Углеводы – неотъемлемый компонент клеток и тканей любого живого организма, будь-то растение, животное, или человек. Они составляют основное количество органического вещества планеты Земля. Углеводы – довольно обширный класс соединений. Среди них можно встретить вещества различные по свойствам. Благодаря этой особенности, функции углеводов весьма широки. Сегодня мы разберем основные свойства, физиологическую роль и применение углеводов в разных направлениях пищевой (и не только) отрасли.
Источники углеводов
Основные источники углеводов – продукты растительного происхождения. А именно: хлеб, злаки, овощи, фрукты, ягоды. Что касается продуктов животного происхождения, то некоторые из них также богаты на углеводы. Это, в первую очередь, молоко, в котором содержится так называемый молочный сахар.
Пищевые продукты могут содержать разные углеводы. Поэтому значение, применение углеводов и их функции очень обширны. В крупах и картофеле есть крахмал – сложный углевод нерастворимый в воде, который расщепляется на простые сахара под действием пищеварительных соков. Во фруктах, овощах и ягодах эти вещества представлены в виде простых сахаров: фруктовый, свекольный, тростниковый, виноградный и так далее. Они растворяются в воде и отлично усваиваются организмом. Сахара, растворимые в воде, быстро всасываются в кровь.
Употребление углеводов
Считается, что основную часть углеводов стоит употреблять в сложной форме, и лишь 20-25% в простой. Это способствует постепенному поступлению сахаров в ткани. Если человек получает с пищей достаточное количество углеводов, они откладываются в печени и мышцах в виде «животного крахмала» гликогена. При недостатке углеводов, запас гликогена расщепляется на глюкозу и используется для нужд организма (питание клеток и тканей). Если организм получает их избыток, они переходят в жировые отложения. Кстати говоря, к углеводам также относят клетчатку, которая необходима для правильного пищеварения.
Углеводы – эссенциальные компоненты рациона, поэтому они не только обусловливают энергетический гомеостат организма, но и участвуют в биосинтезе ряда углеродсодержащих полимеров. За всю жизнь, человек в среднем употребляет порядка 14 тонн этих соединений. Из них примерно 2,5 тонны - в простой форме. Применение белков, жиров, углеводов и их производных в продуктах питания не равномерно. Углеводы – основная часть нашего пищевого рациона. Их потребляют в 4 раза больше, чем белков или жиров. При простом, смешанном рационе питания, около 60% энергии человек получает от углеводов. Их главная задача в организме – давать энергию. Чем больше в жизни человека физических нагрузок, тем больше ему нужно углеводов. При малоподвижном образе жизни потребность в этих веществах уменьшается. Для тех, кто не занимается физическим трудом, суточная потребность в углеводах составляет примерно 400 грамм.
Порядка 50-65% углеводов поступают в наш организм с зерновыми продуктами. 15-25% – с сахаром и сахаросодержащими продуктами. Около 10% – с корне- и клубнеплодами. И примерно 5-7% - с фруктами и овощами.
Углеводы являются весьма сильным раздражителем внешней секреции поджелудочной железы и наиболее активным стимулятором синтеза инсулина, который играет важную роль в регуляции углеводного обмена и поддержания оптимального гомеостаза глюкозы. Перегрузка простыми углеводами с годами приводит к гиперплазии β-клеток, затем - к ослабеванию инсулярного аппарата и созданию предпосылок для развития сахарного диабета.
Классификация углеводов
В зависимости от строения, способности к растворению и скорости усвоения, углеводы, находящиеся в составе продуктов питания, делятся на простые и сложные. К простым относят моносахариды (фруктоза, глюкоза, галактоза) и дисахариды (сахароза, лактоза). К сложным – полисахариды (клетчатка, крахмал, гликоген). Кроме приведенных для примера углеводов, в каждом из классов есть и другие, менее известные вещества.
Простые углеводы
Моно- и дисахариды хорошо растворяются в воде и быстро усваиваются организмом. Они отличаются выраженным сладким вкусом, поэтому часто называются просто сахарами. Самым распространенным моносахаридом является глюкоза, содержащаяся в различных плодах и ягодах, а также синтезирующаяся при расщеплении ди- и полисахаридов. Глюкоза, попав в организм, быстро находит себе применение. Она образует гликоген, питает ткани мозга и мышцы (в том числе сердце), а также регулирует уровень сахара в крови. При физической нагрузке глюкоза может быть использована непосредственно как источник энергии.
Схожими свойствами обладает и фруктоза. Ее можно рассматривать как очень ценный, легкоусвояемый углевод. Но, по сравнению с глюкозой, фруктоза все же медленнее усваивается кишечником, а, попав в кровь, быстрее покидает кровяное русло. До 80% фруктозы задерживается в печени, препятствуя перенасыщению крови сахаром. Вместе с тем, в печени фруктоза легче синтезирует гликоген, нежели глюкоза. По сравнению с сахарозой, фруктоза лучше усваивается и обладает большей сладостью. Благодаря последнему свойству для необходимого уровня сладости продукта можно использовать меньшее количество фруктозы, снизив тем самым, общее потребление сахаров. Это имеет место в построении пищевого рациона ограниченной калорийности. Рассматривая применение углеводов в жизни, особое внимание стоит уделить диетическому питанию. Фруктозу часто используют в качестве подсластителя в производстве продуктов для людей, болеющих сахарным диабетом.
При избытке сахарозы нарушается жировой обмен и увеличивается образование жира. Кроме того, уже давно доказано, что с повышением количества сахара, поступающего в организм, усиливается синтез жиров из сложных углеводов, непосредственно жира и даже белка. Следовательно, количество сахара, употребляемое человеком, может в значительной мере регулировать жировой обмен.
При обильном употреблении сахара начинаются нарушения обмена холестерина и повышение его содержания в крови. Кроме того, избыток сахара плохо сказывается на работе кишечной микрофлоры – масса гнилостных микроорганизмов увеличивается, гнилостные процессы ускоряются, и развивается метеоризм. Меньше всего эти побочные эффекты наблюдаются при употреблении фруктозы. Главным источником этого углевода являются фрукты и ягоды. Много фруктозы и глюкозы содержится в меде: 37,1 и 36,2% соответственно. Весь сахар, который есть в арбузе – это фруктоза, ее здесь порядка 8%.
Следующий моносахарид – галактоза. Он не встречается в пищевых продуктах в свободном виде. Галактоза - это продукт расщепления лактозы, основного углевода молока.
Что касается дисахаридов, то главным из них в нашем рационе является сахароза. При гидролизе она расщепляется на фруктозу и глюкозу. Основными источниками сахарозы являются свекольный и тростниковый сахар. В сахаре-песке содержание этого углевода достигает 99,75%. Кроме того, сахароза содержится во фруктах, овощах и бахчевых.
Сложные углеводы
Полисахариды отличаются более сложным строением молекулы и крайне слабой растворимостью в воде. К этому классу относятся: крахмал, клетчатка, гликоген и пектиновые вещества. Применение углеводов данного класса распространено в разной степени. Основное пищевое значение имеет крахмал. Его высокое содержание в зерновых культурах является главным фактором, обусловливающим их пищевую ценность. В рационе среднего человека крахмал занимает до 80% от общего количества употребляемых углеводов. Попав в организм, он превращается в простые углеводы и выполняет их функции.
Что касается гликогена, то он в нашем организме играет роль энергетического материала, питающего работающие мышцы и внутренние органы. Гликоген восстанавливается через реосинтез за счет глюкозы.
Пектин – растворимое вещество, неплохо усваивающееся в организме. Как показывают современные исследования в сфере здорового питания, пектин может использоваться в профилактических и терапевтических целях при заболеваниях желудочно-кишечного тракта.
Клетчатка по структуре очень близка к полисахаридам. Ее высоким содержанием славятся зерновые продукты. Кроме количества клетчатки в продукте, большое значение имеет ее качество. Чем нежнее этот углевод, тем лучше он расщепляется в кишечнике, и тем больше пользы приносит человеку. Этими свойствами обладает клетчатка овощей и картофеля. Важной особенностью данного полисахарида является способность к выведению холестерина из организма человека. Теперь более детально рассмотрим применение углеводов.
Парентеральное питание
Применение углеводов в медицине на сегодняшний день стремительно развивается. Парентеральное питание – внутривенное введение в организм питательных веществ. Используется в случаях, когда пациент не имеет возможности самостоятельно питаться. Применение углеводов в парентеральном питании очень распространено. Их используют по той простой причине, что они являются наиболее доступным источником энергии для человеческого организма. Энергетическая ценность углеводов составляет 4 ккал/г. Суточная потребность человека в энергии колеблется в пределах от 1,5 до 2-х тысяч килокалорий. Отсюда вытекает проблема изолированного применения углеводов для покрытия этой потребности. В пересчете на изотонический раствор глюкозы, для полного покрытия потребности человека в калориях необходимо перелить от 7 до 10 литров раствора. Это может привести к развитию гипергидратации, отека легких и сердечнососудистых нарушений.
Использование более концентрированных растворов глюкозы чревато другими неприятными последствиями – возникновением гиперосмолярности плазмы и раздражениями интимы вен (развитие флебитов и тромбофлебитов). А чтобы исключить риск возникновения осмотического диуреза, нужно поддерживать скорость вливания глюкозы в пределах от 0,4 до 0,5 г/кг/ч. Если перевести этот показатель на изотонический раствор глюкозы, получится немногим более 500 мм в час для больного весом 70 кг. Чтобы предупредить нарушение толерантности к углеводам и вытекающие отсюда осложнения, к раствору глюкозы добавляют инсулин. Расчет ведется по формуле: 1 ЕД на 3-4 грамма сухой глюкозы. Инсулин не только положительно влияет на утилизацию глюкозы, но и способствует нормальной адсорбции аминокислот.
Применение углеводов в медицине зависит от их вида. В парентеральном питании широко применяют: фруктозу, глюкозу, сорбитол, декстран, глицерол и этиловый алкоголь.
Диетическое питание
Существует множество диет, которые базируются на полном или частичном исключении из рациона питания углеводов, а также увеличении потребления белков и жиров. Министерство сельского хозяйства США проводило опрос, согласно которому было выявлено, что люди, употребляющие пищу богатую углеводами, преимущественно обладают нормальным весом. Еда, в которой содержится много углеводов, более питательна, но менее калорийна.
Как известно, в Америке более половины населения страдает проблемой избыточного веса. Причем количество таких людей планомерно растет. Длительный опрос населения на предмет употребляемых в пищу продуктов показал, что люди, в рационе которых преобладают углеводы, получают меньше калорий, чем любители белков и жиров, при таком же объеме съеденной пищи. У этой группы людей из всех опрошенных, а их было более 10000 человек, самый низкий показатель массы тела. Причина в том, что на 1000 калорий углеводсодержащих продуктов, приходится много клетчатки и воды. Данная группа людей получала с едой большее количество питательных веществ, а именно: витаминов А и С, каротина, кальция, железа и магния. Жиры, холестерин, цинк, натрий и витамин В12, в их рационе содержались в незначительной степени.
Применение углеводов и жиров в пищевых продуктах тесно связано. Впрочем, как и применение углеводов с белками. Высокая эффективность углеводов как источников энергии заключается в их способности к сбережению белка. Когда в пищу попадает большое количество углеводов, организм использует в качестве энергетического материала меньше аминокислот. Вообще эти вещества не являются незаменимыми компонентами питания, так как они могут синтезироваться из аминокислот и глицерина, тем не менее, нельзя недооценивать их роль. Применение углеводов в пищу должно составлять, по меньшей мере, 50 грамм в сутки. В противном случае могут возникнуть нарушения метаболических процессов.
Вместе с тем избыточное потребление углеводов приводит к образованию подкожного жира. При построении рациона, важно не только удовлетворить потребность человека в этих веществах, но и сбалансировать потребление разных их типов. Важно проследить за соотношением простых и сложных углеводов. Когда в организм поступает много сахаров, они не могут в полной мере синтезироваться в гликоген и переходят в триглицериды, способствующие образованию жировых тканей. Когда в крови повышено содержание инсулина, этот процесс ускоряется.
Сложные углеводы, в отличие от простых, расщепляются медленно, поэтому их содержание в крови нарастает постепенно. В этой связи целесообразно, чтобы основную углеводную часть в продуктах питания составляли именно сложно усвояемые вещества. Их доля должна составлять от 80 до 90 процентов. Недостаток сложных углеводов особо ощутим для тех, кто страдает сахарным диабетом, ожирением, атеросклерозом и заболеваниями сердечно-сосудистой системы.
Как вы уже поняли, больше всего углеводы применяются в питании и медицине. Но на этом область применения углеводов не заканчивается. Где же еще их используют?
Глюкоза
Этот углевод хорошо усваивается организмом и может использоваться в составе некоторых медицинских препаратов. Кроме того, глюкоза широко применяется в кондитерской промышленности. С ее помощью делают мармелад, карамель, пряники и прочие изделия. В текстильной промышленности она играет роль восстановителя. А при производстве гликоновой и аскорбиновой кислот глюкоза является исходным продуктом. С ее помощью также проводят синтез некоторых производственных сахаров.
Немалое значение имеет брожение глюкозы. Оно происходит при квашении капусты, огурцов, молока и прочих продуктов, а также при силосовании кормов. В производстве пива используют спиртовое брожение глюкозы.
Крахмал
Крахмал – ценное питательное вещество. Чтобы оно легче усваивалось организмом, продукты подвергают температурной обработке. В условиях высокой температуры происходит частичный гидролиз крахмала, а также образование растворимых в воде декстринов. Декстрины, попав в пищеварительный тракт гидролизуются до глюкозы, которая хорошо усваивается организмом. Если говорить про применение углеводов в промышленности, нельзя обойти стороной крахмал. Основные продукты, которые из него получают – глюкоза и патока. Это еще больше расширяет область, в которой имеет место быть применение углеводов. Кратко описать процесс получения глюкозы и патоки из крахмала можно следующим образом.
Крахмал греют в смеси с разбавленной серной кислотой. Избыток кислоты нейтрализуется мелом. Осадок сульфата кальция, который образуется при нейтрализации, отфильтровывают. Затем раствор упаривают и выделяют из него глюкозу. Если не доводить процесс гидролиза до конца, то получится смесь глюкозы с декстринами, которая называется патокой. Ее используют в кондитерской промышленности. Кроме того, декстрины, полученные из крахмала, нашли широкое применение в качестве клея и загустителя для красок. Крахмал доказывает, насколько разнообразным может быть применение углеводов. Химия процессов, при этом, совсем не сложна.
Раньше использовалось накрахмаливание белья, которое позволяет вдохнуть в ткань вторую жизнь и продлить ее срок службы. Крахмал и продукты, полученные из него, нашли применение также в текстильной, фармацевтической и литейной промышленности.
Целлюлоза
Практическая польза углеводов всегда была не менее важной, нежели их биологическая роль. Применение углеводов можно встретить в совершенно разных направлениях человеческой деятельности. Целлюлоза (клетчатка) используется человеком с древних времен. Сначала человек начал применять древесину в качестве горючего и строительного материала. Затем из хлопка, льна и других волокнистых растений научились делать нить. Позже появились технологии, позволяющие получить из древесины бумагу. Бумага, по своей сути, является тонким слоем волокон клетчатки, которые спрессованы и проклеены. В результате получается прочная, гладкая поверхность, по которой не растекаются чернила.
Изначально для изготовления бумаги использовали только растительное сырье (стебли хлопка и риса). Из него чисто механическим путем добывали волокна. Но по мере развития общества, перечисленных источников стало не хватать для покрытия потребности в бумаге. Основное количество ее идет на газеты. Учитывая, что качество бумаги здесь особой роли не играет, в нее начали добавлять до 50 процентов молотой древесины. В дальнейшем появились технологии, позволяющие избавиться от таких сопутствующих веществ древесины, как смолы, лигнин и прочее. Вот таким разнообразным может быть практическое применение углеводов.
На сегодняшний день наиболее распространенным способом выделения целлюлозы является сульфитный. Его используют в разных областях, где имеет место применение углеводов. Химия процесса весьма проста. По этому способу, древесину измельчают и варят в смеси с гидросульфатом кальция. Затем освобожденную от всяческих примесей целлюлозу отделяют на фильтрах. Полученный щелок имеет в своем составе моносахариды, поэтому его используют в качестве сырья для получения спирта. А еще целлюлоза используется при изготовлении вискозных, ацетатных и медно-аммиачных волокон.
Иногда углеводы путают с углеводородами. Несмотря на то что эти два класса веществ созвучно называются, они не имеют никакого отношения друг к другу. Применение предельных углеводородов в быту и на производстве - это совершенно другая история.
Заключение
Сегодня вы с вами углубили свои знания о таких веществах, как углеводы. Свойства, применение углеводов и их польза для человека подтверждают, что эти вещества являются важнейшими биологическими компонентами на нашей планете. Они буквально везде и во всем. Но не это главное, а то, что без углеводов наша жизнь была бы невозможной. Слишком уж обширно применение углеводов в жизни.
