Пищевая химия — это изучение химических процессов и взаимодействий всех биологических и небиологических компонентов пищевых продуктов. [1] [2] К биологическим веществам относятся, например, такие продукты, как мясо , птица , салат , пиво , молоко . Она похожа на биохимию по своим основным компонентам, таким как углеводы , липиды и белки , но также включает в себя такие области, как вода, витамины , минералы , ферменты , пищевые добавки , ароматизаторы и красители . Эта дисциплина также охватывает то, как продукты изменяются при определенных методах обработки пищевых продуктов , а также способы их улучшения или предотвращения. Примером улучшения процесса может быть стимулирование ферментации молочных продуктов с помощью микроорганизмов , которые превращают лактозу в молочную кислоту ; Примером предотвращения этого процесса может быть прекращение потемнения поверхности свежеразрезанных яблок с помощью лимонного сока или другой подкисленной воды .
Научный подход к продуктам питания и питанию возник с вниманием к агрохимии в работах Дж. Г. Валлериуса , Гемфри Дэви и других. Например, Дэви опубликовал «Элементы сельскохозяйственной химии в Курсе лекций для Совета по сельскому хозяйству» (1813 г.) в Соединенном Королевстве, который послужит основой для этой профессии во всем мире и выйдет в пятое издание. Более ранняя работа включала работу Карла Вильгельма Шееле , который выделил яблочную кислоту из яблок в 1785 году.
Некоторые открытия Либиха по химии пищевых продуктов были переведены и опубликованы Эбеном Хорсфордом в Лоуэлле, штат Массачусетс, в 1848 году. [3]
В 1874 году было создано Общество общественных аналитиков с целью применения аналитических методов на благо общества. [4] Его ранние эксперименты были основаны на хлебе, молоке и вине.
Его также беспокоило качество поставок продуктов питания, в основном проблемы фальсификации и загрязнения пищевых продуктов, которые сначала были вызваны преднамеренным загрязнением, а затем, к 1950-м годам, химическими пищевыми добавками . Развитие колледжей и университетов по всему миру, особенно в Соединенных Штатах, расширило бы химию пищевых продуктов, а также исследования пищевых веществ, в первую очередь эксперимент с единым зерном в 1907-1911 годах. Дополнительные исследования, проведенные Харви В. Уайли из Министерства сельского хозяйства США в конце XIX века, сыграли ключевую роль в создании Управления по контролю за продуктами и лекарствами США в 1906 году. Американское химическое общество основало свой отдел сельскохозяйственной и пищевой химии в В 1908 году Институт пищевых технологов основал отделение пищевой химии в 1995 году.
Концепции пищевой химии часто черпаются из реологии , теорий транспортных явлений , физической и химической термодинамики , химических связей и сил взаимодействия, квантовой механики и кинетики реакций , науки о биополимерах , коллоидных взаимодействий , нуклеации , стеклования и замораживания/неупорядоченных или некристаллических твердых тел. и, таким образом, в качестве фундамента имеет физическую химию пищевых продуктов . [5] [6]
Основным компонентом пищи является вода, которая может составлять от 50% в мясных продуктах до 95% в салате , капусте и томатах . Это также отличное место для роста бактерий и порчи продуктов, если они не обработаны должным образом. Одним из способов измерения этого показателя в пищевых продуктах является активность воды , которая очень важна для срока годности многих пищевых продуктов во время обработки. В большинстве случаев одним из ключей к сохранению пищевых продуктов является уменьшение количества воды или изменение характеристик воды для увеличения срока годности. Такие методы включают обезвоживание , замораживание и охлаждение. [7] [8] [9] [10] Эта область охватывает «физико-химические принципы реакций и превращений, которые происходят во время производства, обработки и хранения пищевых продуктов» . [11]
Составляя 75% биологического мира и 80% всей пищи, потребляемой человеком, наиболее распространенным известным человеческим углеводом является сахароза . Самая простая версия углеводов — это моносахарид , который содержит углерод , водород и кислород в соотношении 1:2:1 по общей формуле C n H 2n O n , где n равно минимум 3. Глюкоза и фруктоза являются примерами углеводов. моносахариды. При соединении так, как показано на изображении справа, образуется сахароза , один из наиболее распространенных сахаристых продуктов, содержащихся в растениях.
Цепочка моносахаридов образует полисахарид . К таким полисахаридам относятся пектин , декстран , агар и ксантан . [12] Некоторые из этих углеводных полисахаридов доступны для переваривания ферментами человека и в основном всасываются в тонком кишечнике, тогда как пищевые волокна попадают в толстый кишечник, где некоторые из этих полисахаридов ферментируются желудочно-кишечной микробиотой. [13]
Содержание сахара обычно измеряется в градусах Брикса .
Термин «липид» включает в себя широкий спектр молекул и в некоторой степени является общим для относительно нерастворимых в воде или неполярных соединений биологического происхождения, включая воски , жирные кислоты (включая незаменимые жирные кислоты ), фосфолипиды, полученные из жирных кислот, сфинголипиды, гликолипиды и терпеноиды, такие как ретиноиды и стероиды . Некоторые липиды представляют собой линейные алифатические молекулы, другие имеют кольцевую структуру. Некоторые из них ароматны , а другие нет. Некоторые из них гибкие, а другие жесткие.
Большинство липидов помимо того, что они в значительной степени неполярны, обладают некоторым полярным характером. Как правило, основная часть их структуры неполярна или гидрофобна («боится воды»), а это означает, что она плохо взаимодействует с полярными растворителями, такими как вода. Другая часть их структуры является полярной или гидрофильной («водолюбивой») и имеет тенденцию связываться с полярными растворителями, такими как вода. Это делает их амфифильными молекулами (имеющими как гидрофобные, так и гидрофильные части). В случае холестерина полярная группа представляет собой просто группу -ОН ( гидроксил или спирт).
Липиды в пище включают масла таких зерновых, как кукуруза , соя , животные жиры, и входят в состав многих пищевых продуктов, таких как молоко, сыр и мясо. Они также действуют как переносчики витаминов.
Белки составляют более 50% сухого веса средней живой клетки [ нужна ссылка ] [ нужны разъяснения ] и представляют собой очень сложные макромолекулы. Они также играют фундаментальную роль в структуре и функциях клеток. [14] Состоящие в основном из углерода, азота, водорода, кислорода и некоторого количества серы , они также могут содержать железо , медь , фосфор или цинк .
Белки, содержащиеся в пище, необходимы для роста и выживания, а их потребности варьируются в зависимости от возраста и физиологии человека (например, беременности). Белок обычно получают из животных источников: яиц , молока и мяса . Орехи , зерновые и бобовые являются растительными источниками белка, а сочетание растительных источников белка используется для достижения полной нормы белкового питания из овощей.
Чувствительность к белку, как и пищевая аллергия, выявляется с помощью теста ELISA .
Ферменты — это биохимические катализаторы , используемые в процессах преобразования одного вещества в другое. Они также участвуют в сокращении количества времени и энергии, необходимых для завершения химического процесса. Во многих отраслях пищевой промышленности, в том числе в выпечке , пивоварении , молочных продуктах и фруктовых соках , для производства сыра, пива и хлеба используются катализаторы .
Витамины – это питательные вещества, необходимые в небольших количествах для основных метаболических реакций в организме. В процессе питания они делятся на водорастворимые ( витамин С ) или жирорастворимые ( витамин Е ). Достаточное количество витаминов может предотвратить такие заболевания, как бери-бери , анемия и цинга, в то время как передозировка витаминов может вызвать тошноту и рвоту или даже смерть.
Диетические минералы в продуктах питания обширны и разнообразны, многие из них необходимы для функционирования, в то время как другие микроэлементы могут быть опасными, если потребляться в чрезмерных количествах. Основные минералы с рекомендуемой суточной нормой (RDI, ранее рекомендуемая суточная норма (RDA)) более 200 мг/день — это кальций , магний и калий , тогда как важными микроэлементами (RDI менее 200 мг/день) являются медь, железо, и цинк. Они содержатся во многих продуктах питания, но их также можно принимать в виде пищевых добавок.
Пищевой краситель добавляют для изменения цвета любого пищевого вещества. В основном это делается для целей сенсорного анализа. Его можно использовать для имитации естественного цвета продукта, воспринимаемого покупателем, например, красный краситель (например, FD&C Red No.40 Allura Red AC) для кетчупа или для придания неестественных цветов такому продукту, как Kellogg's Froot Loops . Карамель — натуральный пищевой краситель; Промышленная форма, карамельный краситель, является наиболее широко используемым пищевым красителем и содержится в пищевых продуктах, от безалкогольных напитков до соевого соуса , хлеба и солений .
Вкус пищи важен для определения ее запаха и вкуса для потребителя, особенно при органолептическом анализе. Некоторые из этих продуктов встречаются в природе, например, соль и сахар , но химики-ароматизаторы (так называемые « ароматизаторы ») разрабатывают многие из этих ароматизаторов для пищевых продуктов. Такие искусственные ароматизаторы включают метилсалицилат , который создает запах грушанки , и молочную кислоту, которая придает молоку терпкий вкус.
Пищевые добавки — это вещества, добавляемые в пищу для сохранения аромата или улучшения вкуса, внешнего вида, запаха и свежести. Эти процессы так же стары, как добавление уксуса для маринования или в качестве эмульгатора для эмульсионных смесей, таких как майонез . Обычно они обозначаются номером «E » в Европейском Союзе или GRAS (« обычно признаны безопасными ») Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США .
