Химический состав продовольственных товаров

Основной функцией продовольственных товаров (пищевых продуктов) является обеспечение организма человека пищевыми веществами, необходимыми для нормального функционирования этого организма. Можно сказать (с некоторыми оговорками), что пищевой продукт и его химический состав являются синонимами. Все органолептические потребительские свойства продовольственных товаров непосредственно связаны с их химическим составом. Меняя химический состав, можно менять потребительские свойства товаров. Переработка пищевых продуктов, пищевые технологии относятся к химическим технологиям.

Федеральный закон от 02.01.2000 N 29-ФЗ (ред. от 01.03.2020) “О качестве и безопасности пищевых продуктов” к пищевым продуктам относит продукты животного, растительного, микробиологического, минерального, искусственного или биотехнологического происхождения в натуральном, обработанном или переработанном виде, которые предназначены для употребления человеком в пищу, в том числе специализированная пищевая продукция, питьевая вода, расфасованная в емкости, питьевая минеральная вода, алкогольная продукция (в том числе пиво и напитки на основе пива), безалкогольные напитки, биологически активные добавки к пище, жевательная резинка, закваски и стартовые культуры микроорганизмов, дрожжи, пищевые добавки и ароматизаторы, а также продовольственное сырье.

К неорганическим веществам относят воду и биологически значимые минеральные элементы (минеральные вещества). К органическим веществам относят углеводы, азотсодержащие органические вещества, в том числе белки, липиды, витамины, ферменты, органические кислоты, дубильные, красящие, ароматические вещества, гликозиды, фитонциды, алкалоиды).

Неорганические вещества. Вода является важнейшим компонентом химического состава. Её содержание в продуктах колеблется в пределах почти от нуля до 97%. Почти безводными являются сахар, растительные жиры, жиры животные пищевые топленые. Очень низким содержанием воды характеризуются кофе в зернах, молотый, растворимый, сухое молоко, продукты лиофильной сушки. Они требуют особых условий хранения и упаковки, так как легко впитывают влагу. Есть группа так называемых воздушно сухих продуктов. К ним относят зерно, крупу, не содержащие свободную влагу. Всю воду, содержащуюся в продовольственных товарах, делят на свободную и связанную. Это особенно важно при хранении и перевозках пищевых продуктов.

Важным понятием, имеющим отношение к содержанию воды в продовольственных товарах, является равновесная влажность. Дело в том, что при хранении продукты либо теряют влагу, либо поглощают ее. Идеальной является, когда при хранении и транспортировании товаров влажность (массовая доля влаги) продуктов не меняется. Это зависит от температурно-влажностных условий хранения. При равновесной влажности нет поглощения влаги продуктами из окружающей среды и ее отдачи в окружающую среду.

Контроль за условиями хранения относится к числу должностных обязанностей товароведов в торговле и других отраслях, связанных с хранением и транспортированием продовольственных товаров. Для этого на предприятиях должны быть психрометры, гигрометры, термометры для контроля за температурой и относительной влажностью воздуха, психрографы, термографы для мониторинга этих показателей в течение суток. Правильный выбор условий хранения для каждого вида (группы, подгруппы) – важнейшая составляющая товароведной деятельности.

Свежие овощи, фрукты, ягоды, мясные, рыбные, молочные товары относятся к продуктам, содержащим много воды – от 70 и более процентов (до 95-97%). Мясные, рыбные, молочные товары относятся к группе скоропортящихся товаров. Государственный санитарный врач регулярно утверждает перечень таких товаров с указанием температурно-влажностных условий хранения. Вода в этих группах в значительной части – свободная.

В зависимости от содержания в продуктах эти элементы делят на макроэлементы (кальций, фосфор, сера, калий, натрий, железо, магний, хлор и др.); микроэлементы (йод, медь, алюминий, цинк, кобальт, марганец, фтор и др.) и ультрамикроэлементы (радий, торий, ртуть и др.). Зольными эти элементы (вещества) называются потому, что при сжигании продуктов они остаются в виде золы. Процентное содержание (массовая доля золы) для многих пищевых продуктов является важным показателем, характеризующим потребительские свойства продуктов. В качестве примеров: зольность муки, зольность картофельного крахмала, зольность белого сахара и др.

При окислении 1 г углеводов в организме человека выделяется 3,75 ккал (15,7 кДж) энергии. Суточная норма потребления углеводов – в среднем от 400 до 500 г. При этом 80% должны составлять полисахариды (крахмал). Углеводы делят на моносахариды (глюкоза, фруктоза); дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза); полисахариды (гомополисахариды: крахмал, гликоген, инулин, целлюлоза; гетерополисахариды: хондроитинсульфаты и др.).

Влияние углеводов на технологические свойства, качество и сохраняемость товаров. Ни одно из основных пищевых веществ сырья и продовольственных товаров в такой степени не участвует в формировании ассортимента продовольственных товаров, как углеводы. Особенно велика их роль в бродильных производствах. Производство алкогольных изделий, пива, кваса, хлебобулочных изделий основано на способности углеводов к гидролизу и брожению. Практически за исключением питьевого молока и сливок огромный ассортимент молочных продуктов создан благодаря способности молочного сахара к брожению. Значительна роль углеводов в хлебопечении. Трудно переоценить роль реакций меланоидинообразования в формировании аромата и вкуса печеного хлеба. И в качестве обязательного исходного вещества в этих реакциях выступают углеводы.

Эта влага остается в хлебе и повторный прогрев изделия может привести к связыванию выделившейся влаги и восстановлению свежести. На технологические свойства ржи влияют также и слизистые вещества. Крахмал оказывает существенное влияние и на кулинарно-технологические свойства круп и макарон, в частности на увеличение объема при варке.

Гликоген (животный крахмал) оказывает существенное влияние на сроки хранения охлажденного мяса при хранении и косвенно на влагосвязывающую способность мяса и мясопродуктов. Это связано с тем, что при хранении при послеубойных изменениях часть гликогена превращается в молочную кислоту, которая, угнетая гнилостную микрофлору, продлевает сроки хранения мяса. Та же молочная кислота снижает приводит белки в состояние окоченения и существенного снижения влагосвязывающей способности. Поэтому перед убоем животным создают условия, исключающие стресс для того, чтобы в полученном мясе содержалось достаточное количество гликогена.

Важным свойством сахарозы, имеющим большое практическое значение в отраслях пищевой промышленности, является карамелизация. Для карамелизации нужны очень высокие (160 и более градусов) температуры. Одной из причин значительно меньших сроков хранения рыбы в охлажденном виде является меньшее содержание в ней гликогена.

Содержание сахаров имеет существенное значение и для клубней картофеля. Накопление сахаров в значительных количествах делает картофель сладким и малопригодным для использования в питании. Малопригоден такой картофель и для приготовления чипсов. Как известно, основным веществом натуральных волокон и нитей из хлопка и льна является целлюлоза. Высокая прочность, теплостойкость, достаточно высокая гигроскопичность, обусловливающая низкую электризуемость, связаны со свойствами целлюлозы. Свойствами целлюлозы хлопка объясняются низкий уровень упругой деформации хлопчатобумажных изделий, что приводит к их сильной сминаемости.

Именно со свойствами углеводов во многом связаны такие достоинства льняного волокна, как устойчивость к свету, высоким температурам, разрушению микроорганизмами. Причем по этим характеристикам льняное волокно заметно превосходит волокно хлопковое. Эти свойства позволяют использовать льняное волокно технической и тарной ткани. Липиды. К липидам относят все органические вещества, независимо от химической природы, растворимые в неполярных органических растворителях. Большая часть липидов в продовольственных товарах представлена жирами.

Жиры как класс органических соединений представляют собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и жирных кислот (чаще высокомолекулярных). Так как глицерин присутствует во всех жирах, свойства жиров определяются (их отличия) жирнокислотным составом.

Жиры, содержащие преимущественно высокомолекулярные насыщенные кислоты, либо состоят только из них, имеют при комнатной температуре твердую консистенцию. Именно таким составом характеризуются жиры, входящие в состав говяжьего и бараньего жиров, пальмового масла. Ненасыщенными считаются кислоты, в которых валентности углерода не насыщены атомами водорода. В органической химии это явление обозначают двойными связями. В зависимости от количества этих двойных связей они называются мононенасыщенными и полиненасыщенными.

Наиболее часто встречаются олеиновая из мононенасыщенных, линолевая – из диненасыщенных, линоленовая – из триненасыщенных, арахидоновая – из тетраненасыщенных, клупанодоновая – из пентаненасыщенных, низиновая – из гексаненасыщенных кислот.

Ненасыщенные кислоты формируют жидкую консистенцию. При прочих равных условиях, чем выше ненасыщенность, тем «жиже» жирная кислота. Иначе говоря, тем ниже температура плавления. Температура плавления олеиновой кислоты +13 градусов по Цельсию, температура плавления линолевой кислоты минус 5 градусов, линоленовой – минус 11 градусов. Из ненасыщенных жирных кислот в значительных количествах в составе жиров пищевых продуктов содержится мононенасыщенная олеиновая кислота.

В последние десятилетия в науке и жизни людей стали уделять много внимания омега-кислотам.

Определенным дефицитом в пище являются ω-3 кислоты. При систематическом потреблении растительных масел нет проблем с ω-6 кислотами. ω-9 кислоты, представленные, как правило, олеиновой кислотой, содержатся в больших количествах почти во всех жирах. Наиболее богатыми источниками ω-3 кислот являются льняное масло и рыбий жир.

Из других липидов следует назвать фосфолипиды, стерины (стеролы), в том числе холестерин (холестерол), жирорастворимые витамины, каротиноиды, жирные кислоты, госсипол и др. Влияние липидов на технологические свойства, качество и сохраняемость продовольственных товаров. Прогоркание и осаливание многих пищевых продуктов (сухого молока, сливочного масла, орехов, масличных семян, круп, муки) связаны именно с химическими и биохимическими изменениями жиров.

Токоферолы, каротиноиды, фосфолипиды, также являющиеся липидами, обладают антиокислительными свойствами. Особенно сильны антиокислительные свойства токоферолов как естественных антиоксидантов. Однако в ходе переработки жиров они в значительной мере разрушаются, что может способствовать ускоренному окислению жиров при хранении. Поэтому многие производители обогащают жиры, чаще всего растительные масла, синтетическими токоферолами. Азотсодержащие вещества. Основная масса азотсодержащих веществ представлена белками.

Белки – источник энергии, их калорийность составляет 4 ккал. Белки делятся по своей пищевой ценности на полноценные и неполноценные. Белки, содержащие все незаменимые аминокислоты, называются полноценными. Неполноценные белки не содержат все незаменимые аминокислоты. Заменимые аминокислоты (аргинин, цистин, тирозин, аланин, серии и др.) могут быть синтезированы в организме из других аминокислот, имеющихся в составе пищи. Незаменимые аминокислоты синтезироваться организмом не могут, и они обязательно должны поступать с пищей.

Аргинин в некоторых случаях также является незаменимой. В зависимости от состава белки условно подразделяют на две группы – простые (протеины) и сложные (протеиды). Простые белки состоят только из аминокислот. Они, в свою очередь, делятся по растворимости в различных растворителях: водорастворимые (альбумины), солерастворимые (глобулины), щелочерастворимые (глютелины), спирторастворимые (пролины).

Сложные белки, в свою очередь, делятся на группы по природе небелковой части: нуклеопротеиды, гликопротеиды, липопротеиды, металлопротеиды, хромопротеиды, фосфопротеиды. По происхождению белки бывают животными и растительными. Животные белки в основном полноценные, особенно белки молока, яиц, мяса, рыбы. Растительные белки являются неполноценными, за исключением белков риса и сои. Сочетание белков животного и растительного происхождения повышает ценность белкового питания.

Влияние белков на технологические свойства, качество и сохраняемость товаров. Белки составляют существенную часть сухой массы многих пищевых продуктов, а также отдельных групп непродовольственных товаров и сырья (кожевенное сырье, шелк, шерсть и изделия из них). Особенно значительно содержание белков в таких продуктах, как бобовые, семена подсолнечника, арахиса, различных видах муки, круп, мясе и мясопродуктах, рыбе и рыбопродуктах, твороге и творожных изделиях, сухом молоке, яйце и яйцепродуктах. Высоким содержанием белков характеризуются изделия из натуральной кожи, натурального шелка и шерсти.

Окоченение и созревание мяса убойных животных и рыбы также определяются состоянием белков и биохимическими процессами, которым подвергаются белки.

Количество и качество белков клейковины определяют газоудерживающую способность теста. В пшеничном тесте они образую тот растяжимый, эластичный каркас, в котором накапливаются пузырьки углекислого газа, поднимающие тесто. Этот белковый каркас во время брожения теста постепенно расширяется. При выпечке происходит коагуляция белков и образуется белковый каркас готового хлеба. Достигнутый в результате брожения теста объем как бы фиксируется, закрепляется.

Белки играют также и негативную роль в формировании качества некоторых видов продовольственных товаров. В частности, известно отрицательное влияние значительных количеств белков в табаке на качество курительных изделий. В соках и винах, наряду с пектиновыми веществами, они создают мути, для избавления от которой требуются специальные обработки.

В настоящее время открыто несколько десятков веществ, которые по действию на организм человека можно отнести к витаминам, но непосредственное значение для питания имеют 30 из них. Многие витамины обозначают буквами латинского алфавита: А, В, С, D и др. Кроме того, каждый из них имеет название, соответствующее химическому строению. Например, витамин С – аскорбиновая кислота, витамин D – кальциферол, витамин В1 – тиамин, витамин В2 – рибофлавин и т.д.

Витамины, как правило, не синтезируются организмом человека, по-этому основным источником большинства из них являются продукты питания, а в последнее время – и синтезированные витаминные препараты. Некоторые витамины могут синтезироваться в организме человека. Суточная потребность организма человека в витаминах исчисляется в миллиграммах.

Гипервитаминозы характерны жирорастворимым витаминам, которые плохо выводятся с мочой и другими водными биологическими жидкостями. После соответствующих слов (гиповитаминоз, авитаминоз) указывается витамин, с которым связана болезнь. В зависимости от растворимости витамины подразделяют на водорастворимые, к которым относятся B, В2, В6, В9, В12, В15, С, Н, Р, РР, холин и др. и на жирорастворимые – A, D, Е и К. К витаминоподобным веществам относят витамины F и U.

Изменение витаминов при хранении и переработке пищевых продуктов. Сохраняемость витаминов при хранении и переработке пищевых продуктов зависит от ряда факторов, в том числе от температуры хранения и переработки, реакции среды (рН), длительности хранения и обработки продукта, особенностей строения самого витамина, использования факторов, способных синтезировать витамины, а в некоторых случаях и от ферментативной активности сельхозсырья и продуктов питания, особенностей технологии приготовления тех или иных блюд на предприятиях общественного питания.

Содержание витамина С при хранении плодов и овощей меняется значительно. Заметнее всего уменьшается количество аскорбиновой кислоты в клубнях картофеля в течение первых месяцев после уборки. Более лежкие сорта картофеля характеризуются лучшей сохраняемостью этого витамина при хранении.

При хранении цитрусовых плодов потери аскорбиновой кислоты в основном наблюдаются в кожуре. В мякоти ее содержание практически не меняется. Остальные плоды и овощи по потерям витамина С при хранении занимают промежуточное положение между картофелем и цитрусовыми плодами. Велики потери витамина С и при сушке плодов и овощей.

Губительно действует щелочная среда и на витамин В1. Поэтому он полностью разрушается при производстве печенья, продукта, характеризующегося щелочной средой из-за применяемых разрыхлителей щелочной природы. В то же время этот витамин весьма устойчив в кислой среде. Если при перезревании плодов содержание витамина С в них снижается, то содержание витамина В6, наоборот, повышается, что объясняют освобождением той ее части, которая в свежих плодах находится в связанном виде. Что касается изменения витамина Р, то в ходе переработки плодов его содержание меняется незначительно. Однако при хранении консервированных плодов потери витамина Р могут быть весьма велики. Рассматривая потери витаминов, следует также обратить внимание и на антивитамины.

Ферменты (энзимы) – это биологические катализаторы белковой природы, ускоряющие биохимические реакции. Известно около 3000 ферментов, и каждый из них обладает исключительной специфичностью действия, т. е. катализирует только определенную реакцию (в отличие от неорганических катализаторов). Ферменты увеличивают скорость катализируемых ими реакций в миллионы и даже в сотни миллионов раз. Существуют 2 номенклатуры ферментов: систематическая и тривиальная. Соответственно, разный порядок формирования названия ферментов. Ферменты обладают определенными свойствами.

Наивысшую активность они проявляют при 40…50 “С. Для предотвращения порчи продуктов, вызываемой ферментами, их подвергают консервированию низкими или высокими температурами. Влияние рН на активность ферментов велика. При одном значении рН фермент может проявлять высокую активность, а при другом – нулевую.

Влияние ферментов на качество и сохраняемость продовольственного сырья и пищевых продуктов.

Ферменты, оказывающие влияние на качество и сохраняемость пищевых продуктов, принадлежат преимущественно к двум классам: классу оксидоредуктаз и классу гидролаз. Ферменты класса оксидоредуктаз. Из них наиболее важны полифенолоксидаза, аскорбинатоксидаза, липоксигеназа, тирозиназа.

Полифенолоксидаза содержится в грибах и высших растениях. Действием полифенолоксидазы объясняется потемнение поверхности разрезанного яблока или картофельного клубня. Она участвует в окислении полифенолов и дубильных веществ, происходящем при скручивании и завяливании чайного листа; ее действием объясняется также потемнение плодов и овощей при сушке.

Активная тирозиназа содержится в грибах и ржаной муке. Темный цвет ржаного хлеба объясняют действием именно тирозиназы. Каталитическое действие тирозиназы является причиной потемнения макарон при сушке. Липоксигеназа играет важную роль при разрушении каротина в процессе сушки и хранения различных пищевых продуктов и в процессах прогоркания муки и крупы при хранении. Ферменты класса гидролаз.

В организме животных и человека наиболее активная липаза содержится в соке, выделяемом поджелудочной железой, а также в печени. Липаза имеет большое значение при хранении муки и крупы, особенно содержащих значительные количества жира (например, пшена). При повышенной влажности этих продуктов и высокой температуре хранения липаза быстро расщепляет жиры с образованием свободных жирных кислот, что увеличивает кислотное число (кислотность) продукта и приводит к быстрому прогорканию.

Фитаза – фермент, отщепляющий остатки фосфорной кислоты от инозитфосфорной кислоты, которая в виде кальций-магниевой соли представляет собой фитин. Активная фитаза содержится в дрожжах и семенах, в том числе злаковых. Фитаза играет большую роль в качестве фактора пищевой ценности хлеба. Инозитфосфорная кислота, образуя нерастворимые соли с кальцием, препятствует его усвоению организмом. Поэтому фитаза дрожжей и муки, расщепляющая в процессе брожения теста большую часть содержащейся в нем инозитфосфорной кислоты, способствует лучшему усвоению солей кальция.

Глюкоамилаза гидролизует крахмал с образованием преимущественно глюкозы и небольшого количества декстринов. Поэтому с его помощью получают глюкозную патоку и кристаллическую глюкозу.

Велика роль протеаз в процессах послеубойных изменений мяса, особенно говядины. В частности, такое явление, как созревание мяса, во многом связано с действием протеолитических ферментов, т.е. протеаз. Из лиаз важна лизиндекарбоксилаза, катализирующую декарбоксилирование лизина с образованием пентаметилендиамина, больше известного под названием кадаверин (трупный яд).

Использование ферментов в пищевой промышленности. Главными свойствами ферментов, на которых основывается эффективность практического применения ферментных препаратов, является их специфичность и высокая лабильность. Возможность осуществить необходимые химические изменения одного вещества, не затронув остальных составных частей обрабатываемого материала, дает большие преимущества при переработке различных видов пищевого сырья.

Потребность в широком использовании в пищевой промышленности ферментов, особенно получаемых из микроорганизмов, связана с возможностью осуществления необходимых химических изменений, не прибегая к сильнодействующим реактивам и высоким температурам. Ферменты невозможно получить при помощи химического синтеза, поэтому стоит вопрос об экономической целесообразности того или иного вида сырья для получения ферментов. Ферменты содержатся во всех без исключения растительных и животных организмах и клетках микроорганизмов, однако использование их для извлечения ферментов становится возможным, когда в материале содержится достаточно большое количество ферментов и их выход будет достаточно высоким.

Важное промышленное значение имеет сычужный фермент, или реннин, выделяемый из четвертого отдела желудка телят и ягнят. Этот фермент используется в сыроделии и отличается от пепсина тем, что, обладая высокой свертывающей способностью, не вызывает глубокого протеолиза казеина. Высушенные желудки телят и ягнят измельчают и экстрагируют фермент солевыми растворами. Добавлением дополнительного количества соли фермент выделяют и доводят до требуемых кондиций.

Важную роль играет и липаза. Пикантный и характерный вкус итальянских сыров обусловлен действием добавленной в молоко преджелудочной эстеразы. Проводятся работы по замене реннина микробными протеиназами, однако они имеют те же недостатки, что и пепсин. В пищевой промышленности также находят применение ферменты растительного происхождения.

Папаин получают из млечного сока плодов дынного дерева – папайи. Он широко применяется в некоторых странах для мягчения мяса. Скорость мягчения при этом возрастает в десятки раз по сравнению с автолитическим путем такого мягчения. В некоторых странах для мягчения мяса применяют препараты протеиназ, полученные из плесневых грибов. Препараты протеолитических ферментов применяют также с целью ускорения созревания рыбы, в частности сельди.

В некоторых странах применяются ферментные препараты, полученные из солода, используемые для улучшения качества хлеба. В нашей стране такое производство считается экономически невыгодным. В последнее время в общественном питании и домашней кулинарии находит применение киви как богатый источник протеолитических ферментов. Его назначение также – мягчение мяса.

Добавление ферментных препаратов, полученных из микроорганизмов, к пшеничной муке сокращает процесс хлебопечения и улучшает вкус хлеба. При переработке плодов и овощей применение ферментов или ферментных препаратов позволяет увеличить выход соков, вин, овощных пюре, облегчает процесс осветления соков и вин, улучшает качество продуктов.

Липазы микроорганизмов в сочетании с другими ферментами используются для биологической очистки сточных вод. Кислая липаза применяется в хлебопечении, что содействует отдалению черствения хлеба. Ферментативные технологии стали настоящим масложировой отрасли. Энзимно переэтерифицированные масла имеют не только улучшенные органолептические свойства, но и большую усвояемость.

В связи с интенсивным развитием биотехнологий области применения ферментных препаратов и ферментов в отраслях продовольственного комплекса расширяются и имеют большие перспективы.