Исследовательская работа Химия пищи

МКОУ «Бодеевская СОШ»

Лискинский район Воронежская область

Выполнила: ученица 9-го класса

МКОУ «Бодеевская СОШ»

Лискинского района

Воронежской области

Хитрова Юлия Юрьевна

Руководитель: учитель химии

МКОУ «Бодеевская СОШ»

Лискинского района

Воронежской области

Зайчиков Владимир Васильевич

Воронежская область, Лискинский район,

с. Бодеевка

В последние годы демографическая ситуация в Российской Федерации характеризуется отрицательными тенденциями, связанными со снижением рождаемости, сокращением продолжительности жизни, увеличением сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. Значительную роль в ухудшении здоровья играют нарушения питания. Питание – средство поддержания жизни, роста и развития, здоровья и высокой работоспособности человека.

Рациональное питание – одно из основных средств обеспечения нормального физического и умственного развития детей. Оно повышает их устойчивость к болезням и успеваемость. Значение рационального питания возрастает в условиях большой учебной нагрузки. Современные учебные программы очень насыщены. Для их выполнения требуются значительные усилия и большая затрата времени детей не только в школе, но и дома. Роль питания в современных условиях повышается в связи с ускорением физического развития и ранним половым созреванием и огромное значение в этом играет пища. За 70 лет жизни человек съедает и выпивает воды более 50 т, белков более 2,5 т, жиров более 2 т, углеводов около 10 т.

Пища человека должна содержать следующие химические элементы: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, серу, селен, фтор, хлор, йод, натрий, калий, кальций, магний, цинк, медь, хром, молибден, марганец, железо, кобальт. Зеленые растения усваивают (впитывают корнями) все элементы в виде водного раствора их солей (для азота — в виде солей аммония) или солей соответствующих кислородных кислот — фосфорной, азотной, серной и т. д. Углерод растения усваивают в хлоропластах зеленых листьев в виде углекислого газа, поглощенного из воздуха.

Человек также способен усваивать многие элементы в виде их солей или солей соответствующих кислородных кислот. Сюда относятся фосфорная кислота и соли, образуемые элементами в вышеприведенном списке — от фтора до кобальта. Углерод, азот, серу человек и животные должны получать только в виде определенных групп органических соединений. Эти соединения всегда содержат также кислород и водород, которые поступают в организм, кроме того, в виде воды.

Наша пища состоит из очень большого числа различных веществ: белков, жиров, углеводов, витаминов, минеральных веществ и др. Среди них есть такие, которые определяют энергетическую и биологическую ценность, участвуют в формировании структуры, вкуса, цвета и аромата пищевых продуктов. Необходимо знать важнейшие компоненты продуктов питания, чтобы представить те сложные превращения, которые происходят при получении пищи. Это поможет более правильно оценить качество потребляемых продуктов, осмысленнее подходить к своему питанию, сохранить свое здоровье.

Углеводы и жиры — главный источник пополнения энергией человеческого тела. Жиры и углеводы в пище, в некоторой степени, взаимозаменяемы и играют сходную роль. Белки или протеины (например, творог, белок яйца, клейковина пшеничной муки, мышцы рыбы, мяса) служат единственными органическими веществами пищи, которые доставляют человеку и животным необходимый азот. Ни в какой другой форме азот человеком не усваивается. Между тем он нужен и для синтеза белков собственного тела человека, и для построения азотсодержащих веществ.

Переваривание белка идет более сложно. Огромные молекулы белка с помощью соляной кислоты и пепсина разрываются, присоединяя воду, на осколки — полипептиды. Затем содержимое желудка переливается в примыкающую к желудку двенадцатиперстную кишку. Сюда же вливаются выделяемые поджелудочной железой ферменты — трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза и производимая печенью желчь. В отличие от желудка переваривание в двенадцатиперстной кишке происходит не в кислой, а в щелочной среде, но смысл его тот же — гидролиз. Полипептиды распадаются на аминокислоты. Из двенадцатиперстной кишки перевариваемая пища попадает в тонкие кишки, на ворсинках стенок которых происходит окончательное расщепление на аминокислоты (ферментом аминопептидазой и др.) всех еще не до конца переваренных осколков белковых молекул и всасывание аминокислот в кровь. Кровь доносит аминокислоты — основной строительный материал тела — до каждой клетки, а клетка синтезирует из этих аминокислот белки, нужные ей и всему организму. Необычайно важно, что из 20 аминокислот человеческий организм не может сам синтезировать 8 так называемых незаменимых аминокислот, а организм ребенка даже 9. Для растущего организма, особенно для грудных детей и детой младшего возраста, наиболее ценным является молоко, в том числе его белки. Никакими питательными смесями его нельзя заменить, так как рост и развитие ребенка идут нормально только при наличии молока, которое является источником необходимых пищевых веществ. Молочные белки по своей питательной ценности имеют большое значение и для питания организма взрослого человека, в пищу которого входят в значительных количествах также белки других продуктов животного и растительного происхождения, как, например, мяса, хлеба, круп, овощей. Из работ советских ученых известно, что белки большинства круп по содержанию аминокислот значительно отличаются от белков нашего тела, но, комбинируя их с другими продуктами, особенно с продуктами животного происхождения, можно получить смесь белков, близких к белкам человеческого организма. Так, например, гречневая крупа содержит белок, в котором мало некоторых важных для организма аминокислот, но при употреблении гречневой каши с молоком этот недостаток восполняется. Еще меньше пушных аминокислот в белках пшена, но когда в суточном пищевом рационе человека содержатся также другие продукты — мясо, картофель и пр., то в результате получившиеся белки, удовлетворяющие потребностям организма. Наиболее дефицитны незаменимые аминокислоты: лизин, триптофан и метионин. Лизин и метионин получают на заводах и добавляют в корм животным, для которых недостаток незаменимых аминокислот так же вреден, как и для человека. В некоторых странах искусственно приготовленный лизин добавляют в хлеб. Зато, если пища содержит достаточно азота в виде других аминокислот или в виде даже просто соли аммония, организм человека (и животных) может сфабриковать остальные 9— 10 сортов, причем сырьем могут служить и промежуточные продукты превращения в теле углеводов и жиров. Поэтому важно не только суточное количество белковой пищи (т. е. 100 г белка, которые содержат 16 г азота), но и качество. Эти 100 г белковой пищи должны содержать в сумме около 30 г незаменимых аминокислот, притом строго определенное минимальное количество каждой из них. Очень важно, чтобы 11—12 г азота в виде остальных заменимых кислот или хотя бы одной из них имелись в пище (обычно мы ведь не едим солей аммония).

Отсюда вывод: чем разнообразнее продукты питания человека, тем больше он получит с пищей белков достаточно высокого качества.

При недостаточном количестве белка в пище задерживается рост и общее физическое развитие ребенка. Однако избыток белка не способствует росту и развитию, а, наоборот, ухудшает их. Так, установлено, что дети в возрасте от 1 года до 3 лет, получая свыше 4 г белка на 1 кг веса, теряли аппетит, вследствие чего в их организме отлагалось меньше белка.

Это интересно...

•  Низкий рост народов тропических стран — это не особая расовая черта, а следствие недостатка белков в пище.

•  В тех районах земного шара, где нарастает потребление белка,
жизнь человека стала более продолжительной.

Жиры являются необходимой составной частью нашей пищи, определяющие ее пищевую ценность и вкусовые качества. Жиры по своему составу являются весьма сложными веществами. В пищеварительном канале они подвергаются действию различных пищеварительных соков и распадаются на более простые вещества. Расщепление жиров происходит в тонком кишечнике под влиянием ферментов сока поджелудочной железы и кишечного сока, а также и при участии желчи. Желчь вырабатывается печенью и поступает в желчный пузырь, откуда через желчный проток изливается в двенадцатиперстную кишку. Желчь способствует растворению продуктов расщепления жиров - жирных кислот - в жидкой части кишечного содержимого и их всасыванию ворсинками кишечника.

В питании имеет значение не только количество, но и состав липидов, особенно содержание полиненасыщенных (линолевой, линоленовой, арахидоновой) кислот, которые получили название «незаменимых». Они участвуют в построении клеточных мембран, в синтезе простагландинов (сложные органические соединения, которые участвуют в регулировании обмена веществ в клетках, кровяного давления, агрегации тромбоцитов), способствуют выведению из организма избыточного количества холестерина, повышают эластичность стенок кровяных сосудов.

Источниками углеводов в питании служат главным образом продукты растительного происхождения - хлеб, крупы, картофель, овощи, фрукты, ягоды. Из продуктов животного происхождения только в молоке имеются углеводы — молочный сахар. Пищевые продукты содержат различные углеводы: так, крупы, картофель содержат крахмал, сложное вещество, не растворимое в воде, но расщепляющееся под действием пищеварительных соков. Известен крахмал картофельный, пшеничный, рисовый и др. Во фруктах, ягодах и некоторых овощах углеводы содержатся в виде различных сахаров — фруктовый сахар, свекловичный сахар, тростниковый сахар, виноградный сахар (глюкоза) и др. Эти вещества растворимы в воде. И те, и другие углеводы — и крахмалы, и сахара — хорошо усваиваются организмом. Разница заключается в том, что растворимые в воде сахара быстро всасываются в кровь, в то время как крахмал должен предварительно растопиться в пищеварительном канале на более простые соединения. Крахмал подвергается окончательному расщеплению в тонких кишках, в которые пища из желудка поступает небольшими порциями, а сахар, получившийся в результате расщепления крахмала, всасывается в кровь постепенно. Если углеводы поступают с пищей в достаточном количестве, они откладываются в виде особого животного крахмала — гликогена — главным образом в печени и мышцах; при избыточном же питании, как уже указывалось, углеводы переходят в организме в жир. Запасы гликогена в дальнейшем снова расщепляются в организме до сахара и поступают в кровь и ткани. Доказано также, что отложение углеводов в организме возможно и в том случае, когда в пище количество углеводов ограничено, а белка много. В опытах на животных доказано также, что не только жир образуется из углеводов, но и углеводы могут в свою очередь образоваться из жира. Таким образом, становится ясным, что как жиры, так и углеводы могут образовываться в организме из всех трех основных веществ — из белков, жиров и углеводов пищи. Только белок является незаменимым и может образоваться лишь из белков.

Последняя группа веществ пищи — витамины, с витаминами дело обстоит так же, как с незаменимыми аминокислотами. Каждый из примерно 20 витаминов совершенно необходим для жизни человека. Для каждого витамина установлена минимально необходимая суточная норма. Если организм долго не получает необходимой порции, то это приводит к расстройству здоровья — так называемому авитаминозу, специфическому для каждого витамина. Наиболее известная болезнь для жителей Севера — цинга, вызываемая недостатком витамина С (аскорбиновой кислоты). Она развивается у людей, надолго лишенных свежих фруктов и овощей — главных источников витамина С. Витаминов нужно человеку в сутки мало, обычно несколько миллиграммов, иногда даже доли миллиграмма. Лишь витамина С нужно довольно много, до 100 мг, еще больше — холина, до 1г.

Возникает вопрос: можно ли приготовлять пищевые продукты не сельскохозяйственным, а заводским путем? Вот как отвечал на этот вопрос Д. И. Менделеев в начале нашего столетия: «Как химик, я убежден в возможности получения питательных веществ из сочетания элементов воздуха, воды и земли помимо обычной культуры, т. е. на особых фабриках и заводах, но надобность в этом еще очень далека от современности, потому что пустой земли еще везде много... И я полагаю, что при крайней тесноте народонаселения раньше, чем прибегать к искусственному получению питательных веществ на фабриках и заводах, люди сумеют воспользоваться громадной массой морской воды для получения массы питательных веществ, и первые заводы устроят для этой цели в виде культуры низших организмов, подобных дрожжевым, пользуясь водою, воздухом, ископаемыми и солнечной теплотой».

Самой дорогой по стоимости и самой недостающей частью питания является ее белковая часть. Специалисты считают, что около половины населения земли недополучает необходимое количество белков. Есть два пути пополнения мировых запасов белка, кроме сельскохозяйственного. Первый — чисто химический: можно химически получить все необходимые аминокислоты и на их основе готовить пищу, похожую на привычную, добавляя вкусовые вещества и запахи, и придавая ту или другую форму — волоконцев (как в мясе и рыбе), студня, крупы, макарон, сплошной массы — мягкой или более жесткой, как это бывает в паштетах или в сыре. Аминокислоты можно получать и не чисто химическим путем, а с помощью микроорганизмов, синтезирующих большие количества той или другой аминокислоты. Так, например, на заводах получают аминокислоты — лизин и глутаминовую кислоту, избыток которых из микроорганизмов попадает в раствор, в котором они живут. Но ведь все микроорганизмы содержат в своих клетках белки и в них весь набор аминокислот. Таковы, например, разные виды дрожжей. Это и будет второй путь увеличения белковых ресурсов на Земле. Можно разрушить клетки этих микроорганизмов, выделить белок и использовать его для приготовления пищи или, прогидролизовав его, превратить в сумму аминокислот и использовать их для получения пищи, добавив, конечно, вкусовые вещества и отдушку.

Дрожжи растут на сахаристых отходах сельского хозяйства и, как это установлено недавно, на углеводородах нефти, если добавить необходимые соли — аммония, фосфорной кислоты и др. Выращивая дрожжи на углеводородах нефти, можно из одной тонны нефти получить полтонны белка. Белок дрожжей гораздо ближе по аминокислотному составу к белкам мяса и молока, чем белок многих растений. Из такого дрожжевого белка в Институте элементоорганических соединений получена искусственная черная икра и мясо (жареное). На вкус их не отличишь от обыкновенных. Конечно, те же и всякие другие белковые продукты можно сделать и из смеси аминокислот, полученных чисто химическим путем.

В чем выгоды такого получения белковой пищи? Дрожжевой белок будет дешевле, чем животный белок. Азот и фосфорная кислота, добавляемые в виде солей, используются дрожжами несравненно полнее, чем растения используют вносимые в почву удобрения. В самом деле, в сельском хозяйстве значительная часть удобрений пропадает зря: вымывается дождями, не доходит до корней; не все растение, скажем, пшеница или кукуруза, идет в пищу. Многие части растения — корни, солома, шелуха, кочерыжки — пропадают. Если растение идет на корм животному, то из белка корма только 20—30% после убоя животного оказывается в виде мяса. Остальной белок служит животным для поддержания собственной жизни.

На производство белка полусинтетическим путем тратится нефть. Чтобы досыта накормить всех только дрожжевым белком, нужно гораздо меньше нефти, чем для одного лишь автотранспорта, но всё же запасы нефти не могут быть неистощимы, хотя геологи открывают все новые месторождения. Возникает общий вопрос: сумеем ли мы заменить нефть, если запасы ее истощатся? Когда мы овладеем реакцией термоядерного синтеза, т. е. сможем регулировать выделение той колоссальной энергии, которая мгновенно выделяется, например, при взрыве водородной бомбы, то нам будет доступно использование неограниченных количеств энергии. Нефть и уголь перестанут быть поставщиками энергии. Они будут поставщиками только углерода для химической промышленности. Их с избытком хватит и для пищи.

Есть, однако, еще одна возможность, не связанная ни с нефтью, ни с ядерной энергией. Можно выращивать зеленые микроорганизмы — одноклеточные водоросли, которые, как и зеленые высшие растения, используют углерод углекислого газа, превращая последний в органические вещества с выделением кислорода за счет солнечной энергии. Дело в том, что микроорганизмы, как дрожжи, так и водоросли (типа хлореллы), растут несравненно быстрее, чем высшие многоклеточные организмы — растения или животные. А белок водорослей можно перерабатывать во вкусную пищу так, как это уже начинают делать с белком дрожжей, добавляя недостающие аминокислоты, недостающие витамины и вкусовые вещества.

Мысль об обеспечении человечества изобилием продуктов питания давно занимала многих химиков. В экспериментальных работах по синтезу пищевых продуктов надо использовать все открытия, чтобы выяснить, какие лучше и экономичнее. Нужно, конечно, улучшать и всячески интенсифицировать земледелие т.к. население нашей планеты растет быстро, поэтому пищи потребуется гораздо больше, а ее и сейчас на земном шаре не хватает, особенно белка.

Литература

1. Химия жизни. Л.А. Николаев. Москва «Просвещение»1977.

2. Большая Медицинская Энциклопедия. Под ред. Б. В. Петровского. Издание 3-е. М., "Советская Энциклопедия", 1980.

3. Книга для чтения по органической химии. Пособие для учащихся. М., Просвещение, 1975.

6