Углеводы

Углеводы — органические соединения, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Они синтезируются растениями из углекислоты и воды под действием солнечной энергии в присутствии хлорофилла. В растительных продуктах углеводы составляют 80% органических веществ, а в животных — 2%. При биологическом окислении углеводов выделяется энергия, необходимая для поддержания жизнедеятельности организма. При окислении 1 г углеводов выделяется 3, 75 ккал, или 15, 7 кДж. Избыток углеводов, особенно легкоусвояемых (сахар, кондитерские изделия), превращается в жир, который откладывается в организме и способствует повышению уровня холестерина в крови, что приводит к развитию атеросклероза.

По химическому строению углеводы подразделяют на моносахариды (простые сахара), олигосахариды (углеводы, построенные из небольшого количества моносахаридов) и полисахариды (несладкие, в воде образуют коллоидные растворы).

Моносахариды. Из моносахаридов в пищевых продуктах чаще всего встречаются гексозы (шесть атомов углерода) — глюкоза, фруктоза и галоктоза. Они имеют общую формулу С₆Н₁₂О₆, но разное расположение атомов.

Глюкоза (виноградный сахар) в наибольших количествах находится в винограде, ягодах, меде, плодах зеленых частей растений. Глюкоза усваивается наиболее эффективно и быстро при наличии соответствующих ферментов. Для нормального функционирования организма человека необходимо содержание глюкозы в крови в количестве 80-120 мг%. Значительное накопление глюкозы в крови приводит к перенапряжению гормональной системы, в моче появляется сахар, что свидетельствует о возникновении сахарного диабета. Глюкоза восстанавливается в шестиатомный спирт — сорбит, который применяют для лечения диабета. Получают глюкозу кислотным гидролизом крахмала и применяют в кондитерском производстве.

Фруктоза (плодовый сахар) обладает восстанавливающими свойствами, образуя при этом два шёстиатомных спирта (сорбит и маннит), имеющих сладковатый вкус. Получают фруктозу кислотным гидролизом полисахарида инулина, содержащегося в чесноке, корнях цикория и в клубнях топинамбура. Наибольшее количество фруктозы содержится в меде (37%), ягодах и фруктах (4-7%).

Глюкоза и фруктоза хорошо растворяются в воде, обладают большой гигроскопичностью (особенно фруктоза), легко сбраживаются дрожжами с образованием спирта и углекислого газа.

Галактоза является составной частью молочного сахара (лактозы) и пектиновых веществ, имеет незначительную сладость.

Поскольку моносахариды обладают восстанавливающими свойствами, их называют восстанавливающими, или редуцирующими, сахарами. Для редуцирующих Сахаров характерна высокая гигроскопичность, поэтому их содержание регламентируется стандартом в таких продуктах, как сахар, карамель, мармелад, пастила и др. Моносахариды сбраживаются дрожжами и микроорганизмами, на чем основано производство многих продовольственных товаров - спирта, вина, сыров, кисломолочных продуктов и др.

Олигосахариды. Они состоят из 2—6 остатков моносахаридов. К олигасахаридам относят дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза, трегалоза) — С₁₂Н₂₂О₁₁ и трисахарид (рафинозу) — С₁₈Н₃₂О₁₆.

Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар) находится в сахарной свекле (12—24%), сахарном тростнике (14—26%), сахаре (99, 7-99, 9%), плодах и овощах, кондитерских изделиях. Под действием ферментов и кислот при нагревании происходит гидролиз (инверсия) сахарозы на глюкозу и фруктозу:

Мальтоза (солодовый сахар) образуется при гидролизе крахмала, содержится в патоке, проросшем зерне. Она менее сладкая, чем сахароза. При расщеплении мальтозы образуется только глюкоза (полный кислотный гидролиз).

Лактоза (молочный сахар). Основным источником ее служит коровье (5%) и женское (8%) молоко. В организме человека расщепляется под действием фермента лактозы на глюкозу и галактозу. У некоторых людей этот фермент может быть недостаточно активен или отсутствует, что приводит к непереносимости молока. Таким людям рекомендуются кисломолочные продукты, в которых лактоза сбраживается молочнокислыми бактериями в молочную кислоту.

Трегалоза (грибной сахар) содержится только в грибах и хлебопекарных дрожжах.

Рафиноза находится в небольших количествах в сахарной свекле и зерновых продуктах; она растворима в воде, несладкая на вкус. При ее гидролизе образуются глюкоза, фруктоза и галактоза.

Все сахара гигроскопичны, поэтому сахар, карамель при хранении в сыром помещении увлажняются. При нагревании Сахаров до температуры 160—190 °С образуются продукты темно-коричневого цвета. Такой процесс называется карамелизацией. Лактоза, глюкоза и фруктоза в растворе при 100 °С вступают в реакцию с аминокислотами белков, образуя темноокрашенные меланоидиыы. Этим объясняется потемнение молочных консервов, корки хлеба при выпечке, цвет черного чая, жареного кофе и других продуктов.

Сахара способны кристаллизоваться из водных растворов, например кристаллизация меда при хранении, варенья при низких температурах.

Полисахариды (С₆Н₁₀О₅). Они состоят из большого количества остатков молекул моносахаридов, на которые распадаются при кислотном гидролизе. К полисахаридам относят крахмал, гликоген, инулин и клетчатку.

Крахмал — полисахарид второго порядка, состоит из сотен и тысяч остатков молекул моносахаридов. Находится в растениях в виде крахмальных зерен, различающихся свойствами и химическим составом. Крахмал разных видов имеет различные форму и размер зерен. Самые крупные зерна овальной формы у картофельного крахмала, а самые мелкие угловатой формы — у рисового. Крахмал откладывается в качестве запасного вещества в клубнях, корнях, плодах и других частях растений. Наиболее богаты крахмалом зерна злаковых культур (в %): пшеница — 70, рожь — 65, кукуруза, рис, горох — 60-80, картофель — 24.

Наружная часть зерна крахмала состоит из вещества а м и л о -пектина, а внутренняя — из амилозы. Амилопектин при нагревании с водой набухает и клейстеризуется, в результате чего происходит увеличение объема при варке круп, макаронных изделий, образование вязких коллоидных растворов (при варке киселей и др.). В холодной воде крахмал нерастворим. Под действием фермента α -амилазы крахмал расщепляется до декстринов, под действием (β -амилазы — до мальтозы, которая в свою очередь под действием мальтазы превращается в глюкозу. Гидролизом крахмала получают патоку. Крахмал под действием осахаривающих ферментов слюны и пищеварительных соков осахаривается и хорошо усваивается. Под действием йода крахмал окрашивается в синий цвет; это характерная реакция для определения наличия крахмала.

Гликоген (животный крахмал) откладывается в печени животных, при гидролизе переходит в глюкозу, легко набухает и растворяется в воде. Содержание в животных продуктах (рыба, мясо, яйца) — до 1%. Гликоген имеется в грибах, дрожжах, зерне кукурузы.

Инулин содержится в клубнях и корнях некоторых растений — земляная груша (топинамбур), корни цикория и одуванчика (15—17%). Инулин легко растворяется в теплой воде, образуя при этом коллоидный раствор. При кислотном гидролизе или под действием инулазы он превращается во фруктозу. На этом свойстве инулина основано производство фруктового сахара, предназначенного для питания людей, больных диабетом, склонных к ожирению и больных кариесом.

Клетчатка является основной структурной частью клеточных стенок хлорофиллоносных растений и относится к пищевым волокнам. В значительных количествах она находится в кожуре плодов, овощей, в муке низших сортов и нешлифованных крупах. Клетчатка не растворяется в воде, в слабых растворах серной кислоты и щелочи. Она не усваивается организмом человека, поэтому относится к балластным веществам. Однако она необходима, поскольку вследствие волокнистого строения способствует пищеварению, усиливает перистальтику кишечника, так как она выводит из организма соли тяжелых металлов, холестерин и другие вредные вещества.

Пектиновые вещества. Они являются продуктом окисления глюкозы и построены из остатков галактуриновой кислоты. В значительных количествах находятся в плодах, ягодах и овощах (яблоки, абрикосы, хурма, персики, крыжовник — 0, 3—1, 5%; тыква, земляника, смородина — 0, 5—0, 8%) в виде протопектина, пектина и пектиновой кислот. Пектиновые вещества, так же как и клетчатка, являются балластными веществами, не перевариваются и не всасываются в желудке и кишечнике. Однако роль пектина огромна, так как он связывает вредные и ядовитые вещества и выводит их из организма, способствует нормальному выделению желчи, снижает уровень холестерина в крови.

Протопектином богаты недозрелые плоды и овощи, он обусловливает твердую консистенцию их. При созревании плодов и овощей протопектин гидролизуется до пектина, вследствие чего плоды и овощи становятся мягче. При перезревании плодов и овощей значительная часть пектина превращается в пектиновую кислоту, придающую плодам и овощам неприятный вкус.

Под действием кислот или фермента протопектиназы протопектин переходит в растворимый в воде пектин, который в присутствии сахара (65—70%) и кислот образует студни. Это свойство пектина широко используется в кондитерской промышленности для производства желе, варенья, джемов, мармеладов, зефира и др.