Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»
БИОМОЛЕКУЛЫ: СВОЙСТВА, РОЛЬ В БИОХИМИИ ЧЕЛОВЕКА,
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ
Рекомендовано к изданию научно-методическим советом Воронежского ГАСУ
в качестве конспекта лекций по дисциплине «Биохимия и биотехнологии» для бакалавров, обучающихся по направлению 020900.62 (511700) «Химия, физика и механика материалов»
Воронеж 2013
УДК 54.00
ББК 24.00
Х 819
Рецензенты: кафедра микробиологии и биохимии Воронежского государственного
университета инженерных технологий;
Т.А. Ковалева, д. б. н., проф. Воронежского государственного университета
Хорохордина, Е.А. Биомолекулы: свойства, роль в биохимии человека, технологии получения: учеб. пособие / Е.А. Хорохордина,
Х 819 О.Б. Рудаков, К.К. Полянский; Воронежcкий ГАСУ. – Воронеж, 2013. –
148 с.
В учебном пособие представлены материалы курса лекций, необходимые
для выполнения практических работ по дисциплине «Биохимия и биотехнологии». Оно рекомендуется для самостоятельной работы студентов как в межсессионный период, так и в период проведения экзаменационной сессии.
Предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению 020900.62 (511700) «Химия, физика и механика материалов» 1-го курса
дневной формы обучения.
Ил. 15. Табл. 19. Библиогр.: 47 назв.
УДК 54.00
ББК 24.00
Печатается по решению научно-методического совета Воронежского ГАСУ
© Хорохордина Е.А., Рудаков О.Б.,
Полянский К.К., 2013
© Воронежский ГАСУ, 2013
ISBN 978-5-89040-321-6
3
ВВЕДЕНИЕ
Данное учебное пособие представляет собой теоретическую базу для выполнения практических работ по дисциплине «Биохимия и биотехнологии», которые выполняются студентами бакалавриата 1-го курса направления «Химия,
физика и механика материалов» во втором семестре.
Необходимость данной работы обусловлена в первую очередь тем, что в
строительном вузе нет литературы по данной дисциплине в том объеме, который предусмотрен образовательной программой федерального государственного образовательного стандарта подготовки бакалавров по направлению «Химия, физика и механика материалов».
Целями учебного пособия являются: во-первых, углубление знаний студентов бакалавриата в области биохимии и биотехнологий; во-вторых, привитие учащимся навыков химической работы через ознакомление студентов с некоторыми методами биохимических исследований, что позволит им, подготовится к экзамену в полной мере.
Данное пособие дает студентам возможность на конкретных примерах
пояснить, как в живых организмах решаются некоторые фундаментальные проблемы, стоящие перед физикой и химией. Материал работы охватывает полный
курс лекций, касающихся строения и роли биологически активных молекул в
процессах жизнедеятельности. Приведены методики определения и исследования аминокислот, белков, углеводов, липидов, ферментов и витаминов.
Обобщения по курсу лекций вносят вклад в подготовку молодежи к будущему, связанному с постоянно возрастающим беспокойством о здоровье и
благополучии всего человечества. Поразительные успехи биохимической генетики и генной инженерии наряду с социальными последствиями их использования уже стали предметом широкого общественного внимания и интереса. Человек становится также свидетелями того, как рост народонаселения, а соответственно и увеличение потребностей в продуктах питания, сырье и энергии нарушают тонко сбалансированное экологическое равновесие в биосфере. Обществу во все возрастающей мере приходится принимать ответственные решения
в конфликтных ситуациях, возникающих при столкновении интересов политического, экономического и этического характера с биологическими законами.
Поэтому можно утверждать, что знание биохимии и биотехнологий полезно
любому образованному человеку независимо от рода его деятельности.
Данное учебное пособие состоит из трех частей: биомолекулы, вопросы
биохимии человека и основы биотехнологии. Излагаемый материал, включает в
себя не только энциклопедический охват всех деталей, но и выявление основ
молекулярной логики биохимии, однако процессы, имеющие фундаментальное
значение, раскрыты во всей полноте и подробностях.
Первая часть, посвящена рассмотрению структуры клеток и важнейшим
принципам органической химии, относящимся к биомолекулам. Материал, изложенный в этих главах, может оказаться полезным для тех, кто недостаточно
4
подготовлен по биологии и органической химии. После рассмотрения свойств
воды подробно описываются структура и биологические функции белков. Далее рассматриваются ферменты и способы регуляции их активности, причем
постоянно подчеркивается значение трехмерной структуры белка. Завершается
данный раздел главами, посвященными углеводам, липидам и витаминам.
Вторая часть пособия посвящена биохимии человека. Она состоит из
глав, в которых анализируются взаимосвязи между различными органами в
процессах метаболизма, касающиеся питания человека. Проблемы питания не
сводятся к знанию того, что тот или иной витамин входит в состав того или
иного кофермента. Наука о питании – это один из самых важных вкладов биохимии в благосостояние человечества и, мы убеждены, что она требует более
обобщенного, интегративного подхода.
В третьей части рассматриваются актуальные вопросы молекулярной генетики и генной инженерии, рассмотрены последние достижения в этой области.
В данном пособие приводится большое число любопытных сведений из
смежных областей, одни из них касаются истории науки, другие - медицины,
третьи - зоологии и физиологии животных, сельского хозяйства и науки о питании, проблем охраны окружающей среды и обеспечения человечества продуктами питания. В некоторые главы работы включены небольшие разделы,
содержащие дополнительную информацию, детализирующую отдельные вопросы. Этот материал необязателен для общего курса биохимии и биотехнологиях.
5
1. БИОМОЛЕКУЛЫ
1.1. Определение и становление биохимии как науки
Совокупность биохимических превращений в постоянной взаимосвязи с
окружающей средой обеспечивает функционирование живых организмов в условиях сбалансированности синтеза и распада веществ в клетках и тканях.
Главной задачей биохимии является идентификация основных закономерностей
биохимических процессов, выяснение взаимосвязи между структурой и функциями биомолекул, участвующих в реакциях клеточного метаболизма.
Биохимия изучает химию живой природы в широком диапазоне: от человека и позвоночных до бактерий и вирусов. В зависимости от объекта исследования можно условно выделить биохимию животных и человека, биохимию
растений и биохимию микроорганизмов. Однако, несмотря на определенные,
порой принципиальные различия в химическом составе и обмене веществ тех
или иных видов живых организмов, существует биохимическое единство всех
форм жизни.
Выделяют ряд разделов биохимии и по объектам исследования, например: медицинская биохимия, фармацевтическая биохимия, биохимическая экология, биохимическая фармакология и др. Традиционно происходит деление
биохимии на структурную, изучающую химическое строение биомолекул; метаболическую, изучающую обмен веществ и энергии, и функциональную биохимию, связанную с изучением взаимосвязи между химическими превращениями веществ в организме и их биологическими функциями. Это деление в
значительной степени условно.
Фундаментальная биохимия является основой для многих наук биологического профиля, таких как генетика, физиология, иммунология, микробиология. Успехи клеточной и генной инженерии в последние годы в значительной
мере сблизили биохимию с зоологией и ботаникой. Велико значение биохимии
для таких наук, как фармакология и фармация.
Краткий исторический очерк. Как самостоятельная наука биохимия
сформировалась на рубеже XIX -XX вв. До середины XIX века биохимия существовала как раздел физиологии и называлась физиологической химией. Однако накопление фактического материала в области строения биологических
структур, а также идентификация простейших метаболических процессов сыграли значительную роль в становлении биохимии как самостоятельной науки.
Бурное развитие органической химии в первой трети XIX в. оказало огромное влияние па формирование структурной биохимии. Точкой отсчета можно считать 1828 г., когда Ф. Вёлер сообщил о первом синтезе органического
вещества – мочевины из аммиака и циановой кислоты. Спустя семьдесят лет
Э. Бухнер показал, что экстракты дрожжевых клеток переваривают крахмал так
же эффективно, как и живые дрожжевые клетки. Обе эти работы нанесли существенный удар по витализму - учению, согласно которому химические вещест-
6
ва живой природы синтезируются только с помощью особой жизненной силы, и
дали мощный импульс, дальнейшему развитию биохимии. Так, в 50-х гг. XIX
в. М. Берно удалось синтезировать целый ряд органических соединений, свойственных живой природе. М. Шеврель заложил основы химии липидов, а Ф.
Мишер открыл нуклеиновые кислоты, положив начало изучению этого класса
веществ. Однако наибольший вклад в развитие структурной биохимии внес Э.
Фишер своими блестящими работами по анализу аминокислот, жиров и
липидов.
Исследование процессов метаболизма также началось на рубеже XIX в.
На основе открытого М. В. Ломоносовым закона сохранения материи и накопившихся к концу XVIII в. экспериментальных данных французский ученый
А. Лавуазье количественно исследовал и объяснил сущность дыхания, отметив
роль кислорода в этом процессе. Работы А. Лавуазье стимулировали исследования по энергетике метаболизма, и уже в начале XIX в. было определено количество теплоты при сгорании 1 г жиров, белков и углеводов. Примерно в это же
время в работах Дж. Пристли и Я. Ингенхуза был открыт процесс фотосинтеза.
Из живых объектов К. Шееле выделил ряд органических кислот, Д. Руэлль –
мочевину, Ф. Конрад – холестерин.
В XX в. большое число открытий привело к подлинному расцвету биохимии. Фундаментальные исследования в области химии белков, липидов, углеводов, идентификация молекулярных механизмов основных обменных процессов, а также структуры и функций генома вывели биохимию на уровень основной количественной биологической науки. Велика роль российских ученых в
становлении и развитии биохимии. Приоритетные исследования - белков и
аминокислот (А.Я. Данилевский, С. С Салазкин, М.В. Ненцкий и др.); витаминов (П.И. Лунин, К.А. Сосин, В.В. Пашутин); тканевого дыхании (А.Н. Бах);
трансаминирования аминокислот (А.Е. Браунштейн); механизмов механохимического сопряжения (В.А. Энгельгардт); химии нуклеиновых кислот и механизмов биосинтеза белка (А. И. Белозерский, А.С. Спирин); биоэнергетики
(В.П. Скулачен); структуры и функций генома (Г.П. Георгиев) и работы других
российских ученых внесли огромный вклад в современную биохимию).
Успехи современной биохимии. Биологическая химия изучает различные структуры, свойственные живым организмам, и химические реакции, протекающие на клеточном и организменном уровнях. Основой жизни является совокупность химических реакций, обеспечивающих обмен веществ. Таким образом, биохимию можно считать основой всех биологических наук. В настоящее время как биологические структуры, так и обменные процессы благодаря
применению эффективных методов изучены достаточно хорошо. Многие разделы биохимии в последние годы развивались столь интенсивно, что выросли
в самостоятельные научные направления и дисциплины. Прежде всего можно
отметить биотехнологию, генную инженерию, биохимическую генетику, экологическую биохимию, квантовую и космическую биохимию и т. д. Велика роль
7
биохимии в понимании сути патологических процессов и молекулярных механизмов действия лекарственных веществ.
Контрольные вопросы
Дайте определение биохимии.
Перечислите основные этапы становления биохимии как науки.
К чему привело открытие Ф. Вёлера?
Перечислите российских ученых, которые внесли вклад в становлении
и развитии биохимии.
5. Каковы основные успехи современной биохимии?
1.
2.
3.
4.
1.2. Химический состав живой материи. Понятие о макро- и микроэлементах. Биологические структуры живых систем
Органические соединения, образующие живую материю, состоят из общих для всех органических соединений элементов – углерода и водорода, в
большом числе случаев в них входят также кислород, азот, ряд важных соединений содержит серу и фосфор. Эти же элементы представлены в живой природе и в виде целого ряда неорганических соединений, прежде всего воды, солей
аммония, карбонатов, сульфатов, орто- и пирофосфатов, и являются главными
биогенными элементами. Вместе с тем функционирование живой материи требует участия целого ряда других элементов, как металлов, так и неметаллов.
В состав живых организмов входят около 70 химических элементов периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Их делят на несколько групп (см. табл. 1,2)
Таблица 1
Химические элементы в клетках человека [1]
Элемент
Процент к
сухой массе
Элемент
Процент к сухой массе
Кислород
65
Марганец
0,0003
Углерод
18
Медь
0,0002
Водород
10
Йод
0,0004
Азот
3
Кобальт
Следы
Кальций
1,5
Цинк
Следы
Фосфор
1
Молибден
Следы
Калий
0,35
Никель
Следы
Сера
0,25
Алюминий
Следы
8
1 группа – объединяет элементы органогены, которые входят в основу
построения всех биомолекул – это углерод, кислород, водород, сера, фосфор,
хлор и азот.
2 группа – элементы, входящие в макромолекулы, включающие в основном металлы s-подгруппы: К, Na, Mg, Ca, кроме того, к этой же группе относятся d-элементы: Fe, Zn, Mo, Cu и др. Некоторые элементы в организме человека находятся в следовых количествах – тысячные и десятитысячные миллиграммы.
Таблица 2
Основные химические соединения в клетках человека[1]
Соединение
Вода
Белки
Нуклеиновые кислоты
Липиды
Углеводы
Процент к сырой массе
75-85
10-20
1-2
1-5
0,2-2
Из неметаллов, помимо уже упомянутых, в первую очередь следует отметить хлор, который в виде анионов участвует в создании cолевой среды и, кроме того, иногда входит в состав органических соединений.
Для поддержания определенной ионной силы и создания буферной среды
необходимо участие однозарядных катионов – ионов аммония, натрия и калия.
Эти катионы в биологических системах не являются взаимозаменяемыми, и
существуют специальные механизмы, поддерживающие необходимый баланс
между ними.
Из неметаллов VII группы периодической системы элементов достоверно
установлено участие в некоторых процессах жизнедеятельности органических
соединений йода. Йод входит в состав гормонов щитовидной железы – производных аминокислоты тирозина – тиронина и тироксина, содержащих соответственно три или четыре атома йода, соединенных с бензольным кольцом.
С этим связана повышенная опасность попадания в организм радиоактивных
изотопов йода, которые, накапливаясь в щитовидной железе, вызывают ее повреждение. В то же время, будучи использованы в малых дозах, они облегчают
наблюдение за состоянием щитовидной железы по испускаемому γ-излучению.
У животных и человека йод оказывает многостороннее воздействие на
рост, развитие и обмен веществ организма. В организме человека (масса тела
70 кг) содержится 12-20 мг йода. Суточная потребность человека в йоде определяется возрастом, физиологическим состоянием и массой тела. Для человека
среднего возраста нормальной комплекции суточная доза йода составляет
0,15 мг. Отсутствие или недостаток йода в рационе (что типично для некоторых
9
местностей) приводит к заболеваниям (эндемический зоб, кретинизм). В связи с
этим к поваренной соли, поступающей в продажу в местностях с естественным
геохимическим дефицитом йода, с профилактической целью добавляют иодид
калия, иодид натрия или йодат калия (иодированная соль).
Фтор является жизненно необходимым для организма человека элементом. В организме человека фтор, в основном, содержится в эмали зубов в составе фторапатита – Ca5F(PO4)3. При недостаточном (менее 0,5 мг/литр питьевой
воды) или избыточном (более 1 мг/литр) потреблении фтора организмом могут
развиваться заболевания зубов: кариес и флюороз (крапчатость эмали) и остеосаркома соответственно.
Малое содержание фтора разрушает эмаль за счет вымывания фтора из
фторапатита с образованием гидроксоапатита, и наоборот. Для профилактики
кариеса рекомендуется использовать зубные пасты с добавками фторидов.
Из неметаллов VI группы периодической системы сера – один из биогенных элементов. Сера входит в состав некоторых аминокислот (цистеин, метионин), витаминов и ферментов. Сера участвует в образовании третичной структуры белка (формирование дисульфидных мостиков), бактериальном фотосинтезе (сера входит в состав бактериохлорофилла, а сероводород является источником водорода). Окислительно-восстановительные реакции серы - источник
энергии в хемосинтезе. Человек содержит примерно 2 г серы на 1 кг своего веса.
Помимо серы в некоторых процессах жизнедеятельности участвуют соединения селена, главным образом в виде селенового аналога - цистеина (селеноцистеин). Последний входит в состав некоторых ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции.
Кремний довольно широко распространен у некоторых типов организмов,
в том числе у некоторых групп растений, губок и моллюсков. Так, из оксида
кремния построен скелет одноклеточных диатомовых водорослей, являющихся
важным компонентом фитопланктона. У моллюсков он составляет основу зубцов. В незначительном количестве кремний содержится в некоторых тканях
высших животных - в хрящах и связках его содержание может достигать нескольких сотых долей процента. По-видимому, в виде эфиров ортокремниевой
кислоты он принимает участие в сшивке полисахаридных цепей. Мышечная
ткань человека содержит 0,01 % кремния, костная ткань – 17×10−4 %,
кровь – 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г
кремния.
Из щелочных металлов следует выделить калий. Он важнейший биогенный элемент, особенно в растительном мире. При недостатке калия в почве
растения развиваются очень плохо, уменьшается урожай, поэтому около 90 %
добываемых солей калия используют в качестве удобрений.
Калий содержится большей частью в клетках, до 40 раз больше, чем в
межклеточном пространстве. Калий и натрий между собой функционально связаны и выполняют следующие функции:
10
создают условия для возникновения мембранного потенциала и
мышечных сокращений;
•
поддерживают осмотической концентрации крови;
•
поддерживают кислотно-щелочного баланса;
•
нормализуют водный баланс.
Рекомендуемая суточная доля калия составляет для детей от 600 до 1700
миллиграммов, для взрослых от 1800 до 5000 миллиграммов. Потребность в
калии зависит от общего веса тела, физической активности, физиологического
состояния и климата места проживания. Всасывание происходит в тонком кишечнике. Усвоение калия облегчает витамин B6, затрудняет - алкоголь.
В организме натрий, в виде солей, находится большей частью снаружи
клеток (примерно в 15 раз больше, чем в цитоплазме). Рекомендуемая доза натрия составляет для детей – от 600 до 1700 миллиграммов, для взрослых от
1200 до 2300 миллиграммов в день. В виде поваренной соли это составляет от 3
до 6 г в день. Переизбыток натрия вызывает отек ног и лица, а также повышенное выделение калия с мочой. Максимальное количество соли, которое может
быть переработано почками составляет примерно 20-30 г, большее количество
уже опасно для жизни.
Из щелочно-земельных металлов в биологических системах повсеместно
распространены магний и кальций. В организме взрослого человека содержится около 20 г магния и 1000 г кaльция. Половина количества катионов магния и
почти все катионы кальция (около 99 %) содержится в костной ткани, остальные – в мягких тканях. Суточная потребность в кальции ≈ 1 г, в магнии –
0,3 г. Многие эфиры и ангидриды фосфорной кислоты функционируют в виде
магниевых солей. Концентрация ионов магния в клетках имеет исключительно
важное значение для поддержания целостности и функционирования рибосом,
то есть для синтеза белков. Кроме того, магний входит в состав хлорофилла основного пигмента зеленых растений, непосредственно поглощающего кванты
видимого света для использования их энергии при фотосинтезе.
Кальций – распространенный макроэлемент в организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его
часть содержится в скелете и зубах в виде фосфатов. Из различных форм карбоната кальция (извести) состоят скелеты большинства групп беспозвоночных
(губки, коралловые полипы, моллюски и др.). Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови, а также в обеспечении постоянного осмотического
давления крови. Ионы кальция также служат одним из универсальных вторичных посредников и регулируют самые разные внутриклеточные процессы мышечное сокращение, в том числе секрецию гормонов. Концентрация кальция в цитоплазме клеток человека составляет около 10−7 моль, в межклеточных
жидкостях около – 10−3 моль.
Потребность в кальции зависит от возраста. Для взрослых необходимая
дневная норма составляет от 800 до 1000 мг, а для детей от – 600 до 900 мг, что
для детей очень важно из-за интенсивного роста скелета.
•
11
Рекомендуемые Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) суточные нормы потребления кальция: молодежь от 16 и старше – 1000 мг, взрослые
от 25 до 50 лет – от 800 до 1200 мг.
Ряд ионов металлов, в основном четвертого периода периодической системы элементов, играет важную роль в качестве кофакторов белков при выполнении ими каталитических и некоторых других функций. Среди них приоритетное место занимает железо.
В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 г железа (около 0,02 %), из которых 78 % являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в
состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).
Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом.
В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине - важнейшем белке,
обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и
животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет. Комплексы железа, отличные от гема, встречаются, например, в важном ферменте
рибонуклеотидредуктазе, который участвует в синтезе ДНК.
Неорганические соединения железа встречаются в некоторых бактериях,
иногда используются ими для связывания азота воздуха.
Суточная потребность человека в железе следующая: дети - от 4 до 18 мг,
взрослые мужчины - 10 мг, взрослые женщины - 18 мг. У женщин потребность
несколько выше, чем у мужчин. Как правило, железа, поступающего с пищей,
вполне достаточно, но в некоторых специальных случаях (при анемии, а также
при донорстве крови) необходимо применять железосодержащие препараты и
пищевые добавки (гематоген).
Медь содержится в организме человека ≈ 100 миллиграммов, в основном
она содержится в печени, головном мозге, средняя суточная доза равна 0,9 мг
в день. Медь является необходимым элементом для всех высших растений и
животных. В токе крови медь переносится главным образом белком церулоплазмином. После усваивания меди кишечником она транспортируется к печени с помощью альбумина. Медь является кофактором значительного числа
ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные процессы, например процессы дыхания. В крови большинства моллюсков и членистоногих
медь используется вместо железа для транспорта кислорода.
Предполагается, что медь и цинк конкурируют друг с другом в процессе
усваивания в пищеварительном тракте, поэтому избыток одного из этих элементов в пище может вызвать недостаток другого элемента.
Цинк в организме человека содержится 1,4 – 2,3 миллиграммов. Из них
20 % содержится в костях, 65 % в мышцах, около 9 % в крови. Остальное в печени и предстательной железе. Значительное число ферментов с довольно раз-
12
нообразным механизмом действия содержат ионы цинка. Он входит в качестве
обязательного компонента во многие ферменты, участвующие в биосинтезе
нуклеиновых кислот - РНК и ДНК-полимеразы, а также в некоторые ферменты,
катализирующие гидролиз пептидных связей, а также процесс биосинтеза витамина В и витамина С. Среди продуктов, употребляемых в пищу человеком,
наибольшее содержание цинка в устрицах. Однако в тыквенных семечках содержится всего на 26 % меньше цинка, чем в устрицах. Например, съев 45 г
устриц, человек получит столько же цинка, сколько содержится в 60 г тыквенных семечек. Практически во всех хлебных злаках цинк содержится в достаточном количестве и в легко усваиваемой форме. Недостаток цинка в организме приводит к ряду расстройств. Среди них раздражительность, утомляемость,
потеря памяти, депрессивные состояния, снижение остроты зрения, уменьшение массы тела, снижение уровня инсулина, аллергические заболевания, анемия
и другие.
Среди остальных металлов четвертого и пятого периодов периодической
системы следует упомянуть марганец, кобальт и молибден. Марганец является
микроэлементом, который оказывает влияние на рост, образование крови и
функции половых желёз. Он входит в состав сравнительно небольшого числа
ферментов, но играет фундаментальную роль в биосфере, поскольку с его участием в зеленых растениях происходит фотохимическое восстановление воды,
обеспечивающее выделение в атмосферу кислорода и поступление электронов
в цепь переноса электронов при фотосинтезе.
Кобальт входит в состав нескольких ферментов в виде кобаламинов, к
числу которых относится витамин В12. Этот витамин необходим для нормального кроветворения, созревания эритроцитов, синтеза аминокислот, белков,
РНК, ДНК, без которого нормальное развитие организма невозможно. Потребность человека в кобальте – 0,007-0,015 мг ежедневно. В теле человека содержится 0,2 мг кобальта на каждый килограмм массы человека.
Молибден является необходимым компонентом фермента нитрогеназы,
который катализирует в специальных азотфиксирующих бактериях восстановление атмосферного азота до аммиака. Это важнейший путь поступления азота
в биосферу, поскольку образование практически всех природных азотсодержащих органических соединений идет из аммиака или, точнее, из ионов аммония. В организме человека содержится 5 мг в костях и 2 мг в печени. Он
влияет на активность фермента ксантиноксидазы. Молибден делает более эффективной работу антиокислителей, в том числе витамина С, важный компонент системы тканевого дыхания.
Дополнительная информация
Клеточная теория
Клетки – это структурные единицы организмов (см. рис 1,2) [2,3]. Впервые этот термин употребил Роберт Гук в 1665 году. К XIX веку усилиями мно-
13
гих учёных (особенно Маттиаса Шлейдена и Теодора Шванна) сложилась клеточная теория. Её основными положениями были следующие утверждения:
- клетка – основная единица строения и развития всех живых организмов;
- клетки всех организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности;
- каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;
- в многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани. Из тканей состоят органы, которые тесно
связаны между собой и подчинены системам регуляции.
Рис. 1. Схема структуры клетки животного
14
Рис. 2. Схема структуры клетки растения
Практически все ткани многоклеточных организмов состоят из клеток. С
другой стороны, слизевики состоят из неразделённой перегородками клеточной
массы со множеством ядер. Сходным образом устроена и сердечная мышца животных. Ряд структур организма (раковины, жемчужины, минеральная основа
костей) образованы не клетками, а продуктами их секреции.
Мелкие организмы могут состоять всего лишь из сотен клеток. Организм
человека включает в себя 1014 клеток. Самая маленькая из известных сейчас
клеток имеет размер 0,2 мкм, самая большая – неоплодотворенное яйцо эпиорниса – весит около 3,5 кг. Типичные размеры растительных и животных клеток
составляют от 5 до 20 мкм. При этом между размерами организмов и размерами
их клеток прямой зависимости обычно нет, 70–80 % массы клетки – это вода.
Для того чтобы поддерживать в себе необходимую концентрацию веществ, клетка должна быть физически отделена от своего окружения. Вместе с
тем жизнедеятельность организма предполагает интенсивный обмен веществ
между клетками. Роль барьера между клетками играет плазматическая мембрана.
Внутреннее строение клетки долгое время было загадкой для ученых.
Считалось, что мембрана ограничивает протоплазму – некую жидкость, в кото-
15
рой и происходят все биохимические процессы. Благодаря электронной микроскопии тайну протоплазмы удалось раскрыть, и сейчас известно, что внутри
клетки имеются цитоплазма, в которой присутствуют различные органоиды, и
генетический материал в виде ДНК, собранный, в основном, в ядре (у эукариот).
Строение клетки является одним из важных принципов классификации
организмов. В последующих параграфах мы сначала рассмотрим структуры,
общие для растительных и животных клеток, затем характерные особенности
клеток растений и доядерных организмов. Закончится этот раздел рассмотрением принципов деления клетки.
Контрольные вопросы
1.
Охарактеризуйте химический состав клетки.
2.
Охарактеризуйте элементы 1 группы.
3.
Охарактеризуйте элементы 2 группы.
4.
Дайте определение клетки.
5.
Чем по строению отличаются друг от друга клетка животного и
клетка растения?
1.3. Вода - самое распространенное соединение в живых организ-
мах
Вода является наиболее широко распространенным веществом в живой
природе, и ее весовое содержание в большинстве живых организмов составляет
70 % и более. Например, медузы, огурцы и арбузы состоят на 98 % из воды,
костные и жировые клетки на 60 %. Количество воды зависит от возраста клетки – в молодых больше, а также зависит от активности клетки (в нервных
больше, чем в жировых).
Для водных организмов характерна чрезвычайная приспособленность к
воде, поскольку высокая теплоемкость воды представляет собой непрерывно
действующий «тепловой» буфер, который обеспечивает постоянную температуру тела независимо от температуры воздуха. На молекулярном уровне у наземных и водных животных, равно как и у растений, вода определяет ряд важных свойств макромолекул.
В теле человека вода составляет 60 %, из которой 40 % приходится на
внутриклеточную, а 20 % – на экстраклеточную воду. Плазма крови содержит
5 % экстраклеточной воды (рис. 3).
Вода имеет исключительно важное значение для жизнедеятельности клеток, представляя собой среду, в которой осуществляются важнейшие реакции,
лежащие в основе синтеза и распада биомолекул.
16
Рис. 3. Схема содержания воды в организме человека:
1-внутриклеточная- 40 %, 2 – межклеточная – 15 %, 3 – плазма – 5 %,
4 – сухой остаток – 40 %
Кроме того, она является растворителем различных химических веществ.
Вещества, хорошо растворимые в воде, получили название гидрофильных (от
греч. hydros - вода, phileo - люблю), плохо растворимые называют гидрофобными (от греч. hydros- вода, phobos - боязнь). В воде хорошо растворяются хлористый натрий, сахара, простые спирты, альдегиды, кетоны. Под влиянием растворенных веществ вода может изменять свои свойства, в частности, могут изменяться температура замерзания, температура кипения, давление пара и осмотическое давление воды. Эта особенность воды имеет очень важное биологическое значение. Например, рыбы в пресной воде при температуре ее замерзания
сохраняют свою активность, причем по той причине, что концентрация веществ, растворенных в крови рыб, является большей, чем в чистой воде, и это
исключает переохлаждение, а затем и замерзание их крови.
Для воды характерно то, что она обладает некоторой способностью к обратимой ионизации, в ходе которой она распадается на ионы водорода (Н+) и
ионы гидроксила (ОН-).
Для изменения концентрации ионов Н+ в любом водном растворе используют шкалу рН, с помощью которой обозначают концентрацию водородных
ионов (Н+) в водных растворах, кислотность которых находится между 1,0 МН+
и 1,0 МОН-. Так, значение рН для нейтрального раствора составляет 7,0, тогда
как растворы, имеющие рН выше 7,0 – это щелочные растворы, а меньше
7,0 – это кислые растворы. Например, рН питьевой воды составляет 9,0, нашатырного спирта – 12,0, черного кофе – 5,0 лимонного сока – 2,0, а желудочного
сока – 1,0. Величины рН характерны для всех внутриклеточных и внеклеточных
жидкостей в организме, причем постоянство концентрации водородных ионов
17
поддерживается буферными системами, которые у млекопитающих представлены фосфатной и бикарбонатной системами. Величины рН всех жидкостей организмов исключительно постоянны. Их изменения чрезвычайно неблагоприятны для организмов, поскольку даже небольшие сдвиги рН характеризуются
значительным падением каталитической активности ферментов.
В воде под влиянием ферментов происходят реакции гидролиза (от греч.
hydros - вода, lysis - расщепление) белков и других соединений. Вода принимает участие также в выведении из клеток продуктов обмена. Наконец, она поддерживает тепловой режим клетки.
Кроме того, первые живые организмы возникли, вероятнее всего, в первичном океане, так что вода – это по существу прародительница всего живого.
Вода заполняет все составные части каждой живой клетки, и именно она представляет собой ту среду, в которой осуществляются транспорт питательных
веществ, катализируемые ферментами метаболические реакции и перенос химической энергии. Поэтому все структурные элементы живой клетки и их
функции обязательно должны быть приспособлены к физическим и химическим свойствам воды. Более того, клетки научились использовать уникальные
свойства воды для реализации некоторых процессов их жизнедеятельности.
Часто мы рассматриваем воду просто как безвредную инертную жидкость, удобную для практического использования в разных целях. Хотя в химическом отношении вода весьма устойчива, она представляет собой вещество с
довольно необычными свойствами. В самом деле, вода и продукты ее ионизации - ионы Н + и ОН - оказывают очень большое влияние на свойства многих
важных компонентов клетки, таких как ферменты, белки, нуклеиновые кислоты
и липиды. Например, каталитическая активность ферментов в значительной
мере зависит от концентрации ионов Н+ и ОН-.
Уникальные свойства позволили воде играть в клетке роль растворителя,
терморегулятора, а также поддерживать структуру клеток и осуществлять
транспортировку веществ.
Сама молекула Н2O электронейтральна, но заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода небольшой положительный, а в области, где расположен атом кислорода, небольшой отрицательный
заряд. Благодаря этому молекулы воды могут взаимодействовать друг с другом
с образованием водородных связей.
Водородная связь определяет уникальные свойства воды: у воды очень
высокие температуры кипения, плавления и парообразования, так как нужно затратить дополнительную энергию на разрыв водородных связей. Только вода
находится во всех трех агрегатных состояниях одновременно. Другие вещества
со сходным строением и молекулярной массой, такие как H2S, HCl, NH3, при
обычных условиях являются газами.
Гидрофобные вещества не будут растворяться в воде, зато молекулы H2O
смогут отделить гидрофобное вещество от самой толщи воды. Например, жиры
18
- фосфолипиды, из которых состоит клеточная мембрана, могут благодаря
взаимодействию с водой формировать липидный бислой.
Участие в химических реакциях
Вода в качестве реагента участвует во многих химических реакциях:
• В ходе фотосинтеза у растений происходит фотолиз воды - водород из состава воды входит в органические вещества, а свободный кислород выделяется в атмосферу.
Уравнение фотосинтеза: 6H2O+6CO2 →C6H12O6+ 6O2 .
• Вода участвует в гидролизе - разрушении веществ с присоединением воды. Например, гидролиз жиров, белков и углеводов происходит при переваривании пищи, а при гидролизе АТФ выделяется энергия, обеспечивающая нужды клетки.
• При гидролизе солей вода является источником протонов и электронов.
Поддержание структуры клеток
Вода практически не сжимаема (в жидком состоянии) и поэтому служит
гидростатическим скелетом клетки. За счет осмоса вода создает избыточное
давление внутри вакуолей растительных клеток, это давление обеспечивает упругость клеточной стенки и поддержание формы органов (например, листьев).
Транспорт веществ
•
У растений, благодаря, в частности, капиллярному эффекту, характерному для воды, осуществляется подъем от корня к другим частям растения
растворенных в воде минеральных солей по сосудам. Также из-за когезии (сцепления), вода в почве доступна для всасывания через корневые волоски.
•
Транспорт продуктов фотосинтеза происходит посредством перемещения по ситовидным трубкам водного раствора сахарозы.
•
Выведение, перемещение продуктов обмена веществ в растворенном виде у животных (вода является основным компонентом крови и лимфы, а
также играет важную роль в выделительной системе).
Участие в терморегуляции
Вследствие своей большой теплоемкости – 4200 Дж/(кг·К) – вода обеспечивает примерное постоянство температуры внутри клетки. Вода может переносить большое количество теплоты, отдавая ее там, где температура тканей
ниже, и забирая там, где температура более высокая. Также при испарении воды происходит значительное охлаждение из-за того, что много энергии тратит-
19
ся на разрыв водородных связей при переходе из одного агрегатного состояния
(жидкость) в другое (газ).
Все биохимические процессы в организме человека сводятся к химическим реакциям в водном растворе. Это и есть обмен веществ в организме. В
жидкой среде происходит переваривание пищи и всасывание в кровь питательных веществ, с помощью воды из организма выводятся вредные продукты обмена.
Приспособленность живых организмов к водной среде
Живые организмы успешно приспособились к водной среде и даже приобрели способность использовать необычные свойства воды. Благодаря высокой удельной теплоемкости вода действует в клетках как «тепловой буфер»,
позволяющий поддерживать в организме относительно постоянную температуру при колебаниях температуры воздуха. Высокая теплота испарения воды используется некоторыми позвоночными для защиты организма от перегревания
с помощью механизма теплоотдачи путем испарения пота. Сильно выраженное
сцепление молекул в жидкой воде, обусловленное влиянием межмолекулярных
водородных связей, обеспечивает эффективный перенос в растениях растворенных питательных веществ от корней к листьям в процессе транспирации.
Даже то, что лед имеет более низкую плотность по сравнению с жидкой водой
и поэтому всплывает в ней, приводит к важным биологическим последствиям в
жизненных циклах водных организмов. Однако наиболее существенным для
живых организмов является тот факт, что многие важные биологические свойства макромолекул, в частности белков и нуклеиновых кислот, обусловлены их
взаимодействием с молекулами воды в окружающей среде. Ниже мы увидим,
что специфические трехмерные структуры белков, определяющие их биологическую активность, поддерживаются благодаря свойствам воды. От свойств
воды зависит даже такой важный процесс, как репликация ДНК.
Клоп-водомерка использует высокое поверхностное натяжение воды. Это
насекомое, которое живет на поверхности прудов, имеет специальные волоски
на своих первых и третьих парах ног, благодаря которым оно держится на поверхностном слое воды, не продавливая его. Средняя пара ног, проникающая
через этот слой, действует как весла.
Дополнительная информация
Круговорот воды в природе
Воды океанов, рек, озёр, атмосферы, а также подземные воды образуют
понятие «гидросфера». Все воды связаны между собой, образуя так называемые
малый и большой круговороты. Малый круговорот заключается в том, что испаряющиеся с поверхности морей и океанов пары, попадая в верхние слои атмосферы, охлаждаются, конденсируются и в виде осадков выпадают на ту же
поверхность. Большой круговорот имеет место, если атмосферные осадки вы-
20
падают на поверхность суши, образовавшаяся вода фильтруется через почву,
обогащается минеральными и органическими веществами, образуя подземные
воды. Выходя на поверхность и образуя реки вместе с поверхностным стоком,
непосредственно попадающим в реки, эти воды возвращаются в океан. Кроме
того, вода, испаряющаяся с поверхности суши, также образует осадки, которые
могут непосредственно попадать в воды морей и океанов. На рис. 4 показана
схема, иллюстрирующая круговорот воды.
Рис. 4. Схема круговорота воды в природе [4]
1 – океан, 2 – поверхностный сток, 3 – бессточные области
Числа на рис. 4. указывают количество воды, участвующей в круговороте.
Общее количество воды на Земле остаётся постоянным, а между отдельными частями гидросферы существует баланс. Уравнение мирового баланса
воды имеет вид
Иo + Иc = Оo + Oс,
где Иo и Иc – количество воды, испаряющейся с поверхности океанов и
суши, а Оo и Oс – соответственно количество выпавших осадков. Общее количество воды на Земле составляет 1,4·109 км3. В табл. 3 приведены данные о распределении воды в различных частях гидросферы.
21
Таблица 3
Запасы воды в различных частях гидросферы [5]
Объём воды,
Части гидросферы
Содержание, %
тыс. км3
Мировой океан
1370323
93,96
Подземные воды
64000
4,39
24000
1,65
Ледники
Озёра
280
0,019
Почвенная влага
85
0,006
Водяные пары в атмосфере
14
0,001
Речные воды
1,2
0,0001
Из данных табл. 3 следует, что подавляющее количество воды содержат
воды Мирового океана. Однако основные водные ресурсы, используемые человеком, относятся к пресным водам суши, так как они наиболее доступны и постоянно возобновляются.
Долгое время считалось, что при рациональном использовании воды её
запасы неисчерпаемы. Однако со второй половины XX века в мире наметился
явный дефицит пресной воды. Причиной этого, во-первых, явилось бурное развитие производства, вызывающее превышение расхода воды над естественным
поступлением, и снижение её качества загрязнением веществами, являющимися
производственными отходами. Во-вторых, причиной дефицита пресной воды
явилась ухудшающаяся демографическая ситуация. Наибольший прирост населения в мире наблюдается в местах с жарким засушливым климатом, что усугубляет проблему питьевой воды. В России, несмотря на высокие удельные
водные ресурсы, составляющие 30,7 тыс. м3/год на человека, они распределены
неравномерно. Так, в районах Дальнего Востока они составляют 250, а в Поволжье всего 2,1 тыс. м3/год. Особенно большой недостаток пресной воды имеет место на юге европейской части России.
В связи с проявляющимся дефицитом пресной воды возникает необходимость более рационального её использования, а также получения из солоноватых вод и других альтернативных источников. В промышленном производстве
это достигается разработкой систем оборотного водоснабжения, что резко снижает отбор пресной воды из природных источников. Получение питьевой воды
из солоноватых вод осуществляется через использование различных физикохимических методов, например, сорбционных и мембранных. К примеру, водоснабжение столицы Саудовской Аравии Эр-Рияда осуществляется водой, полученной из солоноватых подземных вод мембранным методом обратного осмоса.
Существуют проекты снабжения жителей засушливых районов питьевой водой,
полученной из антарктических айсбергов.
22
«Кислые» дожди загрязняют наши озера и реки [6]
Чистая вода, контактирующая с «нормальным» воздухом, имеет рН около
5,6, а не теоретическую величину рН = 7. Это связано с тем, что воздух содержит небольшое количество газообразной СО2 (около 0,04 %, что соответствует
парциальному давлению 0,3 мм рт. ст.). Когда чистая вода, имеющая рН 7,0,
приходит в равновесие с СО2 воздуха, в ней происходят обратимые реакции, в
ходе которых образуются ионы Н+ и НСО3- и рН воды снижается приблизительно до 5,6. За последние сто или более лет кислотность осадков - дождей и
снега в восточной части США и Северной Европе постепенно возросла в тридцать раз, что привело к снижению рН воды в озерах и реках этих областей
примерно от 5,6 до величин значительно ниже 5,0.
«Кислые» дожди возникают при взаимодействии дождевой воды с содержащимися в атмосфере диоксидами серы и оксидами азота, образующимися в
результате сжигания угля и нефти, содержащих небольшие количества соединений серы и азота. Таким образом, дождевая вода превращается по, существу в
разбавленный раствор серной и азотной кислот. Тепловые электростанции и
металлургические предприятия, сжигающие уголь и нефть, обычно снабжены
высокими дымовыми трубами, через которые продукты сгорания выбрасываются в атмосферу, чтобы исключить загрязнение нижних слоев воздуха, поэтому верхние слои атмосферы над огромными областями земного шара
оказались загрязненными этими кислотами, выпадающими на землю в виде дождя. Иногда местные дожди могут быть особенно кислыми: во время ливней в
Шотландии в 1974 г. дождевая вода имела рН 2,4 (более низкая величина, чем
рН уксуса!). Вследствие «кислых» дождей вода во многих озерах Скандинавских стран, восточной части Канады, северной части Новой Англии, а также в
горах Адирондака и во Флориде стала настолько кислой, что рыба в этих озерах
частично или полностью погибла, так как многие виды рыб не выносят кислотности ниже рН 5. Более того, повышение кислотности воды уже вызвало нарушение неустойчивого равновесия между животными и растениями в некоторых
пресноводных экологических системах. Поскольку в будущем количество сжигаемого угля увеличится, можно ожидать, что это приведет к еще большей загрязненности запасов пресной воды, если тепловые электростанции и металлургические предприятия не будут снабжены эффективными установками, предотвращающими выброс загрязняющих веществ в атмосферу.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
Представьте схема содержания воды в организме человека.
Охарактеризуйте участие воды в химических реакциях.
Перечислите функции воды в живых организмах.
Какова приспособленность живых организмов к водной среде?
В чем опасность «кислотных» дождей?
23
1.4. Аминокислоты: строение, свойства и биологическая роль
Гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно амино- и карбоксильную группы называются аминокислотами. Общее число встречающихся в природе аминокислот достигает 100. При этом в
организме человека найдено около 70 аминокислот, из которых 20 входят в состав белка. Они относятся к α-аминокислотам и называются протеиногенными
(см. табл. 4).
Все 20 α-аминокислот, встречающиеся в белках, характеризуются общей
структурной особенностью – наличием 2-х различных функциональных групп,
связанных с одним и тем же атомом углерода. Различаются же аминокислоты
только боковыми цепями (R-группами), которые у разных аминокислот неодинаковы по структуре, электрическому заряду и растворимости в воде.
Аминокислоты в молекуле белка соединены между собой пептидными
связями (–СО–NH–), образуя полипептидные цепи. Пептидная связь возникает
между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой,
что сопровождается выделением молекулы воды. В белках различают несколько уровней структурной организации.
Все аминокислоты – амфотерные соединения, они могут проявлять как
кислотные свойства, обусловленные наличием в их молекулах карбоксильной
группы —COOH, так и основные свойства, обусловленные аминогруппой —
NH2. Аминокислоты взаимодействуют с кислотами и щелочами:
NH2 -CH2 -COOH + HCl → HCl • NH2 -CH2 -COOH
(гидрохлорид глицина)
NH2 -CH2 -COOH + NaOH → H2O + NH2 -CH2 -COONa
(натриевая соль глицина)
Растворы аминокислот в воде благодаря этому обладают свойствами буферных растворов, т.е. находятся в состоянии внутренних солей.
NH2 - CH2COOH ↔N+H3 - CH2COOАминокислоты обычно могут вступать во все реакции, характерные для
карбоновых кислот и аминов.
24
Таблица 4
Протеиногенные α-аминокислоты
Название
глицин
Формула
Название
серин
аланин
аспаргиновая
кислота
валин
глутаминовая
кислота
лейцин
аспаргин
изолейцин
глутамин
цистеин
аргинин
25
Формула
Окончание табл. 4
Название
Формула
Название
метионин
лизин
треонин
пролин
фенилаланин
триптофан
тирозин
гистидин
Формула
Классификация аминокислот по радикалу
•
Неполярные: аланин, валин, изолейцин, лейцин, пролин, метионин,
фенилаланин, триптофан.
•
Полярные незаряженные (заряды скомпенсированы) при pH=7:
глицин, серин, треонин, цистеин, аспарагин, глутамин, тирозин.
•
Полярные заряженные отрицательно при pH<7 (кислые): аспарагиновая и глутаминовая кислоты.
•
Полярные заряженные положительно при pH>7 (основные): лизин,
аргинин, гистидин.
Классификация аминокислот на заменимые и незаменимые
Для большинства животных и человека незаменимыми аминокислотами
являются: валин, изолейцин, лейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин,
триптофан, аргинин, гистидин. Эти аминокислоты не вырабатываются или вы-
26
рабатываются в недостаточном количестве в организме и должны поступать в
него вместе с пищей.
Для большинства животных и человека заменимыми аминокислотами являются: глицин, аланин, пролин, серин, цистеин, аспартат, аспарагин, глутамат,
глутамин, тирозин.
Классификация аминокислот на заменимые и незаменимые не лишена недостатков. К примеру, тирозин является заменимой аминокислотой только при
условии достаточного поступления фенилаланина. Для больных фенилкетонурией тирозин становится незаменимой аминокислотой. Аргинин синтезируется
в организме человека и считается заменимой аминокислотой, но в связи с некоторыми особенностями его метаболизма при определённых физиологических
состояниях организма может быть приравнен к незаменимым. Гистидин также
синтезируется в организме человека, но не всегда в достаточных количествах,
поэтому должен поступать с пищей.
Биологические функции
Фармакологический препарат глицина оказывает седативное (успокаивающее), мягкое транквилизирующее и слабое антидепрессивное действие,
уменьшает чувство тревоги, страха, психоэмоционального напряжения, усиливает действие противосудорожных препаратов, антидепрессантов, антипсихотиков, уменьшает проявления алкогольной и опиатной абстиненции.
Аланин легко превращается в печени в глюкозу и наоборот. Этот процесс
носит название глюкозо-аланинового цикла и является одним из основных путей глюконеогенеза в печени.
Глутаминовая кислота относится к условно незаменимым аминокислотам. Глутамат в норме синтезируется организмом. Присутствие в пище свободного глутамата придает ей так называемый «мясной» вкус, для чего глутамат
используют как усилитель вкуса. При этом метаболизм природного глутамата и
глутамата натрия синтетического не отличаются.
Содержание натурального глутамата в пище (имеется в виду пища, не содержащая искусственно добавленного глутамата натрия): молоко коровье, сыр
пармезан, мясо цыпленка, курицы, утки, говядина, свинина, форель, кукуруза,
свекла, лук. Полностью исключить из рациона глутамат, как предлагают некоторые издания, достаточно проблематично.
Лизин - это незаменимая аминокислота, входящая в состав практически
любых белков, необходима для роста, восстановления тканей, производства антител, гормонов, ферментов, альбуминов. Эта аминокислота оказывает противовирусное действие, особенно в отношении вирусов, вызывающих герпес и
острые респираторные инфекции.
Лизин поддерживает уровень энергии и сохраняет здоровым сердце, благодаря карнитину, который в организме из него образуется. Как показали исследования, однократный прием 5000 мг лизина увеличивает уровень карнитина в 6 раз. Для этого должны присутствовать в достаточных количествах витамины C, тиамин (B1) и железо.
27
Лизин участвует в формировании коллагена и восстановлении тканей.
Его применяют в восстановительный период после операций и спортивных
травм. Лизин улучшает усвоение кальция из крови и транспорт его в костную
ткань, поэтому он может быть неотъемлемой частью программы лечения и
профилактики остеопороза.
Дефицит лизина неблагоприятно сказывается на синтезе белка, что приводит к утомляемости, усталости и слабости, плохому аппетиту, замедлению
роста и снижению массы тела, неспособности к концентрации, раздражительности, кровоизлияниям в глазное яблоко, потере волос, анемии и проблемам в
репродуктивной сфере.
Получают лизин из рыбы, мяса, молочных продуктов, завязи пшеницы,
ржи, фруктов и овощей. В растительных продуктах содержание лизина почти
всегда ограничено, то есть даже малые количества лизина существенно повышают пищевую ценность этих продуктов.
Значительная часть фенилаланина идёт на производство дипептида аспартама - синтетического сахарозаменителя, активно использующегося в пищевой промышленности, чаще в производстве жевательной резинки и газированных напитков. Употребление таких продуктов противопоказано лицам, страдающим фенилкетонурией.
Цистеин входит в состав α-кератинов, основного белка ногтей, кожи и
волос. Он способствует формированию коллагена и улучшает эластичность и
текстуру кожи. Цистеин входит в состав и других белков организма, в том числе некоторых пищеварительных ферментов.
Нестандартные аминокислоты
Кроме 20 стандартных аминокислот, встречающихся почти во всех белках, существуют нестандартные аминокислоты, являющиеся компонентами
лишь некоторых типов белков. Каждая из этих нестандартных аминокислот
представляет собой производное одной из 20 обычных аминокислот. К нестандартным аминокислотам относятся 4-гидроксипролин, производное пролина, и
5-гидроксилизин; обе эти аминокислоты входят в состав коллагена - фибриллярного белка соединительной ткани. Еще одна нестандартная аминокислота - это γ-карбоксиглутаминовая кислота, обнаруженная в протромбине одном из белков, ответственных за свертывание крови.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
Дайте определение аминокислотам.
Какие химические свойства характерны для аминокислот?
Перечислите типы классификации аминокислот.
Охарактеризуйте биологические функции глицина и цистеина.
Какие аминокислоты относятся к нестандартным.
28
1.5. Белки: ковалентная структура и биологические функции
Белки - высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью α-аминокислот.
В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций дают большое разнообразие
свойств молекул белков.
Аминокислоты в молекуле белка соединены между собой пептидными
связями (–СО–NH–), образуя полипептидные цепи. Пептидная связь возникает
между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой,
что сопровождается выделением молекулы воды.
В белках различают несколько уровней структурной организации. Первичная структура белка определяется числом и последовательностью аминокислотных остатков, соединенных между собой при помощи пептидной связи.
Вторичная структура возникает за счет образования водородных связей между группами N–H и О=С данной полипептидной цепи, что приводит к упорядоченному расположению гибкой полипетидной цепи в виде спиральной или
складчатой структуры. Третичная структура возникает в результате взаимодействия между боковыми цепями аминокислотных остатков полипептидных
цепей. К таким взаимодействиям относятся водородные, дисульфидные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы и гидрофобные силы. В результате таких взаимодействий полипептидная цепь свертывается очень сложным, но вместе с тем
определенным образом, приобретая характерную пространственную конфигурацию. Межмолекулярные взаимодействия между отдельными полипептидными цепями, обладающими вторичной и третичной структурой, могут приводить
к образованию агрегатов, то есть к возникновению четвертичной структуры
белка. Структура белковой молекулы очень лабильна и легко разрушается под
влиянием различных физических и химических воздействий, в результате чего
изменяются ее биологические и физико-химические свойства.
Белки обладают рядом уникальных свойств не присущих другим соединениям:
1) неисчерпаемость многообразия структуры при строгой специфичности
данного конкретного белка;
2) обладают способностью к внутримолекулярному взаимодействию;
3) способность изменять структуру под воздействием фактора среды и
восстанавливать ее при снятии данного воздействия;
4) способность белков катализировать химические реакции.
Классификация белков
По химическому составу белки делятся:
протеины – белки, при гидролизе которых образуются только аминокислоты;
29
протеиды (сложные белки) – белки, при гидролизе которых помимо аминокислоты образуются и другие компоненты, например липопротеиды;
По форме молекул белки делятся:
фибриллярные (от лат. слова «фибрилла – волоконце) – нерастворимые в
воде длинные нитевидные молекулы, большинство этих белков выполняют
структурную и защитную функции;
глобулярные (от лат. слова «глобула» – шарик) – имеют плотную компактную структуру сферической формы. К белкам данной группы относятся
почти все ферменты, транспортные белки крови, антитела, пищевые белки.
Химические свойства
1.
Денатурация – разрушение структурной организации белка. Денатурация может быть полной или частичной, обратимой или необратимой. Самый известный случай необратимой денатурации белка в быту - это приготовление куриного яйца, когда под воздействием высокой температуры растворимый в воде прозрачный белок овальбумин становится плотным, нерастворимым
и непрозрачным. Денатурация в некоторых случаях обратима, как в случае
осаждения водорастворимых белков с помощью солей аммония, и используется
как способ их очистки.
Денатурацию вызывают следующие факторы:
физические:
- интенсивное механическое встряхивание;
- действие УФ лучей;
- высокая температура;
химические:
- концентрированные кислоты и щелочи;
- трихлоруксусная кислота;
- соли тяжелых металлов.
2. Белки – амфотерные электролиты.
Амфотерность – способность веществ проявлять свойства как кислоты,
так и основания. Амфотерный характер белка обусловлен его химическим
строением. Если раствор белка поместить в кислую среду, то он приобретет
положительный заряд, в щелочную – отрицательный.
Растворы белков являются амфотерными электролитами. Можно
подобрать такое значение рН среды, при котором белок будет
электронейтрален, то есть сумма его положительных зарядов равна сумме
отрицательных зарядов. Такое значение рН называется изоэлектрической
точкой (ИЭТ). Для каждого белка имеется свое значение ИЭТ. В ИЭТ белки
обладают минимальной растворимостью, наименее устойчивы и легко
выпадают в осадок, не перемешаются в электрическом поле.
30
3. Цветные реакции на белки:
1. Биуретовая реакция – качественная реакция на пептидную связь:
Белок + Сu(OH)2 → фиолетовое окрашивание.
2. Ксантопротеиновая реакция – обнаруживает наличие бензольных колец в белке:
Белок + HNO3 (конц.) → желтое окрашивание.
3. Сульфгидрильная реакция - обнаруживает наличие групп -S-S-, -S-H-,
и -S-CH3 :
Белок + Pb(NO3)2→ черный осадок PbS
Функции белков
1.
Структурная или строительная – структурные белки цитоскелета,
как своего рода арматура, придают форму клеткам и многим органоидам и участвуют в изменении формы клеток. Коллаген и эластин - основные компоненты
межклеточного вещества соединительной ткани (например, хряща), а из другого структурного белка кератина состоят волосы, ногти, перья птиц и некоторые
раковины. Входят в состав всех мембран любого органоида клетки, а так как
большинство организмов имеют клеточное строение, белки являются строительным материалом любого организма. Некоторые бактерии и растения способны синтезировать все аминокислоты, а животные утратили эту способность
и белки получают вместе с пищей.
2.
Каталитическая или ферментативная функция – все химические
реакции клетки протекают только в присутствии ферментов, а все ферменты
являются белками.
3.
Регуляторная или сигнальная функция – многие процессы внутри клеток регулируются белковыми молекулами, которые не служат ни источником энергии, ни строительным материалом для клетки – это гормоны. Сигнальная функция белков - способность белков служить сигнальными веществами, передавая сигналы между клетками, тканями, органами и разными организмами. Часто сигнальную функцию объединяют с регуляторной, так как многие
внутриклеточные регуляторные белки тоже осуществляют передачу сигналов.
Например, инсулин, который регулирует концентрацию глюкозы в крови. Гормон роста, например, адренокартитропный – вырабатывается гипофизом, он
отвечает за рост человека, его отсутствие вызывает карликовость, тиретропного гигантизм. В нормальном состоянии их количество уравновешено. Клетки
взаимодействуют друг с другом с помощью сигнальных белков, передаваемых
через межклеточное вещество. К таким белкам относятся, например, цитокины -
31
небольшие пептидные информационные молекулы. Они регулируют взаимодействия между клетками, определяют их выживаемость, стимулируют или подавляют рост, дифференцировку, функциональную активность и обеспечивают
согласованность действий иммунной, эндокринной и нервной систем. Примером цитокинов может служить фактор некроза опухоли, который передаёт сигналы воспаления между клетками организма.
4.
Защитная функция – существуют несколько видов защитных
функций белков:
Физическая защита. В ней принимает участие коллаген — белок, образующий основу межклеточного вещества соединительных тканей (в том числе
костей, хряща, сухожилий и глубоких слоёв кожи (дермы)); кератин, составляющий основу роговых щитков, волос, перьев, рогов и др. производных эпидермиса. Обычно такие белки рассматривают как белки со структурной функцией. Примерами этой группы белков служат фибриногены и тромбины, участвующие в свёртывании крови.
Химическая защита. Связывание токсинов белковыми молекулами может
обеспечивать их детоксикацию. Особенно важную роль в детоксикации у человека играют ферменты печени, расщепляющие яды или переводящие их в растворимую форму, что способствует их быстрому выведению из организма.
Иммунная защита. Белки, входящие в состав крови и других биологических жидкостей, участвуют в защитном ответе организма как на повреждение,
так и на атаку патогенов. Белки системы комплемента и антитела
(иммуноглобулины) относятся к белкам второй группы; они нейтрализуют бактерии, вирусы или чужеродные белки. Антитела, входящие в состав адаптативной иммунной системы, присоединяются к чужеродным для данного организма
веществам, антигенам, и тем самым нейтрализуют их, направляя к местам
уничтожения.
5.
Транспортная функция – примером транспортных белков можно
назвать гемоглобин, который переносит кислород из лёгких к остальным тканям и углекислый газ от тканей к лёгким, а также гомологичные ему белки,
найденные во всех царствах живых организмов. В организме есть белки, которые связывают и узнают гормоны и несут их к определенным клеткам.
6.
Двигательная функция – в мышцах клеток есть белки – актин и
миозин, благодаря сокращению которых мышцы выполняют двигательную
функцию.
7.
Энергетическая функция – 1 г белка при окислении дает
17,6 кДж, но источником энергии белки являются, когда отсутствуют углеводы
и жиры.
8.
Запасная (резервная) функция белков - к таким белкам относятся
так называемые резервные белки, которые запасаются в качестве источника
энергии и вещества в семенах растений и яйцеклетках животных; белки третичных оболочек яйца (овальбумины) и основной белок молока (казеин) также выполняют, главным образом, питательную функцию. Ряд других белков исполь-
32
зуется в организме в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь
являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих
процессы метаболизма.
Белки в обмене веществ
Большинство микроорганизмов и растений могут синтезировать 20 стандартных аминокислот, а также дополнительные (нестандартные) аминокислоты, например, цитруллин. Но если аминокислоты есть в окружающей среде,
даже микроорганизмы сохраняют энергию путём транспорта аминокислот
внутрь клеток и выключения их биосинтетических путей.
Аминокислоты, которые не могут быть синтезированы животными, называются незаменимыми. Основные ферменты в биосинтетических путях, например, аспартаткиназа, которая катализирует первый этап в образовании лизина,
метионина и треонина из аспартата, отсутствуют у животных.
Животные, в основном, получают аминокислоты из белков, содержащихся в пище. Белки разрушаются в процессе пищеварения, который обычно начинается с денатурации белка путём помещения его в кислотную среду и гидролиза с помощью ферментов, называемых протеазами. Некоторые аминокислоты, полученные в результате пищеварения, используются для синтеза белков
организма, а остальные превращаются в глюкозу в процессе глюконеогенеза
или используются в цикле Кребса. Использование белка в качестве источника
энергии особенно важно в условиях голодания, когда собственные белки организма, в особенности мускулов, служат источником энергии. Аминокислоты
также являются важным источником азота в питании организма.
Единых норм потребления белков человеком нет. Микрофлора толстого
кишечника синтезирует аминокислоты, которые не учитываются при составлении белковых норм.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
Какие высокомолекулярные соединения называют белками?
Сколько уровней структурной организации выделяют у белков?
Перечислите основные типы классификации белков.
Перечислите химические свойства белков и охарактеризуйте их.
Перечислите функции белков.
1.6. Ферменты: строение, свойства, биологическая роль
Ферменты – биологические катализаторы белковой природы. Они присутствуют во всех тканях, клетках, внутриклеточных органеллах и биологических жидкостях. Благодаря ферментам обмен веществ в живых организмах протекает с большой скоростью при температуре тела и без участия сильнодействующих химических реагентов.
Ферменты как катализаторы: 1) не вызывают каких-либо реакций, невозможных по термодинамическим законам; 2) увеличивают скорость как прямой,
33
так и обратной реакции обратимого химического процесса; 3) остаются химически неизменными; 4) в очень малых количествах способны превращать несоизмеримо большие массы субстратов.
Согласно современным представлениям ферменты увеличивают скорость
химической реакции, снижая энергетический барьер данной реакции. Ведущую
роль в механизме ферментативного катализа играют промежуточные ферментсубстратные комплексы, образование которых определяется тонкой структурой
активного центра и уникальной структурой всей молекулы фермента.
Все ферменты делят на 6 классов в зависимости от типа реакций, ими катализируемых.
1. Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительновосстановительные реакции.
2. Трансферазы – ферменты, катализирующие реакции переноса различных групп.
3. Гидролазы – ферменты, ускоряющие реакции гидролиза.
4. Лиазы – ферменты, отщепляющие от субстрата определенные группы негидролитическим путем с образованием двойной связи или наоборот,
присоединяющие группы к двойным связям.
5. Изомеразы – ферменты, ускоряющие реакции изомеризации.
6. Лигазы (синтетазы) – ферменты, катализирующие реакции синтеза.
Функции ферментов
Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ в другие. Ферменты выступают в роли катализаторов
практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах - ими катализируется более 4000 разных биохимических реакций. Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и
регулируя обмен веществ организма.
Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность - константа связывания некоторых субстратов с белком может достигать 10−10 моль/л и менее. Каждая молекула фермента
способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких миллионов «операций» в секунду. Например, одна молекула фермента ренина, содержащегося в
слизистой оболочке желудка теленка, створаживает около 106 молекул казеиногена молока за 10 мин при температуре 37 °C. При этом эффективность ферментов значительно выше эффективности небелковых катализаторов - ферменты ускоряют реакцию в миллионы и миллиарды раз, небелковые катализаторы - в сотни и тысячи раз.
34
Ферменты и пищеварение. Ферменты − необходимые участники процесса пищеварения. Только низкомолекулярные соединения могут проходить
через стенку кишечника и попадать в кровоток, поэтому компоненты пищи
должны быть предварительно расщеплены до небольших молекул. Это происходит в ходе ферментативного гидролиза (расщепления) белков до аминокислот, крахмала до сахаров, жиров до жирных кислот и глицерина. Гидролиз белков катализирует фермент пепсин, содержащийся в желудке. Ряд высокоэффективных пищеварительных ферментов секретирует в кишечник поджелудочная железа. Ферменты находят применение в пищевой, фармацевтической, химической и текстильной промышленности. В качестве примера можно привести
растительный фермент, получаемый из папайи и используемый для размягчения мяса. Ферменты добавляют также в стиральные порошки.
Дополнительная информация
Ферменты – биологические катализаторы белковой природы
Вещества, на которое действует фермент, называют субстратами.
Все многообразие биохимических реакций, протекающих в микроорганизмах, растениях и животных катализируется соответствующими ферментами.
Велика роль ферментов в технологии пищевых продуктов. В основе производства любого пищевого продукта лежат либо биохимические (ферментативные),
либо физико-химические процессы, либо эти процессы взаимосвязаны.
С точки зрения локализации ферментов в клетке их подразделяют на внеклеточные и внутриклеточные.
Внеклеточные ферменты выделяются живой клеткой во внешнюю среду,
внутриклеточные – находятся либо в клеточных органеллах, либо в комплексе
с надмолекулярными структурами.
Особую группу ферментов составляют полиферментные комплексы, в состав которых входит ряд ферментов, катализирующих последовательные реакции превращения какого-либо субстрата. Эти комплексы локализованы во
внутримолекулярных структурах таким образом, что каждый фермент располагается в непосредственной близости от фермента, катализирующего реакцию в
цепи данной последовательности реакций. Благодаря такому расположению
ферментов процесс диффузии субстрата и продуктов реакции сводится к минимуму.
Ферменты – высокомолекулярные полипептиды или белковые соединения. Как и другие белки, ферменты имеют 4 уровня структуры, им присущи все
физико-химические свойства белков, и лишь одна отличительная особенность –
способность ускорять химические реакции. Ферменты могут быть простыми
однокомпонентными и сложными двухкомпонентными.
Однокомпонентные ферменты построены из полипептидных цепей и при
гидролизе распадаются только до аминокислот.
35
Двухкомпонентные ферменты состоят из белковой части – апоформента
и небелковой части – кофактора. Оба компонента в отдельности лишены ферментативной активности. Только соединившись вместе (холофермент), они
приобретают свойства, характерные для биокатализаторов.
Активный центр ферментов – это локальный участок молекулы фермента,
который необходим в акте катализа.
Скорость любой ферментативной реакции определяется энергетическим
барьером, который необходимо преодолеть реагирующим молекулам.
Энергия активации – дополнительное количество энергии, необходимое
для того, чтобы все молекулы преодолели энергетический барьер реакции и
вступили в неё. Эта энергия представляет собой разность общей энергии реагирующих молекул и энергии возбужденного переходного состояния. Чем больше энергия активации в реагирующей системе, тем выше энергетический барьер и тем ниже скорость реакции.
Важнейшая функция фермента – снижение энергии активации катализируемого процесса.
Механизм ферментативного катализа во многом остается пока еще не выясненным. Однако большую роль в создании ферментативной кинетики сыграли работы М. Михаэлиса и М. Ментен, в которых было развито представление
о фермент-субстратном комплексе. Образование этого комплекса и ведет к
снижению энергии активации реакции.
Кинетика ферментативных реакций [6-8]
Кинетика – наука, изучающая закономерности изменения скорости химических реакций во времени. Кинетической закономерности подчиняются и
ферментативные реакции. Особенностью их является образование ферментсубстратного комплекса, насыщение фермента субстратом.
Любую ферментативную реакцию можно описать уравнением
[E] + [S] ↔ [ES] + P,
где [S] – концентрация субстрата; [ES] – концентрация ферментсубстратного комплекса; Р – продукты реакции.
Это основное уравнение кинетики ферментативной реакции - МихаэлисаМентен.
Данное уравнение имеет несколько решений:
1.
[S] >> KS; тогда величиной KS можно пренебречь и v = Vmax, пока
концентрация субстрата велика, скорость реакции близка к максимальной и
практически мало изменяется до тех пор, пока уменьшение концентрации субстрата не будет значительным. Реакция будет иметь нулевой порядок (n = 0).
2.
[S] << KS; тогда практически скорость реакции будет описываться
уравнением
36
ν =
120
100
100
80
80
60
60
40
20
20
0
0
1214
10
8
6
2
0
56
4
3
2
1
0
16
7
V max
⋅ [S ] ,
Ks
где Vmax и KS – кинетические константы и данное уравнение – уравнение
прямой линии; скорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации субстрата. Это реакция первого порядка (n = 1).
3.
Величина [S] – промежуточная; пусть [S] = KS, v = 1/2Vmax. В данном случае порядок реакции будет дробный (0 < n <1).
Таким образом, в ферментативных реакциях порядок реакции меняется в
ходе самой реакции.
Влияние физико-химических факторов на активность ферментов
Все ферментативные реакции имеют 4 особенности:
1) высокая активность ферментов;
2) обратимость действия ферментов;
3) специфичность действия ферментов;
4) лабильность (чувствительность).
Важнейшим фактором, от которого зависит активность ферментов, является температура. Изменение скорости реакции при повышении температуры
на каждые 10 °С выражают температурным коэффициентом. Температурный
коэффициент представляет собой отношение скорости реакции при данной
температуре к скорости реакции при температуре на 10 °С ниже данной.
Каждый фермент проявляет своё действие в пределах довольно узкой зоны
рН. Оптимальное значение рН связано с аминокислотным составом ферментов.
Все вещества, сопровождающие фермент в процессе реакции, можно
подразделить на активаторы, ингибиторы и нейтральные соединения.
Активаторы – химические соединения, повышающие действие ферментов (например, глютатион активизирует действие протеаз, NaCl увеличивает
активность амилаз); ингибиторы – соединения, подавляющие их активность
(например, группа –CN подавляет активность дыхательных ферментов, находящихся в цитохромной системе) и нейтральные соединения – не оказывают
никакого влияния на ферменты.
Процесс ингибирования может быть обратимым и необратимым.
Нарушение каталитической активности ферментов
Нарушение каталитической активности ферментов может быть обусловлено мутациями [6]. Известно много генетических болезней человека, при которых тот или иной фермент либо совсем неактивен, либо имеет какой-то дефект, затрагивающий его каталитическую или регуляторную функцию. При таких заболеваниях в полипептидных цепях «дефектного» фермента содержится
одна или большее число «неправильных» аминокислот, появившихся в результате мутации участков ДНК, кодирующей этот фермент. Каталитическая активность фермента зависит не только от наличия определенных аминокислотных
37
остатков в каталитическом и регуляторном центрах, но и от общей трехмерной
структуры фермента. Поэтому замена одного аминокислотного остатка в какомлибо важном месте цепи может привести к изменению или даже к полной утрате каталитической активности фермента, подобно тому как замена всего лишь
одного аминокислотного остатка в молекуле гемоглобина вызывает появление
серповидноклеточного гемоглобина с нарушенной функцией. Если генетически
измененный фермент входит в состав ферментной системы, катализирующей
какой-нибудь центральный метаболический путь, то последствия такого изменения могут быть очень тяжелыми, вплоть до летальных нарушений метаболизма.
Одно из наиболее серьезных генетических заболеваний человека, вызванных нарушениями структуры того или иного фермента – это альбинизм. В
настоящее время считается, что причиной альбинизма является отсутствие (или
блокада) фермента тирозиназы, необходимой для нормального синтеза меланина - особого вещества, от которого зависит окраска тканей.
Прилагается много усилий, чтобы предотвратить нежелательные последствия подобных генетических дефектов в ферментах. Один из испробованных
подходов - это введение в организм нормальной, активной формы дефектного
фермента, иммобилизованного в фильтрующей капсуле, вставленной в кровеносный сосуд. Использование такого метода позволяет надеяться, что метаболиты, накапливающиеся в организме вследствие какого-либо генетического дефекта, будут превращаться в нормальные продукты при прохождении крови
через капсулу, содержащую активный фермент.
Генетические изменения в ферментах не всегда приводят к вредным последствиям. Часто они проявляются в изменении второстепенных признаков
организма, таких как цвет глаз или волос. Например, характерная окраска сиамских кошек - это результат генетических изменений фермента, ответственного за синтез темного пигмента шерсти, вследствие этого дефекта фермент активен только в более холодных частях тела. Иногда в результате какого-либо
генетического нарушения фермент начинает функционировать более эффективно, что дает организму некоторое преимущество в борьбе за существование.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
Дайте определение ферментам.
На какие 6 классов делят все ферменты?
Охарактеризуйте функции ферментов.
Какова роль ферментов в пищеварении?
К чему приводит нарушение каталитической активности ферментов?
38
1.7. Углеводы: строение, биологические функции
Углеводы – полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны с общей
формулой (СН2О)n, наиболее распространенный на земле класс органических
соединений. Они составляют 85-90 % всей массы растительного организма.
Углеводы являются первичными продуктами фотосинтеза, в круговороте
веществ в природе они играют роль своеобразного моста между органическими
и неорганическими соединениями.
Классификация углеводов основана на их структуре и физикохимических свойствах. Структурную классификацию этих веществ можно
представить в виде схемы, представленной на рис. 4.
УГЛЕВОДЫ
(сахариды)
МОНОСАХАРИДЫ
монозы
(от 3 до 10 С-атомов)
Производные
моносахаридов
ОЛИГОСАХАРИДЫ
(от 2 до 10 остатков
моносахаридов)
ПОЛИСАХАРИДЫ
(свыше 10 остатков моносахаридов)
Гомополисахариды
Гетерополисахариды
Рис. 5. Схема классификации углеводов
Таким образом, условно углеводы делят на три подкласса: моносахариды,
олигосахариды, полисахариды.
По физико-химическим свойствам углеводы делятся на нейтральные, содержащие только гидроксильные и карбонильные группы; основные, включающие кроме названных аминогруппу (аминосахара); кислотные, содержащие
кроме гидроксильных и карбонильных групп карбоксильные группы.
Значение углеводов
Самый распространенный в природе углевод – глюкоза является
первичным продуктом фотосинтеза из СО2 и Н2О. Она один из основных
поставщиков энергии для живой клетки. Превращая глюкозу в полисахариды –
крахмал и гликоген, организмы запасают ее впрок. Другие полисахариды,
например клетчатка, являются конструкционным материалом клетки. Углеводы
участвуют в большинстве биохимических процессов. Из них в живых
организмах осуществляются многочисленные синтезы различных биологически
активных веществ. Полисахариды ответственны за иммунитет организма.
39
Некоторые растения, в особенности сахарный тростник и сахарная
свекла, накапливают относительно большие количества уникального
дисахарида сахарозы, который выделяют в значительных количествах.
Сахароза – наиболее дешевое, доступное, чистое органическое вещество,
запасы которого, кстати, можно постоянно восполнять.
МОНОСАХАРИДЫ
Моносахариды, или простые сахара, простейшие углеводы, они не подвергаются гидролизу, т.е. не расщепляются водой на более простые углеводы.
Например, С6Н12О6 – глюкоза, С6Н12О6 – фруктоза, С5Н10О5 – рибоза.
Моносахариды – альдозы и кетозы с общей формулой СnН2nОn (n=4-9), в
которых каждый атом С (кроме карбонильного) связан с группой ОН, и производные этих соединений, содержащие различные другие функциональные
группы, а также атом Н вместо одного или нескольких гидроксилов.
Альдозы дают качественные реакции на альдегиды с реактивом Фелинга,
легко окисляются, их относят к восстанавливающим (редуцирующим) сахарам.
Кетозы менее реакционноспособны, более устойчивы к окислению.
Моносахариды (монозы) – неокрашенные вещества, хорошо растворимые
в воде, низших спиртах, уксусной кислоте и пиридине.
Большинство моносахаридов получают в кристаллическом виде, некоторые – в виде сиропов.
Глюкоза. Моноза, относящаяся к группе альдогексоз, ее эмпирическая
формула C6H12O6 (рис. 6).
Рис. 6. Схема молекулы α-D-глюкозы
Тривиальное название – виноградный сахар, так как именно в винограде
она содержится в значительных количествах в свободном виде, встречается
также в других плодах и ягодах, входит в состав пчелиного мёда, в качестве составной части входит в молекулы дисахаридов (мальтоза, целлобиоза, сахароза,
лактоза и др.) и полисахаридов (крахмал, клетчатка, гликоген). Это самый распространенный моносахарид. D-Глюкоза играет важную роль в метаболизме
человеческого организма, ее содержание в крови постоянно и составляет 0,1 %.
Она является одим из ключевых продуктов обмена веществ, обеспечивающим
живые клетки энергией (в процессах дыхания, брожения, гликолиза), является
исходным продуктом биосинтеза многих веществ. У человека постоянный уро-
40
вень глюкозы в крови поддерживается путем синтеза и распада крахмалоподобного вещества гликогена.
Глюкоза применяется не только в качестве заменителя сахара, но и как
улучшитель вкуса и товарного вида пищевых продуктов. В кондитерской промышленности глюкозу используют для изготовления мягких конфет, пралине,
десертных сортов шоколада, вафель, тортов, диетических и других изделий. Так
как глюкоза не маскирует аромата и вкуса, она широко используется при производстве фруктовых консервов, замороженных фруктов, мороженого, алкогольных и безалкогольных напитков. Применение глюкозы в хлебопечении
улучшает условия брожения, способствует образованию красивой золотистокоричневой корки, равномерной пористости и хорошего вкуса. Глюкозу целесообразно использовать для питания больных, раненых, выздоравливающих
людей, работающих с большими перегрузками [10] .
ОЛИГОСАХАРИДЫ
Олигосахариды содержат в своем составе 2–10 остатков моносахаридов,
связанных между собой гликозидными связями.
Олигосахариды в зависимости от числа молекул моносахаридов, образующихся при их гидролизе, подразделяются на дисахариды, трисахариды
и т. д. Особенно хорошо известны дисахариды, которые являются природными
веществами. Общая формула дисахаридов – С12Н22О11.
Дисахариды подразделяются на восстанавливающие (редуцирующие) и
невосстанавливающиеся. Первые могут вступать в реакции по альдегидной
группе (восстановление реактива Фелинга), которая образуется при таутомерном раскрытии полуацетального цикла одного из остатков моносахарида, входящего в состав дисахарида. Остатки моносахаридов в них связаны кислородным мостиком, образованным за счет реакции одного спиртового и одного наиболее реакционноспособного гликозидного (полуацетального) гидроксила. Эта
связь называется моногликозидной.
Сахароза. Ее получают из сахарной свеклы или сахарного тростника.
Синтетическим путем получить не удалось. Животные к биосинтезу сахарозы
не способны. Молекула сахарозы состоит из остатков двух различных моносахаридов − α-D-глюкозы и β-D-фруктозы, которые связаны между собой α-(1,2')
- гликозидными связями (рис. 7).
Рис. 7. Схема молекулы сахарозы
41
При гидролизе под действием ферментов в организме распадается на
глюкозу и фруктозу.
С12Н22О11 + Н2О → С6Н12О6 + С6Н12О6
сахароза
глюкоза фруктоза
Около половины энергетических затрат организма человек компенсирует
за счет потребления углеводов. Из этого количества в современном рационе питания сахар занимает около 1/3.
Чистая сахароза представляет собой бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде (насыщенный раствор содержит 67 % сахарозы при 20 °С и
83 % при 100 °С). Сахароза умеренно растворяется в полярных органических
растворителях и водно-органических смесях, не растворяется в безводных
спиртах и неполярных органических растворителях. По структуре сахароза относится к невосстанавливающимся дисахаридам. Это широко распространенное
резервное вещество растений, образующееся в процессе фотосинтеза и запасаемое в листьях, стеблях, корнях, цветах или плодах. При нагревании выше
температуры плавления происходит разложение и окрашивание расплава (карамелизация). Сахароза не восстанавливает реактив Фелинга, к щелочам довольно устойчива.
Сахарозу используют как пищевой продукт (сахар) непосредственно или
в составе кондитерских изделий, а в высоких концентрациях – как консервант.
Она служит также субстратом в промышленных ферментационных процессах
получения этанола, бутанола, глицерина, лимонной кислоты, декстрана; используется также при приготовлении лекарственных средств; некоторые сложные эфиры сахарозы с высшими жирными кислотами применяют в качестве
неионных детергентов (ПАВ).
ПОЛИСАХАРИДЫ
Полисахариды содержат более 10 остатков моносахаридов и подразделяются на гомополисахариды и гетерополисахариды. Общая формула полисахаридов – (С6Н10О5)n . Основными представителями полисахаридов являются
крахмал и целлюлоза (клетчатка).
По химической природе являются полигликозидами. Каждое звено моносахарида связано гликозидными связями с предыдущим и последующим звеньями. Каждое звено затрачивает на связь один полуацетальный и один (в случае
неразветвленных полисахаридов) или два (местах ветвления разветвленных полисахаридов) спиртовых гидроксила.
Полисахариды, построенные из остатков одного моносахарида, называются гомополисахаридами, из остатков разных моносахаридов – гетерополисахаридами. Для полисахаридов используется общее название гликаны. Гликаны
могут быть гексозанами (состоящими из гексоз) или пентозанами (состоящими
42
из пентоз). К гомополисахаридам относятся многие полисахариды растительного (крахмал, целлюлоза, пектиновые вещества), животного (гликоген, хитин) и
бактериального (декстраны) происхождения. Гетерополисахариды изучены
меньше, однако они играют важную биологическую роль.
Крахмал. Он накапливается в качестве резервного углевода в зернах риса
(62-82 %), кукурузы (65-75 %), пшеницы (57-75 %), в клубнях картофеля (1224 %). По составу крахмал неоднороден и состоит из двух фракций: амилозы и
амилопектина. Крахмал (рис. 8) построен из остатков α-D-глюкозы, связанных
между собой α-(1,4') - гликозидными связями. Это резервный продукт многих
растений.
Рис. 8. Схема молекулы крахмала
Крахмал – белый аморфный порошок. При нагревании водной суспензии
происходит набухание зерен крахмала и постепенно образуется коллоидный
раствор. В крахмале каждый остаток глюкозы имеет 3 (в местах ветвления 2)
спиртовых гидроксила, и только один концевой остаток содержит
полуацетальный гидроксил, способный превращаться в альдегидную группу. Так
как это
составляет < 0,1 % от числа всех остатков глюкозы в молекуле, то
крахмал практически не обладает восстанавливающими свойствами и не
восстанавливает обычные реактивы на альдегидную группу. Однако более
чувствительные реактивы позволяют обнаружить в крахмале альдегидные
группы, на чем основан химический метод определения степени поликонденсации
и молекулярной массы полисахаридов крахмала.
При гидролизе крахмала (при нагревании в присутствии кислот) образуются различные промежуточные продукты:
(С6Н10О5)n→растворимый крахмал→(С6Н10О5)m→n/2С12Н22О11→n С6Н12О5.
крахмал
декстрин
мальтоза
глюкоза
Целлюлоза. Целлюлоза, или клетчатка, (рис. 9) – прочное, волокнистое,
водонерастворимое вещество – содержится в стенках клеток растений, главным
образом в ветвях, стеблях, а также в стволах и других деревянистых частях растений. Если наиболее распространенные внутриклеточные биополимеры – это
белки, то целлюлоза, бесспорно, это не только самый распространенный вне-
43
клеточный структурный полисахарид в растительном мире, но и вообще самый
распространенный в природе биополимер.
В отличие от молекулы амилозы, свернутой в спираль, молекулы
клетчатки расположены параллельно друг другу, взаимодействуя между собой
за счет водородных связей и образуя волокна. Поэтому в отличие от крахмала
клетчатка не набухает в воде и не растворяется в ней.
Почти чистой клетчаткой является хлопковое волокно (содержание
клетчатки 95-98 %). В промышленности основное количество клетчатки,
используемой при получении бумаги, картона, искусственных волокон и
других ее производных, получают из древесины.
Целлюлоза представляет собой полисахарид, который, как и крахмал, состоит из остатков D-глюкозы. Однако в отличие от крахмала эти остатки связаны между собой не α-(1,4')-, а β-(1,4')- гликозидными связями.
Клетчатка не обладает восстанавливающими свойствами.
Химические свойства клетчатки обусловлены наличием в ее структуре
спиртовых гидроксильных групп (по 3 группы в каждом остатке глюкозы).
Замещением в них водорода получают различные производные клетчатки,
имеющие
широкое
применение.
К
ним,
например,
относятся:
карбоксиметилцеллюлоза, используемая в качестве клея и загустителя;
триацетат клетчатки, используемый в производстве ацетатного волокна и
негорючей кинопленки; тринитрат клетчатки, применяющийся в производстве
бездымного пороха.
Рис. 9. Схема молекулы целлюлозы
Клетчатка
гидролизуется
значительно
труднее
крахмала.
В
пищеварительных трактах человека и животных нет ферментов,
гидролизующих клетчатку. Ее усвоение жвачными животными объясняется
тем, что в их пищеварительном тракте находятся бактерии, гидролизующие
клетчатку. При ферментативном гидролизе клетчатки получается целлобиоза,
кислотным гидролизом в промышленности получают глюкозу, которую путем
сбраживания превращают в этанол (гидролизный спирт).
(С6Н10О5)n → (С6Н10О5)х → n/2 С12Н22О11 → n С6Н12О6
целлюлоза
амилоид
целлобиоза
глюкоза
44
В растениях при образовании клеточных стенок целлюлоза всегда тесно
связана с так называемыми инкрустирующими веществами, придающими им
твердость и устойчивость против механических воздействий. К этим веществам
относятся лигнин и гемицеллюлозы.
Дополнительная информация
Углеводы − заменители сахара [10-12]
За последние десятилетия наблюдается наиболее интенсивный рост производства заменителей сахара углеводной группы, в частности, инвертированных и крахмальных сиропов. При общемировом объеме производства сахара
около 130 млн т общая выработка заменителей сахара составляет до 15-20 млн
т сахарного эквивалента. Это привело к относительному снижению потребления сахарозы в чистом виде.
Сахароза. Важнейшее природное подслащивающее вещество (лидер среди натуральных подсластителей) – сахароза. Тривиальные названия – сахар,
свекловичный или тростниковый сахар. Сахароза – наиболее дешевое, доступное, чистое органическое вещество, запасы которого можно постоянно восполнять.
Сахарозу извлекают из очищенных, измельчённых стеблей сахарного
тростника или корней сахарной свёклы, экстрагируя водой. Далее фильтраты
очищают, удаляя примеси, и кристаллизуют, получая сахарный песок или рафинад.
За последнее столетие потребление сахарозы стремительно возрастает,
что негативно сказывается на здоровье потребителей, т.к. избыточное потребление сахарозы нарушает обмен веществ, прежде всего обмен углеводов, приводя к сахарному диабету. Кроме того, избыточное потребление сахара является причиной ряда других заболеваний, в частности, ожирения, кариеса, аллергических реакций.
Серьезные изъяны сахарозы как продукта питания и изменение мировоззрения потребителей, отдающих предпочтение нерафинированным продуктам,
сохранившим в себе и обогащённым извне ценными микро- и макронутриентами, обусловили необходимость проведения исследований по поиску альтернативных натуральных и созданию новых синтетических заменителей сахара.
Сопоставим ряд свойств сахарозы с другими подслащающими веществами.
Одно из главных потребительских свойств сахарозы - сладость. Существует единица измерения сладости – SES (sweetness equivalency of saccharose –
сладость, эквивалентная сахарозе). Сахароза является стандартом в шкале степени сладости и эталоном чистоты сладости.
45
Сладость сахарозы приравнена к единице. Из 150 наиболее известных
заменителей сахара около 50 имеют SES менее 1, около 40 - от 50 до 500 раз,
более 30 - слаще более 500 раз (табл. 5).
Таблица 5
Средняя сладость заменителей сахара (по отношению к сахарозе)
Заменитель
Сорбит
Маннит
Ксилит
Высокофруктозные
сиропы
Фруктоза
Цикламат
Лактулоза
Галактоза
Средняя
сладость
0,6
0,7
1,0
1,0
Заменитель
Средняя сладость
Сахарол
Глицирризин
Ацетосульфам
Отизон
Аспартам
Сахарин
Перилартин
Оксим В
1,2 – 1,5
45 – 50
0,55
0,63
200 – 300
100
150
150 – 300
200
300
1300 – 2000
450
В последнее время с учетом требований диетологии получило интенсивное развитие производство низкокалорийных продуктов, продуктов для людей,
страдающих рядом заболеваний (в первую очередь диабетом), что обусловило
расширение выпуска заменителей сахарозы как природного происхождения (в
нативном или модифицированном виде), так и синтетического, в том числе
синтетических интенсивных подсластителей. Они могут обладать той же сладостью, быть более интенсивными подсластителями, отличаясь от сахарозы по
сладости в сотни раз.
Высокий коэффициент сладости позволяет, применяя их, производить
низкокалорийные, диетические продукты, полностью или частично лишенные
легкоусвояемых углеводов. Низкая концентрация интенсивных подсластителей
в готовой продукции, кстати, уменьшает риски их применения по показателям
безопасности.
Сравнительная оценка некоторых подсластителей по энергетическому
уровню и коэффициенту сладости приведена в табл. 6.
Очевидно, что полиолы и подсластители по своим свойствам существенно отличаются от сахарозы.
Таблица 6
Сравнительная оценка сахарозы и отдельных групп подсластителей
Показатели
Энергетиче-
Сахароза
Подсластители
Полиолы
Фруктоза
4,0
фактически не
2,4
4,0
46
ский уровень,
ккал/г
имеют
калорийности
Окончание табл. 6
Показатели
Сахароза
Коэффициент
1,0
сладости
Влияние на
сильное
уровень инсулина
Влияние на нейтральное
пищеварительную систему
Влияние на может высостояние зу- зывать кабов
риес
Подсластители
30 - 3500
не влияют
не влияют
не влияют
Полиолы
0,5 - 0,7
слабое
Фруктоза
1,2
слабое
возможен нейтральное
слабительный
эффект
не влия- может
вызыют
вать кариес
В то же время необходимо отметить, что исключение сахарозы из рецептур некоторых продуктов питания в технологическом отношении является
сложной задачей, так как сахароза выполняет не только роль подсластителя, но
и оказывает влияние на структурно-механические свойства продукта.
Глюкоза. В медицине глюкоза применяется в различных препаратах, в
том числе для производства витамина С, антибиотиков, для внутривенных вливаний. Техническая глюкоза представляет собой твёрдые куски неопределённой
формы тёмно-коричневого цвета. Глюкоза находит применение в качестве восстановителя в кожевенном производстве, в текстильном при производстве вискозы, в качестве питательной среды при выращивании различных видов микроорганизмов, в медицинской и микробиологической промышленности.
Наиболее совершенный технически способ получения глюкозы - ферментативный гидролиз крахмала и крахмалсодержащего сырья. В результате получается пищевая порошкообразная, кусковая или гранулированная глюкоза, а
также медицинская глюкоза.
В последние десятилетия большое распространение получило производство глюкозно-фруктозных сиропов (ГФС). Получаемая при этом глюкоза частично превращается затем во фруктозу, при этом может достигаться разное соотношение глюкозы и фруктозы. Теоретически первоначальный выход глюкозы
составляет 97 частей на 100 частей крахмала. Техническую глюкозу вырабатывают в небольших количествах кислотным гидролизом низкокачественного
картофельного, кукурузного или другого зернового крахмала, предназначенного для технических целей. Брожение глюкозы, содержащейся в соке винограда
и фруктов, − одна из стадий в производстве вина, а содержащейся в гидролизатах крахмала и древесины − в производстве этанола.
47
Пищевая глюкоза, полученная путем гидролиза крахмала с применением
серной кислоты, обладает сладким вкусом с едва заметным привкусом горечи,
при гидролизе с применением соляной кислоты глюкоза приобретает слегка солоноватый вкус. Такая глюкоза при хранении в сыром месте может заплесневеть, а в сухом - высохнуть до содержания влаги 9-10 %. Пищевую глюкозу
улучшенного качества можно получить, применяя при гидролизе щавелевую
кислоту.
Глюкозу получают также одновременно с фруктозой путем гидролиза сахарозы, в результате чего образуется так называемый инвертный сахар, содержащий глюкозу и фруктозу в соотношении 1:1. Растворы сахарозы и глюкозы
вращают плоскополяризованный свет вправо, а фруктоза более сильно – влево,
в результате раствор инвертного сахара имеет левое вращение, т.е. наблюдается обращение (инверсия) угла вращения плоскополяризованного света.
Если взять раствор, содержащий сахарозу и глюкозу в соотношении 10:1,
то путем сгущения его и последующего быстрого охлаждения можно получить
белоснежную массу − помадный сахар. При высушивании этой массы получают порошкообразный помадный сахар, состоящий из мелких кристаллов
сахарозы и инвертного сахара. При смешивании порошкообразного сахара с
водой быстро образуется паста. Помадный сахар находит всё большее распространение в кондитерской промышленности при производстве шоколада,
начинок для мягких конфет и пр.
В мире насчитывается более 50 специализированных предприятий по выработке глюкозы, 35 из которых расположены в Европе.
Фруктоза. Эта моноза, известная также под названиями фруктовый сахар
и левулёза, относится к группе кетогексоз. Эмпирическая формула - С6Н12О6,
молекулярная масса 180,16.
Она является самой сладкой из природных сахаров, сладость её составляет 1,73. Фруктоза хорошо растворяется в воде и этиловом спирте, плавится при температуре 102-105 °С, образует безводные кристаллы в виде игл.
При обмене веществ в организме человека фруктоза, наряду с сахарозой,
является источником энергии. По калорийности равная сахарозе, фруктоза эффективно усваивается человеческим организмом и может быть использована
диабетиками в качестве ежедневного компонента пищи в пределах 0,5−1 г на
1 кг массы человека за исключением крайне редко встречающихся случаев наследственной невосприимчивости к фруктозе. Применение фруктозы больными
сахарным диабетом позволяет снизить дозы принимаемого ими инсулина.
Благодаря повышенной по сравнению с сахарозой степенью сладости
фруктозу используют в кондитерской промышленности, при приготовлении
продуктов детского питания, при изготовлении ряда медицинских препаратов.
Гигроскопичность фруктозы позволила рекомендовать её при изготовлении
хлебобулочных изделий (предохраняет их от быстрого очерствения), при приготовлении соков, варенья, десертов, так как фруктоза лучше других сахаров способна подчеркивать собственный аромат плодов, фруктов и ягод. В
48
отдельных случаях её присутствие может усилить горький вкус низкокачественного кофе, компонентов какао.
Однако гигроскопичность фруктозы приводит к повышенным требованиям к упаковочным материалам для продуктов, содержащих фруктозу.
Сладость растворов фруктозы зависит от концентрации раствора, его
температуры, кислотности (рН), срока хранения. Например, сладость свежеприготовленного 5 %-го раствора фруктозы при комнатной температуре составляет примерно 1,45, а на следующий день - всего 1,25. Если при 15 оС сладость
раствора фруктозы составляет примерно 1,3, то при 40 оС она равна сладости
сахарозы. При охлаждении нагретых растворов фруктозы сладость их снова повышается.
Фруктоза широко распространена в растительном мире в плодах, в пчелином мёде, она также входит в состав олигосахаридов (сахарозы, раффинозы,
генцианозы, стахиозы) и полисахаридов (фруктозанов, леванов). Прежде относительно чистую фруктозу выделяли довольно сложным путем из инулина −
полисахарида растительного происхождения, которого достаточно много содержится в земляной груше (топинамбуре) и в клубнях георгина, но она трудно кристаллизуется из-за высокой растворимости. В настоящее время сырьем
для получения фруктозы служит любой сахарный раствор с высоким содержанием фруктозы, особенно глюкозно-фруктозные сиропы (ГФС), получаемые из
крахмалсодержащего сырья. Ещё в середине XIX века предпринимались попытки получения кристаллической фруктозы непосредственно из сахарозы,
но далее лабораторных опытов это не пошло.
Важным свойством фруктозы является её синергическая способность в
смеси с другими синтетическим заменителями сахара (подсластителями), т.е.
способность проявлять более высокую степень сладости (синергетика - комбинированное воздействие нескольких веществ, характеризующееся тем, что превышает действие, оказываемое каждым из компонентов в отдельности). Например, сладость смеси из 99,7 % фруктозы и 0,3 % сахарина в 3–4 раза выше сладости сахарозы. Сладость смеси из трети фруктозы и двух третей сахарозы равна сладости фруктозы, что позволяет уменьшать расход сахарозы при приготовлении различных продуктов.
На основе фруктозы получают различные патоки, искусственный мёд, начинки, напитки, мороженое, консервы. Создана смесь фруктозы и витамина С фруктовит, 40 г которого заменяют почти 70 г сахарозы.
В мире насчитывается более 20 предприятий по производству фруктозы,
из них большинство размещены в Европе и в Китае. Мировое производство
кристаллической фруктозы составляет около 150 тыс. т в год.
Технологические свойства фруктозы несколько отличаются от сахара и
предоставляют технологам возможность извлечь преимущества из более высокого сахарного эквивалента, синергизма с другими сахарозаменителями и интенсивными подсластителями и взаимодействия с другими ингредиентами пищевого продукта.
49
Эффективность использования фруктозы как заменителя сахара обусловлена: интенсивной сладостью; синергизмом с другими сахарозаменителями и
подсластителями; синергизмом с крахмалом; усилением вкуса и аромата; влагоудерживающими свойствами; высокой растворимостью; более высоким осмотическим давлением (для более сбалансированного всасывания). К преимуществам применения фруктозы можно отнести снижение калорийности готового продукта; чистый приятный вкус; ускоренное структурирования крахмала;
усиление прочности геля; улучшение вкусоароматических характеристик (например, усиление фруктовых, шоколадных и коричных вкусов), снижение активности воды (позволяющее продлить срок годности и сохранение мягкой,
влажной структуры), увеличение срока годности продукта; снижение концентрации подсластителей, ароматизаторов и кислот.
Ее целесообразно использовать при изготовлении сухих напитков, спортивных напитков и обогащенных фруктовых вод, начинок для выпечки, оболочек для зерновых продуктов; выпечек, йогуртов, пудингов и желе, кондитерских изделий и низкокалорийных продуктов и напитков.
Усиление вкуса и аромата. Фруктоза обладает свойством усиливать интенсивность вкуса ряда ароматизаторов и кислот, а также уменьшать привкус
горечи. Вкусовые ноты, которые усиливаются фруктозой, включают шоколадные, фруктовые, пряные, карамельные и другие сладкие вкусы. Продукты, содержащие яблочную кислоту, приобретают более терпкий кислый вкус, если
сахар замещен в них фруктозой. Это свойство фруктозы позволяет снижать рецептурные закладки ароматизаторов и кислот.
Взаимодействие с крахмалом. Моносахариды, в частности фруктоза, заметно изменяют функциональные свойства крахмала, особенно температуры
клейстеризации и вязкости конечного раствора. Это влияние часто сопоставляют с влиянием, оказываемым сахарозой. Но из упомянутых сахаров фруктоза
проявляет наиболее выраженное влияние на крахмал. В присутствии фруктозы
крахмал ведет себя иначе, что обусловлено физическими и химическими свойствами фруктозы, воздействием на молекулу крахмала и влажностью пищевого
продукта. По сравнению с сахарозой и глюкозой фруктоза при взаимодействии
с крахмалом обеспечивает более низкие температуры клейстеризации. Взаимодействие фруктозы и крахмала имеет следующие преимущества: снижение
температуры клейстеризации при выпечке; уменьшение времени структурообразования; снижение рецептурного количества крахмала или возможность использования менее дорогого крахмала; улучшение текстуры; улучшение вкусовых характеристик.
Снижение активности воды. Фруктоза - один из наиболее эффективных
моносахаридов, связывающих влагу. Растворимость фруктозы почти в 2 раза
выше, чем сахарозы, при этом активность воды её насыщенного раствора самая
низкая из всех сахаров и сахарозаменителей. Комбинация функциональных
свойств фруктозы - влагоудерживающих свойств, высокой растворимости и
слабой тенденции к рекристаллизации - предоставляет большие возможности
50
при разработке продуктов промежуточной влажности (кусочки фруктов для
зерновых завтраков, фруктовые оболочки, фруктовые батончики и др.). Использование фруктозы позволяет снизить активность воды при сохранении заданной
влажности. Упомянутая способность фруктозы снижать активность воды, одновременно положительно влияя на вкус и сладость, делает ее весьма приемлемой, когда в рецептуре продукта требуется сладкий влагоудерживающий агент,
способный обеспечить максимальный срок годности.
Растворимость. Кристаллическая фруктоза обладает более высокой растворимостью в воде по сравнению с сахарозой и глюкозой при всех температурах, более быстрой растворимостью в спирте, более слабой тенденцией к кристаллизации в системах с высоким содержанием сухих веществ. Поэтому рецептуры с большим содержанием сладких сухих веществ могут быть переформулированы с использованием фруктозы без опасности рекристаллизации сахаров. Рекристаллизация является причиной ряда проблем, включая снижение
сладости продукта, песчанистость и замутнение. Она может также негативно
сказаться при упаковывании продукта. Фруктоза позволяет успешно разрабатывать продукты промежуточной влажности, в которых рекристаллизация нежелательна - мягкие и пропитанные бисквиты, батончики и пирожные.
Крахмал. Все более широкое распространение находят крахмальные патоки. Освоен широкий спектр отечественных крахмальных паток, получаемых
путем ферментативного гидролиза крахмала (практически из любых крахмалсодержащих продуктов). Эти патоки прозрачны, почти бесцветны, обладают
чистым сладким вкусом.
Карамельную патоку вырабатывают с повышенным содержанием мальтозы, что важно при производстве леденцовой карамели. Мальтозная и глюкозномальтозная патоки являются новыми видами сахаристых продуктов из крахмала.
Благодаря низкому содержанию глюкозы мальтозная патока не кристаллизуется в процессе хранения, она малогигроскопична, что важно для кондитерской промышленности, так как требует меньшего количества добавляемого
сахара. Мальтозная патока отвечает требованиям, предъявляемым к заменителям сахара при производстве продуктов детского питания, так как сахароза и
глюкоза могут являться аллергенами. Низкоосахаренная патока широко применяется при производстве замороженных молочных изделий, мармеладов, а высокоосахаренная - в кондитерской, консервной и других отраслях.
Мальтозная и глюкозно-мальтозная патоки содержат большое количество
сбраживаемых сахаров (соответственно до 65 % и свыше 70 %), что позволяет
широко применять их в пивоварении, где они оказывают положительное влияние на вкус и вязкость пива.
Глюкозно-мальтозная патока отличается наибольшей сладостью и наименьшей вязкостью, что позволяет вырабатывать её с высоким содержанием
сухих веществ (до 83,5 %), при этом она не кристаллизуется в процессе хранения. Содержание глюкозы в ней не превышает 38 %, что позволяет применять
51
её в качестве заменителя сахарозы в виноделии, хлебопечении, консервировании, при производстве напитков и т.д. Кроме того, глюкозно-мальтозную патоку можно использовать как готовый продукт для приготовления в домашних
условиях вин, варенья, плодово-ягодных консервов, кваса, выпечки и пр.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
Дайте определение углеводам.
Охарактеризуйте моносахариды: состав, строение и свойства.
Охарактеризуйте олигосахариды: состав, строение и свойства.
Охарактеризуйте полисахариды.
Охарактеризуйте природные заменители сахара.
1. 8. Липиды и их биохимические функции
Липиды - органические вещества, характерные для живых организмов,
нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях (сероуглероде, хлороформе, эфире, бензоле), дающих при гидролизе высокомолекулярные жирные кислоты. Они не являются в отличие от белков и полисахаридов
высокомолекулярными соединениями, их структура весьма разнообразна, они
имеют лишь один общий признак – гидрофобность.
В организме липиды выполняют следующие функции:
1) энергетическую - являются резервными соединениями, основной формой
запаса энергии и углерода. При окислении 1 г нейтральных жиров (триацилглицеролов) выделяется около 38 кДж энергии;
2) регуляторную – липидами являются жирорастворимые витамины и производные некоторых жирных кислот, которые участвуют в обмене веществ.
3) структурную - являются главными структурными компонентами клеточных мембран, образуют двойные слои полярных липидов, в которые
встраиваются белки-ферменты;
− защитную функцию – защищает органы от механических повреждений и участвует в терморегуляции.
Образование запасов жира в организме человека и некоторых животных
рассматривается как приспособление к нерегулярному питанию и к обитанию в
холодной среде. Особенно большой запас жира у животных, впадающих в длительную спячку (медведи, сурки) и приспособленных к обитанию в условиях
холода (моржи, тюлени). У плода жир практически отсутствует и появляется
только перед рождением.
По структуре липиды можно подразделить на три группы:
− простые липиды – к ним относятся только эфиры жирных кислот и спиртов.
Сюда относятся: жиры, воски и стериды;
52
− сложные липиды – в их состав входят жирные кислоты, спирты и другие
компоненты различного химического строения. К ним относятся фосфолипиды, гликолипиды и т.д.;
− производные липидов – это в основном жирорастворимые витамины и их
предшественники.
В тканях животных жиры находятся в частично свободном состоянии, в
большей степени они составляют комплекс с белками.
По химическому составу, строению и функции, выполняемой в живой
клетке, липиды подразделяются на пять групп (см. рис.10)
ЛИПИДЫ
ЖИРЫ
МИНОРНЫЕ
ЛИПИДЫ
ФОСФОЛИПИДЫ
ГЛИКОЛИПИДЫ
СТЕРОИДЫ
Рис. 10. Схема классификации липидов [6]
Жиры – это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. Это
запасные вещества, накапливающиеся в очень больших количествах в семенах
и плодах многих растений, входят в состав организма человека, животных,
микробов и даже вирусов.
Химическое название – ацилглицериды, преобладают триацилглицериды
(рис. 11)
Рис. 11. Схема молекулы жира: R1, R2, R3 – радикалы высокомолекулярных
жирных кислот.
53
Жирные кислоты представляют собой длинноцепочечные монокарбоновые кислоты (содержат от 12 до 20 углеродных атомов).
Жирные кислоты, входящие в состав жиров, разделяются на насыщенные
(не содержат двойных углерод-углеродных связей) и ненасыщенные или
непредельные (содержат одну и более двойную углерод-углеродную связь).
Ненасыщенные жирные кислоты подразделяются:
1) мононенасыщенные – содержат одну связь;
2) полиненасыщенные – содержат больше чем одну связь.
Из насыщенных кислот наибольшее значение имеют:
пальмитиновая (СН3 – (СН2)14 – СООН) или С15Н31СООН;
стеариновая (СН3 – (СН2)16 – СООН) или С17Н35СООН;
Наиболее важные из ненасыщенных жирных кислот – олеиновая, линолевая и линоленовая.
СН3 – (СН2)7 – СН = СН – (СН2)7 – СООН – олеиновая кислота или
С17Н33СООН;
СН3–(СН2)4–СН= СН – СН2 – СН = СН – (СН2)7 – СООН – линолевая кислота или С17Н31СООН;
СН3–СН2–СН=СН–СН2–СН=СН–СН2–СН=СН – (СН2)7 – СООН – линоленовая или С17Н29СООН.
Свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот,
их количественным соотношением, процентным содержанием свободных, несвязанных с глицерином жирных кислот.
Если в составе жира преобладают насыщенные (предельные) жирные кислоты, то жир имеет твердую консистенцию. Напротив, в жидких жирах преобладают непредельные (ненасыщенные) кислоты. Жидкие жиры называют
маслами.
Показателем насыщенности жира служит йодное число – количество миллиграмм йода, способного присоединиться к 100 г жира по месту разрыва двойных связи в молекулах непредельных кислот. Чем больше в молекуле жира
двойных связей (выше его ненасыщенность), тем выше его йодное число.
Другой важный показатель – число омыления жира. При гидролизе жира
образуются глицерин и жирные кислоты. Последние со щелочами образуют
слои, называемые мылами, а процесс их образования называется омыление жиров.
Число омыления – количество КОН (мг), идущего на нейтрализацию кислот, образующихся при гидролизе 1 г жира.
Особенностью жиров является их способность к образованию в определенных условиях водных эмульсий, что важно для питания организма. Примером такой эмульсии служит молоко – секрет молочных желез млекопитающих
и человека. Молоко представляет собой тонкую эмульсию жира молока в его
плазме. В 1 мм3 молока содержится до 5-6 млн молочных жировых шариков
диаметром около 3 мкм. Липиды молока состоят преимущественно из триглицеридов, в которых преобладают олеиновая и пальмитиновая кислоты.
54
Полиненасыщенные жирные кислоты: олеиновая, линолевая, линоленовая и арахидоновая – называют незаменимыми (эссенциальными), т.к. они необходимы человеку. Полиненасыщенные жирные кислоты способствуют выделению из организма холестерина, предупреждая и ослабляя атеросклероз, повышают эластичность кровеносных сосудов.
Благодаря тому, что в ненасыщенных жирных кислотах есть двойные связи, они очень легко окисляются. Процесс окисления жира может идти сам по
себе за счет присоединения кислорода воздуха по месту двойных связей, однако он может значительно ускоряться под влиянием фермента липоксигеназы.
Воски – сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и одноатомных спиртов с длинной углеродной цепью (рис. 12). Это твердые соединения с ярко выраженными гидрофобными свойствами. Жирные кислоты в них
содержат от 24 до 30 углеродных атомов, а высокомолекулярные спирты – 1630 атомов углерода.
R1 – CH2 – O – CO – R2
Рис. 12. Схема молекулы воска: R1, R2 – радикалы высокомолекулярных
жирных кислот и одноатомных спиртов
Например, С15Н31СО-ОС31Н63 – пчелиный воск и С25Н51СО-О-С26Н53 – китайский воск.
Основная функция природных восков – образование защитных покрытий
на листьях, стеблях и плодах растений, которые предохраняют плоды от высыхания и поражения микроорганизмами. Под покровом из пчелиного воска хранится мед и развиваются личинки пчелы. Ланолин - воск животного происхождения, предохраняет волосы и кожу от действия воды. Воска вырабатываются
и используются в очень больших количествах морскими организмами, особенно планктонными, у которых они служат основной формой накопления высококалорийного клеточного топлива. Поскольку киты, сельди, лососевые и многие
другие виды морских животных питаются главным образом планктоном, содержащиеся в нем воска играют важную роль в морских пищевых цепях в качестве основного источника липидов.
Фосфатиды (фосфолипиды) – жиры, содержащие в своем составе фосфорную кислоту, связанную с азотистым основанием или другим соединением
(В) (рис. 13).
Фосфолипиды являются важной частью клеточных мембран. Они обеспечивают текучие и пластические свойства мембран клеток и клеточных органоидов, в то время как холестерин обеспечивает жёсткость и стабильность мембран. Как фосфолипиды, так и холестерин часто входят в состав липопротеидов
клеточных мембран, но имеются в мембранах и в свободном, не связанном с
белками состоянии. Соотношение холестерин-фосфолипиды в основном и определяет текучесть либо жёсткость клеточной мембраны.
55
Рис. 13. Схема молекулы фосфолипида: R1, R2 – радикалы, В – остаток холина
Если В представляет собой остаток холина, то фосфатид называется лецитином.
Фосфолипиды участвуют в транспорте жиров, жирных кислот и холестерина. Между плазмой и эритроцитами происходит обмен фосфолипидами, которые играют важнейшую роль, поддерживая в растворимом состоянии неполярные липиды. Будучи более гидрофильными, чем холестерин, благодаря наличию в молекуле остатков фосфорной кислоты, фосфолипиды являются своеобразными «растворителями» для холестерина и других высоко гидрофобных
соединений. Фосфолипиды замедляют синтез коллагена и повышают активность коллагеназы (фермента, разрушающего коллаген). Поскольку коллаген
определяет замещение эпителиальной ткани соединительной, фосфолипиды
оказывают противорубцовый эффект.
Фосфолипиды – поверхностно активные вещества, улучшающие хлебопекарные достоинства пшеничной муки. Фосфолипиды применяются в пищевой
промышленности в качестве эмульгаторов – веществ, способствующих образованию эмульсий.
Гликолипиды - сложные липиды, образующиеся в результате соединения липидов с углеводами. У гликолипидов имеются полярные «головы»
(углевод) и неполярные «хвосты» (остатки жирных кислот). Благодаря данному
свойству, вместе с фосфолипидами гликолипиды входят в состав клеточных
мембран.
Гликолипиды широко представлены в тканях, особенно в нервной, в частности в ткани мозга. Они локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в
число других углеводов клеточной поверхности.
К минорным липидам относятся свободные жирные кислоты, жирорастворимые витамины, биологически активные вещества липидной природы.
Стероиды – сложные жирорастворимые вещества, молекулы которых содержат четыре конденсированных кольца. Наиболее широко распространенными стероидами являются стеролы, то есть стероидные спирты. Основной стерол
в тканях животных – холестерол.
56
Дополнительная информация
Методы контроля показателей качества жиров [13]
Знания данных методов необходимы для выполнения практических работ
по дисциплине «Биохимия и биотехнологии».
Определение кислотного числа. Кислотное число (ЧК) – количество миллиграммов гидроксида калия, необходимое для нейтрализации свободных жирных
кислот, содержащихся в 1 грамме жира. Кислотное число масел и жиров является одним из качественных показателей, нормируется стандартами и нормативными документами, зависит от качества сырья, способа получения масла или
жира, условий их хранения и других факторов. Для определения количественного
содержания в жире свободных жирных кислот используют такой показатель как
число нейтрализации (ЧН). Число нейтрализации показывает количество миллиграммов гидроксида калия, необходимое для нейтрализации 1 грамма жирных кислот. Следовательно, число нейтрализации соответствует 100%-ому содержанию свободных жирных кислот, на основании чего можно составить отношение
Х=100Ч К /Ч Н ,
где X – содержание свободных жирных кислот в жире, %; ЧК – кислотное число
масла, мг КОН/г; ЧН – число нейтрализации жирных кислот, мг КОН/г.
Число нейтрализации индивидуальных жирных кислот – величина постоянная. Для растительных масел (подсолнечного, рапсового, соевого), являющихся наиболее распространенными в нашей стране, числа нейтрализации смеси кислот, входящих в их состав, практически можно считать одинаковыми и близкими к числу нейтрализации олеиновой кислоты – 198,75 мг КОН/г. Поэтому
содержание свободных жирных кислот в процентах (кислотность) в этих маслах в условном пересчете на олеиновую кислоту можно рассчитать по формуле
Х=100ЧК/198,75 = 0,503ЧК,
или, округленно, Х= 0,5 ЧК.
Если пересчет ведут не на олеиновую кислоту, а на какую-либо другую,
характерную для данного жира, то вводят другой коэффициент. В табл. 7 представлены коэффициенты пересчета для некоторых жиров и масел.
При определении кислотного числа нерафинированных масел, содержащих кроме свободных жирных кислот другие продукты кислого характера, например, фосфолипиды и другие, результат будет несколько выше, так как гидроксид калия дополнительно расходуется на взаимодействие с этими соединениями.
Методика определения кислотного числа масел и жиров стандартизирована и предусматривает использование различных методов определения в зависимости от степени очистки и цветности продуктов: индикаторный, солевой и
потенциометрический.
57
Таблица 7
Коэффициенты пересчета кислотного числа ЧК жира на процентное
содержание свободных жирных кислот (кислотность, в %)
Наименование
масла
Кокосовое, пальмоядровое
Пальмовое
Подсолнечное,
оливковое, соевое,
безэруковое рапсовое
Касторовое
Рапсовое, горчичное
(технические
сорта с эруковой
кислотой)
Кислота, на ко- Молекулярная
Коэффициент
торую произ- масса жирной кипересчета
водится расчет слоты
0,346
лауриновая
0,456
0,503
пальмитиновая
олеиновая
256
0,530
0,602
рицинолевая
эруковая
298
200
282
338
Индикаторный метод определения кислотного числа светлых масел. Метод основан на титровании пробы жира раствором гидроксида калия в присутствии индикатора фенолфталеина. В качестве растворителя для жира применяют
смесь этанола с диэтиловым эфиром. Введение спирта при определении кислотного числа обусловлено необходимостью обеспечить растворимость образующихся солей высших карбоновых кислот (мыла) в реакционной среде, которые
образуются по реакции: RCOOH+KOH → RCOOK+H2O.
При отсутствии спирта мыло не растворяется ни в диэтиловом эфире, ни в
бензоле и выпадает в осадок, что затрудняет правильное определение конца реакции; кроме этого, в более полярной спиртосодержащей среде подавляется реакция гидролиза мыла: RCOOK+H2O → RCOOH+KOH.
Как видно, в результате реакции появляется свободный гидроксид калия,
что способствует преждевременному изменению окраски индикатора при наличии свободных жирных кислот. Поэтому значение показателя кислотного числа
будет заниженным. Установлено что если в реакционной среде содержится менее 20% воды, гидролиз мыла практически отсутствует.
Техника выполнения заключается в нижеследующем. На лабораторных весах
отвешивают 3-5 г жира в коническую колбу, приливают 50 мл заранее приготовленной нейтральной смеси диэтилового эфира и 96%-ого этанола (2:1) и взбалтывают. Если при этом масло не растворяется, содержимое нагревают на водяной
бане, далее охлаждают до температуры 15-20 °С и добавляют несколько капель
фенолфталеина. Полученный раствор при постоянном перемешивании титруют
58
из бюретки спиртовым раствором гидроксида калия концентрацией 0,1 моль/л
до слабо-розовой окраски, устойчивой в течение 30 с.
Микробюретку вместимостью 5 мл используют при кислотном числе масла
менее 2 мг КОН/г. Кислотное число (ЧК в мг КОН на 1 г масла) вычисляют по
формуле:
ЧК=5,611аК/m,
где 5,611 – титр 0,1 моль/л раствора гидроксида калия, мг/мл; а – объем 0,1 моль/л
раствора гидроксида калия, израсходованный на титрование, мл; К – поправка к титру;
m – масса исследуемого масла, г.
Вычисления проводят с точностью до второго знака после запятой, с последующим округлением результата до первого знака. Допускаемые расхождения между двумя параллельными определениями для рафинированных масел с
ЧК=0,1-0,5 мг КОН/г составляет не более 0,05 мг КОН/г; для нерафинированных
масел с ЧК до 6 мг КОН/г – 5 %.
Определение числа омыления. Число омыления (ЧО) – количество миллиграммов гидроксида калия, необходимое для омыления триглицеридов (связанных жирных кислот) и свободных жирных кислот, входящих в состав 1 г исследуемого жира. Число омыления – достаточно стабильный показатель, который
колеблется для одного и того же вида масла или жира в узких пределах. Число
омыления зависит от состава масел и жиров. С увеличением молекулярной
массы ацилов жирных кислот оно уменьшается. Чем больше в маслах моно- и
диацилглицеридов, тем ниже этот показатель. Так, для восков ЧО значительно
ниже, чем для триглицеридов.
Метод определения основан на обработке жира установленным количеством
0,5 моль/л раствора гидроксида калия до полного омыления триглицеридов и
жирных кислот, избыток гидроксида калия титруется кислотой. Для обеспечения полноты омыления и подавления гидролиза образующихся солей (мыла) реакцию с гидроксидом калия проводят в спиртовом растворе, преимущественно
в этаноле. При этом достигается полная гомогенизация реагирующих веществ.
Это объясняется тем, что триглицериды при нагревании с раствором гидроксида
калия в этаноле вступают с ним в реакцию алкоголиза:
O
O
R3
C
H2C
O
O
C
+ 3 C2H5OH
O
C
C
R3
O
C
R2
O
C
R1
CH
H2C
R1
R2
O
O
59
OC2H5
H2C
OH
OC2H5+ HC
OH
H2C
OH
OC2H5
В результате образуются этиловые эфиры жирных кислот, которые хорошо растворяются в спирте и в дальнейшем легко и полностью омыляются гидроксидом калия по реакции
RC(O)OCH2CH3 + КОН →RCOOK + СН3СН2ОН.
Ниже приведена суммарная реакция омыления триглицерида гидроксидом калия:
O
O
R3
C
H2C
O
O
C
+ 3 KOH
O
C
C
R3
O
C
R2
O
C
R1
CH
H2C
R1
R2
O
OK
OK
H2C
OH
+ HC
OH
H2C
OH
OK
O
Для полного омыления навески жира избыток гидроксида калия должен
быть не менее 100 % и время омыления – не менее 1 ч.
При определении числа омыления восков предусматривается предварительное растворение их при нагревании в ксилоле или бензине (температура
кипения 100 °С). В дальнейшем поступают, так же как при анализе масла, увеличивая время омыления до 2 ч.
Техника выполнения заключается в следующем. На лабораторных весах в
колбе взвешивают 1,0-1,5 г исследуемого жира с точностью ±0,0005 г, приливают из бюретки 25 мл спиртового раствора гидроксида калия концентрацией
0,5 моль/л, присоединяют обратный холодильник и омыляют на водяной бане в
течение 1 ч при температуре 80 оС. После окончания омыления содержимое
колбы должно представлять собой однородный и прозрачный раствор. Одновременно в тех же условиях в другой колбе кипятят в течение 1 ч 25 мл спиртового раствора гидроксида калия концентрацией 0,5 моль/л без навески жира. Это
холостая проба. Затем титруют в горячем состоянии содержимое обеих колб раствором соляной кислоты концентрацией 0,5 моль/л. При титровании исследуемой пробы нейтрализуется избыточный гидроксид калия, не использованный
при реакции омыления жира.
В случае омыления светлых жиров и масел при титровании применяют в
качестве индикатора фенолфталеин, при омылении темных масел тимолфталеин.
Рекомендуется титровать еще не остывший мыльный раствор, так как
спиртовой раствор гидроксида калия постепенно насыщается из воздуха диоксидом углерода, образуя карбонат и бикарбонат. Карбонат при титровании кислотой нейтрализуется до бикарбоната, который в таких условиях не оттитровывается. Это вносит ошибку в определение.
60
Расчет ЧО в миллиграммах КОН на 1 грамм жира ведут по формуле
ЧО=(а-б)28,05К/m,
где а – объем раствора соляной кислоты концентрацией 0,5 моль/л, израсходованный на титрование раствора гидроксида калия в холостой пробе, мл; б –
объем раствора соляной кислоты концентрацией 0,5 моль/л, израсходованный
на титрование свободного гидроксида калия, оставшегося после омыления в исследуемой пробе, мл; m – масса исследуемого жира, г; 28,05 – титр 0,5 моль/л
раствора соляной кислоты по гидроксиду калия, мг/мл; К – поправка к титру
соляной кислоты.
Вычисления проводят до первого десятичного знака и округляют до целого числа. Относительное значение допускаемых расхождений между двумя параллельными определениями должно быть не более 3 % среднеарифметического.
На основании числа омыления выполняют ряд расчетов. Например, определяют количество раствора гидроксида натрия, необходимого для омыления
жира Х (в г, кг):
Х=(40ЧО·100/56,11·СЩ)·mЖ,
где mЖ – масса омыляемого жира (г, кг); 40 – молекулярная масса гидроксида натрия, г/моль; 56,11 – молекулярная масса гидроксида калия, г/моль;
СЩ – заданная концентрация раствора NaOH, %.
Определение йодного числа. Йодное число (ЧЙ) каждого жира колеблется в определенных пределах и является одним из важнейших показателей
масел и жиров, который характеризует степень непредельности жира, способность его к окислению, высыханию, присоединению водорода и т.д. При действии галогена на каждую двойную связь расходуется одна его молекула по реакции
Сам йод присоединяется медленно, некоторое количество йода находит-
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH + X2
CH3(CH2)7CHX-CHX(CH2)7COOH
ся в равновесии даже в присутствии большого избытка двойных связей. Создав определенные условия, можно добиться количественного насыщения непредельных связей в жире или в жирной кислоте. В лабораторной практике для
насыщения двойных связей используют обычно бром или соединения галогенов
друг с другом: хлорйод (C1I) или бромйод (BrI). Эти соединения ведут себя более активно, чем йод, и не так активны, как чистый хлор или бром. Степень
присоединения галогенов к двойным связям жирных кислот зависит от положения их в углеродной цепи: чем ближе связь находится к карбоксильной группе,
тем меньше степень насыщения.
Йодное число изменяется в зависимости от длины углеродной цепи жирных кислот и, следовательно, от их молекулярной массы. С увеличением моле-
61
кулярной массы йодное число уменьшается при одном и том же числе двойных
связей. С увеличением количества двойных связей в ненасыщенных жирных кислотах йодное число возрастает. При наличии в молекулах жирных кислот нескольких изолированных двойных связей они насыщаются галогеном последовательно, причем в первую очередь реагируют наиболее удаленные от карбоксильной группы. Продолжительность полного насыщения кислот с увеличением
числа двойных связей возрастает.
Насыщение жирных кислот с сопряженными двойными связями идет не
полностью, и определяемое йодное число ниже теоретического; йодные числа таких кислот определяют специальными методами, обеспечивающими присоединение галогена ко всем сопряженным связям. В основном это методы Гюбля,
Гануса и Кауфмана. Для жиров, ацилы которых содержат сопряженные двойные связи, применяются методы Вобурна и Маргошеса. Стандартизированными
являются методы Кауфмана, Гюбля и Висса (Wiss). Эти методы основаны на использовании одного из указанных галогенов или их соединений, обеспечивающих полное насыщение непредельных связей.
При определении йодного числа для предотвращения побочной реакции
замещения водорода в метиленовых и метильных группах предусматривается
точное соблюдение подобранных условий. Для количественного насыщения
двойных связей необходим 100%-й избыток галогена, строгое соблюдение времени реакции насыщения двойных связей, проведение реакции в темноте в
колбах с пришлифованными пробками. Избыток галогена закладывается в зависимости от ожидаемого йодного числа, такой прием позволяет обеспечить получение сопоставимых результатов. Неприсоединившийся избыток галогена оттитровывают тиосульфатом натрия Na2S2O3. Предварительно в реакционную среду
вводят раствор йодида калия и воды, что приводит к выделению эквивалентного
количества йода избыточным количеством галогена.
При этом протекают реакции
C1I + KI → КС1 + I2,
I2 + 2Na2S2O3→2NaJ + Na2S4O6.
Определение желательно продублировать.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
Какие органические вещества называются липидами?
Дайте характеристику функциям липидов.
Охарактеризуйте классификацию липидов?
Что служит показателем насыщенности жиров? Как его определить?
Чем жиры животного происхождения отличаются от жиров растительного происхождения?
62
1.9. Витамины – незаменимые микрокомпоненты пищи
Витамины - низкомолекулярные органические соединения различной
химической природы, выполняющие важнейшие биохимические и физиологические функции. Основоположник учения о витаминах - Н.И. Лунин [6].
Витамины - незаменимые органические микрокомпоненты пищи. Поскольку суточная потребность человека в витаминах составляет лишь незначительные их количества (порядка миллиграммов или даже микрограммов), витамины можно назвать микрокомпонентами пищи. В отличие от них макрокомпоненты - углеводы, белки и жиры - должны входить в пищевой рацион человека в больших количествах, так как суточная потребность в них исчисляется
сотнями или по меньшей мере десятками граммов. Это объясняется тем, что основные пищевые вещества используются в организме в качестве источников
энергии и сырья для получения органических предшественников многих клеточных компонентов, а также для того, чтобы обеспечить аминокислотами биосинтез белков. Витамины же, напротив, нужны лишь в малых количествах, потому что они играют роль катализаторов в различных химических превращениях макрокомпонентов пищи - превращениях, которые в совокупности называются обменом веществ, или метаболизмом. Подобно ферментам, витамины
присутствуют в тканях в очень низких концентрациях.
В настоящее время известно 13 различных витаминов, которые вместе с
основными питательными веществами - углеводами, жирами и белками должны содержаться в пищевом рационе людей и животных многих видов, чтобы
обеспечить нормальный рост и жизнедеятельность организма. Термин «витамин» впервые был использован для обозначения специфического микрокомпонента пищи органической природы, предотвращающего обусловленную неполноценным питанием болезнь бери-бери, распространенную когда-то в странах,
население которых употребляло в пищу много риса. Поскольку этот микрокомпонент обладал свойствами амина, Казимир Функ, польский биохимик, первым
получивший это вещество в чистом виде, назвал его «витамин», что в переводе
означает «необходимый для жизни амин». В дальнейшем, когда были открыты
многие другие незаменимые органические микрокомпоненты, оказалось, что
далеко не все они представляют собой амины [3].
Почти все известные витамины присутствуют в клетках всех животных и
большинства растений и микроорганизмов, выполняя в них одни и те же важные биохимические функции. Однако не все эти витамины должны обязательно
содержаться в пищевом рационе всех видов животных. Например, хотя витамин С должен присутствовать в пище людей, обезьян, морских свинок, большинство остальных животных не нуждается в том, чтобы получать его с пищей,
так как у них есть ферменты, которые обеспечивают синтез витамина С из такого простого предшественника, как глюкоза. Таким образом, в настоящее время термин витамин применяется в общем смысле для обозначения группы органических веществ, присутствующих в клетках в очень небольших количест-
63
вах и участвующих в их нормальной жизнедеятельности. При этом некоторые
организмы не способны синтезировать те или иные витамины и потому должны
получать их из внешних источников.
Простейшая классификация витаминов основана на их физикохимических свойствах, в частности, на растворимости. По этому признаку витамины делят на две группы: а) витамины, растворимые в воде (водорастворимые); б) витамины, растворимые в жирах и органических растворителях (жирорастворимые).
К водорастворимым витаминам относятся:
1)
витамин В1 (тиамин),
2)
витамин В2 (рибофлавин),
3)
витамин В3 (пантотеновая кислота),
4)
витамин В5 (никотиновая кислота),
5)
витамин В6 (пиридоксин),
6)
витамин В12 (цианкобальтамин),
7)
витамин В15 (пангамовая кислота),
8)
витамин Вс (фолиевая кислота),
9)
витамин С (аскорбиновая кислота).
К жирорастворимым витаминам относятся:
1)
витамины А (ретинол),
2)
витамины группы D (эргокальциферол),
3)
витамины группы Е (токоферолы),
4)
витамины группы К (филлохинон, метахинон).
Кроме того, выделяют группу витаминоподобных веществ – холин, инозит, пангамовая, липоевая, парааминобензойная кислоты.
Для открытия и обнаружения витаминов в пищевых продуктах или других биологических объектах обычно пользуются качественными реакциями,
основанными на образовании характерной цветной реакции какого-либо витамина с соответствующим химическим реактивом.
Водорастворимые витамины
Необходимость для здоровья и жизни особых веществ доказал в 1881 г.
русский врач Николай Иванович Лунин (1853-1937). Он длительное время кормил мышей смесью выделенных из молока чистых белков, жиров и углеводов с
добавлением минеральных солей и воды. Мыши в конце концов заболевали и
погибали, в то время как животные, получавшие цельное молоко, нормально
развивались. Лунин пришел к заключению, что для поддержания нормального
физиологического состояния организма необходимы какие-то неизвестные вещества, содержащиеся в молоке и отсутствующие в искусственной пищевой
смеси.
Дело Лунина продолжил польский ученый Казимир Функ, который в
1912 г. получил в чистом виде из рисовых отрубей вещество (тиамин), излечивающее от бери-бери, и назвал его витамином (от лат. vita - жизнь). С тех пор
64
было открыто более 30 витаминов, а сам термин «витамины» получил широкое
распространение и упрочился в науке. Функ впервые использовал и термин
«авитаминоз».
Витамины группы В – водорастворимые органические соединения,
имеющие некоторое сходство в свойствах, распределении в природных источниках и физиологическом действии. В ходе изучения витаминов оказалось, что
витамин В в действительности является группой из 15 разных веществ, которые
были обозначены следующим образом: В1, В2, В3, В4, В5, B6 и так далее. Некоторые из них имеют значение лишь для некоторых животных, но практически
не существенны для человека. Витамины группы В играют чрезвычайно важную роль в обмене веществ. Они участвуют в необходимых для синтеза энергии
реакциях окисления питательных веществ.
Витамин В1, или тиамин, входит в состав кофермента кокарбоксилазы и
таким образом участвует в процессах обмена углеводов, белков и жиров. При
авитаминозе развивается заболевание бери-бери, при котором поражаются
нервная и сердечнососудистая системы. Суточная потребность в витамине
1,4-2,4 мг. Основные источники тиамина: дрожжи, рисовые и мучные отруби,
орехи, гречиха, соя, ржаная мука, яичный желток, свинина.
Витамин В3 – пантотеновая кислота, антидерматитный. В природе в свободном виде встречается в редких случаях. Обычно является составной частью
кофермента А, играет важную роль в углеводном и жировом обмене.
Наиболее богаты пантотеновой кислотой следующие продукты: печень,
почки, яичный желток, молоко, рыба, горох, дрожжи, свежие фрукты, капуста,
картофель. Витамин В3 синтезируется микрофлорой кишечника.
Недостаток его вызывает задержку роста, поражения кожи, нарушение
деятельности нервной системы и желудочно-кишечного тракта. Является фактором роста некоторых молочнокислых бактерий. Суточная потребность: 10 мг.
Витамин B6 не способен накапливаться в организме и должен равномерно поступать с пищей. Витамин В6, или пиридоксин, в организме превращается
в кофермент пиридоксальфосфат, участвующий в реакциях синтеза и расщепления аминокислот. В6 содержится в большинстве продуктов питания, основные его источники: мясо, яичные желтки, рыба, молоко, овощи, зерновые. Кроме того, он синтезируется микрофлорой кишечника. Суточная потребность в
витамине В6 невелика: 1,6-1,8 мг, поэтому его дефицит в организме возникает
крайне редко, главным образом при нарушениях процессов всасывания в желудочно-кишечном тракте при дисбактериозе. При авитаминозе могут развиваться судороги и анемия.
Витамин B5 или никотиновая кислота, как составная часть коферментов НАД и НАДФ участвует во многих окислительных реакциях в живых клетках. Другое название – РР, или «противопеллагрин», - этот витамин получил
потому, что при авитаминозе развивается заболевание кожи - пеллагра. Основные источники витамина В5 - зерно (кроме кукурузы), дрожжи, говядина, лосось, сельдь. Суточная потребность человека: 9-15 мг.
65
Витамин В12, или цианкобаламин, участвует в метаболизме нуклеиновых
кислот и биосинтезе метионина, влияет на углеводный и жировой обмен. При
авитаминозе В12 развивается пернициозная (злокачественная) анемия. Суточная
потребность в витамине В12: 2-5 мкг. В растительной пище он отсутствует. Основные его источники - печень и мясо. На кроветворение влияет также фолиевая кислота (витамин В9), которая участвует в синтезе нуклеиновых кислот.
Оба эти витамина синтезируются микрофлорой кишечника, и их недостаток
может развиваться вследствие нарушения всасывания в желудочно-кишечном
тракте и при дисбактериозе. Суточная потребность в фолиевой кислоте: 0,2-0,4
мг. Основные источники: зеленые овощи, зерновые, дрожжи, печень, мясо, молоко, яйца.
В состав дыхательных ферментов флавопротеидов входит витамин В2,
или рибофлавин. Он важен для роста и развития, особенно плода и ребенка. Рибофлавин в больших количествах содержится в дрожжах, отрубях и зерновых
злаках, шпинате, яйцах, печени. Суточная потребность: 2-3 мг.
Витамин С, или аскорбиновая кислота, участвует в окислительно-восстановительных процессах клеточного дыхания. Второе название этого вещества означает «антискорбутный» витамин, так как именно это вещество оказалось
способным излечивать моряков от страшного заболевания – цинги, или скорбута. Витамин С необходим для нормального обмена веществ, повышает сопротивляемость организма инфекционным заболеваниям и стрессам. Многие животные умеют сами синтезировать витамин С, однако человек и обезьяны
должны получать его с пищей. Большое количество витамина С содержится в
свежих овощах и фруктах: лимонах, плодах шиповника, красном перце, черной
смородине, зеленом луке. В период кормления ребенка грудью молоко матери
полностью обеспечивает его витамином С. Следует помнить, что витамин С
разрушается при длительном кипячении. Суточная потребность составляет
75–100 мг, однако при инфекционных заболеваниях, болезнях органов дыхания
необходимы суточные дозы выше 150 мг.
Жирорастворимые витамины
Благодаря относительно низкой полярности витамины A, D, Е и К в
больших количествах содержатся в жиросодержащих продуктах, таких как яйца, молоко, сливочное и растительное масло, печень. Некоторые из них образуются в организме из провитаминов, а при избыточном поступлении могут накапливаться в организме и приводить к гипервитаминозам.
К жирорастворимым витаминам относятся витамины A, D, Е, К. Иногда к
ним причисляют незаменимые жирные кислоты — так называемый витамин F.
Жирорастворимые витамины участвуют во многих биологических процессах,
но не играют (кроме витамина К) роль коферментов.
Витамин А. Еще в Древнем Египте была известна болезнь «куриная слепота» (гемералопия) - ослабление зрения в сумерки. Спустя 1000 лет Гиппократ
66
советовал лечить эту болезнь бычьей печенью с медом. В 1931 г. швейцарский
химик П. Каррер и шведский биохимик X. Эйлер-Хельпин установили формулу
витамина А. Этот витамин образуется в организме из желтого растительного
пигмента - бета-каротина, который является провитамином. Поэтому полезно
включать в рацион питания желтые, оранжевые и красные фрукты и овощи.
Витамин А необходим для нормального функционирования эпителиальных тканей (в том числе слизистых оболочек), а также нервной и костной тканей. При
его недостатке тормозится рост (отсюда «витамин роста»), развивается ксерофтальмия - сухость глаз. Витамин А крайне важен для зрения, так как входит в
состав зрительного пигмента родопсина. Благодаря своей роли в деятельности
сетчатки витамин А получил название «ретинол» (от лат. retina - сетчатка). Основные источники витамина А: рыбий жир, печень, сливочное масло, яичный
желток, молоко. Богаты каротином морковь, томаты, красный перец, желтая
репа, шпинат и др. Особенно важен ретинол для новорожденных и беременных
(до 3 мг в сутки). Суточная потребность в витамине А взрослых невелика: 1-1,5
мг и покрывается за счет растительной пищи. При избыточном потреблении витамин способен скапливаться в печени в количестве, обеспечивающем потребности организма в течение 2 лет.
Витамин D. Заболевание детей рахитом известно с древности (впервые
описано в литературе в 1650 г.), с конца XIII в. известно, что его можно лечить
жиром из печени рыб. Витамин D - это группа сходных по структуре веществ
(D2, D3, ...D7), получивших общее названа кальциферолы. Кальциферолы образуется из полициклических спиртов - стеринов и по химической структуре родственны стероидным гормонам. Важнейшие из них – эргокальциферол (витамин D2) и холекальциферол (витамин D3). Холекальциферол образуется в коже
человека из промежуточного продукта биосинтеза холестерина - провитамина 7
- дегидрохолестерина.
Биохимическая функция витамина D поддерживает фосфорнокальциевый обмен. Нормальное соотношение фосфора и кальция должно быть
2:1, при другом соотношении развивается рахит.
Недостаток этого витамина приводит к нарушению у человека кальциевого и фосфорного обмена. Кости становится мягкими и пластичными, что
приводит к их деформации, у детей развивается рахит, проявляющийся в искривлении ног и грудной клетки, а у взрослых – кариес зубов, появляются боли
в костях, хромота, утиная походка, вялость, утомляемость, возникают частые
переломы, трудно заживающие.
Витамин D содержится в яичном желтке, рыбьем жире, печени рыб, коровьем масле, сметане. У человека он синтезируется в подкожной клетчатке
под действием УФ-лучей.
Суточная потребность в витамине D для детей колеблется от 12 до 25
мкг, для взрослого – 10 мкг. При достаточном и регулярном действии
УФ-лучей организм человека почти полностью обеспечивается витамином D за
счет фотохимического синтеза в коже.
67
Витамин Е (токофеорол с греч. «токос» - потомство, «феро» - нести) –
антиоксидант, существует в виде четырех изомеров: (α-, β-, γ- и δтокоферолов).
Биохимическая функция участвует в обмене белков, углеводов, жиров, а
также некоторых микроэлементов (цинка, кобальта, кальция и др.). Витамин Е
– сильный биологический антиокислитель. Его используют как антиокислитель
для предотвращения окисления и прогоркания растительных масел.
Недостаток витамина Е вызывает серьезные нарушения обмена веществ.
Гиповитаминоз проявляется в мышечной слабости и гипотонии вплоть до мышечной дистрофии; возникают бесплодие, некроз печени, склонности к самопроизвольным абортам.
Витамин Е содержится в растительных маслах, салате, капусте, в зародышах зерновых, в ядрах, семенах плодов шиповника и яблок. Суточная потребность взрослого человека в витамине Е – 10-25 мг.
Витамин К антигеморрагический, принимает участие в активации ферментов, отвечающих за свертывание крови. Он представляет собой вязкую желтую жидкость; неустойчив к воздействию кислот, растворов щелочей, кислорода и УФ-лучей.
Недостаточность витамина К сопровождается кровотечением десен, носа,
в желудочно-кишечном тракте, подкожном кровоизлиянии (плохое свертывание крови). Человек редко испытывает недостаток в этом витамине, т.к. он синтезируется микрофлорой кишечника.
Находится в листьях люцерны, в гниющих рыбных продуктах. Из пищевых продуктов витамином К богаты шпинат (0,04 мг/г сухой массы), цветная и
белокочанная капуста (0,01-0,03 мг/г), томаты (0,004-0,006 мг/г). У животных
содержится только в печени свиньи.
Суточная потребность взрослого человека в этом витамине составляет
0,2-0,3 мг.
Авитаминозы
Авитаминоз - это патологическое состояние, обусловленное недостатком
витминов в организме, которое может развиться как вследствие полного отсутствия витаминов в пище, недостаточного поступления или неспособности организма усваивать их, так и в результате быстрого разрушения и выведения витаминов [13].
Для более точного определения витаминной недостаточности к слову
«авитаминозы» добавляют обозначение витаминов, например авитаминозы А,
В1, С, D, Е, К, РР и др. При частичной недостаточности или повышенной потребности в витаминах наблюдаются функциональные расстройства в сглаженных формах – гиповитаминозы. При недостаточности одного витамина развивается моноавитаминоз или моногиповитаминоз; чаще встречается одновременная недостаточность нескольких витаминов – полиавитаминоз или полигиповитаминоз.
68
Гипервитаминоз - острое расстройство в результате интоксикации
сверхвысокой дозой одного или нескольких витаминов (содержащихся в пище
или витаминсодержащих лекарствах). Чаще всего гипервитаминозы вызываются приёмом резко повышенных доз витаминов А и D. Лечение производится
отменой приёма витаминов, обильным питьём.
Для нормальной жизнедеятельности необходим определенный качественный и количественный набор витаминов, которые поступают в организм с
пищей или синтезируются бактериями кишечника. Различают экзогенную и эндогенную недостаточность. Экзогенная, или алиментарная (от лат. alimentum пища, питание), связана с малым содержанием или отсутствием витаминов в
пище. Чаще всего эта форма обусловлена неправильным хранением продуктов
и грубыми нарушениями правил кулинарной обработки пищи, что приводит к
разрушению большей части витаминов. Нарушения витаминного обмена в этом
случае обратимы: они устраняются витаминизацией пищи.
Эндогенные гиповитаминозы обусловлены несколькими причинами. Среди них заболевания, приводящие к повышенному разрушению витаминов в желудочно-кишечном тракте, нарушению их всасывания, подавлению их синтеза
в кишечнике. Это наблюдается при гельминтозах, некоторых заболеваниях печени, а также длительном применении лекарственных препаратов, являющихся
антивитаминами: сульфаниламидов, некоторых антибиотиков и др. Вторая ‒
нарушение внутреннего обмена между витаминами и продуктами расщепления
белков, жиров и углеводов, приводящее к повышенной потребности организма
в витаминах, например при инфекциях и токсикозах. Эта регуляция достаточно
тонкая и взаимосвязанная. Если с пищей поступает мало белка, витамины плохо усваиваются организмом. Если белка много - тоже нехорошо, так как для его
расщепления требуется много витамина B6, играющего большую роль в регуляции обмена аминокислот. При большом содержании жира в пище снижается
синтез витамина В2 в тонком кишечнике. При употреблении большого количества углеводов необходимо большое количество витамина В1.
Между витаминами наблюдаются тесная взаимосвязь и условный антагонизм (противостояние). Избыток витамина В6 вызывает активное выделение с
мочой не только его, но и витаминов B1 и В2. Взаимодействие витаминов проявляется лишь при их оптимальном сочетании. Например, если нарушен обмен
или недостаточно поступление витамина А, то в организме будет недостаток не
только этого витамина, но и витаминов Е, С, В12 и фолиевой кислоты. Так как
устойчивость и приспособительные возможности организма человека довольно
велики, авитаминозы и гиповитаминозы развиваются постепенно, поэтому клинические признаки выявляются не сразу.
Симптомы и лечение витаминной недостаточности зависят от того, какого витамина не хватает организму. Авитаминоз В1 вызывает заболевание, получившее название болезнь «бери-бери», проявляющуюся во множественном
воспалении нервов –полиневрите. Оно выражается в прогрессирующем разрушении нервных окончаний и проводящих пучков, следствием чего являются
69
потеря кожной и мышечной чувствительности, нарушения деятельности сердца
и нормальной моторики желудочно-кишечного тракта; в конце концов наступает паралич и смерть. При авитаминозе В1 в больших количествах образуется
продукт неполного распада углеводов – пировиноградная кислота, являющаяся
сильным ядом для нервов. По этой причине ощущаются боли в утомленных
мышцах. Витамин В1 назначают также при язвенной болезни, гастритах, профессиональных интоксикациях, заболеваниях печени, сердца, спазмах сосудов,
диабете. В отсутствие витамина В2 (рибофлавина) поражаются глаза, слизистая
рта, останавливается рост, выпадают волосы, нарушается синтез гемоглобина.
Витамин В2 используют при экземе, плохо заживающих ранах и трофических
язвах, заболеваниях пищеварительного тракта и др.
При недостаточности витамина В3 возникает слабость, головокружение,
быстрая утомляемость, расстройство движений и обмена. Витамин В3 (пантотеновая кислота) назначают при полиневритах, при кишечной атонии, бронхитах,
бронхопневмониях, аллергических заболеваниях и пр.
При авитаминозах В6 и В12 ослабевает кроветворная функция, развивается анемия. Витамин В6 (пиридоксин) широко распространен в различных продуктах, и обычно В6-авитаминоз не наблюдается.
Применяют его при заболеваниях нервной системы, пищеварительного
тракта, кожных болезнях. Витамин В12 (цианкобаламин), так же как Вс (фолиевая кислота), оказывает лечебное действие при различных анемиях, лучевой
болезни, заболеваниях нервной системы.
При авитаминозе А нарушается темновая адаптация возникает так называемая «куриная слепота», развивается сухость конъюнктивы. Также наблюдаются шелушение и бледность кожи, ороговение волосяных фолликулов; атрофия потовых и сальных желез, склонность к гнойничковым заболеваниям кожи,
инфекционным поражениям систем дыхания, мочеотделения, пищеварительного тракта, общее недомогание, слабость. У детей - задержка роста и развития, неврологические нарушения, снижается иммунитет.
Авитаминоз D приводит к расстройству фосфорно-кальциевого обмена.
Развиваются утомляемость, боль в области костей, в мышцах, нарушения чувствительности кожи, также прогрессирует кариес. У детей – рахит.
Авитаминоз С приводит к цинге, которая развивается в течение 3-6 месяцев. Наблюдаются потеря веса и аппетита, слабость, анемия, рыхлость десен,
расшатывание зубов, кровоточивость слизистых оболочек и подкожные кровоизлияния, желудочно-кишечные расстройства, отечность и напряженность икроножных мышц. Часто отмечается слабая лихорадка, появление крови в моче,
отеки в области голеностопных суставов и одышка. Падает сопротивляемость
инфекциям. Предотвратить развитие авитаминоза можно грамотным питанием.
Нельзя питаться одной картошкой и макаронами. Без жиров и белка невозможно нормальное функционирование организма высших млекопитающих. Энергетическая ценность равнозначного количества мяса в 10 раз выше, чем растительной пищи, а усваивается оно легче. Витамины в легко усваиваемой форме
70
содержатся во фруктах и овощах. Полезны также домашние заготовки: варенье,
компоты, квашеная капуста. Много витаминов содержат растительные масла.
Кроме того, в них имеются незаменимые аминокислоты.
Витаминоподобные вещества
Витаминоподобные вещества близки к обычным витаминам и необходимы организму в сравнительно малых количествах. Несмотря на это, они обладают достаточно сильным воздействием на организм человека - усиливают действие основных витаминов и микроэлементов. Их основное отличие от классических витаминов состоит в том, что недостаток витаминоподобных веществ не
приводит к патологическим изменениям организма, как это происходит при нехватке микро- и макроэлементов [6]. Витаминоподобные вещества безвредны и
обладают низкой токсичностью. В натуральных продуктах питания витаминоподобные вещества содержатся в достаточном количестве, но, тем не менее, изза низкого качества продуктов в настоящее время многие испытывают их дефицит. Поэтому их часто можно встретить во многих биологически активных добавках.
Инозитол - шестиатомный спирт циклогексана. Несмотря на сходство с
сахаридами, инозитол по химической природе не является углеводом, он практически безвкусный, слегка сладкий. Инозитол называли витамином В8, однако
было доказано, что около 3/4 суточной потребности инозитола вырабатывается
самим организмом, поэтому инозитол относят к витаминоподобным веществам.
Норма потребления 500 мг в сутки. Инозитол особенно хорошо усваивается в
сочетании с витамином E. Содержится в дынях, капусте, моркови, картофеле,
свекле, помидорах, клубнике, особенно много в проросшей пшенице [14].
Контрольные вопросы
1. Дайте определение витаминам.
2. На какие две группы можно классифицировать витамины?
3. Приведите пример водорастворимого витамина и дайте его характеристику.
4. Приведите пример жирорастворимого витамина и дайте его характеристику.
5. Что такое авитаминоз?
71
2. БИОХИМИИ ЧЕЛОВЕКА
После того как мы рассмотрели основные биомолекулы и их участие в
метаболических процессах в организме человека, остановимся на том, как этот
сложно устроенный организм обеспечивает нормальное протекание метаболических процессов путем усвоения питательных веществ.
2.1. Питание человека
Формирование современных научных представлений о питании человека
можно считать одним из важнейших достижений биохимии, поскольку они послужили спасению огромного числа человеческих жизней. Еще не так давно такие болезни, как пеллагра, бери-бери и рахит, были широко распространены во
многих странах. Сейчас этих болезней уже нет, и мы знаем, как полностью исключить возможность их появления. Вместе с тем хорошо известно, что в настоящее время примерно одной восьмой части населения земного шара пищи
не хватает.
Парадоксально, что при этом многие в большинстве развитых стран страдают из-за неправильного питания, обусловленного не недостатком пищи, а перееданием и несбалансированностью диеты. Одна из наиболее важных задач
биохимии заключается в предоставлении людям достоверной, научно обоснованной информации о питании, которая рассеяла бы иррациональные народные
поверья и объяснила бы порочность извращений и шарлатанства в этой области
[14].
Все жизненные процессы в организме человека находятся в большой зависимости от того, из чего составляется его питание с первых дней жизни, а
также от режима питания. Всякий живой организм в процессе жизнедеятельности непрерывно тратит входящие в его состав вещества. Значительная часть
этих веществ «сжигается» (окисляется) в организме, в результате чего освобождается энергия. Эту энергию организм использует для поддержания постоянной температуры тела, для обеспечения нормальной деятельности внутренних
органов (сердца, дыхательного аппарата, органов кровообращения, нервной
системы и т.д.) и особенно для выполнения физической работы. Кроме того, в
организме постоянно протекают созидательные, так называемые пластичные
процессы, связанные с формированием новых клеток и тканей. Для поддержания жизни необходимо, чтобы все эти траты организма полностью возмещались. Источником такого возмещения являются вещества, поступающие с пищей. Полноценный рацион должен содержать пять основных компонентов: источники энергии, незаменимые аминокислоты, витамины, незаменимые жирные кислоты, неорганические элементы, причем вещества каждого из них играют особую роль (см. табл. 8).
72
Таблица 8
Питательные вещества, необходимые человеку*
Источники
энергии
Незаменимые
аминокислоты
Углеводы
Аргинин (для
взрослых)
Витамины
Тиамин
Незаменимые
Неорганические
жирные
элементы
кислоты
Линолевая
Мышьяк
кислота
Жиры
Гистидин
Рибофлавин
Белки
Изолейцин
Никотинамид
Хлор
Лейцин
Пиридоксин
Хром
Лизин
Пантотеновая
кислота
Медь
Метионин
Фтор
Фенилаланин
Фолиевая кислота
Биотин
Треонин
Витамин В12
Железо
Триптофан
Аскорбиновая
кислота
Витамины A,
D, Е, К
Валин
Линоленовая
кислота
Кальций
Иод
Магний
Марганец
Никель
Молибден
Фосфор
Калий
Селен
Кремний
Натрий
Олово
Ванадий
Цинк
*Вода, хотя и не является питательным веществом в прямом смысле слова, конечно,
также необходима человеку для восполнения потерь, обусловленных потоотделением, дыханием и мочеиспусканием.
73
Потребность как в общем количестве пищи, так и в отдельных пищевых
веществах зависит у детей в первую очередь от возраста, а у взрослых - от вида
труда и условий жизни. Чтобы полнее удовлетворить эту потребность организма, необходимо знать, какое количество энергии расходуется им в сутки. Установлено, что образующаяся в организме энергия в конечном итоге выделяется в
виде тепла. Поэтому по количеству освобождаемого в организме тепла можно
определять и его энергетические затраты.
Роль углеводов в питании. Углеводы являются наиболее распространенными питательными веществами; в результате их окисления в организме человека образуется основная часть энергии. Они служат также предшественниками в биосинтезе многих компонентов клеток.
Источниками углеводов в питании служат главным образом продукты
растительного происхождения - хлеб, крупы, картофель, овощи, фрукты, ягоды.
Из продуктов животного происхождения углеводы содержаться в молоке (молочный сахар). Пищевые продукты содержат различные углеводы. Крупы, картофель содержат крахмал - сложное вещество (сложный углевод), нерастворимое в воде, но расщепляющееся под действием пищеварительных соков на более простые сахара. Во фруктах, ягодах и некоторых овощах углеводы содержатся в виде различных более простых сахаров - фруктовый сахар, свекловичный сахар, тростниковый сахар, виноградный сахар (глюкоза) и др. Эти вещества растворимы в воде и хорошо усваиваются в организме. Растворимые в воде сахара быстро всасываются в кровь. Целесообразно вводить не все углеводы
в виде сахаров, а основную их массу вводить в виде крахмала, которым богат,
например, картофель. Это способствует постепенной доставке сахара тканям.
Непосредственно в виде сахара рекомендуется вводить лишь 20-25 % от общего
количества углеродов, содержащихся в суточном рационе питания. В это число
входит и сахар, содержащийся в сладостях, кондитерских изделиях, фруктах и
ягодах [14, 15].
Если углеводы поступают с пищей в достаточном количестве, они откладываются главным образом в печени и мышцах в виде особого животного
крахмала - гликогена. В дальнейшем запас гликогена расщепляется в организме
до глюкозы и, поступая в кровь и другие ткани, используется для нужд организма. При избыточном же питании углеводы переходят в организме в жир. К
углеводам обычно относят и клетчатку (оболочку растительных клеток), которая мало используется организмом человека, но необходима для правильных
процессов пищеварения.
Роль белков в питании. Поступающие с пищей белки выполняют три
основные функции. Во-первых, они служат источником незаменимых и заменимых аминокислот, которые используются в качестве строительных блоков в
ходе биосинтеза белка не только у новорожденных и детей, но и у взрослых,
обеспечивая постоянное возобновление и кругооборот белков. Во-вторых, аминокислоты белков служат предшественниками гормонов и многих других био-
74
молекул. И, в-третьих, окисление углеродного скелета аминокислот вносит хотя и небольшой, но важный вклад в ежедневный суммарный расход энергии.
Источниками белков в питании являются пищевые продукты животного и
растительного происхождения: мясо, молоко, рыба, яйца, хлеб, крупа, а также
овощи и фрукты. По своему химическому составу и по питательной ценности
белки неодинаковы. Составными частями белков являются более простые химические соединения - аминокислоты, от количества которых и от их сочетания
друг с другом зависит питательная ценность белка [16].
Наиболее полноценными белками являются белки продуктов растительного происхождения. Но и среди продуктов растительного происхождения
имеются источники достаточно ценных белков. Так, крупы содержат от 6 до
16 % белков, причем наиболее ценные белки содержатся в гречневой крупе, в
овсянке, рисе и некоторых бобовых, особенно в сое. В овощах и фруктах всего
1,2 - 1,5 % белков, но при достаточном потреблении овощей и картофеля и эти
белки имеют значение в питании человека. Белки картофеля и овощей, особенно капусты, содержат жизненно необходимые аминокислоты в таких же соотношениях, как белки животного происхождения. Таким образом, чем разнообразнее продукты питания человека, тем больше он получит с пищей белков
достаточно высокого качества, а следовательно, и достаточное количество жизненно необходимых аминокислот.
Потребность в белках у человека зависит от его возраста, вида деятельности, от состояния организма. От количества и качества белков зависит рост и
развитие растущего организма. Потребность ребенка в белках зависит не только
от возраста, но и от состояния организма, от перенесенных инфекционных заболеваний и от условий питания с первых месяцев жизни. Дети, отстающие в
физическом развитии, нуждаются в больших количествах белков, чем дети,
развивающиеся нормально.
В питании самых маленьких детей количество белков животного происхождения достигают почти 100 %, для детей от 1 года до 3 лет – 75 %, для всех
детей и подростков это количество не должно быть ниже 50 %. Взрослому человеку необходимо, чтобы количество белков из животных продуктов составляло не менее 30 %.
Необходимо, чтобы белки были в правильных соотношениях с другими
пищевыми веществами - с углеводами, жирами, витаминами. При отсутствии
или недостаточном содержании в пище углеводов, жиров или витаминов в организме значительно усиливаются процессы расщепления белков, и рекомендуемые нормы суточного потребления белков могут оказаться недостаточными.
В организме человека и животных происходит непрерывное окисление
веществ, или, как принято говорить, горение. “Горючим”, или энергетичным,
материалом служат главным образом углеводы и жиры, в меньшей степени
белки.
Роль жиров в питании. Триацилглицеролы животного и растительного
происхождения, так же как и углеводы, играют роль одного из основных источ-
75
ников энергии и, кроме того, служат источником углеродных атомов в биосинтезе холестерола и других стероидов. Триацилглицеролы растительного происхождения являются также источником незаменимых жирных кислот.
Жиры в организме отлагаться в виде жировых запасов: подкожной клетчатки, сальнике. Иногда жир откладывается в некоторых внутренних органах,
например в печени, почках. Отложение жира в организме происходит не только
за счет жиров пищи, но также и при обильном углеводном питании (мучные изделия, крупы, овощи, сахар и т. п.) в результате перехода углеродов в жиры.
При обильном белковом питании также откладываются значительные количества жира. Следовательно, жир в организме может образоваться и из белков
пищи.
Избыток жиров снижает усвояемость пищи, в частности ее белков, а также приводит к образованию в организме большого количества ядовитых веществ. Однако и слишком малое количество жиров сказывается на качестве
пищи, ее вкусе и тоже приводит к снижению усвояемости всех пищевых веществ. Кроме того, жиры являются единственным источником жирорастворимых витаминов, которые играют очень важную роль в процессах жизнедеятельности организма. Поэтому недостаток жиров в пищи может вызвать серьезные нарушения в обмене веществ. В зависимости от общей калорийности
пищи взрослому человеку рекомендуется потреблять в сутки от 75 до 110 г жира, причем не менее одной трети должно быть животных жиров, главным образом молочного жира [14-17].
Кроме жиров животного происхождения, в пищевом рационе обязательно должны быть представлены и растительные жиры, т. к. они содержат очень
ценные для организма вещества, так называемые жирные ненасыщенные кислоты (линоленовую, линолевую).
В связи с тем, что жиры обладают более высокой калорийностью, нежели
белки и углеводы, наличие жира дает возможность регулировать объем пищи.
При замене жиров углеводами объем пищи увеличивается, т. к. для сохранения
калорийности пищи приходится брать углеводов в два с лишним раза больше,
чем жиров. В условиях севера жиры играют особо важную роль - они дают возможность повысить калорийность пищи, не увеличивая значительно ее объем.
Углеводы, жиры и белки являются основными или малопитательными
веществами. Их ежедневное потребление зависит от веса, возраста и пола человека и измеряется сотнями граммов.
Роль витаминов в питании. Витамины делятся на две группы: водорастворимые и жирорастворимые, они являются органическими микропитательными веществами; ежедневная потребность в них не превышает миллиграммов или даже микрограммов. Витамины являются незаменимыми компонентами ферментов, участвующих в метаболизме и других специализированных реакциях.
Роль неорганических веществ и микроэлементов в питании. Необходимые для нормального питания неорганические вещества можно разделить на
76
две группы. К первой из них относятся такие элементы, как кальций, фосфор и
магний, необходимые организму человека ежедневно в граммовых количествах, а ко второй - железо, йод, цинк, медь и целый ряд других элементов,
потребность в которых не превышает миллиграммов или даже микрограммов.
Неорганические вещества выполняют различные функции: они используются
как структурные компоненты костей и зубов, как электролиты при поддержании водно-солевого баланса крови и тканей.
Минеральные вещества, входящие в состав организма, непрерывно расходуются им, причем размеры этих трат зависят от вида деятельности, условий
работы, состояния организма и т.п. Если пища человека разнообразна, то в ней
в достаточном количестве содержатся все необходимые минеральные вещества
(соли кальция, фосфора, магния, железа, меди, калия и др.).
Соли кальция и фосфора являются главнейшими составными частями костной системы; фосфор, кроме того, входит в состав нервной и других тканей.
Лучшими источниками кальция являются молоко, молочнокислые продукты,
сыворотка молока, сыр. Фосфор поступает в организм с продуктами животного
и растительного происхождения и хорошо всасывается в кишечнике, причем
фосфорные соединения, получаемые с продуктами животного происхождения
(печенка, мозги, мясо, сыр, яйца), используются значительно лучше и оказывают благоприятное действие на нервную систему, особенно при напряженной
умственной работе. Соли кальция и магния имеют большое значение для правильной работы сердечной мышцы и вообще всей мышечной системы. К числу
источников солей магния относятся ржаной хлеб, крупы, отруби. Соли калия
способствуют выведению воды через почки и регулированию содержания воды
в тканях. Соли железа входят в состав красящего вещества крови (гемоглобина)
и способствуют переносу кислорода от легких к тканям, а соли меди имеют
большое значение для процессов кроветворения. К продуктам, богатым железом относится говядина, яичный желток, ржаной и пшеничный хлеб из муки
грубого помола, печенка, почки и др.
Большое значение для организма имеет также поваренная соль, которую
многие привыкли считать только вкусовым веществом. Если организм в течение длительного времени не получает поваренной соли, то это вызывает серьезные болезненные явления - головокружения, обмороки, расстройство сердечной деятельности и т.п. Но и избыточное потребление соли отражается на состоянии сердечно-сосудистой системы, работе почек и других органов.
Для нормального питания человек должен получать с пищей более 44
различных незаменимых веществ. К ним относятся 10 аминокислот, 13 витаминов, 20 или более неорганических элементов (обычно в виде растворимых солей) и одна или несколько полиненасыщенных жирных кислот. К этим веществам следует также добавить клетчатку, состоящую в основном из целлюлозы и
других не перевариваемых полимеров клеточных стенок растений. Клетчатка,
хотя и не переваривается и, следовательно, не участвует в метаболизме, необходима для правильной перистальтики кишечника.
77
Роль воды в питании. Ни одна живая клетка не может существовать без
воды. Вода входит в состав всех органов и тканей организма. Все процессы,
протекающие в организме, связаны с наличием воды, с растворимыми в ней
веществами. Известно, что человек может существовать длительное время (месяц и больше) без пищи, но при отсутствии воды он погибает через несколько
дней.
Значительное количество воды содержится в пищевых продуктах, в готовых блюдах, кроме того, вода употребляется в виде питья. Установлено, что все
количество воды, получаемое за сутки человеком с пищей и питьем, в среднем
равно 2-2,5 л. Это количество воды и надо считать дневной нормой для человека. Не рекомендуется употреблять излишнее количество воды, так как обильное
питье вызывает усиленную работу сердца и почек.
Режим питания. Чтобы процессы всасывания могли протекать с максимальной интенсивностью и организм мог полностью использовать поступающие с пищей вещества, необходимо не только построить питание в соответствии с возрастом и видом деятельности, но и обеспечить правильный режим питания.
Пищу следует принимать в твердо установленные часы. Это имеет
большое значение, т.к. деятельность пищеварительных желез в таких случаях
начинается еще до принятия пищи. Питание в различные часы приводит к расстройству этой налаженной деятельности пищеварительных желез. Для взрослого человека наиболее рациональным признан 4 - кратный прием пищи или,
как минимум, 3 - кратный. Отклонения от такого режима питания можно допускать для больного в период выздоровления после перенесенных тяжелых заболеваний, когда аппетит еще не восстановился. В таких случаях следует рекомендовать 5 - и даже 6 - кратное питание, т. е. необходимо добиться потребления больным всего суточного рациона, чего легче достигнуть при частых приемах небольших количеств пищи.
При трехкратном питании, которое может быть допущено для взрослого
человека, пищу следует распределять следующим образом: на завтрак 30 % суточной нормы калорий, на обед 45 – 50 % и на ужин 20 – 25 %. Распределение
пищи при четырехкратном питании: обед – 45 %, ужин – 20 % суточного рациона. При этом пищу, богатую белками (мясо, рыба, бобовые), следует потреблять в период наиболее активной деятельности, а не перед сном. Во время
сна процессы пищеварения замедляются, а потому и приемы белковой пищи
перед сном могут привести к худшей ее усвояемости и к худшему использованию белков тканями и органами. Последний прием пищи должен быть не менее
чем за 3 - 4 часа до сна. Однако для многих полезно за 1 - 2 часа до сна выпить
стакан молока, кефира или чая с хлебом или печеньем. Это особенно необходимо людям, страдающим желудочное - кишечными или сердечно - сосудистыми заболеваниями.
Правильный режим питания способствует трудоспособности человека и
является одним из важнейших условий нормальной деятельности желудочно-
78
кишечного тракта. Такие заболевания, как гастриты, язвы желудка и двенадцатиперстной кишки, хронические колиты, часто являются результатом неправильного питания, отсутствия установленного режима питания. При построении рационального питания необходимо учитывать, что приемы пищи должны
оставлять чувство удовлетворения. Это достигается при условии, что к моменту
приема пищи появляется аппетит, а после ее приема - чувство насыщения на
определенный промежуток времени. Чувство насыщения зависит от ряда причин: от объема и состава пищи, от количества выделенного желудочного сока, а
также и от того, насколько принятая пища отвечает сложившимся привычкам
человека. Если человеку, привыкшему к объемистой пищи, дать пищу более
калорийную, питательную, но малую по объему, то у него останется чувство
голода. Наиболее длительное чувство насыщения вызывает мясо в сочетании с
гарниром, приготовленным из картофеля, других овощей и круп, богатых углеводами.
Не следует принимать пищу при ненормальном эмоциональном состоянии. Усталость, боль, страх, горе, беспокойство, депрессия, гнев, воспаления,
лихорадка и т.п. приводят к тому, что пищеварительные соки перестают выделяться и нормальное движение пищеварительного тракта замедляется или совсем останавливается. Поэтому, если вы устали, то перед едой отдохните немного. Нет ничего лучше небольшого отдыха или расслабления для восстановления жизненных сил уставшего человека. Пусть за столом царят мир и радость. Это должно быть главным правилом в жизни. Ведь в это время вы строите свое тело и здоровье.
Роль пищи в сохранении здоровья. Само здоровье ничем не является
без его содержания, без диагностики здоровья, средств его обеспечения и практики обеспечения здоровья. К наиболее важным средствам обеспечения здоровья относят и правильное рациональное питание.
Пища является одним из важнейших факторов окружающей среды, оказывающих влияние на состояние здоровья, работоспособности, умственного и
физического развития, а также на продолжительность жизни человека.
Связь питания и здоровья была подмечена еще в древности. Люди видели,
что от неправильного питания дети плохо растут и развиваются, взрослые болеют, быстро утомляются, плохо работают и погибают.
В XVII веке адмирал английского флота Джордж Ансон в сражениях с
испанской флотилией не потерял ни одного солдата, а от вспыхнувшей на кораблях цинги у него погибло 800 человек из 1000. Отсутствие витаминов в пище оказалось сильнее и опаснее оружия врагов.
После того, как на Алеутские острова в 1912 году были завезены рафинированные продукты (сахар, мука, консервы), у детей быстро распространился
кариес зубов и уже в 1924 году почти все молодое население Алеут, употреблявшие новую завезенную пищу, страдало от кариеса. История пестрит подобными случаями. Наблюдения показывают зависимость возникновения язв, опухолей и других заболеваний желудочно-кишечного тракта и других систем ор-
79
ганизма от качества пищи, недостаточности в ней витаминных комплексов. Одновременно с этим можно привести примеры и обратной зависимости, когда с
улучшением питания значительно снижалось заболеваемость населения.
Основные нарушения в питании, наблюдаемые в различных возрастных и
профессиональных группах обычно одинаковы. Это, в первую очередь, избыток
в пище углеводов и жиров животного происхождения и дефицит овощей, фруктов и ягод, а также наиболее страшное последствие изменения ритма жизни –
нарушение режима питания.
Каждое из этих нарушений, даже отдельно взятое, может влиять на состояние здоровья человека. Попробуем проанализировать каждое из них.
При избытке углеводов, особенно чистых сахаров, физиологически в организме происходит задержка воды, отмечается отечность, повышается расход
витамина В1 и как результат – дефицит В1, ведущий к нарушению деятельности
центральной нервной системы. Понижаются защитные свойства организма,
увеличивается риск заболеваемости онкологическими болезнями и сахарным
диабетом из-за нарушения функционирования поджелудочной железы. Не стоит забывать и о кариес.
Исследования в США показали, что увеличение сердечно-сосудистых заболеваний совпадает с общим увеличением потребления сахара. При правильном построении питания надо стремиться к уменьшению потребления белого
сахара за счет искусственных заменителей сахара, меда, вареньем, плодовоягодных культур.
Что касается избытка животных жиров и дефицита жиров растительного
происхождения, то для избежания этого нарушения в питании нет особых
сложностей. Надо лишь довести до населения сведения о необходимости вводить ежедневно в рацион 20-30 грамм растительных жиров, вместо 5-10, так
как, исключая из рациона питания растительные жиры, человечество лишает
себя полиненасыщенных жирных кислот, в особенности линолевой и линоленовой, которые весьма важны для деятельности сердечной мышцы, клеток печени мозга. Они являются строительным материалом клеточных мембран, соединительной ткани, миелина и входят в состав нуклеиновых кислот [18].
Дефицит овощей, фруктов, ягод более серьезен и трудно устраним. Изучение питания и самой пищи, проведенное различными авторами в разных
странах мира, показало, что потребление овощей оставляет желать лучшего.
Значение же их огромно. Они являются поставщиком углеводов, витаминов и микроэлементов, органических кислот. Овощи и фрукты повышают аппетит и способствуют усвоению другой пищи, выводят токсины, обладают бактерицидными свойствами, повышают работоспособность человека, обладают органолептическими свойствами, предавая потребляемой пище различный вкус.
Овощи делают питание более вкусным и полезным. Овощи, фрукты и ягоды занимают почетное место в диетическом и лечебном питании, которое должно
содержать их не менее 10-15 наименований. Приходиться признавать, что по-
80
пытки заменить овощи другими продуктами и искусственными добавками не
увенчались успехом.
Но, к сожалению, растения подвержены сезонности произрастания, климатическим условиям среды, играет роль и недооценка овощей населением.
Нарушение режима питания играет отрицательную роль для здоровья.
Оно проявляется в уменьшении количества приемов пищи в день с четырехпяти до двух, неправильном распределении суточного рациона на отдельные
приемы, увеличение ужина до 35-65% вместо 20%, увеличение интервалов между приемами пищи с 4-5 до 7-8 ч. Забываются заповеди народной мудрости о
питании: «Укороти ужин – удлини жизнь». За многие годы были сформулированы три правила в питании: разнообразие, умеренность и своевременность. К
сожалению, убыстрение темпа жизни современного человека отбрасывается все
эти правила.
Из вышесказанного можно сделать некоторые выводы. Питания является
одним из важнейших факторов в профилактике заболеваний, сохранении здоровья и повышении работоспособности. Поэтому важно не только организовать
централизованный выпуск питательных добавок и витаминных комплексов, но
и обратить особое внимание населения на проблемы разумного потребления
пищи, используя для этого различные возможности санпросвет работы.
Контрольные вопросы
1. Перечислите питательные вещества необходимые человеку.
2. Охарактеризуйте роль белков, жиров и углеводов в питании человека.
3. Перечислите основные неорганические вещества, необходимые для
питания человека.
4. В чем основные особенности режима питания? Охарактеризуйте их.
5. Какова роль пищи в сохранении здоровья человека?
2.2. Энергетические потребности организма
Организм получает энергию за счет окисления органических макропитательных веществ.
Первое требование, предъявляемое к полноценному рациону – наличие в
нем необходимого запаса энергии, высвобождаемой в процессе окисления трех
основных макропитательных веществ: углеводов, жиров и белков. Энергию выражают в килокалориях (ккал), или питательных калориях (сокращенно обозначаемых Кал, с заглавной буквой К); одна килокалория соответствует количеству тепловой энергии, необходимой для нагревания 1,0 кг воды от 15 до 16 °С.
Напомним, что теми же единицами пользуются при расчете изменений стандартной свободной энергии в ходе метаболических реакций.
В табл. 9 приведены предложенные Министерством здравоохранения
ежедневные энергетические потребности для людей разного возраста. Для мо-
81
лодых мужчин студенческого возраста потребность в энергии составляет ~ 2900
ккал/сут., для женщин того же возраста ~ 2100 ккал/сут.
Таблица 9
Суточная потребность в энергии [18]
Группа
Новорожденные
Дети
Мужчины
Женщины
Беременные
Кормящие
Возраст, годы
0,0-0,5
0,5-1,0
1-3
4-6
7-10
11-14
15-18
19-22
23-50
51 +
11-14
15-18
19-22
23-50
51 +
-
Вес, кг
6
9
13
20
28
45
66
70
70
70
46
55
55
55
55
-
Энергия, ккал
650
970
1300
1700
2400
2700
2800
2900
2700
2400
2200
2100
2100
2000
1800
+ 300
+500
Новорожденным детям и людям более старшего возраста требуется
обычно меньше энергии. Приведенные величины можно сравнить с количеством энергии, необходимой для поддержания основного обмена, то есть с количеством энергии, которое нужно организму в состоянии полного покоя, через
12 ч после еды. Для мужчин студенческого возраста потребности основного
обмена составляют ~ 1800 ккал/сут., для женщин того же возраста ~ 1300
ккал/сут.
Очевидно, большие количества энергии, фигурирующие в рекомендациях
ежедневного рациона питания, объясняются необходимостью выполнения физической работы. В табл. 10 показан расход энергии при различных видах физической работы.
Количество энергии, выделяющейся при окислении углеводов, жиров и
белков, можно определить, сжигая образцы известного веса в атмосфере кислорода внутри калориметрической бомбы и определяя общее количество выделившегося тепла (рис. 14) [14].
82
Таблица 10
Энергетические потребности при разных видах деятельности [18]
Активность
Очень слабая
Положение сидя или
стоя, рисование, управление автомобилем, работа в лаборатории
Невысокая
Ходьба (4-4,5 км/ч), столярные работы, посещение магазинов, обслуживание в ресторанах, стирка
Умеренная
Быстрая ходьба (5,5-6
км/ч), бег трусцой, прополка и рыхление почвы,
езда на велосипеде, теннис, танцы, волейбол
Очень высокая
Подъем в гору с грузом,
пилка дров, погрузочные
работы, плавание, альпинизм, футбол
Мужчины, ккал/(кг·ч)
Женщины ккал/(кг·ч)
1,5
1,3
2,9
2,6
4,3
4,1
8,4
8,0
Принцип устройства калориметрической бомбы, предназначенной для
измерения калорийности пищи, заключается в следующем: образец пищевого
продукта с известным весом поджигается электрическим разрядом в атмосфере
с избыточным содержанием кислорода под давлением внутри бомбы, выдерживающей высокое давление.
Сгорание пищи вызывает повышение температуры известного количества
воды, которой заполнено пространство, окружающее бомбу. Количество выделившегося при сгорании пищи тепла можно легко рассчитать, учитывая, что
для нагревания 1 кг воды на 1°С от 14,5 до 15,5°С требуется 1 ккал.
83
Рис. 14. Схема калориметрической бомбы: 1 – термометр, 2- «поджигающие» электроды,
3 - мешалка, 4 – теплоизоляционный кожух, 5 – вода известного объема, 6 – «бомба»,
7 – взвешенный образец пищи, предназначенный для сжигания, 8 – кислород под давлением
Для измерения количества тепла, выделяемого организмом человека, используют очень большие калориметры с замкнутой камерой, в которой постоянно обеспечивается обмен кислорода и СО2.
При сжигании чистых углеводов выделяется в среднем 4,2 ккал/г, при
сжигании жиров ~ 9,5 ккал/г, белков ~ 4,3 ккал/г.
Калорийность таких пищевых продуктов, как хлеб, картофель, мясо,
фрукты и т. д., также можно определить путем их сжигания в калориметрической бомбе. Вместе с тем эту величину можно получить путем расчета, если
определить с помощью химического анализа содержание углеводов, жиров и
белков в данном образце пищевого продукта и умножить полученные веса на
соответствующие коэффициенты калорийности.
При окислении в организме продукты, способные полностью перевариваться и усваиваться, обеспечивают выделение такого же количества тепла, как
и при окислении в калориметре.
Идентичность количеств энергии, выделяемой в калориметре и в организме, была подтверждена результатами исследований, проведенных на людях, помещенных в калориметр очень большого
размера. Поскольку организм человека при любых условиях подчиняется законам термодинамики, не существует никакой «волшебной» диеты, которая могла
бы обойти закон сохранения энергии. Калории есть калории.
84
Контрольные вопросы
1.
Перечислите основные требования, предъявляемые к полноценному
питанию.
2.
Сравните суточную потребность в энергии у женщин и мужчин от
23-50 лет.
3.
Перечислите энергетические потребности при разных видах деятельности.
4.
Сравните число ккал/(кг·ч) у мужчин и женщин при невысокой и
очень высокой активности.
5.
Для чего используют калориметрическую бомбу? Принцип её устроена?
2.3. Рекомендуемые величины потребления пищевых веществ и энергии
для различных групп населения
Нормы питания являются рекомендациями величины потребления основных пищевых веществ и энергии для различных контингентов населения нашей
страны. Они дают научную базу для планирования производства и потребления
пищевых продуктов, служат критерием для оценки фактического питания, являются основой построения рационального питания [19].
Потребность в основных пищевых веществах и энергии для взрослого
(18 – 60 лет) трудоспособного населения зависит от характера труда, возраста,
пола, группы населения. По степени энергозатрат выделено 5 групп интенсивности труда. Работы с особо тяжелой физической нагрузкой, относящейся к 5-й
группе интенсивности труда, не предусмотрены для женщин. У женщин всех
профессиональных и возрастных групп потребность в пищевых веществах
(кроме железа) и энергии в среднем на 15 % ниже, чем у мужчин.
В рекомендуемых нормах питания предусмотрена следующая сбалансированность пищевых веществ:
•
белки животного происхождения должны составлять 55 % от суточной потребности белка;
•
жиры растительного происхождения должны содержаться не менее,
чем в 30 % от общего количества жира.
Перечень основных профессий,
относящихся к различным группам интенсивности труда
1 группа – работники преимущественно умственного труда: руководители предприятий и организаций, инженерно-технические работники, труд
которых не требует существенной физической активности; медицинские работники, кроме врачей-хирургов, медсестер, санитарок; педагоги, воспитатели,
85
кроме спортивных; работники науки, литературы, печати, культурнопросветительные работники; работники планирования и учета, секретари и делопроизводители; работники различных категорий, труд которых связан со значительным нервным напряжением (работники пультов управления, диспетчеры
и т.д.).
2 группа – работники, занятые легким физическим трудом: инженерно-технические работники, труд которых связан с некоторыми физическими
усилиями; работники, занятые на автоматизированных процессах; работники
радиоэлектронной промышленности; швейники; агрономы, зоотехники, ветеринарные работники; медсестры, санитарки; продавцы промышленных товаров;
работники сферы обслуживания; работники часовой промышленности; работники связи и телеграфа; инструкторы и преподаватели физкультуры и спорта,
тренеры.
3 группа – работники среднего по тяжести труда: станочники (занятые в металлообработке и деревообработке), слесари, наладчики, настройщики,
врачи-хирурги, химики, текстильщики, обувщики, водители различного вида
транспорта, работники пищевой промышленности, работники коммунальнобытового обслуживания и общественного питания, продавцы продовольственных товаров; бригады тракторных и полеводческих бригад; железнодорожники,
водники, работники авто- и электротранспорта; машинисты подъемнотранспортного оборудования; полиграфисты.
4 группа – работники тяжелого физического труда: строительные рабочие, основная масса сельскохозяйственных рабочих и механизаторов; горнорабочие на поверхностных работах; работники нефтяной и газовой промышленности; металлурги и литейщики, кроме лиц, относящихся к 5 группе; работники целлюлозно-бумажной промышленности и деревообрабатывающих производств; стропальщики, такелажники; плотники; работники промышленности
строительных материалов, кроме лиц, отнесенных к 5 группе.
5 группа – работники, занятые особо тяжелым трудом: горнорабочие,
занятые непосредственно на подземных работах, сталевары, вальщики леса и
рабочие на разделке древесины, каменщики, бетонщики, землекопы, грузчики,
труд которых не механизирован; работники, занятые в производстве строительных материалов, труд которых не механизирован [21].
Рекомендуемое суточное потребление энергии, белков, жиров и углеводов для взрослого трудоспособного населения различных групп интенсивности
труда представлено в табл. 11.
86
Таблица 11
Рекомендуемое суточное потребление энергии
для различных групп интенсивности труда [21]
Мужчины
Женщины
Возрастбелки, г
белки, г
Группы ные
энеругле- энержиры,
жиры, углеводы,
труда группы
в т.ч.
в т.ч.
гия,
воды, гия,
г
г
г
(годы)
ккал всего животг
ккал всего животные
ные
1
18-29
30-39
40-59
2450
2300
2100
72
68
65
40
37
36
81
77
70
358 2000
335 1900
303 1800
61
59
58
34
33
32
67
63
60
289
274
257
2
18-29
30-39
40-59
2800
2650
2500
80
77
72
44
42
40
93
88
83
411 2200
387 2150
366 2100
66
65
63
36
36
35
73
72
70
318
311
305
3
18-29
30-39
40-59
3300
3150
2950
94
89
84
52
49
46
110
105
98
484 2600
462 2550
432 2500
76
74
72
42
41
40
87
85
83
378
372
366
4
18-29
30-39
40-59
3850 108
3600 102
3400 96
59
56
53
128
120
113
566 3050
528 2950
499 2850
87
84
82
48
46
45
102
98
95
452
432
417
5
18-29
30-39
40-59
4200 117
3950 111
3750 104
64
61
57
154
144
137
586
550
524
-
-
-
-
-
1.
Потребность беременных женщин (период 5-9 месяцев) в среднем
2900 ккал, белка – 100 г в день, в том числе 60 г белков животного происхождения.
2.
Потребность кормящих матерей в среднем 3200 ккал, белка – 112 г,
в том числе 62 г белков животного происхождения.
3.
В северных районах потребность населения в энергии на 10-15 %
выше.
4.
Потребности в энергии и пищевых веществах конкретного человека
могут отличаться от табличных значений, соответствующих его возрасту, полу
и группе энергозатрат.
87
Таблица 12
Рекомендуемые величины потребления энергии, белков и углеводов
для детей и подростков (в суточном рационе) [14, 20]
Белки, г
Пол и возраст
Жиры, г
Углеводы, г
Энергия, г
всего
в т.ч. животные
0 – 3 мес.
4– 6 мес.
7 – 12 мес.
1 –3 года
4 –6 лет
2,2
2,6
2,9
53
68
2,2
2,5
2,3
37
44
6,5
6,0
5,5
53
68
13
13
13
212
272
115
115
110
1540
1970
6 (школьн.)
69
45
67
285
2000
7 –10 лет
77
46
79
335
2350
11 –13 мальч.
90
54
92
390
2750
11 –13 девоч.
82
49
84
355
2500
14 –17 юноши
98
59
100
425
3000
14 –17 девушки
90
54
90
360
2600
Примечание: Для подростков, обучающихся в производственно-технических училищах, предусматривается дополнительное потребление пищевых веществ в размере 10-15 % в зависимости от характера учебно-производственной работы.
Таблица 13
Рекомендуемое суточное потребление белков, жиров, углеводов
и энергии для лиц пожилого возраста[20]
Пол
Возраст,
лет
мужчины
60 — 70
75 и старше
Белки, г
в т.ч. животные
68
37
61
33
женщины
60 — 74
75 и старше
61
55
всего
33
30
Жиры, г
всего
Углеводы,
г
Энергия, г
77
65
335
280
2300
1950
66
57
284
242
1975
1700
Примечание: энергетические коэффициенты пищевых веществ: белки – 4 ккал/г, жиры – 9
ккал/г, углеводы – 4 ккал/г.
88
Таблица 14
Энергетическая ценность за счет пищевых веществ
(процентное соотношение) [22]
Группа труда
Белки, %
Жиры, %
Углеводы, %
1
12
30
58
2
12
30
58
3
11
30
59
4
11
30
59
5
11
33
56
Существует также понятие - основной обмен - обмен веществ организма в
состоянии покоя. Это примерно две трети общих суточных затрат энергии.
Таблица 15
Зависимость суточной потребности организма в энергии
от массы тела (в абсолютном покое) [22]
Худой
Отклонение массы тела
от идеальной
Дефицит — 5% и более
Дневная потребность в
энергии, ккал/кг
25
Нормальный
Избыток до 10%
20
Ожирение I — II степени
Избыток 11- 39%
17
Ожирение III степени
Избыток более 50%
15
Тип телосложения
Контрольные вопросы
1.
Что такое нормы питания?
2.
От каких факторов зависит потребность в основных пищевых веществах и энергиях?
3.
Перечислите основные группы интенсивности труда.
89
4.
Сравните рекомендуемое суточное потребление жиров мужчинами
и женщинами.
5.
Сравните энергетические затраты первой и третьей групп интенсивности труда.
2.4. Рациональное питание
Рациональным питанием называют физиологически полноценное питание, удовлетворяющее потребности организма и обеспечивающее необходимый
уровень обмена веществ и превращения энергии. Оно соответствует нормам
питания, пищевому рациону, режиму питания, условиям приема пищи.
От питания зависят работоспособность, здоровье и продолжительность
жизни. Неполноценное питание приводит к нарушению функций органов и
систем, снижению иммунитета, истощению. Неполноценное питание в детстве
сопровождается задержкой роста, физического и психического развития. Избыточное питание способствует нарушению обмена веществ, ожирению и развитию сопутствующих ему заболеваний. Нормы питания должны соответствовать
расходу энергии на работу внутренних органов, на движения, физическую работу, а у детей обеспечивать еще рост и развитие. Взрослым необходимо в сутки 100 –120 г белков, 70–100 г жиров, 450 - 500 г углеводов. Для детей различного возраста нормы питания неодинаковы и отличаются от норм взрослых.
Детям требуется относительно больше (в пересчете на 1 кг массы тела) питательных веществ.
Пищевой рацион - это набор продуктов, содержащих питательные вещества в количестве, достаточном для удовлетворения потребности организма в
строительном и энергетическом материале, а для детей - обеспечивающем также их рост и развитие. В пищевом рационе должна учитываться усвояемость
пищи: около 16 % ее не усваивается. Углеводы усваиваются хорошо при любом
составе, животные белки лучше растительных. Так, белки мяса, молока, рыбы
усваиваются на 95 %, почти полностью, тогда как растительные – только на
70%; белки смешанной пищи усваиваются на 80–90 %. Расщепление белков
улучшается при наличии в рационе овощей, стимулирующих секрецию пищеварительных желез. Имеет значение соотношение питательных веществ. Так,
жирная пища снижает усвояемость белков и хорошо всасывается вместе с углеводами. Углеводы же в преобладающем количестве тормозят переваривание и
белков, и жиров. В пищевом рационе должно быть не менее 30 % полноценных
белков животного происхождения: они стимулируют процессы обмена и улучшают пищеварение. В рацион следует включать грубоволокнистую углеводную
пищу. Клетчатка овощей и фруктов не переваривается, но она необходима для
нормализации состава микрофлоры, способствует очищению кишечника.
90
Полезна пища, которую человек съедает с аппетитом. Ощущение аппетита - это желание есть, а при длительном отсутствии пищи оно переходит в голод. Аппетит выражается в обильном соковыделении, напряжении желудка, интенсивных движениях кишок. Его усиливают мясные бульоны, овощи (они механически раздражают желудок), слабоострые и кислые приправы. Пережевывание пищи также способствует сокоотделению и всасыванию, и во
время еды приходит аппетит.
В каждый прием пищи следует включать продукты, богатые кальцием.
Лучшими источниками кальция служат молоко, сыр, кисломолочные продукты,
а также брокколи, тофу и др. Первые блюда незаменимы в рационе, особенно
для детей.
Мясо - источник незаменимых аминокислот, железа, цинка и витаминов
В12, D, фолиевой кислоты, недостаток которых может привести к замедлению
физического и умственного развития у детей. Планируя здоровое меню, следует
включить в него как можно больше свежих овощей и бобовых. Орехи являются
незаменимым источником полиненасыщенных жирных кислот и витаминов.
Отрицательные эмоции, стресс, физическое и умственное утомление, неприятные разговоры и посторонняя деятельность во время приема пищи по закону доминанты тормозят пищеварительные рефлексы. Активность человека в
течение суток неодинакова, и потребность в пище в разное время различна. Поэтому необходимо правильно организовать режим питания и соблюдать его.
Режим питания предусматривает определенные часы приема пищи, регламентирует рацион, способствует образованию условных пищеварительных рефлексов на время [23].
Беспорядочная еда, вредные привычки есть на ходу или всухомятку негативно влияют на здоровье, приводят к заболеваниям органов пищеварения. Нерегулярное питание неблагоприятно отражается на составе крови, нервной системе. У голодного снижена работоспособность, из-за недостаточного питания
мозга возникают головокружения. При частой и обильной еде органы пищеварения перегружены. Наиболее рационально для взрослых здоровых людей
трехразовое питание, для подростков – четырехразовое. При этом 25-30% полагающейся пищи необходимо съедать за завтраком, 35–40% – за обедом, а остальные 30% разделить между полдником и ужином. Привычка не завтракать
вредна: утром и в обед пища лучше усваивается.
Дополнительная информация
Некоторые аспекты биохимии человека
Углеводы служат основным источником энергии. Сами по себе углеводы не являются незаменимыми компонентами пищи человека, однако, поскольку продукты, богатые углеводами, более доступны и дешевы, чем продукты, содержащие большие количества белков и жиров, именно они составляют
основную часть продуктов питания в большинстве стран. Четыре пятых насе-
91
ления земного шара питаются в основном растительной пищей, и на долю углеводов приходится по крайней мере 70 %, а иногда и 90 % суммарной калорийности такой пищи. В развитых же странах, где население потребляет в сравнительно больших количествах мясные и молочные продукты, на долю углеводов
приходится лишь 45 % калорийности дневного рациона [14, 18].
В развитых странах более 40 % потребляемых углеводов составляют сахароза и другие очищенные сахара, в основном глюкоза и фруктоза, остальная
часть приходится на долю крахмала. В менее развитых странах сахарозу употребляют в пищу в очень небольших количествах, в основном в качестве углеводов там используют крахмал. Двести лет назад, когда промышленная революция только начиналась, количество сахара, потребляемое ежедневно одним человеком, составляло в Англии в среднем всего лишь 5 г, сейчас это количество
превышает 200 г. Аналогичные изменения произошли и в России. Развитие любой страны сопровождается увеличением количества употребляемой в пищу
сахарозы. Одна из причин этого состоит в доступности и дешевизне сахарозы
по сравнению с другими углеводами в этих странах. Известно, что для сахарного тростника и свеклы нужна меньшая посевная площадь, чем для эквивалентного по калорийности количества картофеля и злаковых растений.
Сахарный тростник является одним из наиболее продуктивных сельскохозяйственных растений. В связи с этим между экономикой сельского хозяйства и правильным питанием возможен конфликт, поскольку сахароза и другие
сахара оказывают неблагоприятное воздействие на зубы.
Сладкие продукты часто едят ради удовольствия, некоторые не могут даже обойтись без сладостей. Не исключено, что склонность к сладкому является
результатом сохранившегося с младенчества стремления удовлетворить чувство голода (содержание сахара в женском молоке в два раза выше, чем в коровьем). Животные многих видов также предпочитают сладкое, вместе с тем некоторые виды индифферентны к нему или даже избегают сладкого [19].
Жиры обеспечивают организм калориями и незаменимыми жирными кислотами. На долю триацилглицеролов приходится около 8 % общего количества липидов в пище, остальные 2 % составляют фосфолипиды, холестерол
и его эфиры. При комнатной температуре триацилглицеролы животного происхождения, в состав которых входит относительно много насыщенных жирных
кислот, обычно имеют твердую консистенцию. Что же касается триацилглицеролов растительного происхождения, в состав которых входит сравнительно
большое количество ненасыщенных жирных кислот, то они при комнатной
температуре обычно жидкие. При окислении триацилглицеролов обоих типов
количество энергии, выделяемой в расчете на 1 единицу веса, более чем в 2 раза
превышает количество энергии, выделяемой при окислении углеводов. Поскольку жиры задерживаются и перевариваются в желудке обычно медленнее,
чем углеводы, они лучше способствуют насыщению, чем углеводы.
Животные не способны синтезировать линолевую и линоленовую кислоты, поэтому они должны получать их с пищей. Люди, как правило, не испыты-
92
вают недостатка в незаменимых жирных кислотах, так как эти кислоты в больших количествах содержатся во многих продуктах растительного происхождения, в рыбе и птице. В мясных и молочных продуктах их содержание намного
ниже.
В рационе жителей развитых стран наряду с большим количеством очищенных сахаров значительное место занимают жиры, особенно жиры животного происхождения. Предполагают, что именно с этим связано увеличение частоты атеросклероза, ишемической болезни сердца и нарушений мозгового
кровообращения у населения высокоразвитых стран. При атеросклерозе происходит аномальное отложение липидов в интиме артерий, что приводит к ограничению кровотока. В тех случаях, когда липидные отложения закупоривают
сосуды сердца или мозга, развивается соответственно ишемическая болезнь
сердца или инсульт; ткань миокарда или мозга гибнет из-за недостатка в них
кислорода [14].
Большинство животных жиров, в частности жиры мяса, молока и яиц, содержит относительно много насыщенных и мало ненасыщенных жирных кислот, исключение составляют куриный и рыбий жир. Растительные жиры, напротив, очень богаты полиненасыщенными жирными кислотами. По калорийности ценность насыщенных и ненасыщенных жиров примерно одинакова, однако обильное потребление насыщенных животных жиров наряду с незначительным количеством полиненасыщенных жиров может приводить у многих
(но не у всех) людей к уменьшению концентрации в крови липопротеинов высокой плотности и к увеличению концентрации липопротеинов низкой плотности, а также общего холестерола. Существует корреляция между частотой
ишемической болезни сердца, с одной стороны, и низкой концентрацией липопротеинов высокой плотности и высокой концентрацией липопротеинов низкой
плотности, а также общего содержания холестерола – с другой. Поэтому рекомендуется содержащиеся в мясе, яйцах, молоке, сливочном масле и сыре жиры
животного происхождения частично заменять растительными жирами, богатыми полиненасыщенными жирными кислотами. Полезно также использовать
вместо масла маргарин, поскольку его получают частичным гидрированием
растительных масел. Процесс гидрирования, в результате которого увеличивается степень насыщения этих масел, можно контролировать. Например, существует «мягкий» маргарин, обладающий более высокой питательной ценностью, по сравнению с «твердым» маргарином, так как он содержит больше полиненасыщенных жиров. Что касается холестерола, то у некоторых людей он
влияет на соотношение между липопротеинами крови. В значительных количествах он содержится в продуктах животного происхождения, особенно много
его в яичном желтке, сливочном масле и мясе, тогда как в растительных продуктах его нет. Если в пище много холестерола, то его содержание в крови увеличивается, но при этом его синтез ингибируется.
Существует хорошо сбалансированное равновесие между количеством
холестерола, всасываемого в кишечнике, синтезируемого в тканях и выводимо-
93
го из организма. Больным ишемической болезнью сердца часто рекомендуют
диету с низким содержанием холестерола, в которой насыщенные жиры частично заменены на полиненасыщенные. Однако в связи с тем, что развитие
ишемической болезни сердца зависит и от генетических факторов, а также от
курения и гипертонии, диета с пониженным содержанием животных жиров и
холестерола помогает далеко не всем больным. Атеросклероз, по-видимому,
имеет сложное происхождение, и подверженность ему у разных людей различна. Бесспорно, что на развитие этой болезни влияет состав пищи, однако лучше
всего, вероятно, родиться с хорошими генами.
Ожирение. Ожирение, увеличивающее вероятность сердечно-сосудистых
заболеваний, гипертонии и диабета, возникает в результате того, что количество потребляемых организмом калорий превышает его потребность. Ожирение
обычно развивается в детстве или старости, и чем дольше оно имеет место, тем
труднее от него избавиться. Наилучший путь борьбы с ожирением – формирование уже в молодом возрасте разумных диетологических и физкультурных
привычек. Некоторые люди более других склонны превращать источники калорий в жиры, вероятно из-за пониженной способности к теплообразованию или
из-за термогенного действия бурого жира [24]. Важно понимать, что ожирение
возникает в результате потребления избыточных количеств не только жиров
как таковых, но при избыточном поступлении калорий в любом виде, будь то
жиры, углеводы или белки.
1 кг жира человека эквивалентен примерно 8750 ккал. Сопоставляя этот
факт с данными, приведенными в табл. 9, можно оценить степень переедания,
приводящую к определенному накоплению лишнего веса. Накопление лишних
10 кг жира у 28-летнего мужчины соответствует избыточному потреблению 10 ·
8750 = 87 500 ккал. Такое накопление жира может быть следствием ежедневного потребления лишних 150 кал (что составляет лишь 5,6 % средней ежедневной потребности - 2700 ккал) в течение 583 дней, то есть чуть больше 18 месяцев. Обычно избыточный вес накапливается в течение нескольких лет. Так, в
нашем примере, если накопление 10 лишних килограммов жира происходило в
течение 5 лет, то это могло быть следствием ежедневного потребления избыточных 48 кал, то есть всего лишь на 1,8 % больше, чем необходимо. Эти данные показывают, насколько зависит вес тела даже от незначительного увеличения или уменьшения количества калорий, ежедневно потребляемых в течение
длительных периодов времени [25].
Рассмотрим теперь, сколько времени должно понадобиться для уменьшения лишнего веса путем снижения числа потребляемых калорий. Чтобы потерять 10 кг жира, человек должен потреблять в течение 42 недель не более 2400
ккал/день, или в течение 21 недель не более 2100 ккал/ день, или в течение 14
недель 1800 ккал/день. Для того чтобы потерять вес еще быстрее, требуется
столь сильно сократить ежедневный рацион, что это может привести к снижению работоспособности организма. В табл. 16 показана калорийность некоторых пищевых продуктов, которые часто потребляют в избыточных количест-
94
вах. Приведенные в этой таблице данные позволяют установить, потребление
каких продуктов и в какой степени надо ежедневно сокращать, чтобы достичь
нужной скорости потери веса. Лучший способ поддерживать постоянный вес
тела состоит в сочетании регулярных физических упражнений с регулярным
правильным питанием. Существенно легче предотвратить накопление лишнего
веса, чем потом избавляться от него [26].
Таблица 16
Калорийность некоторых богатых энергией пищевых продуктов
Пищевой продукт
Порция
Печеный картофель
Рис
Спагетти
Белый хлеб
Масло
Майонез
Сладкий рулет
Кекс
Молочный шоколад
Сахар
Мороженое
Орехи
Пиво
Безалкогольные напитки
1 шт.
1 чашка
1 чашка
1 шт.
1 кружка
1 ст. ложка
1 шт.
1 шт.
30 г
1 ст. ложка
1 стаканчик
30 г
350 г
350 г
Калорийность,
ккал
93
210
178
62
50
93
174
204
147
46
147
160
188
90
Белки необходимы как источники аминокислот. Белки сами по себе не
являются незаменимыми компонентами рациона человека. Для нормального
питания необходимы лишь содержащиеся в них незаменимые аминокислоты.
Для взрослых людей незаменимыми являются девять аминокислот, суточная
потребность в которых варьирует от 0,5 г (для триптофана) до 2 г (для лейцина,
фенилаланина). Новорожденным и растущим детям необходима еще одна, десятая аминокислота – аргинин. У взрослых аргинин образуется в достаточных
количествах в печени в процессе синтеза мочевины, однако детям для одновременного синтеза мочевины и необходимых организму белков образующегося
таким путем аргинина не хватает.
Ежедневно молодым мужчинам рекомендуется потреблять 54 г белков,
однако при этом подразумевается, что в пищу входят самые разнообразные
белки растительного и животного происхождения, из которых по крайней мере
12 из 54 г белка должны приходиться на долю незаменимых аминокислот, а остальные 42 г на долю заменимых. Питательная ценность или качество данного
95
белка зависит от двух факторов: от его аминокислотного состава и от его усвояемости. Белки значительно различаются по аминокислотному составу
(см. п. 1.5). Некоторые из них содержат полный набор незаменимых аминокислот в оптимальных соотношениях; другие могут не содержать одной или нескольких незаменимых аминокислот. Растительные белки, особенно белки
пшеницы и других злаковых, не могут полностью перевариваться, так как белковая часть зерен защищена состоящей из целлюлозы и других полисахаридов
оболочкой, которая не гидролизуется пищеварительными ферментами. Поскольку в кишечнике могут усваиваться только свободные аминокислоты, далеко не все аминокислоты продуктов растительного происхождения в действительности биологически доступны для организма человека.
Питательные свойства белков можно оценить с помощью двух характеристик: химической ценности и биологической ценности. В первом случае после
полного гидролиза определяют аминокислотный состав белка и сравнивают его
со стандартом – белком, полученным из молока и яиц. При этом определяют
потенциальную химическую ценность белка. Мерой биологической ценности
белка служит величина, обратно пропорциональная количеству данного белкового продукта, которое необходимо для поддержания азотистого баланса у
взрослого человека или экспериментального животного, т.е. состояния, при котором количество поступающего в организм азота точно соответствует его количеству, выводимому с мочой и калом. Если в данном белке есть все незаменимые аминокислоты в необходимых пропорциях и все они могут всасываться
в кишечнике, то биологическая ценность такого белка условно принимается
равной 100. Для полностью перевариваемых белков с неполным содержанием
аминокислот или с полным содержанием аминокислот, но не полностью перевариваемых это значение будет заведомо ниже. В соответствии с этим критерием биологическая ценность белка, в котором отсутствует хотя бы одна незаменимая аминокислота, будет равна нулю. Если белок характеризуется низкой
биологической ценностью, он должен присутствовать в пище в очень больших
количествах, чтобы обеспечить потребности организма в незаменимой аминокислоте, содержание которой в таком белке минимально. Остальные аминокислоты будут поступать в организм при этом в количествах, превышающих его
потребности. Лишние аминокислоты будут подвергаться в печени дезаминированию и превращаться в гликоген или жир либо просто сгорать в качестве топлива.
Табл. 17 иллюстрирует качество некоторых пищевых белков. Животные
белки, содержащиеся, например, в молоке, говядине, яйцах, отличаются хорошими химическими характеристиками и высокой биологической ценностью.
Вместе с тем белки, содержащиеся в кукурузе и цельном белом хлебе, обладают
низкой химической ценностью, поскольку в них отсутствует одна или несколько незаменимых аминокислот. Биологическая ценность этих белков еще ниже,
так как они не полностью перевариваются. Чтобы обеспечить организм минимально необходимым количеством всех нужных аминокислот, животные долж-
96
ны ежедневно потреблять растительные белки в сравнительно больших количествах. Это вовсе не означает, что белый хлеб плох как пищевой продукт; просто
если питаться только одним белым хлебом, то его придется съедать ежедневно
очень много для того, чтобы удовлетворить хотя бы минимальные потребности
организма в незаменимых аминокислотах. Так, например, в одном куске белого
хлеба содержится менее 2 г белка; если при этом учесть, что по качеству этот
белок менее чем на треть соответствует идеальному, то 20-летнему мужчине
для удовлетворения ежедневной потребности в белке, которая составляет около
56 г, нужно съедать каждый день более 70 кусков белого хлеба. И вообще при
обычных способах приготовления пищи растительные белки в пересчете на 1 г
сухого веса содержат меньше белка, чем животные.
Таблица 17
Качество белков некоторых пищевых продуктов
Продукт
Женское молоко
Говядина
Яйцо
Коровье молоко
Кукуруза
Белый хлеб
Химическая ценность
100
98
100
95
49
47
Биологическая ценность
95
93
87
81
36
30
Для нормального синтеза белка в организме человека все незаменимые
аминокислоты должны быть доступны одновременно. Если крыс кормить синтетической пищей, содержащей все незаменимые аминокислоты, кроме одной,
а затем через 3 ч дать им недостающую аминокислоту, то крысы все равно не
будут расти, поскольку аминокислоты не могут запасаться.
Пищевые добавки
Пищевые добавки – химические вещества и природные соединения, сами по себе не употребляемые как пищевой продукт или обычный компонент
пищи. Они преднамеренно добавляются в пищевые системы по технологическим соображениям на различных этапах производства, хранения, транспортировки готовых продуктов с целью улучшения или облегчения производственного процесса или отдельных его операций, увеличения стойкости продукта к
различным видам порчи, сохранения структуры и внешнего вида продукта или
намеренного изменения органолептических свойств [27].
Основные цели введения пищевых добавок (рис. 15) предусматривают
следующие результаты.
1. Совершенствование технологии подготовки и переработки пищевого
сырья, изготовления, фасовки, транспортировки и хранения продуктов питания.
97
Применяемые при этом добавки не должны маскировать последствий использования некачественного или испорченного сырья или проведения технологических операций в антисанитарных условиях.
2. Сохранение природных качеств пищевого продукта.
3. Улучшение органолептических свойств пищевых продуктов и увеличение их стабильности при хранении.
Цель
введения
Регулирование вкуса
Функциональные классы
добавок
Ароматизаторы
Вкусовые
добавки
Подслащивающие вещества
Кислоты и
регуляторы
кислотности
Улучшение
внешнего
вида
Красители
Отбеливатели
Стабилизаторы окраски
Регулирование консистенции и
формирование текстуры
Загустители
Гелеобразователи
Стабилизаторы
Эмульгаторы
Разжижители
Пенообразователи
Увеличение сохранности
Консерванты
Антиоксиданты
Влагоудерживающие
агенты
Пленкообразователи
Рис. 15. Пищевые добавки с различными технологическими функциями [28]
Применение пищевых добавок допустимо только в том случае, если они
даже при длительном потреблении в составе продукта не угрожают здоровью
человека, и при условии, если поставленные технологические задачи не могут
быть решены иным путем.
Обычно пищевые добавки разделяют на несколько групп:
– вещества, улучшающие внешний вид пищевых продуктов (красители,
стабилизаторы окраски, отбеливатели);
– вещества, регулирующие вкус продукта (ароматизаторы, вкусовые добавки, подслащивающие вещества, кислоты и регуляторы кислотности);
– вещества, регулирующие консистенцию и формирующие текстуру (загустители, гелеобразователи, стабилизаторы, эмульгаторы и др.);
– вещества, повышающие сохранность продуктов питания и увеличивающие сроки хранения (консерванты, антиоксиданты и др.).
98
К пищевым добавкам не относят соединения, повышающие пищевую
ценность продуктов питания и причисляемые к группе биологически активных
веществ, такие как витамины, микроэлементы, аминокислоты.
Эта классификация пищевых добавок основана на их технологических
функциях.
Закон о качестве и безопасности пищевых продуктов предлагает следующее определение: «пищевые добавки – природные или искусственные вещества и их соединения, специально вводимые в пищевые продукты в процессе
их изготовления в целях придания пищевым продуктам определенных свойств
и (или) сохранения качества пищевых продуктов».
Следовательно, пищевые добавки – это вещества (соединения), которые
сознательно вносят в пищевые продукты для выполнения определенных функций. Такие вещества, называемые также прямыми пищевыми добавками, не являются посторонними, как, например, разнообразные контаминанты, «случайно» попадающие в пищу на различных этапах ее изготовления.
Существует различие между пищевыми добавками и вспомогательными
материалами, употребляемыми в ходе технологического потока. Вспомогательные материалы – любые вещества или материалы, которые, не являясь пищевыми ингредиентами, преднамеренно используются при переработке сырья и
получения продукции с целью улучшения технологии; в готовых пищевых продуктах вспомогательные материалы должны полностью отсутствовать, но могут также определяться в виде не удаляемых остатков [28].
Пищевые добавки употребляются человеком в течение многих веков
(соль, перец, гвоздика, мускатный орех, корица, мед), однако широкое их использование началось в конце XIX в. и было связано с ростом населения и концентрацией его в городах, что вызвало необходимость увеличения объемов
производства продуктов питания, совершенствование традиционных технологий их получения с использованием достижений химии и биотехнологии.
Сегодня можно выделить еще несколько причин широкого использования
пищевых добавок производителями продуктов питания. К ним относятся:
– современные методы торговли в условиях перевоза продуктов питания
(в том числе скоропортящихся и быстро черствеющих продуктов) на большие
расстояния, что определило необходимость применения добавок, увеличивающих сроки сохранения их качества;
– быстро изменяющиеся индивидуальные представления современного
потребителя о продуктах питания, включающие их вкус и привлекательный
внешний вид, невысокую стоимость, удобство использования; удовлетворение
таких потребностей связано с использованием, например, ароматизаторов, красителей и других пищевых добавок;
– создание новых видов пищи, отвечающей современным требованиям
науки о питании (низкокалорийные продукты, аналоги мясных, молочных и
рыбных продуктов), что связано с использованием пищевых добавок, регулирующих консистенцию пищевых продуктов;
99
– совершенствование технологии получения традиционных пищевых
продуктов, создание новых продуктов питания, в том числе продуктов функционального назначения.
Число пищевых добавок, применяемых в производстве пищевых продуктов в разных странах, достигает сегодня 500 наименований (не считая комбинированных добавок, индивидуальных душистых веществ, ароматизаторов),
в Европейском Сообществе классифицировано около 300. Для гармонизации их
использования производителями разных стран Европейским Советом разработана рациональная система цифровой кодификации пищевых добавок с литерой
«Е». Она включена в кодекс для пищевых продуктов (Codex Alimentarius, Ed.2,
V.1) ФАО/ВОЗ (ФАО – Всемирная продовольственная и сельскохозяйственная
организация ООН; ВОЗ – Всемирная организация здравоохранения) как международная цифровая система кодификации пищевых добавок (International Numbering System — INS). Каждой пищевой добавке присвоен цифровой трех- или
четырехзначный номер (в Европе с предшествующей ему литерой Е). Они используются в сочетании с названиями функциональных классов, отражающих
группировку пищевых добавок по технологическим функциям (подклассам).
Индекс Е специалисты отождествляют как со словом Европа, так и с аббревиатурами EG/EV, которые в русском языке тоже начинаются с буквы Е, а
также со словами essbar/edible, что в переводе на русский (соответственно с немецкого и английского) означает «съедобный». Индекс Е в сочетании с трехили четырехзначным номером – синоним и часть сложного наименования конкретного химического вещества, являющегося пищевой добавкой. Присвоение
конкретному веществу статуса пищевой добавки и идентификационного номера с индексом «Е» имеет четкое толкование, подразумевающее, что:
а) данное конкретное вещество проверено на безопасность;
б) вещество может быть применено (рекомендовано) в рамках его установленной безопасности и технологической необходимости при условии, что
применение этого вещества не введет потребителя в заблуждение относительно
типа и состава пищевого продукта, в который оно внесено;
в) для данного вещества установлены критерии чистоты, необходимые
для достижения определенного уровня качества продуктов питания.
Следовательно, разрешенные пищевые добавки, имеющие индекс Е и
идентификационный номер, обладают определенным качеством. Качество пищевых добавок – совокупность характеристик, которые обусловливают технологические свойства и безопасность пищевых добавок [29].
Наличие пищевой добавки в продукте должно указываться на этикетке,
при этом она может обозначаться как индивидуальное вещество или как представитель конкретного функционального класса (с конкретной технологической
функцией) в сочетании с кодом Е. Например: бензоат натрия или консервант
Е211.
100
Согласно предложенной системе цифровой кодификации пищевых добавок, их классификация, в соответствии с назначением, выглядит следующим
образом (основные группы):
–Е100 – Е182 – красители;
–Е200 и далее – консерванты;
–Е300 и далее – антиокислители (антиоксиданты);
–Е400 и далее – стабилизаторы консистенции;
–Е450 и далее, Е1000 – эмульгаторы;
–Е500 и далее – регуляторы кислотности, разрыхлители;
–Е600 и далее – усилители вкуса и аромата;
–Е700-Е800 – запасные индексы для другой возможной информации;
–Е900 и далее – глазирующие агенты.
Многие пищевые добавки имеют комплексные технологические функции,
которые проявляются в зависимости от особенностей пищевой системы. Например, добавка Е339 (фосфаты натрия) может проявлять свойства регулятора
кислотности, эмульгатора, стабилизатора, комплексообразователя и водоудерживающего агента.
Применение пищевых добавок, естественно, ставит вопрос об их безопасности. При этом учитываются ПДК (мг/кг) –предельно допустимая концентрация чужеродных веществ (в том числе добавок) в продуктах питания,
ДСД (мг/кг массы тела) – допустимая суточная доза и ДСП (мг/сутки) –
допустимое суточное потребление – величина, рассчитываемая как произведение ДСД на среднюю величину массы тела – 60 кг.
Большинство пищевых добавок не имеет, как правило, пищевого значения, т.е. не является пластическим материалом для организма человека, хотя
некоторые пищевые добавки являются биологически активными веществами.
Применение пищевых добавок, как всяких чужеродных (обычно несъедобных)
ингредиентов пищевых продуктов, требует строгой регламентации и специального контроля.
Международный опыт организации и проведения системных токсиколого-гигиенических исследований пищевых добавок обобщен в специальном
документе ВОЗ (1987/1991) «Принципы оценки безопасности пищевых добавок
и контаминантов в продуктах питания».
Согласно Закону Российской Федерации (РФ) «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» государственный предупредительный
и текущий санитарный надзор осуществляется органами санитарноэпидемиологической службы. Безопасность применения пищевых добавок в
производстве пищевых продуктов регламентируется документами Министерства здравоохранения РФ.
Допустимое суточное потребление является центральным вопросом обеспечения безопасности пищевых добавок в течение последних 40 лет.
Необходимо отметить, что в последнее время появилось большое число
комплексных пищевых добавок. Под комплексными пищевыми добавками по-
101
нимают изготовленные промышленным способом смеси пищевых добавок одинакового или различного технологического назначения, в состав которых могут
входить, кроме пищевых добавок, и биологически активные добавки, и некоторые виды пищевого сырья (макроингредиенты): мука, сахар, крахмал, белок,
специи и т.д. Такие смеси не являются, строго говоря, пищевыми добавками, а
представляют собой технологические добавки комплексного действия. Особенно широкое распространение они получили в технологии хлебопечения, при
производстве мучных кондитерских изделий, в мясной промышленности. Иногда в эту группу включают вспомогательные материалы технологического характера.
За последние десятилетия в мире технологий и ассортимента пищевых
продуктов произошли громадные изменения. Они не только отразились на традиционных, апробированных временем технологиях и привычных продуктах
(хлеб, мучные кондитерские изделия, напитки и т.д.), но также привели к появлению новых групп продуктов питания с новым составом и свойствами (функциональных продуктов для массового потребителя, продуктов лечебного и детского питания и др.), к упрощению технологии и сокращению производственного цикла, выразились в принципиально новых технологических и аппаратурных решениях.
Использование большой группы пищевых добавок, получивших условное
название «технологические добавки», позволило получить ответы на многие из
актуальных вопросов. Они нашли широкое применение для решения ряда технологических проблем:
– ускорения технологических процессов (ферментные препараты, химические катализаторы отдельных технологических процессов и т.д.);
– регулирования и улучшения текстуры пищевых систем и готовых продуктов (эмульгаторы, гелеобразователи, стабилизаторы и т.д.);
– предотвращения комкования и слеживания продукта;
– улучшения качества сырья и готовых продуктов (отбеливатели муки,
фиксаторы миоглобина и т.д.);
– улучшения внешнего вида продуктов (полирующие средства);
– совершенствования экстракции (новые виды экстрагирующих веществ);
– решения самостоятельных технологических вопросов при производстве
отдельных пищевых продуктов.
Выделение из общего числа пищевых добавок самостоятельной группы
технологических добавок является в достаточной степени условным, так как в
отдельных случаях без них невозможен сам технологический процесс. Примерами таковых являются экстрагирующие вещества и катализаторы гидрирования жиров. Они не совершенствуют технологический процесс, а осуществляют
его, делают его возможным. Некоторые технологические добавки рассматриваются в других подклассах пищевых добавок, многие из них влияют на ход
технологического процесса, эффективность использования сырья и качество готовых продуктов.
102
Список вредных пищевых добавок [30]
Запрещенные - Е103, Е105, Е111, Е121, Е123, Е125, Е126, Е130, Е152,
Е211, Е952, Е103, Е105, Е111, Е121, Е123,Е125,Е126,Е130,Е152, Е240.
Опасные - Е102, Е110, Е120, Е124, Е127, Е129, Е155, Е180, Е201, Е220,
Е222, Е223, Е224, Е228, Е233, Е242, Е400, Е401, Е402, Е404, Е405, Е501, Е502,
Е503, Е510, Е513, Е527, Е620, Е636, Е637, Е131, Е142, Е153, Е210, Е212, Е213,
Е214, Е215, Е216, Е219, Е230, Е240, Е249, Е280, Е281, Е282, Е283, Е310, Е954.
Вызывают расстройство желудка - Е338, Е339, Е340, Е341, Е343, Е450,
Е461, Е462, Е463, Е465, Е466.
Вызывают кожные заболевания - Е151, Е160, Е231, Е232, Е239,
Е311,Е312, Е320, Е907, Е951, Е1105.
Вызывают расстройство кишечника - Е154, Е621, Е627, Е628, Е629,
Е630, Е631, Е633, Е634, Е635.
Вызывают проблемы с давлением - Е154, Е250, Е252.
Опасные для детей - Е270.
Подозрительные-Е104, Е122, Е111, Е171, Е173,Е241, Е477.
Безопасные - Е100 - куркумин (краситель), содержится в соусах, варенье,
кандированных фруктах, рыбных паштетах. Е363 - янтарная кислота (подкислитель), содержится в десертах, супах, сухих напитках. Е504 - карбонат магния
(разрыхлитель теста), может содержаться в сыре, жевательной резинке, пищевой соли. Е957 - тауматин (подсластитель), может содержаться в мороженом,
конфетах, сухофруктах.
Вредные добавки в продуктах питания [23, 29-31]
Колбасные изделия. Ежедневное употребление 50 г колбасных продуктов увеличивает вероятность возникновения злокачественных опухолей на
19 %. К такому выводу пришли ученые из Каролинского института. Особенно
страдает поджелудочная железа. Слишком яркий и аппетитный розовый цвет
изделий говорит о том, что фарш чересчур сдобрен нитритом натрия Е250, провоцирующим развитие рака. Эта добавка также используется при производстве
бетона и каучука. Нитрит натрия ГОСТом разрешен, но в малых дозах. Особую
опасность для здоровья вещество представляет при нагревании, например, если
вы решили поджарить колбаску. Тогда Е250 становится очень ядовитым.
Что делать? При покупке изделий обращайте внимание на структуру
среза. Она не должна быть пористой и крошиться. Чтобы проверить, насколько
натурален продукт, отрежьте кусочек и капните йод. Если капелька посинеет,
значит, в продукте много крахмала, а мяса почти нет.
Похрустим? Ну вот, как можно смотреть фильм и при этом что-нибудь
не грызть: сухарики, попкорн, чипсы, орешки и т.д.?
Кажется, что без этих хрустящих закусок и фильм какой-то не такой. А
вот ученые Стокгольмского университета обнаружили в чипсах, сухариках и
103
других продуктах, приготовленных во фритюре, глутамат натрия (Е621), который широко используется в медицине при изготовлении психотропных средств.
Так что продукты, чересчур сдобренные Е621, вызывают физическое и психическое привыкание. В прошлом году датчане доказали, что у женщин, предпочитающих похрустеть, рак груди встречается в 2 раза чаще, чем у тех, кто их
избегает.
Что делать? Старайтесь готовить закуски самостоятельно.
Спиртные напитки. Часто причиной плохого самочувствия после выпитого бокала вина является содержание в продукте диоксида серы (Е220), особенно опасного для астматиков. Присутствие завышенного процента диоксида
серы (выше чем 0,0002 %) может вызвать покраснение кожи, кашель, удушье. К
тому же Е220 блокирует поступление в организм витамина В1 (тиамин), недостаток которого может привести к нарушению работы нервной и сердечно-сосудистой системы [30].
Что делать? Внимательно читать этикетку и не только на бутылке с вином. Е220 может присутствовать в пиве, соках, алкогольных коктейлях, детском питании, энергетиках.
Филе ли? Рыбу без костей мы называем филе. Это всегда подразумевалось, что из рыбы их просто удалили. Но некоторые недобросовестные производители не идут столь сложным путем. Они опускают рыбу в специальный
химический раствор, и кости в нем полностью растворяются. Медики считают,
что химикат может вызвать заболевания желудка. А чтобы кусочки филе после
разморозки сохраняли форму, рыбе на заводе вкалывают полифосфаты (Е452),
которые удерживают влагу в продукте. Кстати, Е452 широко используют в
производстве бытовой химии. Неудивительно, что, съев кусочек семги, чересчур сдобренный Е452, у человека нарушается баланс фосфора и кальция в организме, таким образом увеличивается риск возникновения остеопороза.
Что делать? После разморозки надавите на филе. Если из него вытекает
много воды, значит, в рыбную массу добавляли полифосфаты.
Рыба. Семга яркого розового цвета вызывает у покупателей аппетит. Но
рыба так «похорошела» не случайно. В хозяйствах, где ее выращивают, в корм
добавляли красители, в частности кармуазин (Е122), который является сильным
аллергеном. Кроме крашеного корма, рыбу иногда кормят стимуляторами роста, а чтобы она быстрее набирала вес, ее держат в специальных аквариумах без
движения. Порой у такой рыбы даже отсутствуют плавники.
Что делать? Аккуратнее относитесь к рыбе яркого цвета. Та, что выросла
в природных условиях, бледно-розовая и с длинными плавниками.
Жевательная резинка. Из чего же, из чего же сделана жевательная резинка? Из подсластителей, и загустителей, и красителей. Например, сладкий
вкус дает сорбит Е420 - шестиатомный спирт. В США он запрещен, а у нас...
Это вещество может изменять действие некоторых лекарственных препаратов,
которые при взаимодействии с сорбитом могут становиться ядовитыми для организма. Или как вам заменитель сахара аспартам Е951, который в организме
104
человека распадается на аминокислоты и метанол? Метанол является ядом,
действующим на нервную и сосудистую системы организма.
Что делать: Пользуйтесь зубной нитью, зубочистками, полоскайте полость рта после еды.
Йогурты. Зачастую дешевые фруктовые йогурты содержат целый букет
пищевых добавок. Например, стабилизатор Е1442, который обеспечивает вязкость продукта. Добавка, попадая в желудок, может замедлить процесс пищеварения, вызвать аллергические реакции. Приобретая йогурт, например, со вкусом груши, вы покупаете продукт, в котором груша, скорее всего, никогда не
присутствовала. Характерный фруктовый вкус создает бутилацетат. А это, в
свою очередь, растворитель, который широко применяется в лакокрасочной
промышленности.
Что делать? Покупайте натуральные йогурты с маленьким сроком хранения, а фрукты не поленитесь и нарежьте самостоятельно.
Опасная вода. Последние исследования, проведенные сотрудниками Королевской клиники Дании, показали, что у мужчин, регулярно употребляющих
сладкую газировку, высокий риск стать бесплодными. А женщины увеличивают риск развития диабета во время беременности. Ортофосфорная кислота
Е338, входящая в состав напитков, вызывает мочекаменную болезнь, дефицит
кальция и растворяет зубную эмаль. Использование в газировке бензоата натрия Е211 способствует развитию аллергии.
Что делать? До или после употребления газировки пейте воду. Вода разбавит ее концентрацию в желудке и поможет быстрее вывести из организма.
Пейте напиток только из трубочки, так как он сильно разъедает эмаль зубов. А
лучше купите сифон и делайте газированную воду самостоятельно.
Молочные продукты. В 2004 году в Китае было зарегистрировано массовое отравление детей молочной смесью. На экспертизе в детской смеси был
обнаружен меламин. Производители молока добавляли опасный ингредиент в
продукт, чтобы повысить содержание белка и подогнать его под стандарт. Если
меламин регулярно попадает в организм, это приводит к острой почечной недостаточности. Но и это еще не все. Порой производители превышают нормативы использования пищевой добавки Е171 – диоксид титана. Это вещество
имеет хорошие отбеливающие свойства. При попадании внутрь может вызвать
заболевания печени и почек. Больше всего настораживает то, что Е171 широко
применяется в производстве лакокрасочной продукции.
Что делать? Выбирайте продукты с маленьким сроком хранения.
Мука. Мука, откровенно говоря, должна быть не белой, а серой. Но почему-то серый цвет покупателя пугает. Для того чтобы мука была белоснежной,
производители зачастую используют двуокись хлора (Е926) она приводит к поражению нервной системы, пероксид бензоила (Е928) приводит к раковым заболеваниям и т.д. Также отбеливанию подвергают орехи, бобовые, рыбные
консервы, отдельные сорта сыра.
105
Что делать? Старайтесь употреблять муку второго сорта и хлеб с отрубями.
Фрукты и овощи. Апельсины, лимоны, огурцы, яблоки и другие фруктыовощи, попадающие к нам на прилавки из дальних стран, могут быть опасны.
Чтобы сохранить внешний вид плодов при транспортировке, их кожуру обрабатывают дифенилом (Е230). Если это вещество попадет внутрь организма, то
может спровоцировать рвоту, воспалительные процессы на слизистых оболочках, нарушить работу печени, почек.
Что делать? Покупайте фрукты и овощи по сезону. Тщательно мойте
плоды перед употреблением или подержите их в воде пару часов. Кстати, медики рекомендуют после мытья обдать фрукты и овощи кипятком [31, 32].
Соусы. Частенько, чтобы придать блюдам пикантности, мы сдабриваем
их майонезом, кетчупом, горчицей и т.д. Но мало кто знает, что всеми любимый майонез может содержать антибиотики, которые разрушают микрофлору
кишечника, а в горчице можно обнаружить краситель тартразин Е102, который
способен вызвать мигрень, аллергию или ухудшить зрение.
Что делать? Готовьте соусы и маринады самостоятельно. В этом нет ничего сложного.
Холодное лакомство. Последнее время в составе некоторого фруктового
мороженого все чаще встречается карбоксиметилцеллюлоза (Е466) - добавка,
которая запрещена в ряде стран, так как является сильными аллергеном, вызывает расстройство желудка. Практически все вкусовые добавки, особенно фруктовые, полностью состоят из синтетических заменителей натуральных продуктов. Британские ученые доказали, что употребление продуктов, в составе которых есть Е466, приводит к развитию гиперактивности у детей.
Что делать? Старайтесь покупать натуральное мороженое.
Леденцы. При производстве леденцов и карамели должны использоваться сахар и фруктовое пюре. Но некоторые производители в целях экономии
кладут в леденцы все больше искусственных красителей, ароматизаторов и загустителей. Так, например, леденцы насыщенного красного цвета содержат
кармуазин (Е122), который является сильным аллергеном и запрещен в ряде европейских стран. Синий краситель, индигокармин (Е132), провоцирует астму,
аллергию, проблемы с сердцем и злокачественные опухоли.
Что делать? Откажитесь от покупки леденцов кислотных цветов.
Токсичная посуда. Конечно, пластиковая посуда удобна, когда вы собираетесь на пикник. По словам медиков, в пластик добавляют веществастабилизаторы. Стоит налить горячий напиток, как безобидный стаканчик начинает выделять токсичное соединение под названием стирол. При регулярном
употреблении это вещество может накапливаться в печени и почках. Несмотря
на то, что пластик выдерживает температуру до 1000 С, при соприкосновении с
химическими веществами, например, с алкоголем, такая посуда начинает выделять ядовитое вещество фенол, который считается канцерогенным веществом.
106
Что делать? Покупайте бумажную посуду. Она производится из натурального сырья и без вреда для окружающей среды быстро утилизируется.
Кроме того, тара из бумаги дольше держит тепло и позволяет сохранить здоровье.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
Что называют рациональным питанием?
Что представляет из себя пищевой рацион?
К чему может привести нерегулярное питание?
Какую пищу называют полезной? Приведите пример здорового меню.
В результате чего возникает ожирение?
3. БИОТЕХНОЛОГИЯ
3.1. Научные основы биотехнологии
Биотехнология – уникальная наука, ибо она использует живые организмы и биологические процессы в практических интересах человека. Имея грандиозные перспективы, она в большей степени зависит от развития фундаментальных наук: микробиологии, биохимии, генетики, молекулярной биологии, а
также от таких наук, как физика, математика и экономика. Термин "биотехнология" возник в начале 70-х годов XX в. [33].
Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25–30 лет. Основу
этих событий составили новые представления в области наследственности и
методические усовершенствования, которые приблизили человечество к познанию превращений ее материального субстрата и проложили дорогу новейшим
промышленным процессам. Помимо этого, ряд важнейших открытий в других
областях также повлиял на развитие биотехнологии.
Генная инженерия существует немногим более 20 лет. Она блестяще раскрыла свои возможности в области прокариотических организмов. Однако новые технологии, применяемые к высшим растениям и животным, пока не столь
значительны. Попытки применения приемов генной инженерии к высшим растениям и животным сталкиваются с огромными трудностями, обусловленными
как несовершенством наших знаний по генетике эукариот, так и сложностью
организации высших организмов.
Использование научных достижений и практические успехи биотехнологии обеспечиваются фундаментальными исследованиями и реализуются на самом высоком уровне современной науки. В этом плане нельзя не отметить удивительную научную многоликость биотехнологии: ее развитие и достижения
107
теснейшим образом связаны и зависят от комплекса знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других.
Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое
получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности. Эти технологии базируются на использовании каталитического потенциала
различных биологических агентов и систем – микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток. В настоящее время разработка и освоение биотехнологии занимают важное место в деятельности практически всех стран. Достижение превосходства в биотехнологии является одной их центральных задач в экономической политике развитых стран. Лидерами биотехнологии считаются сегодня
США и Япония, накопившие многолетний опыт биотехнологий для сельского
хозяйства, фармацевтической, пищевой и химической промышленности. Прочное положение в производстве ферментных препаратов, аминокислот, белка,
медикаментов занимают страны Западной Европы (ФРГ, Франция, Великобритания), а также Россия. Эти страны характеризуются мощным потенциалом новой техники и технологии, интенсивными фундаментальными и прикладными
исследованиями в различных областях биотехнологии. Определить сегодня, что
же такое биотехнология, весьма не просто.
Вместе с тем само появление этого термина в нашем словаре глубоко
символично. Оно отражает мнение, что применение биотехнологических материалов и принципов в ближайшие годы радикально изменит многие отрасли
промышленности и само человеческое общество. Интерес к этой науке и темпы
ее развития в последние годы растут очень быстро.
Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб, получали кисломолочные продукты, применяли ферментации для получения лекарственных веществ и переработки отходов.
Но только новейшие методы биотехнологии, включая методы генетической
инженерии, основанные на работе с рекомбинантными ДНК, привели к «биотехнологическому буму», свидетелями которого являемся мы в настоящее время. Новейшие технологии генетической инженерии позволяют существенно
усовершенствовать традиционные биотехнологические процессы, а также получать принципиально новыми, ранее недоступными способами разнообразные
ценные продукты [34].
Современный этап научно-технического прогресса характеризуется революционными изменениями в биологии, которая становится лидером естествознания. Биология вышла на молекулярный и субклеточный уровень, в ней интенсивно применяются методы смежных наук (физики, химии, математики, кибернетики и др.), системные подходы. Бурное развитие комплекса наук биологического профиля с расширением практической сферы их применения обусловлено также социально-экономическими потребностями общества. Такие
актуальные проблемы, стоящие перед человечеством второй половины ХХ века, как дефицит чистой воды и пищевых веществ (в особенности белковых), за-
108
грязнение окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость развития новых средств диагностики и лечения, не могут
быть решены традиционными методами. Поэтому возникла острая необходимость в разработке и внедрение принципиально новых методов и технологий.
Большая роль в решение комплекса этих проблем отводится биотехнологии, в
рамках которой осуществляется целевое применение биологических систем и
процессов в различных сферах человеческой деятельности. В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения целесообразно
выделить в качестве самостоятельных разделов следующие:
- промышленная микробиология;
- медицинская биотехнология;
- технологическая биоэнергетика;
- сельскохозяйственная биотехнология;
- биогидрометаллургия;
- инженерная энзимология;
- клеточная и генетическая инженерия;
Перспективность и эффективность применения биотехнологических процессов в различных сферах человеческой деятельности, от получения пищи и
напитков до воспроизводства экологически чистых энергоносителей и новых
материалов, обусловлена их компактностью и одновременно крупномасштабностью, высоким уровнем механизации и производительности труда. Эти процессы поддаются контролю, регулированию и автоматизации.
Биотехнологические процессы, в отличие от химических, реализуются в
«мягких» условиях, при нормальном давлении, активной реакции и невысоких
температурах среды; они в меньшей степени загрязняют окружающую среду
отходами и побочными продуктами, мало зависят от климатических и погодных условий, не требуют больших земельных площадей, не нуждаются в применении пестицидов, гербицидов и других чужеродных для окружающей среды
агентов. Поэтому биотехнология в целом и ее отдельные разделы находятся в
ряду наиболее приоритетных направлений научно-технического прогресса и
являются ярким примером «высоких технологий», с которыми связывают перспективы развития многих производств. Биологические технологии находятся в
настоящее время в фазе бурного развития, но уровень их развития во многом
определяется научно-техническим потенциалом страны.
Все высокоразвитые страны мира относят биотехнологию к одной из
важнейших современных отраслей, считая ее ключевым методом реконструкции промышленности в соответствии с потребностями времени, и принимают
меры по стимулированию ее развития.
Биотехнологические процессы многолики по своим историческим корням
и по своей структуре, они объединяют элементы фундаментальных наук, а также ряда прикладных отраслей, таких как химическая технология, машиностроение, экономика. Научная многоликость биотехнологии в целом и ее раздела, имеющего целью решение природоохранных задач, удивительна: она ис-
109
пользует достижения наук биологического цикла, изучающих надорганизменный уровень (экология), биологические организмы (микробиология, микология), суборганизменные структуры (молекулярная биология, генетика). Через
биологию на биотехнологию влияют химия, физика, математика, кибернетика,
механика. Современные биотехнологии также остро нуждаются в научно обоснованной проработке технологии и аппаратурном оформлении. Поэтому необходима органическая связь с техническими науками – машиностроением, электроникой, автоматикой. Общественные и экономические науки также играют
большую роль в развитии экологической биотехнологии, так как решаемые ею
практические задачи имеют большое социально-экономическое значение для
развития любого общества. К биотехнологии, как ни к одной любой отрасли и
области научных знаний, подходят знаменитые слова Луи Пастера: «Нет, и еще
тысячу раз нет, я не знаю такой науки, которую можно было бы назвать прикладной. Есть наука, и есть области ее применения, и они связаны друг с другом, как плод с взрастившим его деревом» [35].
Важнейшей задачей любого биотехнологического процесса является разработка и оптимизация научно обоснованной технологии и аппаратуры для него. При организации биотехнологических производств частично был заимствован опыт развитой к тому времени химической технологии. Однако биотехнологические процессы имеют существенное отличие от химических в силу того,
что в биотехнологии используют более сложную организацию материи – биологическую. Каждый биологический объект (клетка, фермент и т. д.) – это автономная саморегулирующаяся система. Природа биологических процессов
сложна и далеко не выяснена окончательно. Для микробных популяций, например, характерна существенная гетерогенность по ряду признаков – возраст, физиологическая активность, устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды. Они также подвержены случайным мутациям, частота которых
составляет от 10-4 до 10-8. Гетерогенность также может быть обусловлена наличием поверхностей раздела фаз и неоднородностью условий среды.
В общем виде любой биотехнологический процесс включает три основные стадии: предферментационную, ферментационную и постферментационную.
На предферментационной стадии осуществляют хранение и подготовку
культуры продуцента (инокулята), получение и подготовку питательных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологической и рециркулируемой воды и воздуха. Поддержание и подготовка чистой культуры является
очень важным моментом предферментационной стадии, так как продуцент, его
физиолого-биохимические характеристики и свойства определяют эффективность всего биотехнологического процесса. В отделении чистой культуры осуществляют хранение производственных штаммов и обеспечивают их реактивацию и наработку инокулята в количествах, требуемых для начала процесса. При
выращивании посевных доз инокулята применяют принцип масштабирования,
то есть проводят последовательное наращивание биомассы продуцента в кол-
110
бах, бутылях, далее в серии ферментеров. Каждый последующий этап данного
процесса отличается по объему от предыдущего обычно на порядок. Полученный инокулят по стерильной посевной линии направляется далее в аппарат, в
котором реализуется ферментационная стадия. Приготовление питательных
сред осуществляется в специальных реакторах, оборудованных мешалками. В
зависимости от растворимости и совместимости компонентов сред могут быть
применены отдельные реакторы. Технология приготовления сред значительно
усложняется, если в их состав входят нерастворимые компоненты. В различных
биотехнологических процессах применяются различные по происхождению и
количествам субстраты, поэтому процесс их приготовления варьируется. Дозирование питательных компонентов подбирается и осуществляется индивидуально на каждом производстве в соответствии с Технологическим регламентом
конкретного процесса. В качестве дозирующего оборудования при этом применяются весовые и объемные устройства, используемые в пищевой и химической промышленности. Транспорт веществ осуществляется насосами, ленточными и шнековыми транспортерами. Сыпучие компоненты подают в ферментеры с помощью вакуумных насосов. Часто применяют принцип предварительных смесей, то есть соли предварительно растворяют и затем транспортируют
по трубопроводам, дозируя их подачу по объему. В силу исключительного разнообразия биотехнологических процессов и применяемых для их реализации
сред, методов и аппаратуры рассмотрение данных элементов далее будет связано с конкретными биотехнологическими производствами [36].
Стадия ферментации является основной стадией в биотехнологическом
процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование целевых продуктов (биомасс, эндо- и экзопродуктов). Эта
стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментере) и может быть
организована в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта различными способами. Ферментация может проходить в строго асептических условиях и без соблюдения
правил стерильности (так называемая незащищенная ферментация); на жидких
и на твердых средах; анаэробно и аэробно. Аэробная ферментация, в свою очередь, может протекать поверхностно или глубинно (во всей толще питательной
среды).
Культивирование биологических объектов может осуществляться в периодическом и проточном режимах, полунепрерывно с подпиткой субстратом.
При периодическом способе культивирования ферментер заполняется исходной
питательной средой и инокулятом микроорганизмов. В течение определенного
периода времени в аппарате происходит взаимодействие микроорганизмов и
субстрат, сопровождающееся образованием в культуре продукта.
Биохимические превращения в этом аппарате продолжаются от десятков
часов до нескольких суток. Регуляция условий внутри ферментера – важнейшая
задача периодического культивирования микроорганизмов. В ходе периодической ферментации выращиваемая культура проходит ряд последовательных
111
стадий: лаг-фазу, экспоненциальную, замедления роста, стационарную и отмирания. При этом происходят существенные изменения физиологического состояния биообъекта, а также ряда параметров среды. Целевые продукты образуются в экспоненциальной (первичные метаболиты – ферменты, аминокислоты, витамины) и стационарной (вторичные метаболиты –антибиотики) фазах,
поэтому в зависимости от целей биотехнологического процесса в современных
промышленных процессах применяют принцип дифференцированных режимов
культивирования. В результате этого создаются условия для максимальной
продукции того или иного целевого продукта. Периодически ферментер опорожняют, производят выделение и очистку продукта, и начинается новый цикл.
Непрерывный процесс культивирования микроорганизмов обладает существенными преимуществами перед периодическим. Непрерывная ферментация осуществляется в условиях установившегося режима, когда микробная популяция и ее продукты наиболее однородны. Применение непрерывных процессов ферментации создает условия для эффективного регулирования и
управления процессами биосинтеза. Системы непрерывной ферментации могут
быть организованы по принципу полного вытеснения или полного смешения.
Первый пример – так называемая тубулярная культура [37].
Процесс ферментации осуществляется в длинной трубе, в которую с одного конца непрерывно поступают питательные компоненты и инокулят, а из
другого с той же скоростью вытекает культуральная жидкость. Данная система
проточной ферментации гетерогенна.
При непрерывной ферментации в ферментах полного смешения (гомогенно-проточный способ) во всей массе ферментационного аппарата создаются
одинаковые условия. Применение таких систем ферментации позволяет эффективно управлять отдельными стадиями, а также всем биотехнологическим процессом и стабилизировать продуцент в практически любом требуемом экспериментатору или биотехнологу состоянии. Управление подобными установками осуществляется двумя способами.
Турбидостатный способ базируется на измерении мутности выходящего
потока. Измерение мутности микробной суспензии, вызванное ростом клеток,
служит мерой скорости роста, с которой микроорганизмы выходят из биореактора. Это позволяет регулировать скорость поступления в ферментер свежей
питательной среды. Второй метод контроля, хемостатный, проще.
Управление процессом в хемостате осуществляется измерением не выходящего, а входящего потока. При этом концентрацию одного из компонентов
питательной среды (углерод, кислород, азот), поступающего в ферментер, устанавливают на таком уровне, при котором другие питательные компоненты находятся в избытке, то есть лимитирующая концентрация задающегося биогенного элемента ограничивает скорость размножения клеток в культуре.
Обеспечение процесса ферментации с точки зрения инженерной реализации сводится к дозированному поступлению в ферментер потоков (инокулята,
воздуха (или газовых смесей), питательных биогенов, пеногасителей) и отвода
112
из него тепла, отработанного воздуха, культуральной жидкости, а также измерению и стабилизации основных параметров процесса на уровне, требуемом
для оптимального развития продуцента и образования целевого продукта.
В ходе ферментации образуются сложные смеси, содержащие клетки,
внеклеточные метаболиты, остаточные концентрации исходного субстрата. При
этом целевые продукты, как правило, находятся в этой смеси в небольших концентрациях, а многие из них легко разрушаются. Все это накладывает существенные ограничения на методы выделения и сушки биологических препаратов
[38].
Постферментационная стадия обеспечивает получение готовой товарной
продукции и также, что не менее важно, обезвреживание отходов и побочных
продуктов. В зависимости от локализации конечного продукта (клетка или
культуральная жидкость) и его природы на постферментационной стадии применяют различную аппаратуру и методы выделения и очистки. Наиболее трудоемко выделение продукта, накапливающегося в клетках.
Первым этапом постферментационной стадии является фракционирование культуральной жидкости и отделение взвешенной фазы – биомассы. Наиболее распространенный для этих целей метод – сепарация, осуществляемая в
специальных аппаратах – сепараторах, которые работают по различным схемам
в зависимости от свойств обрабатываемой культуральной жидкости. Основные
проблемы возникают при необходимости выделения мелковзвешенных частиц
с размером 0,5–1,0 мкм и менее (бактериальные клетки) и необходимостью переработки больших объемов жидкости (производство кормового белка, ряда
аминокислот). Для повышения эффективности процесса сепарации применяют
предварительную специальную обработку культуры –изменение рН, нагревание, добавление химических агентов. Для увеличения сроков годности биотехнологических продуктов производят их обезвоживание и стабилизацию. В зависимости от свойств продукта применяют различные методы высушивания.
Сушка термостабильных препаратов осуществляется на подносах, ленточном
конвейере, а также в кипящем слое. Особо чувствительные к нагреванию препараты высушивают в вакуум-сушильных шкафах при пониженном давлении и
температуре и в распылительных сушилках. К стабилизации свойств биотехнологических продуктов ведет добавление в качестве наполнителей различных
веществ. Для стабилизации кормового белка применяют пшеничные отруби,
кукурузную муку, обладающие дополнительной питательной ценностью. Для
стабилизации ферментных препаратов используют глицерин и углеводы, которые препятствуют денатурации ферментов, а также неорганические ионы кобальта, магния, натрия, антибиотики [39].
Основными элементами, слагающими биотехнологические процессы, являются: биологический агент, субстрат, аппаратура и продукт.
113
Контрольные вопросы
Дайте определение биотехнологии.
Перечислите основные разделы современной биотехнологии.
В чем отличия биотехнологических и химических процессов?
В каких отраслях используются современные биотехнологические методы?
5. В чем заключается основная задача любого биотехнологического процесса?
1.
2.
3.
4.
3.2. Новые направления биотехнологии
Сегодня биотехнология стремительно выдвинулась на передние позиции
научно-технического прогресса. Фундаментальные исследования жизненных
явлений на клеточном и молекулярном уровнях привели к появлению принципиально новых технологий и получению новых продуктов. Традиционные биотехнологические процессы, основанные на брожении, дополняются новыми
эффективными процессами получения белков, аминокислот, антибиотиков,
ферментов, витаминов, органических кислот. Наступила эра новейшей биотехнологии, связанная с получением вакцин, гормонов, интерферонов. Важнейшими задачами, стоящими перед биотехнологией сегодня, приняты: повышение
продуктивности сельскохозяйственных растительных культур и животных, создание новых пород культивируемых в сельском хозяйстве видов, защита окружающей среды и утилизация отходов, создание новых экологически чистых
процессов преобразования энергии и получения минеральных ресурсов.
Характеризуя перспективы и роль биотехнологии в человеческом обществе, уместно прибегнуть к высказыванию на одном из симпозиумов по биотехнологии японского профессора К. Сакагучи, который говорил следующее:
«... ищите все что пожелаете у микроорганизмов, и они не подведут вас... Изучение и применение в промышленности культур клеток млекопитающих и растений, иммобилизация не только одноклеточных, но и клеток многоклеточных
организмов, развитие энзимологии, генетической инженерии, вмешательство в
сложный и недостаточно изученный наследственный аппарат растений и животных все больше расширят области применения существующих направлений
биотехнологии и создадут принципиально новые направления» [40].
В определении оптимального направления развития биологических технологий, независимо от области их применения, большую роль играет международное сотрудничество, которое обеспечивает выбор той или иной технологии с учетом экономико-социальных условий отдельных стран. Примером региональной кооперации в биотехнологии может служить ЦентральноАмериканский институт промышленных исследований (ICAITI), созданный в
1955 году. Этот институт, расположенный в Гватемале, содействует промышленному развитию региона, который может обеспечить достаточный уровень
114
биопромышленности с учетом имеющихся территорий, климатогеографических
условий и огромного количества побочных продуктов и отходов сельскохозяйственного производства. В рамках ICAITI в 1970 году был создан биотехнологический отдел, являющийся штаб-квартирой Международного центра по исследованию микробных ресурсов (MIRCEN) данного региона, субсидируемого
ЮНЕСКО. Исследовательские проекты института сосредоточились в двух направлениях, связанных с основными видами сельского хозяйства региона: переработкой кофейных зерен и получением сахара. Накапливающиеся в огромных количествах отходы данных технологий были использованы в качестве
субстратов для производства биогаза и микробной биомассы. Были разработаны также процессы получения спирта из соков тропических фруктов, а на основе иммобилизованных ферментов созданы производства осахаривания фруктозных сиропов из сахарного тростника, разработаны новые технологии ферментации овощей под воздействием чистых культур лактобацилл. Таким образом, наличие этого института сформировало фронт биотехнологических работ,
внедрение которых способствовало экономическому развитию региона.
С целью переноса новейших технологий из развитых стран в развивающиеся ООН создан Международный центр генной инженерии и биотехнологии.
Под эгидой Организации промышленного развития ООН (UNIDO) создана комиссия для изучения мнения государств-членов по взаимодействию с Международным центром. На базе совместных исследований центром запланировано
создать школу для подготовки специалистов из развивающихся стран. В качестве направлений совместных исследований комиссией UNIDO рекомендованы: использование энергии биомассы, добыча нефти из истощающихся скважин, усовершенствование методов ферментации, синтез лекарств против тропических болезней, получение эффективных вакцин для человека и домашних
животных, селекция высокоурожайных и устойчивых к болезням сортов культурных растений.
Биотехнология в селекции и растениеводстве. Важнейшее место биотехнологии и биоинженерии принадлежит в современной селекции растений на
устойчивость и качество продукции, создание нового поколения сортовых ресурсов страны и мира. Основные исследования биотехнологов направлены на
создание улучшенных и принципиально новых генотипов сельскохозяйственных растений, обладающих единичной, групповой или комплексной устойчивостью к биотическим или абиотическим стрессовым факторам среды при сохранении и повышении их продуктивности и качества.
Биотехнология в животноводстве. Ученые-биотехнологи России совестно с селекционерами, ветврачами и другими специалистами решают приоритетные проблемы животноводства. Важнейшей из них является получение
трансгенных животных: крупного рогатого скота, овец, свиней, кроликов и
птицы, отличающихся устойчивостью к опасным вирусным и другим инфекциям. На очереди получение трансгенных животных, устойчивых к лейкозу, туберкулезу, бруцеллезу и другим болезням.
115
Биотехнология и ветеринарная медицина. Наибольших результатов в
ветеринарной биотехнологии и медицине добились в микробиологии при решении профилактических и терапевтических задач по защите различных видов
скота и птицы от болезней, обеспечении условий для ветеринарной безопасности животноводства. Совместно с ветеринарными специалистами разработаны
методы получения и организовано промышленное производство одновалентных и поливалентных сывороток профилактического и препаратов терапевтического действия, полученных генно-инженерными методами.
Разработаны также способы массового культивирования клеток и вирусов
на биофабриках, что позволяет выпускать более 40 вирус-вакцин против наиболее опасных вирусных инфекций — бешенства, инфекционного ринотрахеита,
чумы и других заболеваний, в том числе вызываемых бактериальными и грибковыми возбудителями.
Биотехнология в переработке и хранении сельскохозяйственной продукции. Биотехнологические методы и приемы направлены на сохранение и
улучшение вкусовых и других качеств продукции, основанных на применении
биологических компонентов-добавок – консервантов и пищевкусовых соединений растительного и синтетического происхождения; мембранной технологии,
трансгенных микроорганизмов, обеспечивающих надежную и длительную сохранность продукции. Современная промышленность, производящая витамины,
аминокислоты, кормовые и пищевые добавки, почти полностью основана на
современных методах биотехнологии.
Современное состояние пищевой биотехнологии. В настоящее время
биотехнология является динамично развивающейся отраслью во всем мире и в
России. Неслучайно по решению ООН XXI век объявлен веком биотехнологии.
Учёные считают, что именно с её помощью можно будет решить глобальные
экологические проблемы, стабилизировать промышленность, создать новые
конкурентоспособные рынки. Биотехнология относится к числу так называемых высоких технологий, и инвестиции, вкладываемые в ее развитие, все более
возрастают. Предполагается, к 2013 г. объём мирового биотехнологического
сектора будет составлять 4 трлн евро.
Учёные России: А.Н. Богатырев, О.В. Большаков, Л.Н. Крикунова, О.А.
Маслённикова, А.П. Нечаев, В.А. Панфилов, И.А. Рогов, В.Н. Сергеев, Е.И. Сизенко, В.И. Тужилкин – сделали глубокий анализ состояния и перспектив развития биотехнологии [41].
Во всем мире основные направления развития биотехнологии обусловлены потребностью в определенных продуктах и энергии при одновременно
имеющейся необходимости использовать сырьевые отходы.
Для удовлетворения потребностей в пищевых продуктах непрерывно растущего населения планеты, численность которого свыше 6 млрд человек, необходимо увеличивать эффективность растениеводства и животноводства. На решение этой проблемы в первую очередь направлены усилия биотехнологов.
116
Ресурсы растительного и животного белка не могут удовлетворить возрастающие потребности в нем. Запасы белка ограничены урожайностью сельскохозяйственных культур, размерами посевных площадей, продуктивностью
животных, возможностями добычи продуктов Мирового океана и многими другими условиями.
Один из путей получения белковых веществ – микробный синтез. Сырье,
которое непосредственно не может быть использовано на изготовление пищевых продуктов, с помощью микроорганизмов превращается в богатую белками
биомассу. Микроорганизмы способны накапливать до 60-70 % белка от сухой
биомассы, образовывать также углеводы, липиды, витамины, минеральные вещества; их продуктивность превышает продуктивность растений и сельскохозяйственных животных во много раз. Получаемую биомассу можно непосредственно применять в качестве обогатителя кормов или направлять на получение
очищенных белковых препаратов для пищевых целей.
Полноценность пищи и кормов определяется содержанием не только белков, но и незаменимых аминокислот, поэтому весьма перспективно использовать для обогащения кормов и пищи отдельные аминокислоты или их сбалансированную смесь.
Аминокислоты можно получать в процессе трансформации их предшественников с помощью микроорганизмов или вырабатываемых ими ферментов, а
также путем гидролиза природных белков и микробного синтеза.
В настоящее время значительное количество растительных и животных
жиров расходуется на технические нужды. Замена пищевых жиров микробными даст заметный экономический эффект. Выработка липидов с помощью микроорганизмов возможна по двум направлениям: специализированное производство, основанное на направленном биосинтезе липидов микробной клеткой, и
получение отхода в виде микробного жира при выращивании кормовых дрожжей. Синтезируемые микроорганизмами биологически активные вещества могут быть обогатителями пищи человека, а также кормов сельскохозяйственных
животных.
При использовании методов генной инженерии открываются широкие
возможности дальнейшего развития биотехнологии, включая создание новых
биотехнологических процессов.
Все более пристальное внимание исследователей привлекают термофильные и термотолерантные процессы, характеризующиеся высокой биоэнергетикой и позволяющие эффективнее решать проблемы теплоотвода, проводить
биокаталитические реакции с высокой скоростью, снизить опасность загрязнения среды культивирования или биокатализа посторонней микрофлорой.
Эффективность любой промышленной биотехнологии определяется себестоимостью целевого продукта, которая зависит от его выхода, конверсии субстрата и от удельного расхода энергии. Применяя энергосберегающие технологии, можно выявить резервы снижения себестоимости продуктов микробного
синтеза.
117
Одна из важнейших задач биотехнологии – необходимость организации
переработки возобновляемых нерастворимых видов растительного сырья:
крахмала и целлолигнинового комплекса с выбором наиболее эффективного
способа его конверсии (гидролиз, прямое культивирование микроорганизмов,
газификация и др.).
При микробной деградации и конверсии целлюлоз и гемицеллюлоз можно получать этиловый спирт и сырье для химической промышленности: фурфурол, фенолы, крезолы. Методами генной инженерии можно создать штаммы,
которые будут лучше адаптированы к этим типам конверсии, и получить большой выход продукции.
Переработка побочных продуктов сельского хозяйства и отходов пищевой промышленности микроорганизмами зависит от того, насколько рентабелен этот процесс по сравнению с употреблением других субстратов. Необходимо также учитывать последствия для окружающей среды. Биотехнологические
процессы также вызывают химическое и биологическое загрязнение окружающей среды, но с помощью микроорганизмов можно удалять существенную
часть органических загрязнений, содержащихся в сточных водах различных
производств, уменьшать количество остаточною шлама, снимать неприятные
запахи.
Важную роль в экологически безопасном и устойчивом развитии тех
стран, которые используют широкие возможности биотехнологии, может сыграть выполнение основных положений программы:
– увеличение продуктов питания, кормов и возобновляемых источников
сырья;
– улучшение здоровья населения;
– улучшение охраны окружающей среды;
– биобезопасность и международное сотрудничество;
–содействие процессу передачи и использования биотехнологии.
Биотехнология рассматривается как приоритетное направление в большинстве высокоразвитых стран.
Перспективы использования продуктов биотехнологии в пищевой промышленности очень большие. С помощью микроорганизмов и культур растительных клеток можно получить для пищевой промышленности ценные метаболиты и добавки в продукты, отличающиеся от синтетических продуктов
своим естественным составом и отсутствием вредных примесей.
В настоящее время насчитывается более 50 групп вторичных метаболитов, продуцируемых культурами клеток растений. К таким метаболитам относятся структурный белок, аминокислоты, липиды, масла, душистые вещества,
органические кислоты, пигменты, пищевые добавки, специи, сахара, подсластители, ферменты.
В культурах клеток растений целевой продукт может накапливаться в
значительно больших количествах, чем в соответствующих интактных растениях.
118
В будущем при накоплении фундаментальных биохимических и генетических знаний можно будет увеличить выход желаемого продукта и эта отрасль биотехнологии сможет иметь большой коммерческий успех.
Одно из перспективных направлений в пищевой биотехнологии - обогащение хорошо известных пищевых продуктов белком и создание новых видов
пищи, где важная роль отводится белковым добавкам на основе белка одноклеточных, прежде всего дрожжей, бактерий, грибов и водорослей. Как потенциальный источник белка наиболее полно изучены дрожжи. Высокомолекулярные
белковые изоляты содержат не менее 80 % белка, не более 1 % липидов, 2 %
нуклеиновых кислот и 5 % углеводов.
Белковые изоляты микробного происхождения можно добавлять в следующие продукты:
− концентраты типа питательных кубиков, паст, таблеток и брикетов;
− массового фабричного производства, например специальные сорта хлеба,
хлебобулочные изделия и макаронные изделия, питательные напитки, молочные продукты;
− изготовленные на предприятиях общественного питания, например из мясного фарша [42].
Введение микробного белка в эти продукты особой сложности не представляет, так как их просто замешивают вместе с традиционными компонентами и при наличии необходимых функциональных свойств добавок получают
хорошие результаты.
Наибольший интерес представляет собой выработка искусственных мясопродуктов, имитирующих традиционные изделия из рубленого мяса или нерубленые мясопродукты волокнистой структуры. Для получения аналогов изделий из рубленого мяса в раствор или дисперсию белкового или полисахаридного структурообразователя вводят тонкоизмельченные пищевые вещества, например белок дрожжей, вкусовые и ароматические вещества, а также красители.
Для производства искусственных мясопродуктов волокнистой структуры
обычно используют белковые волокна, полученные методом мокрого прядения
растворов белка. Волокна затем склеивают пищевым связующим веществом,
содержащим различные пищевые компоненты и красители.
Первые искусственные белковые волокна были изготовлены на основе
казеина, сои, арахиса, но возможно и применение белка дрожжей. Такие исследования проводили у нас в стране, разработана технология [43].
Ценный источник пищевого белка – съедобные шляпочные грибы. Производство спорофоров и мицелия базируется на двух совершенно различных
технологиях. Шляпочные грибы выращивают в питомниках, а мицелий вырабатывают промышленным способом ферментации.
Шляпочные грибы используют непосредственно как пищевой продукт
или вкусовую приправу к различным блюдам. В последнем случае приемлемы
мицелиальные формы грибов. Мировое производство съедобных грибов в про-
119
мышленных условиях составляет сейчас 1,2-1,3 млн т в год, в основном базидиальных грибов, при этом на долю шампиньонов приходится примерно 70-75 %.
Пищевая промышленность – один из главных потребителей аминокислот.
В наибольшем количестве выпускают L-глутаминовую кислоту, применяемую
в качестве вкусового и консервирующего агента в пищевой промышленности.
Натриевая соль глутаминовой кислоты – эффективный усилитель вкуса, и ее
используют при изготовлении мясных и овощных блюд, добавляют во все продукты при консервировании, замораживании и длительном хранении. Многие
аминокислоты обладают оригинальным вкусом и участвуют в образовании вкусовых особенностей тех или иных пищевых продуктов.
Отбор высокопродуктивных бактериальных штаммов и создание совершенных процессов ферментации обеспечили Японии лидирующее положение в
этой области, она обладает патентами, описывающими производство 20 аминокислот с помощью микробной ферментации. В последние годы в Японии для
обогащения пищевых продуктов начали применять лизин [39-42].
Недостаток лизина в пище особенно отрицательно сказывается на здоровье детей, при введении его вместе с треонином в пищу повышаются умственные способности. В результате добавления лизина улучшается внешний вид
пищевых продуктов, увеличивается их водоудерживающая способность, устраняются неприятные запахи консервированной рыбы, улучшаются процесс брожения и физические свойства теста и хлеба.
В США несколько крупных фирм в качестве компонента белковых диетических продуктов используют триптофан. Во Франции запатентован заменитель сахара, получаемый на основе D-триптофана. Аминокислотный подсластитель аспартам, получаемый из фенилаланина и аспарагиновой кислоты, в 900
раз слаще сахара и не имеет горького привкуса, свойственного сахарину. При
замене сахара аспартамом на 95 % снижается калорийность ряда пищевых продуктов без изменения вкусовых качеств (например, жевательной резинки, конфет и напитков). Широко используют в пищевой промышленности цистеин:
для улучшения качества хлебобулочных изделий, в качестве имитатора вкуса и
аромата мяса, для усиления действия антиоксидантов и консервантов, замедления аутоокисления жиров.
Свойствами антиокислителей обладают также метионин, лизин, триптофан, аргинин, аспарагин, норлейцин и глицин.
При температуре 100-200 °С и сильно щелочной реакции среды глицин,
аланин, лизин, орнитин, аргинин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты взаимодействуют с глюкозой и другими сахарами и образуют прекрасные пищевые
красители, которые обладают антиокислительным действием и ингибируют
действие липоксидазы.
В нашей стране для пищевой промышленности разработаны технологические процессы получения с помощью микроорганизмов лизина, глутаминовой
кислоты и треонина.
120
В пищевой промышленности микробные ферменты все активнее применяют вместо растительных и животных ферментов. Так, микробные амилазы
заменили аналогичные ферменты из пшеничного и ячменного солода в спиртовом и пивоваренном производстве, хлебопечении и производстве сухого печенья; микробные протеазы – животные и растительные протеазы, употребляемые
для размягчения мяса: микробный ренин заменил сычужный фермент из желудка телят в сыроварении. В консервной промышленности при использовании
микробных ферментных препаратов увеличивается выход сока, особенно из
ягод с большим содержанием пектина, повышается стойкость против инфицирования и удлиняется срок хранения продукции. В виноградном и плодовоягодном виноделии благодаря ферментным препаратам можно получать новые
марки вин, а также повысить качество традиционных. С помощью ферментных
препаратов также возможно увеличить стойкость к белковым помутнениям пива и вин.
Около 20 % населения нашей страны страдает неусвояемостью лактозы,
поэтому актуальным является получение молочных продуктов, в которых лактоза ферментативно гидролизована в глюкозу и галактозу. Перспективно и
производство различных пищевых продуктов из компонентов молочной сыворотки, которую во всем мире в основном (48-88 %) направляют на корм скоту.
Путем фракционирования молочной сыворотки и непрерывного гидролиза лактозы можно эффективно использовать ее в пищевой промышленности.
Тенденции развития биотехнологических методов на примере одной из
перерабатывающих отраслей – мясной промышленности – показывают, насколько широкие возможности распространения их практически на все этапы
технологического процесса возникают, начиная с ферментативной обработки
сырья до очистки сточных вод, включая процессы получения новых видов мясных продуктов общего, специального и лечебного назначения, пищевых и кормовых гидролизатов, синтеза ароматизаторов, красителей, биологически активных веществ, а в будущем – белков для питания человека.
Большие перспективы использования методов биотехнологии открываются для стимулирования процесса созревания мяса, способов осветления крови, обезволашивания и обработки шкур, удаления с костей мясной ткани, остающейся после обвалки.
Биотехнологическим методам отводится значительная роль и в переработке побочного сырья мясной промышленности в полноценные продукты питания. Перспективно также направление технологий продуктов лечебного и
профилактического питания, которое можно выделить в самостоятельную отрасль пищевой биотехнологии.
Поскольку слияние принципов пищевой биотехнологии и фармакологии
является на сегодняшний день свершившимся фактом, во всем мире большое
внимание уделяется проблеме изучения лекарственных свойств пищевых ингредиентов и отдаленных последствий их воздействия на организм человека.
121
В современной экологической обстановке возрастает роль профилактического питания, направленного на укрепление защитных систем организма, снижение риска воздействия вредных веществ.
Уже сегодня с определенной степенью достоверности посредством рационального использования пищевых ингредиентов, в том числе растительного
происхождения, можно улучшить обменные процессы и нормализовать метаболизм тканей. В связи с этим предметом исследований будут медикобиологические аспекты, а именно: выявление механизма действия и обобщение
основных нарушений метаболизма, изучение иммунитета и гормонального гомеостаза организма человека, характеризующих различные патологии при антисклеротическом, антиканцерогенном и радиопротекторном действии в процессе диетической коррекции растительными пищевыми компонентами.
Значительный интерес для использования в отраслях пищевой промышленности, медицине, ветеринарии имеют биологически активные полимерные
материалы (БАМ), представляющие собой комплексную систему (пленки, волокна, гранулы и др.), состоящую из полимерной матрицы и связанного с ней
биологически активного соединения, и обладающие уникальными свойствами.
При получении БАМ в качестве полимерной основы используют синтетические и природные высокомолекулярные соединения, наиболее перспективным носителем которых является поливиниловый спирт (ПВС), что обусловлено наличием большого числа реакционно-способных групп, гидрофильностью,
жиростойкостью, высокими прочностными характеристиками пленок на его основе [44].
Применение активных пленочных материалов на основе ПВС и различных классов биологически активных соединений – ферментов животного и
микробного происхождения, антибиотиков, консервантов, бактерицидных красителей – открывает широкие перспективы создания нового поколения упаковочных многофункциональных материалов с уникальным комплексом защитных свойств (бактерицидность, протеолитическая активность, широкий спектр
барьерных свойств, жиростойкость, высокие прочностные показатели), что позволяет обеспечить сохранение пищевой ценности и длительную защиту пищевых продуктов от окислительной и микробиальной порчи, токсических и других агрессивных факторов внешней среды.
В Японии около 95 компаний разработали планы выпуска продуктов, полученных с помощью микробного синтеза. Среди новых продуктов 23 % должны найти применение в пищевой или химической промышленности.
В США биотехнологические пищевые продукты составляют
0,3 % от
всей пищевой продукции, стоимость их около 500 млн дол., из них половину
составляют ферментированные продукты пищевой промышленности.
Во Франции пищевая промышленность и сельское хозяйство производят
с помощью биотехнологических методов зерновые культуры, аминокислоты,
органические кислоты, ферменты на сумму свыше 2,5 млрд евро в год.
122
Новейшие исследования, проводимые в высокоразвитых странах в области биотехнологии для пищевой промышленности, посвящены:
− разработке акустических биосенсоров для обнаружения некачественных пищевых продуктов;
− идентификации и оценке противомикробных систем как нового средства повышения степени безопасности и улучшения качества пищи;
− разработке сенсоров для улучшения контроля за чистотой процессов приготовления пищевых продуктов в герметично закрытом оборудовании.
Исходя из экономической значимости биотехнологии и сегодня, и в перспективе правительства почти всех стран мира утвердили национальные программы по развитию биотехнологии и, в первую очередь, биоинженерии, и
обеспечили высокий уровень их государственной поддержки и, прежде всего
бюджетного финансирования.
Из вышеизложенного следует, что все европейские страны и Россия в
достаточной мере оценили значение биотехнологии, бурное развитие и применение которой зависит от финансовых возможностей государства.
Контрольные вопросы
1. Перечислите новые направления биотехнологии.
2. Каковы перспективы биотехнологии в пищевой промышленности?
3. Перечислите, какие аминокислоты можно получить благодаря биотехнологическим процессам.
4. Как используются биологически активные полимерные материалы?
5. В чем заключаются перспективы микробного синтеза?
3.3. Генная инженерия. Методы генной инженерии
Генная инженерия – совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток),
осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.
Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, использующие методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.
Генная инженерия служит для получения желаемых качеств изменяемого
или генетически модифицированного организма. В отличие от традиционной
селекции, в ходе которой генотип подвергается изменениям лишь косвенно,
генная инженерия позволяет непосредственно вмешиваться в генетический аппарат, применяя технику молекулярного клонирования. Примерами применения генной инженерии является: получение новых генетически модифицированных сортов зерновых культур, производство человеческого инсулина путём
123
использования генномодифицированных бактерий, новых пород экспериментальных мышей для научных исследований.
Основой
микробиологической,
биосинтетической
промышленности является бактериальная клетка. Необходимые для промышленного производства клетки подбираются по определённым признакам, самый главный из
которых - способность производить, синтезировать, в максимально возможных
количествах определённое соединение – аминокислоту или антибиотик, стероидный гормон или органическую кислоту. Иногда надо иметь микроорганизм,
способный, например, использовать в качестве «пищи» нефть или сточные воды и перерабатывать их в биомассу или даже вполне пригодный для кормовых
добавок белок. Иногда нужны организмы, способные развиваться при повышенных температурах или в присутствии веществ, безусловно смертельных для
других видов микроорганизмов.
Задача получения таких промышленных штаммов очень важна, для их
видоизменения и отбора разработаны многочисленные приёмы активного воздействия на клетку - от обработки сильнодействующими ядами, до радиоактивного облучения. Цель этих приёмов одна – добиться изменения наследственного, генетического аппарата клетки. Их результат - получение многочисленных
микробов-мутантов, из сотен и тысяч которых учёные потом стараются отобрать наиболее подходящие для той или иной цели. Создание приёмов химического или радиационного мутагенеза было выдающимся достижением биологии
и широко применяется в современной биотехнологии.
Но их возможности ограничиваются природой самих микроорганизмов.
Они не способны синтезировать ряд ценных веществ, которые накапливаются в
растениях, прежде всего в лекарственных и эфирномасличных. Не могут синтезировать вещества, очень важные для жизнедеятельности животных и человека,
ряд ферментов, пептидные гормоны, иммунные белки, интерфероны да и многие более просто устроенные соединения, которые синтезируются в организмах
животных и человека. Разумеется, возможности микроорганизмов далеко не
исчерпаны. Из всего изобилия микроорганизмов использована наукой, и особенно промышленностью, лишь ничтожная доля. Для целей селекции микроорганизмов большой интерес представляют, например, бактерии анаэробы, способные жить в отсутствие кислорода, фототрофы, использующие энергию света
подобно растениям, хемоавтотрофы, термофильные бактерии, способные жить
при температуре, как обнаружилось недавно, около 110 °C, и др.
И всё же ограниченность «природного материала» очевидна. Обойти ограничения пытались и пытаются с помощью культур клеток и тканей растений
и животных. Это очень важный и перспективный путь, который также реализуется в биотехнологии. За последние несколько десятилетий учёные создали методы, благодаря которым отдельные клетки тканей растения или животного
можно заставить расти и размножаться отдельно от организма, как клетки бактерий. Это было важное достижение - полученные культуры клеток используют
124
для экспериментов и для промышленного получения некоторых веществ, которые с помощью бактериальных культур получить невозможно [45].
История развития и достигнутый уровень технологии. Во второй половине XX века было сделано несколько важных открытий и изобретений, лежащих в основе генной инженерии. Успешно завершились многолетние попытки «прочитать» ту биологическую информацию, которая «записана» в генах.
Эта работа была начата английским учёным Ф. Сенгером и американским учёным У. Гилбертом (Нобелевская премия по химии 1980 г.). Как известно, в генах содержится информация-инструкция для синтеза в организме молекул РНК
и белков, в том числе ферментов. Чтобы заставить клетку синтезировать новые,
необычные для неё вещества, надо, чтобы в ней синтезировались соответствующие наборы ферментов. А для этого необходимо или целенаправленно изменить находящиеся в ней гены, или ввести в неё новые, ранее отсутствовавшие гены. Изменения генов в живых клетках - это мутации. Они происходят
под действием, например, мутагенов – химических ядов или излучений. Но такие изменения нельзя контролировать или направлять. Поэтому учёные сосредоточили усилия на попытках разработать методы введения в клетку новых, совершенно определённых генов, нужных человеку.
Основные этапы решения генно-инженерной задачи следующие:
1. Получение изолированного гена.
2. Введение гена в вектор для переноса в организм.
3. Перенос вектора с геном в модифицируемый организм.
4. Преобразование клеток организма.
5. Отбор генетически модифицированных организмов (ГМО) и устранение тех, которые не были успешно модифицированы.
Процесс синтеза генов в настоящее время разработан очень хорошо и даже в значительной степени автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабжённые ЭВМ, в памяти которых закладывают программы синтеза различных нуклеотидных последовательностей. Такой аппарат синтезирует отрезки ДНК длиной до 100-120 азотистых оснований (олигонуклеотиды). Получила
распространение техника, позволяющая использовать для синтеза ДНК, в том
числе мутантной, полимеразную цепную реакцию. Термостабильный фермент,
ДНК-полимераза, используется в ней для матричного синтеза ДНК, в качестве
затравки которого применяют искусственно синтезированные кусочки нуклеиновой кислоты — олигонуклеотиды. Фермент обратная транскриптаза позволяет с использованием таких затравок (праймеров) синтезировать ДНК на матрице выделенной из клеток РНК. Синтезированная таким способом ДНК называется комплементарной (РНК) или кДНК. Изолированный, «химически чистый»
ген может быть также получен из фаговой библиотеки. Так называется препарат бактериофага, в геном которого встроены случайные фрагменты из генома
или кДНК, воспроизводимые фагом вместе со всей своей ДНК.
Чтобы встроить ген в вектор, используют ферменты – рестриктазы и лигазы, также являющиеся полезным инструментом генной инженерии. С помо-
125
щью рестриктаз ген и вектор можно разрезать на кусочки. С помощью лигаз такие кусочки можно «склеивать», соединять в иной комбинации, конструируя
новый ген или заключая его в вектор. За открытие рестриктаз Вернер Арбер,
Даниел Натанс и Хамилтон Смит также были удостоены Нобелевской премии
(1978 г.).
Техника введения генов в бактерии была разработана после того, как
Фредерик Гриффит открыл явление бактериальной трансформации. В основе
этого явления лежит примитивный половой процесс, который у бактерий сопровождается обменом небольшими фрагментами нехромосомной ДНК, плазмидами. Плазмидные технологии легли в основу введения искусственных генов
в бактериальные клетки.
Значительные трудности были связаны с введением готового гена в наследственный аппарат клеток растений и животных. Однако в природе наблюдаются случаи, когда чужеродная ДНК (вируса или бактериофага) включается в
генетический аппарат клетки и с помощью её обменных механизмов начинает
синтезировать «свой» белок. Учёные исследовали особенности внедрения чужеродной ДНК и использовали как принцип введения генетического материала
в клетку. Такой процесс получил название трансфекция.
Если модификации подвергаются одноклеточные организмы или культуры клеток многоклеточных, то на этом этапе начинается клонирование, то есть
отбор тех организмов и их потомков (клонов), которые подверглись модификации. Когда же поставлена задача получить многоклеточные организмы, то
клетки с изменённым генотипом используют для вегетативного размножения
растений или вводят в бластоцисты суррогатной матери, когда речь идёт о животных. В результате рождаются детеныши с изменённым или неизменным генотипом, среди которых отбирают и скрещивают между собой только те, которые проявляют ожидаемые изменения.
Применение в научных исследованиях нокаут гена. Для изучения
функции того или иного гена может быть применен нокаут гена (gene
knockout). Так называется техника удаления одного или большего количества
генов, что позволяет исследовать последствия подобной мутации. Для нокаута
синтезируют такой же ген или его фрагмент, изменённый так, чтобы продукт
гена потерял свою функцию. Для получения нокаутных мышей полученную
генно-инженерную конструкцию вводят в эмбриональные стволовые клетки,
где конструкция подвергается соматической рекомбинации и замещает нормальный ген, а измененные клетки имплантируют в бластоцисту суррогатной
матери. У плодовой мушки дрозофилы мутации инициируют в большой популяции, в которой затем ищут потомство с нужной мутацией. Сходным способом
получают нокаут у растений и микроорганизмов.
Искусственная экспрессия. Логичным дополнением нокаута является
искусственная экспрессия, то есть добавление в организм гена, которого у него
ранее не было. Этот способ генной инженерии также можно использовать для
исследования функции генов. В сущности процесс введения дополнительных
126
генов таков же, как и при нокауте, но существующие гены не замещаются и не
повреждаются.
Визуализация продуктов генов используется, когда задачей является
изучение локализации продукта гена. Одним из способов мечения является замещение нормального гена на слитый с репортёрным элементом, например, с
геном зелёного флуоресцентного белка (GFP). Этот белок, флуоресцирующий в
голубом свете, используется для визуализации продукта генной модификации.
Хотя такая техника удобна и полезна, ее побочными следствиями может быть
частичная или полная потеря функции исследуемого белка. Более изощрённым,
хотя и не столь удобным методом является добавление к изучаемому белку не
столь больших олигопептидов, которые могут быть обнаружены с помощью
специфических антител.
Исследование механизма экспрессии. В таких экспериментах задачей
является изучение условий экспрессии гена. Особенности экспрессии зависят
прежде всего от небольшого участка ДНК, расположенного перед кодирующей
областью, который называется промотор и служит для связывания факторов
транскрипции. Этот участок вводят в организм, поставив после него вместо
собственного гена репортерный, например, GFP или фермента, катализирующего легко обнаруживаемую реакцию. Кроме того, что функционирование промотора в тех или иных тканях в тот или иной момент становится хорошо заметным, такие эксперименты позволяют исследовать структуру промотора, убирая
или добавляя к нему фрагменты ДНК, а также искусственно усиливать его
функции.
Генная инженерия человека. В применении к человеку генная инженерия могла бы применяться для лечения наследственных болезней. Однако, технически, есть существенная разница между лечением самого пациента и изменением генома его потомков.
Задача изменения генома взрослого человека несколько сложнее, чем выведение новых генно-инженерных пород животных, поскольку в данном случае
требуется изменить геном многочисленных клеток уже сформировавшегося организма, а не одной лишь яйцеклетки-зародыша. Для этого предлагается использовать вирусные частицы в качестве вектора. Вирусные частицы способны
проникать в значительный процент клеток взрослого человека, встраивая в них
свою наследственную информацию; возможно контролируемое размножение
вирусных частиц в организме. При этом для уменьшения побочных эффектов
учёные стараются избегать внедрения генно-инженерных ДНК в клетки половых органов, тем самым избегая воздействия на будущих потомков пациента.
Также стоит отметить значительную критику этой технологии в СМИ: разработка генно-инженерных вирусов воспринимается многими как угроза для всего человечества.
С помощью генотерапии в будущем возможно изменение генома человека. В настоящее время эффективные методы изменения генома человека находятся на стадии разработки и испытаний на приматах. Долгое время генетиче-
127
ская инженерия обезьян сталкивалась с серьёзными трудностями, однако в 2009
году эксперименты увенчались успехом: в журнале Nature появилась публикация об успешном применении генноинженерных вирусных векторов для исцеления взрослого самца обезьяны от дальтонизма. В этом же году дал потомство
первый генетически модифицированный примат (выращенный из модифицированной яйцеклетки) – игрунка обыкновенная.
Хотя и в небольшом масштабе, генная инженерия уже используется для
того, чтобы дать шанс забеременеть женщинам с некоторыми разновидностями
бесплодия. Для этого используют яйцеклетки здоровой женщины. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей.
Однако возможность внесения более значительных изменений в геном
человека сталкивается с рядом серьёзных этических проблем.
Контрольные вопросы
1.Дайте определение генной инженерии.
2. Перечислите основные этапы генно-инженерной задачи.
3. В чем преимущество процесса синтеза генов.
4. Охарактеризуйте искусственную экспрессию.
5. Каковы перспективы генной инженерии человека?
3.4. Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды
С момента своего зарождения человеческое общество в процессе хозяйственной деятельности нарушало равновесие в природе: уничтожало крупных
животных, выжигало леса для охоты, пастбищ, земледелия, а также загрязняло
почвы и водоемы в местах поселения и пр. Поэтому перед ним всегда стояла
проблема сохранения окружающей среды. В результате промышленной, сельскохозяйственной и бытовой деятельности человека возникают различные изменения состояния и свойств окружающей среды, в том числе очень неблагоприятные. С развитием и интенсификацией промышленной и сельскохозяйственной деятельности в ХХ веке стали ощущаться пределы естественной продуктивности биосферы: истощаются природные ресурсы, источники энергии,
все более ощущается дефицит пищи, чистой воды и воздуха. Загрязнение окружающей среды во многих регионах достигло критического предела. Во многом
все эти проблемы порождены научно-техническим прогрессом общества и
должны решаться также с использованием новейших достижений.
Проблему экологии нельзя решать в масштабах одной страны или группы
стран. Вредные антропогенные загрязнения, вырабатываемые в индустриально
развитых регионах и странах, в результате естественной циркуляции водных и
воздушных масс распространяются по всей территории Земли, вплоть до обоих
128
полюсов, проникают в глубины океанов, достигают стратосферы. Глобальность
данной проблемы еще в 1899 году понял К. А. Тимирязев. Опровергая мнение
крупных ученых Англии, предрекающих близкую гибель человечества от голода и удушения, он писал: «В первый раз человечество столкнется с бедствием
всеобщим. Перед ним будут все равны, и мысль о всеобщей солидарности людей не будет уже пустым звуком... и тогда, конечно, найдутся меры борьбы со
злом и средства его предупреждения» [46].
Важнейшая роль в вопросах защиты и охраны окружающей среды принадлежит биологии. Сама экология в традиционном понимании является биологической дисциплиной и изучает взаимоотношения организмов, включая человека, между собой и окружающей средой. Дальнейшее развитие биологии и
внедрение ее достижений в практику – один из главных путей выхода из надвигающегося экологического кризиса. Большую роль играет при этом биотехнология. Биотехнология позволяет решать ряд экологических проблем, включая
защиту окружающей среды от промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов, деградацию токсикантов, попавших в среду, а также сама создает
малоотходные промышленные процессы получения пищевых и лекарственных
веществ, кормов, минерального сырья, энергии. Масштабы биологических процессов для решения природоохранных задач могут быть, по выражению Д. Беста, ошеломляющими. Экология и биотехнология взаимодействуют как через
продукты, так и через технологии. В целом это способствует экологизации антропогенной деятельности и возникновению более гармоничных отношений
между обществом и природой. Использование и получение огромного количества продуктов в различных сферах человеческой деятельности сопровождается
образованием сточных вод, загрязненных разнообразными органическими и неорганическими, в том числе токсичными, соединениями. Физико-химические
показатели состава сточных вод определяются профилем промышленного
предприятия, вида перерабатываемого сырья, эколого-географическими условиями места размещения предприятия. Сбрасываемые в природные водоемы
стоки существенным образом влияют на качество воды, нарушают биологическое равновесие в водоемах, тем самым затрудняют рациональное водопользование, а в отдельных случаях полностью выводят водоемы из строя. Сброс неочищенных сточных вод отрицательно сказывается на содержании в воде растворенного кислорода, ее рН, прозрачности и цветности и т.д. Все это отрицательно влияет на состояние компонентов водной экосистемы, снижает продуктивность и способность водоемов к самоочищению.
Существуют специальные «Правила охраны поверхностных вод от загрязнений сточными водами». Данные правила нормируют показатели загрязнения в водоеме после смешивания сточных вод с естественными водами. Важнейшими из них являются следующие показатели: количество растворенного в
воде кислорода после смешивания – не менее 4 мг/л; содержание взвешенных
частиц после спуска стоков не может возрасти более чем на 0,25–0,5 мг/л (для
водоемов разной категории); минеральный осадок не более 1000 мг/л; вода не
129
должна иметь запахов и привкусов, рН – в пределах 6,5–8,5; на поверхности не
должно быть пленок, плавающих пятен; содержание ядовитых веществ – в пределах предельно допустимых концентрациях (ПДК) для людей и животных. Запрещается сбрасывать в водоемы радиоактивные вещества.
Органические вещества, попавшие в водоемы, окисляются до углекислого
газа и воды в пределах способности водоемов к самоочищению. Количество кислорода, расходуемое в этих процессах (БПК), определяется концентрацией и
спектром присутствующих в воде примесей. Различают БПК5 (пятидневный),
БПК20 (двадцатидневный) и БПКполн (полный). БПКполн обозначает время, в
течение которого все вещества стоков окисляются в водоеме полностью до конечных продуктов. Сточные воды представляют сложные системы с комплексом веществ, их БПК составляет от 200 до 3000 мг О2/л. При сбросе в водоем
таких сточных вод в неочищенном виде возможно полное расходование запасов
кислорода. Поэтому перед сбросом сточных вод в природные водоемы их необходимо очищать до такой степени, при которой после сброса БПК остается в
пределах санитарных норм.
Очистка сточных вод – это система методов, вызывающих разрушение
или удаление из них присутствующих веществ, а также патогенных микроорганизмов. В процессах естественного самоочищения водоемов в большинстве
случаев поступающие со стоками вещества подвергаются разрушению. В ходе
этого процесса структура, свойства и концентрации веществ изменяются во
времени и пространстве. В результате вода приобретает исходные свойства. Таким образом, водоемы играют роль природного очистного сооружения.
Схема проведения очистки сточных вод зависит от многих факторов. Она
должна предусматривать максимальное использование очищенных сточных вод
в системах повторного и оборотного водоснабжения предприятий и минимальный сброс сточных вод в естественные водоемы. Для очистки стоков применяют несколько типов сооружений: локальные (цеховые), общие (заводские) и
районные (городские). Локальные очистные сооружения предназначены для
очистки стоков непосредственно после технологических процессов. На локальных очистных сооружениях очищают воды перед направлением их в систему
оборотного водоснабжения или в общерайонные очистные сооружения. На таких установках обычно применяют физико-химические методы очистки (отстаивание, ректификацию, экстракцию, адсорбцию, ионный обмен, огневой метод).
Общие очистные сооружения включают несколько ступеней очистки:
первичную (механическую), вторичную (биологическую), третичную (доочистку). Районные или общегородские сооружения очищают в основном бытовые
стоки методами механической и биологической очистки.
Биологический метод очистки основан на способности микроорганизмов
использовать в качестве ростовых субстратов различные соединения, входящие
в состав сточных вод. Достоинства данного метода заключаются в возможности
удаления из стоков широкого спектра органических и неорганических веществ,
130
простоте аппаратурного оформления и протекания процесса, относительно невысоких эксплуатационных расходах. Однако для успешной реализации метода
необходимы большие капитальные вложения для строительства очистных сооружений. В ходе процесса очистки необходимо строго соблюдать технологий
режим очистки и учитывать чувствительность микроорганизмов к высоким
концентрациям загрязнителей. Поэтому перед биоочисткой стоки необходимо
разбавлять.
Для биологической очистки сточных вод применяют два типа процессов:
аэробные, в которых микроорганизмы используют для окисления веществ кислород, и анаэробные, при которых микроорганизмы не имеют доступа ни к
свободному растворенному кислороду, ни к предпочтительным акцепторам
электронов типа нитрат-ионов. В этих процессах в качестве акцептора электронов микроорганизмы могут использовать углерод органических веществ. При
выборе между аэробными и анаэробными процессами предпочтение обычно
отдают первым. Аэробные системы более надежны, стабильно функционируют;
они также больше изучены. Анаэробные процессы, существенно уступающие
аэробным в скорости протекания процесса очистки, имеют ряд преимуществ:
1) масса образуемого в них активного ила практически на порядок ниже (0,1–
0,2) по сравнению с аэробными процессами (1,0–1,5 кг/кг удаленного БПК); 2) в
них существенно ниже энергозатраты на перемешивание; 3) дополнительно образуется энергоноситель в виде биогаза. Вместе с тем, анаэробные процессы
очистки мало изучены, в силу низких скоростей протекания для них требуются
дорогостоящие очистные сооружения больших объемов.
Анаэробные процессы очистки сточных вод не получили достаточно широкого развития в настоящее время. Эти процессы по сравнению с аэробными
процессами очистки сточных вод имеют ряд несомненных преимуществ. Главными считают высокий уровень превращения углерода загрязняющих веществ
при относительно небольших объемах прироста биомассы и получение дополнительного ценного продукта – биогаза.
Биотехнологические методы переработки городских стоков. В аэробных процессах очистки часть окисляемых микроорганизмами органических
веществ используется в процессах биосинтеза, другая – превращается в безвредные продукты – Н2О, СО2, NO2 и другие. Принцип действия аэробных систем биоочистки базируется на методах проточного культивирования. Процесс
удаления органических примесей складывается из нескольких стадий: массопередачи органических веществ и кислорода из жидкости к клеточной поверхности, диффузии веществ и кислорода внутрь клеток через мембрану и метаболизма, в ходе которого происходит прирост микробной биомассы с выделением
энергии и углекислоты. Интенсивность и глубина биологической очистки определяется скоростью размножения микроорганизмов. Когда в очищаемых сточных водах практически не остается органических веществ, наступает второй
этап очистки – нитрификация. В ходе этого процесса азотсодержащие вещества
стоков окисляются до нитритов и далее – до нитратов. Таким образом, аэробная
131
биологическая очистка складывается из двух этапов: минерализации – окисления углеродсодержащей органики, и нитрификации. Появление в очищаемых
стоках нитратов и нитритов свидетельствует о глубокой степени очистки.
Большинство биогенных элементов, необходимых для развития микроорганизмов (углерод, кислород, сера, микроэлементы), содержится в сточных водах.
При дефиците отдельных элементов (азота, калия, фосфора) их в виде солей
добавляют в очищаемые стоки.
В процессах биологической очистки принимает участие сложная биологическая ассоциация, не только состоящая из бактерий, но также включающая
одноклеточные организмы – водные грибы, простейшие организмы (амебы,
жгутиковые и ресничные инфузории), микроскопические животные (коловратки, круглые черви – нематоды, водные клещи). Эта биологическая ассоциация в
процессе биологической очистки формируется в виде активного ила или биопленки. Активный ил представляет собой буро-желтые хлопья размером 3–150
мкм, взвешенные в воде, и образован колониями микроорганизмов, в том числе
бактериями. Последние формируют слизистые капсулы – зооглеи. Биопленка –
это слизистое обрастание материала фильтрующего слоя очистных сооружений
живыми микроорганизмами, толщиной 1–3 мм.
Биологическая очистка стоков проводится в различных по конструкции
сооружениях – биофильтрах и аэротенках.
Капельный биофильтр – наиболее распространенный тип биореактора с
неподвижной биопленкой, применяемый для очистки стоков. По существу, это
реактор с неподвижным слоем и противотоком воздуха и жидкости. Биомасса
растет на поверхности насадки в виде пленки. Особенностью насадки или
фильтрующего слоя является высокая удельная поверхность для развития микроорганизмов и большая пористость. Последнее придает необходимые газодинамические свойства слою и способствует прохождению воздуха и жидкости
через него.
Биофильтры представляют собой прямоугольные или круглые сооружения со сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой
решетки и нижним – сплошным. Дренажное дно биофильтра состоит из железобетонных плит с площадью отверстий не менее 5–7 % от общей площади поверхности фильтра. Фильтрующим материалом обычно служит щебень, галька
горных пород, керамзит, шлак. Нижний поддерживающий слой во всех типах
биофильтров должен содержать более крупные частицы фильтрующего материала (размером 60–100 мм). Щебеночные биофильтры имеют высоту слоя 1,5
– 2,5 м и могут быть круглыми с диаметром до 40 м или прямоугольными размером 75×4 м2. Входной поток предварительно отстоянных сточных вод с помощью водораспределительного устройства периодически равномерно орошает
поверхность биофильтра. В ходе просачивания сточных вод через материал
фильтрующего слоя происходит ряд последовательных процессов: 1) контакт с
биопленкой, развивающейся на поверхности частиц фильтрующего материала;
2) сорбция органических веществ поверхностью микробных клеток; 3) окисле-
132
ние веществ стоков в процессах микробного метаболизма. Через нижнюю часть
биофильтра противотоком жидкости продувается воздух. Во время паузы между циклами орошения сорбирующая способность биопленки восстанавливается.
Биопленка, формирующаяся на поверхности фильтрующего слоя биофильтра,
представляет собой сложную экологическую систему.
Бактерии и грибы образуют нижний трофический уровень. Вместе с микроорганизмами – окислителями углерода они развиваются в верхней части
биофильтра. Нитрификаторы находятся в нижней зоне фильтрующего слоя, где
процессы конкуренции за питательный субстрат и кислород менее выражены.
Простейшие, коловратки и нематоды, питающиеся бактериальной компонентой экосистемы биопленки, служат пищей высшим видам (личинкам насекомых).
В биофильтре происходит непрерывный прирост и отмирание биопленки.
Отмершая биопленка смывается током очищаемой воды и выносится из биофильтра. Очищенная вода поступает в отстойник, в котором освобождается от
частиц биопленки, и далее сбрасывается в водоем.
Процесс окисления органических веществ сопровождается выделением
тепла, поэтому биофильтры обогреваются за счет собственного тепла. Крупные
установки, снабженные слоем теплоизоляционного материала, способны функционировать при отрицательной температуре внешней среды. Однако температура внутри фильтрующего слоя должна быть не ниже 6 °С. Основной режим
работы щебеночных биофильтров – однократное прохождение стоков. При
этом нагрузка по органическому веществу на фильтр составляет 0,06–0,12 кг
БПК/м3 в сутки. Для повышения нагрузки без увеличения площади биофильтра
применяют режим очистки с рециркуляцией стоков или режим двойного
фильтрования.
На смену минеральным материалам в биофильтрах с начала 80-х годов
пришли пластмассы, обеспечивающие при высоких значениях удельной поверхности фильтрующего слоя большую пористость и лучшие гидродинамические свойства слоя. Это позволило строить высокие, не занимающие много
места биореакторы и очищать промышленные стоки с высокой концентрацией
загрязняющих веществ.
Эксплуатация биофильтров – достаточно несложный процесс. Важное условие для эффективной работы биофильтров – тщательная предварительная
очистка стоков от взвешенных частиц, способных засорить распределительное
устройство. Неблагоприятными моментами в эксплуатации биофильтров является вероятность заливания, размножение мух на поверхности, дурной запах
как следствие избыточного образования микробной биомассы.
Прирост биомассы активного ила в ходе очистки приводит к его «старению» и снижению биокаталитической активности. Поэтому большая часть активного ила после вторичного отстойника выводится из системы, и только
часть ила возвращается в реактор. Аэротенки технологически связаны с вторичными отстойниками, в которых происходит осветление выходящих вод и
133
отделение активного ила. Отстойники выполняют также функцию контактных
резервуаров. В них сточную воду хлорируют. Дезинфицирующая доза хлора
после биологической очистки в зависимости от качества очистки составляет
10–15 мг/л при продолжительности контакта хлора с жидкостью не менее 30
минут.
Биологические (очистные) пруды используются в качестве самостоятельного очистного сооружения или конечного пункта очистки стоков, прошедших
стадию биоочистки в биофильтре или аэротенке. Если очистные пруды функционируют как самостоятельные системы водоочистки, сточные воды перед
поступлением в них разбавляются трех-, пятикратными объемами технической
или хозяйственно-питьевой воды. Средняя глубина прудов составляет от 0,5 до
1,0 м. Срок «созревания» прудов в зонах умеренного климата – не менее одного
месяца.
Методы аэробной биологической очистки сточных вод непрерывно совершенствуются. В последние годы стали внедряться более эффективные системы биоочистки. Это процессы в шахтных реакторах, процессы с использованием для аэрирования кислорода. Такие биореакторы называют окситенками.
Концентрация растворенного кислорода в окситенках достигает 10–12 мг/л. Это
в несколько раз превосходит уровень аэрации в аэротенках. В результате повышенной аэрации стоков концентрация активного ила в них возрастает до 15
г/л и их окислительная мощность в 4–5 раз превосходит аэротенки. Шахтные
биореакторы позволяют реализовать процесс очистки стоков аналогично протеканию его в окислительном канале, но расположенном вертикально. Такие
реакторы занимают небольшие площади и большей частью заглублены в грунт.
Биотехнология должна помочь сельскому хозяйству получить продукты
питания с минимальным применением средств химизации. На основе генетической и клеточной инженерии необходимо создать высокоурожайные, болезнестойкие сорта культурных растений, что позволит исключить ядохимикаты.
Важное место здесь отводится клеточной инженерии и меристемной технологии. На основе достижений современной генетики и биотехнологии представляется
возможным
изменить
потребительские
свойства
сельскохозяйственных продуктов с тем, чтобы отпала необходимость применять
для корма животных и птицы различные добавки химического или микробного
синтеза (кормовые дрожжи, лизин, витамины и др.), производство которых связано с определенной экологической опасностью.
Следует расширить производство бактериальных удобрений (особенно
нитрагина), биологических средств борьбы с болезнями растений и их вредителями, биологических консервантов кормов.
Для повышения плодородия почвы необходимо применять органические
удобрения, компосты и обезвреженные путем метанового брожения жидкие отходы животноводческих ферм.
Биотехнология должна создать рациональные и безвредные для человека
и среды процессы конверсии продуктов сельского хозяйства в более ценные то-
134
варные формы. То же касается химического сырья, которое можно превращать
в биологически безвредные формы.
Биотехнология призвана сыграть значительную роль при создании безотходных технологий и, конечно, при разработке различных схем очистки производственных стоков и твердых отходов.
Однако нельзя забывать, что биотехнологические производства сами по
себе могут быть опасными как для обслуживающего персонала, так и для потребителей продукции. Таких примеров можно привести много.
Достижения современной биологии дают новые эффективные средства
индикации биологического загрязнения окружающей среды. Необходимо отметить методы, основанные на использовании моноклональных антител, или иммуноферментные, а также электроды с иммобилизованными ферментами. Посредниками для идикации определенных соединений в воде или почве могут
быть различные биологические объекты, которые аккумулируют эти вещества.
Например, в печени рыбы накапливаются пестициды, тяжелые металлы, сбрасываемые в водоем, где обитает такой посредник [44-46].
Назовем основные биотехнологические методы, которые мог быть применены для оздоровления и защиты окружающей среды, в том числе для обеспечения экологически чистого производства на самих биотехнологических
предприятиях (табл. 18). Экологическая биотехнология бурно развивается, появляются системы для утилизации органических и неорганических веществ, загрязняющих среду и попадающих в нее с жидкими и газовыми выбросами.
Таблица 18
Биотехнологические методы защиты окружающей среды [47]
Метод
Сфера применения
или субстрат
Сущность метода
Создание
безотходных Народное хозяйст- Получение из отходов полезных
технологических процес- во
продуктов или обезвреживание
сов
их
Создание препаратов для Здравоохранение и Средства для диагностики, имборьбы с возбудителями ветеринария
муностимуляторы, вакцины, анболезней человека и житибиотики и др.
вотных
135
Продолжение табл. 18
Метод
Сфера применения
или субстрат
Сущность метода
Создание растений, ус- Сельское хозяйст- Получение методами генетичетойчивых к болезням и во
ской и клеточной инженерии
вредителям
культурных растений при возделывании которых отпадает
необходимость
пользования
ядохимикатами как средств
борьбы про вредителей и болезней
Биологические
методы Сельское хозяйст- Специальные микробиологичеборьбы с болезнями и вре- во
ские или другие биологические
дителями растений
препараты селективно уничтожают вредных насекомых, грызунов или возбудителей болезней
Бактериальные удобрения Сельское и лесное Усиление
биологической
фиксации атмосферного азота,
и стимуляторы роста рас- хозяйство
тений
мобилизации фосфора; ускорение роста органов растений;
снижение потребности в минеральных удобрениях
Создание культурных растений, способных фиксировать атмосферный азот
без участия микроорганизмов
То же
Перенос методами генетической инженерии в геном растений генов от микроорганизмов,
определяющих и фиксацию
Аэробная
биологическая Коммунальные и В аэротенках спонтанная микочистка стоков
производственные рофлора в присутствии кислорода утилизирует органические
сточные воды
вещества стоков и накапливается биомасса – активный ил
136
Продолжение табл. 18
Метод
Анаэробная биологическая
очистка стоков
Сфера применения
или субстрат
То же
Селективная
утилизация Промышленные
индивидуальных химиче- стоки
ских соединений стоков
Сущность метода
В метантенках анаэробная микрофлора
утилизирует
органические вещества, в том
числе активного ила, полученного после аэробной обработки с образованием биогаза
(95% от переработанного органического вещества)
Специально
адаптированные
культуры
микроорганизмов
обычно в иммобилизованном
виде
утилизируют
определенные вредные вещества (фенол, кислоты и др.)
Управляемое компостиро- Сельское хозяйст- При аэрации твердых отходов
вание твердых отходов
во,
городские ускоренно происходит микробсвалки
ная деструкция части компонентов
субстрата
с
образованием компоста
Детоксикация почвы от
пестицидов и других химических загрязнений
Почва
137
Промыванием почвы и микробиологической
обработкой
промывных вод достигается
утилизация вредных соединений, накапливающихся в
почве при химизации сельскохозяйственного
производства
Окончание табл. 17
Метод
Биосорбция металлов
Сфера применения
или субстрат
Сточные воды
Диагностика степени за- Сточные
грязнения среды
воздух
Сущность метода
В специальных биофильтрах
микроорганизмы
селективно
сорбируют из сточных вод определенные металлы, в том
числе радиоактивные
воды, При помощи моноклональных
антител
или
иммуноферментного анализа определяют
присутствие вирусов и бактерий.
Дополнительная информация
История возникновения экологических проблем и классификация
загрязнителей окружающей среды
К началу третьего тысячелетия стало трудно найти человека, по крайней
мере в промышленно развитых странах, который бы отвергал пагубное воздействие человечества на окружающую среду. Однако разброс мнений о степени
этого воздействия очень широк, причем много в этом вопросе спекуляций и
прямого обмана. Очень часто, решая свои корпоративные или личные интересы, в проблемы охраны окружающей среды напускают тумана промышленники
или бесстыдно их раздувают политики. Специалист в области охраны окружающей среды не должен обращать внимание на эту возню. Экологические
проблемы слишком серьезны и требуют не менее серьезного и взвешенного отношения к себе. Специалист-эколог должен решать двуединую задачу: вопервых, выяснить причины и объективно оценить степень воздействия на окружающую среду, во-вторых, предложить методы решения возникшей проблемы.
История возникновения экологических проблем. Экологические проблемы существуют только для живых организмов, и они существовали всегда,
как только появилась жизнь, а человека не было в помине. Причина в том, что
природная среда изменялась всегда. Эти изменения могут охватывать разные
временные отрезки: сотни миллионов лет (дрейф материков и горообразование,
сопровождающиеся вулканической деятельностью), десятки тысяч лет (последний ледниковый период), сотни лет (заиление мелких озер). К настоящему времени планета Земля маленько успокоилась и сравнительно редко преподносит
138
нам глобальные катастрофы. Однако 27 августа 1883 г произошло извержение
вулкана Кракатау в Индонезии. Оно уничтожило 300 деревень, погибло 36000
человек. Рев вулкана был слышен на расстоянии 4800 км. Взрывная волна семь
раз облетела вокруг земного шара. От острова остался гигантский кратер диаметром 6 км, уходящий вглубь моря на 275 м. Вулканическая пыль висела в небе больше года, от чего дневные температуры упали ниже обычных. К сожалению, здесь уместно отметить, что взрыв водородной бомбы приводит к разрушениям сравнимого порядка [45].
Таким образом, существование для живых организмов никогда не было
счастливым и безоблачным, экологические проблемы для них существовали
всегда, причем часто приходилось бороться за свое выживание не только с неживой природой, но и с другими представителями живого мира. Например, появление более 3 млрд лет назад фотосинтезирующих организмов постепенно
превратило безкислородную атмосферу Земли в кислородсодержащую, что
явилось катастрофой для анаэробных форм жизни и привело к почти полной
замене анаэробных организмов на аэробные. Или такая «мелочь»: превращение
сухих земель в болото колонией бобров, перегородившей плотиной реку, а для
кого-то это ведь стало катастрофой.
Следовательно, изучая экологические проблемы, необходимо обязательно
учитывать изменения, происходящие в природе без участия человека. Некоторые природные комплексы испытали антропогенное преобразование уже в
древности, когда человечество научилось пользоваться огнем. Например, земледельцы просто выжигали лес и кустарники для пахотной земли. Через несколько лет земля истощалась, участок забрасывали и выжигали новый. Одновременно с процессом одомашнивания диких животных и развитием земледелия последствия человеческой деятельности стали проявляться на обширных
территориях. Например, появление Сахары и среднеазиатских пустынь в значительной степени связывают с развитием скотоводства и земледелия.
Но масштабы влияния человеческого общества на природную среду в
древние времена мизерны по сравнению с современными. И это определялось
не столько низким уровнем развития экономики, сколько иным отношением
человека к природе. Природа наделялась человеческими качествами, она одухотворялась и обожествлялась. При таком восприятии мира человек и природа
были слиты воедино и не противопоставлялись друг другу. Значительную роль
в этом отношении играла религия, особенно языческая.
С развитием цивилизации из сознания человека постепенно исчезла идея
единства человека с природой, ее место безраздельно заняла идея экономической целесообразности. "Не ждать милостей от природы, а брать их у нее" стало правилом, которым руководствуется общество. По мере замены мускульной
силы энергией ископаемого топлива технические возможности человечества
достигли такого уровня, когда слова "покорение природы" перестали быть метафорой. Дальнейшие успехи в этом направлении были достигнуты после овладения различными химическими технологиями. Они стали условием решения
139
многих социальных проблем, но «глубоко проникнув в дела человеческие», химия затронула, а в ряде районов Земли нарушила, складывавшуюся столетиями
жизнь природной среды [43,47].
Со временем природа обнаружила как исчерпаемость своих богатств, так
и ограниченность способности восстанавливать нарушаемые связи. В конечном
итоге это стало отражаться и на самом человеке. В последние десятилетия антропогенное воздействие достигло беспрецедентного уровня и распространилось на весь мир. Стали возникать глобальные проблемы, такие, как парниковый эффект, озоновые дыры и др.
В заключение следует отметить, что основное отличие изменений в окружающей среде за счет естественных процессов и за счет антропогенных воздействий заключается в их скорости. Например, изменение концентрации кислорода в атмосфере до современных 21 % длилось около 1,5 миллиардов лет,
то есть изменение на 0,004 % длилось в среднем около 200 тысяч лет. Тогда как
изменение содержания СО2 в атмосфере на 0,004 % за счет деятельности человека произошло за несколько последних десятилетий. В таких условиях организмы, особенно высшие, просто не успевают приспособиться.
Следовательно, изучая экологические проблемы, необходимо уметь выделять те изменения, которые происходят в природе по вине человека. Нужно
понимать, что решить эти проблемы может только человек, иначе человечество
просто погибнет.
Источники загрязнения окружающей среды
Энергетика и транспорт, а также связанные с ними производство и
транспортировка энергоносителей дают основную массу загрязнителей в окружающую среду. Интенсивное загрязнение природы началось в XVIII в. Широкое распространение паровых машин в XIX в. резко увеличило потребление топлива. С появлением двигателей внутреннего сгорания и крупных тепловых
электростанций в ХХ в. загрязнения стали поступать в прогрессирующем количестве, что привело к проблемам нехватки чистой воды и воздуха, к изменениям глобального характера: парниковому эффекту, кислотным дождям, фотохимическому смогу, радиоактивным осадкам, разрушению озонового слоя.
Промышленность вносит немалый вклад в загрязнение окружающей
среды. В отличие от энергетики и транспорта, которые поставляют загрязнители практически повсеместно в огромных количествах, но в небольшом ассортименте, каждая отрасль промышленности дает свои специфические загрязнения. Среди них экологически наиболее опасными являются предприятия черной
и цветной металлургии, химическая промышленность.
Сельское хозяйство. Необходимость внесения в почву удобрений неизбежна, так как из почвы вместе с урожаем удаляется огромная масса питательных веществ. Но если внести избыток удобрений, то произойдет засоление
почв, а продукция будет содержать избыток нитратов. Однако эти средства могут оказаться затраченными впустую, если не защитить урожай от возбудителей
болезней, насекомых-вредителей и сорняков. Например, потомство только од-
140
ной самки колорадского жука за один сезон (30 млн особей) уничтожает 30 т
картофельных листьев. Использование пестицидов позволило в значительной
степени решить эту проблему, но породило новую. Пестициды стали обнаруживать везде, даже в Антарктиде.
Бытовые отходы. Когда человек перешел от охоты к сельскому хозяйству, созданию постоянных поселений, стала появляться проблема удаления бытовых отходов. Она особенно обострилась в последнее столетие, когда появились многомилионные города, ставшие крупномасштабными предприятиями по
производству бытового мусора и сточных вод.
Мониторинг окружающей среды и классификация загрязнителей.
Чтобы выделить антропогенные изменения на фоне естественных, предупредить наступление возможных критических ситуаций, возникла необходимость в
организации специальных наблюдений за состоянием биосферы. Такую систему постоянных наблюдений называют мониторингом антропогенных изменений природной среды. Его основные задачи: наблюдение за состоянием биосферы, оценка и прогнозирование ее состояния, определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду, выявление факторов и источников такого воздействия.
Первая схема организации мониторинга антропогенных загрязнителей
разработана на межправительственном уровне в 1974 г. в Найроби. Тогда же
был уточнен список наиболее опасных загрязнителей для учета их при организации мониторинга. Загрязнители оценивались по воздействию на здоровье человека; влиянию на климат; склонности к разрушению в природной среде; способности накапливаться в пищевых цепях; возможности превращаться во вторичные токсические или мутагенные вещества; мобильности; тенденции концентрирования в окружающей среде; силе воздействия; возможности определения и др. Ряд загрязняющих веществ оценен в баллах по каждому критерию и
по наибольшей сумме баллов определены приоритеты.
Найденные приоритеты разбиты на восемь классов (чем выше класс, тем
выше приоритет, т.е. тем более опасен данный вид загрязнителей). Эти классы
загрязняющих веществ с указанием среды и уровня измерений приведены в
таблице 19 [47].
Таблица 19
Классификация загрязняющих веществ по классам приоритетности
Класс
приоритетности
I
Загрязняющий агент
SO2 + взвешенные частицы
Радионуклиды Sr90, Cs137
141
Среда
Уровень
измерений*
воздух
пища
Л, Р, Г
Л, Р
Окончание табл. 19
Класс
приоритетности
II
Уровень
измерений*
Среда
Озон
Хлорорганические соединения
Кадмий и его соединения
воздух
Л, Р, стратосфера
человек, биота Л, Р
человек, пища, вода
Л
Нитраты, нитриты
Оксиды азота
вода, пища
воздух
Л
Л
V
Ртуть и ее соединения
СО2
CO
Нефтеуглеводороды
пища, вода
воздух
воздух
вода
Л,Р
Б
Л
Р, Г
VI
Фториды
III
IV
VII
VIII
*
Загрязняющий агент
питьевая вода Л
Асбест
Мышьяк
Микротоксины
Микробиологическое заражение
Реактивные углеводороды
воздух
питьевая вода
пища
пища
воздух
Л
Л
Л, Р
Л, Р
Л
Г - глобальный уровень, Р - региональный, Л - локальный
Особенности органических загрязнителей. До начала ХХ в. сбрасываемые органические вещества не представляли особой опасности для окружающей среды, если сброс был невелик, так как они были природными веществами
и легко усваивались в ней. С начала ХХ в загрязнении окружающей среды все
большую роль стали играть синтетические органические соединения, которые
раньше в природе не встречались. Имея чуждую природе структуру, они не
поддаются биохимическому разложению из-за отсутствия соответствующих
ферментов и накапливаются в окружающей среде. Некоторые из них по мере
продвижения по пищевым цепям концентрируются в живых организмах, накапливаясь в количествах, опасных для здоровья человека, домашних и диких
животных. Еще одна особенность заключается в возможности их превращения
под действием химических, физических и биохимических факторов в соединения, имеющие еще большую опасность, чем первоначально внесенные.
142
В количественном отношении органические загрязнители существенно
уступают неорганическим, но постепенно это соотношение меняется в сторону
органических веществ, да и опасность их для окружающей среды часто выше
неорганических. Мировое производство и использование органических веществ, начиная со второй мировой войны, быстро увеличивалось и в основном
в результате разработок новых синтетических веществ. Особенно широкое распространение синтетические органические соединения получили в последние
30-40 лет: всевозможные ядохимикаты, синтетические полимеры, СМС. Они
выпускаются сотнями миллионов тонн в год и поэтому становятся важным и
весьма неприятным экологическим фактором.
Загрязнение органическими веществами может охватывать большие пространства. Например, нефть растекается по поверхности воды до тех пор, пока
не образуется тонкая пленка. Пленка проявляет свойства, отличающиеся от
свойств нефти в большом объеме, и значительно увеличивает размер зоны, в
которой протекают различные реакции.
Важным и часто упускаемым моментом является период существования
соединения. Он исчисляется временем, необходимым для полного разложения
соединения или для такого изменения его состава, чтобы оно не представляло
потенциальной или реальной угрозы. Это время в сильной степени зависит от
ряда переменных: характеристик среды и ее биологической активности. Для
одного и того же вещества оно может заметно меняться в зависимости от местных условий. Для многих веществ эти периоды существования неизвестны или
только более или менее обоснованы.
В заключение следует отметить, что многие экологические проблемы
можно было бы исключить, если бы перед сбросом отходов в окружающую
среду были получены ответы на три простых вопроса игры «Что? Где? Когда?».
Что произойдет? Что фактически происходит в окружающей среде с отходами определенного типа с химической точки зрения. Это предполагает знание состава и концентрации веществ в сбросном потоке и в окружающей среде,
а также реакций, протекающих в загрязненной системе.
Где будут? Где могут оказаться загрязнения, сбрасываемые с отходами в
окружающую среду? Так как движение водных и воздушных масс, биологический перенос перемещают загрязнения по достаточно постоянной для данной
местности схеме, то важно полностью понимать эти схемы.
Когда исчезнут? Необходимо знать время, которое требуется для достижения равновесного состояния в системе; время, необходимое для максимального рассеяния и биологического концентрирования; а также знать скорость реакций и время распада каждого соединения до безвредных веществ.
Если все это известно, то можно с достаточной точностью предсказать,
какие суммарные эффекты следует ожидать от данного сброса в локальной экологической структуре и в биологической сфере в целом. Нынешнее состояние
знаний об окружающей среде не позволяет дать исчерпывающего ответа на эти
вопросы, но многие ответы могут и должны быть сформулированы. По крайней
143
мере, некоторые ответы должны быть получены до того, как будет разрешен
сброс отходов. И делать такие прогнозы будет вашей обязанностью.
Контрольные вопросы
1. Как связаны между собой экология и биотехнология?
2. Перечислите основные биотехнологические методы переработки городских стоков.
3. Охарактеризуйте метод селективной утилизации химических соединений.
4. В чем заключается диагностика степени загрязнения окружающей среды?
5. Перечислите основные источники загрязнения окружающей среды.
Словарь наиболее употребляемых терминов и определений
Биохимия - наука о химическом строении и функциях веществ, входящих
в состав живой материн, и их превращениях в процессах жизнедеятельности.
Клетка – это структурная единица организма.
Аминокислоты – гетерофункциональные соединения, молекулы которых
содержат одновременно амино- и карбоксильную группы.
Белки - высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью α-аминокислот.
Аминокислоты в молекуле белка соединены между собой пептидными
связями (–СО–NH–), образуя полипептидные цепи.
Первичная структура белка определяется числом и последовательностью аминокислотных остатков, соединенных между собой при помощи пептидной связи.
Вторичная структура белка возникает за счет образования водородных
связей между группами N–H и О=С данной полипептидной цепи, что приводит к упорядоченному расположению гибкой полипетидной цепи в виде спиральной или складчатой структуры.
Третичная структура белка возникает в результате взаимодействия между боковыми цепями аминокислотных остатков полипептидных цепей.
Четвертичной структуры белка возникает в результате межмолекулярных взаимодействий между отдельными полипептидными цепями, обладающими вторичной и третичной структурой.
Биуретовая реакция – качественная реакция на пептидную связь.
Ксантопротеиновая реакция – обнаруживает наличие бензольных колец
в белке.
Ферменты – биологические катализаторы белковой природы.
144
Углеводы – полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны с общей формулой (СН2О)n, наиболее распространенный на земле класс органических соединений.
Моносахариды или простые сахара - простейшие углеводы, они не подвергаются гидролизу, т.е. не расщепляются водой на более простые углеводы.
Олигосахариды (дисахариды и трисахариды) - углеводы, содержат в своем составе 2–10 остатков моносахаридов, связанных между собой гликозидными связями. Например, С12Н22011 – сахароза.
Полисахариды - представляют собой сложные высокомолекулярные соединения, которые под каталитическим влиянием кислот или ферментов подвергаются гидролизу с образованием более простых полисахаридов, затем дисахаридов и, в конечном итоге множество молекул моносахаридов. Например,
крахмал (С6Н10О5)п, целлюлоза (С6Н1005)п.
Липиды - органические вещества, характерные для живых организмов, нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях (сероуглероде, хлороформе, эфире, бензоле), дающих при гидролизе высокомолекулярные жирные кислоты.
Жиры – это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.
Жидкие жиры называют маслами.
Воски – сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и одноатомных спиртов с длинной углеродной цепью
Фосфатиды (фосфолипиды) – жиры, содержащие в своем составе фосфорную кислоту, связанную с азотистым основанием или другим соединением.
Гликолипиды - сложные липиды, образующиеся в результате соединения
липидов с углеводами.
Стероиды – сложные жирорастворимые вещества, молекулы которых содержат четыре конденсированных кольца.
Витамины - низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, выполняющие важнейшие биохимические и физиологические функции.
Авитаминоз - это патологическое состояние, обусловленное недостатком
витаминов в организме, которое может развиться как вследствие полного отсутствия витаминов в пище, недостаточного поступления или неспособности
организма усваивать их, так и в результате быстрого разрушения и выведения
витаминов.
При частичной недостаточности или повышенной потребности в витаминах наблюдаются функциональные расстройства в сглаженных формах ‒
гиповитаминозы.
Гипервитаминоз - острое расстройство в результате интоксикации сверхвысокой дозой одного или нескольких витаминов (содержащихся в пище или
витаминсодержащих лекарствах).
145
Нормы питания являются рекомендациями величины потребления основных пищевых веществ и энергии для различных контингентов населения нашей
страны.
Рациональным питанием называют физиологически полноценное питание, удовлетворяющее потребности организма и обеспечивающее необходимый
уровень обмена веществ и превращения энергии.
Пищевые добавки – химические вещества и природные соединения, сами
по себе не употребляемые как пищевой продукт или обычный компонент пищи.
Биотехнология – уникальная наука, ибо она использует живые организмы
и биологические процессы в практических интересах человека.
Генная инженерия − совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток),
осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.
Заключение
Данное пособие содержит теоретические сведения, контрольные вопросы
для подготовки к выполнению практических работ по дисциплине «Биохимия и
биотехнологии». Выполнение этих заданий поможет студентам бакалавриата
обучающихся по направлению 020900.62 (511700) «Химия, физика и механика
материалов» 1-го курса дневной формы обучения, не только закрепить и конкретизировать знания по данной дисциплине, но и правильно применять полученные знания, экспериментировать, наблюдать за проявлением общих закономерностей живых систем.
Пособие поможет развить у студентов навыки самостоятельного, логического мышления, а также способность интегрировать полученные знания применительно к решению конкретных задач профессиональной деятельности, связанных с использованием органических и неорганических веществ.
Библиографический список
первой части
1. Молекулярная биология клетки / В. Альберте [и др.]. – М.: Мир, 1994.
Т. 1. 615 с.; Т. 2. 540 с.
2. Вермель, Е. М. История учения о клетке / Е. М. Вермель – М.: Наука.
1970. –259 с.
3. Ленинджер А. Основы биохимии Т. 1. / А. Ленинджер – М.: Мир, 1985.
– 367 с.
4. Таубе П. Р. Химия и микробиология воды / П. Р. Таубе, А. Г. Баранова.
– М.: Высшая школа, 1983. – 280 с
5. Экология микроорганизмов / под ред. проф. А. И. Нетрусова. – М.:
АCADEMA, 2004. –267 c.
146
6. Комов, В.П. Биохимия: учебник для студентов вузов / В.П. Комов, В.Н.
Шведова. – М.: Дрофа, 2008. – 639 с.
7. Химическая энциклопедия. Научное издательство «Большая Российская Энциклопедия». – М., 1989. – 623 с.
8. Экологический энциклопедический словарь. Издательский дом «Ноосфера». – М., 2002. – 930 с.
9. Большая медицинская энциклопедия. – М.: Изд-во Эксмо, 2008. – 864 с.
10. Натуральные и искусственные подсластители. Свойства и экспертиза
качества / Полянский К.К. [и др.]. – М.: ДеЛи принт, 2009. – 252 с.
11. Пигменты пищевых производств (меланоидины) / В.Ф. Селеменев
[др.] – М.: ДеЛи принт, 2008. – 246 с.
12. Дудкин, М.С. Новые продукты питания / М.С. Дудкин, Щелкунов
Л.Ф. – М.: Наука, 1998. – 304 с.
13. Технохимический контроль жиров и жирозаменителей / О.Б. Рудаков
[др.]. – С-П.: Лань, 2011. – 576 с.
14. Большая иллюстрированная энциклопедия. В 32 томах. Т. 3. ‒ М.:
АСТ: Астрель, 2010. –501 с
второй части
15. Нечаев, А. П. Пищевая химия / А. П. Нечаев, С. Е. Траубенберг, А. А.
Кочеткова. – СПб.: ГИОРД, 2009. – 640 с.
16. Позняковский, В. М. Гигиенические основы питания, качество и безопасность пищевых продуктов / В. М. Позняковский. – Новосибирск : Сибирское
университетское изд-во, 2005. – 522 с.
17. Скурихин, И. М. Химический состав российских пищевых продуктов:
справочник / И. М. Скурихин, В. А. Тутельян. – М. : ДеЛи принт, 2002 . – 236 с.
18. Ковальская, Л. П. Технология пищевых производств / Л. П. Ковальская, И. С. Шуб, Г. М. Мелькина. – М. : Колос, 1997. – 752 с.
19. Траубенберг, С. Е. Пищевая химия / С. Е. Траубенберг. – М. :
МГУПП, 2003. – 122 с.
20. Донченко, Л. В. Безопасность пищевой продукции / Л. В. Донченко, В.
Д. Надыкта. – М. : Пищепромиздат, 2004. – 528 с.
21. Позняковский, В.М. Гигиенические основы питания и экспертизы продовольственных товаров / Позняковский В.М. – Новосибирск: Издательство
Новосибирского Университета, 1999. –431 с.
22. Аметов, А. С. Инсулиннезависимый сахарный диабет и артериальная
гипертензия: проблемы контроля /А. С. Аметов, Т. Ю. Демидова
// Рус.
мед.
журн.–
1997;
№
9.
–С.583–586.
23. Скурихин, И.М. Все о пище с точки зрения химика / И.М. Скурихин,
А.П. Нечаев. – М.: Высшая школа, 1991. –285 с.
24. Беляков, Н.А., Ожирение / Н.А. Беляков, В.И. Мазуров.– СПб.: Издательский дом СПбМАПО, 2003. –520 с.
147
25. Дедов, И. И. Сахарный диабет 2 типа у детей и подростков / И.И. Дедов, В. А. Петеркова, О.В. Ремизов // Сахарный диабет. –2001; №4. –С. 26–31.
26. Дедов, И. И. Ожирение / И.И. Дедов, Г.А. Мельниченко. –М.: МИА,
2004. –222 с.
27. Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов. Санитарные правила и нормы (СанПиН
2.3.2.560-2001). Приложение 9, 10. – М.: 2001. - 195 с.
28. Орещенко, А.В. О пищевых добавках и продуктах питания /А.В. Орещенко, А.Ф. Берестень // Пищевая промышленность. –1996. –№ 6. –С. 4.
29. Нечаев, А.П. Пищевые ароматизаторы / А.П. Нечаев, Е. В. Смирнов //
Пищевые ингредиенты (сырье и добавки). –2000. –№ 2. –С. 8.
30. Лукин, Н.Д. Пищевые добавки на основе сахаристых крахмалопродуктов / Н.Д. Лукин // Пищевая промышленность. –1996. –№ 6. – С. 14.
31. Нечаев, А. П. Пищевые добавки. Пищевые ингредиенты (сырье и добавки). –М., 1999. –234 с.
32. Нечаев А.П., Пищевые красители. Пищевые ингредиенты (сырье и добавки) / А.П. Нечаев, В.М. Болотов. –М., 2001. –214 с.
третьей части
33. Рогов, И.А. Пищевая биотехнология: В 4 кн. Кн. 1. Основы пищевой
биотехнологии / И.А. Рогов, Л.В Антипова, Г.П. Шуваева. – М.: КолосС, 2004.
– 440 с.
34. Залашко, М.В. Биотехнология переработки сыворотки / М.В. Залашко.
– М.: Агропромиздат, 1990. – 192 с.
35. Иванова, Л.А. Пищева биотехнология. Переработка растительного
сырья кн. 2 / Л.А. Иванова, Л.И. Войно, И.С. Иванова. – М.: КолосС, 2008. –
472 с.
36. Шендеров, Б.А. Медицинская микробная экология и функциональное
питание. Т. 3: Пробиотики и функциональное питание / Б.А. Шендеров. – М.:
Грантъ, 2001. – 288 с.
37. Елинов, Н.П. Основы биотехнологии / Н.П. Елинов. – СПб: ИФ "Наука", 1995. –600 с.
38. Сельскохозяйственная биотехнология: Учебник / В.С. Шевелуха [и
др.]. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2003. – 469 с.
39. Баскакьян, И.А. Культивирование микроорганизмов с заданными
свойствами / И.А. Баскакьян. – М.: Медицина, 1992. – 192 с.
40. Научно-технические основы биотехнологии молочных продуктов нового поколения: Учебное пособие / А.Г. Храмцов [и др.]. – Ставрополь: Сев.
Кав. ГТУ, 2002. – 118 с.
41. Мосичев, М.С. Общая технология микробиологических производств
/ М.С. Мосичев, А.А. Складнев, В.Б. Котов. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. – 264 с.
148
42. Щербина, Б.В. Биотехнологический словарь: учеб. пособие / Б.В.
Щербина [и др.]. – М.: МГУПБ, 2007. – 323 с.
43. Биотехнология: учебник / И.В. Тихонов, Е.А. Рубан, Т.Н. Грязнева и
др.; под ред. акад. РАСХН Е.С. Воронина. – СПб.: ГИОРД, 2005. – 792 с.
44. Николаев, А. Я. Биологическая химия / А. Я. Николаев. – М.:
Высшая школа, 1989. – 304 с
46. Филлипович, Ю. Б. Основы биохимии / Ю. Б. Филлипович. – М. :
Агар, 1999. – 447 с
47. Бекер, М.Е. Биотехнология / М.Е. Бекер, Г.К. Лиепиньш, Е.П. Райпулис. – М. : Агопромиздат, 1990. – 334 с
Оглавление
Введение……………………………………………………………………………...3
1.Биомолекулы……………………………………………………………………...5
1.1. Определение и становление биохимии как науки ………………………….5
1.2. Химический состав живой материи. Понятие о макро - и микроэлементах.
Биологические структуры живых систем. ……………………………………....7
1.3. Вода - самое распространенное соединение в живых организмов……...15
1.4. Аминокислоты: строение, свойства и биологическая роль………….. ……23
1.5. Белки: ковалентная структура и биологические функции………………….28
1.6. Углеводы: строение, биологические функции………………………………38
1.7. Липиды и их биохимические функции………………………………………51
1.8. Витамины – незаменимые микрокомпоненты пищи………………………62
2. Биохимии человека…………………………………………………………….71
2.1. Питание человека ………………………………………….…………………71
2.2. Энергетические потребности организма ……………………………….….80
2.3. Рекомендуемые величины потребления пищевых веществ и энергии для
различных групп населения…………………………………………………...…...84
2.4. Рациональное питание………………………….……………………………89
3. Биотехнология………………………………………………...……………….106
3.1. Научные основы биотехнологии………………………..…………………106
3.2. Новые направления биотехнологии…………………………….………….113
3.3. Генная инженерия. Методы генной инженерии…………………..…........121
3.4. Биотехнология и проблемы защиты окружающей среды …………...……127
Словарь наиболее употребляемых терминов и определений…………………..143
Заключение………………………………………………………………………145
Библиографический список………………………………………………………145
149
Учебное издание
Хорохордина Елена Алексеевна, Рудаков Олег Борисович,
Полянский Константин Константинович
БИОМОЛЕКУЛЫ: СВОЙСТВА, РОЛЬ В БИОХИМИИ ЧЕЛОВЕКА,
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ
Учебное пособие
для студентов, обучающихся по направлению 020900.62 (511700) «Химия, физика и механика материалов»
Редактор: Акритова Е.В.
Подписано в печать ______2013. Формат 60×84 1/16. Уч.-изд. л. 5,0.
Усл.-печ. л. 9. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ №_______.
__________________________________________________________________
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии издательства учебной литературы
и учебно-методических пособий Воронежского ГАСУ
394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
150