Пищевая химия

Пищевая химия — это изучение химических процессов и взаимодействий всех биологических и небиологических компонентов пищевых продуктов. ^{[1] [2]} Биологические вещества включают в себя такие элементы, как мясо , птица , салат , пиво , молоко в качестве примеров. Она похожа на биохимию в своих основных компонентах, таких как углеводы , липиды и белки , но также включает 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 , и способы либо улучшения, либо предотвращения этих изменений. Примером улучшения процесса может быть стимулирование ферментации молочных продуктов с помощью микроорганизмов , которые преобразуют лактозу в молочную кислоту ; примером предотвращения процесса может быть остановка потемнения на поверхности свежесрезанных яблок с помощью лимонного сока или другой подкисленной воды .

Научный подход к еде и питанию возник с вниманием к сельскохозяйственной химии в работах Дж. Г. Валлериуса , Гемфри Дэви и других. Например, Дэви опубликовал Elements of Agricultural Chemistry, in a Course of Lectures for the Board of Agriculture (1813) в Соединенном Королевстве, которая послужила основой для профессии во всем мире, выйдя в пятое издание. Более ранние работы включали работу Карла Вильгельма Шееле , который выделил яблочную кислоту из яблок в 1785 году.

Некоторые из открытий Либиха по химии пищевых продуктов были переведены и опубликованы Эбеном Хорсфордом в Лоуэлле, Массачусетс, в 1848 году. ^[3]

В 1874 году было создано Общество общественных аналитиков с целью применения аналитических методов на благо общественности. ^[4] Его ранние эксперименты были основаны на хлебе, молоке и вине.

Это также было связано с беспокойством о качестве поставок продовольствия, в основном с проблемами фальсификации и загрязнения продуктов питания, которые сначала возникли из-за преднамеренного загрязнения, а затем и из-за химических пищевых добавок к 1950-м годам. Развитие колледжей и университетов по всему миру, особенно в Соединенных Штатах, расширило пищевую химию, а также исследования диетических веществ, в частности эксперимент с одним зерном в 1907-11 годах. Дополнительные исследования Харви У. Уайли в Министерстве сельского хозяйства США в конце 19 века сыграли ключевую роль в создании Управления по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами США в 1906 году. Американское химическое общество основало свое Отделение сельскохозяйственной и пищевой химии в 1908 году, а Институт пищевых технологов основал свое Отделение пищевой химии в 1995 году.

Концепции пищевой химии часто берут начало из реологии , теорий явлений переноса , физической и химической термодинамики , химических связей и сил взаимодействия, квантовой механики и кинетики реакций , науки о биополимерах , коллоидных взаимодействий , зародышеобразования , стеклования и замораживания/неупорядоченных или некристаллических твердых тел, и, таким образом, имеют в качестве базовой области 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 томатной продукции. Это также отличное место для роста бактерий и порчи пищи, если она не обрабатывается должным образом. Одним из способов измерения этого в пище является активность воды , которая очень важна для срока годности многих продуктов во время обработки. Одним из ключей к сохранению пищи в большинстве случаев является уменьшение количества воды или изменение характеристик воды для увеличения срока годности. Такие методы включают дегидратацию , замораживание и охлаждение ^{[7] [8] [9] [10]} Эта область охватывает «физико-химические принципы реакций и превращений, которые происходят во время производства, обработки и хранения продуктов» . ^[11]

Составляя 75% биологического мира и 80% всей потребляемой человеком пищи, наиболее распространенным известным человеческим углеводом является сахароза ^{[ требуется ссылка ]} . Простейшая версия углевода — это моносахарид , который содержит углерод , водород и кислород в соотношении 1:2:1 по общей формуле C _n H _2n O _n, где n — минимум 3. Глюкоза и фруктоза являются примерами моносахаридов. При объединении так, как показано на изображении справа, образуется сахароза , один из наиболее распространенных продуктов сахара , встречающихся в растениях.

Цепь моносахаридов формируется, чтобы сделать полисахарид . Такие полисахариды включают пектин , декстран , агар и ксантан . ^[12] Некоторые из этих углеводных полисахаридов доступны для переваривания человеческими ферментами 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» охватывает 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, в то время как другие имеют кольцевую структуру. Некоторые являются ароматическими , а другие — нет. Некоторые являются гибкими, а другие — жесткими.

Большинство липидов имеют некоторый полярный характер в дополнение к тому, что они в значительной степени неполярны. Как правило, основная часть их структуры неполярна или гидрофобна («боится воды»), что означает, что она плохо взаимодействует с полярными растворителями, такими как вода. Другая часть их структуры полярна или гидрофильна («любит воду») и будет иметь тенденцию ассоциироваться 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 простую группу -ОН ( гидроксил или спирт).

Липиды в пище включают масла таких зерновых, как кукуруза , соя , из животных жиров, и являются частью многих продуктов, таких как молоко, сыр и мясо. Они также действуют как носители витаминов.

Белки составляют более 50% сухого веса средней живой клетки ^{[ требуется цитата ] [ требуется разъяснение ]} и являются очень сложными макромолекулами. Они также играют фундаментальную роль в структуре и функционировании клеток. ^[14] Состоящие в основном из углерода, азота, водорода, кислорода и некоторого количества серы , они также могут содержать железо , медь , фосфор или цинк .

В пище белки необходимы для роста и выживания, а потребности различаются в зависимости от возраста и физиологии человека (например, беременность). Белок обычно получают из животных источников: яиц , молока и мяса . Орехи , зерновые и бобовые являются растительными источниками белка, а сочетание белков из растительных источников используется для достижения полной белковой пищевой квоты из овощей.

Чувствительность к белкам, как и пищевая аллергия, определяется с помощью теста ИФА .

Ферменты — это биохимические катализаторы, используемые в процессах преобразования одного вещества в другое. Они также участвуют в сокращении времени и энергии, необходимых для завершения химического процесса. Многие аспекты пищевой промышленности используют катализаторы, включая выпечку , пивоварение , молочные продукты и фруктовые соки , для производства сыра, пива и хлеба .

Витамины — это питательные вещества, необходимые в небольших количествах для основных метаболических реакций в организме. Они расщепляются в питании как водорастворимые ( витамин C ) или жирорастворимые ( витамин E ). 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 многочисленны и разнообразны, многие из них необходимы для функционирования, в то время как другие микроэлементы могут быть опасны, если их употреблять в чрезмерных количествах. Основные минералы с рекомендуемой суточной нормой потребления (РСД, ранее рекомендуемая суточная норма потребления (РСД)) более 200 мг/день — это кальций , магний и калий, а важные микроэлементы (РСД менее 200 мг/день) — это медь, железо и цинк. Они содержатся во многих продуктах питания, но также могут приниматься в виде пищевых добавок.

Пищевой краситель добавляется для изменения цвета любого пищевого вещества. В основном он используется 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 добавления неестественных красителей в продукт, например, Kellogg's Froot Loops . Карамель — это натуральный пищевой краситель; промышленная форма, карамельный краситель, является наиболее широко используемым пищевым красителем и встречается в продуктах питания от безалкогольных напитков до соевого соуса , хлеба и солений .

Вкус в пище важен для того, как еда пахнет и вкусится для потребителя, особенно в сенсорном анализе. Некоторые из этих продуктов встречаются в природе, как соль и сахар , но химики-ароматизаторы (называемые « ароматизаторами ») 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 вкуса 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 . Они, как правило, перечислены под номером «E » в Европейском Союзе или GRAS (« общепризнанные как безопасные ») Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США .

• Пищевая физическая химия
• Пищевая добавка
• Пищевые и биотехнологические технологии (журнал)
• Пищевая химия (журнал)
• Состав пищи
• Пищевая инженерия
• Обогащение продуктов питания
• Пищевая микробиология
• Упаковка для пищевых продуктов
• Консервирование продуктов питания
• Реология пищевых продуктов
• Безопасность пищевых продуктов
• Наука о еде
• Хранение продуктов питания
• Пищевые добавки
• Пищевые технологии
• Нутрицевтик
• Нутрификацию (также называемую обогащением или фортификацией пищевых продуктов)

• Fennema, OR, Ed. (1985). Пищевая химия - Второе издание, исправленное и расширенное. Нью-Йорк: Marcel Dekker, Inc.
• Фрэнсис, Ф.Дж. (2000). «Харви У. Уайли: пионер в области пищевой науки и качества». В книге «Век пищевой науки». Чикаго: Институт пищевых технологов. С. 13–14.
• Поттер, НН и Дж. Х. Хотчкисс. (1995). Наука о продуктах питания, пятое издание. Нью-Йорк: Champman & Hall. С. 24–68.
• Управление по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами США. (1993). Все, что добавляется в пищу в Соединенных Штатах. Бока-Ратон, Флорида: CK Smoley (c/o CRC press, Inc.).

• Американское химическое общество – Отделение сельскохозяйственной и пищевой химии
• Институт пищевых технологов Отделение пищевой химии
• Университет штата Пенсильвания, пищевая химия, США
• Университет Вагенингена, Лаборатория пищевой химии, Нидерланды