Фізіологічні функції і харчова цінність вуглеводів

Вуглеводи у вигляді різних похідних входять до складу клітин будь якого живого організму і виконують роль конструкційного матеріалу, постачальника енергії, субстратів та регуляторів специфічних біохімічних процесів. Поєднуючись з нуклеїновими кислотами, білками та ліпідами, вуглеводи складають високомолекулярні комплекси, які лежать в основі субклітинних структур і представляють собою основу живої матерії.

Основним джерелом вуглеводів у харчуванні є рослинні продукти. Серед важливих фізіологічних функцій вуглеводів слід відмітити такі:

1). Енергетична функція. Вуглеводи є головним джерелом енергії для організму людини. Енергія необхідна для життєдіяльності клітин, тканин та органів. В результаті біологічного окиснення вуглеводів виділяється енергія, яка акумулюється у вигляді багатих на енергію сполук, наприклад, АТФ, що приймає участь в забезпеченні значних енергетичних потреб організму.

2) Пластична функція. Вуглеводи використовуються для синтезу нуклеїнових кислот, амінокислот, білків та входять до складу різних тканин і рідин, виконуючи роль пластичного матеріалу.

3) Захисна функція. Вуглеводи відіграють важливу роль у захисних реакціях організму, особливо у тих, що відбуваються у печінці. Вуглеводи також є головними компонентами оболонок рослинних тканин і приймають участь в утворенні клітинних мембран.

4) Опорна функція. Клітковина та інші полісахариди утворюють міцний каркас рослин, складають їх механічні та опорні тканини. Разом з білками вуглеводи входять до складу хрящів, які виконують опорну функцію у людини та тварин.

5) Регуляторна функція. Вуглеводи приймають участь в обміні речовин. Якщо порушується обмін вуглеводів, то вони накопичуються в організмі, що призводить до розвитку ацидозу (підвищена кількість ацетону в крові).

Баластні речовини стимулюють перистальтику кишечника, сприяють виведенню із організму холестерину, перешкоджають всмоктуванню отруйних речовин з товстого кишечнику та покращують травлення. Моносахариди відіграють також значну роль в регуляції осмотичних процесів.

6) Спеціалізована функція. Деякі вуглеводи та їх похідні мають біологічну активність, виконуючи в організмі спеціалізовані функції. Так, гепарин попереджає зсідання крови в судинах, а гіалуронова кислота запобігає прониканню бактерій через клітинну оболонку.

Окремі представники вуглеводів виконують в організмі особливі функції, наприклад, беруть участь у проведенні нервових імпульсів, утворенні антитіл, забезпечують специфічність груп крові, нормальну діяльність центральної нервової системи.

Запаси вуглеводів в організмі людини обмежені. Їх кількість не перевищує 1% ваги тіла, а під час інтенсивної роботи цей запас швидко зменшується. Вуглеводи повинні кожної доби поступати до організму з їжею. Добова потреба людини у вуглеводах складає 400 – 500г. Вуглеводи становлять близько 1% від загальної ваги тіла людини.

Вуглеводи за харчовою цінністю поділяються на ті, що перетравлюються в організмі, і баластні речовини. До першого типу вуглеводів відносяться моносахариди, олігосахариди і полісахариди – глікоген, декстрини, крохмаль. До баластних речовин або харчових волокон відносяться такі полісахариди, як клітковина, геміцелюлози, пектинові речовини, інулін, гуми, слизи;

Вуглеводи першого типу, за виключенням моносахаридів, у травневому тракті розщеплюються, всмоктуються і потім безпосередньо утилізуються у вигляді глюкози або перетворюються на жир чи відкладаються у вигляді глікогену.

До основних процесів, що відбуваються під час обміну вуглеводіввідносять такі:

1) розщеплення у шлунково-кишковому тракті полісахаридів і дисахаридів, що поступають із їжею. Моносахариди всмоктуються з кишечника у кров;

2) синтез та розпад глікогену у тканях;

3) глюкоза анаеробно розщеплюється з утворенням пірувата (аніон або сіль піровиноградної кислоти СН₃СОСОО^–);

4) аеробний метаболізм пірувата (дихання);

5) вторинні шляхи катаболізму глюкози;

6) взаємоперетворення гексоз;

7) утворення вуглеводів із невуглеводних продуктів (піровиноградна, молочна кислоти, гліцерин, амінокислоти тощо).

Вуглеводи у вигляді глюкози циркулюють у крові і забезпечують потреби організму. Нормальний вміст глюкози у крові 80 – 120 мг в 100 мл, або 3, 3 – 5, 5 од. Надлишок вуглеводів перетворюється на глікоген, який використовується в якості джерела глюкози при недостатній кількості вуглеводів у їжі. При порушенні функції підшлункової залози, яка починає виробляти недостатню кількість гормону інсуліну, процеси утилізації глюкози уповільнюються, рівень глюкози у крові значно підвищується і у сечі виявляють цукор. Таке захворювання має назву цукровий діабет.

Вуглеводи, що не перетравлюються в організмі, складають харчові волокна. Вони не утилізуються організмом, проте відіграють важливу роль у травленні. Серед важливих функцій харчових волокон слід відзначити такі:

1) стимуляція моторної функції кишечнику;

2) перешкоджання всмоктуванню холестерину;

3) нормалізація складу мікрофлори кишечнику, уповільнення гнилісних процесів;

4) вплив на ліпідний обмін, порушення якого приводить до ожиріння;

5) адсорбція жовчних кислот;

6) сприяння зниженню вмісту токсичних речовин життєдіяльності мікроорганізмів і виведення із організму токсичних речовин.

Добова потреба людини у харчових волокнах складає 20 – 25 г. Недостатність у раціоні харчових волокон призводить до порушення обміну речовин, погіршення травлення та загального ослаблення організму. Водночас переважання у їжі грубих овочів, які містять багато харчових волокон, також небажане, бо призводить до неповного перетравлення їжі, порушення всмоктування мінеральних речовин та вітамінів.

Вміст вуглеводів у продуктах рослинного походження наведено у таблиці 2.

На вуглеводи багаті хліб, крупи, бобові, борошняні та макаронні вироби, мед, варення, сиропи, кондитерські вироби, сушені овочі і фрукти, картопля тощо.

Таблиця 2. Вміст вуглеводів у деяких харчових продуктах

Вуглеводи витрачаються в організмі в першу чергу. Тільки при різкому дефіциті їх у раціоні енергетичні витрати покриваються за рахунок жирів, а далі й білків.

2.2.1. Функції вуглеводів у харчових продуктах

Гідрофільність – здатність зв'язувати воду і контролювати активність води в харчових продуктах – одна з головних властивостей вуглеводів. Гідрофільність обумовлена наявністю в молекулах вуглеводів значної кількості гідроксильних груп. Ці групи взаємодіють з молекулами води, що приводить до сольватації та розчинення вуглеводів та інших їх полімерів. Ця властивість обумовлює необхідність у контролі надходження вологи до продукту, що містить вуглеводи. Наприклад, заморожені пекарські продукти не повинні містити значної кількості вологи, тому доцільно замість сахарози використовувати мальтозу, лактозу. В інших випадках потрібний контроль активності води, щоб запобігти втрати вологи під час зберігання (це застосування гігроскопічних вуглеводів, фруктових сиропів, інвертного цукру).

Вуглеводи мають властивість зв'язувати духмяні речовини. Для більшості харчових речовин, під час одержання яких використовуються різні види сушіння, вуглеводи є важливими компонентом, вміст яких сприяє збереженню кольору та летких духмяних речовин.

Леткі духмяні речовини – велика група карбонільних сполук, похідних карбонових кислот. Здатність зв'язувати ароматичних речовин більш виявляють дисахариди. Вуглеводи надають солодкий присмак продуктам.

Вуглеводи не належать до незамінних чинників харчового раціону, однак зниження їх споживання може спричинити порушення метаболічних процесів в організмі. Необхідно враховувати, що використання у харчовому раціоні рафінованих моно- і дисахаридів приводить до надходження «порожніх» калорій, які не збагачують раціон вітамінами, мінеральними елементами та іншими біологічно активними речовинами, проте призводять до гіперхолестеринемії, розвитку карієсу, внаслідок зменшення рН слини та ін.

2.2.1. Обмін вуглеводів

Вуглеводи надходять до нас в організм у вигляді складних полісахаридів, дисахаридів і моносахаридів. Основна кількість вуглеводів надходить у вигляді крохмалю. Розщеплюючись до глюкози, вуглеводи всмоктуються і через ряд проміжних реакцій розпадаються на вуглекислий газ і воду. Ці перетворення вуглеводів і остаточне окиснення супроводжуються вивільненням енергії, яка використовується організмом. Розщеплення складних вуглеводів – крохмалю й солодового цукру, починається вже в порожнині рота, де під впливом амілази й мальтази крохмаль розщеплюється до глюкози. У тонких кишках усі вуглеводи розщеплюються до моносахаридів.

В результаті розщеплювання різних дисахаридів утворюються три основні моносахариди – глюкоза, фруктоза і галактоза, які й всмоктуються у шлунково-кишковому тракті. Ці моносахариди поступають до печінки, де фруктоза і галактоза перетворюються на глюкозу, яка накопичується у вигляді глікогену.

Роль печінки у накопиченні вуглеводів встановив французький фізіолог К. Бернар. Він визначив вміст глюкози в крові, що надходить до печінки і виходить з неї після їжі, і знайшов, що концентрація цукру в крові, яка надходить, набагато вища, ніж у тій, яка виходить. Було виявлено, що одночасно з цим з'являється новий глікоген. Пізніше печінка знову перетворює глікоген на глюкозу, і тоді концентрація глюкози в крові, що виходить з печінки, стає вищою, ніж у крові, що надходить до печінки. К. Бернар встановив, що печінка підтримує концентрацію глюкози в крові на більш менш постійному рівні у будь-який час доби. Печінка може містити достатній запас глікогену для постачання крові глюкозою протягом 12 – 24 годин.

Оскільки глюкоза служить основним джерелом енергії для всіх клітин, її вміст у крові повинен підтримуватися вище певного мінімального рівня, який становить близько 60 міліграмів на 100 мл крові. При падінні вмісту глюкози нижче за цей рівень першим починає страждати головний мозок, оскільки його клітини на відміну від більшості інших клітин організму не здатні запасати глюкозу і не можуть використовувати як джерела енергії жири і амінокислоти. Коли рівень глюкози у крові низький, дифузія цієї речовини з крові в клітини, де вона піддається окисненню, відбувається недостатньо швидко щоб забезпечити мозок необхідним «паливом». Це приводить до симптомів, схожих на ті, які спостерігаються при недостатності кисню – до запаморочення свідомості, судом, втрати свідомості і смерті.

М'язові клітини, подібно до клітин печінки, також можуть перетворювати глюкозу на резервний глікоген, але глікоген м'язів служить тільки місцевим запасом «палива». Глікоген витрачається на м'язову роботу, але не може бути використаний для регулювання рівня глюкози в крові. У печінці міститься фермент – глюкозо-6-фосфатаза, який перетворює глюкозо-6-фосфат на вільну глюкозу, що поступає в кров. У м'язових клітинах цей фермент відсутній.

Глюкоза не тільки накопичується у вигляді глікогену або окиснюється для отримання енергії, але і може перетворюватися на резервний жир. Коли надходження глюкози перевищує безпосередню потребу в цій речовині, печінка перетворює глюкозу на жир, який може бути використаний як джерело енергії піздніше.

2.2.2. Перетворення вуглеводів у технологічному потоці та під час зберігання харчових продуктів

Під час зберігання харчової сировини, її технологічної переробки у готові продукти моносахариди та олігосахариди піддаються різним перетворенням. Це процеси кислотного, ферментного гідролізу оліго- та полісахаридів, бродіння моносахаридів, мелаїдиноутворення та карамелізація моносахаридів і дисахаридів. В багатьох харчових виробництвах використовується гідроліз олігосахаридів та полісахаридів. Гідроліз важливий як для процесів одержання харчових продуктів так і для процесів їх зберігання.

Процес мелаїдиноутворення пов'язаний із взаємодією відновлювальних (редукуючих) сахарів (монози та відновлювальні дисахариди, які містяться у продукті та утворюються під час гідролізу більш складних вуглеводів) з амінокислотами, пептидами та білками, в результаті чого утворюються темнозабарвлені продукти – мелаідини (меланос (грецьк.) – темний). Реакція Майєра – реакція утворення мелаїдинів:

Глюкозогліцин

Утворення глюкозоаміну це тільки початкова стадія реакції Майєра.

Механізм мелаїдиноутворення складний, представляє собою сукупність послідовних і паралельних реакцій. Відбувається утворення значної кількості проміжних продуктів, які далі взаємодіють як між собою, так і з вихідними речовинами.

Колоїдні, погано розчинні меланоїдини з характерним карамелеподібним ароматом є результатом альдольної конденсації і полімеризації вуглеводів.

Карбонільний атом Карбону редукованого сахару в відкритій формі підлягає нуклеофільній атаці вільною електронною парою амінного азоту. Це супроводжується втратою води і замиканням кільця з утворенням глюкозоаміна. За наявності надлишку редукованого сахару можливе утворення диглюкозоаміну:

Диглюкозоамін

Глюкозоамін піддається перегрупуванню по Амадоре:

Фруктозогліцин

Фруктозоамін був ідентифікований в ряді харчових продуктів, а саме в сухофруктах (персики, курага), сухих овочах, сухому молоці.

Продукти реакції, отримані при перегрупуванні Амадоре можуть в подальшому перетворюватися з утворенням меланоїдинових пігментів – сполук, які вміщують піразинові і імідазольні кільця, а також похідні оксиметилфурфурола. Утворення пігментів – надзвичайно складна реакція і важко піддається дослідженню. Вважають, що в утворенні пігментів має місце альдольна конденсація карбонових проміжних сполук або продуктів їх наступних реакцій. На цій стадії в реакції знову вступають амінокислоти, що приводять до утворення азотовмісних пігментів, які називають меланоїдинами. Коричневий колір пояснюється невираженністю спектра поглинання в видимому діапазоні, який складається із перекриваючих один одного спектрів поглинання багатьох хромофорів.

На сьогодні чітко встановлено, що високу здатність вступати в реакцію Майєра мають лізин, L-аргинін і L-гістидин, що призводить до зменшення їх вмісту в продукті.

На реакцію меланоїдиноутворення впливають такі фактори:

· температура: зростання температури на 10°С збільшує швидкість реакції у 2 – 3 рази;

· вологість: як дуже низька, так і дуже висока вологість стримує потемніння, найбільше потемніння має місце при проміжній вологості;

· іони металів: більш інтенсивне потемніння відбувається за наявності іонів Купруму та Феруму;

· структура сахарів;

· характер амінокислоти: чим далі від карбонільної групи розміщена аміногрупа, тим активніша дана амінокислота в реакції Майєра.

Реакція Майєра може бути небажаною для деяких технологічних процесів і продуктів, які при цьому виробляються. Перебіг цієї реакції можна інгібувати рядом факторів:

· значним зменшенням вологості (для сухих продуктів), зниженням концентрації сахарів (розведенням);

· зниженням рН, температури (для рідких продуктів);

· виключенням із процесу одного із компонентів, частіше сахару;

· використання сульфітації. Оксид сульфуру SО₂ викликає призупинення потемніння харчових продуктів, але сульфітація обмежується можливістю утворення у харчових продуктах малотоксичних компонентів.

Процес меланоїдиноутворення має як позитивний так і негативний вплив на якість харчових продуктів, що необхідно враховувати в різних технологіях при виробництві різних харчових продуктів.

В цілому продукти реакції карамелізації і меланоїдиноутворення та супутні їм ароматичні речовини мають велике значення для покращання кольору та аромату харчових продуктів (хліба, кондитерських виробів, молочних, безалкогольних та пива).

Реакції мелаїдиноутворення мають важливе зйачення у процесах переробки харчової сировини і впливають на якість готових продуктів. Особливо інтенсивно такі процеси відбуваються при високих температурах, наприклад, при випіканні хліба, сушці овочів, фруктів, одержанні сухого молока тощо. Утворення смачної, хрусткої, золотисто-коричневої скоринки хліба, зовнішній вигляд, смак і запах готових м'ясних продуктів пов'язані з мелаїдиноутворенням.

З мелаїдиноутворенням пов'язане потемніння сиропу під час його упарювання, зниження виходу спирту під час переробки кукурудзи низької якості, формування кольору і аромату під час «томління» червоного солоду і затору у пивоварінні. Продукти, які утворюються під час одержання вина, виготовленні коньяку та шампанського в результаті процесу мелаїдиноутворення, впливають на колір, смак і аромат напоїв. В результаті дуже тривалого протікання процесів мелаїдиноутворення під час довготривалої витримки вина останнє втрачає свої первинні органолептичні властивості. З реакціями мелаїдиноутворення пов'язане потемніння фруктових соків під час зберігання, зовнішній вигляд, смак і запах готових м'ясних продуктів.

Під час мелаїдиноутворення можуть зв'язуватися до 25% білків, вітамінів, амінокислот, знижується активність ферментів і багатьох біологічно активних сполук, тим самим знижується харчова цінність готових продуктів.

Нагрівання моносахаридів і дисахаридів до 100°С і вище приводить до змін їх хімічного складу, стає яскравішим колір продуктів, збільшується кількість редуційованих речовин. У харчовому виробництві важливе місце займає карамелізація сахарози, глюкози та фруктози. Основний вуглеводний компонент кондитерських виробів – сахароза, при нагріванні в ході технологічного процесу у слабокислому або нейтральному середовищі підлягає частковій інверсії з утворенням глюкози та фруктози, які далі також підлягають перетворенню. При відщепленні двох молекул води від сахарози утворюється карамелан, при відщепленні трьох молекул води – карамелен, потім – карамелин (важко розчинна у воді сполука). Ступінь полімеризації утворених продуктів може бути різним. Схематично процес перетворень вуглеводів при нагріванні можна записати так:

nС₁₂Н₂₂О₁₁ 2nС₆Н₁₂0₆ 2nС₆Н₁₀О₅

Дисахариди Моносахариди Ангідриди

моносахаридів

продукти конденсації (реверсії)

Оксиметилфурфурол

Забарвлені і гумінові речовини

Левулинова кислота

та

НСООН

Мурашина кислота

Під час виготовлення кондитерських виробів, наприклад карамелі, під дією високої температури відбуваються перетворення концентрованих розчинів вуглеводів (із масовою часткою до 80%), тому основними продуктами карамелізації є ангідриди і продукти їх конденсації.

1, 6-Ангідро- 1, 4; 3, 6-Диангідро- Левоглюкозенон

-b-D-глюкопіраноза -D-глюкопіраноза

Під час їх взаємодії з металами і амінокислотами утворюються різні складні за складом сполуки, які погіршують якість, підсилюють забарвлення і гігроскопічність готових продуктів.

2.2.3. Солодкість вуглеводів

Відчуття солодкості в роті при вживанні низькомолекулярних вуглеводів характеризує важливу функцію їх в харчових продуктах. В таблиці 3 надана характеристика відносної солодкості різних вуглеводів в порівнянні з сахарозою (солодкість якої прийнята за 100)

Таблиця 3. Відносна солодкість (ВС) різних вуглеводів