Цикл Кребса является центральным звеном в цепи катаболических реакций организма и представляет собой общий конечный путь окислительного распада всех основных пищевых веществ.
Белки, жиры и углеводы после прохождения специфических, свойственных только каждому из этих пищевых веществ превращений образуют один и тот же метаболит активную форму уксусной кислоты (ацетил-КоА), в результате окислительного распада которой образуются диоксид углерода и вода. Кроме того, при аэробном окислении глюкозы гексозодифосфатным путем может образовываться 38, а гексозомонофосфатным 36 молекул АТФ.
Следовательно, энергетически оба пути окисления углеводов существенно не отличаются. Следует отметить, что распад белков, жиров и углеводов полностью заканчивается в тонком кишечнике; в толстом кишечнике этот процесс не происходит.
При неправильном питании возможно нарушение обмена белков, углеводов и жиров в организме, что подробно изложено в специальной литературе [13, 14, 17, 18].
При организации правильного питания человека важное значение имеет сохранение нативных свойств пищевых продуктов в процессе подготовки, переработки, производства и хранения пищевого сырья.
Рассмотрим, какие же физико-химические и биохимические изменения основных пищевых веществ происходят на различных стадиях технологической обработки пищевого сырья растительного и животного происхождения.
В процессе технологической обработки пищевых продуктов существенным изменениям подвергаются белки, влияющие на органолептические свойства, биологическую ценность, структурно-механические и другие показатели качества.
Глубина физико-химических изменений белков зависит от вида продукта, характера внешних воздествий, концентрации белков. К основным изменениям белков пищевых продуктов при различных видах технологической обработки относятся: гидратация, денатурация и деструкция.
Гидратация белков. Способность нативных белков сорбировать полярные молекулы воды за счет свободных и связанных полярных групп белковых молекул называется гидратацией.
Гидратация связана с двумя видами адсорбции: ионной и молекулярной. Адсорбирование воды ионизированными свободными полярными группами (аминогруппы диаминокислот, карбоксильные группы дикарбоновых кислот) белка называется ионной адсорбцией.
Адсорбирование воды связанными полярными группами (пептидные группы главных полипептидных цепей, гидроксильные и сульфгидрильные группы) называется молекулярной адсорбцией.
Величина молекулярной адсорбции воды постоянная для каждого вида белка, величина ионной адсорбции изменяется в зависимости от реакции среды.
В изоэлектрической точке, когда степень диссоциации молекул белка минимальна и заряд белковой молекулы близок к нулю, способность белка связывать воду наименьшая. При сдвиге рН среды в кислую или щелочную сторону от изоэлектрической точки усиливается диссоциация основных или кислотных групп белка, увеличивается заряд белковых молекул и усиливается гидратация белка.
В технологических процессах эти свойства белков используют для увеличения их водосвязывающей способности.
Адсорбированная вода удерживается белками вследствие образования между их молекулами и водой водородных связей. Водородные связи относятся к слабым, однако это компенсируется значительным количеством связей. Так, каждая молекула воды способна образовывать четыре водородные связи, которые распределяются между полярными группами белка и молекулами воды. В результате адсорбированная вода в белке оказывается довольно прочно связанной. Она не отделяется от белка самопроизвольно и не может служить растворителем для других веществ.
В растворах небольшой концентрации молекулы белка полностью гидратированы, так как содержится избыточное количество воды. В концентрированных растворах белков при добавлении воды происходит их дополнительная гидратация.
Гидратация белков имеет большое практическое значение при производстве студней и различных полуфабрикатов. (Например, рубленых котлет, бифштексов, фарша для пельменей, теста, омлетов и т.п.). При добавлении воды к измельченным животным или растительным продуктам, раствора поваренной соли и других веществ в процессе перемешивания компонентов гидратация белков сопровождается протекающими одновременно процессами растворения и набухания. Гидратация повышает липкость пищевой массы, в результате чего она хорошо формуется в готовые изделия.
От степени гидратации белков в значительной мере зависит такой важный показатель качества готовых продуктов, как сочность. При оценке роли гидратационных процессов необходимо иметь в виду, что в пищевых продуктах наряду с адсорбционной водой, прочно связанной белками, содержится осмотически и капиллярно-связанная вода, которая также влияет на качество продукции.
Денатурация белков это нарушение нативной пространственной структуры белковой молекулы под влиянием различных внешних воздействий, сопровождающееся изменением их физико-химических и биологических свойств. При этом нарушаются вторичная и третичная структуры белковой молекулы, а первичная, как правило, сохраняется.
Денатурация белков происходит при нагревании и замораживании пищевых продуктов под действием различных излучений, кислот, щелочей, резких механических воздействий и других факторов.
При денатурации белков происходят следующие основные изменения [15, 19]:
резко снижается растворимость белков;
теряется биологическая активность, способность к гидратации и видовая специфичность;
улучшается атакуемость протеолитическими ферментами;
повышается реакционная способность белков;
происходит агрегирование белковых молекул;
заряд белковой молекулы равен нулю.
Потеря белками биологической активности в результате тепловой денатурации приводит к инактивации ферментов и отмиранию микроорганизмов.
В результате потери белками видовой специфичности пищевая ценность продукта не снижается.
Рассмотрим наиболее распространенную тепловую денатурацию белковых молекул, сопровождаемую разрушением слабых поперечных связей между полипептидными цепями и ослаблением гидрофобных и других взаимодействий между белковыми цепями. В результате этого изменяется конформация полипептидных цепей в белковой молекуле. Например, фибриллярные белки изменяют свою эластичность, у глобулярных белков развертываются белковые глобулы с последующим свертыванием по новому типу. Прочные (ковалентные) связи белковой молекулы при этом не нарушаются. Глобулярные белки изменяют растворимость, вязкость, осмотические свойства и электрофоретическую подвижность.
Каждый белок имеет определенную температуру денатурации t. Для белков рыбы t = 30°С, яичного белка t = 55...50° С, мяса t = 55...60°С и т.п.
При значениях рН среды, близких к изоэлектрической точке белка, денатурация происходит при более низкой температуре и сопровождается максимальной дегидратацией белка. Смещение рН среды способствует повышению термостабильности белков.
Направленное изменение рН среды широко используется в технологии для улучшения качества блюд. Так, при тушении мяса, рыбы, мариновании, перед жаркой добавляют кислоту, вино или другие кислые приправы для создания кислой среды со значениями рН ниже изоэлектрической точки белков продукта. В этих условиях дегидратация белков в продуктах уменьшается и готовое блюдо получается более сочным.
Температура денатурации белков повышается в присутствии других, более термостабильных белков и некоторых веществ небелковой природы, например, сахарозы.
Денатурация некоторых белков может происходить без видимых изменений белкового раствора (например, у казеина молока). Пищевые продукты, доведенные тепловой обработкой до готовности, могут содержать некоторое количество нативных, неденатурированных белков, в том числе некоторых ферментов.
Денатурированные белки способны к взаимодействию между собой. При агрегировании за счет межмолекулярных связей между денатурированными молекулами белка образуются как прочные, например, дисульфидные связи, так и слабые, например, водородные.
При агрегировании образуются более крупные частицы. Например, при кипячении молока выпадают в осадок хлопья денатурированного лактоальбумина, образуются хлопья и пена белков на поверхности мясных и рыбных бульонов.
При денатурации белков в более концентрированных белковых растворах в результате их агрегирования образуется студень, удерживающий всю содержащуюся в системе воду.
Основные денатурационные изменения мышечных белков завершаются при достижении 65°С, когда денатурирует более 90% общего количества белков. При t = 70°С начинается денатурация миоглобина и гемоглобина, сопровождающаяся ослаблением связи между глобином и гемоглобином, который затем отщепляется и, окисляясь, меняет окраску, вследствие чего цвет мяса становится буровато-серым.
При нагревании мяса существенные денатурационные изменения происходят с белками соединительной ткани. Нагревание коллагена во влажной среде до t = 58...62°С вызывает его "сваривание", при котором ослабевает и разрывается часть водородных связей, удерживающих полипептидные цепи в трехмерной структуре. Полипептидные цепи при этом изгибаются и скручиваются, между ними возникают новые водородные связи, имеющие случайный характер. В итоге коллагеновые волокна укорачиваются и утолщаются.
Коллаген, подвергнутый тепловой денатурации, становится более эластичным и влагоемким, его прочность значительно уменьшается. Реакционная способность коллагена также возрастает, и он становится более доступным действию пепсина и трипсина, что повышает его перевариваемость. Все эти изменения тем больше, чем выше температура и длительнее нагрев.
Деструкция белков. При нагревании пищевых продуктов до 100°С происходит разрушение макромолекул денатурированных белков. На первом этапе изменений от белковых молекул могут отщепляться такие летучие продукты, как аммиак, сероводород, диоксид углерода и другие соединения. Накапливаясь в продукте и окружающей среде эти вещества участвуют в образовании вкуса и аромата готовой пищи.
При дальнейшем воздействии температуры происходит деполимеризация белковой молекулы с образованием водорастворимых азотистых веществ. Например, при продолжении нагрева сваренного коллагена происходит его дезагрегация, связанная с разрывом водородных связей и приводящая к образованию полидисперсного продукта глютина.
Этот процесс называется пептизацией. Глютин при 40°С и выше неограниченно растворяется в воде, а при охлаждении его растворы образуют студни. Глютин легко расщепляется протеазами и, следовательно, легко переваривается.
При нагревании одновременно с пептизацией происходит гидролиз глютина с образованием конечных продуктов, называемых желатозами.
Продукт гидротермической дезагрегации коллагена, способный образовывать прочные, не плавящиеся при t = 23...27°С студни, называется желатином.
При температуре выше 100°С наблюдается дальнейший гидролиз мышечных белков до полипептидов, которые, в свою очередь, гидролизуются до аминокислот и других низкомолекулярных азотистых соединений. Степень гидролиза белков тем выше, чем выше температура и длительнее нагрев. Однако с повышением температуры и увеличением длительности нагрева скорость распада полипептидов возрастает более интенсивно, чем скорость распада белков до полипептидов. Чрезмерный распад коллагена при длительном нагревании свыше 100°С приводит к “разволакиванию” тканей, а глубокий гидролиз глютина к образованию низкомолекулярных соединений, что уменьшает способность бульона к студнеобразованию. Длительный нагрев при температуре более 100°С вызывает также некоторое ухудшение перевариваемости белков мяса.
Очень продолжительное нагревание при высоких температурах (180300°С) обусловливает деструкцию аминокислот и образование полиаминокислотных комплексов. Нагрев вызывает существенные изменения экстрактивных веществ. При варке мяса глютамин превращается в глютаминовую кислоту, а инозиновая кислота распадается с образованием гипоксантина. Эти процессы играют решающую роль в формировании вкуса и аромата вареного мяса. Большое значение в формировании аромата, вкуса и цвета продуктов имеет реакция взаимодействия между аминогруппами аминокислот, аминов, полипептидов или белков и гликозидными гидроксильными группами сахаров (реакция Майяра).
Деструкция белков наблюдается при производстве некоторых видов теста. При этом разрушение внутримолекулярных связей в белках происходит при участии протеолитических ферментов, содержащихся в муке и вырабатываемых дрожжевыми клетками.
Липиды (от греческого "липос" жиры) это обширная группа нерастворимых в воде органических веществ, которые содержатся в продуктах животного и растительного происхождения и могут быть экстрагированы из них неполярными растворителями, такими, как хлороформ, эфир или бензол.
К липидам относятся нейтральные жиры (глицериды, ацилглицерины), фосфоглицериды (фосфолипиды), сфинголипиды и гликолипиды, воска, терпены, стерины, эфирные масла.
Общебиологическая роль липидов заключается в том, что они являются структурными компонентами клеточных мембран, представляют собой самый концентрированный из всех пищевых веществ источник энергии и выполняют ряд защитных функций. В состав клеточных мембран входят фосфоглицериды (фосфолипиды), содержащие в глицериновом эфире одну фосфорную и две жирные кислоты (одна насыщенная, вторая ненасыщенная). В состав мембран растительных и животных клеток входят сфинголипиды, содержащие одну молекулу жирной кислоты, одну молекулу ненасыщенного аминоспирта сфингозина или его насыщенного аналога дигидросфингозина, одну молекулу фосфорной кислоты и одну молекулу спирта, но не глицерина.
В продуктах животного происхождения содержится, как правило, больше липидов, чем в растительных, и представлены они в основном нейтральными жирами. Основной структурной единицей главных классов и подклассов липидов и прежде всего ацилглицеринов являются насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты. Именно эти кислоты определяют физико-химические свойства липидов (консис-тенцию, растворимость в органических растворителях, реакционную способность, температуру затвердевания и т.д.).
Ацилглицерины являются одним из основных компонентов химического состава продуктов животного, а в ряде случаев растительного происхождения, лимитирующими продолжительность хранения и технологические режимы переработки пищевого сырья и получения жира.
В состав ацилглицеринов тканевых жиров (говяжий, бараний, свиной, куриный, молочный) входят в основном жирные кислоты, содержащие 1618 углеродных атомов (пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая, линоленовая). В меньшем количестве в составе ацилглицеринов представлены жирные кислоты, содержащие от 2 до 14 или от 20 до 22 углеродных атомов. Эти одноосновные кислоты могут быть насыщенными и ненасыщенными. В животных жирах содержится больше насыщенных кислот, в растительных ненасыщенных (олеино-вой С18:1, линолевой С18:2, линоленовой С18:3, арахидоновой С20:4 ). Важ-ное биологическое значение имеют входящие в состав жиров ненасыщенные жирные кислоты с 18 углеродными атомами.
Биохимические и физико-химические изменения жиров
В процессе переработки и хранения жиросодержащих продуктов или выделенных из них жиров происходят многообразные превращения их под влиянием биологических, физических и химических факторов.
В результате этих превращений изменяется химический состав, ухудшаются органолептические показатели и пищевая ценность жиров, что может привести к их порче [20].
Независимо от технологических режимов переработки и хранения, а также вида жира в них протекают однотипные изменения, сводящиеся к гидролизу и окислению. Эти процессы протекают по схеме, представленной на рис. 1. Преобладание в жире гидролитического или окислительного процесса зависит от температуры, наличия кислорода, света, воды, продолжительности нагревания, присутствия веществ, ускоряющих или замедляющих эти процессы. Поэтому основные способы тепловой обработки жиросодержащих продуктов и жиров (варка, жарка) различаются по степени и характеру воздействия на жир. При варке преобладают гидролитические процессы, при жарке окислительные. В любом случае качество жира оценивают по кислотному, перекисному, ацетильному числам, содержанию альдегидов, кетонов и других соединений.
Гидролитическое расщепление жиров протекает с обязательным участием воды и может быть как ферментативным, так и не ферментативным. В тканевых жирах, жире-сырце (внутренний жир), жире мяса, плодов и овощей, жире сырокопченостей и т.п. под влиянием тканевых липаз наблюдается гидролиз ацилглицеринов, сопровождающийся накоплением жирных кислот и, как следствие, повышением кислотного числа. Скорость и глубина гидролиза жира зависят от температуры: процесс ферментативного катализа значительно ускоряется при температуре выше 20°С; снижение температуры замедляет процесс гидролиза, но даже при минус 40°С ферментативная активность липаз проявляется, но в слабой мере.