды характеризует длительность и срок хранения пищевых продуктов, от е значения зависит жизнедеятельность микроорганизмов в продукте, интенсивность ферментативных и биохимических процессов. Чем больше связанной воды в продукте, тем величина активности воды будет ниже. Продукты с меньшим содержанием воды меньше подвергнуты биохимическим, микробиологическим и физико-химическим изменениям. В странах ЕС и США величина активности воды (aw) и рН среды являются обязательными критериями оценки качества мясных продуктов, лекарств. В России эти показатели в нормативную и техническую документацию не введены.

Классификация мясных продуктов по величине активности воды, принятая в странах ЕЭС:

Группа А. Скоропортящиеся aw более 0,5, pH около 5,2; tхран.

составляет минус 25С;

Группа В. Портящиеся aw от 0,91 до 0,96; pH от 5,0 до 5,2; tхран.

составляет минус 10С;

Группа С. Стойкие при хранении aw менее 0,91; pH менее 5;

охлаждения не требуется.

Классификация пищевых продуктов по характерной для них величине активности, принятая в Российской Федерации:

продукты с высокой влажностью (aw находится в интервале продукты с промежуточной влажностью (aw находится в продукты с низкой влажностью (aw находится в интервале от Изотерма сорбции характеризует зависимость активности воды от содержания влаги.

Рис. 3- Изотерма сорбции влаги для продуктов с высокой влажностью На кривой изотермы сорбции выделяют три отрезка:

Отрезок А характеризует высушенные продукты, когда величина активности воды aw меньше 0,5. В эту группу входят сухое молоко, какао, растворимый кофе, чипсы, сухари, крупы, чай. Массовая доля воды в таких продуктах меньше 10%. Вода в таких продуктах сильно адсорбирована, не является растворителем, не влияет на пластические свойства продукта, не замерзает при температуре ниже минус 40С.

Отрезок Б характеризует продукты с промежуточной влажностью от 0,6 до 0,9. В эту группу входят: шоколадные конфеты, джем, варенье, все вяленые продукты, копченые колбасы, сыр. Влажность таких пищевых продуктов колеблется в интервале от 15 до 40%. В этих продуктах вода участвует в процессах растворения, выполняет роль пластификатора, не замерзает при температуре ниже минус 40С и способствует набуханию пищевых систем.

Отрезок В характеризует продукты для которых величина активности воды приближается к 1, то есть лежит в интервале от 0,9 до 1.

В эту группу входят супы, соки, свежие и охлажденные мясо и рыба, свежие овощи и фрукты. В этом случае вода является растворителем, температура замерзания близка к 0С, она влияет на химические процессы и на рост микрофлоры в пищевых продуктах.

Изотермы сорбции можно получить следующими способами:

путем дегидратации (десорбцией);

путем добавления влаги к сухому образцу (ресорбция).

Диаграммы ресорбции и десорбции между собой не совпадают, при этом наблюдается эффект гистерезиса (рисунок 4).

Рис. 4 - Гистерезис изотермы сорбции влаги Стабильность пищевых продуктов зависит от величины активности воды. Порчу продуктов с промежуточной влажностью в основном вызывают дрожжи и плесени. Дрожжи влияют на стабильность при хранении таких пищевых продуктов как сиропы, кондитерские изделия, джемы, сушеные фрукты, плесени – на стабильность таких продуктов как мясо, джемы, пирожные, сушеные фрукты.

В продуктах с низкой влажностью может идти окисление жиров, неферментативное потемнение, потеря водорастворимых веществ (витаминов), порча, вызванная ферментами. Активность микроорганизмов здесь подавлена. В продуктах с промежуточной влажностью - могут протекать, разные процессы, в том числе с участием микроорганизмов.

При высокой влажности - микроорганизмам принадлежит решающая роль.

Для большинства химических реакций, таких как образование окрашенных продуктов по реакции Майяра, разрушение хлорофилла, лизина, витаминов С и В1, максимальная скорость реакций лежит в области aw от 0,7 до 0,9, характерной для продуктов с промежуточной влажностью.

Минимальная скорость этих реакций имеет место на границе отрезков А и Б при aw в интервале от 0,2 до 0,4. Для всех реакций, кроме окисления липидов, скорость остается минимальной, если aw ниже величины 0,2. Влагосодержание, соответствующее этому состоянию, составляет мономолекулярный слой.

Окисление липидов начинается при низкой aw. По мере увеличения aw скорость окисления уменьшается примерно до границы зон А и Б на изотерме, затем при увеличении aw до границы зон Б и В снова увеличивается. Дальнейшее увеличение aw снова уменьшает скорость окисления. Такое поведение можно объяснить тем, что при добавлении воды к сухому материалу происходит связывание гидропероксидов и взаимодействие с продуктами их распада и, таким образом, снижает скорость окисления. Кроме того, эта вода гидратирует ионы металлов, которые катализируют окисление, уменьшая их воздействие.

Добавление воды за границей зон А и Б приводит к увеличению скорости окисления. Предполагают, что вода, добавленная в этой области изотермы, ускоряет процесс окисления путем увеличения растворимости кислорода и набухания макромолекул. При еще больших значениях величины активности воды (больше, чем 0,8) имеет место уменьшение скорости окисления, что можно объяснить уменьшением концентрации катализаторов, что приводит к ослаблению их действия.

Максимальная скорость потемнения продуктов за счет реакции не ферментативного потемнения наблюдается при aw в интервале от 0,6 до 0,75. Наблюдаемый максимум потемнения может объясняться наступлением равновесия для диффузии, которая регулируется величиной вязкости, степенью растворения и массообменом. При низкой активности воды медленная диффузия реагентов замедляет скорость реакции. По мере увеличения влагосодержания более свободная диффузия увеличивает скорость реакций до тех пор, пока в верхней точке диапазона влажности растворения реагентов снова не замедляет ее. Точно так же более высокая концентрация воды замедляет ход реакции на тех обратимых стадиях, на которых образуется вода.

Ферментативные реакции могут протекать при более высоком содержании влаги, чем влага монослоя, то есть когда есть свободная вода.

Она необходима для переноса субстрата. Учитывая это, легко понять, почему скорость ферментативных реакций зависит от aw. При величине активности воды, соответствующей влаге монослоя, нет свободной воды для переноса субстрата. Кроме того, в ряде ферментативных реакций вода сама играет роль субстрата. Распад аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и глюкоза-6-фосфата существенно увеличивается при увеличении aw от 0, до 0,7. Ферментативные процессы под действием липаз имеют место даже при aw в интервале от 0,1 до 0,2, что, по-видимому, связано с тем, что липиды в меньшей степени нуждаются в воде, как транспортном средстве, подвижность самих липидов достаточна, чтобы образовать ферментсубстратный комплекс.

Большинство бактерий размножается при aw от 0,85 до 0,95; плесеней - при aw от 0,6 до 0,8; дрожжей – от 0,8 до 0,9. Поэтому при низкой величине aw снижается активность размножения микроорганизмов. В таблице 9 приведены виды микроорганизмов и интервалы величины активности воды, влияющие на их рост. В таблице 10 приведены предельные значения величины активности воды для роста микроорганизмов. В таблице 9 приведены величины активности воды, характерные для различных пищевых продуктов.

Таблица 9 – Активность воды и рост микроорганизмов в пищевых продуктах 1,00–0,95 Pseudomonas: Escherichia;

0,95–0,91 Salmonella, Vibrio para-liaemoluticus, Некоторые сыры, консервированная 0,91–0,87 Многие дрожжи (Candida; Torulopsis. Ферментированная колбаса типа Многие грибы (мнкоток-снгеиные Большинство концентратов фруктовых 0,87– 0, пеинциллы Peni-cillia): Staphylococcus соков, сладкое сгущенное молоко, Aureus; большинство Saccharomyces шоколад, сироп, мука, рис, взбитые (baitii)Spp.; Debaryomyces 0,80-0,75 Большинство галофильных бактерий, Джем, мармелад, замороженные 0,75–0,65 Ксерофильные виды (molds) Патока, сухие фрукты, орехи (Asp.chevalieri; Asp. Canidus; Wallemia sebi) Saccharomyces bisporus 0,65–0,60 Осмофильные дрожжи (Saccharomyces Сухофрукты, содержащие 15-20% echinulatus, monascus, bisporus) Таблица 10 – Предельные значения аw для роста микроорганизмов значение * некоторые штаммы Таблица 11 – Активность воды (aw) в пищевых продуктах Колбасы:

Таким образом, для предупреждения целого ряда химических реакций, снижающих качество пищевых продуктов при хранении и их микробиологической порчи, эффективным средством является снижение активности воды в пищевых продуктах.

Для снижения активности воды используется следующие методы удаления воды - сушка, вяление, добавление различных веществ (сахар, соль), замораживание. С целью достижения той или иной величины активности воды в продукте можно применять такие приемы как:

адсорбция – продукт высушивают, а затем увлажняют до определенного уровня влажности;

сушка посредством осмоса – пищевые продукты погружают в растворы, активность воды в которых меньше активности воды Для достижения требуемой активности воды добавляют различные ингредиенты в продукт, обработанный одним из указанных выше способов, и дают ему возможность прийти в равновесное состояние, так как один лишь процесс сушки часто не позволяет получить нужную консистенцию. Применяя потенциальные увлажнители, можно увеличить влажность продукта, но снизить аw. Потенциальные увлажнители для пищевых продуктов - крахмал, молочная кислота, сахара, глицерин и др.

В таблице 12 приведены данные о содержании влаги в некоторых потенциальных увлажнителях пищевых продуктов при трех уровнях активности воды.

Помимо влияния на химические реакции и рост микроорганизмов, активность воды имеет значение и для текстуры продуктов. Например, максимальная активность воды, допустимая в сухих продуктах без потери желаемых свойств, находятся в интервале от 0,35 до 0,5, и зависит зависимости от продукта (сухое молоко, крекеры, инстант-продукты и прочее). Большая аw необходима для продуктов мягкой текстуры, которые не должны обладать хрупкостью.

Таблица 12 – Содержание влаги в некоторых продуктах при комнатной температуре Сахарный гидролизат с глюкозным Роль льда в стабильности пищевых продуктов Замораживание является способом консервирования (сохранения) многих пищевых продуктов. Однако, необходимо помнить, что только свободная влага во время замораживания переходит в кристаллы льда достаточно высокой степени чистоты. Все неводные компоненты, поэтому концентрируются в уменьшенном количестве незамерзшей воды.

Благодаря этому эффекту незамерзшая фаза существенно изменяет такие свойства, как: рН, титруемая кислотность, ионная сила, вязкость, точка замерзания, поверхностное натяжение, окислительно-восстановительный потенциал. Может также измениться структура воды и взаимодействие "вода-растворенное вещество".

Эти изменения могут увеличивать скорости реакций. Таким образом, замораживание имеет два противоположных влияния на скорость реакций:

низкая температура способствует уменьшению скорости реакции, а концентрирование компонентов в незамерзшей воде может увеличивать скорость реакций. Например, при замораживании наблюдается увеличение скорости реакции неферментативного потемнения (табл. 13).

Данные таблицы 14 показывают влияние понижения температуры и концентрирования растворенных веществ при замораживании на скорость реакций.

Таблица 13 - Реакции неферментативного потемнения, которые ускоряются при замораживании Окисление Аскорбиновая кислота, сливочное масло, липиды в говядине, токоферол в жареных картофельных продуктах, -каротин и Опыт Изменение скорости, вызванное Относительное Общий эффект понижением концентрированием температуры (Т) растворенных в-в и