Значение углеводов в питании человека
Углеводы - это органические соединения, имеющие в составе альдегидную или кетонную и спиртовую группы.
Все углеводы можно разделить на 3 группы: быстроусваиваемые углеводы - глюкоза, фруктоза, галактоза, рибоза, сахароза, лактоза, мальтоза; медленноусваиваемые полисахариды - крахмал, гликоген; и неусваиваемые (неперевариваемые) - клетчатка (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин) и пектиновые вещества[1].
Основная функция углеводов - энергетическая. Именно углеводы обеспечивают организм 55-60% всей утилизированной энергии.
Энергетическую функцию несут прежде всего глюкоза, фруктоза, сахароза, а также крахмал и гликоген. Так называемые неперевариваемые углеводы - целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества также играют очень важную роль в питании. Пищевые волокна стимулируют перистальтику желудочно-кишечного тракта, адсорбируют токсические вещества и холестерин, обеспечивают оптимальные условия для жизнедеятельности нормальной микрофлоры кишечника[2].
Основными источниками углеводов являются продукты растительного происхождения: сладкие овощи и фрукты, (глюкоза, фруктоза, сахароза), а также крупы, все овощи и фрукты, хлеб из муки грубого помола (медленно усваиваемые и неперевариваемые углеводы, т.е. пищевые волокна).
Средняя потребность в углеводах составляет 400(300) - 500 г. в сутки в зависимости от степени физической активности. Из них 70-75% должно приходиться на долю медленно усваиваемых углеводов - крахмала, около 10% (30-40 г) на долю пищевых волокон и 15-20% (60-100 г) могут составлять простые сахара.
Учитывая малую биологическую ценность рафинированных углеводов, следует стремиться к максимальному ограничению в рационе продуктов, в которых они содержатся (кондитерские изделия, хлеб из белой муки, сахар). Кроме того, быстрое всасывание простых углеводов в желудочно-кишечном тракте приводит к резкому повышению уровня глюкозы в крови и перенапряжению функции поджелудочной железы, что может способствовать развитию диабета.
Недостаток углеводов в питании приводит к снижению массы тела. В качестве источников энергии организм начинает использовать жиры и белки. В результате нарушаются обменные процессы (в норме "жиры сгорают в пламени углеводов"). Недостаточное потребление пищевых волокон приводит к развитию запоров. Увеличивается риск возникновения полипов и рака толстой кишки.
При избыточном потреблении углеводов повышается уровень сахара в крови (избыточная нагрузка на поджелудочную железу), часть их не может быть использована организмом и используется для образования жира. Избыток жира в организме приводит к развитию атеросклероза и связанных с ним сердечно-сосудистых заболеваний. Повышается аллергическая настроенность организма. Избыточное потребление пищевых волокон у здоровых людей может вызывать метеоризм и снижение усвоения белков, жиров и минеральных веществ[3].
2.1 Моносахариды
Глюкоза – наиболее важный из всех моносахаридов, так как она является структурной единицей (кирпичиком) для построения большинства пищевых ди- и полисахаридов. С пищей к нам поступают моно–, ди– и полисахариды. Всасываются в кишечнике моносахариды. Полисахариды в процессе движения по ЖКТ расщепляются на отдельные молекулы моносахаридов и всасываются в кровь в тонком кишечнике. С кровью воротной вены большая часть глюкозы (около половины) из кишечника поступает в печень, остальная глюкоза через общий кровоток транспортируется в другие ткани. 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.
Транспорт глюкозы в клетки регулируется во многих тканях гормоном поджелудочной железы – инсулином. В клетке в ходе многостадийных химических реакций (Цикл Кребса) глюкоза превращаются в другие вещества, которые в конечном итоге окисляются до углекислого газа и воды, при этом выделяется энергия, используемая организмом для обеспечения жизнедеятельности. При снижении уровня глюкозы в крови или ее высокой концентрации и невозможности использования, как это происходит при диабете, наступает сонливость, может наступить потеря сознания (гипогликемическая кома).
Без присутствия инсулина глюкоза не поступит в клетку и не будет использована в качестве топлива. В этом случае в качестве топлива обычно используются жиры. Это характерно для людей с сахарным диабетом. Кстати, в некоторых теориях снижения веса активно используется этот факт. Хотя при этом могут возникать очень серьезные проблемы со здоровьем. Позже мы коснемся этой темы более основательно. Скорость поступления глюкозы в ткани мозга и печени не зависит от инсулина и определяется только концентрацией ее в крови. Эти ткани называются инсулинонезависимыми.
Фруктоза является одним из самых распространенных углеводов фруктов. 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. Часть фруктозы попадает в клетки печени, которые превращают ее в более универсальное "топливо" – глюкозу, поэтому фруктоза тоже способна повышать уровень сахара в крови, хотя и в значительно меньшей степени, чем другие простые сахара. Фруктоза легче, чем глюкоза, способна превращаться в жиры. Основным преимуществом фруктозы является то, что она в 2,5 раза слаще глюкозы и в 1,7 – сахарозы. Ее применение вместо сахара позволяет снизить общее потребление углеводов.
Галактоза в продуктах в свободном виде не встречается. Она образует дисахарид с глюкозой – лактозу (молочный сахар) – основной углевод молока и молочных продуктов.
Лактоза расщепляется в желудочно-кишечном тракте до глюкозы и галактозы под действием фермента лактазы. Дефицит этого фермента у некоторых людей приводит к непереносимости молока. Дефицит этого фермента наблюдается примерно у 40% взрослого населения. Нерасщепленная лактоза служит хорошим питательным веществом для кишечной микрофлоры. При этом возможно обильное газообразование, живот "пучит". В кисломолочных продуктах большая часть лактозы сброжена до молочной кислоты, поэтому люди с лактазной недостаточностью могут переносить кисломолочные продукты без неприятных последствий. Кроме того, молочнокислые бактерии в кисломолочных продуктах подавляют деятельность кишечной микрофлоры и снижают неблагоприятные действия лактозы.
Дисахарид, образованный молекулами глюкозы и фруктозы, – это сахароза. 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. Его часто называют "носителем пустых калорий", так как сахар – это чистый углевод, он не содержит других питательных веществ, таких как, например, витамины, минеральные соли.
При соединении двух молекул глюкозы образуется мальтоза – солодовый сахар. Ее содержат мед, солод, пиво, патока и хлебобулочные и кондитерские изделия, изготовленные с добавлением патоки.
В пище человека присутствуют, кроме дисахаридов, три– и тетрасахариды. Чаще всего в пище встречаются трисахарид рафиноза (глюкоза + фруктоза + галактоза) и тетрасахарид стахиоза (глюкоза + фруктоза + 2 молекулы галактозы). Рафиноза 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 рафинозы и стахиозы. В этих случаях, как и при непереносимости молока, может развиваться обильное газообразование, боли в области живота и даже понос[5].
2.2 Полисахариды
Все полисахариды, представленные в пище человека, за редкими исключениями, являются полимерами глюкозы. Основным средством депонирования (накопления) углеводов в растениях является полисахарид – крахмал. У животных в этом качестве выступает гликоген.
Крахмал – основной из перевариваемых полисахаридов. На его долю приходится до 80% потребляемых с пищей углеводов.
Источником крахмала служат растительные продукты, в основном злаковые: крупы, мука, хлеб, а также картофель. Содержание его в плодах и овощах колеблется от 1 до 25%. Наиболее богаты крахмалом картофель (12 – 25%), незрелые бананы (до 18%), орехи (10 – 24%), зеленый горошек (5%). Во всех других плодах и овощах крахмал практически отсутствует. Лишь в незрелых плодах его содержание значительно. Так, в яблоках зимних сортов в момент съема находится до 2% крахмала. Но уже после двухмесячного хранения его содержание снижается до 0,5%, а в дальнейшем он практически совсем исчезает.[6]
Клетчатка – это основное вещество клеточных оболочек растительных продуктов. Она содержится в кожице плодов, семенных гнездах семечковых плодов и в стенках клеток. В одних овощах клетчатка содержится в виде колец (свекла), в других - в сердцевине (морковь).
В плодах и овощах клетчатка (целлюлоза) и полуклетчатка (гемицеллюлоза) содержатся в количестве около 2% сырой массы. Хотя в пищевом отношении такие вещества считаются балластными, тем не менее им принадлежит важная роль, поскольку они способствуют продвижению пищевых масс по кишечнику. Вместе с тем как высшие, так и низшие растения обладают ферментами, способными расщеплять клетчатку и полуклетчатку до сахаров. В связи с этим одна из причин увеличения содержания сахаров в овощах при хранении может быть связана с расщеплением клетчатки и полуклетчатки.
Основное отличие полисахаридов состоит с том, что при переваривании крахмала в желудочно–кишечном тракте происходит ферментативное расщепление и образование моносахаридов, главным из которых является глюкоза. Расщепление крахмала начинается в полости рта при участии слюны, которая частично расщепляет молекулярные связи, образуя менее крупные, чем крахмал молекулы – декстрины. А затем процесс переваривания происходит постепенно на протяжении всего ЖКТ.
Молекула гликогена содержит до 1 млн. остатков глюкозы, следовательно, на синтез расходуется значительное количество энергии. Необходимость превращения глюкозы в гликоген связана с тем, что накопление значительного количества глюкозы в клетке привело бы к повышению осмотического давления, так как глюкоза хорошо растворимое вещество. Напротив, гликоген содержится в клетке в виде гранул, и мало растворим. Распад гликогена – гликогенолиз – происходит в период между приемами пищи. Гликоген – удобная форма накопления углеводов, имеющая активно разветвленную структуру, что позволяет быстро и эффективно расщеплять гликоген на глюкозу и оперативно использовать как источник энергии.
Гликоген – главная форма запаса углеводов у животных. Гликоген запасается, главным образом, в печени (до 6% от массы печени) и в мышцах, где его содержание редко превышает 1%. Запасы углеводов в организме нормального взрослого человека (массой 70 кг) после приема пищи составляют около 327 г: гликоген печени 4,0% = 72 г (масса печени 1800 г);
мышечный гликоген 0,7% = 245 г (масса мышц 35 кг);
внеклеточная глюкоза 0,1% = 10 г (общий объем внеклеточной жидкости 10 л).
Функция мышечного гликогена состоит в том, что он является легкодоступным источником глюкозы, используемой в энергетических процессах в самой мышце. Гликоген печени используется для поддержания физиологических концентраций глюкозы в крови, прежде всего в промежутках между приемами пищи. Через 12–18 ч после приема пищи запас гликогена в печени почти полностью истощается. Содержание мышечного гликогена заметно снижается только после продолжительной и напряженной физической работы.
Пищевые волокна – это комплекс углеводов: клетчатки (целлюлозы), гемицеллюлозы (полуклетчатки), пектинов, камедей (гумми), слизи, а также не являющегося углеводом лигнина. Таким образом, пищевые волокна – это большая группа веществ различной химической природы, источником которых служат растительные продукты. Некоторые авторы причисляют к пищевым волокнам аминосахара грибов и ракообразных, например хитин и хитозан. Пектины - это группа высокомолекулярных соединений, построенных по типу полисахаридов, в основном содержащихся в плодах и овощах. Незрелые плоды и ягоды содержат протопектин, но в процессе их созревания под воздействием фермента протопектиназы и органических кислот протопектин постепенно превращается в пектин, который придает мягкость созревшим ягодам. И хотя в пищеварительном тракте пектины почти не перевариваются, они благоприятно влияют на жизнедеятельность полезных микроорганизмов, обитающих в кишечнике, и в то же время способствуют удалению вредных бактерий.
Пищевые волокна хоть и называются балластными веществами, но играют очень важную роль в организме человека[7].
Из вышеперечисленного можно подчеркнуть то, что основные питательные вещества в овощах и плодах представлены углеводами. Их содержание зависит от вида и сорта растений, почвы, климата и других особенностей.
Из моносахаридов для организма человека важнейшую роль играет глюкоза. Полисахариды важны тем, что при их расщеплении (крахмал) образуются моносахариды, главным из которых является глюкоза, а клетчатка, полуклетчатка и пищевые волокна помогают при пищеварении и продвижении пищевых масс по кишечнику.
Содержание углеводов в свежих и переработанных плодоовощных товарах
Из углеводов плодов и овощей особое значение имеют сахара, крахмал, клетчатка, гемицеллюлозы и пектиновые вещества.
Основными углеводами плодов и овощей являются: из моносахаридов – глюкоза, фруктоза, арабиноза, ксилоза; из полисахаридов первого порядка (олигосахариды) – сахароза, трегалоза (в грибах); из полисахаридов второго порядка (полиозы), молекулы которых построены из большого числа остатков молекул моносахаридов, - крахмал, целлюлоза, гемицеллюлозы, инулин. По составу близки к углеводам пектиновые вещества, находящиеся во всех плодах и овощах.
Отдельные виды плодов и овощей заметно различаются по содержанию и составу углеводов. Очень велики различия между сортами в пределах одного и того же вида. Нередко сортовые различия превышают даже видовые. Например, среднее содержание сахаров в отдельных сортах лука колеблется от 7,4 до 16,0 %.
Сахара представлены в основном глюкозой, фруктозой и сахарозой. Содержание сахаров в отдельных видах овощей и плодов колеблется в значительных пределах. Так, в огурцах их находится в среднем 2,5 %, в томатах – 3,5%, в луке – 5 – 14%, в вишнях 7 – 14%, в винограде – 14 – 25%.
Различные виды плодов и овощей отличаются и составом углеводов. В семечковых (яблоки, груши, айва и др.) преобладает фруктоза, меньше содержание глюкозы и еще меньше – сахарозы; в абрикосах и сливах основными сахарами являются глюкоза и сахароза, а ягоды характеризуются одинаковым содержанием глюкозы и фруктозы и малым содержанием сахарозы. Глюкоза преобладает в моркови, дынях, фруктоза – в арбузах[8].
В плодах и овощах часто встречаются близкие к группе гексоз шестиатомные спирты – сорбит и манит, имеющие одинаковую эмпирическую формулу , но отличающиеся расположением группы OH у второго углеродного атома. При осторожном окислении сорбит и манит превращаются в гексозы. Сорбит при окислении может образовывать глюкозу, фруктозу или сорбозу, а манит – маннозу и фруктозу. Сорбит содержится в зрелых ягодах рябины (до7%), а также в сливах, персиках, абрикосах, вишне, яблоках, грушах и других плодах. Манит в значительном количестве находится в грибах (до 11% сухого вещества), а также в ананасах, сливах, моркови, луке, сельдерее[9].
Крахмал накапливается в некоторых видах плодов и овощей как резервное вещество. Много крахмала в картофеле (14 – 25%), зеленом горошке (5 – 6%), сахарной кукурузе (8%). Незрелые яблоки зимних сортов содержат 4 – 5% крахмала, а в период съемной зрелости – 1,5 – 2%. По мере созревания количество крахмала в плодах уменьшается за счет его гидролиза, и к моменту потребительской зрелости плодов он превращается в сахар.
Клетчатка (целлюлоза) и полуклетчатка (гемицеллюлоза) составляют основную массу клеточных стенок. Содержание их значительно колеблется в хрене, укропе, шиповнике, орехах, малине, смородине, облепихе (2,5 – 5%), меньше – в огурцах, кабачках, патиссонах, салате, зеленом луке, вишнях, яблоках, сливах (0,5 – 0,8%).
Инулин содержится в чесноке (15 – 20%), топинамбуре (13 – 20%) и артишоках (1,9%), заменяя в них крахмал. При гидролизе инулина образуется фруктоза.
Пектиновые вещества являются важным компонентом углеводного комплекса плодов и овощей. К ним относятся следующие соединения: пектины, пектовая кислота и протопектин. Протопектин обусловливает твердость незрелых плодов. Он содержится в наружном слое клеточных стенок и склеивает прилегающие друг к другу клетки. Под действием фермента протопектиназы протопектин переходит в растворимый пектин и консистенция ткани размягчается. Содержание пектиновых веществ составляет: в яблоках 0,3 – 1,8%, в абрикосах – 0,5 – 1,2%, в клюкве – 0,2 – 1,3%, в черной смородине – 1 – 2,3%, груши – 0,2 – 1,0%, сливы – 0,2 – 1,5%, крыжовник – 0,3 – 1,4%.
Важным свойством пектиновых веществ является их способность в присутствии сахара и кислот образовывать студни, что используется при производстве кондитерских изделий (варенья, джемов, желе, мармелада, пастилы)[10].