Пищевые волокна в продуктах питания

  ПИЩЕВЫЕ ВОЛОКНА: ОСНОВНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

    Долгое время отношение людей к веществам, которые сейчас называются пищевыми волокнами, оставалось отрицательным. С позиций ранних теорий питания они считались балластом, не представляющим никакой ценности для организма человека. С появлением теории адекватного питания, сформулированной российским физиологом А.М.Уголевым в 80-х гг. XX в., мнение о балластных веществах стало меняться. Теория адекватного питания сфокусировала внимание на важной роли этих веществ в процессах пищеварения и обмена веществ в целом, их влиянии на рост и развитие нормальной кишечной микрофлоры.

     Согласно  концепции здорового (функционального) питания, которая была сформулирована в 80-е гг. в Японии и к середине 90-х гг. разработана в Европе и США, пищевые волокна относятся к группе физиологически функциональных ингредиентов. Данная группа объединяет входящие в составы пищевых продуктов вещества (и их комплексы) животного, растительного и минерального происхождения, а также живые микроорганизмы, обладающие способностью оказывать благоприятное влияние на одну и/или несколько метаболических реакций организма человека при систематическом употреблении в количествах, сопоставимых с суточной физиологической потребностью в них.

     В последние 10 лет пищевые волокна служат объектом пристального внимания и серьезного изучения физиологов и технологов. Тенденция к возврату пищевых волокон в рационы питания все более четко прослеживается на примерах новых разнообразных пищевых продуктов, появившихся в последнее время на продовольственном рынке, - от хлеба с отрубями до обогащенного растворимыми волокнами молока. Другим аспектом этого процесса являются технологические свойства пищевых волокон, обусловливающие их широкое применение в составе группы пищевых добавок, "изменяющих структуру и физико-химические свойства пищевых продуктов" .

     Пищевые волокна – сложные углеводы, полимеры моносахаридов и их производных, содержащиеся в растительной пище и не перевариваемые ферментами организма человека, но перерабатываемые полезной микрофлорой кишечника. По физико–химическим свойствам пищевые волокна подразделяют на растворимые и нерастворимые.

     Растворимые пищевые волокна в водной среде сильно набухают, впитывая воду, и превращаются в слизистую, студнеобразную массу. К ним относят пектины, камеди, слизи, некоторые фракции гемицеллюлозы.

     Нерастворимые пищевые волокна в водной среде сильно набухают, но сохраняют при этом свою форму. К ним относятся целлюлоза, лигнин, часть гемицеллюлозы.Из нерастворимых пищевых волокон в продуктах чаще всего присутствует целлюлоза, или клетчатка. Она сходна по химическому строению с крахмалом, является полимером глюкозы. Однако из-за различий в строении молекулярной цепочки целлюлоза, в отличие от крахмала, не расщепляется в кишечнике человека. Целлюлоза является главной составной частью клеточных стенок растений, придает тканям растений прочность и эластичность Много клетчатки (целлюлозы) содержится в овощах – капусте, моркови, кабачках.

Гемицеллюлоза – полисахарид клеточной оболочки, состоящий из разветвленных полимеров глюкозы и гексозы. Гемицеллюлоза способна удерживать воду и связывать ионы тяжелых металлов. Она преобладает в зерновых продуктах, в семенах бобовых.

Лигнин –  органическое полимерное соединение, состоящее из полимеров ароматических спиртов. Лигнины сообщают структурную жесткость оболочке растительной клетки, они обволакивают целлюлозу и гемицеллюлозу, вызывают одревеснение тканей растения. Лигнины способны ингибировать переваривание оболочки кишечными микроорганизмами, поэтому наиболее насыщенные лигнином продукты (отруби и др.) плохо перевариваются в кишечнике.

Сходную с целлюлозой структуру имеет хитин – полисахарид, из которого состоит скелет клеточных  стенок грибов. Хитин также является основным компонентом наружного  скелета (кутикулы) насекомых ракообразных и других членистоногих.

Пектины - сложный  комплекс коллоидных полисахаридов. Пектинами  богаты спелые фрукты, ягоды и некоторые  овощи. Протопектины – это нерастворимые  комплексы пектинов с целлюлозой и гемицеллюлозой, которые содержатся в незрелых фруктах и овощах. При созревании плодов или их тепловой кулинарной обработке эти комплексы разрушаются, протопектины переходят в пектины, что проявляется в размягчении фруктов, ягод и овощей. Пектины в присутствии органических кислот и сахара образуют желе, что используется при производстве джемов, мармеладов, пастилы. Особенно много пектинов в яблоках, сливах, черной и красной смородине, свекле. Пектины обладают свойствами сорбента – способностью связывать и выводить из организма холестерин, радионуклиды, соли тяжелых металлов (свинец, ртуть, стронций, кадмий и др.). Благодаря обволакивающим свойствам, пектины способствуют заживлению слизистой оболочки кишечника при ее повреждениях.

Камеди –  сложные высокомолекулярные углеводы, не входящие в состав клеточной оболочки растений. В кишечнике они способны связывать соли тяжелых металлов и холестерин. Согласно данным ботанико-фармакогностического словаря камедями считают продукты, выделяющиеся из надрезов и трещин растений или получаемые в результате их промышленной переработки, а также относятся препараты на основе полисахаридов, продуцируемых некоторыми видами микроорганизмов.  
 
Камедь рожкового дерева, известная еще в Древнем Египте, получается при переработке семян растения Ceratonia siligua. Препарат гуаровой камеди извлекается из молотого эндосперма семян гуарового растения, культивируемого в Индии и Пакистане.  
Ксантановая камедь остается единственным полисахаридом, получаемым промышленным способом в широком масштабе путем микробного биосинтеза в аэробных условиях (ферментацией углеводов микроорганизмами Xanthomonas campetris). Промышленное получение ксантана освоено с середины прошлого столетия. Ксантан широко применяют при производстве хлебо-булочных и кондитерских изделий, мармеладов, джемов, желе, соусов, соков и напитков. При выработке мясных продуктов ксантановую камедь до последнего времени в нашей стране использовали ограниченно. 
 
Химический состав камедей не однороден: они относятся к гетерополисахаридам (гексозаны, пентазаны, полиурониды)  
По степени растворимости в воде камеди делятся на полностью растворимые (аравийская камедь), мало растворимые, но сильно набухающие (камеди вишни, сливы и другие) и нерастворимые (камеди лоха и трагаканта)  
Камедь рожкового дерева растворяется только в горячей воде. Ксантановая и гуаровая камеди хорошо диспергируют и набухают в холодной и горячей воде с образованием вязких коллоидных растворов. В отличие от камеди рожкового дерева высокая растворимость гуара объясняется наличием в составе его молекул часто чередующихся участков с боковыми цепями / 3 /. Высокая гидрофильность ксантановой камеди также обусловлена химическим строением ее молекул – наличием боковых цепей и большого числа заряженных карбоксильных групп/. Ксантановя камедь хорошо растворима в присутствии поваренной соли и сахара. 

Слизи – это  сложные смеси гликопротеидов, образующие вязкие водные растворы. Слизи содержатся в семенах многих растений (лен, подорожник, овес, ячмень, рис).

     Растворимые и нерастворимые пищевые волокна  влияют на функции пищеварительного тракта разными путями. Так как в желудочно-кишечном тракте отсутствуют ферменты, расщепляющие волокна, последние достигают толстого кишечника в неизменном виде. Содержащиеся здесь бактерии обладают ферментами, способными метаболизировать некоторые волокна и, в первую очередь растворимые. За счет ферментации бактерии получают энергию для размножения и строительства новых клеток.

     Нерастворимые компоненты волокон, которые не подвергаются действию ферментов бактерий, удерживают воду в кишечнике. Благодаря водопоглотительной способности пищевые волокна стимулируют перистальтику кишечника, способствуют продвижению остатков пищи вследствие большого объема стула. Позитивное физиологическое воздействие пищевых волокон на организм человека не ограничивается эффектами, связанными с функционированием пищеварительного тракта. Нерастворимые пищевые волокна участвуют в механизме предупреждения кариеса, а также выполняют функции энтеросорбентов, связывая токсичные вещества и радионуклиды и выводя их из организма.

     Наиболее  важные физиологические функции  растворимых пищевых волокон обусловлены их пребиотическими свойствами, которые связаны с участием в формировании питательной среды для развития нормальной кишечной микрофлоры, прежде всего бифидобактерий. Пребиотики - функциональные пищевые ингредиенты в виде вещества или комплекса веществ, обеспечивающие при систематическом употреблении оптимизацию микроэкологического статуса организма человека за счет избирательной стимуляции роста и (или) биологический активности нормальной микрофлоры пищеварительного тракта. К ним относятся волокна полисахаридной природы (инулин, гуммиарабик) и олигосахариды (олигофруктоза, лактулоза), которые способствуют росту и развитию нормальной кишечной микрофлоры человека, в том числе бифидобактерий . Среди известных сегодня бифидогенных факторов наибольшую долю составляют ферментируемые бактериями углеводы, специально синтезированные или выделенные из природных источников (например, топинамбура, цикория и др.). В настоящее время из перечисленных выше пребиотиков наибольшее коммерческое значение имеют олигосахариды и растворимые пищевые волокна. Их использование с пищей не увеличивает содержание глюкозы в крови и не стимулирует образование инсулина. Добавление этих пищевых волокон в пищу не сопровождается ухудшением органолептических свойств продуктов. 
 
 
 
 
 
 
 

ПИЩЕВЫЕ ВОЛОКНА КАК ГИДРОКОЛЛОИДЫ

     Гидроколлоиды — обширная группа пищевых ингредиентов, выделенная в 1978 г. в самостоятельную  категорию на основании общности свойств, проявляемых ими в пищевых системах. В эту группу входят соединения, добавляемые в жидкие или твердые продукты питания в процессе их изготовления с целью придания желаемой вязкости или консистенции, а также с целью стабилизации пищевых дисперсных систем (эмульсий, суспензий и др.)

     Исходя  из этого определения, к гидроколлоидам, имеющим статус пищевых добавок, относятся вещества трех функциональных классов — загустители, гелеобразователи и стабилизаторы, проявляющие в  отдельных случаях смежную функцию  эмульгатора.

     Гидроколлоиды по химической природе представляют собой линейные или разветвлённые полимерные цепи с гидрофильными группами, которые вступают в физическое взаимодействие с имеющейся в продукте водой. За исключением микробных полисахаридов - ксантана Е 415 и геллановой камеди Е 418, а также желатина (животный белок) - гелеобразователи и загустители являются углеводами (полисахаридами) растительного происхождения, растительными гидроколлоидами. Их получают из наземных растений или водорослей. Из бурых водорослей получают альгиновую кисоту Е 400 и её соли Е 401...404. Наиболее популярные гелеобразователи - агар (агар-агар) Е 406 и каррагинан (в том числе фурцеллеран) Е 407 - получают из красных морских водорослей, а пектин Е 440 - чаще всего из яблок и цитрусовых. Полисахариды, полученные из растений, подразделяют на защитные коллоиды, выделяемые растением при повреждениях (экссудаты, смолы), и муку семян (резервные полисахариды растений). К смолам относятся: арабиногалактан Е 409, трагакант Е 413, гуммиарабик Е 414, камедь карайи Е 416, камедь гхатти Е 419. К резервным полисахаридам - мука семян рожкового дерева Е 410, овсяная камедь Е 411, гуаровая камедь Е 412 и камедь тары Е 417.

     По  химическому строению гидроколлоиды  подразделяют на три группы: кислые полисахариды с остатками уроновой кислоты, кислые полисахариды с остатками серной кислоты и нейтральные полисахариды. В качестве загустителей применяются кислые гидроколлоиды с остатками уроновой кислоты (например, трагакант Е 413 и гуммиарабик Е 414), а также нейтральные соединения (например, камедь бобов рожкового дерева Е 410 и гуар Е 412). Кислые полисахариды с остатками серной кислоты применяются в качестве гелеобразователей (например, агар Е 406 и каррагинан Е 407).

     Эффективность действия гидроколлоидов определяется не только структурными особенностями их молекул (длиной цепи, степенью разветвления, природой мономерных звеньев и функциональных групп и их расположением в молекуле, наличием гликозидных связей), но и составом пищевого продукта, способом его получения и условиями хранения. На растворение и диспергирование гидроколлоидов влияют размер и форма их частиц, удельная поверхность, гранулометрический состав. Большое значение имеет способ приготовления раствора (дисперсии): интенсивность и время перемешивания, температура, значение рН, присутствие электролитов, минеральных веществ и гидратируемых веществ (например, сахара), возможность образования комплексов с другими имеющимися в системе соединениями, процессы распада, вызываемые ферментами или микроорганизмами. Есть загустители, которые могут образовывать ассоциаты с другими высокомолекулярными компонентами пищевого продукта, что вызывает заметное возрастание вязкости.

     Поведение нейтральных полисахаридов, в отличие  от полиэлектролитов, практически не зависит от изменения pH среды и концентрации соли.

     Наиболее  часто встречается следующий  механизм загущения. Молекулы загустителя  свёрнуты в клубки. Попадая в воду или в среду, содержащую свободную  воду (например, в напиток или  в смесь для мороженого), клубок молекулы загустителя благодаря сольватации раскручивается, подвижность молекул воды ограничивается, а вязкость раствора возрастает.

     Свойства  загустителей, особенно нейтральных  полисахаридов, можно менять путём  физической (например, термической) обработки  или путём химической модификации (например, введением в молекулу нейтральных или ионных заместителей). Путём химической или физической модификации крахмала можно добиться: понижения или повышения температуры его клейстеризации; понижения или повышения вязкости клейстера; повышения растворимости в холодной воде; появления эмульгирующих свойств; снижения склонности к ретроградации; устойчивости к синерезису, кислотам, высоким температурам, циклам оттаивания-замораживания. При этом получают разные виды модифицированных крахмалов (Е 1400...1405, Е 1410...1414, Е 1420...1423, Е 1440, Е 1442, Е 1443, Е 1450). К модифицированным полисахаридам относят сложные эфиры целлюлозы Е 461...467.

     Гели (желе) представляют собой дисперсные системы, по крайней мере двухкомпонентные, состоящие из дисперсной фазы, распределённой в дисперсионной среде. Дисперсионной средой является жидкость. В пищевых системах это обычно вода, и поэтому гель носит название гидрогеля. Дисперсной фазой является гелеобразователь, полимерные цепи которого образуют поперечно сшитую сетку и не обладают той подвижностью, которая есть у молекул загустителя в высоковязких растворах. Вода в такой системе физически связана и тоже теряет подвижность. Следствием этого является изменение консистенции пищевого продукта. Структура и прочность пищевых гелей, полученных с использованием разных гелеобразователей, могут сильно различаться.

     Гель  практически является закреплённой формой коллоидного раствора (золя). Для превращения золя в гель необходимо, чтобы между распределёнными в жидкости молекулами начали действовать силы, вызывающие межмолекулярную сшивку. Этого можно добиться разными способами: снижением количества растворителя за счёт испарения; понижением растворимости распределённого вещества за счёт химического взаимодействия; добавкой веществ, способствующих образованию связей и поперечной сшивке; изменением температуры и регулированием величины рН.