Доказано, что нормальная жизнедеятельность животного и растительного организма возможна лишь при условии полной его обеспеченности микроэлементами. При недостатке микроэлементов возникают серьезные нарушения обмена веществ вплоть до летального исхода. Ряд микроэлементов являются кофакторами многих ферментов.
Зерно и продукты его переработки являются одним из важнейших источников поступления минеральных элементов с пищей в организм человека.
Йод принимает участие в деятельности щитовидной железы. Отсутствие его в пищевых продуктах приводит к нарушению деятельности щитовидной железы и развитию так называемого эндемического зоба. Для предупреждения развития этого заболевания в поваренную соль, которой снабжается население районов, где почва и вода не содержит йода, добавляют некоторое количество йода.
Суточная потребность взрослого человека в йоде составляет 10…150 мкг. Много солей йода содержат морская рыба и другие морепродукты.
Соли кобальта играют большую роль в кроветворении, так как кобальт входит в состав витамина В12. В значительном количестве они содержатся в горохе, свекле, красной смородине, клубнике.
Цинк содержится в ряде ферментов, нуждающихся в нем для про-явления своей активности. Суточная потребность в нем составляет 5,5…22 мг/сут. Потребность в цинке обеспечивается обычным питанием.
Бром – постоянная составная часть различных тканей организма человека и животных. В организм человека бром поступает главным образом с пищевыми продуктами растительного происхождения, небольшое его количество поступает с поваренной солью, содержащей примесь брома. Соли брома широко применяются в медицине в качестве лекарственных средств.
Фтор в небольших количествах содержится во всех тканях человека. Фтор содержится в крови, в костях, особенно много его в зубах. В костях и зубах фтор находится в нерастворимом состоянии в виде фторкальциевой соли фосфорной кислоты и фторапатита. В организм фтор поступает преимущественно с питьевой водой. Оптимальное содержание фтора в воде колеблется в пределах 0,5…1,2 мг/л. В местностях, где содержание фтора в воде низкое и пищевые продукты бедны фтором, у людей часто встречается такое заболевание, кариес зубов. Избыток фтора вызывает другое заболевание – флюороз (крапчатость зубной эмали).
Стронций входит в состав костей человека. Пища богатая стронцием, вызывает расстройство – окостенение скелета, известное под наименованием стронциевого рахита. Оно по всем признакам напоминает обычный рахит, но не излечивается приемом витамина D.
Марганец входит в состав молекул некоторых ферментов и стимулирует их активность.
Наряду с полезными, жизненно важными минеральными веществами, существуют вещества, которые влекут за собой отрицательные последствия, связанные в первую очередь с загрязнением окружающей среды, прежде всего тяжелыми металлами.
В основном, они поступают в организм человека с пищевыми продуктами. Источниками загрязнения атмосферы, почвы и растительности тяжелыми металлами и другими токсичными элементами служат выбросы металлургических, горнодобывающих и химических предприятий, продукты сгорания топлива, ядохимикаты, минеральные удобрения и сточные воды. На интенсивных автомагистралях страны выхлопные газы, содержащие значительное количество свинца, увеличивают содержание этого элемента в растительности на расстоянии до 200 м от дороги даже при наличии лесозащитной полосы. Накопление тяжелых металлов и других токсичных элементов в почве приводит к повышению их концентрации в растениях и их плодах.
Объединенная комиссия ФАО и ВОЗ по Пищевому кодексу включила в число обязательных компонентов пищевых продуктов, подвергаемых контролю при международной торговле, 8 наиболее опасных токсичных элементов: ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, медь, олово, цинк и железо. В нашей стране список содержащихся в пищевых продуктах элементов, подлежащих гигиеническому контролю, увеличен до 15. В него добавлены сурьма, никель, селен, хром, алюминий, фтор и йод.
Это не значит, что другие элементы являются абсолютно безвредными. Многие из них в определенных концентрациях могут представлять опасность для здоровья человека.
Особенно тщательному контролю следует подвергать продукты детского и диетического питания.
Настораживает тот факт, что за последние десять лет содержание токсичных элементов в продуктах питания возросло в 2…3 раза.
Вода не обладает энергетической и пищевой ценностью, но без воды жизнь невозможна.
Функции воды в организме важны и разнообразны:
– растворяет питательные вещества и транспортирует их в организме;
– выводит отходы процессов обмена из клеток организма;
– является дисперсной средой для крови, протоплазмы клеток и т. д.;
– служит терморегулятором организма, так как, будучи хорошим проводником теплоты, выравнивает температуру между соседними клетками, следовательно, предохраняет организм от перегревания;
– поддерживает химические реакции, является прямым участником в гидролитических реакциях;
– служит смазочным материалом в суставах и в местах соприкосновения различных частей организма;
– обуславливает консистенцию и структуру продукта, влияет на его внешний вид и вкус;
– влияет на устойчивость продукта при хранении.
Удаление влаги высушиванием или замораживанием существенно изменяет биологические вещества и природные свойства продукта. Все попытки вернуть воду в первоначальное состояние не были очень успешны. Удаление или замораживание воды является основным среди методов хранения продуктов и необходимо считаться с теми существенными изменениями, которые имеют место, в продукте в обоих случаях.
Удаление влаги из пищевых продуктов или связывание ее увеличением содержания соли или сахара тормозит многие реакции и ингибирует рост микроорганизмов, увеличивая продолжительность хранения многих пищевых продуктов.
Благодаря физическому взаимодействию с белками, полисахаридами, липидами и солями, вода вносит значительный вклад в текстуру пищи. Благодаря тому, что многие пищевые продукты содержат большое количество влаги, нужны эффективные способы для длительного хранения.
Поэтому значение воды, как компонента пищевого продукта, понимание ее свойств и поведения в пищевых продуктах чрезвычайно важны.
Организм человека на 2/3 состоит из воды, причем в разных частях и органах содержится неодинаковое ее количество.
Суточная потребность в воде в среднем составляет 35…40 мл на 1 кг массы тела. При средней массе тела взрослого человека 70 кг суточная потребность его в воде составляет 2,5 л. Значительная часть этой нормы содержится в пищевых продуктах. Свободная жидкость, содержащаяся в пище должна составлять около 1,2 л при общей массе дневного рациона около 3 кг.
Количество воды, вводимое в организм с пищей и питьем, меняется в зависимости от климатических условий и степени интенсивности физической нагрузки.
Молекула воды имеет дипольный момент. Если бы молекула была линейной, то дипольные моменты связей О – Н взаимно компенсировали бы друг друга и дипольный момент молекулы был бы равен нулю. Появление дипольного момента обусловлено атомными орбиталями, участвующими в связях.
Если кислород используют для образования связей две р-орбитали, угол между связями будет равен 90°. Рентгеноструктурные исследования показывают, что на самом деле угол равен 104,5°, т. е. этот угол близок к тетраэдрическому: 109,5°. Полагают, что происходит гибридизация орбиталей между одной s- и тремя р- орбиталями атома кислорода. Из четырех образовавшихся sр3-гибридных орбиталей две заняты связывающими парами, а две другие – неподеленными электронными парами. Разница между наблюдаемыми значениями валентного угла (104,5°) и тетраэдрическим углом объясняется тем, что отталкивание между неподеленными парами больше, чем между связывающими орбиталями.
В молекуле воды угол между связями близок к тетраэдрическому, 109,5°. Неподеленные электронные пары занимают две оставшиеся вершины тетраэдра. В жидкой воде содержатся ассоциаты из молекул воды. Для твердой фазы (льда) характерно аналогичное расположение молекул, но упорядоченность распространяется на всю структуру в целом. В этой структуре молекулы упакованы менее плотно, чем в жидкой воде. Именно поэтому вода, замерзая, увеличивает свой объем на 9 %, и лед имеет меньшую плотность, чем вода при 0 °C. В своей основе структура льда похожа на структуру алмаза.
Меньшая плотность льда по сравнению с водой при 0 °C приводит к тому, что пруды и озера замерзают, начиная с поверхности. Максимум плотности воды наступает при 4 °C. При дальнейшем охлаждении вода на поверхности становится менее плотной и поэтому остается над несколько более теплой водой глубинных слоев до тех пор, пока не замерзнет. Слой льда на поверхности предохраняет находящуюся под ним воду от дальнейшей потери теплоты. В замерзших реках и озерах месяцами живут подо льдом рыбы и растения.
Молекула воды с тетраэдрически направленными связями, кристаллизуясь, может связывать четыре других молекулы воды в тетраэдрической конфигурации. Это дает гексагональную кристаллическую решетку в кристалле льда. Обычный лед принадлежит к бигексагональному бипирамидальному классу гексагональных систем. Кроме того, лед может существовать в девяти других кристаллических полиморфных структурах, а также в аморфном состоянии неопределенной структуры. Однако, из общих структур, только обычная гексагональная структура льда стабильна при нормальном давлении и температуре 0 °C.
На структуру кристаллов льда оказывают влияние растворенные вещества. Однако для большинства пищевых продуктов и биологических материалов наиболее важной является гексагональная структура. Она была обнаружена при замораживании модельных водных растворов сахарозы, глицерина, альбумина и др. при концентрации растворенных веществ, которая не влияла на мобильность молекул воды.
Связь воды с пищевым продуктом имеет важное для него значение, так как она обеспечивает консистенцию и структуру продукта, ее взаимодействие с присутствующими в продукте компонентами определяет устойчивость при хранении.
Присутствующая в продукте влага может быть в свободном и связанном с компонентами продукта состоянии.
Под свободной влагой понимают, отличающуюся невысокой энергией связи с тканями материала, легко из него удаляемую. Наличие свободной влаги обусловливает значительную интенсивность дыхания и других биохимических процессов, приводящих к быстрой порче зернопродуктов.
Под связанной влагой понимают влагу, характеризующуюся более высокой энергией связи с тканями продукта, при которой все процессы в продукте затухают и он становится стойким при хранении. Связанная влага имеет ряд особенностей:
– по сравнению с капельной водой у нее более низкая температура замерзания (–20 °C и ниже);
– теплоемкость меньше;
– пониженная упругость пара;
– большая теплота испарения;
– резко уменьшенная способность растворять твердые вещества.
Удалить всю связанную влагу невозможно, так как это сопряжено с разрушением тканей материала. Влажность материала, определяемая приборами, которая входит в стандарты, представляет собой содержание физически связанной с тканями материала влаги, удаляемой в конкретных условиях ее определения. В нее входит вся свободная влага и часть связанной. Влажность, ниже которой биохимические процессы в зерне резко ослабляются, а выше которой начинают бурно нарастать, называют критической. Это состояние материала, при котором появляется свободная вода, т. е. вода с пониженной энергией связи, обеспечивающей интенсификацию ферментативных процессов.
Гигроскопическая влага – это влага, поглощенная (сорбированная) материалом из воздуха. Равновесная влага – это влага, содержащаяся в материале в таком количестве, которое соответствует данному сочетанию относительной влажности и температуры воздуха. Если поместить материал в замкнутое пространство, в котором создана определенная относительная влажность воздуха, то сухой материал будет поглощать водяные пары и увлажняться. Затем наступает состояние, когда материал перестает сорбировать влагу и его влажность становится равной влажности окружающего воздуха. Если поместить влажный материал, он будет подсыхать, а влажность воздуха возрастать до тех пор, пока влажность материала не придет в равновесие с влажностью воздуха. Влажность материала, соответствующая состоянию равновесия, называют равновесной.
При равновесной влажности упругость паров в капиллярах материала равна упругости его в окружающем воздухе. Равновесная влажность зависит от ряда условий: химического состава и структуры материала, способа достижения равновесия (увлажнение или высушивание), величины исходной влажности, характера и интенсивности механического воздействия на материал, степени зрелости зерна, плодов, овощей и т. д.
Величина равновесной влажности зависит от температуры: при одной и той же относительной влажности воздуха более высокой температуре отвечает более низкая равновесная влажность, и, наоборот понижение температуры приводит к повышенной равновесной влажности материала.
Содержание связанной влаги в продукте зависит от его свойств. Причины связывания влаги в сложных системах различны. Наиболее прочно связана та часть влаги, которая в высоковлажных продуктах находится в щелях молекулы белка или является частью химических гидратов. Следую-щий тип наиболее прочно связанной влаги – это «близлежащая влага», т. е. монослой молекул в большинстве гидрофильных групп неводного компонента. Вода, ассоциированная с ионами и ионными группами, является наиболее прочно связанным типом «близлежащей воды». «Мультислойная вода» (вода полимолекулярной адсорбции) примыкает к монослою и образует несколько слоев за «близлежащей водой». Это менее прочно связанная влага, но она еще достаточно связана с неводными компонентами, и поэтому ее свойства существенно отличаются от чистой воды. Таким образом, «связанная влага» состоит из «близлежащей влаги» и почти всей «мультислойной воды».
Кроме того, небольшое количество воды может иметь уменьшенную подвижность и упругость пара из-за того, что она заключена в макро-капиллярах материала. В пищевых продуктах часть воды удерживается макромолекулярной матрицей, например, гелями пектина и крахмала. При этом небольшое количество органического материала физически удерживает большое количество воды. Эта вода не удаляется из пищевого продукта даже при большом механическом усилии. С другой стороны, эта вода ведет себя почти как чистая вода во время технологических процессов обработки. Например, ее можно удалить при высушивании или превратить в лед при замораживании. Эта вода составляет главную часть воды в клетках и гелях, и количественное изменение ее имеет большое значение для качества пищевых продуктов.