Węglowodany są podstawowym składnikiem komórek i tkanek każdego żywego organizmu, czy to rośliny, zwierzęcia czy człowieka. Stanowią większość materii organicznej planety Ziemia. Węglowodany to dość szeroka klasa związków. Wśród nich można znaleźć substancje o różnych właściwościach. Ze względu na tę cechę funkcje węglowodanów są bardzo szerokie. Dzisiaj przeanalizujemy główne właściwości, rolę fizjologiczną i wykorzystanie węglowodanów w różnych obszarach przemysłu spożywczego (i nie tylko).
Źródła węglowodanów
Głównym źródłem węglowodanów są produkty roślinne. Mianowicie: chleb, płatki zbożowe, warzywa, owoce, jagody. Jeśli chodzi o produkty pochodzenia zwierzęcego, niektóre z nich są również bogate w węglowodany. To przede wszystkim mleko, które zawiera tzw. cukier mleczny.
Produkty spożywcze mogą zawierać różne węglowodany. Dlatego znaczenie, zastosowanie węglowodanów i ich funkcje są bardzo rozległe. Zboża i ziemniaki zawierają skrobię – złożony węglowodan nierozpuszczalny w wodzie, który pod wpływem soków trawiennych jest rozkładany na cukry proste. W owocach, warzywach i jagodach te substancjeprezentowane w postaci cukrów prostych: owoców, buraków, trzciny, winogron i tak dalej. Rozpuszczają się w wodzie i są doskonale wchłaniane przez organizm. Cukry rozpuszczalne w wodzie są szybko wchłaniane do krwiobiegu.
Spożycie węglowodanów
Uważa się, że większość węglowodanów powinna być spożywana w postaci złożonej, a tylko 20-25% w postaci prostej. Przyczynia się to do stopniowego wnikania cukrów do tkanek. Jeśli dana osoba otrzymuje wystarczającą ilość węglowodanów z pożywienia, odkładają się one w wątrobie i mięśniach w postaci glikogenu „skrobi zwierzęcej”. Przy braku węglowodanów zapas glikogenu jest rozkładany na glukozę i wykorzystywany na potrzeby organizmu (odżywianie komórek i tkanek). Jeśli organizm otrzyma ich nadmiar, zamieniają się one w tkankę tłuszczową. Nawiasem mówiąc, węglowodany zawierają również błonnik, który jest niezbędny do prawidłowego trawienia.
Węglowodany są niezbędnymi składnikami diety, więc nie tylko determinują homeostat energetyczny organizmu, ale także uczestniczą w biosyntezie szeregu polimerów zawierających węgiel. W ciągu życia przeciętna osoba spożywa około 14 ton tych związków. Spośród nich około 2,5 tony - w prostej formie. Wykorzystanie w żywności białek, tłuszczów, węglowodanów i ich pochodnych nie jest jednolite. Węglowodany to główna część naszej diety. Spożywają 4 razy więcej niż białka czy tłuszcze. Przy prostej, mieszanej diecie około 60% energii człowieka pochodzi z węglowodanów. Ich głównym zadaniem w organizmie jest dostarczanie energii. Im więcej aktywności fizycznej w życiu człowieka, tym więcejpotrzebuje węglowodanów. Przy siedzącym trybie życia zapotrzebowanie na te substancje maleje. Dla tych, którzy nie wykonują pracy fizycznej, dzienne zapotrzebowanie na węglowodany wynosi około 400 gramów.
Około 50-65% węglowodanów trafia do naszego organizmu wraz z produktami zbożowymi. 15-25% - z cukrem i produktami zawierającymi cukier. Około 10% - z roślinami okopowymi i bulwiastymi. I około 5-7% - z owocami i warzywami.
Węglowodany bardzo silnie drażnią zewnętrzne wydzielanie trzustki i są najaktywniejszym stymulatorem syntezy insuliny, która odgrywa ważną rolę w regulacji metabolizmu węglowodanów i utrzymaniu optymalnej homeostazy glukozy. Przeciążenie węglowodanami prostymi prowadzi z biegiem lat do hiperplazji komórek β, a następnie do osłabienia aparatu wyspowego i powstania przesłanek do rozwoju cukrzycy.
Klasyfikacja węglowodanów
W zależności od struktury, zdolności rozpuszczania i szybkości przyswajania węglowodany wchodzące w skład pożywienia dzielą się na proste i złożone. Proste obejmują cukry proste (fruktoza, glukoza, galaktoza) i dwucukry (sacharoza, laktoza). Do kompleksu - polisacharydy (błonnik, skrobia, glikogen). Oprócz przykładów węglowodanów w każdej klasie istnieją inne, mniej znane substancje.
Węglowodany proste
Mono- i disacharydy dobrze rozpuszczają się w wodzie i są szybko wchłaniane przez organizm. Mają wyraźny słodki smak, dlatego często nazywane są po prostu cukrami. Najliczniejszym monosacharydem jestglukoza zawarta w różnych owocach i jagodach, a także syntetyzowana podczas rozkładu di- i polisacharydów. Glukoza, gdy już znajdzie się w organizmie, szybko znajduje dla siebie zastosowanie. Tworzy glikogen, odżywia tkankę mózgową i mięśnie (w tym serce) oraz reguluje poziom cukru we krwi. Podczas ćwiczeń glukoza może być wykorzystywana bezpośrednio jako źródło energii.
Fruktoza ma podobne właściwości. Można go uznać za bardzo wartościowy, łatwo przyswajalny węglowodan. Jednak w porównaniu z glukozą, fruktoza jest nadal wolniej wchłaniana przez jelita, a po dostaniu się do krwi szybciej opuszcza krwioobieg. Do 80% fruktozy jest zatrzymywane w wątrobie, zapobiegając wysyceniu cukru we krwi. Jednak w wątrobie fruktoza łatwiej syntetyzuje glikogen niż glukoza. W porównaniu z sacharozą fruktoza jest bardziej przyswajalna i ma więcej słodyczy. Ze względu na tę ostatnią właściwość, mniej fruktozy można wykorzystać do uzyskania pożądanego poziomu słodyczy produktu, zmniejszając w ten sposób ogólne spożycie cukrów. Ma to miejsce w konstrukcji diety niskokalorycznej. Biorąc pod uwagę wykorzystanie węglowodanów w życiu, szczególną uwagę należy zwrócić na żywienie dietetyczne. Fruktoza jest często stosowana jako słodzik w żywności dla osób z cukrzycą.
Nadmiar sacharozy zaburza metabolizm tłuszczów i zwiększa produkcję tłuszczu. Ponadto od dawna udowodniono, że wraz ze wzrostem ilości cukru dostającego się do organizmu wzrasta synteza tłuszczów z węglowodanów złożonych, bezpośrednio z tłuszczu, a nawet białka. Stąd,Ilość spożywanego cukru może znacznie regulować metabolizm tłuszczów.
Wraz z obfitym stosowaniem cukru zaczynają się zaburzenia metabolizmu cholesterolu i wzrost jego zawartości we krwi. Ponadto nadmiar cukru ma zły wpływ na pracę mikroflory jelitowej – zwiększa się masa gnilnych mikroorganizmów, przyspieszają procesy gnilne, rozwijają się wzdęcia. Najmniej te skutki uboczne obserwuje się przy stosowaniu fruktozy. Głównym źródłem tego węglowodanu są owoce i jagody. W miodzie znajduje się dużo fruktozy i glukozy: odpowiednio 37,1 i 36,2%. Cały cukier, który jest w arbuzie to fruktoza, tutaj jest to około 8%.
Następnym monosacharydem jest galaktoza. Nie występuje w żywności w postaci wolnej. Galaktoza jest produktem rozpadu laktozy, głównego węglowodanu w mleku.
Jeśli chodzi o disacharydy, głównym składnikiem naszej diety jest sacharoza. Po hydrolizie rozkłada się na fruktozę i glukozę. Głównymi źródłami sacharozy są cukier buraczany i trzcinowy. W cukrze granulowanym zawartość tego węglowodanu sięga 99,75%. Ponadto sacharoza znajduje się w owocach, warzywach i tykwach.
Węglowodany złożone
Polisacharydy mają bardziej złożoną strukturę molekularną i wyjątkowo niską rozpuszczalność w wodzie. Ta klasa obejmuje: skrobię, błonnik, glikogen i pektynę. Stosowanie węglowodanów z tej klasy jest w różnym stopniu rozpowszechnione. Skrobia ma podstawową wartość odżywczą. Jego wysoka zawartość w zbożach jest głównym czynnikiem decydującym o ichWartość odżywcza. W diecie przeciętnego człowieka skrobia stanowi do 80% całkowitej ilości spożywanych węglowodanów. W organizmie zamienia się w proste węglowodany i spełnia swoje funkcje.
Jeśli chodzi o glikogen, w naszym organizmie pełni on rolę materiału energetycznego, który zasila pracujące mięśnie i narządy wewnętrzne. Glikogen jest przywracany przez resyntezę kosztem glukozy.
Pektyna jest substancją rozpuszczalną, która jest dobrze wchłaniana przez organizm. Jak pokazują współczesne badania z zakresu zdrowego żywienia, pektyna może być stosowana w celach profilaktycznych i terapeutycznych w chorobach przewodu pokarmowego.
Włókno ma strukturę bardzo podobną do polisacharydów. Produkty zbożowe słyną z wysokiej zawartości. Oprócz ilości błonnika w produkcie duże znaczenie ma jego jakość. Im bardziej delikatny węglowodan, tym lepiej rozkłada się w jelitach i tym więcej korzyści przynosi człowiekowi. Takie właściwości posiada błonnik warzyw i ziemniaków. Ważną cechą tego polisacharydu jest zdolność do usuwania cholesterolu z organizmu człowieka. Przyjrzyjmy się teraz bliżej wykorzystaniu węglowodanów.
Żywienie pozajelitowe
Wykorzystanie węglowodanów w medycynie szybko się rozwija. Żywienie pozajelitowe to dożylne podawanie substancji odżywczych do organizmu. Stosuje się go w przypadkach, gdy pacjent nie jest w stanie sam się wyżywić. Stosowanie węglowodanów w żywieniu pozajelitowym jest bardzo powszechne. Są używane zgodnie zprostym powodem jest to, że są one najtańszym źródłem energii dla ludzkiego ciała. Wartość energetyczna węglowodanów wynosi 4 kcal/g. Dzienne zapotrzebowanie człowieka na energię waha się od 1,5 do 2 tysięcy kilokalorii. Stąd problem izolowanego stosowania węglowodanów w celu zaspokojenia tej potrzeby. Jeśli chodzi o izotoniczny roztwór glukozy, aby w pełni pokryć zapotrzebowanie na kalorie, konieczne jest wlanie od 7 do 10 litrów roztworu. Może to prowadzić do rozwoju przewodnienia, obrzęku płuc i zaburzeń sercowo-naczyniowych.
Stosowanie bardziej stężonych roztworów glukozy jest obarczone innymi nieprzyjemnymi konsekwencjami - wystąpieniem hiperosmolarności osocza i podrażnienia błony wewnętrznej żył (rozwój żył i zakrzepowe zapalenie żył). A w celu wyeliminowania ryzyka diurezy osmotycznej konieczne jest utrzymanie szybkości wlewu glukozy w zakresie od 0,4 do 0,5 g/kg/h. Jeśli przełożysz tę liczbę na izotoniczny roztwór glukozy, otrzymasz nieco ponad 500 mm na godzinę dla pacjenta ważącego 70 kg. Insulina jest dodawana do roztworu glukozy, aby zapobiec upośledzonej tolerancji węglowodanów i wynikającym z tego powikłaniom. Obliczenie przeprowadza się według wzoru: 1 jednostka na 3-4 gramy suchej glukozy. Insulina nie tylko pozytywnie wpływa na wykorzystanie glukozy, ale także przyczynia się do prawidłowego wchłaniania aminokwasów.
Zastosowanie węglowodanów w medycynie zależy od ich rodzaju. W żywieniu pozajelitowym szeroko stosowane są: fruktoza, glukoza, sorbitol, dekstran, glicerol i etylalkohol.
Żywność dietetyczna
Istnieje wiele diet, które opierają się na całkowitym lub częściowym wykluczeniu węglowodanów z diety, a także na zwiększeniu spożycia białek i tłuszczów. Amerykański Departament Rolnictwa przeprowadził ankietę, zgodnie z którą okazało się, że ludzie spożywający pokarmy bogate w węglowodany mają przeważnie normalną wagę. Pokarmy bogate w węglowodany są bardziej pożywne, ale mniej kaloryczne.
Jak wiesz, w Ameryce ponad połowa populacji ma nadwagę. A liczba takich osób stale rośnie. Długoterminowe badanie populacji na temat spożywanej żywności wykazało, że osoby, których dieta jest zdominowana przez węglowodany, otrzymują mniej kalorii niż miłośnicy białek i tłuszczów, przy tej samej ilości spożywanego pokarmu. Ta grupa osób spośród wszystkich badanych, a było ich ponad 10 000, miała najniższą masę ciała. Powodem jest to, że na każde 1000 kalorii żywności zawierającej węglowodany przypada dużo błonnika i wody. Ta grupa osób otrzymywała z pożywieniem więcej składników odżywczych, a mianowicie: witaminy A i C, karoten, wapń, żelazo i magnez. Tłuszcze, cholesterol, cynk, sód i witamina B12 znalazły się w ich diecie w niewielkim stopniu.
Stosowanie węglowodanów i tłuszczów w żywności jest ściśle powiązane. Jednak podobnie jak stosowanie węglowodanów z białkami. Wysoka efektywność węglowodanów jako źródeł energii polega na ich zdolności do oszczędzania białka. Kiedy spożywana jest duża ilość węglowodanów, organizm zużywa jako energięmateriał jest mniejszy niż aminokwasy. Ogólnie rzecz biorąc, substancje te nie są niezbędnymi składnikami żywienia, ponieważ można je syntetyzować z aminokwasów i glicerolu, jednak ich rola nie powinna być lekceważona. Zużycie węglowodanów w żywności powinno wynosić co najmniej 50 gramów dziennie. W przeciwnym razie mogą wystąpić zaburzenia metaboliczne.
Jednak nadmierne spożycie węglowodanów prowadzi do tworzenia tłuszczu podskórnego. Przy budowaniu diety ważne jest nie tylko zaspokojenie zapotrzebowania człowieka na te substancje, ale także zbilansowanie spożycia różnych ich rodzajów. Ważne jest monitorowanie proporcji węglowodanów prostych i złożonych. Gdy do organizmu dostanie się dużo cukrów, nie mogą one zostać w pełni zsyntetyzowane w glikogen i zamienione w trójglicerydy, które przyczyniają się do tworzenia tkanki tłuszczowej. Gdy poziom insuliny we krwi jest podwyższony, proces ten przyspiesza.
Węglowodany złożone, w przeciwieństwie do prostych, rozkładają się powoli, więc ich zawartość we krwi stopniowo wzrasta. W związku z tym wskazane jest, aby główna część węglowodanów w żywności składała się z substancji dokładnie przyswajalnych. Ich udział powinien wynosić od 80 do 90 proc. Brak węglowodanów złożonych jest szczególnie zauważalny u osób cierpiących na cukrzycę, otyłość, miażdżycę oraz choroby układu krążenia.
Jak już wiesz, większość węglowodanów jest wykorzystywana w żywieniu i medycynie. Ale zakres węglowodanów na tym się nie kończy. Gdzie jeszcze są używane?
Glukoza
Ten węglowodan jest dobrze wchłaniany przez organizm i może być stosowany jako część niektórych leków. Ponadto glukoza jest szeroko stosowana w przemyśle cukierniczym. Z jego pomocą powstają marmolady, karmel, pierniki i inne produkty. W przemyśle włókienniczym pełni rolę reduktora. W produkcji kwasów glikonowych i askorbinowych produktem wyjściowym jest glukoza. Z jego pomocą dokonują również syntezy niektórych cukrów przemysłowych.
Fermentacja glukozy ma ogromne znaczenie. Występuje przy kiszeniu kapusty, ogórków, mleka i innych produktów, a także przy zakiszaniu pasz. Do produkcji piwa stosuje się fermentację alkoholową glukozy.
Skrobia
Skrobia to cenny składnik odżywczy. Aby ułatwić organizmowi trawienie, produkty poddawane są obróbce cieplnej. W warunkach wysokiej temperatury dochodzi do częściowej hydrolizy skrobi, a także tworzenia rozpuszczalnych w wodzie dekstryn. Dekstryny po dostaniu się do przewodu pokarmowego są hydrolizowane do glukozy, która jest dobrze przyswajalna przez organizm. Jeśli mówimy o wykorzystaniu węglowodanów w przemyśle, nie można ignorować skrobi. Głównymi produktami, które z niego uzyskuje się, są glukoza i melasa. To jeszcze bardziej rozszerza obszar, w którym odbywa się wykorzystanie węglowodanów. Krótko opisz proces otrzymywania glukozy i melasy ze skrobi w następujący sposób.
Skrobia jest podgrzewana w mieszaninie z rozcieńczonym kwasem siarkowym. Nadmiar kwasu neutralizuje się kredą. Osad siarczanu wapnia, który powstaje podczasneutralizacja, przefiltrowana. Następnie roztwór jest odparowywany i izolowana jest z niego glukoza. Jeśli nie doprowadzisz procesu hydrolizy do końca, otrzymasz mieszankę glukozy z dekstrynami, zwaną melasą. Znajduje zastosowanie w przemyśle cukierniczym. Ponadto dekstryny pochodzące ze skrobi znalazły szerokie zastosowanie jako kleje i zagęszczacze do farb. Skrobia udowadnia, jak zróżnicowane może być wykorzystanie węglowodanów. Chemia procesów nie jest jednak wcale skomplikowana.
Wcześniej stosowano krochmalenie, które pozwala tchnąć drugie życie w tkaninę i przedłużyć jej żywotność. Skrobia i produkty z niej pochodzące były również wykorzystywane w przemyśle tekstylnym, farmaceutycznym i odlewniczym.
Miazga
Praktyczne zalety węglowodanów zawsze były nie mniej ważne niż ich biologiczna rola. Wykorzystanie węglowodanów można znaleźć w zupełnie innych obszarach działalności człowieka. Celuloza (błonnik) była używana przez człowieka od czasów starożytnych. Początkowo zaczęto wykorzystywać drewno jako opał i materiał budowlany. Potem nauczyli się robić nici z bawełny, lnu i innych roślin włóknistych. Później pojawiły się technologie umożliwiające pozyskiwanie papieru z drewna. Rdzeń papieru to cienka warstwa sprasowanych i sklejonych włókien celulozowych. Rezultatem jest trwała, gładka powierzchnia, która nie krwawi.
Początkowo do produkcji papieru używano wyłącznie surowców roślinnych (łodygi bawełny i ryżu). Włókna były z niego wydobywane czysto mechanicznie. Ale jakorozwoju społeczeństwa, wymienione źródła nie wystarczały na pokrycie zapotrzebowania na papier. Większość trafia do gazet. Biorąc pod uwagę, że jakość papieru nie odgrywa tu szczególnej roli, zaczęto dodawać do niego nawet 50 procent mielonego drewna. Później pojawiły się technologie, które umożliwiły pozbycie się takich towarzyszących drewnu substancji jak żywice, lignina i tak dalej. Tak różnorodne może być praktyczne zastosowanie węglowodanów.
Do tej pory najpowszechniejszą metodą izolacji celulozy jest siarczyn. Znajduje zastosowanie w różnych obszarach, w których wykorzystywane są węglowodany. Chemia procesu jest dość prosta. Zgodnie z tą metodą drewno jest kruszone i gotowane w mieszaninie z wodorosiarczanem wapnia. Następnie uwolniona od wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń celuloza jest oddzielana na filtrach. Powstały ług zawiera cukry proste, dlatego jest wykorzystywany jako surowiec do produkcji alkoholu. A celuloza jest również wykorzystywana do produkcji włókien wiskozowych, octanowych i miedziano-amoniakalnych.
Czasami węglowodany są mylone z węglowodanami. Pomimo tego, że te dwie klasy substancji są nazwane zgodnie, nie mają one ze sobą nic wspólnego. Wykorzystanie węglowodorów nasyconych w życiu codziennym i w pracy to zupełnie inna historia.
Wniosek
Dzisiaj pogłębiłeś swoją wiedzę na temat substancji takich jak węglowodany. Właściwości, wykorzystanie węglowodanów i ich korzyści dla człowieka potwierdzają, że substancje te są najważniejszymi składnikami biologicznymi na naszej planecie. Oni sądosłownie wszędzie i we wszystkim. Ale nie to jest najważniejsze, ale fakt, że bez węglowodanów nasze życie byłoby niemożliwe. Stosowanie węglowodanów w życiu jest zbyt intensywne.
