Углеводы пищевых продуктов

Значение углеводов в питании человека весьма велико. Они  служат важнейшим источником энергии, обеспечивая до 50-70% общей калорийности рациона. Средняя потребность в углеводах для тех, кто не занят тяжелым физическим трудом, 400-500 г. в сутки. При построении пищевых рационов важно не только удовлетворить потребности человека в необходимом количестве, но и подобрать оптимальные соотношения легкоусвояемых углеводов и медленно всасывающихся. С нарушением обмена углеводов тесно связан ряд заболеваний: сахарный диабет, галактоземия, нарушение в системе депо гликогена, не толерантность к молоку и т.д.

 

 

 

2. Классификация, строение, свойства и характеристика

  углеводов

 

 

Углеводы – органические вещества, содержащие карбонильную группу и несколько гидроксильных групп.

Все углеводы состоят из отдельных «единиц», которыми являются сахариды. Углеводы делят на моносахариды (простые сахара), олигосахариды (сложные сахара) и полисахариды (несахароподобные) [3]. Углеводы, содер-жащие одну единицу называются моносахариды, две единицы – дисахариды, от двух до десяти единиц — олигосахариды, а более десяти — полисахариды.

Моносахариды (от греческого monos — единственный, sacchar — сахар) — простейшие углеводы, не гидролизующиеся с образованием более простых углеводов. Представляют собой бесцветные, легко растворимые в воде, плохо — в спирте и совсем нерастворимые в эфире, твёрдые кристал-лические органические соединения, одна из основных групп углеводов, самая простая форма сахара. Водные растворы имеют нейтральную pH. Некоторые моносахариды обладают сладким вкусом. Они содержат карбонильную (альдегидную или кетонную) группу, поэтому их можно рассматривать как производные многоатомных спиртов. В зависимости от длины углеродной цепи (от трёх до десяти атомов) различают триозы, тетрозы, пентозы, гек-созы, гептозы и так далее.

Моносахариды  — стандартные блоки, из которых синтезируют-ся дисахариды, олигосахариды и полисахариды.

Олигосахариды (от греч. ὀλίγος — немногий) — углеводы, молекулы которых синтезированы из 2 — 10 остатков моносахаридов, соединённых гликозидными связями. Соответственно различают: дисахариды, трисахариды и так далее. Наиболее распространены среди олигосахаридов дисахариды.

Дисахариды (от di — два, sacchar — сахар) — сложные органические соединения, , при гидролизе каждая молекула распадается на две молекулы моносахаридов, являются частным случаем олигосахаридов. По строению дисахариды представляют собой гликозиды, в которых две молеку-лы моносахаридов соединены друг с другом гликозидной связью, образованной в результате взаимодействия гидроксильных групп (двух полуацетальных или одной полуацетальной и одной спиртовой). В зависимости от строения дисахариды делятся на две группы: восстанавливающие и невосстанав-ливающие.

Среди природных трисахаридов наиболее распространена раффиноза — невосстанавливающийся олигосахарид, содержащий остатки фрукто-зы, глюкозы и галактозы — в больших количествах содержится в сахарной свёкле и во многих других растениях.

Полисахариды — общее название класса сложных высокомоле-кулярных углеводов, молекулы которых состоят из десятков, сотен или тысяч мономеров — моносахаридов. С точки зрения общих принципов строения в группе полисахаридов возможно различить гомополисахариды, синтезированные из однотипных моносахаридных единиц и гетерополи-сахариды, для которых характерно наличие двух или нескольких типов мономерных остатков.

Гомополисахариды (гликаны), состоящие из остатков одного моносаха-рида, могут быть гексозами или пентозами, то есть в качестве мономера может быть использована гексоза или пентоза. В зависимости от химической природы полисахарида различают глюканы (из остатков глюкозы), маннаны (из ман-нозы), галактаны (из галактозы) и другие подобные соединения. К группе гомо-полисахаридов относятся органические соединения растительного (крахмал, целлюлоза, пектиновые вещества), животного (гликоген, хитин) и бактериального (декстраны) происхождения.

Полисахариды – это один из основных источников энергии организма, образующейся в результате обмена веществ. Полисахариды принимают участие в иммунных процессах, обеспечивают сцепление клеток в тканях, являются основной массой органического вещества в биосфере.

Углеводы — весьма обширный класс органических соединений, среди них встречаются вещества с сильно различающимися свойствами.

 

Простые углеводы

 

Пентозы (С5Н10О5) – арабиноза, ксилоза и рибоза – моносахариды, молекула которых содержит 5 атомов углерода. Они содержаться в основном в растительных продуктах как в свободном виде, так и в виде высоко-молекулярных полисахаридов (пентозанов, гуммиобразующих веществ и др.). Пентозы   оптически активны, обладают восстанавливающими свойствами. Они растворимы, но не окисляются ферментами организма человека. Особое биологическое значение имеет пентоза рибоза, входящая в состав рибо-нуклеиновых кислот (РНК), и дезоксирибоза, входящая в состав дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК). Они имеют первостепенное значение в биосинтезе белка. Производные рибозы – спирт рибит – входят в состав некото-ёрых витаминов (В2) и ферментов дегидрогеназ.

Гексозы (С6Н12О6) – это моносахариды, молекулы которых содержат 6 атомов углерода. Главными представителями гексоз являются  глюкоза и фруктоза.

Глюкоза – виноградный сахар, наиболее важный из всех моносахаридов, так как является структурной единицей (кирпичиком) для построения большинства пищевых ди- и полисахаридов. Получают ее гидролизом крахмала и клетчатки. Сбраживается дрожжами.

По физическим свойствам глюкоза – твердое белое кристаллическое вещество сладкого вкуса, хорошо растворимое в воде и способное к образованию перенасыщенных растворов («сиропов»).

Растворы глюкозы оптически активны. Она является сильным восстановителем. В частности, она способна восстанавливать окись меди в закись. На этом свойстве основано химическое определение глюкозы и других восстанавливающих сахаров.

Соединяясь с другими веществами, глюкоза образует гликозиды – вещества, широко распространенные в природе и часто находящиеся в пищевых продуктах [7].

 Концентрация глюкозы в крови в норме поддерживается на постоянном уровне и составляет 3,33–5,55 мкмоль/л, что соответствует 75–110 мг в 100 мл крови. При снижении уровня глюкозы в крови или ее высокой концентрации и невозможности использования, как это происходит при диабете, наступает сонливость, может наступить потеря сознания.

Глюкоза «в чистом виде», как моносахарид, содержится в овощах и фруктах. Особенно богаты глюкозой виноград – 7,8%, черешня, вишня – 5,5%, малина – 3,9%, земляника – 2,7%, слива – 2,5%, арбуз – 2,4%. Из овощей больше всего глюкозы содержится в тыкве – 2,6%, в белокочанной капусте – 2,6%, в моркови – 2,5%.

Фруктоза – фруктовый сахар, который входит в состав сахарозы, образует высокомолекулярный полисахарид инсулин, сбраживается дрожжами. Получают фруктозу из сахарозы, инсулина, трансформацией других моноз методами биотехнологии.

По физическим свойствам она напоминает глюкозу, но слаще ее в 2,5 раза.

Фруктоза оптически активна, но ее растворы вращают плоскость поляризованного луча света не вправо (как глюкоза), а влево. Она является сильным восстановителем. Фруктоза способна вступать в соединения с дру-гими веществами, при этом образуя соединения, именуемые фруктозидами [7].

Фруктоза легче, чем глюкоза, способна превращаться в жиры. В отличие от глюкозы она может без участия инсулина проникать из крови в клетки тканей. По этой причине фруктоза рекомендуется в качестве наиболее безопасного источника углеводов для больных диабетом.

Основными источниками фруктозы в пище являются виноград – 7,7%, яблоки – 5,5%, груши – 5,2%, вишня, черешня – 4,5%, арбузы – 4,3%, черная смородина – 4,2%, малина – 3,9%, земляника – 2,4%, дыни – 2,0%. В овощах содержание фруктозы невелико – от 0,1% в свекле до 1,6% в белокочанной капусте. Фруктоза содержится в меде – около 3,7%.

Лактоза – молочный сахар, который присутствует в молоке млеко-питающих животных. Ее содержание в коровьем молоке составляет – 4,7%, в козьем – 4,5%, в кумысе – 6,5%, в овечьем – 4,0% [7].

При гидролизе лактозы под действием фермента образуется глюкоза и галактоза. Дефицит этого фермента у некоторых людей приводит к непере-носимости молока. Симптомы недостаточности лактазы – спазмы в животе, понос, метеоризм. В их основе – накопление лактозы, которая задерживает воду в силу своей осмотической активности, а также действие на сахар ферментов кишечных бактерий, образующих газы и другие продукты, раздражающие кишечник [1].

Лактоза обладает восстанавливающими свойствами. Водные растворы лактозы склонны к потемнению, что затрудняет получение молочных консервов. Под влиянием молочнокислых бактерий лактоза сбраживается в молочную кислоту [7].

Галактоза – это продукт расщепления основного углевода молока – лактозы. Галактоза в свободном виде в пищевых продуктах не встречается, а входит в состав полисахаридов, например, агар-агар, различных слизей, пектиновых веществ [7].

Галактоза, образующаяся при расщеплении лактозы, превращается в печени в глюкозу. При врожденном наследственном недостатке или отсутствии фермента, превращающего галактозу в глюкозу, развивается тяжелое заболевание - галактоземия, которая ведет к умственной отсталости.

Сахароза – это свекловичный или тростниковый сахар, образованный молекулами глюкозы и фруктозы. Содержание сахарозы в сахаре песке составляет 99,7%, а в сахаре рафинаде – 99,9%. Сахар быстро расщепляется в желудочно–кишечном тракте, глюкоза и фруктоза всасываются в кровь и служат источником энергии и наиболее важным предшественником гликогена и жиров.

По физическим свойствам сахароза представляет собой белое кристал-лическое вещество, которое существует в различных состояниях (крупно-кристаллическое, мелкокристаллическое, аморфное). Сахароза хорошо раство-ряется в воде, особенно в горячей, поэтому она способна образовывать «пере-насыщенные растворы» - сиропы, которые могут «засахариваться», т.е. происходит образование мелкокристаллических суспензий. Концентри-рованные растворы сахарозы способны образовывать особые стеклообразные системы – карамели, что используется человеком для получения определенных сортов конфет. Сахароза – сладкое вещество, но интенсивность сладкого вкуса у нее меньше, чем у фруктозы.

Важнейшим химическим свойством сахарозы является ее способность к гидролизу, при котором образуется альфа-глюкоза и бета-фруктоза, которые вступают в реакции обмена углеводов.  

Обильное потребление сахара приводит к нарушению обмена холестерина и повышению его уровня в сыворотке крови. Избыток сахара отрицательно сказывается на функции кишечной микрофлоры. При этом повышается удельный вес гнилостных микроорганизмов, усиливается интенсивность гнилостных процессов в кишечнике, развивается метеоризм.

В некоторых растениях она может накапливаться в больших количествах. Так, содержание сахарозы в сахарной свекле составляет от 15 до 24%, в сахарном тростнике – 12-15, в бананах – до 13, в дынях – до 5,9, в моркови – до 3,5% [9].

Мальтоза – это солодовый сахар, который образуется при соединении двух молекул глюкозы. Ее содержат мед, солод, пиво, патока и хлебобулочные и кондитерские изделия, изготовленные с добавлением патоки.

Обладает восстанавливающими свойствами, хорошо растворима в воде, менее сладка, чем сахароза. Хорошо усваивается организмом человека [7]. 
        В пище человека присутствуют, кроме дисахаридов, три– и тетрасахариды. Чаще всего в пище встречаются трисахарид раффиноза (глюкоза + фруктоза + галактоза) и тетрасахарид стахиоза (глюкоза + фруктоза + 2 молекулы галактозы). Раффиноза и стахиоза в значительных количествах содержатся в бобовых и черном хлебе. У некоторых людей наблюдается непереносимость этих продуктов из–за отсутствия или низкого содержания ферментов, необходимых для расщепления раффинозы и стахиозы. В этих случаях, как и при непереносимости молока, может развиваться обильное газообразование, боли в области живота и даже понос [6].

 

Сложные углеводы

 

Крахмал – основной из перевариваемых полисахаридов. На его долю приходится до 80% потребляемых с пищей углеводов.

Он образуется и накапливается в хлоропластах зеленых частей растения в форме маленьких зернышек, откуда путем гидролизных процессов переходит в водорастворимые сахара, которые легко переносятся через клеточные мембраны и попадают в другие части растения. В организме человека крахмал сырых растений постепенно распадается в пищеварительном тракте, при этом распад начинается еще во рту. Слюна частично превращает его в мальтозу.

По физическим свойствам крахмал представляет собой твердое, белое, мелкокристаллическое или аморфное вещество, «хрупкое» на ощупь, нерастворимое в воде (только набухает), но в горячей воде способное образовывать коллоидные растворы, которые сохраняют свою стабильность и при охлаждении. Способность крахмала образовывать коллоидные растворы связана с глобулярностью его молекул.

Важнейшим химическим свойством, обусловливающим биолого-экологическую роль крахмала, является его способность подвергаться гидролизу, образуя в конечном счете либо дисахарид мальтозу, либо альфа-глюкозу (это окончательный продукт гидролиза крахмала).