Сахара и сахарозаменители

Вадим Валерьевич Корпачев

В книге представлены сведения о положительных и отрицательных свойствах сахаров (углеводов) и сахарозамениетелей, описаны молекулярные механизмы действия данных веществ, так как эти вопросы носят специфический характер и могут представлять интерес для специалистов. Книга предназначена для врачей, сталкивающихся с проблемами нарушения обмена веществ у больных, врачей-диетологов, разрабатывающих основы рационального питания, врачей-эндокринологов, которые постоянно должны давать диетические рекомендации больным сахарным диабетом и ожирением, а также для круга читателей, интересующихся проблемами полноценного здорового питания и желающих внедрить полученные знания в систему собственного образа жизни.

Часть I. Сахара

Глава 1

Особенности восприятия сладкого вкуса

Под вкусовым ощущением понимают то представление, которое возникает в психике человека после взаимодействия определенных химических веществ со специфическими рецепторными структурами периферического вкусового анализатора. Эволюционно чувство вкуса развилось как вспомогательная реакция, позволяющая оценить качество пищи. При этом проявляется положительная или отрицательная реакция, которая определяется образом жизни животного и характером питания. Положительная реакция на сладкое свойственна травоядным животным, поедающим растительную и смешанную пищу. Реакция хищников на сладкое обычно нейтральная или даже отрицательная. У большинства животных наблюдается отрицательная реакция на продукты с горьким вкусом. В то же время у некоторых птиц, питающихся насекомыми, имеющими горький вкус, она положительная. Однако такие птицы, как попугаи и колибри, которые питаются нектаром и фруктами, реагируют, положительно на сладкое.

Реакция на различные вкусовые вещества меняется в процессе индивидуального развития. Так, грудные дети положительно реагируют на сладкое и кислое, отрицательно — на горькое и соленое. В более позднем возрасте реакция на солёное часто становится положительной. Наибольшего развития органы вкуса достигают у животных, медленно жующих и переваривающих пищу. Животные, быстро поглощающие пищу, обладают слабо развитыми органами вкуса (например, киты).

У большинства беспозвоночных животных, особенно живущих в водной среде, органы вкуса и обоняния недостаточно резко разграничены, вследствие чего обладают общим химическим чувством. Такая связь между вкусом и обонянием характерна и для млекопитающих. Например, разнообразие ощущений, связанных с фруктами, обусловлено их запахами, и при сильном насморке блюда из фруктов становятся безвкусными (Я. А. Винников, 1976).

Для позвоночных животных характерна зависимость между способом питания и распределением рецепторов, а также их числом. У большинства животных органы вкуса расположены в полости рта — у рыб 20 тыс. вкусовых луковиц, у пресмыкающихся — около 200 тыс., у птиц — от 50 до 400 тыс., у млекопитающих — до 2 тыс. Вкусовые луковицы, или почки у всех позвоночных построены практически одинаково и сосредоточены во вкусовых сосочках языка, которые у всех млекопитающих бывают трех видов: грибовидные сосочки, чувствительные к сладкому и соленому, расположены ближе к кончику языка; вальковатые или желебоватые сосочки, преимущественно воспринимающие горький вкус, расположены у корня языка; листовидные сосочки, расположенные по краю языка, чувствительны к кислому и соленому. Зоны, воспринимающие вкусовые ощущения, перекрываются, поэтому, воздействуя на любую область, можно получить соответствующее восприятие, но при этом требуется значительно большая концентрация. Например, для ощущения сладкого вкуса с корня языка требуется воздействие на него раствором большей концентрации, чем для кончика языка. Средняя часть языка вообще лишена вкусовой чувствительности (рис. 1).

У рыб, которым вкус позволяет не только определять качество пищи, но также отыскивать ее, органы вкуса могут располагаться не только в ротовой полости, но также по всему телу, особенно на жабрах и усиках.

Необходимо отметить, что вкусовые ощущения возникают только после воздействия на органы вкуса химических веществ в растворенном виде.

Исследование вкусовых особенностей различных веществ у человека проводится путем нанесения на поверхность языка из пипетки исследуемого раствора. При этом испытуемый должен передавать свои ощущения знаками или путем выбора специально заготовленных бумажек с обозначением необходимых показателей, так как при разговоре он может сделать глотательное движение, при котором исследуемый раствор может расплыться по языку и ротовой полости. Перед каждым последующим исследованием необходимо тщательно прополоскать рот и сделать кратковременную экспозицию. Одна из первых классификаций вкусовых ощущений была дана М. В. Ломоносовым: «Главные из более отчетливых вкусовых ощущений такие: 1) вкус кислый, как в уксусе; 2) едкий, как в винном спирте; 3) сладкий, как в меде; 4) горький, как в смоле; 5) соленый, как в соли; 6) острый, как в дикой редьке; 7) кисловатый, как в незрелых плодах. Которые из них простые, которые сложные, можно будет объяснить не раньше, чем когда известна будет природа начал». В тибетской медицине выделяют шесть вкусовых ощущений: сладкое, кислое, вяжущее, горькое, жгучее и соленое.

В настоящее время установлено, что вкус представлен четырьмя видами ощущений — ккислому, сладкому, соленому и горькому. Самый тщательный анализ не позволяет каждое из них разложить на более простые составляющие. Исключение — пчелы, которые в отличие от человека горькие вещества воспринимают в виде двух компонентов. Все остальные виды вкусовых ощущений представляют собой комбинацию основных четырех составляющих. Воздействуя смесями растворов с различными концентрациями кислого, соленого, горького и сладкого, можно получить вкусовые ощущения яблока, груши, пива, кваса, чая и других продуктов.

Установлено, что большинство животных (рыбы, млекопитающие, птицы) способны различать все перечисленные вкусовые качества пищи. Доказательством самостоятельности каждого из перечисленных видов вкусовых ощущений является возможность их изолированного выключения. Так, слабые растворы кокаина сначала снижают чувствительность к горьким веществам, а гимнемовая кислота приводит к выпадению ощущения сладкого.

Ранее пытались выделить еще три вида вкусовых ощущений — «металлический», «щелочной» и «терпкий» вкус, но в последующем пришли к заключению, что они являются результатом комплексного воздействия на разные органы чувств.

При изучении органов вкуса выделяют такие понятия, как вкусовая чувствительность, порог различия, скрытый период вкусового ощущения, вкусовая адаптация и вкусовой контраст. Вкусовая чувствительность характеризуется той минимальной концентрацией вещества, которая вызывает вкусовые ощущения. Она различна для разных веществ. Наибольшая относительная чувствительность проявляется к горьким веществам. Для сахара пороговая концентрация равна приблизительно 0,4 г в 100 мл воды (или 0,01 молярного раствора); для поваренной соли — 0,05 г. в 100 мл воды (или 0,01 молярного раствора); для соляной кислоты — 0,003 г. в 100 мл воды (0,0007 молярного раствора); для солянокислого хинина — 0,000008 г. в 100 мл воды (0,0000001 молярного раствора).

Порог различия определяется величиной минимально ощутимой разницы в концентрации растворов вкусовых веществ. Порог различия снижается при переходе от слабых концентраций к более высоким. Однако после достижения определенной величины концентрации порог различия повышается, что не позволяет уловить разницы после повышения содержания вещества в растворе. Например, известно, что максимально сладким вкусом обладает 20 % раствор сахара и дальнейшее увеличение его концентрации не вызывает нарастания вкусовых ощущений.

Скрытым периодом вкусового ощущения является время, которое необходимо для проявления соответствующего ощущения после нанесения вкусового раздражения. Скрытый период соленого вкуса является самым коротким (0,12-0,5 с), а горького — самым длинным (0,22-2,2 с).

Вкусовая адаптация характеризуется тем, что при длительном воздействии на орган вкуса происходит уменьшение восприятия, вплоть до полной его потери. Адаптация к различным веществам происходит с различной скоростью: медленнее всего — к кислому и горькому, а быстрее всего — к сладкому и соленому. Уменьшение чувствительности и ее восстановление для каждого вещества происходит независимо от других вкусовых ощущений. Так, при снижении чувствительности к горькому ощущение сладкого вкуса не изменяется и наоборот. Это явление подтверждает тот факт, что в основе каждого из вкусовых ощущений лежат различные нервно-рецепторные образования. Вкусовой контраст проявляется в усилении одного из вкусовых ощущений после воздействия на вкусовой анализатор другого вкусового раздражителя. Так, известно, что после прополаскивания рта соленой водой пресная вода приобретает сладковатый вкус. На этом эффекте основано применение горьких препаратов для повышения вкусового восприятия. Подобное явление сенсибилизации к какому-либо вкусовому веществу происходит после многократного его воздействии на вкусовой анализатор в пороговых концентрациях. Вкусовая чувствительность при этом может возрастать на 30-110 %. Известно, что сладкие вещества уменьшают горечь или же, наоборот, усиливают, если используются соединения со смешанным вкусом. Однако если вкусовые ощущения следуют одно за другим, то после воздействия сладкого вещества вкус горького усиливается. Общий эффект зависит от того, какой вкус доминирует, т. е. от концентрации соответствующих компонентов.

Как же работает орган вкуса? Как он различает вкусовые вещества? Главный структурный элемент вкусового анализатора — вкусовой рецептор, который обладает свойством связывать молекулы с определенной конфигурацией и вызывать соответствующее ощущение.

Вкусовой анализатор является сложной морфофункциональной системой, обеспечивающей тонкий анализ химических раздражителей, действующих на органы вкуса животных. Анализатор состоит из собственного органа вкуса, проводниковых структур и центрального отдела в структурах продолговатого мозга, зрительных бугров и коры больших полушарий. Первичное распознавание вкусовых сигналов происходит на уровне хеморецепторов, а анализ вкусовых ощущений — в центральной нервной системе.

Установлено, что строгого соответствия между химическим строением молекулы вкусовых веществ и взаимодействием с вкусовым рецептором не существует. Только соленый и кислый вкус свойствен веществам определенных химических типов. Кислый вкус определяется концентрацией водородных ионов. При одинаковых рН слабая кислота — более эффективный раздражитель, чем сильная. Соленым вкусом обладают различные соли, но только хлористый натрий имеет чистый соленый вкус без привкуса горечи или кислоты. При возрастании молекулярной массы неорганических солей их вкус меняется от соленого к горькому.

Наиболее выраженное несоответствие между строением и вкусом проявляется у сладких и горьких веществ. Ощущение горького определяется содержанием в молекуле парных группировок — NO₂, N, — SH, — CS и др. Сладкий вкус вызывают различные вещества — сахара, спирты, аминокислоты, белки и др.

Ранее было высказано предположение, что вкус ациклических полиолов (этандиола, глицерина и др.), которые по своей структуре сходны с сахарами, обусловлен числом гидроксильных групп в молекуле. Однако это мнение оказалось ошибочным. Так, полиолы с пятью гидроксильными группами (например, ксилит) оказались слаще, чем молекулы с шестью группами (например, сорбит), а вещества с одинаковым количеством групп (галактоза и глюкоза) значительно отличаются друг от друга по интенсивности вкуса.

Согласно гипотезе Шелленберга, которую он высказал в 1963 г., взаимодействие между вкусовым веществом и рецептором осуществляется за счет образования водородной связи, что обусловливает восприятие, а прочность связи ответственна за интенсивность ответа. Он пришел к выводу, что геометрическое расположение молекулы сладкого вещества, его конфигурация и конформация имеют важное значение для взаимодействия с рецептором и прочности образующегося комплекса. В дальнейшем было показано, что появление сладкого и горького вкусового ощущения определяется стереохимией молекулы вещества, вызывающего вкус. Удалось доказать, что сладкие вещества легко превратить в соединения, обладающие горьким вкусом. Эти данные позволили предположить, что вкусовые рецепторы имеют зоны для сладких и для горьких веществ, а молекулы сладких или горьких соединений могут взаимодействовать с каждой из них. Доказательством этому служил тот факт, что ощущение горького вкуса снижается после насыщения рецептора языка сахарозой. Аналогично сладкий вкус уменьшался после насыщения рецепторов хинином. На основании этого высказано предположение, что центры рецепторов, отвечающих за сладкий и горький вкус, должны находиться на расстоянии не более 0,3–0,4 нм друг от друга.

В настоящее время окончательно доказано, что сладкий вкус обусловлен формой и размерами вещества его молекулы, и от этих свойств зависит ее взаимодействие с рецепторами вкусовых сосочков в полости рта («Scientific American», 1990, № 1). У многих искусственных сладких веществ в молекуле две кольцевые структуры, соединенные короткой цепочкой атомов, угол изгиба которой равен 90⁰. Кольца лежат в одной плоскости, и молекула напоминает букву L. Если такую сладкую молекулу химически модифицировать, чтобы ее два кольца не находились в одной плоскости, то вещество становится безвкусным или горьким.

Было синтезировано несколько веществ с гибкой цепочкой, соединяющей кольцевые структуры так, чтобы они могли вращаться относительно друг друга. При этом они вначале ощущались как горькие, а потом как сладкие. Эти данные позволяют предсказывать вкусовые свойства вещества еще до того, как оно будет синтезировано.

Результат последних исследований в области молекулярной биологии и биохимии вкуса свидетельствуют, что для молекул каждого вкуса существует индивидуальный механизм контакта с рецепторной клеткой. В основном передача горького и сладкого вкуса осуществляется путем контакта с рецепторами ассоциированными с G-белком, в то время как передача соленого и кислого вкуса зависит от ионных каналов. Специфический G-белок трансдуцин, открытый профессором Робертом Маргольски, запускает в действие сложные механизмы биохимических реакций и усиливает сигналы, генерируемые клеткой для передачи в ЦНС. Однако не все виды горького вкуса передаются посредством зтого механизма. Горечь кофеина, например, передается посредством ингибирования фосфодиэстеразы рецепторной вкусовой клетки.

Временная блокада рецепторов горького вкуса даст возможность обманывать вкусовые ощущения, Разработкой веществ, обладающих такими свойствами, занимается биотехнологическая компания Linguagen Corporation из города Кренбери (штат Нью-Джерси), производя молекулярные соединения, способные блокировать горький вкус в пище, напитках и лекарствах. Роберт Маргольски, профессор физиологии, биофизики и фармакологии медицинского колледжа Mount Sinai в Нью-Йорке (США), а также один из основателей компании «Linguagen», провел несколько исследований, доказывающих возможность «блокировки горького вкуса при помощи таких специфических веществ, которые могут нарушать передачу информации о горьком вкусе на различных уровнях восприятия. Оказалось, что подобные вещества встречаются в естественных условиях, например, в грудном молоке матери. При добавлении в некоторые продукты так называемых «блокаторов горечи» последние избавляют их от неприятных оттенков вкуса. Предполагают, что это позволит в будущем наслаждаться мягким, некрепким вкусом кофе, не добавляя в него сливки, а грейпфрутовый сок станет сладким даже без сахара.

Вкусовой анализатор начинает функционировать с первых дней жизни ребенка. Уже в этот ранний период происходит дифференцированное восприятие различных вкусовых ощущений. И. П. Павлов считал, что химический вкусовой анализатор ротовой полости, расположенный на границе соприкосновения внутренней среды с внешней, является первым регулятором состава внутренней среды и, вероятно, значение вкусового анализатора в развитии метаболических нарушений многие годы недооценивалось, в частности при возникновении заболеваний, связанных с нарушением питания. Кроме того, доказано, что вкусовой анализатор может влиять на другие жизненно важные системы организма. После введения вкусовых веществ в ротовую полость наблюдается изменение ритма сердечных сокращений, величины кровяного давления, температуры кожных покровов, кровенаполнения сосудов головного мозга и конечностей. При этом установлено, что разные вкусовые вещества имеют свои особенности. Так, сладкие продукты вызывают рефлекторное расширение кровеносных сосудов и увеличивают кровенаполнение конечностей, снижают внутричерепное давление и повышают кожную температуру. С другой стороны, кислые вещества оказывают сосудосуживающее действие, снижают температуру тела, уменьшают кровенаполнение конечностей, повышают частоту пульса и величину кровяного давления. Это явление, вероятно, послужило основой для создания учения о «холодных» и «горячих» свойствах пищи в Восточной медицине.

Исходя из этих данных, можно сделать вывод, что постоянное избыточное воздействие на анализатор, который является важной частью нервной системы, может приводить к нарушению функционирования других систем организма. Привычка получать определенные вкусовые ощущения, удовлетворение этой привычки, могущей превратиться в потребность, является началом, первоисточником, ведущим к поступлению в организм тех пищевых продуктов, которые вызывают в последующем заболевание. Поэтому лечение подобных заболеваний и их профилактику необходимо проводить на уровне вкусового анализатора. Основная цель любого живого существа, предначертанная природой, — это продление вида, размножение. Осуществляют эту цель три основных рефлекса — пищевой, половой и самосохранения. Основой для пищевого рефлекса, его формирования и развития являются вкусовые ощущения.

Если мы выделяем заболевания, связанные с нарушением питания, если пищевой рефлекс — один из основных стимулов, определяющих жизнедеятельность организма, то в основе этих явлений лежат вкусовые ощущения, которые влекут живой организм к осуществлению соответствующих действий, определяют его поведение и, часто, возникновение болезней питания.

Глава 2. Сахара — их структура и свойства

Сахара широко распространены в животном и растительном мире. В химическом отношении эти вещества объединяет общая суммарная формула C_nH_2nO_n(H_2nO)_n. Первый относительно успешный элементный анализ сахаров был проведен Ж. Л. Гей-Люссаком и Л. Ж. Тенаром. В 1810 г. они провели органические анализы 19 веществ, среди которых были пищевой сахар и белки. В 1814–1815 гг. Й. Я. Берцелиус, улучшив методику элементного анализа, сравнивал состав молочного сахара и «слизевой кислоты». Дальнейшее уточнение формул было связано с деятельностью Ю. Либиха и его учеников, много сделавших для развития органического анализа и получивших данные, еще более приближенные к точным.

В 1840–1841 гг. Ю. Либих определил сахара как сочетания радикалов этила и ацетила, но отнес их к ряду веществ, которые не поддаются дальнейшей классификации. Одновременно было обращено внимание на то, что в сахарах кислород и водород содержатся в таких же соотношениях, в каких эти элементы входят в состав воды. Это явилось причиной введения нового термина «углевод» для обозначения сахаров. Термин был предложен профессором Дерптского (Тартуского) университета Карлом Шмидтом (1822–1894 гг.) в 1844 г. в статье «О растительных слизях и бассорине». Название возникло в связи с тем, что сначала были известны лишь те представители этого класса веществ, которые по составу как бы являются соединениями углерода с водой. Однако оно не полностью отражает сущность этих соединений, так как атомы водорода и кислорода не входят в состав молекул в качестве воды, а представлены главным образом в виде гидроксильных, альдегидных и кетоновых групп. Поэтому были предложены другие названия: глюциды, сахариды, сахара. Эти термины основаны на том факте, что большинство сахаров (за исключением полисахаридов) имеют сладкий вкус.

Сахара, или углеводы, разделяются на три группы:

1. Моносахариды (монозы) — это сахара, неспособные к гидролитическому расщеплению. По числу углеродных атомов моносахариды делятся на: тетрозы, содержащие 4 углеродных атома; пентозы, содержащие 5 углеродных атомов; гексозы, содержащие 6 углеродных атомов; гептозы, содержащие 7 углеродных атомов, и т. д.

2. Олигосахариды — вещества, гидролизующиеся на небольшое количество молекул (2–6) моносахаридов. Олигосахариды разделяются на:

1) голозиды — соединения, состоящие исключительно из моносахаридов;

2) гетерозиды — вещества, которые при гидролизе, кроме моносахаридов, образуют также другие молекулы — агликоны.

3. Полисахариды — состоят из значительного количества молекул моносахаридов, связанных между собой.

М. Рубнер определил среднюю величину теплоты сгорания сахаров — 4,1 ккал/г. Величины теплоты сгорания отдельных сахаров составляют (ккал/г): глюкоза — 3,75, фруктоза — 3,76, лактоза — 3,95, сахароза — 3,96, гликоген — 4,19, крахмал — 4,20. У. Этуотер обнаружил, что в организме сахара усваиваются не полностью, и предложил поправки, позволяющие вычислить так называемую метаболизируемую энергию. При гидролизе гликозидных связей полисахаридов в процессе пищеварения теряется около 0,6 % энергии, заключенной в этих углеводах; в форме макроэргических связей АТФ аккумулируется только около 39 % энергии глюкозы.

Молекулы моносахаридов содержат атомы асимметрического углерода. Это атомы углерода, четыре валентности которых насыщены разными радикалами (атомами или группами атомов). Наличие таких атомов в молекуле создает возможность существования двух видов изомеров каждого соединения, причем одно является зеркальным отражением другого. Символы D и L указывают на положение групп Н и ОН при предпоследнем углероде, независимо от того, в какую сторону раствор данного вещества вращает плоскость поляризации. Растворы веществ, содержащих в молекуле асимметрический углерод, обладают свойством вращать плоскость поляризованного света, они оптически активны. Поляризованным светом называется свет, в котором колебания, перпендикулярные ходу светового луча, происходят в одной плоскости. Изомеры, вращающие плоскость поляризации вправо, называются правовращающими (символ +), поворачивающие влево — левовращающими (-). Направление поворота определяется наблюдателем, на которого падает луч. Смесь изомеров L и D равной концентрации растворов дает оптически пассивный раствор (рацемат). Если в молекуле находятся два асимметрических углерода (один правовращающий, а другой левовращающий), связанные с одинаковыми радикалами, соединение будет оптически пассивно. При наличии нескольких асимметрических атомов в молекуле знак вращения плоскости поляризованного света может не совпадать с названием ряда; например, природная β-фруктоза принадлежит к D-ряду, но ей присуще левое вращение, поэтому ее называют еще левулезой (А. Т. Пилипенко и соавт., 1985).

Кроме того, переход альдегидной формы глюкозы в циклическую полуацетальную сопровождается появлением пятого асимметрического атома углерода и двух оптических изомеров: (полуацетальный, гликозидный, гидроксил справа, а атом водорода слева) и (гликозидный гидроксил слева, а атом водорода справа):

Н. Хоуорс предложил новую номенклатуру углеводов, в которой полуацетальные формы моносахаридов с шестичленным кольцом назывались пиранозными формами (пиранозами), а с пятичленным — фуранозными (фуранозами). Эти названия были образованы от соответствующих кислородсодержащих гетероциклических соединений — фурана и пирана. Согласно этой номенклатуре, полуацетальная форма глюкозы с шестичленным кольцом называется глюкопиранозой, а полуацетальная форма фруктозы с пятичленным кольцом — фруктофуранозой.

Установлено, что в кристаллическом состоянии моносахариды находятся в полуацетальной форме, а в растворах образуют равновесную смесь полуацетальной и альдегидной форм.

Моносахариды в природе представлены преимущественно пентозами и гексозами. Четырехатомные сахара встречаются реже. Пентозы существуют в природных условиях главным образом как составные части молекул более сложно построенных веществ, например, сложных полисахаридов, носящих название пентозанов (С₅Н₈О₄)_n, а также растительных камедей. Пентозы в значительном количестве (10–25 %) содержатся в древесине и соломе. Одним из представителей пентоз является L-арабиноза, которая входит в состав гуммиарабика, или аравийской камеди, из которой ее обычно и получают.

Наиболее распространены в природе пентозы D-ксилоза, Dрибоза и D-дезоксирибоза: D-ксилоза образуется при гидролизе ксиланов, входящих в состав древесины, соломы, мякины или подсолнечной лузги. Остатки D-рибозы и D-дезоксирибозы входят в состав нуклеиновых кислот ядерных белков — нуклеопротеидов и некоторых других веществ, играющих огромную биологическую роль.

Наиболее распространенной гексозой является глюкоза, или виноградный сахар. Пространственный изомер глюкозы — гексоза галактоза, которая (одновременно с глюкозой) входит с пентозами и другими веществами в состав некоторых гликозидов, полисахаридов, а также в состав некоторых сложно построенных веществ мозга.

Производными моносахаридов, также обладающими сладким вкусом, являются четырех-, пятии шестиатомные спирты. Как и сахара, они существуют в виде нескольких пространственных изомеров. Наиболее известны пятиатомные спирты арабит и ксилит, а также шестиатомные — сорбит, маннит и дульцит. Среди природных сахароспиртов в заметном количестве встречается глицерин, являющийся важным компонентом липидов, и инозит, существующий в нескольких стереоизомерных формах (наиболее распространенной является миоинозит). Инозит обнаружен не только в составе липида фосфатидилинозита, но и в составе фитиновой кислоты.

Следует указать, что некоторые моносахариды образуют сахарные кислоты, имеющие важное значение в жизнедеятельности организма. Наиболее известны уроновые кислоты — продукты окисления моносахаридов путем превращения первичной спиртовой группы в карбоксил (при сохранении альдегидной группы). Названия уроновых кислот производятся от названий моносахаридов с прибавлением слова уроновая, например: глюкуроновая, галактуроновая и т. д.

Уроновые кислоты, подобно моносахаридам, существуют в растворах в виде нескольких таутомерных форм: циклической и ациклической. Глюкуроновая кислота принимает участие в обезвреживании токсических продуктов путем образования глюкуронидов. Одной из наиболее важных сахарных кислот является аскорбиновая кислота (витамин С), которая существует в природе в двух формах. В растениях до 70–80 % сухой массы приходится на углеводы. В органах и тканях человека и животных содержится не более 2 % углеводов на сухую массу ткани, в основном это гликоген печени и мышц. В крови человека наряду с глюкозой выявлены фруктоза (0,5–5 мг/100 мл), пентозы (1,8–3,3 мг/100 мл), следы галактозы, маннозы, лактозы, мальтозы, сахарозы и гликоген в концентрации 7-15 мг/100 мл. У детей содержание гликогена в крови достигает 20 мг/100 мл. Схема строения углеводов представлен на рис. 2.

Углеводы — основные поставщики энергии в питании человека. Как правило, на их долю приходится более 50 % калорийности и почти 3/4 массы суточного рациона. Углеводы пищи — сахароза, лактоза, крахмал, декстрин — подвергаются в организме различным превращениям с образованием глюкозы, являющейся основным сахаром крови и участвующей в образовании гликогена тканей и, наряду с галактозой, глюкозамином и галактозамином, входит в состав гликоконъюгантов.

В природе роль углеводов не ограничивается резервными функциями, заключающимися в покрытии непрерывного расхода энергии в процессе жизнедеятельности, или структурноопорной функцией, характерной, например, для целлюлозы или хитина. Глюкоза также необходима в организме как предшественник пентоз, уроновых кислот и фосфорных эфиров гексоз. В процессах обмена углеводов возникают промежуточные продукты, которые используются для синтеза различных неуглеводных соединений. У растений таким путем синтезируются фенолы, органические кислоты, дубильные вещества, аминокислоты, белки, жиры и др.; у человека и животных при гликолизе образуются биосинтетические предшественники липидов, а в пентозофосфатном пути — предшественники нуклеиновых кислот. Было доказано, что фотосинтез, обеспечивающий синтез органических веществ на Земле, является в основном процессом превращения фосфорилированных сахаров.

При исключении углеводов из диеты возникает тенденция к алиментарной гипогликемии, которая компенсируется усилением глюконеогенеза. Это может приводить к кетозу и ускоренному расходованию белка. При этом ослабляется образование печенью парных соединений с участием глюкуроновой кислоты, что снижает антитоксическую резистентность. В тоже время, введение углеводов в организм неспецифически улучшает детоксикационную функцию печени. Стресс как процесс, обеспечивающий повышение устойчивости жизненно важных органов и тканей к острой гипоксии, в значительной мере основан на мобилизации и ускоренном транспорте в эти ткани и органы глюкозы.

Рис. 2. Схема строения углеводов (H. Andersson, N. G. Asp, S. Hallman, 1986)

Таблица 1. Сладость различных сахаров относительно сладости сахарозы, принятой за 1

Известно, что сладким вкусом обладают моносахариды, дисахариды и многоатомные спирты. Полисахариды не имеют сладкого вкуса. Наибольшей сладостью, по сравнению с тростниковым сахаром, обладает фруктоза. Сладость в основном определяется путем органолептического сравнения различных моносахаридов со сладостью сахарозы; при этом определяется наименьшая концентрация вещества, способная вызвать ощущение сладости. Ниже приводятся сведения о сравнительной сладости различных сахаров (табл. 1).

В следующих главах мы остановимся более подробно на свойствах некоторых из перечисленных выше веществ.

Глава 3. Дисахариды

3.1. Пищевой сахар — его вред и польза

Сахар в Европе известен с IV в. до н. э., когда воины Александра Македонского пришли в Индию и увидели белое сладкое вещество, которое местные жители называли «саккара». Это слово сохранилось во многих языках, конечно, трансформировавшись. В Индии сахар производили из сахарного тростника, который отсюда и вывезли в Африку, Европу и Америку. С давних времен жители Азии умели не только культивировать сахарный тростник, но очищать и отбеливать извлеченный из тростника продукт. Сахарный тростник относится к крупным злаковым растениям, близким к бамбуку и камышу. Его суставчатые стебли с обхватывающими листьями могут достигать от 2 до 4 м в высоту; они содержат сердцевину белого цвета, заполненную сахарным сиропом, который выжимается из тростника. Сбор урожая тростника производится через три месяца после цветения.

Арабам рафинированный сахар был известен задолго до средневековой Европы, куда он попал в эпоху крестовых походов. Этот сладкий продукт следовал из Индии через Александрию, а затем транспортировался венецианцами и португальцами, которым принадлежала монополия, отвоеванная позже благодаря открытию морского пути в Восточную Индию. Сахар долгие годы оставался редким и дорогим продуктом. В конце ХIII в. культура сахарного тростника распространилась из Индии в Аравию, а оттуда — в Египет; в ХIV в. она достигла Сицилии; в XV в. португальцы начали выращивать сахарный тростник в принадлежавшей им Мадере, а испанцы стали культивировать его не только на Канарских островах, но и на юге собственной страны, что дало прекрасные результаты. В Провансе, напротив, попытки акклиматизации не удались.

Новый этап был преодолен, когда наследники Христофора Колумба в 1506 г. ввезли сахарный тростник в Сан-Доминго, откуда он распространился на Кубу, в Мексику и Бразилию.

В 1596 г. Андреа Чезальпино впервые описал кристаллизацию сахара, что укрепило представление о нем как об опреде-ленном веществе, а не смеси. Большой вклад в очистку сахаров внес А. Сала (1576–1637), автор «Сахарологии» — первого трактата, полностью посвященного тростниковому сахару, его производству, очистке и применению. Первую попытку получить свекловичный сахар предпринял Оливье де Серр в 1590 г., однако он получил неочищенный продукт. В 1747 г. Андрес Сигизмунд Маргроф также выделил сахар из свеклы, а в 1786 г. немецкий физик-химик Франц Карл Ахард изобрел метод, дающий возможность извлекать сахар из отличавшихся сахаристостью сортов свеклы. С начала ХIХ в. стало постепенно развиваться свекловодство. Открытие производства сахара из свеклы явилось важнейшим средством решения проблемы импорта сахарного тростника, приобретя особую актуальность в период правления Наполеона. Во время континентальной блокады и прекращения торговли морским путем французская Империя неожиданно оказалась лишенной американского сахара. Наполеон принудил химиков усовершенствовать методы выделения сахара из сахарной свеклы, которую к тому времени начали уже серьезно культивировать.

Первый в России сахарный завод был построен в начале XVIII в. по приказу Петра I в Петербурге. «Сахарную палату» открыли и в Московском Кремле. Но сахар вырабатывался из сырья, привозимого из-за границы. С конца XVIII в. соперницей сахарного тростника в России стала сахарная свекла, оказавшаяся менее прихотливым растением. В 1802 г. в селе Алябьево под Тулой было впервые налажено производство сахара из отечественного сырья. С этого времени в центральной России, в Украине и других регионах начинается строительство сахарных заводов.

В настоящее время сахар производится из сахарной свеклы (содержит 16–20 % сахарозы) или сахарного тростника (содержит 14–26 % сахарозы). В процессе их переработки образуются кристаллы сахарозы, имеющие температуру плавления 184–185 ⁰С. По химическому составу сахароза классифицируется как углеводдисахарид, состоящий из глюкозы и фруктозы. Она легко растворима в воде (при 20 ⁰С — 67 %) и легко дает перенасыщенные растворы (сиропы). При нагревании выше температуры плавления сахароза буреет, разлагается (с выделением воды) и превращается в карамель — сложную смесь продуктов разложения.

В 1818 г. Жаном Био было открыто явление оптического вращения тростникового и свекловичного сахаров в водных растворах. Он же определил величину этого вращения. В «Приложении» к своему «мемуару» Био говорил и об инверсии тростникового сахара под действием кислот. Дюбранфо принадлежит факт открытия самих индивидуальных сахаров, образующихся при гидролизе. При этом правовращающий сахар оказался виноградным сахаром, а вновь открытый сахар (левулоза) впоследствии был назван плодовым сахаром, или фруктозой.

Кроме сахарного тростника и свеклы сахароза также содержится в сахарном клене (Acer saccharum Marsh), который растет в лесах на востоке Канады и главным образом в США. Пробуравливая весной стволы сахарного клена, добывают сок, содержащий 3–5% сахарозы, который используют для получения сахара и сахарного сиропа. Его продают в виде «кленового сиропа» или в высушенном виде. Одно дерево дает в год от 2 до 15 кг сахара. Годны к засечке только 25-40-летние деревья.

В южных странах используется сладкий продукт, который получают из «винной пальмы». Автору этих строк довелось увидеть, как его продают торговцы в бутылках на дорогах Цейлона. Он имеет темно-коричневый цвет и густую консистенцию. Местные жители называют его медом (хани), в отличие от пчелиного меда (бихани).

Сегодня всемирное производство сахара распределяется приблизительно в равных долях между сахарным тростникоми сахарной свеклой с незначительным преимуществом в пользу сахарного тростника, который ценится, как правило, несколько выше.

Несомненно, что открытие свекольного сахара значительно ухудшило привычки питания нашего общества. В истории человечества еще не было такого радикального изменения привычек за столь короткий период времени. Хотя белый сахар и занимает немногим больше трети в общем объеме потребляемых углеводов, но именно он служит причиной различных заболеваний.

R. Atkins (1972) считал, что ничто в истории не вызывало больше болезней, чем открытие способа очищать сок сахарного тростника до белого сахара.

Научно доказано, что организму достаточно малого количества сахара для удовлетворения насущной потребности в нем, в то же время сегодня многие люди едят сахара больше, чем это необходимо для их энергетических затрат. Интересный статистический анализ провела ВОЗ, изучавшая потребление сахара на душу населения в 10 странах с самой низкой смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний и в 10 странах с самой высокой смертностью от них. В первых потребление рафинированного сахара колебалось от 25 до 81 г. в день (в среднем 56 г), во вторых — от 87 до 136 г. (в среднем 118 г. в день). В то же время потребление нерафинированного сахара (сахарозы, входящей в состав овощей и фруктов) в странах с самой низкой смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний составило в среднем 31 г. в день, а в странах с высокой смертностью было минимальным. Жизнь поставила на большей части человечества продолжительный эксперимент с белым сахаром, который настолько вошел в быт, что противодействовать ему весьма трудно. Уменьшить потребление белого сахара, видимо, далеко не просто: велика сила привычки и неуклонно растут объемы промышленного производства кондитерских изделий, безалкогольных напитков и множества других сахаросодержащих продуктов. Все зависит, конечно, от самого человека. Справедливо считают, что ни один из пищевых продуктов не далек от натурального так, как белый сахар. Но, несмотря на столь нелестные суждения о белом сахаре, его продолжают употреблять все новые поколения людей.

Конфеты, пирожные, мороженое и другие лакомства доставляют удовольствие и детям и взрослым. Вот почему во многих странах стало традицией заканчивать трапезу сладким. Мужчины от 20 до 70 лет съедают в среднем 65–70 г. рафинированного сахара в день, а женщины того же возраста — 75 г. Отмечено, что люди в возрасте 30–39 лет едят наибольшее количество сахара — 90 г. в сутки. После 40 лет мужчины и женщины сокращают употребление сахара (на 24–29 и 17–37 % соответственно). В это количество входит не только сахар в чистом виде, но и тот, который добавляют в сладкие продукты и блюда.

Согласно подсчетам J. Yudkin (1974), общее количество сахара в продуктах промышленного производства составляет: в Австрии — 55 %, во Франции — 40 %, в Южной Африке — 20 %. Более трети (35 %) всего количества потребляемых углеводов находится в сахаре, около 50 % приходится на крахмал, 7 % — на лактозу, 8 % — на смесь сахаров (главным образом глюкозы, фруктозы и сахарозы) во фруктах и овощах.

Сахароза — наиболее известный и широко применяемый сахар, используемый в питании и кондитерской промышленности. При консервировании продуктов растворы с 60 % содержанием сахара защищают среду от действия бактерий. Однако известно, что и на кристаллическом сахаре размножаются термофильные бактерии и существуют дрожжи, вызывающие брожение сиропов с содержанием сахара более 70 %. В медицине тростниковый сахар под названием Saccharum album применя-ется для приготовления порошков, а также сиропов, микстур (для детей) и т. д. В древние и средневековые времена сахар использовали не только для подслащивания лекарств, но и с прямыми лечебными целями.

Многие столетия сахара производили мало, он был дорог, и в качестве пищевого продукта его употребляли в небольших количествах. Однако за последние полтора столетия положение существенно изменилось в направлении его чистоты и потребления людьми. В США среднее годовое потребление сахара на одного человека с 1900 г. по 2000 г. увеличилось с 2,5 кг до 63 кг (G. Vettorazzi, J. Macdonald, 1988).

Статистика потребления сахара на душу населения в год во Франции следующая:

1800 г. — 0,6 кг;

1880 г. — 8 кг;

1900 г. — 17 кг;

1930 г. — 30 кг;

1965 г. — 40 кг;

1990 г. — 35 кг.

Однако во Франции наиболее низкое потребление сахара, чем в других странах. Англичане, например, употребляют 49 кг на душу населения в год, немцы — 52 кг, а мировой рекорд принадлежит американцам — 63 кг на душу населения в год (Х. Стюард и соавт., 1999).

В нашей стране сахарозу получают из сахарной свеклы, которая содержит приблизительно 75 % воды и 25 % сухого остатка: 15–17 % его — сахароза, а остальное — неорганические и органические вещества, которые при переработке необходимо удалить. Из измельченной свеклы сахарозу извлекают водой (при температуре 80 ⁰С) в диффузорах; раствор сахарозы, загрязненный примесями, очищают, осаждая известью, а затем фильтрат обрабатывают СО₂, осаждающей избыток извести и разлагающей образовавшиеся кальциевые сахараты; после повторной обработки Са(ОН)₂ и СО₂ раствор сахарозы сгущают в вакууме и кристаллизуют. Дальнейшая очистка (рафинирование) производится перекристаллизацией растворов после обработки их углем. Быстрорастворимый сахар получают при действии на порошок водяного пара. Затем образующиеся час-тицы сушат и измельчают. Такой сахар хорошо растворяется и не гигроскопичен.

В процессе производства сахара из свеклы как отходы образуется «кормовая патока», которую называют «меласса» (или «мелясса») от латинского слова mel — мед. Это сиропообразная жидкость темно-бурого цвета, представляющая собой сгущенный свекловичный сок после выделения из него кристаллов сахара. В умеренных количествах она служит хорошим кормом для сельскохозяйственных животных. В зависимости от степени очистки различают белую (29 % не сахаров), зеленую (33 %), бурую (47 %) и кормовую (55 %) патоку. Эти данные получены при исследовании различных видов патоки, образующихся при переработке тростникового сахара-сырца. Органические вещества мелассы распределяются следующим образом: смолистые вещества — 2,7 %, азотистые вещества — 1,06 %, органические кислоты — 3,2 %, карамели и другие вторичные продукты, образующиеся в процессе сахарного производства — 6,24 %. Кроме сахарозы, в мелассе содержатся моно-, дии олигосахариды, гетероциклические основания, аминои карбоновые кислоты, органические пигменты сложной природы и другие химические соединения. Большинство из них природного происхождения. Они сохранились в патоке в таком же виде, как и в сырье — сахарной свекле или сахарном тростнике. Кроме того, в патоке могут быть разнообразные примеси, внесенные на разных стадиях переработки сырья (И. И. Брехман, И. Ф. Нестеренко, 1988).

Технические патоки различного происхождения содержат примерно одинаковое количество глюкозы и фруктозы, а также переменные количества других моносахаридов: глицеринового альдегида, рамнозы, рибозы, фукозы, ксилозы, арабинозы и галактозы. Обе патоки имеют в своем составе дисахарид (раффинозу) и трисахарид (кетозу). Обнаружены также олигосахариды типа декстринов и пектиновые вещества. Сапонинов в патоке около 0,04 %. Меньше их в сахаре-сырце и в желтом сахаре. Имеются также фенольные гликозиды типа лигноуглеводных комплексов. Углеводная их часть имеет гемицеллюлозный характер и включает альдобиуроновые кислоты (P. E. Norris, 1960). Из свободных аминокислот преобладают аспаргиновая, лейцин, изолейцин, валин, аланин и глицин. В свекловичной патоке довольно много γ-аминомасляной кислоты (до 0,3 %). Выявлены небольшие количества полиэтиленполиаминов. В числе мономерных гетероциклов найдены пурины и пиримидины. В сухом веществе патоки содержание аденозина составляет 0,2–0,3 %. Среди веществ, обусловливающих запах патоки, обнаружен ацетилпиррол (Е. Черных, А. Семенов, 1980; Л. Остроухова и соавт., 1981).

Коричневая окраска мелассы и желтого сахара определяется тремя группами веществ: карамелями, меланоидинами и комплексами фенольных соединений с железом. Химически все эти типы веществ охарактеризованы плохо, что объясняется сложностью и вариабельностью их состава. Под карамелью понимают смесь высокомолекулярных химических соединений продуктов термического превращения сахарозы. Меланоидины — азотсодержащие соединения, продукты реакции углеводов с аминокислотами и пептидами. Это сложная смесь веществ с молекулярной массой от 700 до 50 000 и более. У молекул полимерных меланоидинов линейное строение, они аморфны. Входящие в их состав азотные и фурановые гетероциклические ядра снабжены боковыми цепями из остатков углеводов и аминокислот. Окрашенные вещества мелассы имеют технологическое происхождение, т. е. их нет в исходном растительном сырье, а образуются они в процессе переработки сырья. Поэтому состав этих веществ зависит не только от качества и происхождения сырья, но и от характеристик технологического режима (И. И. Брехман, И. Ф. Нестеренко, 1988).

Если в настоящее время производится белый очищенный сахар, то многие годы употреблялся недоочищенный желтый сахар — сахар-сырец. Во многих развивающихся странах Азии и Африки такой сахар до настоящего времени употребляет большинство населения. В Индии производится gur (гур) или jaggery (сахар-сырец), получаемый из сока сахарного тростника или некоторых видов пальм. Его высоко ценят, считая пищей и лекарством, и широко используют для изготовления сладостей, кондитерских изделий и некоторых напитков. В настоящее время желтый сахар, учитывая его полезные свойства, присутствует на столах наряду с белым сахаром во многих ресторанах Европы.

По сравнению с другими углеводами, которые содержатся в муке, овощах и фруктах, сахар отличается исключительной быстротой усвоения. Под действием ферментов пищеварительного тракта сахароза сразу же расщепляется на глюкозу и фруктозу, которые и поступают в кровь. Повышение концентрации глюкозы в крови служит сигналом для выделения из поджелудочной железы гормона инсулина, который, стимулируя активность фермента глюкокиназы в клетках печени, способствует присоединению фосфора к молекуле глюкозы. В таком виде она расщепляется в организме до воды и углекислого газа, выделяя энергию. В процессе обмена 100 г. сахара выделяют в организме 374 калории. При избыточном поступлении сахара в организм может повыситься содержание жира в крови (гиперлипидемия), он в большей степени откладывается в жировых депо, и развивается ожирение. Особенно быстро нарастает масса тела у злоупотребляющих продуктами, содержащими сахар, крахмал и жир: тортами, пирожными с кремом, шоколадом, сладкими сдобными пирогами. Калорийность сахарозы составляет от 16,54 до 16,75 кДж/г. Сахар является носителем «пустых» калорий, не содержит ни витаминов, ни минеральных солей, ни каких-либо иных биологически активных веществ, имеющихся практически во всех других продуктах питания растительного и животного происхождения.

В. А. Оленева (1970), проанализировав алиментарные нарушения у 643 больных ожирением, у подавляющего большинства (556 человек) отнесла их к обменно-алиментарной форме. Заслуживают внимания выявленные ею вредные привычки, приводящие к ожирению (табл. 2).

Таблица 2. Распространненость вредных алиментарных привычек, приводящих к ожирению

Известно, что ожирение способствует развитию сахарного диабета. Так, у полных он встречается в 5-10 раз чаще, чем у людей с нормальной массой тела. Избыток в пище сахара в определенной мере обусловливает и гиперхолестеринемию, которая играет значительную роль в развитии сердечно-сосудистых заболеваний. Замечено, что злоупотребление сладким является существенным фактором риска развития атеросклероза, инфаркта миокарда и гипертонической болезни. J. Yudkin (1974) отстаивал концепцию, согласно которой избыток сахарозы приводит к нарушению гормонального статуса и последующему изменению обмена липидов, выступающему как патогенетическое звено в развитии этих заболеваний. По данным его наблюдений, у больных с коронарной болезнью сердца и другими сосудистыми заболеваниями среднесуточное потребление сахара было выше (113 и 128 г. соответственно), чем у здоровых людей в контрольной группе (58 г). A. Keys и другие противники этой концепции указывали на то, что частота этих заболеваний коррелирует с потреблением углеводов меньше, чем с потреблением насыщенных жиров, и среди алиментарных факторов в патогенезе атеросклероза и ишемической болезни сердца решающую роль отводили жирам. H. C. Trowell считал, что эти заболевания связаны с дефицитом в рационах населения промышленно развитых стран балластных веществ, нормализующих, по его мнению, обмен холестерина. Необходимо отметить, что в полости рта сахар является благоприятной средой для жизнедеятельности бактерий, разрушающих эмаль зубов и вызывающих кариес. Установлено, что потребление сахара более 30 г. в сутки вызывает повышение заболеваемости кариесом, в связи с чем эту дозу считают «критической» (T. Grenby, J. Hutchinson, 1969; Т. Л. Родионова, В. К. Леонтьев, 1993).

С избыточным потреблением белого сахара и других очищенных углеводов связывают кишечные расстройства и хронические запоры, которые приводят к заболеваниям вен нижних конечностей, желчных путей, диспепсии, язвенным поражениям и даже к раку толстой кишки (M. M. Robinson, 1977).

Установлено, что сахар оказывает отрицательное влияние на половую функцию, плодовитость и течение беременности. А. П. Дыбан (1962) обнаружил, что при содержании крыс на са-харе и воде дробление и миграция зиготы по яйцеводам осуществляются нормально, но затем бластоциты не имплантируются и на 14-15-е сутки все погибают. В других исследованиях у крыс, получавших только одну сахарозу, беременность наступала в те же сроки, что и в контроле (нормальный рацион), но число мест имплантации было снижено, как у овариоэктомированных самок. Сахарозная диета приводила к снижению среднего количества живых плодов на одну самку (R. L Hays и соавт., 1965), их средней массы и резко увеличивала количество плодов с кровоизменениями (И. И. Брехман, Н. Ф. Нестеренко, 1988).

Конец ознакомительного фрагмента.