Autorka: dr inż. Katarzyna Sadowska. Moduł I Fosfolipidy

Transkrypt

1 Moduł I 1. Wprowadzenie do nauki o żywieniu człowieka. Podstawowy skład chemiczny żywności 1.1. Żywienie człowieka jako dyscyplina naukowa 1.2. Rys historyczny nauki o żywieniu 1.3. Podstawowy skład chemiczny żywności 2. Białka w żywieniu człowieka 2.1. Wartość odżywcza białek 3. Węglowodany w żywieniu człowieka 3.1. Cukry proste (monosacharydy) 3.2. Polisacharydy 3.3. Rola węglowodanów przyswajalnych w organizmie człowieka 3.4. Błonnik pokarmowy (włókno pokarmowe) 4. Tłuszcze w żywieniu człowieka 4.1. Kwasy tłuszczowe 4.2. Lipoproteiny 4.3. Fosfolipidy Autorka: dr inż. Katarzyna Sadowska Wstęp Pierwszy temat tego modułu przedstawia przedmiot nauki o żywieniu człowieka oraz ukazuje jej interdyscyplinarny charakter. Definiuje on pojęcia istotne dla dalszej nauki przedmiotu. Przedstawiona jest również ewolucja odżywiania się człowieka, która dowodzi, że człowiek jest istotą wszystkożerną. Historia nauki o żywieniu człowieka opisuje przełomowe odkrycia w dziedzinie chemii żywności. Ukazuje również związki pomiędzy żywieniem a zdrowiem. Prezentowane są również organizacje zajmujące się problematyką żywieniową w skali świata, jak również w Unii Europejskiej i Polsce. W temacie tym omówione są aktualne problemy żywienia człowieka, takie jak niedożywienie oraz zbyt duże spożycie żywności, które prowadzi do otyłości i innych chorób dietozależnych. Ostatnia część tego tematu przedstawia skład chemiczny organizmu człowieka oraz podział i funkcje składników odżywczych. Omówione zostały również czynniki, które wpływają na zawartość i jakość składników odżywczych w produktach spożywczych. Kolejne trzy tematy opisują podstawowe składniki odżywcze. Została w nich przedstawiona budowa chemiczna białek, węglowodanów i tłuszczów, funkcje jakie pełnią w organizmie człowieka oraz przemiany jakim ulegają. Wspomniane składniki zostały przedstawione ze względu na rolę, jaką pełnią w żywieniu oraz wpływ na zdrowie. W tematach zostały poruszone zagadnienia ważne w dietetyce, takie jak: indeks glikemiczny, skrobia oporna i modyfikowana, aminokwas ograniczający, lipoproteiny LDL i HDL. W ramach opisów białek, węglowodanów i tłuszczów nie przedstawiono ich głównych źródeł w pożywieniu oraz nie wskazano zaleceń co do spożycia tych składników. Zagadnienia te zostaną poruszone w kolejnych modułach. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 1

2 1. Wprowadzenie do nauki o żywieniu człowieka. Podstawowy skład chemiczny żywności Odżywianie człowieka jest jednym z podstawowych warunków jego życia. Od jakości i ilości dostarczanego pożywienia zależy wzrost i rozwój młodego organizmu oraz utrzymanie zdrowia i sprawności fizycznej do późnej starości. Odżywianie człowieka jest również źródłem satysfakcji z zaspakajania potrzeb socjalnych i hedonistycznych (Żywienie człowieka 2006: t. 1). Wykwintne potrawy towarzyszą zazwyczaj uroczystościom rodzinnym i świętom religijnym. W większości domów stół jest miejscem gromadzenia się całej rodziny. W tym ujęciu spożywanie pożywienia jest nie tylko dostarczaniem składników odżywczych, ale również źródłem przyjemności. Ważnym problemem żywieniowym na świecie jest zarówno niedożywienie, jak również zbyt duże spożycie żywności. Problem głodu dotyczy głównie krajów Trzeciego Świata, natomiast nadkonsumpcja żywności dotyka państwa wysoko rozwinięte. Według WHO otyłość i nadwaga jest aktualnie najważniejszym problemem zdrowia publicznego. W tym ujęciu odżywianie jest zjawiskiem, które ma miejsce kilkakrotnie w ciągu doby i odbywa się przy aktywnym udziale człowieka. Tak więc jest to potrzeba fizjologiczna, na którą mamy duży wpływ. Żywienie człowieka jest procesem pobierania, przetwarzania i wykorzystywania składników odżywczych i innych z pożywienia dla zaspokojenia różnych potrzeb związanych ze wzrostem, pracą narządów wewnętrznych, pracą fizyczną, a także regeneracja narządów, tkanek i komórek Żywienie człowieka jako dyscyplina naukowa (wg Berger, Gronowska-Senger, Ziemlański 1988) Żywienie człowieka jako dyscyplina naukowa zajmuje się współzależnością między pożywieniem a organizmem człowieka na poziomie molekularnym, tkankowym, całego organizmu oraz populacji. Definicja to odnosi się zarówno do jednostki, jak również do całej populacji. Badaniem nawyków żywieniowych populacji oraz jej związków ze zdrowiem człowieka zajmuje się epidemiologia żywienia. Podstawy żywienia człowieka obejmują wiadomości o żywności, organizmie i racjonalnym żywieniu, by można było ocenić sposób żywienia i stan odżywiania (rysunek 1.). Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 2

3 Rysunek 1. Zależności w nauce o żywieniu Żywnośd jej rodzaje, skład chemiczny i dostępnośd dla organizmu oraz wartośd odżywcza i jakośd zdrowotna. Tabele składu i wartości odżywczych produktów spożywczych. Racjonalne żywienie czyli planowanie posiłków z zastosowaniem norm żywienia oraz tabel wartości odżywczej produktów spożywczych, z uwzględnieniem uwarunkowao genetycznych, społecznych i kulturowych. Organizm jego możliwości trawienia i przyswajania składników pożywienia, ich oddziaływanie i rola żywieniowa, objawy niedoboru i nadmiaru oraz zapotrzebowanie na nie w różnych stanach i okresach życia. Normy żywienia Ocena sposobu żywienia i stanu odżywienia Źródło: Żywienie człowieka 2006: t. 1. Żywienie człowieka jest dziedziną wiedzy o charakterze interdyscyplinarnym. Łączy zagadnienia zarówno z obszaru nauk rolniczych, jak i z medycznych. Nauki rolnicze, a zwłaszcza chemia żywności, przechowalnictwo, przetwórstwo, technologia i biotechnologia żywności dają wiedzę na temat samej żywności. Natomiast nauki medyczne, takie jak: fizjologia, biochemia, gastrologia, endokrynologia, dostarczają informacji o potrzebach organizmu w różnym wieku, stanie fizjologicznym oraz w stanie choroby. Etapy ewolucji odżywiania Zbieractwo (3 mln lat temu) Pokarm stanowiły głównie rośliny, a w szczególności owoce, nasiona, grzyby, korzonki roślin. Niewielkim uzupełnieniem diety były jaja ptaków i gadów, które dostarczały pełnowartościowego białka. Łowiectwo (3-1,5 mln lat temu) Dzięki polowaniom człowiek wzbogacał swoją dietę w wysokowartościowe białko pochodzące z mięsa dzikich zwierząt. Łowiectwo wymagało ponadto współdziałania i przyczyniło się do łączenia się ludzi w grupy. Umiejętność rozniecania ognia (400 tys. lat temu) Pożywienie zyskało nowe cechy sensoryczne zachęcające do większej konsumpcji. Obróbka termiczna pożywienia spowodowała lepszą przyswajalność składników odżywczych, a w szczególności węglowodanów złożonych. Poddawanie pokarmu wysokiej Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 3

4 temperaturze pozwoliło na inaktywowanie związków toksycznych, zawartych głównie w produktach roślinnych. Wynalezienie ognia przyczyniło się również do poprawy bezpieczeństwa mikrobiologicznego żywności, co w konsekwencji zmniejszyło liczbę zatruć pokarmowych. Uprawa roli i hodowla zwierząt (5 tys. lat temu) Dzięki uprawie roli człowiek mógł prowadzić osiadły tryb życia. Rozwój rolnictwa stworzył podstawę do rozwoju dawnych cywilizacji, takich jak: Egipt, Grecja, Rzym, Mezopotamia, kultury Inków, Majów, Azteków. Każda z tych cywilizacji wiązała się z określoną rośliną uprawną. Rejon basenu Morza Śródziemnego związany był z uprawą pszenicy. Początkowo zakładano przydomowe ogrody dostarczające produktów roślinnych dla bieżących potrzeb. Wraz z rozwojem technicznych środków produkcji areał uprawy, jak również ilość uprawianych gatunków stopniowo zwiększały się. Nowe odmiany roślin uprawnych, rasy zwierząt Wprowadzenie płodozmianu oraz intensyfikacja produkcji zwiększyły osiągane plony. W wyniku hodowli roślin uzyskano odmiany bardziej plenne. Handel spożywczy Rozwój handlu międzynarodowego przyczynił się do dostępności różnego rodzaju żywności niezależnie od miejsca jej produkcji. Dzięki temu w Polsce możemy urozmaicać swoją dietę takimi produktami jak: soja, ryż, owoce morza, cytrusy oraz wieloma przyprawami, jak: cynamon, wanilia, goździki. Technologia żywności Prawdopodobnie już w epoce neolitu stosowano suszenie, wędzenie i solenie produktów żywnościowych. Na początku XIX wieku odkryto metodę apertyzacji, która polegała na ogrzewaniu żywności w zamkniętych naczyniach (np. słoikach). Dzięki temu można było przechowywać w warunkach domowych łatwo psujące się produkty. W latach 30. XX w. wyodrębniła się jako nauka technologia żywności. Od tego czasu od dzisiaj powstało wiele nowych metod przechowywania i utrwalania żywności. Istotnym wydarzeniem w historii odżywiania się człowieka było powszechne pojawienie się w gospodarstwach domowych lodówek elektrycznych. Na terenie Polski miało to miejsce w latach 50. XX wieku. Rozwój przetwórstwa żywności Przetwórstwo żywności poszerza asortyment dostępnych produktów, nadaje im nowe cechy organoleptyczne. Wysoki stopień przetworzenia żywności powoduje oddalenie produktu końcowego od wyjściowego surowca. Przykładem mogą być homogenizowane twarożki smakowe, które barwą, konsystencją dalece obiegają do surowca pierwotnego, jakim jest mleko. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 4

5 Żywność wygodna i żywność funkcjonalna Historia żywności wygodnej związana jest ze zmianą socjalnych, kulturowych i ekonomicznych warunków życia. Poprawa warunków materialnych gospodarstw domowych oraz praca zarobkowa kobiet spowodowały wzrost konsumpcji dań gotowych, wysoce przetworzonych. Żywność funkcjonalna pojawiła się na rynku w odpowiedzi na rosnącą świadomość konsumentów dotyczącą wpływu odżywiania na zdrowie człowieka. Obecność na rynku tych dwóch typów żywności dobrze charakteryzuje współczesny sposób odżywiania się człowieka. Obserwuje się zbyt duże spożycie energii, tłuszczów nasyconych, cukrów dodanych, przy małej podaży węglowodanów złożonych, błonnika, niektórych witamin i składników mineralnych. Z drugiej strony nauka dostarcza coraz więcej dowodów potwierdzających związek odżywiania się ze zdrowiem człowieka. Te doniesienia docierają do społeczeństwa w formie kampanii społecznych (np. Jedz ryby), artykułów w kolorowej prasie, programów telewizyjnych. Stanowią one podstawę weryfikacji naszych nawyków żywieniowych, które są kształtowane już w dzieciństwie. Wybór pożywienia na podstawie wiedzy o produktach spożywczych i ich wpływ na zdrowie dotyczy wyłącznie człowieka Rys historyczny nauki o żywieniu Era naturalistyczna (starożytność XVIII w.) Wiedza o żywieniu człowieka jest zbieżna z początkiem nauk medycznych. Już w starożytności podkreślano związek żywienia ze zdrowiem oraz formułowano wskazania dietetyczne. Ówczesne zasady żywienia człowieka opierały się na głównie na obserwacji skutków zdrowotnych określonej diety. Brak było podstaw fizjologii żywienia oraz znajomości składników odżywczych. Hipokrates, uważany za ojca medycyny ( r. p.n.e.) podkreślał znaczenie żywienia w zdrowiu i chorobie. Głosił on pogląd, że ludzie otyli mają skłonność do umierania wcześniej niż ludzie smukli (Żywienie człowieka 2006: I). Duża część starożytnych zaleceń żywieniowych znalazła w dzisiejszych czasach potwierdzenie naukowe. Era chemiczno-analityczna (połowa XVIII XIX w.) Okres ten przyniósł naukowe podstawy żywienia, a jednym z ważniejszych odkryć była teoria spalania składników pokarmowych ogłoszona przez A. Lavoisiera w 1777 r. Wykazał on, że pożywienie w organizmach zwierząt i ludzi ulega spalaniu, a podczas oddychania zostaje dostarczona odpowiednia do tego procesu ilość tlenu i wydalony dwutlenek węgla. W wyniku tego procesu wytwarza się ciepło, którego ilość została zmierzona w kalorymetrze (odkrycie to dało początek kalorymetrii). Do początków XX w. jedynym miernikiem wartości odżywczej pożywienia była jego wartość energetyczna. Zapotrzebowanie energetyczne człowieka wyrażane jest za pomocą kalorii. W latach 30 XIX w. określono budowę, funkcje i metody oznaczania głównych składników odżywczych (białek, tłuszczów i węglowodanów). Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 5

6 Era biologiczna (od początku XX w.) Początki ubiegłego stulecia przyniosły dalsze badania nad budową i funkcją białek, tłuszczy i węglowodanów. Odkryto metabolizm składników odżywczych w organizmie człowieka. Poznano również niezbędne dla człowieka kwasy tłuszczowe, scharakteryzowano poszczególne aminokwasy, wyjaśniono znaczenie poszczególnych węglowodanów. Ważnym wydarzeniem było odkrycie witamin (1912 r. Kazimierz Funk) oraz składników mineralnych. Dzięki poznaniu roli witamin w organizmie człowieka skutecznie zwalczane są choroby powstałe na skutek ich niedoborów, np.: pelagra (rumień lombardzki) niedobór niacyny, krzywica niedobór witaminy D3, beri-beri niedobór witaminy B1, szkorbut (gnilec) niedobór witaminy C, kseroftalmia (kurza ślepota) niedobór witaminy A. W latach 30. XX w. opracowano pierwsze normy żywienia człowieka. W latach 60 i 70 XX w. zwrócono szczególną uwagę na niedobory białkowe w krajach rozwijających się. Opisano niedobory białkowo-energetyczne (marasmus i kwashiorkor). Wykazano, że wiele zaburzeń rozwojowych i schorzeń wieku dojrzałego jest rezultatem wadliwego, niedoborowego i jednostronnego żywienia. Ostatnie dziesięciolecia wieku XX do dzisiaj to ogromny rozwój wiedzy nad rolą żywienia w powstawaniu i zapobieganiu chorób cywilizacyjnych, takich jak: otyłość, choroby układu krążenia, niektóre postacie nowotworów, cukrzyca insulinozależna, nadciśnienie. W 2005 roku 61% zgonów na świecie było spowodowanych chorobami mającymi związek z odżywianiem. Jedną z głównych przyczyn zgonów w Polsce są choroby układu krążenia oraz nowotwory złośliwe (zob. Szamotulska 2008; Normy żywienia człowieka 2008). Do aktualnych problemów nauki o żywieniu człowieka należą interakcje składników odżywczych, jak również składników pożywienia z lekami i suplementami diety. Nadal są prowadzone badania nad wspomnianą już żywnością funkcjonalną, a szczególnie rolą i bezpieczeństwem dodatków prozdrowotnych. Wiele prac naukowych dotyczy żywności modyfikowanej genetycznie (GMO) oraz jej wpływu na zdrowie człowieka. W przyszłości duże znaczenie może mieć znajomość kodu genetycznego i jego znaczenie w odżywianiu się człowieka. Na całym świecie liczne organizacje międzynarodowe i krajowe zajmują się problematyka żywieniową. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 6

7 FAO Światowa Organizacja ds. Wyżywienia i Rolnictwa Siedziba w Rzymie. Powstała roku, ten dzień jest obchodzony jako Światowy Dzień Żywności. Podstawowym celem tej organizacji jest walka z głodem i poprawa wyżywienia społeczeństw krajów rozwijających się. W raporcie FAO opublikowanym w 2004 r. dotyczącym lat liczba ludzi niedożywionych wynosiła 852 mln, co stanowiło 14% ogółu mieszkańców Ziemi. Głód dotykał głównie kraje rozwijające się, a w szczególności Afryki Subsaharyjskiej. Według danych FAO liczba ludzi niedożywionych w Polsce wynosiła 0,8% populacji, natomiast w całej Europie Środkowo-Wschodniej 3% mieszkańców ogółem (Normy żywienia człowieka 2008). WHO Światowa Organizacja Zdrowia Siedziba w Genewie. Głównym zadaniem WHO jest ocena stanu zdrowia ludności i jego poprawa. Na podstawie FAO i WHO opracowywane są normy żywienia, które mogą być stosowane w każdym kraju. Komisja Kodeksu Żywieniowego (Codex Alimentarius) Komisja ta została powołana przez FAO i WHO. Celem jej jest opracowywanie międzynarodowych standardów dla producentów żywności, które mają zapewnić wysoką jakość zdrowotną żywności. EFSA Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności EFSA jest organem Unii Europejskiej powołanym w 2002 r. Zajmuje się określaniem standardów produktów żywnościowych oraz przygotowaniem aktów prawnych w zakresie żywności. Polski Punkt Koordynacyjny EFSA znajduje się w Głównym Inspektoracie Sanitarnym. Jednym z najważniejszych ośrodków naukowych w naszym kraju zajmujących się problematyką żywieniową jest Instytut Żywności i Żywienia im. prof. dr. Aleksandra Szczygła w Warszawie (IŻŻ, który powstał w 1963 r. Instytut zajmuje się badaniem składu żywności, czego efektem są Tabele składu i wartości odżywczej produktów spożywczych. IŻŻ jest również ośrodkiem, w którym powstają polskie Normy żywienia człowieka. Ważnym elementem działalności tego ośrodka jest upowszechnianie zasad prawidłowego żywienia. Innym ośrodkiem naukowym w Polsce zajmującym się problematyką żywieniową jest Komitet Żywienia Człowieka PAN. Obecnie podstawowym aktem prawnym w zakresie żywności i żywienia jest Ustawa z dnia 25 sierpnia 2006 roku o bezpieczeństwie żywności i żywienia (DzU z 2006 r., Nr 171, poz.1225). Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 7

8 1.3. Podstawowy skład chemiczny żywności Wszystkie organizmy żywe zbudowane są z tych samych związków organicznych, składników Tabela 1. Średni skład chemiczny organizmu mineralnych oraz wody. W większości komórek dorosłego człowieka związkiem dominującym jest woda, im młodszy Składniki Kobieta Mężczyzna osobnik tym jej zawartość w komórkach jest % % większa. Mężczyźni, z uwagi na wyższy udział Woda białka w organizmie, mają nieco więcej wody niż Białko kobiety (tabela 1). Zasadnicza różnica dotyczy Tłuszcz także zawartości tłuszczu i białka w ciele kobiety Składniki mineralne i mężczyzny. Ciało kobiety posiada mniejszy udział beztłuszczowej masy ciała, stąd też jej potrzeby Węglowodany 0,5-1,0 0,5-1,5 energetyczne są mniejsze niż mężczyzny. Większa Źródło: Żywienie człowieka 2006: t. 1. masa kośćca w organizmie mężczyzny przekłada się na wyższą zawartość składników mineralnych. Wszystkie składniki w organizmie człowieka podlegają ciągłej wymianie, część z nich zostaje zużyta w celu wyzwolenia energii, część jest wydalana, a część służy do ponownej resyntezy związków endogennych (Ciborowska, Rudnicka 2007). Żywność oraz woda jest źródłem wszystkich niezbędnych do życia składników, które musza być dostarczane systematycznie, w odpowiedniej ilości. Żywnośd stanowią jadalne części tkanek roślinnych i zwierzęcych w stanie naturalnym lub przetworzonym, które po zjedzeniu i przyswojeniu przez organizm ludzki mogą byd źródłem różnych składników odżywczych. (Chemia żywności 2007: t. 1) Człowiek jest istota wszystkożerną, dlatego też dla prawidłowego rozwoju powinien dostarczać organizmowi zarówno pokarm pochodzenia zwierzęcego, jak i roślinnego. Dopiero tak skomponowana dieta dostarcza wszystkich niezbędnych witamin i składników mineralnych, jak również wysokowartościowego białka pochodzenia zwierzęcego oraz błonnika pochodzenia roślinnego. Rysunek 2. Podział składników pokarmowych Żywność pochodzenia roślinnego jest źródłem wtórnych metabolitów, a więc substancji powstających w wyniku wyspecjalizowanej przemiany materii danego gatunku. Wiele z tych związków ma właściwości lecznicze, niektóre narkotyczne, a nawet trujące. Substancje te nadają produktom roślinnym charakterystyczny smak i aromat. Najczęściej występują one w stosunkowo małych ilościach. Przykładami związków roślinnych wykazujących działanie porozdrowotne na organizm są sterole i stanole, flawonoidy, antocyjany oraz karotenoidy. Składniki odżywcze to związki chemiczne, który po strawieniu i wchłonięciu zostanią wykorzystane przez organizm jako źródło energii, materiał budulcowy lub czynnik regulujący procesy życiowe. Składnik pokarmowy jest to zawarty naturalnie w środku spożywczym związek chemiczny, który może mied zarówno charakter odżywczy, jak i nieodżywczy. Składniki nieodżywcze (naturalne i obce): substancje dodatkowe (obce), składniki antyodżywcze, składniki szkodliwe. Źródło: Opracowanie własne, definicje na podstawie Żywienie człowieka 2006: t. 1. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 8

9 Niezależnie od pochodzenia żywności możemy wyodrębnić w niej składniki pokarmowe, które mogą być oznaczone ilościowo i jakościowo. Zasadniczą rolę w odżywianiu pełnią składniki odżywcze, jednak nie możemy zapominać o substancjach, które znajdują się w pożywieniu i nie pełnią żadnej z opisywanych funkcji lub wykazują inne działanie (rysunek 2). Do składników nieodżywczych zaliczmy substancje szkodliwe, które mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia człowieka. Powstają one w wyniku zanieczyszczenia żywności (np. pestycydy) bądź jej niewłaściwego przechowywania. Substancje antyodżywcze utrudniają wchłanianie składników odżywczych. Są one na ogół wtórnymi metabolitami roślinnymi, a procesy obróbki termicznej inaktywują ich negatywne działanie. Do grupy składników nieodżywczych możemy zaliczyć również substancje dodatkowe, które są wprowadzane do żywności w celu przedłużenia jego trwałości, nadania określonej barwy, smaku, konsystencji lub dla ułatwienia procesu technologicznego. Użycie substancji dodatkowych reguluje rozporządzenie z dnia 18 września 2008 r. w sprawie dozwolonych substancji dodatkowych. Rysunek 3. Podział i funkcje składników odżywczych Składniki odżywcze Funkcje: energetyczne budulcowe regulujące węglowodany tłuszcze białka lipidy składniki mireralne (Ca, P, S, Fe, J, budulcowe) witaminy błonnik Źródło: Opracowanie własne. Składniki energetyczne (węglowodany i tłuszcze) są konieczne do pokrywania potrzeb energetycznych organizmu. Białka są typowym składnikiem budulcowym organizmu, jednak przy braku węglowodanów i tłuszczów mogą być wykorzystywane do pokrycia potrzeb energetycznych, które są zaspakajane w pierwszej kolejności. Składnikiem budulcowym są również lipidy budujące błony komórkowe i osłonki mielinowe komórek nerwowych. Składniki mineralne takie jak: wapń, fosfor, siarka, żelazo i jod są niezbędne do budowy kości, zębów, krwinek czerwonych, tarczycy. Wszystkie składniki budulcowe służą zarówno do budowy organizmu, jak również do jego regeneracji. Związki o charakterze regulującym (witaminy i składniki mineralne) są potrzebne w organizmie w bardzo małych ilościach, na ogół spełniają rolę biologicznych katalizatorów oraz umożliwiają wiele przemian zachodzących w organizmie. Błonnik pełni funkcję regulacyjną dla przewodu pokarmowego nie dostarczając przy tym energii. Do prawidłowego funkcjonowania organizm potrzebuje około 60 składników, w tym co najmniej 40 zalicza się do tzw. niezbędnych (Ciborowska, Rudnicka 2007). Do związków egzogennych, których organizm sam nie syntetyzuje, i które muszą być dostarczone z pożywieniem zaliczmy: - 8 aminokwasów, - niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe (NNKT), - większość witamin, - składniki mineralne. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 9

10 Na zawartość i jakość składników odżywczych w produktach wpływają: - agrotechnika i warunki klimatyczne uprawy roślin (dobór odmiany, nawożenie, ochrona przed chorobami, np. słoneczna i sucha pogoda w końcowej fazie dojrzałości pszenicy wpływa na wzrost zawartości białka w ziarnie, fungicydy zwalczają fuzariozy, które potencjalnym źródłem mykotoksyn); - warunki hodowli i chowu zwierząt (odpowiednia rasa, np. rasy mięsne i mleczne bydła, żywienie zwierząt, warunki sanitarne utrzymywania zwierząt i opieka weterynaryjna); - wszystkie metody przechowywania, przetwarzania i konserwowania żywności (np. obieranie owoców i warzyw, obróbka termiczna żywności); - celowe dodawanie składników ze względów technologicznych lub żywieniowych. 2. Białka w żywieniu człowieka Białka są najważniejszym składnikiem budowy żywych organizmów. Są to azotowe związki wielkocząsteczkowe, których elementarną częścią składowa są aminokwasy. w skład budowy aminokwasów wchodzi atom: węgla, tlenu, azotu, wodoru oraz siarki. Oprócz wymienionych pierwiastków, niektóre białka mogą zawierać również: fosfor, żelazo, cynk, miedź, mangan, jod. Aminokwasy składają się z: grupy aminowej, grupy karboksylowej, atomu wodoru oraz specyficznej dla każdego aminokwasu grupy R (rys. 4). Wszystkie te elementy skupione są wokół węgla. W naturalnych białkach aminokwasy występują tylko jako izomery L (Berg, Tymoczko, Stryer 2007). Rysunek 4. Ogólny wzór aminokwasów Znanych jest 20 aminokwasów tworzących białka (tabela 2). Na podstawie budowy chemicznej aminokwasy możemy podzielić na aminokwasy: alifatyczne, dwuzasadowe, aromatyczne, heterocykliczne, zasadowe. Tabela 2. Podział aminokwasów ze względu na funkcje w żywieniu człowieka (Gertig, Przysławski 2006) Aminokwasy egzogenne Aminokwasy względnie Aminokwasy endogenne egzogenne 1. Lizyna 1. Histydyna 1. Glicyna 2. Leucyna 2. Arginina 2. Alanina 3. Izoleucyna 3. Seryna 4. Metionina 4. Cysteina* 5. Walina 5. Cystyna 6. Treonina 6. Kw. asparginowy 7. Tryptofan 7. Aspargina 8. Fenyloalanina 8. Kw. Glutaminowy 9. Prolina 10. Tyrozyna* * Czasami uznawane za względnie egzogenne. Ze względu na rolę jaka pełnią aminokwasy w żywieniu człowieka możemy podzielić je na: - aminokwasy egzogenne, czyli się takie, które nie mogą powstawać w organizmie człowieka i muszą być dostarczane z pożywieniem, - aminokwasy endogenne, nie niezbędne, mogą być syntetyzowane w organizmie człowieka z innych aminokwasów, z produktów przemiany tłuszczów i węglowodanów, pod warunkiem źródła grup aminowych, - względnie egzogenne, są to aminokwasy wytwarzane w organizmie człowieka, jednak ich synteza w niektórych przypadkach jest niewystarczająca, np. okres wzrostu i rozwoju, stany chorobowe, szybki przyrost masy ciała. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 10

11 W Normach żywienia człowieka (2008) histydyna jest włączona do aminokwasów egzogennych. W literaturze aminokwasy względnie egzogenne i endogenne są różnie klasyfikowane. Jeżeli w organizmie jest niedobór prekursorów aminokwasów endogennych to w takiej sytuacji synteza nie zachodzi, a aminokwas staje się względnie egzogenny. Charakterystyka aminokwasów egzogennych (wg Gertig, Przysławski 2006) Lizyna jest aminokwasem zasadowym, występuje we wszystkich białkach, poza białkiem kukurydzy. W większych ilościach znajduje się w białkach zwierzęcych. Jest potrzebna do wzrostu i rozwoju chrząstki, mięśni i kości, syntezy nukleotydów, laktacji. Wpływa na wchłanianie wapnia. Niedobór może powodować zanik mięśni i odwapnienie kości. Aminokwas ograniczający w białku roślin zbożowych. Leucyna Izoleucyna Metionina aminokwas siarkowy to aminokwas alifatyczny, występujący w wielu białkach, zwłaszcza w mleku, w białku kiełków i kukurydzy. w dużych ilościach występuje w białku jaja, mleka, twarogu. Jest konieczna do prawidłowego wzrostu. Metionina jest dawcą grup metylowych (-CH 3) niezbędnych do syntezy ważnych substancji, takich jak cholina, kreatyna, które są ważnym składnikiem mięśni. Niedobór tego aminokwasu powoduje degenerację wątroby oraz osłabia odporność.(cysteinę, cystyna + metionina = a. siarkowe) Fenyloalanina zawiera pierścień aromatyczny. W organizmie przekształca się w inny aminokwas tyrozynę, dalsze przemiany prowadza do hormonów tarczycy i nadnercza. Znajduje się w małych ilościach we wszystkich białkach. (fenyloalanina + tyrozyna = a. aromatyczne) Treonina Tryptofan jest aminokwasem alifatycznym. Niedobór treoniny może powodować zahamowanie wzrostu. W małych ilościach rozpowszechniona jest we wszystkich białkach. jest aminokwasem heterocyklicznym. Zawierają go najwięcej białka zbóż, natomiast nie ma go w białku kolagenowym i żelatynie. Bierze udział w biosyntezie witaminy PP (kwasu nikotynowego), w rozmnażaniu i laktacji. Tryptofan jest niezbędny do powstania hormonu tkankowego serotoniny. Niedobory mogą powodować zahamowanie wzrostu, niedokrwistość. Aminokwasy w peptydach i białkach połączone są ze sobą za pomocą wiązań peptydowych, które tworzą się przez kondensację grupy aminowej jednego aminokwasu z grupą karboksylową drugiego (-CO-NH). Połączenia dwóch lub kilku cząstek aminokwasów noszą nazwę peptydów. Z dwóch aminokwasów powstają dipeptydy, z trzech tripeptydy itd. Jeśli w łańcuchu występuje ponad 100 aminokwasów makropeptydy, czyli białka. Tripeptydem o właściwościach przeciwutleniających, łatwo reagującym z wolnymi rodnikami jest glutation. Jest on zbudowany z kwasu glutaminowego, cysteiny i glicyny ( -Glu-Cys-Gli). Do peptydów zaliczamy wiele hormonów (np. insulinę, oksytocynę), trucizn wytwarzanych przez grzyby kapeluszowe (np. amatoksyny, falloidyny) oraz antybiotyków wytwarzanych przez pleśniaki. W budowie białek wyróżniamy trzyrzędową strukturę. Czwartorzędowa struktura określa łączenie się cząstek białkowych w większe agregaty. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 11

12 Rysunek 5. Strukturalna budowa białek Struktura I rzędowa Struktura II rzędowa Struktura III rzędowa Struktura IV rzędowa Podaje rodzaj i kolejnośd ułożenia Polega na ukształtowaniu się Określa wtórne skręcenie spirali lub Dotyczy białek zbudowanych z tzw. aminokwasów w łaocuchu, wielkośd łaocucha, zbudowanego harmonijki łaocucha podjednostek, np. hemoglobina cząsteczki białka ilośd z aminokwasów w przestrzeni aminokwasowego w przestrzeni. zbudowana jest z 4 łaocuchów. aminokwasów i masę cząsteczkową. i określa rodzaj jego konfiguracji. Strukturę tę utrwala wiele wiązao. Ukształtowanie tych łaocuchów Występują tu dwa rodzaje wiązao: Łaocuch ten ulega spiralnemu Oprócz wyżej wymienionych względem siebie w przestrzeni wiązanie peptydowe i wiązanie skręceniu w kształcie α-helix lub występują wiązania hydrofobowe opisuje struktura IV-rzędowa. dwusiarczkowe pomiędzy grupami pofałdowanej harmonijki i jonowe. Utrwalana jest tymi samymi SH. o strukturze β. Wiązanie utrwalające wiązaniami co struktura III-rzędowa. spiralę lub harmonijkę to wiązanie wodorowe. Źródło: Opracowanie własne. Struktura przestrzenna białek może ulegać zniszczeniu na skutek czynników fizycznych (wysoka temperatura, promieniowanie UV, wstrząsanie) lub chemicznych (silne kwasy i zasady, sole metali ciężkich) Nieodwracalna zmiana struktury białka nazywa się denaturacją. Proces ten powoduje zmianę właściwości biologicznych białka. Denaturacja białek enzymatycznych prowadzi do utraty ich aktywności. Przykładem denaturacji jest piana białka powstała na skutek ubijania oraz twardnienie ugotowanego jajka. Ze względu na budowę chemiczną białka dzielimy na białka proste zbudowane tylko z aminokwasów i białka złożone, w których oprócz aminokwasów występują również związki niebiałkowe, tzw. grupy prostetyczne (Gertig, Przysławski 2006; Ciborowska, Rudnicka, 2007). Białka proste Albuminy Globuliny Gluteliny i prolaminy Skleroproteiny Histony Protaminy rozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli. Maja kształt kulisty, łatwo ulegają denaturacji. Wchodzą w skład tkanek i płynów ustrojowych. Występują we krwi, mleku, jajach, grochu, zbożach. Są głównym składnikiem białka osocza krwi. nie rozpuszczają się w wodzie, tylko w rozcieńczonych roztworach soli obojętnych. Są najbardziej rozpowszechnioną grupą białek. Występują w: osoczu krwi (fibrynogen), mleku, tkance mięśniowej, w nasionach roślin strączkowych. Do tej grupy należy wiele enzymów i przeciwciał odpornościowych (globuliny krwi, mleka). białka występujące w ziarnie zbóż i roślin strączkowych. Białka te wchodzą w skład glutenu pszennego. Ich cecha charakterystyczną jest wysoka zawartość proliny i kwasu glutaminowego, natomiast mało lizyny. nie rozpuszczają się w wodzie oraz rozcieńczonych roztworach kwasów i zasad. Mają strukturę włókienkową. Występują w organizmach zwierzęcych, są białkami strukturalnymi i ochronnymi. Keratyna we włosach, wełnie, naskórku, rogach. Kolagen posiada wysoką zawartość proliny i hydroksyproliny, w tkance łącznej kości, chrząstek i wiązadeł. Produktem termicznej degradacji kolagenu jest żelatyna. Elastyna w ścianach tętnic i ścięgien. rozpuszczają się w wodzie. Charakterystyczne białka jąder komórkowych oraz są częścią białkową hemoglobiny. zbudowane tylko z 8 rodzajów aminokwasów. Zaliczane są do polipeptydów. Występują w plemnikach ryb. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 12

13 Białka złożone Fosfoproteiny Nukleoproteiny Chromoproteiny Metaloproteiny Glikoproteiny Lipoproteiny grupę prostetyczną stanowi kwas fosforowy, np. kazeina. grupą prostetyczną są kwasy nukleinowe. Białka jąder komórkowych. grupą prostetyczną są barwniki. Na uwagę zasługują: hemoglobina, mioglobina, cytochromy, fikocyjaniny. jako grupę prostetyczną zawierają w swojej cząsteczce atom metalu (Cu, Zn, Fe, Ca, Mg) związany koordynacyjnie z białkiem. grupą prostetyczną są węglowodany. Występują w chrząstkach, ścięgnach, wydzielinach błon śluzowych. grupą prostetyczną są tłuszcze. Funkcje białek: 1) Służą do budowy nowych tkanek organizmów rosnących oraz do odbudowy tkanek, które ulegają fizjologicznej wymianie (np. złuszczający się naskórek, włosy, paznokcie, nabłonek jelitowy). Służą również do regeneracji tkanek w okresie rekonwalescencji (gojenie się ran). 2) Biorą udział w regulacji enzymatycznej procesów metabolicznych. 3) Pełnią funkcję enzymów trawiennych w przewodzie pokarmowym.wchodzą w skład ciał odpornościowych (interferon, immunoglobuliny). 5) Pełnią funkcje transportowe: hemoglobina, albuminy osocza, lipoproteiny, transferyna oraz białka błon komórkowych.dokonują regulacji hormonalnej, są produkowane w gruczołach dokrewnych (insulina, glukagon, parathormon, kalcytonina). 7) Umożliwiają krzepnięcie krwi (fibrynogen).utrzymują właściwy odczyn płynów ustrojowych oraz treści przewodu pokarmowego.biorą udział w regulowaniu ciśnienia krwi.pełnią rolę nośnika niektórych witamin i składników mineralnych.(wg Gawecki 1998; Ciborowska, Rudnicka, 2007) Warunkiem wykorzystania białka w organizmie zgodnie z jego funkcjami jest dostęp należytej ilość energii dla organizmu z tłuszczów i węglowodanów. Jeżeli nie dostarczymy odpowiednich ilości składników energetycznych organizm zacznie traktować białko jako źródło energii. Biosynteza białek (rys. 6) zachodzi w organellach komórkowych zwanych rybosomami. Informacja o budowie wszystkich białek w organizmie zapisana jest w DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) zawartym w jądrze komórkowym. Z DNA informacja genetyczna zostaje przepisana na m-rna (przekaźnikowy kwas rybonukleinowy), a proces ten nazywamy transkrypcją. m-rna zawiera informację w postaci sekwencji nukleotydów o kolejności łączenia aminokwasów w białku. Rybosomy łączą się z m-rna w określonym miejscu. Inny rodzaj RNA zwany transportowym (t-rna) krąży pomiędzy rybosomem a cytoplazmą przenosząc aminokwasy konieczne do budowy danego białka. Każdy z aminokwasów ma własne t-rna. Dostarczone aminokwasy są układane w kolejności zapisanej w m-rna i łączone wiązaniami peptydowymi. Tłumaczenia informacji genetycznej z języka kwasów nukleinowych na język aminokwasów nazywa się translacją. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 13

14 Żeby białko mogło pełnić swoją funkcję nie może być żadnego błędu w sekwencji aminokwasów. Błędy w procesie transkrypcji i translacji są powodem wielu wad wrodzonych i nowotworów. Rysunek 6. Biosynteza białek Źródło: Opracowanie własne. Do biosyntezy białka konieczne są wszystkie potrzebne aminokwasy w odpowiednich ilościach. Aminokwasy pochodzą z: - rozpadu białek pożywienia, - syntezy endogennej, z metabolitów przemiany pośredniej białek, tłuszczów i węglowodanów, - rozpadu białek organizmu. Tworzą one pulę aminokwasów, która jest wykorzystywana do syntezy nowych cząstek białka i niebiałkowych związków azotowych (Normy żywienia człowieka 2008; Ciborowska, Rudnicka, 2007). Ponadto, organizm do syntezy białka potrzebuje energii, która powinna pochodzić z tłuszczów i węglowodanów. Do syntezy 1 g białka z aminokwasów dostarczonych z pożywieniem organizm potrzebuje 24 kcal. (Żywienie człowieka 2006). W organizmie człowieka zachodzą nieustannie przemiany białek. Dziennie ok. 3% (300 g) białka organizmu człowieka podlega wymianie. Każde białko w organizmie ma swój czas trwania, po którym jest rozkładane. Dochodzi do tzw. obrotu białka (ang. turnover) jako konsekwencji stale przebiegających procesów rozpadu i syntezy białek ciała. Obrót białka u zdrowej osoby jest dobrze zbilansowany. Dynamicznym wykładnikiem obrotu białka jest okres półtrwania, czyli okres, w którym połowa danego białka ulegnie rozpadowi. Każde białko ma swój charakterystyczny okres półtrwania. Jest on dłuższy dla białek strukturalnych i krótszy dla regulacyjnych (Żywienie człowieka 2006; Normy żywienia człowieka 2008). Na podstawie porównania ilości azotu spożytego w pokarmach i wydalonego z organizmu można sporządzić bilans azotowy. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 14

15 Bilans azotowy dodatni N > 0 Zachodzi, gdy więcej azotu zostało przyjętego niż wydalonego z organizmu. Bilans powinien byd dodatni podczas wzrostu organizmu, rekonwalescencji, podczas karmienia piersią niemowląt. Bilans azotowy zerowy N = 0 Jest to stan równowagi azotowej, ma miejsce wtedy, gdy ilośd azotu spożywanego równoważy się z ilością wydalaną. Bilans zerowy występuje u zdrowej dorosłej osoby. Bilans azotowy ujemny N < 0 Występuje, gdy ilośd azotu spożytego jest mniejsza od wydalanego z organizmu. Objawia się wówczas, gdy spożywamy za mało białka lub spożyte białko jest niepełnowartościowe. Wydalany azot pochodzi z rozpadu białek ustrojowych. Jest to stan niewłaściwy, prowadzący do wyniszczenia organizmu. Metoda bilansowa jest jedną z metod oceny minimalnego zapotrzebowania na białko (Ciborowska, Rudnicka 2007) Wartość odżywcza białek Białka zawarte w żywności maja różny skład aminokwasowy, dlatego też ich przydatność do budowy białek ustrojowych nie jest taka sama. Białko pokarmowe, które ma deficyt jakiegoś aminokwasu egzogennego nie może być w pełni wykorzystane jako materiał budulcowy. Jakość białka pokarmowego, czyli jego wartość odżywcza zależy od: - ilości i wzajemnych proporcji aminokwasów egzogennych zawartych w danym białku, - strawności białka, czyli wchłonięcia aminokwasów w procesie trawienia, - wystarczającej ilości energii koniecznej do syntezy białka z aminokwasów dostarczanych z pożywieniem. Strawność białka wyraża się stosunkiem strawionej i wchłoniętej ilości białka do jego ilości spożytej z pożywieniem. Strawność białek pożywienia wynosi przeciętnie 92% i waha się w szerokich granicach. Zależy od wielu czynników, takich jak: rodzaj żywności, obróbka kulinarna, jak również od organizmu konsumenta. Białka zwierzęce są na ogół bardziej strawne niż roślinne (Gawęcki 1998). O wartości odżywczej białek decyduje zawartośd aminokwasów egzogennych i ich wzajemne proporcje. Białko wzorcowe zawiera wszystkie aminokwasy egzogenne w odpowiednich ilościach i proporcjach. Służy do porównania wartości odżywczej różnych białek pokarmowych (Ciborowska, Rudnicka, 2007). Eksperci FAO/WHO w 1965 roku uznali albuminę jaja kurzego za biało wzorcowe (tabela 3). Jest to rodzaj białka najbardziej strawnego i kompletnego pod względem składu aminokwasowego, który występuje naturalnie w żywności. w 1973 roku białkiem wzorcowym stał się wzorzec obliczany na podstawie danych o zapotrzebowaniu człowieka na aminokwasy egzogenne. Skład aminokwasowy białka wzorcowego był w ostatnich dziesięcioleciach wielokrotnie zmieniany i nadal jest przedmiotem dyskusji. Białko jaja kurzego, mimo pewnych niedoskonałości stosowane jest nadal jako wzorcowe. Aktualnie jako białko wzorcowe uznaje się wzorzec aminokwasów opracowany przez FAO/WHO/UNU opublikowany w raporcie w 2007 roku (Normy żywienia człowieka 2008). Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 15

16 Tabela 3. Skład aminokwasów egzogennych w białku jaja kurzego i białku wzorcowym FAO/WHO/UNU z 2007 roku Aminokwas Białko jaja kurzego (mg/g białka) Białko wzorcowe FAO/WHO/UNU z 2007 r. (mg/g białka), powyżej 18 lat Histydyna Izoleucyna Leucyna Lizyna Metionina + Cysteina Fenyloalanina + Tyrozyna Treonina Tryptofan 17 6 Walina Razem Aminokwas ograniczający jest to aminokwas egzogenny, który w danym białku występuje w najmniejszej ilości w porównaniu do wzorca. Wskazany aminokwas ogranicza wykorzystywanie innych aminokwasów do syntezy białka ustrojowego. Nie jest to zazwyczaj aminokwas, którego w białku jest najmniej, ale ten, którego jest najmniej w stosunku do zapotrzebowania organizmu. Wskaźnik aminokwasu ograniczającego (CS) waha się w przedziale Praktycznie w białkach spożywczych wartości te oscylują w przedziale (Kunachowicz, Czarnowska- Misztal, Turlejska 2000). Wskaźnik CS informuje o przydatności badanego białka do syntezy białek ustrojowych. Białka komplementarne (efekt uzupełniania aminokwasów), są to białka, których skład aminokwasowy może się wzajemnie uzupełniać w taki sposób, że aminokwas, którego jest niedobór w jednym białku występuje w większych ilościach w innym białku. Przykładem białek komplementarnych są białka produktów zbożowych i mlecznych. Produkty zbożowe są bogate w aminokwasy siarkowe i jednocześnie ubogie w lizynę. Natomiast produktach zbożowych występuje odwrotna relacja. Porównując białka pochodzące z różnych produktów z białkiem wzorcowym, można je podzielić na: 1) Białka o dużej wartości biologicznej pełnowartościowe. Zawierają one wszystkie aminokwasy egzogenne w ilościach i proporcjach odpowiadających zapotrzebowaniu i są prawie całkowicie wykorzystane do budowy białek wewnątrzustrojowych. Do białek tych zalicza się białko jaja kurzego, mleka kobiecego oraz białko mleka, serów, mięsa zwierząt rzeźnych, drobiu, ryb. 2) Białka o małej wartości biologicznej niepełnowartościowe, charakteryzujące się małym stężeniem jednego lub kilku aminokwasów. Należą do nich białka roślinne: zbóż, warzyw, ziemniaków. Spośród białek roślinnych największą wartość ma białko soi. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 16

17 Zawartośd białka w żywności najczęściej określana jest metodą Kjeldahla, która opiera się na założeniu, że średnia zawartośd azotu w produktach wynosi 16%. Stąd współczynnik służący do przemnożenia zawartości azotu otrzymanego w wyniku analizy wynosi Zawartośd poszczególnych aminokwasów oznacza się chromatograficznie. (Żywienie człowieka 2006) Niedożywienie białkowe, szczególnie w okresie wzrostu, jak również nadmiar białka w diecie mogą mieć negatywne skutki dla zdrowia człowieka. Niedobór białka występuje w krajach rozwijających się, jak również dotyczy często chorych hospitalizowanych. W niektórych stanach chorobowych, np. jadłowstręt psychiczny, choroba nowotworowa, zespół złego wchłaniania niedożywienie białkowe jest objawem dominującym. Niedożywienie typu marasmus niedobory białkowo-kaloryczne. Jest to stan łagodnego niedożywienia wynikający z długotrwałego głodzenia, urazów i stanów pooperacyjnych. Następstwem jest zmniejszenie wagi ciała, spadek odporności, osłabienie siły mięśniowej, niedokrwistość i osłabienie innych funkcji organizmu. Dalszym etapem niedożywienia jest typ kwashiorkor, w którym występuje pogłębienie niedoborów białkowych. Kwashiorkor może mieć charakter pierwotny, np. po stresie pooperacyjnym w warunkach niedostatecznego podawania białka. Głównym objawem jest obniżenie stężenia w surowicy krwi albumin i białek o krótkim okresie półtrwania. Nie dochodzi do zmniejszenia masy ciała i wystąpienia innych objawów niedożywienia. Szybka reakcja organizmu związana jest z brakiem możliwości organizmu do magazynowania białek. Nadmiar białka jest obserwowany w krajach rozwiniętych, w tym również w Polsce. Spożycie białka przewyższa 1,5-2 razy ilości określone w normach (Normy żywienia człowieka 2008). Stan ten powoduje zakwaszenie organizmu, obciąża dodatkowo nerki i wątrobę, przyczynia się do powstawania kamieni nerkowych zbudowanych ze szczawianu wapnia. Zbyt duże ilości białka w diecie sprzyjają osteoporozie. 3. Węglowodany w żywieniu człowieka Węglowodany są to związki organiczne zwane również cukrami lub sacharydami, które zbudowane są z węgla, wodoru i tlenu. Stosunek wodoru do tlenu jest taki sam jak w wodzie i wynosi 2:1. Rośliny mają zdolność syntetyzowania węglowodanów z dwutlenku węgla i wody w procesie fotosyntezy, który odbywa się w chloroplastach. Większość spożywanych przez człowieka węglowodanów jest pochodzenia roślinnego. Ze względu na wykorzystanie w organizmie człowieka możemy podzielić węglowodany na przyswajalne i nieprzyswajalne. Węglowodany przyswajane są trawione w organizmie człowieka i stanowią źródło energii. Węglowodany nieprzyswajalne pełnią w organizmie człowieka funkcję regulacyjną, nie są trawione. Zalecana ilość węglowodanów przyswajalnych niezbędnych dla organizmu człowieka determinowana jest zapotrzebowaniem mózgu na glukozę i wynosi 130 g/dzień (Normy żywienia człowieka 2008). Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 17

18 Rysunek 7. Podział węglowodanów ze względu na przyswajalność w organizmie Węglowodany przyswajalne nieprzyswajalne błonnik pokarmowy monosacharydy: - glukoza - fruktoza disacharydy: - sacharoza - laktoza polisacharydy: - skrobia - glikogen polisacharydy: - celuloza - hemicelulozy - pektyny W zależności od budowy chemicznej węglowodany dzielimy na: 1) Cukry proste (monosacharydy). 2) Cukry złożone: oligosacharydy kilkucukry (od 2 do 10 jednostek cukrów prostych; disacharydy dwucukry (2 jednostki cukrów prostych); polisacharydy wielocukry (wiele jednostek cukrów prostych lub ich pochodnych). Pojedyncze monosacharydy w cukrach złożonych łączą się wiązaniem glikozydowym. Wiązanie to tworzy się między dwiema grupami OH, z których co najmniej jedna jest dołączona do glikozydowego atomu węgla Cukry proste (monosacharydy) Monosacharydy są cukrami przyswajalnymi w organizmie człowieka. Są to substancje dobrze rozpuszczalne w wodzie, o słodkim smaku. Zawierają od 3 do 7 atomów węgla w cząsteczce. Największe znaczenie mają heksozy (C 6H 12O 6), do których zaliczamy: glukozę, fruktozę, galaktozę i mannozę. Mniej rozpowszechnione są pentozy (C 5H 10O 5), natomiast cukry o mniejszej liczbie węgli w cząsteczce występują rzadko. Do cukrów o pięciu atomach węgla (pentoz) zaliczamy rybozę, ksylozę i arabinozę. Ryboza jest składnikiem DNA, RNA, ATP oraz ryboflawiny, natomiast ksyloza i arabinoza występują naturalnie w tkankach roślinnych. Pentozy występują najczęściej jako związki spolimeryzowane w formie pentozanów. Monosacharydy posiadające w swojej budowie grupę aldehydową nazywamy aldozami, a mające w swojej budowie grupę ketonową ketozami (rys. 8). Przedstawicielem aldoz jest glukoza, a ketoz fruktoza. Glukoza i fruktoza mają identyczne wzory sumaryczne, ale inne wzory strukturalne. Rysunek 8. Izomery glukozy, D-fruktoza, grupa aldehydowa i ketonowa Zależnie od podstawników przy ostatnim atomie węgla asymetrycznego wyróżniamy dwa izomery przestrzenne L i D (rys. 8). Jeżeli grupa OH przy tym węglu (przedostatni) znajduje się po prawej stronie to cukier ten należy do szeregu D, a jeżeli po stronie lewej, to jest to szereg L. Izomer D występuje głównie w przyrodzie i jest łatwiej przyswajalny w organizmie człowieka niż forma L. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 18

19 W postaci krystalicznej cukry proste mają formę łańcuchową (tzw. wzory Fischera) (rys. 8). Natomiast po rozpuszczeniu w wodzie przechodzą w formę pierścieniową, tzw. wzory Hawortha (rys. 9). Jeżeli w postaci pierścieniowej grupa OH przy pierwszym węglu, będzie pod płaszczyzną, to taki anomer oznaczamy symbolem. W odwrotnej sytuacji, jeżeli grupa OH znajduje się nad płaszczyzną, oznaczamy symbolem (Ciborowska, Rudnicka 2007). W roztworach wodnych obie formy i przechodzą w siebie wzajemnie, aż do ustalenia równowagi. Zjawisko to nazywane jest mutarotacją. Polega na zmianie skręcalności płaszczyzny światła spolaryzowanego. Glukoza nazywana jest również cukrem gronowym. Jest ona podstawową jednostką wielu węglowodanów złożonych, takich jak: sacharoza, skrobia, celuloza. Wszystkie węglowodany złożone muszą być najpierw rozłożenie do glukozy, i w tej formie wchłonięte do krwiobiegu. Jest ona jedynym źródłem energii dla mózgu. Glukoza występuje w owocach, miodzie oraz w tkankach zwierzęcych. Jest ona cukrem fizjologicznym krążącym we krwi i płynach organizmu. Nadmiar glukozy we krwi powoduje hiperglikemię. Prawidłowe stężenie glukozy we krwi człowieka wynosi mg% (Kunachowicz, Czarnowska-Misztal, Turlejska 2000). Fruktoza (cukier owocowy) jest najsłodszym cukrem, naturalnie występującym w miodzie oraz owocach. Jest ona składnikiem sacharozy oraz inuliny. Fruktoza ma duże znaczenie w technologii żywności, m. in. z powodu wolniejszej krystalizacji. Oligosacharydy, które zbudowane są tylko z dwóch cząstek cukrów prostych nazywamy disacharydami. Do najważniejszych dwucukrów należy sacharoza i laktoza. Sacharoza określana również cukrem buraczanym i zbudowana jest z cząstki glukozy oraz fruktozy, połączonych wiązaniem 1,2-glikozydowym (rysunek 10). Jest to cukier bardzo bobrze rozpuszczalny w wodzie, pozbawiony obcych posmaków. Słodkość sacharozy stanowi podstawę do porównania siły słodzenia innych cukrów oraz substancji słodzących (tabela 4). Roztwory wodne sacharozy o stężeniu 25% hamują rozwój bakterii, co jest powszechnie wykorzystywane w domowych zaprawach. Rysunek 10. Budowa sacharozy Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 19

20 Tabela 4. Porównanie siły słodzenia węglowodanów (wg Żywienie człowieka 2006) Węglowodany Względna siła słodzenia Laktoza 16 Ksylitol* 40 Sorbitol* 70 Glukoza 74 Sacharoza 100 Cukier inwertowany 130 Fruktoza *poliole (alkohole wielowodorotlenowe): ksylitol używany jest do słodzenia gum do żucia, past do zębów; sorbitol stosowany jest do słodzenia wyrobów cukierniczych, dżemów W organizmie człowieka pod wpływem enzymu inwertazy sacharoza rozpada się na glukozę i fruktozę. Również proces ogrzewania sacharozy, szczególnie w kwaśnym środowisku prowadzi do rozkładu na cukry proste. W wyniku tej reakcji dochodzi do zmiany skręcalności światła w roztworze cukru, a zjawisko to określane jest inwersją sacharozy. W ten sposób powstaje cukier inwertowany, który jest słodszy od sacharozy (tabela 4). Przy wyrobie dżemów i konfitur z owoców, z dodatkiem cukru buraczanego powstaje cukier inwertowany. Sacharoza otrzymywana jest z buraków cukrowych lub trzciny cukrowej. Sacharoza jest często używana do słodzenia napojów, do wypieku ciast, tortów oraz zapraw domowych. Cukier ten oprócz dostarczania energii, nie wnosi do organizmu żadnych niezbędnych składników odżywczych. Dlatego należy ograniczać tzw. cukry dodane, tak aby nie dostarczały więcej energii niż 10% (Normy żywienia człowieka 2008). Nadmiar węglowodanów przyswajalnych w pożywieniu, a szczególnie słodyczy jest przekształcany w tłuszcz zapasowy. Laktoza jest cukrem mlecznym o lekko słodkim smaku (tabela 4). Zbudowana jest z glukozy i galaktozy. Mleko kobiece zawiera ok. 7% laktozy, a mleko krowie ok. 4% (Ciborowska, Rudnicka 2007). Niewielki dodatek tego cukru do produktów poprawia ich walory smakowe bez zwiększania słodkości. Laktoza może być wykorzystywana do przygotowywania niskokalorycznych potraw, ponieważ jest wolniej trawiona niż sacharoza. Hydroliza laktozy w organizmie człowieka zachodzi pod wpływem enzymu laktazy. Brak tego enzymu powoduje wzdęcia i biegunki. Maltoza jest połączeniem dwóch cząstek glukozy. Powstaje ona jako produkt częściowego rozpadu skrobi i glikogenu, jest wykorzystywana jest do wyrobu cukierków, odżywek dla dzieci oraz piwa. Nazywana jest również cukrem słodowym, ze względu na duże ilości maltozy powstające podczas słodowania jęczmienia Polisacharydy Polisacharydy na ogół nie są słodkie i nie rozpuszczają się w wodzie. Zbudowane są z bardzo wielu jednostek cukrów prostych, tego samego rodzaju lub różnych. Do homoglikanów, czyli wielocukrów zbudowanych z jednego rodzaju monosacharydu, należy: skrobia, glikogen, celuloza, inulina. Skrobia jest materiałem zapasowym roślin, odkładanym w postaci ziarenek, które występują pojedynczo, złożenie lub są zespolone w skupienia tzw. agregaty. Kształt ziarenek i ich wielkośd zależy od rodzaju rośliny, na tej podstawie można określid jej pochodzenie. (Ciborowska, Rudnicka 2007) Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 20

21 Bulwy ziemniaka zawierają od 13 do 20% skrobi o kształcie eliptycznym z charakterystycznym mimośrodowym uwarstwieniem (rys. 11). Ziarenka skrobi są różnej wielkości, obok dużych ziarenek są również małe. Wielkość ziarenek skrobiowych w bulwach wyrównuje się w czasie przechowywania. Zawartość skrobi w ziarnie pszenicy wynosi 50-70%. Jej ziarenka mają kształt kulisty o różnej wielkości. Skrobia ryżowa ma wielokątne ziarna, wyglądem przypominające plaster miodu. Zawartość skrobi w ziarnie ryżu wynosi aż 80% (Współczesna wiedza o węglowodanach 1998). Skrobia amarantusa zawiera skrobię zbudowaną wyłącznie z amylopektyny, tzw. skrobię woskową. Rysunek 11. Skrobia skrobia zawarta w kukurydzy skrobia zawarta w owsie skrobia zawarta w ryżu skrobia zawarta w pszenicy skrobia zawarta w grochu skrobia zawarta wfasoli skrobia zawarta w gryce skrobia ziemniaczana Źródło: Witryna internetowa Ziarna skrobiowe nie są jednorodną substancją węglowodanową. Składają się z dwóch jednostek strukturalnych: amylozy i amylopektyny. Amyloza stanowi 17-25% skrobi. Tworzy nierozgałęzioną strukturę, cząsteczki glukozy są połączone wiązaniem α-1,4 glikozydowym. Amyloza znajduje się w wewnętrznej części ziaren skrobi, rozpuszcza się w gorącej wodzie, dając roztwór koloidalny. Rysunek 12. Amyloza Amylopektyna stanowi 75-83% skrobi. Tworzy łańcuchy rozgałęzione zawierające około 1000 jednostek glukozy. Oprócz wiązań α-1,4 glikozydowych, występują też wiązania α-1,6 glikozydowe. Stanowi ona zewnętrzną warstwę ziaren skrobi. Amylopektyna jest nierozpuszczalna w wodzie, jednak podczas ogrzewania z wodą pęcznieje i tworzy koloidowy kleik. Proces ten nazywamy kleikowaniem skrobi. Początkowo podczas ogrzewania zawiesiny skrobi w wodzie ziarenka zaczynają pęcznieć, następnie kleikują, a ostatecznie rozlewają się tworząc jednolity opalizujący kleik. Większe ziarenka kleikują w niższej temperaturze, a małe w wyższej (Wojdyła 2006). Rysunek 13. Amylopektyna Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 21

22 Skrobia w postaci surowej jest trudno strawna, dlatego produkty zawierające skrobię przed spożyciem należy poddać obróbce termicznej (gotowaniu, pieczeniu, smażeniu). Obróbka cieplna powoduje rozkład skrobi na łatwiej strawne dekstryny. Produkty spożywcze bogate w skrobię powinny stanowić podstawę pokrycia zapotrzebowania energetycznego organizmu. Skrobia oporna (RS) powstaje podczas ogrzewania skrobi w niedostatecznej ilości wody. W wyniku przedłużonego działania temperatury następuje uszkodzenie struktury cząstek skrobi, wskutek czego traci ona zdolność żelowania i staje się oporna na działanie enzymów trawiennych. Źródłem skrobi opornej są płatki kukurydziane, gotowane nasiona roślin strączkowych oraz puree ziemniaczane. Ze względu na podobieństwo oddziaływania na przewód pokarmowy, skrobię oporną zalicza się do błonnika pokarmowego. Znajduje ona zastosowanie w dietach odchudzających. Skrobia modyfikowana powstaje przez wprowadzenie zmian struktury i składu w stosunku do mączki skrobiowej. Modyfikacje uzyskiwane są metodami fizycznymi, chemicznymi i enzymatycznymi. Proces ten przeprowadza się m.in. w celu zwiększenia wodochłonność, zachowania struktury żelu, tworzenia galaretek na zimno. Stanowi ona cenny dodatek do żywności (budynie, sosy, keczupy, zagęstniki). Glikogen jest zwierzęcym polisacharydem zapasowym, to tzw. skrobia zwierzęca. Zbudowany jest z wielu cząstek glukozy, podobnie jak amylopektyna. W organizmie jest syntetyzowany z glukozy. Gromadzony jest głównie w wątrobie ( g) i mięśniach (150 g) oraz nerkach (Żywienie człowieka 2006). Ilość glikogenu zależy od odżywiania się i pracy mięśni, a także stanu zdrowia. Glikogen zgromadzony w wątrobie, w przypadku braku podaży przyswajalnych węglowodanów z pożywieniem, jest zamieniany na glukozę w procesie glikogenolizy. Mięśnie osób systematycznie uprawiających sport gromadzą więcej glikogenu. Jednak glikogen tam gromadzony może być zużyty tylko na potrzeby pracy mięsni i nie służy do regulacji poziomu glukozy we krwi. Zapas glikogenu w organizmie człowieka wystarcza jedynie na 12 godzin przy zapotrzebowaniu energetycznym 2800 kcal. (Ciborowska, Rudnicka 2007). Rysunek 14. Zachowanie inuliny w przewodzie pokarmowym człowieka Inulina jest polisacharydem zbudowanym z samych cząstek fruktozy. Jest substancją zapasową niektórych roślin, występuje w bulwach i korzeniach topinamburu, dalii, karczochów i mniszka lekarskiego. Źródło: Opracowanie własne. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 22

23 3.3. Rola węglowodanów przyswajalnych w organizmie człowieka Podstawowe funkcje węglowodanów przyswajalnych w ludzkim organizmie: Są głównym źródłem energii dla organizmu ludzkiego, jedynym źródłem energii dla mózgu, krwinek czerwonych. Są konieczne do utleniania kwasów tłuszczowych. W przypadku braku wystarczającej ilości węglowodanów dochodzi do niecałkowitego spalania tłuszczów i powstania ciał ketonowych zakwaszających organizm. Węglowodany po przekształceniu do prekursorów trójwęglowych są wykorzystywane do syntezy aminokwasów glukogennych: alaniny, kwasu glutaminowego, kwasu asparaginowego, seryny, glicyny, histydyny, proliny. Stanowią ochronę dla białka. Biorą udział w gospodarce wodnomineralnej. Wchodzą w skład struktur komórkowych np. glikoproteiny, mukopolisachrydy (kwas hialuronowy), glikolipidy, ryboza (DNA, RNA). Nadają produktom spożywczym smak, konsystencję, zapach, barwę. Wywierają wpływ na apetyt. Terminem blisko związanym z węglowodanami przyswajalnymi jest indeks glikemiczny (IG). Indeks glikemiczny (IG) Określa wzrost glikemii (glukozy we krwi) pod wpływem spożycia 50 g węglowodanów w stosunku do 50 g glukozy. Na indeks glikemiczny wpływ ma struktura chemiczna węglowodanów zawartych w żywności oraz sposób ich przygotowania. Spożycie żywności o wysokim indeksie glikemicznym powoduje wzrost poposiłkowego stężenia glukozy we krwi, a następnie szybki jej spadek w porównaniu do żywności o niskim indeksie glikemicznym. Wysokie stężenie glukozy we krwi powoduje duży wyrzut insuliny, która jest hormonem regulującym metabolizm węglowodanów Błonnik pokarmowy (włókno pokarmowe) Rysunek 15. Frakcje błonnika rozpuszczalnego i nierozpuszczalnego Błonnik pokarmowy Nierozpuszczalny w wodzie: Rozpuszczalny w wodzie: - celuloza - hemicelulozy (niektóre) - hemicelulozy (niektóre) - pektyny - lignina - gumy i śluzy Błonnik pokarmowy jest charakterystyczny komórek roślinnych. Jest głównym składnikiem budulcowym ściany komórkowej. w organizmie człowieka nie ulega trawieniu z powodu braku enzymów działających na wiązania β. Błonnik jest substancją niejednorodną złożoną z ligniny oraz z polisacharydów. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 23

24 Celuloza jest głównym budulcem ścian komórkowych. Nie rozpuszcza się w wodzie. Składa się z wielu jednostek glukozy połączonych wiązaniem β-1,4-glikozydowym. Łańcuchy celulozy łączą się z sobą tworząc włókienka elementarne. Włókienka te tworzą zespoły zwane milellami. W młodych roślinach wolne przestrzenie w micellach są wypełnione wodą, natomiast w starszych przesycone ligniną. Celuloza nie rozpuszcza się w wodzie, ale ma zdolność wiązania wody, co powoduje zwiększenie objętości stolca. Ta frakcja błonnika szczególnie drażni mechanicznie śluzówkę jelita, przez co przyspiesza ich perystaltykę. Hemiceluloza zbudowana jest z różnych cukrów prostych (ksyloza, arabinoza, galaktoza, mannoza, kwas glukuronowy), połączonych wiązaniami ß-glikozydowymi. Tworzy rozgałęzione łańcuchy. Skład węglowodanów budujących hemicelulozy i ich budowa przestrzenna jest różna w zależności od gatunku rośliny. Hemicelulozy B w odróżnieniu od A są rozpuszczalne w wodzie. Hemicelulozy nie ulegają w przewodzie pokarmowym człowieka hydrolizie enzymatycznej, jednak częściowo są degradowane przez florę bakteryjną przewodu pokarmowego (Gertig, Przysławski 2006). Pektyny są polimerami kwasu galakturonowego. Wyróżniamy pektyny wysokometylowane (WM), które tworzą żele w roztworach kwaśnych i przy dużym stężeniu cukru oraz niskometylowane (NM), które tworzą żele w roztworach słabo kwaśnych i obojętnych, niezależnie od udziału cukru (Gertig, Przysławski 2006). Pektyny NM są stosowane do produkcji dżemów, galaretek niskosłodzonych oraz do stabilizacji jogurtów, deserów i lodów. Na skalę przemysłowa pektyny są otrzymywane z wytłoków owoców cytrusowych i jabłek. Pektyny w organizmie człowieka nie ulegają trawieniu. W jelicie grubym pod wpływem flory bakteryjnej ulegają w dużej części rozkładowi do kwasu galakturonowego. Pektyny mają zdolność wiązania metali ciężkich oraz obniżają stężenie cholesterolu we krwi. Lignina nie jest węglowodanem. Jest to polimer zbudowany z jednostek fenylopropanowych. Występuje w ścianach komórkowych pomiędzy włóknami celulozy jako substancja impregnująca. Lignina nie jest trawiona w przewodzie pokarmowym i nie ulega degradacji przez florę bakteryjną jelita grubego. Może utrudniać wchłanianie składników pokarmowych. Gumy i śluzy nie są składnikami ściany komórkowej, jednak ze względu na budowę i właściwości są zaliczane do błonnika pokarmowego. Gumy roślinne to substancje, które powstają po uszkodzeniu mechanicznym rośliny. Guma arabska, guarowa, mączka chleba świętojańskiego oraz tragakanta są powszechnie stosowane w technologii żywności jako zagęstniki i stabilizatory. Śluzy mają za zadanie wiązanie wody i ochronę nasienia rośliny przed wyschnięciem. Produkty z naturalną wysoką zawartością błonnika są zaliczane do żywności funkcjonalnej. Dlatego też wpływ błonnika na organizm człowieka i jego znaczenie w profilaktyce chorób będzie szczegółowo opisany w temacie poświęconym żywności funkcjonalnej. 4. Tłuszcze w żywieniu człowieka Tłuszcze zwane są również lipidami (gre. lipos) lub tłuszczowcami. Tłuszcze właściwe (triglicerydy lub triacyloglicerole) zbudowane są jedynie z trzech pierwiastków: węgla, wodoru i tlenu. Są to nierozpuszczalne w wodze mieszaniny estrów wyższych kwasów tłuszczowych i gliceryny. Glicerol może wiązać się wiązaniem estrowym z jednym, dwoma lub trzema kwasami tłuszczowymi (R 1, R 2, R 3). Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 24

25 Kwasy tłuszczowe mogą występować w pozycji zewnętrznej (pozycja 1 i 3) lub wewnętrznej (pozycja 2, skierowana w lewo). Właściwości tłuszczów, ich trawienie i wchłanianie uzależnione jest od składu kwasów tłuszczowych oraz ich położenia. W tłuszczach roślinnych pozycja 2 zajmowana jest głównie przez nienasycone kwasy tłuszczowe o 18 atomach węgla. Pozycje zewnętrzne są zajmowane zazwyczaj przez kwasy nasycone. Rysunek 16. Trigliceryd Wszystkie tłuszcze nie rozpuszczają się w wodzie, natomiast dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych (np. benzynie). Są lżejsze od wody, łatwo ulegają topnieniu. Na papierze, bibule, materiale zostawiają tłuste plamy. Tłuszcze występują w tkankach zwierzęcych (łój, smalec, tran) oraz w nasionach roślin (oleje, masło kakaowe). Możemy je podzielić ze względu na pochodzenie na roślinne i zwierzęce. Ze względu na konsystencję tłuszcze dzielimy na stałe i ciekłe. Tłuszcze stałe to estry glicerolu i głównie nasyconych kwasów tłuszczowych, a tłuszcze ciekłe to estry glicerolu i przede wszystkim nienasyconych kwasów tłuszczowych (np. oleinowego). Rola tłuszczów w żywieniu człowieka Tłuszcze pokarmowe są najbardziej skondensowanym źródłem energii jeden gram tłuszczu dostarcza ponad dwa razy więcej kalorii niż jeden gram węglowodanów czy białek. Stanowią główną formę, w której organizm magazynuje energię (tłuszcz tkankowy). Fosfolipidy są budulcem błon komórkowych i ośrodkowego układu nerwowego. Są źródłem niezbędnych nienasyconych kwasów tłuszczowych (NNKT). Chronią i stabilizują nerki i inne narządy wewnętrzne przed urazami. Tłuszcz podskórny chroni przed nadmierną utrata ciepła. Są nośnikami witamin A, D, E i K, ułatwiają ich przyswajanie. Zwiększają walory smakowe potraw, wpływając pośrednio na ich pobieranie. Odgrywają szczególną rolę w technologii żywności, są doskonałym nośnikiem ciepła przy smażeniu i pieczeniu Kwasy tłuszczowe Kwasy tłuszczowe zbudowane są z węgla, wodoru i tlenu. Łańcuch węglowy zawiera parzystą liczbę atomów węgla, która wynosi od 4 do 24. Łańcuch węglowy na jednym końcu zawiera grupę karboksylową - COOH, a na drugim metylową CH 3. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 25

26 W zależności od długości łańcucha kwasy tłuszczowe dzielimy na: krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA) 4 do 6 atomów węgla w cząsteczce, średniołańcuchowe kwasy tłuszczowe (MCT) 8 do 12 atomów węgla, długołańcuchowe kwasy tłuszczowe (LCT) 14 i więcej atomów węgla (Ciborowska, Rudnicka 2007). W zależności od obecności i liczby wiązań podwójnych kwasy tłuszczowe dzielimy na: nasycone, nienasycone: jednonienasycone (jedno wiązanie podwójne), wielonienasycone (dwa lub więcej podwójne wiązania). Poszczególne kwasy różnią się więc między sobą długością łańcucha węglowego, liczbą i położeniem podwójnych wiązań. Kwasy tłuszczowe nasycone nie zawierają wiązań podwójnych, tzn. pomiędzy atomami węgla występuje zawsze pojedyncze wiązanie. Ilość atomów węgla jest parzysta (od 4 do 24). Nazwy zwyczajowe kwasów pochodzą od źródła ich odkrycia. Natomiast nazwy systematyczne od nazwy węglowodoru o tej samej liczbie atomów węgla. Za wyjątkiem kwasów krótkołańcuchowych wszystkie pozostałe kwasy nasycone mają w temperaturze pokojowej stałą konsystencję. Wraz ze wzrostem temperatury poszczególne kwasy tłuszczowe o różnej temperaturze topnienia zaczynają się stopniowo upłynniać. Dlatego też masło po wyjęciu z lodówki z czasem staje się coraz bardziej plastyczne, a pod wpływem ogrzewania całkowicie płynne, tzw. sklarowane. Tabela 5. Kwasy tłuszczowe nasycone Nazwa zwyczajowa Nazwa systematyczna Liczba atomów Temperatura topnienia węgla Masłowy Butanowy 4-8,0 Kapronowy Heksanowy 6-3,4 Kaprylowy Oktanowy 8 16,3 Kaprynowy Dekanowy 10 31,3 Laurynowy Dedekanowy 12 43,5 Mirystynowy Tetradekanowy 14 54,4 Palmitynowy Heksadekanowy 16 62,9 Stearynowy Oktadekanowy 18 69,6 Arachidowy Eikozanowy 20 75,4 Behenowy Dokozanowy 22 79,9 Lignocerynowy Tetrakozanowy 24 84,2 Źródło: Gertig, Przysławski Kwasy krótko i średniołańcuchowe (MCT) są charakterystyczne dla tłuszczu mleka. Kwasy kaprynowy, laurynowy oraz mirystynowy są szczególnie ważne w odżywianiu osób z upośledzonym trawieniem tłuszczów. Są one wchłaniane bez udziału żółci i lipazy, bezpośrednio do żyły wrotnej. Wśród kwasów nasyconych najbardziej rozpowszechniony jest kwas palmitynowy, a następnie kwas stearynowy. Nasycone kwasy tłuszczowe przyspieszają rozwój miażdżycy poprzez podnoszenie stężenia cholesterolu w surowicy krwi. Wykazano ścisły związek między udziałem energii z nasyconych kwasów tłuszczowych, a występowaniem choroby niedokrwiennej serca (Żywienie człowieka 2006). Nasycone kwasy tłuszczowe przyczyniają się również do rozwoju chorób nowotworowych okrężnicy, gruczołu sutkowego i prostaty. Szczególnie niekorzystny wpływ na zdrowie, a przede wszystkim powstawanie miażdżycy tętnic mają kwasy: mirystynowy, palimitynowy i laurynowy (Kozłowska-Wojciechowska 1998). Ograniczenie spożycia nasyconych kwasów tłuszczowych poniżej 10% energii jest podstawą profilaktyki miażdżycy (Normy żywienia człowieka 2008). Kwasy tłuszczowe nasycone dostarczają tzw. pustych kalorii co przyczynia się do powstawania otyłości, która jest uznawana za czynnik rozwoju cukrzycy. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 26

27 Kwasy tłuszczowe nienasycone posiadają co najmniej jedno wiązanie podwójne, przeważnie mają konsystencję płynną. Im więcej kwas tłuszczowy zawiera wiązań podwójnych, tym niższa jest jego temperatura topnienia. Kwasy nienasycone, a szczególnie kwasy wielonienasycone oprócz dostarczania energii wywierają również korzystne działanie prozdrowotne na organizm człowieka. Profil kwasów tłuszczowych, w którym przeważają kwasy nienasycone jest charakterystyczny dla olejów roślinnych i miękkich margaryn, które powinny stanowić główne źródło tłuszczów w diecie. Jednonienasycone kwasy tłuszczowe posiadają wiązanie podwójne między 9 a 10 atomem węgla licząc od grupy metylowej. W praktyce położenie podwójnego wiązania określane jest użyciem symbolu n lub omega (Ω) (np. n-9). Kwasy tłuszczowe wielonienasycone zawierają od 2 do 6 wiązań podwójnych. Określenie przynależności do rodziny n-3 lub n-6 oznacza położenie pierwszego wiązania podwójnego. Rysunek 17. Konfiguracja typu cis i trans Wiązania nienasycone mogą mieć konfigurację cis lub trans. Naturalnie kwasy tłuszczowe nienasycone występują głównie w konfiguracji cis, wyjątek stanowią tłuszcze mleka krowiego gdzie występują kwasy tłuszczowe w konfiguracji trans (kwas wakcenowy). Izomeria cis oznacza, że atomy wodoru w stosunku do wiązania podwójnego są po tej samej stronie wiązania. Jeżeli wodory znajdują się po przeciwnych stronach mamy do czynienia z wiązaniem trans. W procesie technologicznym otrzymywania margaryn twardych dochodzi do powstawania znacznych ilości izomerów trans, tj. nawet do 45%. Dobre margaryny kubkowe, tzw. miękkie służące do smarowania pieczywa zawierają niewielkie ilości tych izomerów. Masło, w zależności od sposobu żywienia zwierząt, zawiera od 1 do 8% izomerów trans. Głównym źródłem izomerów trans w pożywieniu (60-70%) są: margaryny twarde, tłuszcze piekarskie, wyroby czekoladowe, ciastka kruche, frytki. Mleko, masło, sery dostarczają ok. 30% tych izomerów, natomiast wołowina i baranina ok. 10% (Mojska 2007). Izomery trans zwiększają w organizmie człowieka stężenie cholesterolu LDL oraz zmniejszają stężenie dobrego cholesterolu HDL, a także podnoszą poziom lipoproteiny (a) uznawanej za czynnik ryzyka choroby niedokrwiennej serca. Zaburzają syntezę długołańcuchowych wielonienasyconych kwasów tłuszczowych, poprzez hamowanie aktywności enzymów niezbędnych dla tego procesu. Dlatego też zawartość kwasów tłuszczowych o izomerii trans w żywności powinna być możliwie jak najmniejsza. W maśle występuje kwas linolowy o skoniungowanych (sprzężonych) wiązaniach podwójnych, tzw. CLA. W tym kwasie wiązania podwójne występują w pozycji 9 i 11 rozdzielone jednym wiązaniem pojedynczym, a konfiguracja wiązań może być zarówno cis, jak i trans. CLA wykazuje działanie przeciwnowotworowe (Normy żywienia człowieka 2008; Gertig, Przysławski 2006). Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 27

28 Wśród kwasów jednonienasyconych największe znaczenie ma kwas oleinowy, występujący obficie w oliwie z oliwek i w oleju rzepakowym, który nazywany jest oliwą północy (tabela 6). Istnieją dowody wskazujące na korzystną rolę kwasu oleinowego w profilaktyce miażdżycy. Kwasy jednonienasycone zmniejszają stężenie cholesterolu całkowitego oraz miażdżycorodną frakcję lipoprotein LDL. Obserwacje zachorowalności na chorobę niedokrwienną serca mieszkańców krajów śródziemnomorskich o wysokim spożyciu oliwy z oliwek pozwalają przypuszczać, że kwasy jednonienasycone mogą pełnić rolę ochronna w profilaktyce miażdżycy i zastępować kwasy nasycone (Żywienie człowieka 2006). Oleje bogate w kwas oleinowy, takie jak rzepakowy i oliwkowy, nadają się do smażenia ze względu na posiadanie tylko jednego podwójnego wiązania, które jest mniej podatne na utlenianie niż wiązania kw. tłuszczowych wielonienasyconych. Stąd też olej rzepakowy i oliwa z oliwek są najbardziej wszechstronnymi olejami, nadającymi się do smażenia, jak i do sałatek. Tabela 6. Kwasy tłuszczowe jednonienasycone Liczba atomów Nazwa zwyczajowa Rodzina węgla Krotonowy n-2 4 Palmitooleinowy n-7 16 Oleinowy n-9 (cis) 18 Elaidynowy n-9 (trans) 18 Wakcenowy n-7 (trans) 18 Erukowy n-9 22 Cetolowy n Nerwonowy n-9 24 Kwas erukowy występujący w oleju roślin z rodziny kapustnych, w tym również w tradycyjnym oleju rzepakowym wykazuje negatywne działanie na mięsień sercowy. Obecnie uprawiane odmiany rzepaku tzw. 00 zawierają niewielką zawartość kwasu erukowego, od 0 do 2%. Kwasy tłuszczowe wielonienasycone (PUFA) zwierają do 2 do 6 wiązań podwójnych (tabela 3). Wśród tych kwasów w zależności od położenia pierwszego wiązania podwójnego wyróżniamy dwie rodziny n-3 i n-6 (określane również jako omega 3 i omega 6). Ze względu na brak możliwości powstawania podwójnych wiązań w organizmie człowieka w pozycji 3 i 6 łańcucha węglowego, kwasy tłuszczowe linolowy i -linolenowy muszą być dostarczone z pożywieniem, są to związki egzogenne dla naszego organizmu. W wyniku wydłużania łańcucha węglowego oraz wprowadzania dodatkowych podwójnych wiązań z kwasu linolowego powstaje kwas -linolenowy, a następnie kwas arachidonowy jest to szereg n-6. Natomiast z kwasu -linolenowego powstaje kwas eikozapentaenowy (EPA), a następnie kwas dokozaheksaenowy (DHA), tworząc szereg n-3. Sprawność tych przemian w organizmie człowieka jest stosunkowo słaba, dlatego też wszystkie kwasy tłuszczowe należące do rodzin n-3 i n-6 są określane jako niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe (NNKT). Kwasy arachdonowy, eikozapentaenowy (EPA) i dokozaheksaenowy (DHA) nazywane są długołańcuchowymi wielonienasyconymi kwasami tłuszczowymi tzw. LC-PUFA. Stanowią one materiał wyjściowy do syntezy związków biologicznie aktywnych eikozanoidów. Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 28

29 Tabela 7. Kwasy tłuszczowe wielonienasycone Nazwa zwyczajowa Rodzina Liczba atomów Liczba wiązao podwójnych węgla Linolowy (LA) n linolenowy (ALA) n linolenowy (GLA) n Arachdonowy (AA) n Eikozapentaenowy n (EPA) Dokozaheksaenowy (DHA) n Kwas tłuszczowy linolowy należący do rodziny n-6 występuje głównie w olejach roślinnych, szczególnie wysoka zawartość tego kwasu jest w oleju słonecznikowym i sojowym (ok. 60%). Kwas linolowy i jego pochodne wpływają na obniżenia cholesterolu całkowitego, a głównie frakcji LDL. Niedobór kwasów z szeregu n-6 zwiększa ryzyko zahamowania wzrostu, zmian degeneracyjnych w płucach, nerkach, wątrobie oraz zwiększa podatność na zakażenia bakteryjne i wirusowe. W drodze przemian kwasu linolowego powstają związki o charakterze silnie proagregacyjnym i prozapalnym. Wielonienasycone kwasy tłuszczowe z rodziny n-6 i n-3 konkurują do tych samych enzymów. Zatem dieta bogata w kwasy tłuszczowe z rodziny n-3, a w szczególności kwas eikozapentaenowy (EPA) i dokozaheksaenowy (DHA) będzie powodowała spadek stężenia niepożądanych związków powstających w toku przemian kwasu linolowego. Z tego względu nie tylko stężenie, ale i właściwe zbilansowanie kwasów tłuszczowych z rodziny n-3 i n-6 w diecie ma istotne znaczenie w prawidłowym żywieniu. Za pożądany stosunek kwasów tłuszczowych szeregu n-6 do n-3 uznaje się 4:1 lub 5:1. Obecnie w diecie społeczeństw krajów rozwiniętych obserwuje się nadmiar kwasów z rodziny n-6 w stosunku do n-3. Kwasy tłuszczowe należące do rodziny n-3 wywierają szereg korzystnych skutków. Powodują one zmniejszenie stężenia trójglicerydów, natomiast nie wywierają wpływu na cholesterol LDL. Mają także działanie przeciwarytmiczne, antyagregacyjne, przeciwzapalne i łagodnie obniżające ciśnienie krwi. w związku z tym zmniejszają ryzyko zgonu związanego z chorobami sercowo-naczyniowymi. Nawet małe dawki kwasów n-3 tj. ok. 1 g/dobę powodują redukcję czynników krzepnięcia krwi (Gertig, Przysławski 2006; Cybulska, Kłosiewicz- Latoszek 2005). Kwas dokozaheksaenowy (DHA) jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania mózgu oraz siatkówki oka. Wydaje się wysoce prawdopodobne, że LC-PUFA n-3 mają wpływ na: fizjologiczny przebieg ciąży, prawidłowy rozwój układu nerwowego, a w szczególności mózgu oraz koncentrację uwagi i zapamiętywanie u dzieci (Normy żywienia człowieka 2008). Źródłem kwasów EPA i DHA w diecie jest tłuszcz ryb (np. makrela, tuńczyk, łosoś). Natomiast kwas - linolenowy, który jest prekursorem kwasów EPA i DHA znajduje się w olejach roślinnych. Do olei o wysokiej zawartości kwasu -linolenowego należy olej lniany, który zawiera 60% kwasu -linolenowego oraz rydzowy z lnianki siewnej o podobnej zawartości tego kwasu. Jednak ze względu na stosunkowo niską sprawność Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 29

30 konwersji kwasu -linolenowego do EPA i DHA, które mają kluczowe znaczenie fizjologiczne, nie można zastąpić w całości tłuszczów rybich olejami roślinnymi zawierającymi kwasy n-3. Wszystkie kwasy tłuszczowe wielonienasycone są szczególnie podatne na utlenianie. Podczas smażenia na olejach bogatych w te kwasy powstają nadtlenki lipidowe, które mogą przyczyniać się do powstania miażdżycy oraz hamują powstanie prostacyklin mających działanie antyagregacyjne płytek krwi. Dlatego też oleje roślinne z dużą zawartością kwasu linolowego i -linolenowego można spożywać tylko w postaci surowej, na przykład do sałatek. Im więcej kwasów tłuszczowych wielonienasyconych w diecie, tym większe zapotrzebowanie na witaminę E, która jest głównym czynnikiem antyutleniajacym tłuszcze. Zaleca się 0,6 mg wit. E na każdy gram wielonienasyconego kwasu tłuszczowego (Gertig, Przysławski 2006). Nadmiar wielonienasyconych kwasów tłuszczowych w diecie może powodować negatywne skutki zdrowotne, co spowodowane jest w dużej mierze obecnością wielu wiązań nienasyconych. Dlatego zawartość kwasu linolowego w diecie nie powinna przekraczać 8% dziennego zapotrzebowania energetycznego (Normy żywienia człowieka, 2008). Rola niezbędnych nienasyconych kwasów tłuszczowych w organizmie człowieka: 1. NNKT są niezbędne do budowy błon komórkowych i zapewnienia ich prawidłowej funkcji. 2. Stanowią materiał wyjściowy do produkcji eikozanoidów, które są związkami czynnymi biologicznie powstającymi z enzymatycznego rozpadu wielonienasyconych kwasów tłuszczowych C20. Zaliczamy się do nich: prostaglandyny, prostacykliny, tromboksany, leukotreiny, lipoksyny. Pełnią one rolę miejscowych hormonów o wielorakim działaniu. 3. Zwiększają przepływ krwi przez naczynia wieocowe, a więc zapobiegają miażdżycy, zawałom, udarom mózgu. 4. Są potrzebne do prawidłowego transportu lipidów we krwi, a szczególnie cholesterolu, powodując obniżenie jego stężenia w krwi. 5. Zmniejszają procesy agregacji płytek krwi, w związku z czym zapobiegają powstaniu zakrzepów naczyniowych. 6. Zapobiegają nadciśnieniu tętniczemu Lipoproteiny Lipoproteiny są kompleksami białkowo-tłuszczowymi. Służą do transportu tłuszczu w osoczu krwi, zarówno tłuszczu wchłoniętego z pożywienia, jak również tłuszczu wytwarzanego przez organizm. Maja formę kulistą, w której tłuszcze otoczone są białkowym płaszczem. W skład części tłuszczowej wchodzą: trójglicerydy, fosfolipidy i cholesterol. W zależności od składu tłuszczów, gęstości i wielkości kompleksu lipoproteiny dzielimy na: - chylomikrony, - lipoproteiny o bardzo małej gęstości VLDL, - lipoproteiny o małej gęstości LDL, - lipoproteiny o dużej gęstości HDL. Chylomikrony zawierają najwięcej trójglicerydów i najmniej białka. Ich funkcja polega na transportowaniu tłuszczu z jelit poprzez krew do komórek, tkanek i narządów. VLDL powstają w wątrobie. Ich rolą jest transport trójglicerydów powstających w wątrobie do tkanek i narządów. Część VLDL jest przekształcana w wątrobie w LDL. Lipoproteina o małej gęstości LDL transportuje głównie cholesterol (65% cholesterolu zawartego we Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 30

31 krwi) oraz trójglicerydy z wątroby do tkanek i narządów. Komórki mięśni gładkich błony środkowej ściany tętnic gromadzą transportowany przez LDL cholesterol, następnie przekształcają się w komórki piankowate. Po przedostaniu się cholesterolu do przestrzeni międzykomórkowych powstaje blaszka miażdżycowa. Ze względu na wpływ lipoproteiny LDL na powstawanie miażdżycy określa się ją złym cholesterolem. Odwrotną rolę przypisuje się najmniejszym lipoproteinom HDL. Ich najważniejszą funkcją jest przenoszenie cholesterolu z komórek i tkanek obwodowych do wątroby. Zawarta w nich lecytyna powoduje rozpuszczanie cholesterolu ze światła tętnic. Im większe stężenie HDL tym mniejsze ryzyko rozwoju miażdżycy. Cholesterol spełnia wiele ważnych funkcji w organizmie człowieka: - jest składnikiem strukturalnym błon komórkowych, - wchodzi w skład otoczki mielinowej w tkance nerwowej, - bierze udział w syntezie hormonów steroidowych (hormony płciowe męskie i żeoskie, hormony kory nadnerczy), - jest prekursorem kwasów żółciowych, - pod wpływem promieni ultrafioletowych cholesterol obecny w skórze przekształca się w witaminę D 3. Cholesterol jest związkiem charakterystycznym dla organizmów zwierzęcych, należącym do steroli. Jest wytwarzany w organizmie człowieka w wątrobie i jelicie cienkim oraz przyjmowany z pożywieniem. Nośnikami cholesterolu są lipoproteiny. Odpowiednia zawartość cholesterolu we krwi jest szczególnie ważna u małych dzieci, a więc w okresie intensywnego wzrostu i rozwoju. Należy jednak pamiętać, że aż 60-80% cholesterolu jest wytwarzane w organizmie człowieka. Uważa się, że dla pokrycia zapotrzebowania organizmu wystarczy synteza endogenna (Normy żywienia człowieka 2008). Stężenie cholesterolu całkowitego w surowicy krwi powinno wynosić <200 mg/dl, frakcja LDL <130 mg/dl, jednak nie mniej niż mg/dl (Cybulska, Kłosiewicz-Latoszek 2005). Dieta obfitująca w nasycone kwasy tłuszczowe stymuluje produkcję endogennego cholesterolu, natomiast roślinne nienasycone kwasy tłuszczowe działają hamująco. Wraz ze wzrostem stężenia cholesterolu całkowitego we krwi, a szczególnie jego frakcji LDL wzrasta ryzyko miażdżycy tętnic. Umiarkowany wysiłek fizyczny obniża frakcję LDL cholesterolu i jednocześnie podwyższa frakcję HDL Fosfolipidy Fosfolipidy są zaliczane do tłuszczów złożonych. Są one zasadniczym elementem budowy błon komórkowych. Występują również w szarej substancji mózgu, wątrobie, trzustce, mięśniu sercowym oraz pęcherzykach płucnych. Ich najważniejszym przedstawicielem jest lecytyna, która w swojej budowie oprócz glicerolu i kwasów tłuszczowych (nasycony i nienasycony) posiada kwas fosforowy i cholinę. Lecytyna występuje zarówno w tkankach roślinnych, jak i zwierzęcych. Otrzymywana jest z żółtek jajek, z oleju rzepakowego oraz nasion soi. Preparaty z lecytyną sojową mają właściwości przeciwmiażdżycowe. Z uwagi na zdolność stabilizacji emulsji oraz działanie przeciwutleniające wobec tłuszczów lecytyna ma duże zastosowanie w przemyśle spożywczym, np. do produkcji margaryn, sosów i czekolad. Zastanów się 1. Co jest zdrowsze dla Ciebie? Masło czy margaryna? 2. Przed jakimi problemami żywieniowymi stoi dziś każdy z nas? 3. Jak puste kalorie mają się do otyłości i nadwagi? 4. Czy wszystkie tłuszcze są złe? Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy Strona 31