Типы пищевых волокон и их классификация

ТИПЫ ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Пищевые волокна - это компоненты пищи, не перевариваемые
пищеварительными ферментами организма человека, но перерабатываемые полезной микрофлорой кишечника. Пищевые волокна определяются как сумма неперевариваемых полисахаридов и лигнина.

Основные типы пищевых волокон: крахмал, лигнин, некрахмальные
полисахариды, целлюлоза, нецеллюлозные полисахариды, гемицеллюлоза.
пектиновые вещества, камеди, слизи, запасные полисахариды, подобные
инулину и гуару.

Классификация пищевых волокон

По химическому строению: полисахариды (целлюлоза и её дериваты,
гемицеллюлоза. пектины, камеди, слизи, гуар и др.), неуглеводные пищевые волокна — лигнин.

По сырьевым источникам: традиционные (пищевые волокна злаковых,
бобовых растений, овощей, корнеплодов, фруктов, ягод, цитрусовых, орехов, грибов, водорослей), нетрадиционные (пищевые волокна лиственной и хвойной древесины, стеблей злаков, тростника, трав).

По методам выделения из сырья: неочищенные пищевые волокна,
пищевые волокна, очищенные в нейтральной среде: пищевые волокна,
очищенные в кислой среде: пищевые волокна, очищенные в нейтральной и
кислой средах: пищевые волокна, очищенные ферментами.

По водорастворимости: водорастворимые (пектин, камеди, слизи,
некоторые дериваты целлюлозы), водонерастворимые (целлюлоза, лигнин).

По степени шгкробной ферментации в толстой кишке:
ферментируемые (пектин, камеди, слизи, гемицеллюлозы). частично
ферментируемые (целлюлоза, гемицеллюлоза) и не ферментируемые
(лигнин).

Использование пищевых волокон в питании одобрено организациями
здравоохранения многих стран, такими как Комиссия по надзору за
продовольствием и лекарственными средствами (FDA), Американская
ассоциация кардиологов (AHA). Европейская комиссия по функциональным пищевым продуктам (FUFOSE). Министерство здравоохранения Японии. В Российской Федерации вопросами применения пищевых волокон занимается
Роспотребнадзор. Количество пищевых волокон в продуктах питания
значительно колеблется (табл. 1).

Таблица 1 - Содержание пищевых волокон в 100г пищевых продуктов

№	Пищевые продукты	ППищевые волокна, г
	Яблоки: мякоть кожура		1,4 3,7
	Бананы		1,8
	г Вишня, мякоть и кожица	1,2
	Персики, мякоть и кожииа		2,3
	Груши: мякоть кожура		2.2 8,6
	Сливы, мякоть и кожииа		1,5
	Клубника		2,1
	Катета белокочанная цветная		2,8 1,8
	Салат	1,5
	Лук		2,1
И	Морковь молодая варев ая		3,7
	Репа		2,2
	Картофель		3,5
	Перец сладкий	0,9
	Томаты		1,4
	Кукуруза	4,7
	Арахис	9,3
I8	Горошек зеленый консервированный	6,3
	Мука белая			6,1
	Отруби пшеничные			44,0
	Хлеб белый		9,7

Как видно из данных табл. 1. пищевых волокон много в непросеянной
муке и хлебе из неё. крупах с оболочками, бобовых, орехах. Пищевые
волокна содержатся в крупах, картофеле, овощах и фруктах, ягодах. Меньше пищевых волокон в хлебе из муки тонкого помола, макаронах, в очищенных от оболочек крупах (рис, манная крупа и др.). Чем белее хлеб, то есть чем больше он очищен от отрубей, тем меньше в нем пищевых волокон. Очищенные от кожуры фрукты содержат меньше пищевых волокон, чем неочищенные.

Пища, богатая пищевыми волокнами, как правило, менее калорийна,
содержит мало жира, много витаминов и минеральных веществ.

Рис. овсянку, фасоль, горох, кукурузу или сою можно употреблять
несколько раз в неделю.

По рекомендациям НИИ питания АМН РФ ежедневное потребление
пищевых волокон должно составлять 25-35 г в сутки. Если учесть, что на
долю клетчатки должно приходиться около половины общего количества
пищевых волокон, то потребность в ней равна 13-15г/сутки.

В рацион питания человека должны быть включены балластные
вещества: клетчатка, гемицеллюлоза и пектин, которые являются
физиологически важными компонентами пищи, предотвращающими многие болезни человека, в том числе, обусловленные ухудшением экологической обстановки, возрастанием числа стрессовых ситуаций, снижением иммунитета ко многим возбудителям заболеваний. Этот низкокалорийный полисахаридный комплекс - пищевые волокна, способствует также профилактике хронических интоксикаций, выводит из организма тяжелые и токсичные элементы, остаточные пестициды, радионуклиды, нитраты, нитриты и. таким образом, очищает организм, в том числе от холестерина, нормализует аппетит, предупреждает развитие рака толстой кишки.

Модифицированные крахмалы

В клетках растений крахмал находится в виде плотных образований,
получивших название крахмальных зерен. Часть глюкозы, образующейся в зелёных растениях при фотосинтезе, превращается в крахмал. Крахмал в
качестве резервного питания накапливается в клубнях, плодах, семенах
растений. Так, в наиболее часто используемых для производства крахмала
клубнях картофеля содержится до 24% крахмала, в зёрнах пшеницы - до
64%, риса - 75%, кукурузы - 70% (рис. 4).

Рис Кукуруза

Рисунок 4 - Растения, богатые крахмалом

Крахмальные зерна состоят из двух природных фракций - амилозы и
амилопектина. Свойства этих полимеров различаются. Амилоза образует в
горячей воде гидратированные мицеллы, но со временем ретроградирует
(осаждается) в виде труднорастворимого геля. Амилопектин набухает в воде и дает стойкие вязкие коллоидные растворы: он препятствует ретроградации амилозы в растворах крахмала. Благодаря способности амилозы образовывать упорядоченные кристаллические структуры из амилозной фракции крахмала получают эластичные пленки.

Картофельный крахмал (рис. 5) изготавливают из клубней картофеля,
которые для начала очищают от грязи, промывают и измельчают до
состояния гранул. Потом в эту смесь, состоящую из картофельного сока,
пульпы и крахмала, чтобы картофель не темнел от взаимодействия с

воздухом (и тем самым не испортил белизну крахмала на выходе),
добавляется двуокись серы (иногда сернистокислый натрий).

Рисунок 5 - Картофельный крахмал

Следующий шаг - экстракция: полученная смесь фильтруется на
металлических ситах, после чего обрабатывается на пеногасяшей установке, затем уваривается, рафинируется (окончательно удаляется картофельный сок. который мог остаться в растворе), охлаждается, очищается едкой щёлочью и солью хлорноватистой кислоты, сушится и просеивается. Почти так же получают кукурузный крахмал. В зерне кукурузы крахмал связан белками. Для растворения белков, «цементирующих» крахмал, кукурузу замачивают в растворе сернистой кислоты. Затем зерно дробят, выделяют зародыш, дополнительно измельчают крупу, выделяют крахмальное молоко,
отделяют крахмал от нерастворимого белка на центрифугах, крахмал
промывают и сушат для получения сухого продукта.

Крахмал представляет собой смесь 2 гомополисахаридов: линейного -
амилозы и разветвленного - амилопектина. общая формула которых
(СбНюОзХ. Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет 10-30%, амилопектина - 70-90%.

Полисахариды крахмала построены из остатков Э-глюкозы,
соединенных в амилозе и линейных цепях амило-пектина а-1—>4-связями, а в точках ветвления амилопектина - межцепочечными а-1->6-связями:

Единственным моносахаридом, входящим в состав крахмала, является
Б-глюкоза. В молекуле амилозы линейно связано в среднем около 1000
остатков глюкозы: отдельные участки молекулы амилопектина состоят из
20-30 таких единиц. В настоящее время общепринятой является «ветвистая» структура отдельных цепочек с а-1->4-связями в молекуле амилопектина.

Известно, что в воде амилоза не дает истинного раствора. Цепочка
амилозы в воде образует гидратированные мицеллы. В растворе при
добавлении йода амилоза окрашивается в синий цвет. Амитопектин также дает мицеллярный раствор, но форма мицелл несколько иная. Полисахарид амилопектин окрашивается йодом в красно-фиолетовый цвет.

Крахмал имеет молекулярную массу 10⁵-10⁷Да. При частичном
кислотном гидролизе крахмала образуются полисахариды меньшей степени полимеризации - декстрины, при полном гидролизе - глюкоза.

Согласно ГОСТ Р 51953-2002 «Крахмал и крахмалопродукты».
модифицированными крахмалами называют крахмалы, свойства которых
направленно изменены в результате физической. химической,
биохимической или комбинированной обработки. 49-й Экспертной
комиссией по пищевым добавкам Всемирной организации здравоохранения дано следующее определение модифицированным крахмалам: «пншевые крахмалы, у которых одна или более начальных характеристик изменены путём обработки в соответствии с практикой производства пищевых продуктов в одном из физических, химических, биохимических или комбинированных процессов».

Модифицированных крахмалов, разрешенных в Российской Федерации
к применению при производстве пищевых продуктов, согласно СанПиН
2.3.2.560-96. насчитывается около 20 видов.

Использование крахмалов в мясной промышленности обусловлено тем.
что очень часто предприятиям отрасли приходится перерабатывать мясо,
имеющее неудовлетворительные функциональные характеристики
подвергавшееся длительному хранению в замороженном состоянии и
имеющее низкую водосвязывающую способность (ВСС), а также мясо.

имеющее неудовлетворительные функциональные характеристики -
подвергавшееся длительному хранению в замороженном состоянии и
имеющее низкую водосвязывающую способность (ВСС), а также мясо,
содержащее большое количество соединительной ткани. Кроме того, на
рынке мясопродуктов очень велика доля продукции эконом-класса, для
производства которой крахмал оказывается одним из самых незаменимых
ингредиентов, так как стоимость крахмала в 3-3.5 раза ниже, чем говядины 2 сорта и в 2 раза ниже, чем соевого изолята. Использование крахмала
наиболее эффективно в технологии низкосортных колбас, для связывания
свободной влаги, выделяющейся после нагрева, но оно ограничено 10% к
массе сырья. Более высокое содержание приводит: • к появлению
резиноподобной консистенции: ♦ к изменению вкусовых свойств: • к
нарушению кислотно-щелочного баланса в пищеварительном тракте из-за
усиления бактериального брожения и снижения рН.

Крахмалы по своим технологическим функциям играют роль
стабилизатора, загустителя и наполнителя. Они не обладают эмульгирующей способностью, но имеют выраженную ВСС, которая проявляется в результате термообработки при развитии процесса клейстеризации. Молекула крахмала построена из большого числа остатков простых Сахаров и представляет собой смесь двух типов полимеров - амилозы и амилопектина. Их соотношение определяет способность крахмала растворяться при нагревании с образованием вязких коллоидных систем, называемых клейстерами.

При обычной температуре крахмальные зерна не растворяются в воде.
Нагрев крахмала в присутствии воды вызывает его клейстеризацию:
разрушается внутренняя структура крахмальных зерен, растворяется и
частично выходит во внешнюю среду полисахарид амилоза и сильно
набухает другой полисахарид - амилопектин. Первая стадия клейстеризации наступает при 50-65°С: вода проникает внутрь крахмальных зерен, растворяет часть амилозы и вызывает набухание амилопектина. Зерна сильно увеличиваются в размерах, но сохраняют свою форму. При более высоких температурах разрушается структура крахмальных зерен, исчезает их слоистое строение. Размеры зерен увеличиваются в десятки раз. Часть полисахаридов переходит в воду. Образуется клейстер, обладающий высокой водосвязывающей способностью и склеивающий частицы фарша.

Образующийся вязкий коллоидный раствор после охлаждения
превращается в гель, обладающий термотропными свойствами. Кроме того, для него характерен процесс самопроизвольного необратимого упрочнения, сопровождающийся сжатием сетки геля с выделением влаги – так называемый процесс синерезиса.

Крахмалы образуют гелеобразные структурированные слои,
сольватнрованные дисперсионной средой и диффузно переходящие в золь по мере удаления от поверхности частиц дисперсной фазы. Подобные тонкие прослойки в составе фаршевой эмульсии, обладая механической прочностью, мешают коагуляционному взаимодействию между частицами дисперсной фазы и являются стабилизаторами.

Таким образом, нативные крахмалы способны к образованию
ктейстеров. которые имеют ряд недостатков: они чувствительны к действию температур, склонны к синерезису. недостаточно стабильны при хранении.

Кроме того, ингредиенты, присутствующие в мясных системах,
оказывают определенное действие на функционально-технологические
свойства крахмалов и степень их выраженности во время термообработки:
наличие белка и жира сопровождается обволакиванием молекул крахмала,
что замедляет гидратацию гранулы и снижает как скорость гелеобразовання, так и уровень вязкости, адгезии. ВСС. Низкие значения рН ускоряют набухание гранул крахмала. Добавление сахара повышает адгезию и водосвязывающую способность. Поэтому для создания крахмалов. обладающих наилучшими функционально-технологическими свойствами, их подвергают направленным изменениям.

Основных способов модификации крахмала четыре - физический,
химический, биохимический или комбинированный способ. Меж тем в мире производятся десятки видов модифицированных крахмалов, которые
используются при производстве пищевых продуктов, как в чистом виде, так и в составе многокомпонентных функциональных добавок.

Некоторые модифицированные крахмалы сравнительно мало
отличаются по своему составу и свойствам от природного крахмала. Их
основные виды - это крахмал, лишенный запаха, с измененным цветом,
рассыпчатый и др. Наряду с ними известны многие другие
модифицированные крахмалы, получаемые путем сильного изменения их
природных свойств: набухающие, термически расщепленные, жидкокипящие и др. Чаще всего для производства мясопродуктов применяют следующие модификации: Е-1404 - окисленные крахмалы: Е-412 - дикрахмалфосфат. этерифицированный тринатрийфосфатом или хлорокисью фосфора: Е-1414 - ацетилированный дикрахмалфосфат: Е-1420 - ацетатный крахмал, этерифицированный уксусным ангидридом: Е-1422 – ацетилированный дикрахмаладипат.

Особенностью крахмальных гелей является кристаллизация
растворенных молекул крахмала. Осаждение связано с изменением
Линейного расположения молекул, которые вследствие образования
водородных связей и вандерваальсового взаимодействия располагаются в

правильные параллельные ряды. В конечном счете, крахмальный гель теряет непрерывность, и амилоза осаждается в виде нерастворимых хлопьев. Поэтому крахмалы, содержащие много амилозы, проявляют в большей степени склонность к ретроградации.

Наиболее устойчивы к ретроградации крахмалы картофеля и маниоки,
наименее - кукурузные и пшеничные. Хотя амилопектин в большей степени устойчив к ретроградации. чем амилоза, его при определенных условиях можно осадить из желе. Кроме того, осажденный амилопектин при умеренном нагревании может быть снова переведен в растворимую форму.

Крахмалы могут различаться не только соотношением содержания
амилозы и амилопектина. но и средней молекулярной массой в целом и
распределением молекулярных масс в каждой из двух фракций. Кроме того, молекулы крахмала, помимо глюкозных остатков, могут содержать и другие группы. Так. например, картофельный крахмал содержит ортофосфаты, составляющие концевые группы молекул.

Технология получения крахмала представлена на примере его
выделения из картофеля. В растительном сырье крахмал находится в виде
зерен, размещенных внутри клеток. Поэтому выделение крахмальных зерен включает разрушение клеточных структур и очистку освободившихся зерен от нерастворимых и растворимых примесей. Чистые клубни картофеля измельчаются на терках или других измельчающих машинах.

Наилучшими структурообразующими действиями обладает крахмал, в
молекулу которого введены карбоксиметильные группы.
Карбоксилметилкрахмал проявляет высокую гидрофильность. устойчивость к воздействию различных технологических факторов (температуры, механического воздействия и др.). Карбоксиметилкрахмал получают обработкой картофельного крахмала монохлоруксусной кислотой в спиртовой среде с последующей нейтрализацией смеси и отмочкой продукта 8%-ным спиртом. Степень замещения гидроксильных групп в молекуле крахмала карбоксиметильными - 0.1. Так как структурные изменения незначительные, то данный крахмал по свойствам близок натуральному крахмалу. Однако вследствие частичного разрушения водородных связей происходит некоторое ослабление структуры крахмального зерна. Поэтому карбоксиметилкрахмал растворяется уже в холодной воде, его растворы
более устойчивы к механическим и термическим воздействиям, несклонны к ретроградации и синерезису. что выгодно отличает его от натуральных
крахмалов.

Хитозан

Хитин является главным компонентом панцирей ракообразных и
насекомых. По химической структуре он относится к полисахаридам,
мономером хитина является N-ацетил-1,4-b-d-глюкопиранозамин. При
деацетилировании хитина получается хитозан (рис. 6). По химической
структуре хитозан является сополимером D-глюкозамина и N-ацетил-D-
глюкозамина.

В зависимости от эффективности реакции деацетилирования получаются хитозаны с различным числом деацетилирования - от 80 до 90%. Число деацетилирования показывает процентное содержание D-глюкозамина в молекуле хитозана. т.е. если речь идет о хитозане с числом деацетилирования 85%. то это означает, что в молекуле хитозана в среднем содержится 85% D-глюкозаминовых остатков и 15% N-ацетил-D-глюкозаминовых остатков.

Рисунок 6- Хитозан из панциря ракообразных

Химические свойства хитозана зависят от его химической структуры.
Большое количество свободных аминогрупп в молекуле хитозана определяет его свойство связывать ионы водорода и приобретать избыточный положительный заряд, поэтому хитозан является прекрасным катионитом. Кроме того, свободные аминогруппы и координационно связанные металлы определяют хелатообразующие и комплексо-образующие свойства хитозана. Это объясняет способность хитозана связывать и прочно удерживать ионы металлов (в частности радиоактивных изотопов и токсичных элементов) за счет разнообразных химических и электростатических взаимодействий.

Большое количество водородных связей, которые способен образовать
хитозан. определяют его способность связывать большое количество
органических водорастворимых веществ, в том числе бактериальные
токсины и токсины, образующиеся в толстом кишечнике в процессе
пищеварения.

С другой стороны, обилие водородных связей между молекулами
хитозана приводит к его плохой растворимости в воде, поскольку связи
между молекулами хитозана более прочные, чем между молекулами хитозана и молекулами воды. Вместе с тем. хитозан хорошо набухает и растворяется в органических кислотах - уксусной, лимонной, щавелевой, янтарной, причем он способен прочно удерживать в своей структуре растворитель, а также растворенные и взвешенные в нем вещества. Поэтому в растворенном виде хитозан обладает намного большими сорбционнымп свойствами, чем в нерастворенном.

Хитозан также способен связывать предельные углеводороды, жиры и
жирорастворимые соединения за счет гидрофобных взаимодействий и
эффекта молекулярного сита, что сближает его по сорбционным механизмам с циклодекстринами.

Расщепление хитина и хитозана до N-ацетил-D-глюкозамина и D-
глюкозамина происходит под действием микробных ферментов - хитиназ и хитобиаз. поэтому они полностью биологически разрушаемы и не загрязняют окружающую среду.

Таким образом, хитозан является универсальным сорбентом,
способным связывать огромный спектр веществ органической и
неорганической природы, что определяет широчайшие возможности его
применения в жизни человека.

Уникальные результаты показывает хитозан как энтеросорбент.
Хитозан поглощает жир и холестерин в пищеварительном тракте.
Положительно заряженный хитозан притягивается к отрицательно
заряженному жиру, выводя из организма жира в 10-12 раз больше своего
молекулярного веса. Кроме того, хитозан оказывает общее очищающее
действие на организм: адсорбирует из содержимого кишечника и крови
токсические вещества, продукты незавершённого пищеварения, прекращает проявление аллергических реакций, улучшает функцию кишечника, печени и почек. Таким образом, пища, обогащенная хитозаном. может использоваться в диетическом питании.

Хитозан является В-(1-4)-2-амино-2дезокси-Д-гликоиолисахаридом,т.е.
аминополисахаридом. полученным при удалении ацетильной группы из
положения Сг в хитине. Скорость растворения хитозана невысокая. Так.
продолжительность растворения порошкообразного хитозана составляет 35-40 мин. но со можно сократить до 15 мин. применяя перемешивание и
нагревание. При температуре 80°С хитозан растворяется в три раза быстрее, чем при 20°С. что объясняется увеличением скорости диффузионных процессов.

Предварительное набухание хитозана в воде позволяет в еще большей
степени сократить продолжительность его растворения, водопоглошение
хитина, микрокристаллического хитина и хитозана значительно выше, чем
микрокристаллической целлюлозы. Внесение хитозана в воду, которая
химически не взаимодействует с ним. обеспечивает быстрое набухание
полимера, причем каждая частичка хитозана набухает отдельно от других
полученная масса (золь) является однородной (не содержит комочков). При добавлении в эту массу концентрированной кислоты и последующем
перемешивании она, прежде всего, растворяется в воде, а получившийся
раствор кислоты взаимодействует с хитозаном. переводя его в солевую
форму.

Длительность, температура, кратность и порядок кислотной и
щелочной обработки хитина зависят от вида сырья, степени его
минерализации и протеинизации. требуемого качества хитина и хитозана и
устанавливаются конкретно для каждого случая.

Например, в Японии панцири краба промывают в воде, обрабатывают
5-10%-ной соляной кислотой при комнатной температуре и перемешивании в течение нескольких часов. Деминерализованную массу промывают в воде, обрабатывают 5-8%-ным раствором натриевой щелочи при нагревании. Полученный хитин промывают в воде, высушивают и измельчают. В высушенном виде он представляет собой сухие чешуйки, волокна, хлопья или порошок от белого или светло-розового до кремового цвета, содержание влаги и золы в нем не более 10 и 2% соответственно. рН 6.5-7.8.

Хитозан как щелочной полисахарид обладает возможностью угнетать
желудочную кислоту и оказывать антиязвенное действие. Он также влияет на содержание жира и холестерина в крови, обладает способностью
агглютинировать клетки, вызывающие лейкемию-а и раковый асцит Эрлиха.

ТИПЫ ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Пищевые волокна - это компоненты пищи, не перевариваемые
пищеварительными ферментами организма человека, но перерабатываемые полезной микрофлорой кишечника. Пищевые волокна определяются как сумма неперевариваемых полисахаридов и лигнина.

Основные типы пищевых волокон: крахмал, лигнин, некрахмальные
полисахариды, целлюлоза, нецеллюлозные полисахариды, гемицеллюлоза.
пектиновые вещества, камеди, слизи, запасные полисахариды, подобные
инулину и гуару.