качество и безопасность продуктов питания. КАЧЕСТВО И БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ (1). Учебное пособие Минск 2008 Авторы З. В. Ловкис, докт техн наук, профессор
 Скачать 7.39 Mb.
|
|
§2.5. Жиры (липиды) 2.5.1. Состав липидов. Функции липидов и жирных кислот в организме Обычно считают, что жиры в организме человека выполняют роль поставщиков энергии (калорий). Но это не совсем правильно. Конечно, значительная часть жиров расходуется в качестве энергетического материала. Причем, жир служит в организме источником энергии либо при непосредственном использовании, либо потенциально – в форме запасов в жировой ткани. Однако в определенной степени жиры являются пластическим материалом, так как входят в состав клеточных компонентов (в виде комплексов с белками – липопротеинов), в частности, мембран, т.е. являются незаменимым фактором питания. Кроме того, жир в организме обеспечивает теплоизоляцию, скапливаясь в подкожном слое и вокруг определенных органов. Кроме того, жиры действуют как пищевые растворители жирорастворимых витаминов и служат источником незаменимых полиненасыщенных жирных кислот (линоленовая, арахидоновая). При длительном ограничении жиров в питании наблюдаются нарушения в физиологическом состоянии организма: нарушается деятельность центральной нервной системы, ослабляется иммунитет и сокращается продолжительность жизни. Однако избыточное потребление насыщенных жиров приводит к нарушению обмена холестерина, усилению свертывающих свойств крови, заболеваниям почек и печени, способствует развитию атеросклероза и ожирения со всеми вытекающими отсюда последствиями. Определение липидов, приводимое в литературе – неоднозначно. Жиры (более правильный термин «липиды») – это органические соединения, растворимые в ряде органических растворителей и нерастворимые в воде. Основным компонентом жиров являются тригицериды и липоидные вещества, к которым относятся фосфолипиды, стерины, воски и др. В пищевой технологии используют термин «жир», под которым подразумевают сумму веществ, извлекаемых органическими растворителями. При практически полном извлечении жира из пищевых продуктов термин «жир» равнозначен термину «липиды». Более предпочтительным представляется определение липидов, как природных производных жирных кислот и родственных им соединений, входящих в состав всех живых клеток и извлекаемых из организмов и тканей неполярными растворителями. Согласно классификации Блора липиды делят на три группы: - простые, - сложные, - предшественники и производные липидов. Простые липиды. Простыми липидами называют сложные эфиры жирных кислот с различными спиртами. К ним относятся, например, жиры и воски. Жиры (триглицериды). Жиры (триглицериды) – сложные эфиры жирных кислот с глицерином. Если они находятся в жидком состоянии, их называют маслами. В состав триглицеридов входят глицерин (около 9%) и жирные кислоты с разной длиной углеводородной цепочки и степени насыщенности, от строения которой зависят свойства триглецеридов. Животные и растительные жиры обладают различными физическими свойствами и составом. Животные жиры – это твердые вещества, в состав которых входит большое количество насыщенных жирных кислот, имеющих высокую температуру плавления. Растительные жиры, как правило, жидкие вещества, содержащие в основном ненасыщенные жирные кислоты, имеющие низкую температуру плавления. Источником растительных жиров являются в основном растительные масла (99,9% жира), орехи (53–65%), овсяные (6,1%) и гречневые (3,3%) крупы. Источником животных жиров – шпик свиной (90–92% жира), сливочное масло (72–82%), жирная свинина (49%), колбасы (20–40%), сметана (30%), сыры (15–30%). Основным компонентом липидов являются жирные кислоты. Тригицериды природного происхождения содержат по крайней мере две различные жирные кислоты.  1-Пальмитоил-2,3-дистеароилгицерин Химические, биологические и физические свойства жиров определяются входящими в его состав триглицеридом и, в первую очередь, длиной цепи, степенью насыщенности жирных кислот. В состав жиров входят в основном неразветвленные жирные кислоты, содержащие четное число атомов углерода (4–26) как насыщенные, так и моно- и полиненасыщенные кислоты. Насыщенные жирные кислоты (пальмитиновая, стеариновая и др.) используются организмом в целом как энергетический материал. Пальмитиновая и стеариновая кислоты встречаются во всех животных и растительных жирах. Наибольшее количество насыщенных жирных кислот содержится в животных жирах: например, в говяжьем и свином жире – 25% пальмитиновой, соответственно 20% и 13% стеариновой кислот, в масле сливочном – 7% стеариновой, 25% пальмитиновой и 8% миристиновой кислот. Они могут частично синтезироваться в организме из углеводов (и даже из белков). Ненасыщенные жирные кислоты различаются по степени «ненасыщенности». Мононенасыщенные жирные кислоты содержат одну ненасыщенную водородом связь между углеродными атомами, полиненасыщенные – несколько связей (2–6). К числу наиболее распространенных мононенасыщенных жирных кислот относится олеиновая кислота, которой много в оливковом масле (65%), маргаринах (43–47%), свином и говяжьем жире, сливочном масле и мясе гусей (11–16%). Большинство жирных кислот, входящих в состав триглицеридов содержат 20 атомов углерода в молекуле. В молекулах олеиновой, линолевой, линоленовой 18 атомов углерода и они являются дегидропроизводными стеариновой кислоты, цис-изомерами.  Олеиновая С18  Линолевая С18  Линоленовая С18  Арахидоновая С20 Наиболее часто встречающиеся в триглицеридах насыщенные жирные кислоты: стеариновая (С17Н35СООН), пальмитиновая (С15Н31СООН), миристиновая (С13Н27СООН), арахиновая (С19Н39СООН), лауриновая (С11Н23СООН). Особое значение имеют полиненасыщенные жирные кислоты, такие, как линолевая, линоленовая и арахидоновая, которые входят в состав клеточных мембран и других структурных элементов тканей и выполняют в организме ряд важный функций, в том числе обеспечивают нормальный рост и обмен веществ, эластичность сосудов и др. Большинство полиненасыщенных кислот не может синтезироваться в организме человека и поэтому эти кислоты являются незаменимыми, как являются незаменимыми некоторые аминокислоты и витамины. С другой стороны, эти кислоты, главным образом линолевая и арахидоновая, служат предшественниками гормоноподобных веществ – простогландинов, предотвращают отложение холестерина в стенках кровеносных сосудов (способствуют удалению его из организма), повышают эластичность стенок кровеносных сосудов. Следует отметить, что указанные функции выполняют только цис-изомеры ненасыщенных кислот. Насыщенные жирные кислоты выполняют в основном энергетическую функцию в организме и их избыток в питании часто приводит к нарушению обмена жиров, повышению уровня холестерина в крови Состав жиров, синтезируемых в различных частях одного и того же организма – разный. Так, у свиней внешние слои подкожного жира обладают большей ненасыщенностью, чем внутренние. Кислотный состав жиров человека близок к составу топленного говяжьего сала. Воски. Воски – сложные эфиры жирных кислот с одноатомными спиртами. Воски – историческое название разных по составу и происхождению продуктов, преимущественно природных, которые по свойствам близки к пчелиному воску. Большинство природных восков содержит сложные эфиры одноосновных насыщенных карбоновых кислот нормального строения и стеринов с 12–46 атомами углерода в молекуле. Такие воски по химическим свойствам близки к жирам (триглицеридам), но омыляюются только в щелочной среде. Воски отличаются от жиров тем, что вместо глицерина в их состав входят стерины или высшие алифатические спирты с четным числом атомов углерода (16–36). Растительные воски также содержат парафиновые углеводороды. Воски широко распространены в природе. В растениях они покрывают тонким слоем листья, стебли, плоды, предохраняя их от смачивания водой, высыхания, действия микроорганизмов. Содержание восков в зерне и плодах невелико. В оболочках семян подсолнечника содержится до 0,2% восков от массы оболочки, в семенах сои – 0,01%, риса – 0,05%. Сложные липиды. Сложными липидами называют сложные эфиры жирных кислот со спиртами, дополнительно содержащие и другие группы. Фосфолипиды. Важнейшими представителями сложных липидов являются фосфолипиды.Это – липиды, содержащие помимо жирных кислот и спирта остаток фосфорной кислоты. В их состав входят азотистые основания (чаще всего холин [HO-CH2-CH2-(CH3)3N]+OH– или этаноламин HO-CH2-CH2-NH2), остатки аминоксилот и другие компоненты. В зависимости от спирта, входящего в состав молекулы, фосфолипид относится либо к глицерофосфолипидам (в роли спирта выступает глицерин), либо к сфингофосфолипидам, в состав которого входит сфингозин. Молекулы фосфолипидов содержат неполярные гидрофобные уголеводородные радикалы – «хвосты» и полярную гидрофильную «головку» (остатки фосфорной кислоты и азотистого основания), что определяет способность фосфолипидов формировать биологические мембраны. Входя в состав клеточных оболочек, фосфолипиды играют существенную роль для их проницаемости и обмена веществ между клетками и внутриклеточным пространством. Наиболее распространенная группа фосфолипидов – фосфоглицериды. В их состав входят глицерин, жирные кислоты, фосфорная кислота и аминоспирты (например, холин в лецетине, этаноламин в кефалине). Аминоспирт, входящий в состав фосфолипида, определяет биологическое действие фосфолипида. Так, например, лецитин представляет собой глицерид, этерифицированный двумя, обычно разными жирными кислотами (например, стеариновой и олеиновой) и соодержащий фосфохолиновую группировку, которая при омылении дает неорганический фосфат и четвертичное основание – холин.  Лецитин Лецитин проявляет липотропное действие, т.е. способствует выведению холестерина из организма. Лецитин и холин препятствуют ожирению печени и эти препараты используют для профилактики заболеваний печени. Холин, кроме того, входит в состав нервной ткани, в частности в ткани головного мозга. Ацетилхолин играет важную роль в передаче нервных импульсов. В организме человека холин может образовываться из серина, но биосинтез холина ограничен и холин должен дополнительно поступать с пищей. Таким образом, холин, как и полиненасыщенные жирные кислоты и ряд аминокислот, является незаменимым пищевым веществом. Фосфолипиды пищевых продуктов различаются по химическому составу и биологическому действию. Последнее, как уже говорилось, во многом зависит от природы входящего в их состав аминоспирта. В пищевых продуктах встречаются в основном лецитин, в состав которого входит холин – аминоспирт, а также кефалин, в состав которого входит этаноламин. Фосфолипиды, содержащиеся в пищевых продуктах, способствуют лучшему усвоению жиров. Так, жир в молоке находится в тонкодисперсном состоянии в значительной степени благодаря фосфолипидам молока. Именно молочный жир считается одним из наиболее легко усваиваемых жиров. Наибольшее количество фосфолипидов содержится в яйце (3,4%), относительно много (0,3–0,9%) в зерне и бобовых и нерафинированных маслах. При хранении нерафинированного растительного масла фосфолипиды выпадают в осадок. При рафинировании растительных масел содержание фосфолипидов в них снижается до 0,2–0,3%. Считают, что оптимальное содержание фосфолипидов в пище должно быть 5–10 г в день. Помимо фосфолипидов к сложным липидам относят гликолипиды (гликосфинголипиды), содержащие жирную кислоту, сфингозин и углеводный компонент. Гликолипиды в заметных количествах присутствуют в растительных продуктах (липиды пшеницы, овса, кукурузы, подсолнечника) Содержатся они также в животных и микроорганизмах. Гликолипиды выполняют структурные функции, участвуют в построении мембран, им принадлежит важная роль в формировании клейковинных белков пшеницы, определяющих хлебопекарное достоинство муки. Сложными липидами являются также сульфолипиды, аминолипиды. К этой категории относят и липопротеины. Предшественники и производные липидов. К этой группе относятся жирные кислоты, глицерин, стероиды и прочие спирты, альдегиды жирных кислот и кетоновые тела, углеводороды, жирорастворимые витамины и гормоны. Стерины (стеролы). Стерины (стеролы) – алициклические природные спирты (одноатомные вторичные спирты ряда циклопентанопергидрофенантрена, содержащие гидрооксильную группу при атоме углерода в положении 3 и метильные группы при атомах С10 и С13), относящиеся к стероидам. Стерины – составная часть неомыляемой фракции животных и растительных липидов. Различают животные (зоостерины), растительные стерины (фитостерины) и стерины грибов (микостерины). Основной стерин высших животных – холестерин, а растительный – -ситостерин. Холестерин обнаружен в тканях всех животных и отсутствует, или присутствует в незначительном количестве, в растениях. Фитостерины, в отличие от холестерина, не усваиваются организмом. Стерины, наряду с липидами и фосфолипидами, являются основным структурным компонентом клеточных мембран. Предполагают, что они влияют на клеточный метаболизм. Свои функции в организме стерины реализуют в виде комплексов с белками (липопротеидов) и сложных эфиров высших жирных кислот, являясь переносчиками их во все органы и ткани через систему кровотока. Холестерин участвует также в обмене желчных кислот и гормонов. До 80% холестерина в организме человека синтезируется в печени и других тканях. Содержание холестерина в яйцах достигает 0,57%, а в сырах – 0,28–1,61%. В сливочном масле содержится порядка 0,20%, а в мясе – 0,06–0,10%. Считается, что суточное потребление холестерина с пищей не должно превышать 0,5 г. В противном случае повышается уровень его содержания в крови, а значит, возрастает и опасность возникновения и развития атеросклероза.  -Ситостирол Значение липидов. При рассмотрении групп липидов упоминались их разнообразные функции в организме. Обобщая выше изложенное, можно выделить следующие функции липидов в живом организме. Липиды, входя в состав стенок клеток, выполняют в организме пластическую функцию и называются структурными. Они входят в состав мембраны клеток и участвуют в разнообразных процессах, происходящих в клетке. Причем, как уже говорилось, липиды могут служить в организме источником энергии либо при непосредственном использовании, либо потенциально – в форме запасов в жировой ткани. В то время, как жировые отложения состоят главным образом из глицеридов, ткани головного мозга и спинного содержат сложные структурные единицы, построенные из белка, холестерина, а также из фосфолипидов, например, лецитинового типа. Липиды, находящиеся в специальных «жировых» клетках, называют запасными и они состоят в основном из триглицеридов. Эти липиды являются аккумулятором химической энергии и используются при недостатке пищи. Липиды обладают высокой калорийностью: 1 г составляет 9 ккал – это в 2 раза выше калорийности белков и углеводов. Большинство всех видов растений также содержат запасные липиды, главным образом, в семенах. Липиды помогают растению переносить неблагоприятное воздействие внешней среды, например, низкие температуры, т.е. выполняют защитную функцию. В растениях липиды накапливаются, главным образом, в семенах и плодах и их содержание зависит от сорта, места и условий произрастания. У животных и рыб липиды концентрируются в подкожных, мозговой и нервной тканях и тканях, окружающих важные органы (сердце, почки). Содержание липидов у животных определяется видом, составом корма, условиями содержания и др. В состав пищевых продуктов входят так называемые «невидимые» жиры (в мясе, рыбе и молоке) и «видимые» – специально добавляемые в пищу растительные масла и животные жиры. В продуктах питания липиды содержатся в виде отдельных жировых клеток, откуда они легко извлекаются большинством органических растворителей (часто их называют «свободные липиды») или входят в состав практически всех жизненно важных клеток. В последнем случае они связаны в клетках более прочно (так называемые прочно связанные липиды). Методы количественного определения липидов учитывают эти особенности. Помимо того, что липиды необходимы в питании как энергетический и структурный материал, они участвуют в обмене других пищевых веществ, например, способствуют усвоению витаминов А и D, а животные жиры являются источником этих витаминов. Единственный источник витамина Е и -каротина – растительные жиры. Ни один из жиров, взятый в отдельности, не может полностью обеспечить потребности организма в жировых веществах. Рекомендуемое содержание липидов в рационе по калорийности составляет 30–35%, что в весовых единицах (в среднем 102 г) несколько превосходит количество белков. Из указанных 102 г непосредственно в виде жиров рекомендуется потреблять 45–50 г. При работе на холоде количество жиров в рационе должно быть увеличено, так как жир участвует в процессах терморегуляции организма. Это увеличение должно идти за счет квоты углеводов, а не белков, так как белки необходимы для правильной переработки жиров. Рекомендуется употреблять животные и растительные жиры в комплексе. Оптимальное соотношение 70% животных и 30% растительных жиров. При таком соотношении обеспечивается поступление в организм необходимых количеств полиненасыщенных и насыщенных кислот. С возрастом рекомендуется снижать потребление животных жиров. 2.5.2. Методы извлечения и количественного определения липидов Для установления количества липидов, содержащихся в пищевых продуктах, разработан ряд методов. В целях технологического контроля за содержанием липидов в пищевых продуктах в ряде случаев применяют методы непосредственного определения содержания липидов в объектах: метод ядерного магнитного резонанса для определения содержания жира в семенах масличных культур; инфракрасную спектроскопию и турбодиметрию для определения жира в молоке и т.д. Липиды, однако, являются не только источниками энергии для организма, но, и как уже говорилось, содержат ряд физиологически активных веществ (полиненасыщенные жирные кислоты, стерины, фосфолипиды, жирорастворимые витамины). Определения лишь общего количественного содержания липидов в продуктах питания недостаточно для полной характеристики их пищевой ценности. Таким образом, при анализе липидного состава продуктов должен быть использован комплекс методов, обеспечивающий полное извлечение липидов из продуктов, определение их количества и возможность качественной и количественной характеристики отдельных компонентов. Практически большинство методов определения липидов в пищевых продуктах можно разделить на три группы. Методы первой группы основаны на извлечении липидов из определяемого продукта путем многократного экстрагирования растворителем до тех пор, пока остаточное содержание их в продукте не будет представлять ничтожно малую величину. Затем из полученной вытяжки отгоняют растворитель, а остаток, содержащий липиды, высушивают и взвешивают (весовой метод определения жира). Эту операцию обычно проводят в специальных аппаратах для экстракции – аппаратах Сокслета, дающих возможность одной и той же порцией эфира многократно производить извлечение жира. Для экстракции используют неполярные растворители: диэтиловый эфир, гексан, петролейный эфир. Разнообразная природа пищевых продуктов, обусловливающая различную прочность связи липидов с другими частями продукта, оказывает влияние на эффективность экстракции. Методы этой группы позволяют извлечь из пищевых продуктов свободные и слабосорбированные липиды. Прочно связанные липиды при этом не экстрагируются. Кроме того, жировые растворители экстрагируют не только глицериды жирных кислот, но и целый ряд других веществ: свободные жирные кислоты, органические кислоты, такие как янтарная, винная, лимонная, яблочная; фосфатиды, стерины, эфирные масла, воскообразные вещества, смолы, альдегиды, кетоны, красящие вещества. Ввиду этого продукт, извлекаемый растворителями, не представляет собой чистый жир, почему и называется «сырым». Часто разницей между весом «сырого» и собственно жира пренебрегают. В связи с этим, а также ввиду значительного окисления липидов в процессе выделения, были предприняты поиски других, более эффективных способов экстракции. Методы второй группы основаны на использовании для экстракции смеси полярного и неполярного растворителей. При этом полярный растворитель (обычно метанол или этанол) разрывает связь липидов с белками и другими компонентами пищевых продуктов, а неполярный (хлороформ, бензол, петролейный эфир) непосредственно растворяет липиды. Наибольшее применение получили смеси: хлороформ-метанол (2:1) и хлороформ-этанол (2:1). Однако в отличие от методов первой группы, такие бинарные смеси извлекают дополнительно значительное количество нелипидов (до 25% суммы экстрагируемых веществ). Поэтому во многих случаях появилась необходимость удаления этих веществ путем перерастворения в хлороформе или промывки 1%-ным раствором NaCl или KСl. Методы третьей группы предусматривают извлечение липидов из пищевых продуктов после кислотного или щелочного гидролиза. Для этого пищевой продукт гидролизуют водным или спиртовым раствором щелочи при нагревании. После щелочного гидролиза полученные мыла разлагают раствором кислоты, а выделившиеся жирные кислоты извлекаются эфиром (петролейным, диэтиловым) и освобождаются от примесей фильтрованием. После отгона эфира, определяют вес жирных кислот, который пересчитывают на жир. Указанным методом выделить липиды в нативном состоянии теоретически невозможно. Поэтому об их содержании в пищевых продуктах судят по количеству жирных кислот и неомыляемых веществ, выделяемых из гидролизата. К этой группе методов относится кислотный метод определения жира с помощью жиромера в молоке, молочных продуктах и консервах. Жир выделяют действием концентрированной серной кислоты при нагревании. Смесь центрифугируют. При этом жир переходит в фазу добавляемого изоамилового спирта. Объем выделившегося жира измеряют в градуировочной части жиромера. Методы первой группы не рекомендуются для исследования продуктов, богатых фосфолипидами, прочносвязанными в клетках (некоторые виды рыб), но пригодны для продуктов, с преобладающим содержанием триглицеридов – масличных семян. Методы второй группы практически во все случаях позволяют получить надежные количественные результаты, но они относительно трудоемки и не всегда пригодны для массовых анализов. Применение методов третьей группы, хотя и не приводит к извлечению натуральных липидов, в большинстве случаев позволяют получать результаты, близко совпадающие с результатами, получаемыми методами второй группы. Их большое преимущество – в возможности проведения массовых анализов. 2.5.3. Химические характеристики липидов В практике пищевой промышленности состав и качество жиров и масел харакеризуют с помощью разнообразных «аналитических чисел». Подразумевая под ними расход определенных реагентов на реакции с жиром (кислотное число, перекисное число, йодное число, число омыления и содержание неомыляемых продуктов, радановое, гидрооксильное, эфирное числа и др.). Величины указанных чисел характеризуют вид жира и его качество. Рассмотрим имеющие наибольшее значение числа. Кислотное число. Кислотное число – масса KOH (мг) необходимая для нейтрализации 1 г жира. Этот показатель характеризует содержание в жире свободных кислот (0,1–30 мг, растительные масла – 1–10 мг). Хранение продуктов питания, содержащих жиры и масла, всегда сопровождается гидролизом последних. По величине же кислотного числа можно сделать предположение о качестве жиров. В пищевой промышленности кислотное число используется при расчете количества щелочи, необходимой для рафинации жиров и масел. Сущность методов, используемых для определения кислотного числа, заключается в растворении определенной массы масла или жира в смеси растворителей и последующем титровании имеющихся жирных кислот водным или спиртовым раствором щелочи. В качестве растворителя используют, как правило, смесь этилового спирта с диэтиловым эфиром или смесь диэтилового эфира с хлороформом. При необходимости (если жир не растворяется) смесь нагревают на водяной бане, затем охлаждают и быстро титруют раствором щелочи при постоянном перемешивании. Титрование проводят либо потенциометрически, либо с использованием кислотно-основных индикаторов. При использовании спирто-эфирной смеси титрование проводят водным или спиртовым раствором щелочи; при использовании спирто-хлороформной смеси – спиртовым раствором. Перекисное число. Перекисное число показывает, сколько миллиграмм-эквивалентов активного кислорода содержится в 1000 г жира. Определение перекисного числа проводят следующим образом. Испытуемый жир растворяют в смеси уксусной кислоты и хлороформа. Затем прибавляют свежеприготовленный раствор KI и перемешивают. Через 1–2 мин прибавляют раствор крахмала и оттитровывают выделившийся йод раствором тиосульфата натрия. Важнейшим свойством жиров являетсяокисляемость. При этом оксиляемость сильно зависит от состава жирных кислот. Наиболее легко окисляются жиры некоторых морских рыб, труднее всего – жиры с высоким содержанием насыщенных жирных кислот (сало, шпик). При хранении жирной рыбы появляется неприятный прогорклый запах. Изменяется и цвет окислившихся продуктов. Окисление жиров сопровождается образованием различных продуктов окисления – сначала перекисей, а затем различных полимерных соединений. Полимерные продукты окисления жиров обладают токсичным действием. Предельное содержание их в жирах не должно превышать 1%. Определение перекисного числа называют иногда определением прогорклости жира. Прогоркание (изменение вкуса и цвета) жира вызвано образованием низкомолекулярных карбонильных соединений и обусловлено рядом химических превращений. Различают два вида прогоркания: биохимическое и химическое. Биохимическое характерно для жиров, содержащих значительное количество воды и примесей белков и углеводов (например, коровье масло). Под воздействием ферментов (липаз), содержащихся в белках, происходит гидролиз жиров и образование свободных жирных кислот. Но увеличение кислотности не сопровождается появлением прогорклости. Микроорганизмы, развивающиеся в жирах, выделяют другие ферменты липооксидазы, под действием которых жирные кислоты окисляются до -оксикислот. Метилалкилкетоны, образующиеся при распаде последних, являются причиной изменения запаха и вкуса. Для предотвращения прогоркания принимают такие меры, как очистка от белков, добавка консервантов (NaCl, бензойная кислота), хранение при низких температурах. Химическое прогоркание (перекисное окисление липидов) – результат окисления жиров под действием кислорода воздуха (в живых организмах перекисное окисление вызывает повреждению тканей, способствуя развитию опухолевых заболеваний). Первой стадией является образование пероксильных радикалов под действием кислорода на углеводородные остатки насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. Свет, повышение температуры промотируют реакцию. Пероксильные радикалы инициируют в свою очередь неразветвленные и разветвленные цепные реакции, а также распадаются с образованием ряда вторичных продуктов – гидроксикислот, эпоксидов, кетонов и альдегидов, что и приводит к изменению запаха и вкуса жиров. Для жиров, в которых преобладают насыщенные жирные кислоты, характерно кетонное прогоркание, а в жирах с преобладающим содержанием ненасыщенных жирных кислот – альдегидное. В процессе прогоркания жиров перекисное число уменьшается. Важно определение этого числа на ранней стадии прогоркания, когда прогоркание еще не обнаруживается органолептически. Следует отметить, что наименее устойчивыми при хранении являются сливочное масло, маргарин и куриный жир. Для регулирования процесса перекисного окисления жиров и человек, и природа используют антиоксиданты. В пищевые продукты с этой целью добавляют промилгаллат, аскорбиновую кислоту и др. К природным антиоксидантам относятся жирорастворимый витамин Е (токоферол) и витамин С. Йодное число. Йодное число выражается как масса йода (г), присоединяющаяся к 100 г жира и характеризует содержание ненасыщенных соединений (растительные масла – 100–200, твердые жиры – 35–85, жидкие жиры – 150–200). Йодное число применяют для определения вида жира, способности его к высыханию, расчета количества водорода, требующегося для гидрогенизации жира. Для определения йодного числа к раствору анализируемого жира в хлороформе, четыреххлористом углероде или ледяной уксусной кислоте приливают раствор Br2, IBr или IСl известной концентрации (бром, бромистый и хлористый йод более реакционноспособны, чем сам йод). После завершения реакции прибавляют избыток йодистого калия и титруют раствором тиосульфата натрия йод, выделившийся при взаимодействии йодида калия с не прореагировавшим бромом или другим реагентом. Зная исходное количества брома вычисляют йодное число. При определении йодного числа проводят холостой опыт, по существу являющийся определением перекисного числа. К пробе исследуемого жира добавляют раствор йодида калия и оттитровывают выделившийся йод. Число омыления. Число омыления – масса КОН (в мг), необходимая для взаимодействия со свободными кислотами и сложными эфирами, содержащимися в 1 г жира (животные жиры – 170–260, растительные масла – 170–200).
Определение числа омыления: жир кипятят со спиртовым раствором КОН. Избыток КОН оттитровывают раствором соляной кислоты. Омыляемыми компонентами являются жирные кислоты, триглицериды, фосфолипиды, воски, пигменты. По числу омыления можно судить о средней молекулярной массе входящих в состав липидов жирных кислот. Содержание неомыляемых продуктов. В каждом жире наряду с омыляемыми веществами присутствует небольшое количество веществ, не гидролизующихся при действии щелочей и образующих при этом нерастворимый в воде остаток. Такие вещества называют неомыляемыми и включают в себя стерины, витамины, белки, углеводороды. Определение неомыляемых веществ сводится к омылению жира и извлечению неомыляемой части диэтиловым или петролейным эфиром. Жир кипят со спиртовым раствором КОН до полного омыления, раствор разбавляют водой и проводят трехкратную экстракцию эфиром. Эфирный раствор фильтруют через обезжиренную вату, выпаривают, остаток высушивают при 100ºС до полного исчезновения запаха эфира и по охлаждении взвешивают. Неомыляемые вещества могут быть разделены на отдельные компоненты методом колоночной хроматографии, например, на оксиде алюминия. 2.5.4. Определение фракционного состава липидов и состава жирных кислот пищевых продуктов Важнейшей особенностью, определяющей характер биологического действия пищевого жира, является состав его жирных кислот. Определение жирокислотного состава возможно при наличии данных о фракционном составе липидов, так как жирные кислоты входят в состав ряда соединений (глицериды, свободные жирные кислоты, эфиры стеринов, фосфолипиды и др.) В каждой фракции соотношение жирных кислот и других компонентов различны. Отражая состав жирных кислот в суммарных липидах, в целях последующего количественного выражения этих данных в пересчете на продукт, необходимо знать парциальные доли каждой фракции. Задача фракционирования липидов на основные классы соединений в настоящее время, как правило, решается с помощью адсорбционной хроматографии на силикагеле. Для количественного анализа липидов и жирных кислот используется ряд хроматографических методов: ГХ, ГЖХ, ВЭЖХ ЖХ, а также капиллярный электрофорез. Так, для количественного определения отдельных фракций можно использовать адсорбционную хроматографию в тонких слоях силикагеля вместе с другими чувствительными методами анализа, например колориметрическим и спектрофотометрическим. После хроматографического разделения, обнаружения и идентификации компоненты элюируют растворителями из участков силикагеля, соответствующим отдельным фракциям, и определяют наиболее подходящим способом. Необходимо иметь в виду, что проведение хроматографического разделения таким способом всегда сопряжено с возможностью существенных потерь веществ на отдельных этапах. В биохимии разделение и идентификацию липидов проводят по следующей схеме. Тонкослойная хроматография осуществляется на стеклянных пластинках, покрытых тонким слоем суспензии адсорбента, чаще всего силикагелем. После высыхания суспензии пластинки прокаливают в печи заданное время при определенной температуре. Далее на охлажденную «активированную» пластинку наносят смесь липидов в подходящем растворителе. После испарения растворителя край пластинки, ближайший к нанесенному пятну, погружают в смесь соответствующих растворителей, далее пластинку «проявляют» в замкнутой камере, пока растворитель не достигнет противоположного края пластинки. Затем пластинку высушивают для удаления растворителя и определяют положение пятен либо путем их «обугливания» (обработка серной кислотой с последующим нагреванием), либо по флуоресценции (после обработки дихлорфлуоресцином), либо путем обработки парами йода. Существует следующая методика денситометрического определения индивидуальных классов липидов, в том числе стеринов, на основе хроматографии в тонком слое силикагеля. Принцип метода состоит в том, что при анализе к силикагелю добавляют краситель метиловый красный. Липиды проявляются в виде пурпурных пятен на розовом, а затем на желтом фоне. После обесцвечивания фона парами аммиака хроматограмму фотографируют, а фотокопии денситометрируют, сравнивая оптическую плотность изучаемых фракций с оптической плотностью стандарта.
В процессе получения липидов важно не допустить их окисления, так как последние имеют иную хроматографическую подвижность, чем нативные липиды, и на хроматограммах будут присутствовать дополнительные пятна и «хвосты». Во избежание окисления липиды защищают от действия прямого солнечного света, экстракт хранят в холодильнике в плотно закрытых колбах с притертыми пробками. Растворители отгоняют в токе азота или под вакуумом, допуская лишь слабое (до температуры 40–50ºС) нагревание. Выделенные для весового определения и подсушенные на воздухе липиды для фракционирования обычно не используют. Для количественного определения жирных кислот может быть использован колориметрический метод. Готовят метанольный раствор выделенных жирных кислот и подкисляют серной кислотой. В течение 15 минут проходит метанолиз (образование метиловых эфиров жирных кислот). Затем к полученному раствору добавляют растворы щелочи и гидроксиламина. Происходит образование гидроксамовых кислот. Эти кислоты дают с ионами Fe3+ интенсивно окрашенные соли. С этой целью к полученному раствору прибавляют раствор соляной кислоты и хлорного железа и раствор приобретает розовато-желтую окраску. Полученный раствор фотометрирут и по калибровочному графику оценивают содержание жирных кислот. При действии гидроксиламина на сложные эфиры, ангидриды, хлорангидриды, амиды карбоновых кислот образуются гидроксамовые кислоты:
Эти кислоты дают с Fe (3+) интенсивно окрашенные соли. В зависимости от соотношения количества железа и кислоты и от рН раствора могут получаться разные продукты реакции с различной окраской:  Красно-бурая Вишневая Красно-фиолетовая 435–440 нм 470–495 нм 520–540 нм Для качественного и количественного анализа жирных кислот также может быть использован метод тонкослойной хроматографии. Метод применяется и для препаративного разделения. Для хроматографирования высших жирных кислот и их производных применяют незакрепленный слой силикагеля и окиси алюминия, а также слой силикагель-гипс. Колоночный способ хроматографирования используется с целью препаративного разделения. При использовании ТСХ детектирование осуществляют как и в бумажной хроматографии, используя спецефические реагенты: концентрированная серная кислота, смесь азотной и фосфорной кислот. После разделения пластинки опрыскивают кислотой и нагревают в течение 10–15 мин при 80–120ºС. Существует также способ проявки в стеклянном сосуде с кристаллами йода. (Чувствительность 1 мкг липидов.) Для проведения количественного анализа после разделения пробы в тонком слое снимают слой силикагеля соответственно локализации жирной кислоты или любого вещества липидной природы, проводят элюирование соответствующими растворителями, удаляют силикагель центрифугированием и элюат анализируют любыми, подходящими для этой цели химическими или физическими методами. Определение расположения компонентов на хроматограмме проводят на основании сравнения с параллельно разделенной такой же пробой, обработанной соответствующими реагентами. Количественный анализ можно вести фотометрическим методом путем измерения интенсивности окраски пятен фотометром в отраженном свете. Полученные данные наносят на график и сравнивают с данными комбинированной кривой, построенной по стандартным препаратам. Определяют концентрации веществ также по площади пятна (полуколичественный метод). Однако для получения данных по жирнокислотному составу пищевых продуктов чаще всего использовался метод газожидкостной хроматографии (ГЖХ). Для анализа используют не сами жирные кислоты, а их производные – метиловые эфиры. Этим достигают высокую эффективность разделения при более низких температурах и более коротком времени анализа. При анализе должен быть использован метод, обеспечивающий количественный выход при превращении жирных кислот в метиловые эфиры. В литературе описан ряд методов метилирования. Чаще всего метанолиз глицеридов ведут в закрытой системе в метанольном растворе KOH. Используют также нагревание при 45–50ºС в 5%-ном растворе HСl в абсолютном метаноле или 5–10%-ном растворе толуолсульфокислоты в абсолютном метаноле. Выбор метода зависит от анализируемого материала. ГЖХ приводит к физическому разделению пропускаемой газовой фазы путем адсорбции ее компонентов на стационарной фазе, состоящей из инертного твердого носителя, например силикагеля, или инертных гранул размолотого жаропрочного кирпича, покрытых нелетучей жидкостью (например, смазочным жиром или силиконовым маслом). На практике применяют металлические или стеклянные колонки, заполненные указанным сорбентом; смесь метиловых эфиров жирных кислот в газообразном состоянии пропускают через колонку, по всей длине которой поддерживается температура 170–225ºС. Постоянный поток инертного газа – аргона или гелия – увлекает за собой газообразные эфиры. В соответствии с общими принципами хроматографии разделение эфиров жирных кислот основано на различном сродстве компонентов газовой смеси к материалу стационарной фазы. Газы, имеющие большее сродство к стационарной фазе, движутся вдоль колонки медленнее и появляются на выходе из колонки позднее, чем те, которые имеют относительно меньшее сродство. По мере выхода из колонки индивидуальных эфиров жирных кислот они автоматически регистрируются физическими или химическими методами в виде серии пиков, распределенных во времени в соответствии с эффективностью их удерживания стационарной фазой. Площадь под пиком пропорциональна концентрации каждого из компонентов смеси. Идентификация каждого компонента производится путем сравнения с хроматограммой стандартной газовой смеси известного состава. Преимущества газовой хроматографии состоят в высокой чувствительности, позволяющей разделять очень малые количества смеси, и возможности многократного использования колонки. С помощью этого метода в составе природных жиров обнаружено большое число ранее не идентифицированных жирных кислот. Газожидкостная хроматография метиловых эфиров жирных кислот может быть проведена как на набивных, так и на капиллярных колонках при условии получения хроматограмм, позволяющих осуществить количественный расчет содержания отдельных компонентов в смеси. Температура колонок 150–300ºС. В качестве газа-носителя используют азот, гелий или аргон. Для детектирования метиловых эфиров используют катарометр, ионизационный или пламенно-ионизационный детектор. Хроматографическое разделение жирных кислот может быть проведено на полярных и неполярных жидких фазах. В качестве неполярной фазы наиболее часто применяется высоковакуумная смазка апьезон (L или M), нанесенная на носитель. Эти смазки выдерживают температуру до 300ºС без заметного разложения или потери. Эфиры насыщенных жирных кислот элюирутся с апьезона в соответствии с возрастанием числа атомов углерода. Причем, метильная группа в боковой цепи уменьшает Ван-дер-Ваальсовы силы взаимодействия между растворенным веществом и распределяющей жидкостью, и такое соединение движется быстрее соответствующей насыщенной кислоты с прямой цепью. Введение двойной связи в молекулу растворенного вещества повышает его полярность и вместе с тем уменьшает его сродство к неполярной неподвижной фазе. В результате чего ненасыщенное соединение движется быстрее аналогичного насыщенного соединения. Например, удерживаемый объем олеиновой кислоты на апьезоне М при 197º составляет 0,815 по сравнению с 1,00 для стеариновой кислоты. Коэффициент разделения составляет 1,23, что позволяет легко разделить их на этой жидкости. Введение второй изолированной двойной связи, как, например, в линолевой кислоте, еще больше увеличивает скорость движения по колонке. При этом удерживаемый объем составляет 0,792 от удерживаемого объема стеариновой кислоты. Коэффициент разделения олеиновой и линолевой кислот равен всего лишь 1,03. Добавление третьей изолированной двойной связи, как в линоленовой кислоте, не приводит к дальнейшему изменению удерживаемого объема, так что линоленовая и линолевая кислоты элюируются одним пиком. Тетраены, при разделении жирных кислот на неполярных фазах, выходят раньше соответствующих сложных эфиров с коэффициентом разделения 0,6, но не отделяются от пентаенов, а гексаены дают пик перед общим пиком тетраенов и пентаенов. Сопряжение двойных связей в полиеновых эфирах приводит к более быстрому их движению по сравнению с соответствующими изомерами с несопряженными связями. Пики, соответствующие ненасыщенным соединениям, можно определить, проводя бромирование части смеси сложных эфиров и повторный хроматографический анализ. Бромированные эфиры недостаточно летучи, чтобы элюироваться из колонки, и поэтому пики, соответствующие ненасыщенным эфирам, полностью исключаются. Другой метод удаления двойных связей состоит в каталитическом гидрировании пробы перед повторным хроматографическим анализом. При этом удается не только исключить пики, обусловленные ненасыщенными соединениями, но и разделить компоненты смеси по числу атомов углерода, поскольку пики ненасыщенных соединений суммируются с соответствующими пиками насыщенных соединений. Таким образом, неполярные неподвижные фазы, такие, как апьезоны, позволяют разделить гомологические ряды соединений по числу атомов углерода, а при сочетании с бромированием и гидрированием – получать сведения о распределении насыщенных соединений. Кроме того, ГЖХ на неполярных неподвижных фазах дает также сведения о положении двойных связей и ориентации относительно этих связей. (Транс-изомеры элюируются медленнее соответствующих цис-изомеров). При оптимальных условиях можно достигуть хорошего отделения метилстеарата от метилолеата и частичного разделения метилолеата и метиллинолеата, используя в качестве неподвижной распределительной жидкости апьезон L. На этой жидкости, однако, ни разу не удалось разделить метиллинолеат и метиллиноленат. Для этого в качестве неподвижной фазы следует использовать полярную жидкость. До сих пор для этих целей лучше всего подходили полиэфиры, получаемые конденсацией двухосновных кислот с двухатомными спиртами. Например, продукт конденсации этиленгликоля с янтарной кислотой: (-СН2СН2-О-СО-СН2СН2-СО-)n Полиэфиры отличаются от апьезонов в следующих отношениях по способности разделять метиловые эфироы жирных кислот: -Полиэфиры значительно более полярны, поэтому прохождение всех эфиров жирных кислот через колонку, заполненную ими, происходит значительно быстрее при соответствующих температурах благодаря уменьшению ван-дер-ваальсовых сил взаимодействия между растворителем и растворенным веществом. Это позволяет разделять пробы за более короткий промежуток времени. Лучше, однако, уменьшить температуру колонки и элюировать высшие эфиры за приемлемое время. -При увеличении длины цепи на одну группу СН2 удерживаемый объем увеличивается в 1,46 раза по сравнению с коэффициентом 1,56 для апьезона L при 200ºС. Таким образом, полиэфиры позволяют разделять члены гомологических рядов по температурам кипения, но для этой цели они не столь эффективны, как неполярные жидкости. -Ненасыщенные соединения на колонках, заполненных полиэфиром, удерживаются дольше, чем их насыщенные аналоги, благодаря более сильному взаимодействию растворенного вещества с растворителем – между более полярным растворенным веществом и полиэфиром. Следовательно, удерживаемые объемы при элюировании с полиэфира уменьшаются в следующем порядке: триены > диены > моноены > насыщенные соединения. Для сравнения можно указать, что удерживаемые объемы на апьезоне уменьшаются в следующем порядке: насыщенные соединения > моноены >> диены = триены. Следует отметить, что здесь наблюдается обратный порядок элюирования, а также, что диены и триены можно разделять на полиэфирах, но нельзя разделять на апьезонах. Кроме того, гексаены, пентаены и тетраены можно разделять на полиэфирах, тогда как на апьезоновой смазке некоторые пары этих соединений, например тетраены и пентаены, имеют одинаковые удерживаемые объемы. -На колонке с полиэфиром не происходит изменения удерживаемого объема при смещении двойной связи в углеводородной цепи. Точно также не существует различия в величине удерживаемого объема цис- и транс- изомеров. В качестве полярных жидких фаз используют полиэтиленгликольадипат, полипропиленгликольадипат (реоплекс 400), бутандиолсукцинат и др. Каждый материал имеет свое фирменное название. При использовании капиллярных колонок рекомендуются полярные силиконовые фазы. Выбор фаз определяется конкретными задачами каждого исследования. Обобщая выше сказанное следует еще раз отметить, что колонки с апьезоном и полиэфиром дополняют, а не заменяют друг друга при анализе и идентификации эфиров жирных кислот. Апьезоны и аналогичнсые жидкости обеспечивают хорошее разделение по температурам кипения, а кроме того, позволяют различать цис- и транс- конфигурации у двойных связей и установить положения двойных связей в углеводородной цепи. Полиэфиры обеспечивают разделение по числу атомов углерода, но их основной задачей является разделение насыщенных эфиров, моноенов, диенов, триенов и т.д. Ненасыщенные соединения удерживаются набивкой сильнее насыщенных соединений с тем же числом атомов углерода в молекуле. Данные, полученные на двух колонках, объединяют для идентификации эфиров жирных кислот. Для количественной характеристики содержания жирных кислот определяют процентное отношение площади соответствующего пика хроматограммы к сумме- площадей пиков. Данные о составе метиловых эфиров жирных кислот используют затем для расчета содержания каждой жирной кислоты (в г на 100 г продукта). Расчет возможен, если имеются данные о фракционном составе изучаемого жира. Газораспределительная хроматография нашла широкое применение при массовых анализах жиров в промышленности, особенно при изучении состава природных жиров и масел, а именно: масла орехов, масла семян и плодов различных растений, тюленьего жира, жира печени трески, рыбьего жира, жиров говяжьего, телячьего, бараньего, костного свинного, жира коровьего молока, сливочного масла, кислот, образующихся при окисилении сливочного масла и других продуктов питания. Стерины и фосфолипиды обладают выраженной физиологической активностью и должны учитываться при расчете рационов питания. Как правило определяют содержание холестерина в продукта животного происхождения и -ситостерина в продуктах растительного происхождения. И в тех и в других продуктах присутствует ряд других стеринов, но в меньших количествах и физиологическая роль этих компонентов пока не выяснена. Детальный анализ стериновых фракций может быть проведен с помощью ГЖХ или хромато-масс-спектроскопии. Для этого необходимо предварительно выделить фракции неомыляемых веществ путем щелочного гидролиза. Общее содержание стеринов определяют фотометрически на основе цветных реакций. Для определения стеринов в пищевых продуктах, например, подходит реакция с хлорным железом (аналогично определению жирных кислот). Однако такое определение имеет только теоретический интерес. Определение содержания фосфолипидов осуществляется на основе анализа содержания липидного фосфора, т.е. фосфора, определяемого в экстракте липидов. Для этих целей можно использовать различные методы, так как во всех случаях липиды подвергаются минерализации. Так, определение лецитина можно провести следующим образом. Исследуемый материал экстрагируют этиловым спиртом и после отгона последнего остаток экстрагируют эфиром; после отгона эфира во вновь полученном остатке определяют содержание фосфора после минерализации (методы определения фосфора описаны в разделе, посвященном минеральным веществам). Полученный результат пересчитывают на лецитин. Контрольные вопросы: Какие вещества называют липидами? Какие функции выполняют липиды в организме человека? На какие группы делятся липиды по классификации Блора? Приведите примеры основых групп липидов? Какие существуют способы извлечения липидов из продуктов питания? Какие химические характеристики жиров вы знаете и как их определяют? Что такое химическое и биохимическое прогоркание? Какие функции в организме выполняют насыщенные и полиненасыщенные жирные кислоты? Как определяют количество и фракционный состав липидов продуктов питания? Как определяют состав жирных кислот? |
