Качество продуктов питания

Совокупность химических превращений веществ, поступающих в организм извне; превращения этих веществ в клетках, приводящие к образованию энергии, необходимой для осуществления всех многочисленных функций организма называют обменом веществ и энергии. В основе обмена веществ и энергии лежат ферментативные процессы двух типов, тесно друг с другом связанные и взаимообусловленные. Первый тип таких процессов называется ассимиляцией или анаболизмом. Эти процессы связаны с потреблением энергии и приводят к усвоению клетками соединений, поступающих в организм из внешней среды, синтезу в клетке из более простых более сложных молекул. Второй тип ферментативных процессов называется диссимиляцией или катаболизмом. Эти процессы направлены на расщепление веществ, как поступающих в клетку извне, так и входящих в состав клеток организма, и сопровождаются выделением энергии. Энергия, высвобождающаяся при расщеплении пищевых и других веществ, используется для всех процессов жизнедеятельности: сокращения мышц, проведения нервных импульсов, поддержания температуры тела, различных процессов синтеза, поддержания физиологических концентраций органических и неорганических ионов по обе стороны клеточной мембраны (внутри и вне клетки) и др. Превращение различных веществ с момента их поступления в организм и до образования конечных продуктов распада называется промежуточным обменом веществ и энергии или метаболизмом.

Участвующие в названных процессах химические элементы и соединения принято называть пищевыми или нутриентами. Основными из них являются: белки, жиры, углеводы, минеральные вещества и витамины. В настоящее время известно, что для жизненного равновесия организму необходимо более 60 видов пищевых веществ. По характеру их использования в организме они подразделяются на пластические (идут на построение собственных тканей организма; основные: белки, жиры и минеральные вещества); энергетические (в основном углеводы, при их недостатке и тяжелом физическом труде источником энергии становятся также жиры и белки); и регуляторные (участвуют в регулировании обмена веществ, в основном – витамины).

Количественная и качественная оценка питания обусловлена его влиянием на здоровье и работоспособность. Под количественной оценкой суточного рациона понимают не его объем, а энергию, высвобождающуюся при окислении в организме основных пищевых веществ. Качественная характеристика рациона исходит из содержания в нем отдельных пищевых веществ и их соотношений. Только при количественной достаточности и благоприятных соотношениях пищевых веществ обеспечиваются наиболее полное проявление их биологических свойств и максимальное использование, а также оптимальное течение обменных процессов. Полноценное во всех отношениях питание принято называть рациональным, то есть удовлетворяющим энергетические, пластические и другие потребности организма. Следует отметить, что в большинстве случаев вкусное и сытное питание этому требованию не соответствует.

До недавнего времени переедание ассоциировалось только с ожирением, но сейчас все более широкое признание получает концепция о связи избыточного потребления отдельных пищевых веществ с возникновением определенных заболеваний: атеросклероза, ишемической болезни сердца, диабета, рака молочной железы, заболеваний сосудов мозга и инсультов, цирроза печени.

Оптимальное удовлетворение энергетической потребности организма за счет питания происходит при равенстве энергетического потенциала рациона, выражаемого в килокалориях, суммарному количеству тепловой энергии, расходуемой организмом в течение суток для поддержания жизни и осуществления трудовой деятельности. Обычно это составляет 2000–4500 ккал в зависимости от пола, возраста и физической активности. Энергоемкость рациона может быть установлена лабораторными методами, и, что значительно проще и доступнее, расчетным путем. Расчет производится исходя из содержания в продуктах питания белков, жиров и углеводов и из того, что 1 г белков и углеводов при их утилизации в организме высвобождают по 4 ккал, а 1 г жира – 9 ккал. Следует отметить, что углеводы включают в себя целую группу химически родственных соединений близкой, но неодинаковой энергетической ценности. Поэтому названный для них традиционный энергетический коэффициент (4 ккал) является усредненной величиной.

Все требования к питанию должны быть направлены на укрепление здоровья и предотвращение заболеваний, связанных с пищевой недостаточностью. В основе неспособности удовлетворить эти требования почти всегда лежат невежество или экономическая бедность. С другой стороны, некоторые распространенные заболевания связаны с избыточным потреблением каких-то пищевых продуктов. Ожирение обычно отражает избыточное потребление пищи, богатой энергией, и часто сочетается с развитием сахарного диабета. Атеросклероз и ишемическая болезнь сердца, как правило, обусловлены приемом пищи, богатой общим и насыщенным жиром. Развитие рака молочной железы, толстого кишечника и простаты также коррелирует с высоким потреблением жира и недостаточным потреблением пищевых волокон. Одним из ведущих факторов возникновения и развития артериальной гипертонии является высокое потребление соли. Таким образом продукты питания должны не только удовлетворять потребность человека в питательных веществах и энергии, но и выполнять профилактические и, а в случае необходимости и лечебные функции.

Последние десятилетия характеризуются стойким ухудшением показателей здоровья населения (низкая продолжительность жизни, увеличивается общая заболеваемость, смертность). Среди причин заболеваемости и смертности ведущее место занимают сердечно-сосудистые и онкологические заболевания, развитие которых в определенной степени связано с питанием. Одной из важнейших причин этого является несбалансированное, нерациональное, неадекватное питание.

Важнейшие нарушения статуса населения:

- избыточное потребление жиров;

- дефицит полиненасыщенных жирных кислот;

- дефицит витаминов (аскорбиновой кислоты, В₂, В₁, фолиевой кислоты, витамина А и b-каротина и др.);

- дефицит полноценных (животных) белков, т.е. дефицит эссенциальных аминокислот;

- дефицит минеральных веществ (кальция, железа);

- дефицит микроэлементов (селена, йода, цинка, фтора, хрома, марганца и др.);

- дефицит пищевых волокон.

Негативное влияние оказывает потребление некачественных, фальсифицированных и опасных для здоровья человека продуктов.

Создание новых и совершенствование технологии получения традиционных продуктов, производство растительного белка, биологически активных добавок, организация индустрии продуктов детского питания – предмет исследований пищевой химии, пищевой биотехнологии. Решение перечисленных вопросов требует знания методов исследования пищевого сырья и готовых продуктов.

Контроль качества продуктов питания осуществляется на трех стадиях:

1. Контроль на производстве (сельское хозяйство). В лабораториях сельскохозяйственных предприятий осуществляется первичный контроль качества продукции, например, определение жирности молока, качества зерна.

2. Контроль в перерабатывающей промышленности. Большинство предприятий, производящих продукты питания, имеют химические, а часто и бактериологические лаборатории. При отсутствии на предприятии лаборатории, предприятие обязано заключить договор с Центром гигиены и эпидемиологии, выполняющими в таком случае анализы продукции.

Различные нормативные документы (государственные, отраслевые стандарты и стандарты предприятий) устанавливают всесторонние технические требования к конкретной продукции при ее изготовлении, поставке, а также правила приемки, методы контроля качества.

3. Контроль по линии Минздрава, осуществляемый центрами гигиены и эпидемиологии (ЦГЭ).

Для ЦГЭ установлены общие стандарты и требования по применению стандартов на методы отбора проб и методики исследований и измерений, так как получение сравнимых и достоверных результатов лабораторных анализов пищевых продуктов диктует необходимость унификации и единообразия использования методов исследования. Поскольку на основании результатов анализа применяются необходимые санкции к виновным лицам, то юридическая значимость применения утвержденных методов лабораторного анализа имеет первостепенное значение. При проведении исследований, прежде всего, используют методы, предусмотренные нормативно-технической документацией, а при определении вредных веществ, – методы, утвержденные Минздравом. Существуют ГОСТы по отбору проб, калибровке посуды, непосредственно по методам анализа и применяемой для анализа аппаратуре. Оформление результатов лабораторных исследований также регламентировано: для их выражения должны использоваться единицы СИ. В работе ЦГЭ используются методики, утвержденные Минздравом, и методики ГОСТ (до утверждения методик Госстандартом, они должны быть согласованы с Минздравом). Методики, не утвержденные Минздравом, могут использоваться в ЦГЭ только для научной работы и выдача официальных заключений в этих случаях запрещается. Таким образам, для проведения анализа продуктов питания и правильной интерпретации результатов анализа необходимо не только владение методами аналитической химии, но и осведомленность о существующих законодательных требованиях.

Ввиду загрязнения окружающей среды, как уже говорилось, продукты питания могут содержать самые разнообразные вещества, многие из которых токсичны и канцерогенны. В связи с этим необходимо проводить экспертизу качества и безопасности продуктов питания определять содержание в них вредных веществ, пищевых добавок и пр.

Текущий государственный надзор и гигиеническая экспертиза безопасности продуктов питания – это осуществление в обязательном порядке следующих лабораторных исследований:

1) Определение остаточных количеств пестицидов, в том числе фумигантов, используя групповые методы идентификации с помощью ТСХ и ВЭЖХ.

2) Определение микотоксинов методами ТСХ и инструментальными методами (ГЖХ, ВЭЖХ).

3) Определение тяжелых металлов колориметрическим методом, методом атомной адсорбции и другими высокочувствительными методами.

4) Определение микробиологических показателей.

5) Определение гормональных препаратов.

6) Определение пищевых добавок.

§ 2.1. Виды и отбор проб. Пробоподготовка

Как уже говорилось, контроль продуктов питания осуществляется на трех этапах. Анализ на любом из указанных этапов включает, как правило, следующие стадии:

- отбор пробы;

- приготовление гомогенной смеси для анализа;

- выделение целевого компонента;

- непосредственно анализ.

Одной из самых важных стадий является отбор проб.

Основное требование к отбору пробы для анализа: проба должна отражать свойства всей партии пищевых продуктов или части такой партии. Партией называется продукция одного наименования, одного изготовителя, одного способа обработки и сорта, оформленного одним документом.

Применение результатов анализа основано на внутреннем убеждении, что результаты, полученные для данной пробы, применимы ко всей массе продукта, из которого она взята. Это предположение справедливо только при условии, что химический состав пробы правильно отражает состав массы продукта. Выражение «отбор пробы» относят к операциям, состоящим в отборе достаточного количества продукта, представляющего целое. Масса пробы на конечной стадии отбора составляет несколько граммов или, самое большое, несколько сотен граммов. И хотя она может представлять всего одну миллионную часть общей массы партии, состав пробы должен максимально приближаться к среднему составу общей массы. Если исследуемый материал представляет собой неоднородное вещество, задача получения представительной пробы трудна. Ясно, что надежность анализа не может превышать надежности отбора пробы; даже самая тщательная работа над плохо отобранной пробой – просто трата сил.

Различают несколько видов проб:

а) первичную, или генеральную пробу отбирают на первом этапе от большой массы материала;

б) лабораторную, или паспортную (0,2–0,3 кг) пробу получают после уменьшения генеральной пробы до массы необходимой для проведения полностью всего анализа;

в) аналитическую пробу – отбирают от лабораторной для единичного определения.

Перед отбором генеральной пробы необходимо определить ее представительность, а при получении лабораторной, кроме того, рассчитать массу пробы, позволяющую провести весь анализ. Под представительностью понимают соответствие состава пробы среднему составу анализируемого материала. Если материал неоднороден, получению представительной пробы необходимо уделить самое серьезное внимание, чтобы результаты отвечали действительному составу материала.

Методы отбора представительной пробы зависят от характера материала. Если анализу подвергается жидкий продукт, находящийся в большой емкости, то перед взятием пробы ее достаточно перемешать. При отборе пробы из нескольких емкостей жидкость в каждой из них перемешивают, отбирают из каждой емкости одинаковые объемы жидкости и смешивают их друг с другом. Если жидкие материалы расфасованы (например, напитки в бутылках и банках), из определенного числа упаковок каждой серии отбирают по несколько бутылок или банок, содержимое которых достаточно для проведения всех необходимых анализов (3 раза). Емкости вскрывают и жидкость смешивают. Для отбора проб жидкостей применяют специальные пробоотборники, которые погружают на определенную глубину и захватывают ими порции жидкости.

Пробы вязких материалов отбирают после тщательного перемешивания из верхней, средней и нижней частей массы.

Пробы твердых и сыпучих материалов отбирают из разных мест упаковки, стремясь, чтобы были захвачены наружные и внутренние слои продукта, которые могут отличаться составом вследствие увлажнения, выветривания. Отобрав представительную первичную пробу сухих продуктов, ее измельчают, перемешивают и сокращают до размеров лабораторной пробы. Сокращение обычно проводят квартованием. При квартовании измельченную пробу высыпают на ровную поверхность, перемешивают, разравнивают в форме квадрата и делят квадрат по диагонали на четыре части. Две противоположные части отбрасывают, затем с остатком повторяют квартование до получения необходимой лабораторной пробы. Масса лабораторной пробы зависит от содержания определяемого вещества и чувствительности применяемой методики анализа. Чем чувствительнее методика, тем меньше масса лабораторной пробы.

Подготовив лабораторную пробу, для проведения анализов из нее отбирают аналитические пробы, которые взвешивают на аналитических или технических весах и подвергают дальнейшей аналитической обработке. Анализ проводят несколько раз и полученные данные усредняют. Обязательным условием получения средних величин определяемых показателей является повторность исследования продукта. Обязательным минимумом считают трехкратность исследований.

Методы извлечения целевых компонентов. Анализируя продукты питания определяют содержание в них различных химических элементов, неорганических и органических соединений. Анализу продукта на конкретный его компонент предшествует, как правило, выделение этого компонента. Если определяют неорганические соединения и элементы, предварительно необходимо минерализовать пробу, т.е. разложить органическую матрицу, и выделить определяемое соединение. Минерализацию проб проводят, как правило, методами сухого или мокрого озоления. При определении органических соединений для выделения целевого компонента часто используют экстракцию. Подготовку пробы образца к исследованию производят непосредственно перед анализом.

Сухое озоление. Простейший и наиболее доступный метод минерализации заключается в нагревании пробы в муфельной печи в открытой чашке или тигле до тех пор, пока весь углеродсодержащий материал не окислится до углекислого газа. Обычно озоление проводят при температуре 400–500°С. Твердый остаток затем растворяется в разбавленных минеральных кислотах и анализируется. Иногда после разложения золу обрабатывают азотной или соляной кислотой и выпаривают досуха. Наряду с достоинствами метод сухого озоления обладает рядом недостатков. Во-первых, метод этот достаточно длительный (14–16 часов). Во-вторых, метод неприменим для определения летучих компонентов, например, ртути, сурьмы, мышьяка, висмута, селена. Возможны также потери кадмия и свинца. Потери происходят за счет улетучивания элементов в виде хлоридов, металлорганических соединений, за счет сорбции на стенках тигля, а также при растворении (часть моет оставаться в твердом не растворяющемся осадке). Если исследуемый продукт содержит поваренную соль, то во избежание потерь летучих хлоридов, озоление ведут при невысокой температуре – не выше 500°С.

Иногда для создания окислительной среды и ускорения минерализации пробу смачивают раствором смеси нитрата магния и соли молибдена или ванадия. При этом исключается потеря элементов за счет образования летучих хлоридов, т.к. хлорид-ионы окисляются до свободного хлора. Для снижения потерь при озолении используют низкотемпературное озоление в атмосфере кислорода под действием высокочастотного поля (10–15 часов). Использовать ускоренные методы сухого озоления (добавление нитратов, спирта, повышение температуры до 600°С) можно только для конкретных продуктов после тщательной проверки и сравнения с обычным методом сухой или мокрой минерализации.

Мокрое озоление. Мокрое озоление представляет собой окисление с использованием жидких окислителей, таких, как серная, азотная и хлорная кислоты. Основная проблема, возникающая при использовании этих реагентов, заключается в предотвращении потерь элементов вследствие улетучивания. Наиболее часто для проведения мокрого озоления используется концентрированная серная кислота. Для увеличения скорости окисления к раствору добавляют азотную кислоту. Еще более эффективным реагентом, чем смеси серной и азотной кислот, является смесь хлорной и азотной кислот. По мере нагревания продукта со смесью азотной и хлорной кислот азотная кислота реагирует с наиболее легко окисляющимися веществами. При продолжении нагревания вода и азотная кислота удаляются за счет разложения и упаривания, и раствор постепенно становится сильным окислителем. Потери ионов металлов при этом незначительны.

В методе мокрого озоления применяются следующие смеси кислот: HNO₃:HClO₄:H₂SO₄ = 3:2:1 (окисление начинают с азотной кислоты, далее температуру повышают и добавляют остальные кислоты до полного разложения(200°С) и осветления раствора), HNO₃:HClO₄ = 2:1 а также смесь H₂SO₄ с H₂O₂. Эффективным способом разложения пробы является нагревание пробы в закрытом тефлоновом автоклаве с использованием окисляющей смеси из соляной, серной и плавиковой кислот. При температуре 160°С и давлении 50 атм. за 10–60 мин разлагаются самые трудноокисляемые продукты.

Экстракция. Для извлечения из проб пищевых продуктов органических веществ, как уже говорилось, используется экстракция. Экстракция – процесс распределения вещества между двумя или более несмешивающимися фазами. Экстрагент – вещество, вводимое в одну из фаз экстракционной системы с целью усиления экстракции. При анализе продуктов питания в качестве экстрагентов применяют воду, диэтилацетат, спирты, дихлорметан, бензол, ацетон и др. Выбор экстрагента зависит от природы экстрагируемого соединения (его гидрофобности), от природы пищевых продуктов. Экстракционный способ однако имеет недостаток: необходимость отгонки значительных объемов растворителя, что может привести к потерям веществ, особенно летучих или образующих с растворителем азеотропы. Более подробно применяющиеся в пробоподготовке виды экстракции описаны в разделе 2.7. Пестициды.

§ 2.2. Вода в пищевых продуктах и ее определение

Вода сама по себе не имеет питательной ценности, но она непременная составная часть всего живого. В растениях содержится до 90% влаги, в теле взрослого человека около 65%. Определенное содержание воды – одно из необходимых условий существования живого организма. При изменении количества потребляемой воды и ее солевого состава нарушаются процессы пищеварения и кроветворения. Без воды невозможна регуляция теплообмена организма с окружающей средой и поддержание постоянной температуры тела. Очень важен минеральный состав вод. Человек употребляет для питья воду, содержащую 0,02–2 г минеральных веществ на 1 л. Питьевая вода должна отвечать гигиеническим критериям, установленным ГОСТ. Так, питьевая вода должна иметь общую жесткость не более 7 мг·экв/л; допускается содержание свинца не более 0,1 мг/л; цинка – 5 мг/л; мышьяка – 0,05 мг/л. Систематический контроль за качеством питьевой воды осуществляется ЦГЭ. В рамках курса «Анализ продуктов питания» представляют интерес не методы анализа воды, а методы ее определения в продуктах питания.

Вода является основным составным компонентом многих пищевых продуктов. Так, мясо содержит 60–80% воды, овощи – 80–90%, мука – 12–14, кофе-зерна (обжаренный) – 5, масло, маргарин – 16–18, сыр – 37, молоко – 87–89%, напитки 90 и выше.

Вода в пищевых продуктах обуславливает консистенцию и структуру продукта, а ее взаимодействие с присутствующими компонентами определяет устойчивость продукта при хранении. Общая влажность продукта указывает на количество влаги в нем, но не характеризует ее причастность к химическим, биохимическим и микробиологическим изменениям в продукте. В обеспечении его устойчивости при хранении важную роль играет соотношение свободной и связанной влаги.

Связанная влага – это ассоциированная вода, прочно связанная с различными компонентами – белками, липидами и углеводами за счет химических и физических связей.

Свободная влага – это влага, не связанная полимером и доступная для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций.

Например, при влажности зерна 15–20% связанная вода составляет 10–15%. При большей влажности появляется свободная влага, способствующая усилению биохимических процессов (например, прорастанию зерна).

Плоды и овощи имеют влажность 75–95%. В основном, это свободная вода, однако примерно 5% влаги удерживается клеточными коллоидами в прочно связанном состоянии. Поэтому овощи и плоды легко высушить до 10–12%, но сушка до более низкой влажности требует применения специальных методов.

Большая часть воды в продукте может быть превращена в лед при –5°С, а вся – при –50ºС и ниже. Однако определенная доля прочно связанной влаги не замерзает даже при температуре –60ºС.

«Связывание воды» и «гидратация» – определения, характеризующие способность воды к ассоциации с различной степенью прочности гидрофильными веществами. Размер и сила связывания воды или гидратации зависит от таких факторов, как природа неводного компонента, состав соли, рН, температура.

Существует целый ряд определений «связанной воды» (не замерзает при низкой температуре; не может служить растворителем для добавленных веществ; дает полосу в спектрах протонного магнитного резонанса и др.). Количественная оценка по этим признакам не всегда сходится. Большинство исследователей склоняются к следующему определению. Связанная влага – это вода, которая существует вблизи растворенного вещества и других неводных компонентов, имеет уменьшенную молекулярную подвижность и другие свойства, отличающиеся от всей массы воды в той же системе, и не замерзает при –40ºС. Такое определение объясняет физическую сущность связанной воды и обеспечивает возможность сравнительно точной ее количественно оценки, т.к. вода, незамерзающая при –40ºС, может быть измерена с удовлетворительным результатом (например, методом ПМР или калориметрическим). При этом действительное содержание связанной влаги изменяется в зависимости от вида продукта.

Причины связывания влаги в сложных системах различны.

- Органически связанная вода – очень малая часть воды в высоко влажных продуктах и находится, например, в щелевых областях белка или в составе сложных гидратов.

- Близлежащая влага – монослой при большинстве гидрофильных групп неводного компонента – наиболее прочно связанный тип близлежащей воды.

- Вода, находящаяся в капиллярах клеточных систем.

- Вода, удерживаемая макромолекулярной матрицей (гели пектина и крахмала удерживают большое количество воды).

Вода в продуктах питания и ее содержание являются важнейшими факторами, влияющими на устойчивость продуктов при хранении. В продуктах с низкой влажностью могут происходить окисление жиров, неферментативное потемнение, потеря водорастворимых веществ (витаминов), порча, вызванная ферментами. Активность микроорганизмов здесь подавлена. В продуктах с промежуточной влажностью могут протекать разные процессы, в том числе с участием микроорганизмов. В процессах, протекающих при высокой влажности, микроорганизмам принадлежит решающая роль (пищевые отравления).

Для достижения требуемой активности воды добавляют различные ингредиенты в продукт. Применяя увлажнители можно увеличить влажность продукта, но снизить активность воды. Потенциальными увлажнителями для пищевых продуктов являются крахмал, молочная кислота, сахара, глицерин и др.

Дата добавления: 2015-05-29