Классификация и физиологическая роль углеводов

Углеводы - обширный класс органических соединений, образующихся в растениях в ходе фотосинтеза благодаря ассимиляции хлорофиллом углекислого газа воздуха под действием солнечных лучей. Углеводы пищи представлены преимущественно полисахаридами (крахмал) и в меньшей степени моно-, ди- и олигосахаридами.

Физиологическая потребность в усвояемых углеводах для взрослого человека составляет 50 - 60% от энергетической суточной потребности (от 257 до 586 г/сутки). Физиологическая потребность в углеводах - для детей до года 13 г/кг массы тела, для детей старше года от 170 до 420 г/сутки.

В зависимости от участия в обмене веществ углеводы подразделяются на усвояемые и неусвояемые. К усвояемым углеводам относятся - моносахариды и олигосахариды, крахмал, гликоген. При поступлении в пищеварительный тракт усвояемые углеводы расщепляются, всасываются, а затем утилизируются (в виде глюкозы) или превращаются в жир, или откладываются в виде гликогена. Накопление жира особенно выражено при избытке в диете простых сахаров и незначительном расходе энергии, связанной с малоподвижным образом жизни.

К неусвояемым углеводам относятся - целлюлоза, гемицеллюлоза, инулин, пектин и др. Неусвояемые углеводы не деполимеризируются и не утилизируются человеческим организмом, но являются чрезвычайно важными для пищеварения и составляют (вместе с лигнином) так называемые "пищевые волокна". Пищевые волокна улучшают перестальтику кишечника, препятствуют всасыванию холестерина, играют положительную роль в нормализации состава микрофлоры кишечника, в ингибировании гнилостных процессов, оказывают влияние на липидный обмен, способствуют снижению токсичных веществ и выведению их из организма. Пищевые волокна в отличие от крахмала не перевариваются пищеварительными ферментами.

Лигнин, слизи, смолы не являются полисахаридами, но представляют собой высокомолекулярные вещества, которые так же относят в группу пищевых волокон. Физиологическая потребность в пищевых волокнах для взрослого человека составляет 20 г/сутки, для детей - 15 - 20 г/сутки.

	Углеводы

моносахариды полисахариды

гексозы пентозы олигосахариды полисахариды

II порядка

глюкоза арабиноза

фруктоза рибоза сахароза крахмал

галактоза ксилоза мальтоза клетчатка

манноза лактоза гликоген

целлобиоза пектиновые

вещества

слизи

Рис. 3.1. Классификация углеводов

По строению углеводы также подразделяются на простые и сложные. Простыми (моносахариды, монозы) называют углеводы, которые не способны гидролизироваться с образованием более простых соединений. Общая структурная формула углеводов: CnH₂mOm-Cn(H₂O)m. Сложные углеводы (полисахариды, полиозы) - углеводы, способные гидролизироваться на более простые и подразделяются на низкомолекулярные - олигосахариды и высокомолекулярные.

Моно- и олигосахариды

К моносахаридам относятся глюкоза, фруктоза и галактоза. Олигосахариды - углеводы, молекулы которых содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов. Основными представителями олигосахаридов в питании человека являются сахароза и лактоза. Потребление добавленного сахара не должно превышать 10% от калорийности суточного рациона.

Полисахариды

Полисахариды (высокомолекулярные соединения образуются из большого числа мономеров глюкозы и других моносахаров) подразделяются на крахмальные полисахариды (крахмал и гликоген) и неусвояемые полисахариды - пищевые волокна (клетчатка, гемицеллюлоза, пектины).

Молекулы простых сахаров состоят из неразветвленных углеродных цепей с различным числом атомов углерода. В пищевых продуктах содержатся главным образом моносахара с шестью (гексозы) или пятью (пентозы) углеродными атомами. Все гексозы содержат по 6 атомов углерода, кислорода и водорода. Молекула дисахаридов состоит из двух молекул гексоз. Известно более 200 различных природных моносахаридов, однако только некоторые их них используются в питании.

Из группы гексоз наиболее широко представлены в питании глюкоза, фруктоза и галактоза.

Глюкоза (декстроза, виноградный сахар) С₆Н₁₂О₆ - в свободном виде содержится в зеленых частях растений, в семенах, в различных фруктах и ягодах, меде, входит в состав крахмала, клетчатки, сахарозы и др. полисахаридов. Хорошо растворима в воде,. гигроскопична, сорбирует влагу при относительной влажности воздуха 85% и более. Глюкоза сбраживается дрожжами.

Глюкоза - единственный углевод, который циркулирует в крови, важнейшим потребителем глюкозы является мозг. Содержание глюкозы в организме зависит от количества углеводов в рационе, ее нормальный уровень в крови составляет 80-100 мг/мл и регулируется гормоном поджелудочной железы - инсулином. Снижение содержания сахара в крови вызывает нарушение поведения, бред, потерю сознания и, в конечном счете, структурные повреждения мозга, приводящие к смерти. При недостатке глюкозы ее запасы могут компенсироваться за счет расщепления сахарозы, крахмала, других полисахаридов. Накопление глюкозы в крови до 200-400 мг/100 мл приводит к перенапряжению гормональной системы, инсулин начинает вырабатываться в недостаточном количестве, что может привести к возникновению заболевания - сахарного диабета.

Фруктоза (левулеза, плодовый сахар) С₆Н₁₂О₆ - в свободном состоянии содержится в зеленых частях растений, нектаре цветов, семенах, меде, входит в состав сахарозы, инсулина. Растворимость в воде выше, чем у глюкозы и сахарозы, очень гигроскопична, начинает сорбировать влагу при относительной влажности воздуха 45-50%. Сбраживается дрожжами.

Фруктоза - наиболее благоприятный в гигиеническом отношении углевод: для своего усвоения не требует инсулина, не является фактором увеличения концентрации сахара в крови, не вызывает кариес зубов в отличии от глюкозы и сахарозы.

Сахароза - (тростниковый, свекловичный сахар) С₁₂О₂₂О₁₁. Молекула сахарозы состоит из остатков Д-глюкозы и Д-фруктозы. Содержится в листьях, стеблях, семенах, плодах, клубнях растений, в наибольших количествах - в сахарной свекле и сахарном тростнике. Хорошо растворима в воде, растворы сахарозы преломляют световые лучи и показатель преломления зависит от концентрации раствора. После гидролиза сбраживается дрожжами. Негигроскопична.

Сахароза выполняет только энергетическую функцию, но при этом вызывает очень быстрое увеличение содержания глюкозы в крови и препятствует транспорту холестерина.

Лактоза - (молочный сахар) С₁₂О₂₂О₁₁ - галактозидоглюкоза, при гидролизе образует глюкозу и галактозу. В свободном виде присутствует в молоке всех млекопитающих. Не сбраживается дрожжами, но сбраживается молочнокислыми бактериями.

Лактоза способствует развитию в желудочно-кишечном тракте молочнокислых бактерий, являющихся антагонистами гнилостной и патогенной микрофлоры. Однако, у некоторых людей отсутствует или недостаточна активность фермента лактазы, гидролизирующего лактозу, поэтому они страдают непереносимостью молока.

Мальтоза (солодковый сахар) состоит из двух остатков глюкозы, является основным структурным компонентом крахмала и гликогена.

Моно - и дисахариды имеют сладкий вкус, за что получили название сахаров, но степень их сладости неодинакова.

Относительная сладость сахаров в условных единицах: сахароза - 100, галактоза - 32, фруктоза - 173, мальтоза - 32, глюкоза - 74, лактоза - 16.

Наибольшее значение для питания человека имеют дисахариды - сахароза, лактоза и мальтоза. В состав молекулы каждого из этих дисахаридов входит глюкоза, вторым сахаром может быть глюкоза, галактоза или фруктоза.

Крахмал - резервный полисахарид растений состоит из амилозы и разветвленного амилопектина; накапливается в виде крахмальных зерен в клетках луковиц, клубней, корневищ, семян растений.

Крахмал - основной источник углеводов для организма, в нативном состоянии не усваивается, т.к. защищен клеточной стенкой - клетчаткой, а подвергается перевариванию после термической обработки. Крахмал усваивается медленнее других углеводов, поскольку предварительно должна пройти его деполимеризация - гидролиз до глюкозы, поэтому потребление крахмала не приводит к быстрому увеличению содержания глюкозы в крови.

Гликоген - разветвленный полисахарид, молекулы которого построены из остатков глюкозы, представляет собой быстро реализуемый резерв живых организмов.

Еще выделяют группу "модифицированных" крахмалов, все шире используемых в пищевой промышленности. Это крахмалы, чьи свойства изменены (модифицированы) путем физических, химических или биологических воздействий. Модифицированные крахмалы используют в хлебобулочной и кондитерской промышленности, напр., для получения безбелковых продуктов для диетического питания.

Клетчатка (целлюлоза) - самый распространенный в природе некрахмальный полисахарид. Клетчатка входит в состав клеточных стенок всех растений, служит опорным материалом и придает им прочность. Клетчатка не растворима в воде, но может связывать значительное количество воды (до 0,4 г воды на 1 г клетчатки).

Гемицеллюлозы образуют вместе с целлюлозой клеточные стенки растительных тканей. Их содержание в растениях может достигать 40 %. В клеточных стенках гемицеллюлоза вместе с лигнином выполняет функции цементирующего материала. Много гемицеллюлозы в оболочках зерен, "корочках" некоторых фруктов, скорлупе семечек и орехов. Гемицеллюлозы также способны удерживать воду.

Пектиновые вещества, кислые полисахариды растений, присутствующие в клеточной стенке, межклеточном веществе, клеточном соке, накапливаются в плодах и корнеплодах. В большом количестве пектины содержатся в яблоках, лимонах, сахарной свекле. В присутствии сахаров и кислот пектины способны образовывать гели, что используется в пищевой промышленности при производстве желе, мармелада и джемов.

Пектиновые вещества выводят из организма многие токсичные вещества: продукты жизнедеятельности микроорганизмов, тяжелые металлы, радионуклеиды.

Основная функция углеводов - обеспечение энергетических затрат организма (на углеводы приходится от 55 до 75 % калорийности пищи).

Количество и состав углеводных компонентов пищи очень важны для поддержания здоровья. Средний уровень углеводов в пищевом рационе жителей промышленно развитых стран составляет около 60 %, а для населения слаборазвитых стран - достигает 80 %; при этом в слаборазвитых странах половину всех потребляемых углеводов составляют крахмалсодержащие продукты (мука, крупа, картофель). Среднестатистический здоровый человек должен потреблять в сутки от 350 до 500 г углеводов, а для людей с усиленной физической или умственной нагрузкой потребление углеводов может увеличиваться до 700 г и выше. Более половины углеводов поступает в организм с зерновыми продуктами, около четверти - с сахаром и сахаросодержащими продуктами, с овощами от 10 до 15 %, с фруктами от 5 до 10 %.

В растительных продуктах содержатся как простые углеводы (сахара), так и полисахариды - крахмал, гликоген и пищевые волокна. По мере созревания во фруктах увеличивается количество простых сахаров, а содержание крахмала уменьшается. Поэтому зрелые фрукты становятся более сладкими.

При попадании в организм человека переваривание и усвоение углеводов происходит с разной скоростью. Это связано с тем, что для утилизации их организмом все углеводы должны быть гидролизованы ферментами пищеварительного тракта до простых сахаров.

Простые сахара - глюкоза и фруктоза усваиваются быстро и легко. Дисахариды - сахароза, лактоза, мальтоза усваиваются медленнее, т.к. предварительно должны быть гидролизованы до простых сахаров. Лактоза - наиболее важный углевод в питании новорожденных и детей младшего возраста.

Для оценки пищевой ценности углеводов используется гликемический индекс. Эта расчетная величина отражает способность поступивших в организм углеводов повышать уровень глюкозы в крови. Наиболее высокий гликемический индекс характерен для чистой глюкозы и мальтозы, а также для углеводов, содержащихся в картофеле, моркови, меде, кукурузных хлопьях, пшеничном хлебе.

Еще одной характеристикой углеводов является их сладость. В наибольшей мере сладкий вкус присущ фруктозе и глюкозе, сахарозе, некоторым сахароспиртам (мальтитол, маннит, сорбит). Искусственные заменители сахара (сахарин, аспартам) по "сладости" в сотни раз превосходят натуральные углеводы. Поэтому заменители сахара используют в тех случаях, когда необходимо придать продуктам сладкий вкус, не увеличивая их калорийность.

Глюкоза является основным источником энергии для мышц, нервной системы и других тканей. Энергия выделяется при окислении глюкозы. Если содержание глюкозы превышает уровень, необходимый для получения нужного количества энергии, то происходит ее резервирование в виде гликогена. Запасы гликогена в мышцах и печени человека могут достигать от 300 до 400 г. Когда запасы гликогена достигают максимального уровня, из глюкозы синтезируются жиры, которые откладываются в жировых клетках. При повышении энергетических затрат гликоген снова превращается в глюкозу.

Хотя среднесуточное поступление глюкозы в чистом виде в организм человека относительно невелико (от 15 до 18 г), много глюкозы поступает в связанном виде - в составе дисахаридов, крахмала. Для выполнения своих функций центральная нервная система расходует около 140 г глюкозы за сутки, эритроциты крови - 40 г, мышечная ткань расходует глюкозу также в больших количествах, в зависимости от выполняемой физической работы.

При недостатке углеводов в организме появляются слабость, головокружение, головная боль, чувство голода, сонливость, потливость, дрожь в руках.

Избыточное (превышающее энергетические потребности организма) потребление углеводов также приводит к нежелательным последствиям.

"Лишняя" глюкоза превращается в жир, что приводит к увеличению массы тела, а также способствует разрушению зубов (кариес).

Помимо исключительной роли неусвояемых пищевых волокон для процессов пищеварения, очень важна их способность выводить из организма токсические вещества. Так, одним из важнейших свойств пектиновых веществ является образование молекулами пектина комплексов с ионами тяжелых металлов и радионуклидов. Поэтому дополнительные количества пектина рекомендуется включать в рацион питания лиц, контактирующих с соединениями тяжелых металлов или находящихся в среде, загрязненной радионуклидами.

Лигнины способны связывать соли желчной кислоты и другие органические вещества. Обезвреживающее (детоксицирующее) действие пищевых волокон позволяет использовать их в программах комплексной профилактики нарушений жирового обмена, атеросклероза, сахарного диабета, желчнокаменной болезни.

Чрезмерное потребление пищевых волокон может привести к неполному перевариванию пищи, нарушению всасывания в кишечнике кальция и других биоэлементов, а также жирорастворимых витаминов. Избыток пищевых волокон в рационе сопровождается чувством дискомфорта от образования газов в кишечнике, болями в животе и диареей.

Углеводы в пищевых продуктах

Углеводы составляют ³/₄ сухой массы растений и водорослей, они содержатся в зерновых, фруктах, овощах и других фруктах.

Главными усваиваемыми углеводами в питании человека являются крахмал и сахароза. Крахмал является основным энергетическим ресурсом человеческого организма. Источники крахмала- зерновые, бобовые, картофель. На долю крахмала приходится примерно 80% всех потребляемых человеком углеводов.

Моносахариды и олигосахариды (в том числе сахароза) присутствуют в зерновых относительно малых количествах. Сахароза обычно поступает в человеческий организм с продуктами, в которые она добавляется (кондитерские изделия, напитки, мороженое и др). Принимая во внимание то, что сахароза в значительной степени способствует росту глюкозы в крови, следует отметить, что продукты с высоким содержанием сахара (в первую очередь кондитерские изделия) являются наименее ценными из всех углеводных продуктов.

В настоящее время можно считать доказанным, что необходимо увеличить в рационе пищевые волокна. Источником их являются ржаные и пшеничные отруби, овощи, фрукты. Хлеб их цельного зерна с точки зрения содержания пищевых волокон гораздо более ценен, чем хлеб из муки высших сортов, не содержащих алейронового слоя и зародыша.

В таблице 3.1 представлены углеводы зерна и продуктов его переработки.

Таблица 3.1

Углеводы зерна и продуктов его переработки

Продукт	Крахмал	Сахара	Клетчатка и целлюлоза	Всего углеводов
Пшеница	52-55	2-3	8-14	60-70
Мука пшеничная	67-68	1,7-1,8	0,1-0,2	73-74
Макароны	62-69	1,7-4,6	0,1-0,2	72-75
Рис			4-10	63-64
Гречка	63-64		1-2	67-68
Кукуруза		2,5-3	6-10	67-70

Углеводы плодов представлены в основном сахарозой, глюкозой и фруктозой, а также клетчаткой и пектиновыми веществами (в черной смородине 1,1%; в сливе 0,9; в клюкве 0,7; в корках цитрусовых 20-30; в корках яблок 8-20% пектиновых веществ). В таблице 3.2 представлено содержание различных углеводов в плодах в (%)

Таблица 3.2

Углеводы плодов

Вид	Сахара	Пектиновые вещества	Клетчатка	Всего углеводов
Сахароза	Глюкоза	Фруктоза
Яблоки	3,0	3,8	8,1	1,1	0,6	11-17
Персики	6,3	5,1	4,4	0,6	1,0	17-18
Виноград	0,6-4,0	8-10	7-10	0,6	0,6	17-25
Лимоны	0,9	0,6	0,6	1,1	0,5	3-4
Земляника	0,4	2,8	3,3	1,6	1,4	9-10

Животные продукты содержат значительно меньше усваиваемых углеводов, чем растительные. Мясной и печеночный гликоген подобные по строению крахмальному амилопектину и усваиваются так же, как крахмал.

УГЛЕВОДЫ