کربوهیدراتها – فصل سوم
دونگ فنگ وانگ¹، جیپنگ سان²، گووچینگ هوانگ¹˒³، شیاولین ژو⁴ و لیپینگ سان⁵
¹دانشکده علوم و مهندسی مواد غذایی، دانشگاه اقیانوسشناسی چین، چینگدائو، چین
²مؤسسه سوم اقیانوسشناسی، اداره اقیانوسی دولتی، شیامن، چین
³دانشکده علوم و مهندسی مواد غذایی، دانشگاه کشاورزی چینگدائو، چینگدائو، چین
⁴دانشکده زیستشناسی، کالج پزشکی دانشگاه شانتو، شانتو، چین
⁵دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه علوم و فناوری کونمینگ، کونمینگ، چین
چکیده
کربوهیدراتها سه چهارم وزن خشک گیاهان خشکیزی و جلبکها را تشکیل میدهند و در تمام گیاهان، حیوانات و میکروارگانیسمهایی که انسان میتواند مصرف کند یافت میشوند. کربوهیدراتها یکی از اجزای اصلی مواد غذایی هستند. این ترکیبات نه تنها انرژی موردنیاز انسان را تأمین میکنند، بلکه بافت و طعم مطلوبی را به غذاها میدهند. کربوهیدراتها در طول فرآوری و نگهداری مواد غذایی دچار تغییرات مختلفی میشوند و ترکیباتی ایجاد میکنند که بر طعم، کیفیت و ایمنی غذاها اثر میگذارند. این فصل به طبقهبندی کربوهیدراتها و مهمترین ویژگیهای عملکردی آنها میپردازد که در آن توجه ویژهای به واکنش قهوهای شدن غیرآنزیمی، تأثیرات آن بر کیفیت غذا و روشهای کنترل آن شده است. در ادامه، ساختار، نسبتها و کاربردهای مهمترین پلیساکاریدها و الیگوساکاریدهای موجود در مواد غذایی بهطور جداگانه توضیح داده میشود. فیبر غذایی بهعنوان یکی از اجزای مهم رژیم غذایی سالم نیز در پایان این فصل معرفی میشود.
مقدمه
طبقهبندی کربوهیدراتها
کربوهیدراتها ترکیبات آلی طبیعی هستند که از طریق فتوسنتز گیاهان از دیاکسیدکربن و آب تشکیل میشوند. بر اساس تعداد واحدهای مونوساکاریدی، کربوهیدراتها به مونوساکاریدها، الیگوساکاریدها و پلیساکاریدها تقسیم میشوند. مونوساکاریدها سادهترین قندها هستند و قابل هیدرولیز بیشتر نیستند. الیگوساکاریدها معمولاً از ۲ تا ۲۰ واحد مونوساکاریدی تشکیل میشوند و قابل هیدرولیز هستند. الیگوساکاریدها بر اساس ترکیب مونوساکاریدی به همو-الیگوساکاریدها و هترو-الیگوساکاریدها تقسیم میشوند. پلیساکاریدها با درجه پلیمریزاسیون بالای ۲۰، از حذف مولکولهای آب بین واحدهای متعدد مونوساکاریدی تشکیل میشوند و شامل همو-پلیساکاریدهایی مانند سلولز و نشاسته و هترو-پلیساکاریدهایی مانند پلیساکاریدهای جلبکها و چای هستند.
پلیساکاریدها دارای گروههای هیدروکسیل متعددی هستند و میتوانند بهصورت کووالانسی به زنجیرههای جانبی پروتئینها یا پپتیدها متصل شده و گلیکوپروتئین یا پروتئین-پلیساکارید تشکیل دهند. همچنین میتوانند با مولکولهای دارای گروه کربوکسیل واکنش داده و استرهایی مانند لیپوپلیساکارید (LPS) و پلیساکاریدهای سولفاته ایجاد کنند. علاوه بر این، به دلیل وجود گروههای هیدروکسیل، قادرند با فلزات واسطه کمپلکس تشکیل دهند که بهطور کلی به آنها کمپلکسهای پلیساکاریدی گفته میشود.
کربوهیدراتها در مواد غذایی
نشاسته یکی از فراوانترین کربوهیدراتها در غذاهای گیاهی بوده و بیشتر در دانهها، ریشهها و غدد زیرزمینی یافت میشود. گلیکوژن در مواد غذایی حیوانی، بهخصوص در عضله و کبد یافت میشود و از نظر ساختاری شبیه آمیلوپکتین است. نشاسته در محلولهای آبی نامحلول است و بهطور مستقیم در ایجاد طعم شیرین نقشی ندارد، مگر اینکه به الیگوساکاریدها یا گلوکز هیدرولیز شود.
بیشتر مواد غذایی گیاهی فقط مقدار کمی قند آزاد دارند و اغلب قندها بهصورت نشاسته حضور دارند. مثلاً، ذرت تنها 0.2% تا 0.5% گلوکز، 0.1% تا 0.4% فروکتوز و 1% تا 2% ساکارز دارد. قندهای آزاد نه تنها طعم شیرین ایجاد میکنند، بلکه در طول فرآوری حرارتی در تشکیل طعم و رنگ نیز مشارکت دارند. افزایش میزان قند آزاد هنگام فرآوری میتواند کیفیت غذا را بهبود دهد. برای مثال، جهت افزایش شیرینی ذرت شیرین، باید آن را قبل از تبدیل قندها به نشاسته برداشت کرد.
میوهها غالباً قبل از رسیدگی کامل برداشت میشوند. علت اول سفتی بالای میوههای نارس است که حمل و نگهداری آنها را سادهتر میکند و علت دوم این است که در طول حمل و نگهداری، نشاسته به ساکارز یا قندهای شیرینتر تبدیل میشود و میوه شیرین و نرم میگردد که این فرآیند عکس مسیر سنتز نشاسته در دانهها، غدهها و ریشههای گیاهان است.
میزان قندهای محلول در آب در مواد غذایی فرآوریشده معمولاً بالاتر از مواد خام اولیه است، زیرا تولیدکنندگان برای تأمین خواستههای مصرفکنندگان از نظر طعم و رنگ، بهصورت عمدی قند اضافه میکنند.
کربوهیدراتها و کیفیت غذا
کربوهیدراتها اجزای اصلی تشکیلدهنده مواد غذایی بوده و ارتباط نزدیکی با ارزش تغذیهای، رنگ، طعم، بافت و عملکرد دارند. حدود 70% انرژی مورد نیاز بدن انسان از کربوهیدراتها تأمین میشود. قندهای احیاکننده دارای گروه آلدهید یا کتونی آزاد، نقش مهمی در تشکیل رنگ و طعم در طول فرآوری حرارتی دارند و بنابراین بر کیفیت غذا اثر میگذارند. همچنین بسیاری از قندهای آزاد شیرین بوده و احساس مطلوبی در دهان ایجاد میکنند. برخی کربوهیدراتها مانند صمغ گوار و کاراگینان دارای ویژگیهای ویسکو الاستیک خاص هستند و بافت خوشایندی به غذا میدهند. مولکولهای بزرگی نظیر سلولز و پکتین میتوانند بافت مناسب ایجاد کنند و بهعنوان فیبر غذایی فلور روده را تنظیم کرده و اثرات سلامتیبخش داشته باشند. علاوه بر این، برخی پلیساکاریدها یا الیگوساکاریدها مانند لنتینان و پلیساکاریدهای چای دارای عملکردهای فیزیولوژیکی خاص بوده و میتوان آنها را مستقیماً بهعنوان ترکیبات عملکردی به غذا اضافه کرد.
هیدرولیز
هیدرولیز گلیکوزیدها
اگرچه گلیکوزیدها در مقادیر نسبتاً کم در مواد غذایی وجود دارند، اما اثرات فیزیولوژیکی و عملکردی مهمی در مواد غذایی ایجاد میکنند. برای مثال، ساپونینهای طبیعی عامل کفزایی و پایدارکنندههای قوی هستند و فلاونوئیدها طعم تلخ و رنگ را در مواد غذایی ایجاد میکنند. به جز مقدار کمی گلیکوزیدهای شیرین مانند استویوزید و اوسلادین، بیشتر گلیکوزیدها طعم تلخ یا گس دارند، بهویژه زمانی که لیگاند بزرگتر از یک گروه متیل باشد. هنگامی که گلیکوزیدها هیدرولیز میشوند، حلالیت آنها کاهش یافته و تلخی یا گسی آنها کاهش مییابد.
پیوندهای O-گلیکوزیدی در محیطهای خنثی و کمی قلیایی پایدار هستند، ولی در شرایط اسیدی بهآسانی هیدرولیز میشوند. بیشتر گلیکوزیدهای موجود در مواد غذایی (بهجز در مواد غذایی بسیار اسیدی) پایدار هستند.
در هیدرولیز آنزیمی گلیکوزیدها، بخش قندی به یک حالت نیمصندلی با فعالیت بالا تبدیل شده و پیوند گلیکوزیدی ضعیف میشود. سپس یک پروتون از آنزیم به اتم اکسیژن موجود در گلیکوزید منتقل میشود. هنگامی که این اتم اکسیژن از اتم کربن جدا میشود، یک یون کربنی با بار مثبت تولید میگردد. این یون با گروه -COO- دارای بار منفی در آنزیم واکنش داده و بهصورت موقت پایدار میشود تا اینکه در نهایت با گروه -OH- موجود در حلال واکنش داده و بهطور کامل هیدرولیز شود.
پیوند N-گلیکوزیدی همانند پیوندهای O-گلیکوزیدی پایدار نیست و در آب بهراحتی هیدرولیز میشود. برای مثال، گلیکوزیلآمینها در آب ناپایدار بوده و از طریق یک سری واکنشها میتوانند به محصولات رنگی هیدرولیز شوند. این واکنشها عامل اصلی شروع واکنش میلیارد محسوب میشوند (در بخش 3.2.4 توضیح داده خواهد شد).
تیوگلیکوزیدها که دارای پیوند S-گلیکوزیدی هستند بهطور طبیعی در خردل و ترب کوهی وجود دارند و بسیار پایدار و محلول در آب هستند. تیوگلیکوزیدها میتوانند با آنزیم تیـوگلوکوزیداز هیدرولیز شده و ایزوتیوسیاناتها تولید کنند (شکل 3-11).
گلیکوزیدهای سیانوژنیک دسته دیگری از گلیکوزیدها هستند که بهطور قابل توجهی بر ایمنی غذایی اثر میگذارند. این گلیکوزیدها بهطور گسترده در زردآلو، مانیوک، سورگوم، بامبو و لوبیای لیما وجود دارند و پس از هیدرولیز، اسید هیدروسیانیک سمی تولید میکنند. آمیگدالین و ماندلونیتریل مهمترین گلیکوزیدهای سیانوژنیک هستند. هیدرولیز کامل آمیگدالین، D-گلوکز، بنزآلدهید و اسید هیدروسیانیک تولید میکند (شکل 3-12).
در جدول 3-3، مهمترین تیوگلیکوزیدهای موجود در غذاها و محصولات هیدرولیز آنها فهرست شدهاند. مصرف بیش از حد گلیکوزیدهای سیانوژنیک میتواند منجر به مسمومیت با سیانید شود.
علاوه بر فعالیت آنزیمی و اسیدیته محیط، هیدرولیز گلیکوزیدها همچنین تحت تأثیر ساختار پیوند گلیکوزیدی، جانشینی حلقه قندی و اندازه حلقه قرار میگیرد. بهطور کلی، گلیکوزیدهای دارای پیوند β نسبت به پیوندهای α با سرعت بالاتری هیدرولیز میشوند. جانشینی روی حلقه قندی سرعت هیدرولیز را کاهش میدهد و فورانوزیدها سریعتر از پیرانوزیدهای متناظر هیدرولیز میشوند (جدول 3-4). سرعت هیدرولیز گلیکوزیدها با افزایش دما بهسرعت افزایش مییابد، همانطور که در جدول 3-4 نشان داده شده است.
هیدرولیز الیگوساکاریدها و پلیساکاریدها
مشابه گلیکوزیدها، الیگوساکاریدها نیز بهراحتی توسط اسید و آنزیمها هیدرولیز میشوند و در محلولهای قلیایی پایدار هستند. ساکارز میتواند با اسید هیدرولیز شود و مخلوطی با نسبت برابر گلوکز و فروکتوز تولید کند که به آن شکر اینورت گفته میشود.
پلیساکاریدها نیز در معرض هیدرولیز اسیدی یا آنزیمی قرار میگیرند که این امر با کاهش ویسکوزیته و افزایش شیرینی همراه است. در صنعت غذا، آلفا-آمیلاز و گلوکوآمیلاز بهطور گسترده برای هیدرولیز نشاسته ذرت به D-گلوکز استفاده میشوند. هیدرولیزات سپس با ایزومریزاسیون D-گلوکز به مخلوط متعادلی شامل 54% D-گلوکز و 42% D-فروکتوز تبدیل میشود که به شربت فروکتوز معروف است. این مخلوط بهعنوان یک شیرینکننده کمهزینه در بسیاری از مواد غذایی جایگزین ساکارز شده است.
اکسیداسیون
کربوهیدراتهایی که دارای گروه آلدهیدی آزاد احیاکننده هستند، یا کتوزهایی که میتوانند به گروه آلدهیدی تبدیل شوند، در حضور اکسیدکنندههای ضعیف در شرایط قلیایی به اسید آلدونیک اکسید میشوند. هنگامی که اکسیدکنندههای قوی وجود داشته باشند، هم گروه آلدهیدی و هم گروه هیدروکسیل اولیه در آلدوزها به گروه کربوکسیل اکسید شده و در نتیجه اسیدهای آلدآریک تولید میشوند [3,18].
برخی آنزیمها اکسیداسیون آلدوزها را کاتالیز میکنند. برای مثال، دهیدروژنازها گروه هیدروکسیل اولیه بعضی از آلدوزها را اکسید کرده و اسیدهای یورونیک تولید میکنند. D-گلوکورونیک اسید، D-گالاکتورونیک اسید و D-مانورونیک اسید از جمله ترکیبات بسیاری از هتروپلیساکاریدها هستند.
D-گلوکز میتواند توسط گلوکز اکسیداز به D-گلوکونیک اسید اکسید شود. شکل 3-13، تهیه D-گلوکونیک اسید و گلوکونولاکتونها را نشان میدهد. D-گلوکونیک اسید–δ-لاکتون میتواند به γ-لاکتون تبدیل شود و هر دو در دمای محیط به D-گلوکونیک اسید هیدرولیز میشوند. با پیشرفت هیدرولیز، مقدار pH بهتدریج کاهش مییابد. بنابراین گلوکونولاکتونها میتوانند بهعنوان یک اسیدیکننده ملایم مورد استفاده قرار گیرند. گلوکونولاکتونها کاربردهای فراوانی در محصولات گوشت، لبنی و سویا و همچنین در محصولات نانوایی بهعنوان عامل تخمیر دارند.
احیاء (Reduction)
گروههای کربونیل موجود در مونوساکاریدها میتوانند به گروه هیدروکسیل احیا شوند. احیای یک کتوز به دلیل ایجاد یک مرکز کایرال جدید، دو ایزومر الکل قندی تولید میکند. شکل 3-14 الکلهای قندی حاصل از احیای گلوکز و فروکتوز را نشان میدهد.
استریسازی و اترسازی
به دلیل وجود گروههای هیدروکسیل، قندها میتوانند با اسیدهای آلی یا برخی اسیدهای معدنی استری شوند، مانند D-گلوکز-6-فسفات و D-فروکتوز-1,6-دیفسفات (شکل 3-15). مشتقات استری نشاسته، مانند سوکسینات نشاسته، کاربرد وسیعی در صنایع غذایی پیدا کردهاند. مثال دیگر، استرهای اسید چرب ساکارز است که بهعنوان یک امولسیفایر رایج استفاده میشود.
قندها همچنین میتوانند اتر شوند، اما اترهای قندی که بهطور طبیعی وجود دارند به اندازه استرهای قندی متنوع نیستند. اترسازی پلیساکاریدها میتواند بهطور قابل توجهی ویژگیهای عملکردی آنها را بهبود بخشد. برای مثال، کربوکسیمتیل سلولز (CMC) یکی از استرهای مهم سلولز است که در آب محلول بوده و در صنعت غذا بهعنوان عامل غلیظکننده یا پایدارکننده امولسیون استفاده میشود.
ویژگیهای کربوهیدراتها
رطوبتپذیری (Hygroscopicity)
کربوهیدراتها دارای گروههای هیدروکسیل فراوانی هستند و میتوانند از طریق پیوند هیدروژنی با آب پیوند برقرار کنند. بهعنوان مثال، وقتی مونوساکاریدها یا الیگوساکاریدها در محیطهایی با رطوبت نسبی (RH) مختلف قرار گیرند، میتوانند رطوبت را از هوا جذب کنند (جدول 3-5).
تمام الکلهای قندی، بهجز مانیتول و ایزومالتولوز، بهویژه در رطوبت نسبی بالا خاصیت رطوبتپذیری دارند. مقدار رطوبتپذیری الکلهای قندی با خلوص آنها رابطه دارد؛ ترکیبات با خلوص پایینتر معمولاً رطوبتپذیری بالاتری دارند. الکلهای قندی به عنوان عامل مرطوبکننده در محصولات کرمی و شیرینیهای نرم استفاده میشوند. پلیساکاریدها نیز از هوا رطوبت جذب میکنند و بنابراین ظرفیت بالایی برای نگهداری آب دارند (شکل 3-16).
خاصیت رطوبتپذیری کربوهیدراتها که اغلب به آن ظرفیت حفظ رطوبت گفته میشود، مهمترین ویژگی آنها به شمار رفته و کاربرد آنها در مواد غذایی را تعیین میکند. برای مثال، بهمنظور جلوگیری از چسبندگی پودر شکر پس از بستهبندی، در چنین محصولات از قندهایی با رطوبتپذیری پایین مانند لاکتوز و مالتوز استفاده میشود.
ویسکوزیته و خاصیت ژلدهی
تعریف ویسکوزیته
ویسکوزیته اندازهای از مقاومت یک مایع در برابر تغییر شکل توسط تنش برشی یا کششی است. ویسکوزیته را میتوان با انواع ویسکومترها و رئومترها مانند ویسکومتر موئینهای، ویسکومتر چرخشی، ویسکومتر گلولهافتان و ویسکومتر ارتعاشی اندازهگیری کرد.
محلولهای آبی مونوساکاریدها، الکلهای قندی، الیگوساکاریدها و پلیساکاریدهای محلول، ویسکوز هستند. عوامل متعددی بر ویسکوزیته کربوهیدراتها اثر میگذارند. عوامل داخلی شامل اندازه متوسط مولکولی و شکل زنجیرههای مولکولی هستند و عوامل خارجی شامل غلظت کربوهیدرات، دمای محیط و غیره میباشند.
ویسکوزیته محلولهای پلیساکاریدی
پلیساکاریدها (صمغها، هیدروکلوئیدها) عمدتاً برای غلیظ کردن و/یا ژلدهی محلولهای آبی و یا تغییر و کنترل خواص جریان و بافت مواد غذایی مایع و خواص تغییر شکل مواد غذایی نیمه جامد استفاده میشوند. آنها معمولاً در غلظتهای 0.25 تا 0.5 درصد به کار میروند، که نشاندهنده توانایی بالای آنها برای ایجاد ویسکوزیته و تشکیل ژل است.
ویسکوزیته محلول پلیساکارید به اندازه مولکولی، شکل، بار خالص و ساختار فضایی آنها در محلول بستگی دارد. پلیساکاریدها اغلب بهصورت کویلهای تصادفی در محلول وجود دارند (شکل 3-17) و این ساختارها ارتباط نزدیکی با نوع واحدهای قندی و شیوه اتصال آنها دارند.
پلیساکاریدهای خطی و شاخهدار با درجه پلیمریزاسیون برابر، ویسکوزیته متفاوتی در محلولهای آبی ایجاد میکنند. در مقایسه با پلیساکاریدهای خطی هموزن و همغلظت، محلول پلیساکاریدهای شاخهدار ویسکوزیته کمتری دارد. فرض بر این است که ویسکوزیته منعکسکننده «حجم مؤثر» ماکرومولکول است؛ یعنی حجم یک کره با قطری برابر با بیشترین طول مولکول. مولکولهایی با حجم مؤثر بزرگتر، برخورد بیشتری با یکدیگر دارند؛ بنابراین پلیساکاریدهای خطی حتی در غلظتهای کم، ویسکوزیته بالایی ایجاد میکنند.
پلیساکاریدهای شاخهدار (مانند آمیلوپکتین و گلیکوژن) نسبت به همتایان خطی خود محلولتر هستند، زیرا برهمکنش بین زنجیرهای در آنها کمتر بوده و حلالیت بیشتری دارند. این موضوع خصوصاً در مورد پلیساکاریدهای با شاخهمندی زیاد مشهود است، زیرا حجم مؤثر آنها بسیار کمتر از پلیساکاریدهای خطی است (شکل 3-18).
علاوه بر DP، بازشدگی زنجیره و صلبیت مولکول، ویسکوزیته پلیساکاریدها همچنین تحت تأثیر شکل و انعطافپذیری آنها پس از حل شدن قرار میگیرد.
بار الکتریکی مولکولهای پلیساکاریدی نیز بهطور قابل توجهی بر ویسکوزیته محلول اثر میگذارد. برای مثال، پلیساکاریدهای خطی که دارای گروههای کربوکسیل، سولفات یا فسفات هستند، معمولاً دارای بار منفیاند. دافعه الکترواستاتیک بین مولکولها باعث بازشدگی بیشتر زنجیره و افزایش حجم مؤثر میشود و در نتیجه ویسکوزیته افزایش مییابد. بنابراین pH تأثیر قابل توجهی بر ویسکوزیته محلولهای پلیساکاریدی دارد، زیرا با وضعیت باردار بودن مولکولها ارتباط مستقیم دارد.
ویسکوزیته محلولهای پلیساکاریدی با افزایش دما کاهش مییابد، به جز محلول زانتان که ویسکوزیته آن در محدوده دمایی 0 تا 100 درجه سانتیگراد تقریباً ثابت میماند. علاوه بر این، ویسکوزیته محلولهای زانتان با افزایش نرخ برش کاهش مییابد؛ بنابراین این محلولها رفتار شبهپلاستیک دارند. در عمل، این ویژگی باعث میشود که در سس سالاد، زانتان در حالت سکون داخل بطری، مخلوط را نسبتاً یکنواخت و غلیظ نگه دارد، اما با تکان دادن و ریختن، به دلیل نیروی برشی رقیق شود و بهراحتی روی سالاد ریخته شود؛ سپس پس از توقف جریان دوباره غلیظ شده و روی سالاد باقی بماند.
ژل شدن (Gelation)
ژل شدن یکی دیگر از ویژگیهای مهم پلیساکاریدهاست. در فرآوری مواد غذایی، پلیساکاریدها یا پروتئینها و سایر ماکرومولکولها میتوانند از طریق پیوند هیدروژنی، برهمکنشهای هیدروفوب، جاذبههای واندروالس، پلهای یونی، درهمتنیدگی یا پیوندهای کووالانسی یک ساختار ژل سهبعدی مانند اسفنج تشکیل دهند (شکل 3-19).
مایعاتی که حاوی مواد حلشونده و پلیمرهای کوچک هستند، منافذ شبکه ژل را پر میکنند.
ژلها دارای ویژگیهای هم جامد و هم مایع هستند؛ نه مانند مایعات پیوسته جاری میشوند و نه به اندازه جامدات منظم سخت هستند. در عوض، ژلها نیمهجامدات ویسکوالاستیک هستند و تحت تأثیر تنشهای خارجی نیز شکل خود را حفظ میکنند. ژلهای پلیساکاریدی معمولاً فقط حدود 1% پلیمر دارند – یعنی ممکن است تا 99% آب داشته باشند. مثالهایی از ژلهای پلیساکاریدی شامل ژلهای دسر، آسپیکها، قطعات میوه ساختاریافته، حلقههای پیاز ساختاریافته، خوراک حیوانات خانگی شبهگوشت و آیسینگها هستند.
سفتی یک ژل به میزان تشکیل نواحی اتصالی بستگی دارد. اگر بخشهای اتصالی به اندازه کافی طولانی نباشند، زنجیرهای پلیساکاریدی نمیتوانند بهطور محکم به هم متصل شوند و در این صورت زنجیرها میتوانند بهدلیل افزایش تحرک توسط فشار یا دمای بالا جدا گردند. این نوع ژلها بهراحتی آسیب میبینند و نسبت به حرارت ناپایدارند. اگر ناحیه اتصالی شامل بخشهای زنجیری بلند باشد، برهمکنش بین زنجیرها به اندازهای قوی است که در برابر فشار یا تحریک حرارتی مقاومت کند. ژلهای این نوع سخت و پایدار هستند. بنابراین با کنترل طول ناحیه اتصالی، میتوان ژلهایی با سختی و استحکام متفاوت بهدست آورد.
پلیساکاریدهای شاخهدار یا هتروپلیساکاریدها نمیتوانند بهخوبی مانند مولکولهای خطی به یکدیگر متصل شوند و نواحی اتصالی کافی تشکیل نمیشود، بنابراین ژل تشکیل نمیدهند. همین موضوع در مورد مولکولهای باردار (مانند مولکولهای دارای گروه کربوکسیل) نیز صدق میکند، زیرا دافعه کولن بین زنجیرها از تشکیل ناحیه اتصالی جلوگیری میکند.
نگهداری طعم (Flavor Retention)
آزادسازی ترکیبات آروماتیک از ماتریس غذایی و انتقال آنها به گیرندههای بویایی و چشایی به نوع مواد تشکیلدهنده غذا و خواص فیزیکوشیمیایی ترکیبات آروماتیک وابسته است. مشخص شده است که ماکرومولکولهایی مثل پلیساکاریدها در نگهداری ترکیبات فرّار نقش دارند. پلیساکاریدها روی فرّاریت ترکیبات عطری و توزیع آنها بین فازهای مختلف تأثیر میگذارند [1].
کاربرد کربوهیدراتها ممکن است موجب کاهش قابل توجه در شدت دریافت طعم و/یا آزادسازی آن شود. برخی عوامل تأثیرگذار بر نگهداری یا آزادسازی ترکیبات طعم شامل ویژگیهای فیزیکوشیمیایی ترکیبات طعمی، نوع کربوهیدرات و غلظت آنها است.
بهطور کلی ترکیبات عطری با وزن مولکولی بالاتر تمایل بیشتری به باقی ماندن در ماتریس پلیساکاریدی نسبت به ترکیبات با وزن مولکولی پایین دارند. زنجیرههای خطی بلند بهتر در ماتریس پلیساکاریدی نگهداری میشوند. در میان ترکیبات عطری فرّار مانند الکلها، آلدهیدها، استرها و کتونها، الکلها بیشتر در کربوهیدراتها نگهداری میشوند. ترکیبات طعمی قطبی تمایل کمتری به باقی ماندن در کمپلکسهای کربوهیدراتی دارند.
همچنین افزایش غلظت قندها بهطور معمول باعث افزایش آزادسازی ترکیبات طعمی بهدلیل اثر «salting out» میشود، در حالی که افزایش غلظت پلیساکاریدها منجر به کاهش آزادسازی ترکیبات طعمی میشود، زیرا پلیساکاریدها با ترکیبات طعمی کمپلکس تشکیل داده و همچنین بهدلیل افزایش ویسکوزیته. این دانش در بهینهسازی کیفیت محصول (نگهداری طعم در حین فرآوری و آزادسازی در هنگام مصرف) بسیار کاربرد دارد [2].
قهوهای شدن و طعم غذا
واکنش قهوهای شدن غیرآنزیمی کربوهیدراتها علاوه بر تشکیل ملانوئیدین، مقادیر زیادی ترکیبات فرّار تولید میکند که طعم ویژهای به بادام زمینی، دانههای قهوه و محصولات نانوایی میدهد. برخی ترکیبات مانند مالتول و اتیل مالتول نه تنها دارای طعم ویژه هستند، بلکه طعم سایر ترکیبات را نیز تقویت میکنند. مالتول آستانه حسی ساکارز را تا دو برابر کاهش میدهد. اتیلمالتول اثر تقویتکنندگی شیرینی قویتری نسبت به مالتول دارد.
شیرینی (Sweetness)
شیرینی مقدار نسبی نسبت به ساکارز (که بهعنوان 100 در نظر گرفته میشود) است. همه قندها، الکلهای قندی و الیگوساکاریدها شیرین هستند (جدول 3-6) و برخی گلیکوزیدها و کمپلکسهای پلیساکاریدی شیرینکنندههای بسیار خوبی به شمار میروند. شدت شیرینی به ترکیب، پیکربندی و ویژگیهای فیزیکی قند بستگی دارد. الکلهای قندی اغلب میزان جذب نسبتاً کمی در روده دارند و بنابراین موجب تغییرات کمتری در گلوکز خون میشوند؛ به همین دلیل در میان افراد دیابتی یا رژیمهای کمکربوهیدرات محبوب هستند.
واکنشهای قهوهای شدن غیرآنزیمی
قهوهای شدن غیرآنزیمی نوعی فرآیند شیمیایی است که منجر به تشکیل رنگ قهوهای بدون دخالت آنزیمها میشود. دو نوع اصلی آن کاراملیزاسیون و واکنش مایارد هستند. اسید آسکوربیک و ترکیبات فنولی نیز میتوانند در شرایط خاص در قهوهای شدن غیرآنزیمی درگیر شوند.
واکنش مایارد و مراحل آن
واکنش مایارد واکنشی پیچیده بین قندهای احیاکننده و آمینها/پروتئینهاست. این واکنش معمولاً به سه مرحله تقسیم میشود:
۱) مرحله اولیه شامل تشکیل باز شیف و تولید محصول آماروری؛
۲) مرحله میانی شامل تولید فورفورالها و ترکیبات کربونیل؛
۳) مرحله نهایی شامل تشکیل ملانوئیدینها.
(مکانیسمهای مربوطه و مسیرهای فرعی مانند مسیر نامیکی نیز توضیح داده شدهاند ولی جهت خلاصهسازی ترجمه به همان صورت آمده.)
کاراملیزاسیون
گرم شدن کربوهیدراتها در غیاب ترکیبات نیتروژندار باعث مجموعهای از واکنشها تحت عنوان کاراملیزاسیون میشود. این واکنش شامل ایزومریزاسیون، دهیدراتاسیون و تشکیل پیوندهای جدید بوده و منجر به تولید صدها ترکیب طعمی و رنگی میگردد. مرحله اول شامل ذوب و تجزیه ساکارز به گلوکز و فروکتوز است. در مراحل بعدی کارامِلان و سپس کاراملین و کاراملین تشکیل میشوند، که محصول نهایی رنگ قهوهای تیره و غیرمحلول در آب است.
قهوهای شدن اسید آسکوربیک و ترکیبات فنولی
اسید آسکوربیک در حضور اکسیژن به دهیدروآسکوربیک اسید اکسید شده و متعاقباً به ترکیبات دیکتوگولونیک و سپس ردوکتونها تبدیل میشود که میتوانند در واکنش مایارد شرکت کنند و رنگ قهوهای تولید کنند.
پلیفنولها نیز بهخصوص در شرایط گرما و رطوبت بالا دچار اکسیداسیون خودبهخودی شده و ترکیبات رنگی ایجاد میکنند. برای مثال، کتچین در اثر اکسیداسیون به ترکیبات زرد تا قهوهای مایل به قرمز تبدیل میشود.
اثرات واکنشهای قهوهای شدن غیرآنزیمی بر غذاها
این واکنشها در طول نگهداری یا فرآوری مواد غذایی بسیار مهم هستند و بر رنگ، عطر، طعم، ارزش تغذیهای و ایمنی مواد غذایی تأثیر چشمگیری دارند. برخی محصولات این واکنشها مطلوب (مثلاً طعم نان و قهوه) و برخی نامطلوب (طعم سوختگی و کاهش کیفیت تغذیهای) هستند.
خاصیت آنتیاکسیدانی
فعالیت آنتیاکسیدانی محصولات واکنش مایارد (MRPs) برای اولین بار در سال 1954 توسط فرنزکه و ایوینسکی گزارش شد. این دو پژوهشگر دریافتند که محصول واکنش حرارتی گلیسین و گلوکز پایداری مارگارین را در برابر اکسیداسیون بهبود میدهد [8]. با این حال، این پژوهش تا دهه 1980 توجه چندانی را به خود جلب نکرد. ترکیبات آنتیاکسیدانی موجود در MRPs هنوز شناسایی نشدهاند و فعالیت آنتیاکسیدانی آنها عمدتاً با استفاده از سیستمهای مدل مورد مطالعه قرار گرفته است.
الیزالده و همکاران گزارش کردند که ترکیبات فرّار حاصله از واکنش گلوکز-گلیسین دارای فعالیت آنتیاکسیدانی قابل توجهی هستند و دوره القای اکسیداسیون حرارتی روغن سویا را تا ۳ برابر نسبت به شاهد افزایش میدهند [9]. بدینگهاوس و اکِرمن فعالیت مهارکنندگی اکسیداسیون چربی در پانزده MRP تولید شده از حرارت دادن یکی از سه قند (گلوکز، زایلوز و دیهیدروکسیاستون) با یکی از پنج اسید آمینه (آرژنین، هیستیدین، لوسین، لیزین و تریپتوفان) را در مدل غذایی گوشت چرخکرده پخته مقایسه کردند. مؤثرترین MRPها ترکیبات زایلوز–لیزین، زایلوز–تریپتوفان، دیهیدروکسیاستون–هیستیدین و دیهیدروکسیاستون–تریپتوفان بودند [10].
یاماگوچی و همکاران بخشی از MRP سیستم زایلوز–گلیسین را جداسازی کردند و دریافتند که این جزء در جلوگیری از اکسیداسیون اسید لینولئیک مؤثرتر از BHA و پروپیل گالات است [11]. یوشیمورا و همکاران فعالیت مهارگونه اکسیژن فعال توسط MRP سیستم گلوکز–گلیسین را بررسی کرده و گزارش کردند که این محصولات بیش از 90% رادیکالهای هیدروکسیل (•OH) را مهار میکنند [12].
مورالس و خیمنس-پرز فعالیت پاکسازی رادیکال DPPH· مربوط به MRPs حاصل از حرارت دادن گلوکز یا لاکتوز با لیزین، آلانین یا گلیسین را بررسی کرده و نشان دادند که تمام MRPs عوامل مؤثر در پاکسازی رادیکال DPPH هستند. میزان قهوهای شدن رابطه مستقیمی با خاصیت پاکسازی رادیکالها ندارد و اندازهگیری فلورسانس نسبت به اندازهگیری قهوهایشدن برای پیگیری تشکیل MRPs با خاصیت آنتیاکسیدانی مؤثرتر است (شکل 3-35).
اگرچه اثرات آنتیاکسیدانی MRPs بهخوبی شناخته شدهاند، کاربرد آنها در غذاها هنوز محدود است زیرا اطلاعات کافی در مورد ساختار و مکانیسم آنتیاکسیدانی آنها وجود ندارد. پژوهشهای اولیه نشان دادند که توانایی آنتیاکسیدانی MRPs از ردوکتونهای واسط در واکنش مایارد و همچنین قابلیت کیلیتکنندگی فلز در این محصولات ناشی میشود. مطالعات جدید نشان میدهند که MRPs دارای توانایی قوی در حذف اکسیژن فعال بوده و میتوانند پراکسیدها را کاهش دهند.
اثرات بر تغذیه
یکی از بارزترین نتایج منفی واکنش مایارد، کاهش ارزش تغذیهای پروتئینها است؛ زیرا قابلیت هضم، دسترسی و فعالیت زیستی اسیدهای آمینه (بهویژه لیزین و تریپتوفان) کاهش مییابد و همچنین فعالیت آنزیمهای پروتئولیتیک و گلیکولیتیک مهار میشود.
لیزین بیش از همه در واکنشهای قهوهای شدن غیرآنزیمی از بین میرود و بعد از آن اسیدآمینههای قلیایی مانند آرژنین و هیستیدین قرار دارند. تشکیل ماکرومولکولهای پیچیده همچنین باعث کاهش حلالیت پروتئینها و در نتیجه کاهش ارزش تغذیهای آنها میشود.
ویتامین C نیز در واکنش قهوهای شدن شرکت کرده و بنابراین در طول این فرآیند دچار افت میشود.
همچنین محصولات قهوهای شدن باعث کاهش زیستفراهمی مواد معدنی میشوند؛ برای مثال در حضور گلوکز و اسیدهای آمینه، ترکیباتی با وزن مولکولی بالا تشکیل میشوند که یونهای فلزی (مانند Zn²⁺) را کیلیت کرده و مانع جذب آنها میگردند.
ترکیبات مضر
ایمنی محصولات واکنش مایارد در سالهای اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. با پیشرفت روشهای تحلیلی، ترکیبات مضری از جمله متیلگلیاکسال، دیاستیل و گلیاکسال در قهوه فوری و گوشتهای سرخشده یا کبابی شناسایی شدهاند. یکی از مهمترین ترکیبات مضر آکریلآمید است که در دماهای بالا از ترکیباتی مثل گلوکز و آسپاراژین تولید میشود و خاصیت سرطانزایی و نوروتوکسیسیتی دارد.
عوامل مؤثر بر قهوهای شدن غیرآنزیمی
- نوع قند و اسیدآمینه: پنتوزها سریعتر از هگزوزها واکنش میدهند. اسیدآمینههای قلیایی نسبت به اسیدآمینههای خنثی یا اسیدی واکنشپذیرترند.
- دما و زمان: افزایش دما و زمان، سرعت و شدت قهوهای شدن و نیز تشکیل ترکیبات مضر (مانند آکریلآمید) را افزایش میدهد.
- pH: واکنش مایارد در محیط قلیایی سریعتر انجام میشود و در pH پایین سرکوب میگردد.
- مقدار آب: فعالیت آبی متوسط (10–15%) واکنش را تسریع میکند، در حالی که فعالیت آبی بسیار کم یا بسیار زیاد آن را مهار میکند.
- فلزات: یونهای مس و آهن سرعت قهوهای شدن را افزایش میدهند.
- فشار بالا: فشار بالا (100–1000 MPa) میتواند با تغییر pH محیط بر واکنش مایارد تأثیر بگذارد.
کنترل قهوهای شدن غیرآنزیمی
روشهای شیمیایی و بیوشیمیایی جهت کنترل این واکنشها عبارتند از:
- استفاده از ترکیبات تیولدار (مانند سیستئین یا گلوتاتیون)
- استیلاسیون گروههای آمینی (کاهش واکنشپذیری لیزین)
- استفاده از آنتیاکسیدانها
- دگلایسیاسیون (Deglycation) توسط آنزیمها
و همچنین: - کاهش دما
- افزودن SO₂ یا بیسولفیت
- کاهش pH
- رقیقسازی محصول
- جایگزینی قند احیاکننده با ساکارز
- حذف قند (مثلاً با استفاده از گلوکز اکسیداز)
- افزودن نمکهای کلسیم (کلاتهکردن اسیدهای آمینه)
گلیکوژن
گلیکوژن که به آن «نشاسته حیوانی» نیز گفته میشود، اصلیترین کربوهیدرات ذخیرهای در بافتهای عضله و کبد حیوانات است. از آنجـا که گلیکوژن تنها حدود 0.02 تا 0.1 درصد وزن تر بافتهای حیوانی را تشکیل میدهد، اهمیت آن در صنعت غذا نسبت به نشاسته کمتر است. گلیکوژن در مقایسه با نشاسته شاخهدارتر بوده و از نظر ساختاری شبیه آمیلوپکتین است.
سلولز و همیسلولز
سلولز
سلولز جزء اصلی دیواره سلولی گیاهان است و معمولاً با همیسلولز، پکتین و لیگنین همراه است. نوع و میزان این پیوندها نقش مهمی در بافت محصولات گیاهی دارند. سلولز توسط آنزیمهای دستگاه گوارش انسان قابل هضم نیست و بنابراین منبع خوبی از فیبر غذایی محسوب میشود.
سلولز یک هموپلیساکارید خطی است که از واحدهای D-گلوکوپیرانوز متصل از طریق پیوند β-1،4 تشکیل شده است. سلولز طبیعی دارای نواحی کریستالی و آمورف است؛ ناحیه آمورف نسبت به حلالها و مواد شیمیایی حساستر است و از این خاصیت برای تهیه سلولز میکروکریستالی استفاده میشود (در این حالت ناحیه آمورف با اسید هیدرولیز شده و ناحیه کریستالی باقی میماند). وزن مولکولی سلولز میکروکریستالی در محدوده 30 تا 50 کیلو دالتون است و با نام تجاری Avicel عرضه میشود. این ترکیب در آب نامحلول است و در غذاهای کمکالری بهعنوان عامل پرکننده و کنترلکننده رئولوژی استفاده میشود.
کربوکسیمتیل سلولز (CMC)
CMC پرکاربردترین مشتق سلولز است و از واکنش سلولز قلیایی با کلرواستیک اسید بهدست میآید. DS تجاری CMC در محدوده 0.3 تا 0.9 و DP در محدوده 500 تا 2000 قرار دارد.
CMC دارای زنجیرههای بلند و نسبتاً سخت است و بار منفی دارد. محلول CMC ویسکوز بوده و به دلیل دافعه الکترواستاتیکی پایدار است. این خواص به DS و DP بستگی دارد.
CMC با DS 0.71.0 برای افزایش ویسکوزیته موادغذایی استفاده میشود و محلول آن رفتار شبهپلاستیک دارد. محلول CMC در pH 510 محلول و پایدار است.
CMC در ژلهها، پرکنندهها، پنیرهای فرآوریشده، سسها و کیکها بهعنوان عامل چسبندگی و غلیظکننده استفاده میشود و به دلیل توان بالای نگهداری آب در بستنی برای جلوگیری از تشکیل کریستال یخ بسیار کاربرد دارد.
متیلسلولز (MC) و هیدروکسیپروپیل متیلسلولز (HPMC)
MC یکی از مشتقات اترشده سلولز است و با کلروفرم در محیط قلیایی تولید میشود (DS: 1.1 تا 2.2). ویژگی بارز MC خاصیت ژلشوندگی آن است: ویسکوزیته در ابتدا با افزایش دما کاهش یافته و سپس بهطور ناگهانی افزایش مییابد. MC در بدن انسان هضم نمیشود و کالری صفر دارد.
HPMC با متیل کلرید و اکسید پروپیلن تولید میشود و رفتار ژلشوندگی مشابه MC دارد.
MC و HPMC قابلیت جذب آب و کاهش جذب روغن را افزایش میدهند و در سسها، غذاهای سرخشده، روکشهای خوراکی و بهعنوان جانشین چربی استفاده میشوند.
همیسلولز
همیسلولز همراه با سلولز در دیواره سلولی گیاهان وجود دارد و برخلاف سلولز از مونوساکاریدهای مختلف (مانند زایلوز، مانوز، گالاکتوز، رامنوز، و آرابینوز) تشکیل شده است.
در صنعت غذا، همیسلولز عمدتاً در محصولات نانوایی برای افزایش قابلیت نگهداری آب آرد، بهبود قابلیت ورزدهی خمیر و افزایش حجم نان استفاده میشود. همیسلولز یک منبع مهم فیبر غذایی نیز میباشد.
پکتین
پکتینها پلیمرهایی از اسید D-گالاکتوپیرانوسیلورونیک هستند که از طریق پیوند α-1,4 به هم متصل شدهاند. پکتینها بر اساس میزان متوکسیله شدن (DE) به دو نوع پکتین با متوکسیل بالا (DE>50%) و کم (DE<50%) تقسیم میشوند.
پکتین با DE بالا در pH پایین و غلظت بالای ساکارز (58–75%) ژل تشکیل میدهد، در حالی که پکتین با DE پایین برای ژلشدن به حضور یونهای دو ظرفیتی (Ca²⁺) نیاز دارد و میتواند در طیف وسیعتری از pH (2.5–6.5) ژل شود.
پکتین با DE پایین در تولید مرباها و ژلههای رژیمی (بدون شکر) کاربرد دارد.
آگار
آگار پلیساکاریدی ژلساز است که از برخی جلبکهای قرمز استخراج میشود.
آگار از واحدهای β-D-گالاکتوپیرانوز و 3,6-آنهیدرو-α-L-گالاکتوپیرانوز تشکیل شده که از طریق پیوندهای 1→4 و 1→3 به هم متصلاند.
آگار در آب سرد نامحلول است اما در آب داغ حل میشود و دارای قدرت ژلدهی بسیار بالا است. در صنایع غذایی در پودینگها، ژلهها، بستنی و آبنباتها استفاده میشود. همچنین به دلیل عدم هضم در دستگاه گوارش منبع خوبی از فیبر است.
کاراگینان
کاراگینانها مخلوطی از گالاکتانهای سولفاته هستند که از جلبکهای قرمز استخراج میشوند. زنجیره کاراگینان از واحدهای گالاکتوپیرانوز تشکیل شده که به صورت متناوب دارای پیوندهای (1→3) و (1→4) هستند و اغلب دارای گروههای نیماستر سولفات میباشند.
کاراگینانها بر اساس محل قرارگیری گروههای سولفات به انواع κ، ι و λ (و چند نوع دیگر) تقسیم میشوند که سه نوع اول از نظر تجاری مهمترند.
این ترکیبات در حضور یونهای خاص ژل تشکیل میدهند و بهعنوان عامل غلیظکننده، پایدارکننده امولسیون، سوسپانسیونکننده و ژلدهنده در محصولات لبنی، دسرها، نوشیدنیها و محصولات گوشتی استفاده میشوند.
آلژینات
آلژینات (آلژین یا اسید آلژینیک) پلیساکارید آنیونی استخراجشده از جلبکهای قهوهای است که معمولاً بهصورت نمک سدیمی عرضه میشود.
ساختار آن یک کوپلیمر خطی از واحدهای اسید مانوپیرانوزیلورونیک و گولوپیرانوزیلورونیک است که از طریق پیوند 1→4 متصل شدهاند.
آلژیناتها با یونهای کلسیم ژل تشکیل میدهند و در محصولات متعددی مانند بستنی، سسها، ژله گوشت و نوشیدنیها برای غلیظکردن، ژلدهی و پایداری استفاده میشوند.
کیتین و کیتوسان
کیتین دومین پلیساکارید طبیعی فراوان در جهان (پس از سلولز) است و حاوی قندهای آمینه میباشد. کیتوسان محصول دیاستیلاسیون کیتین است و به دلیل بهبود حلالیت و ویژگیهای عملکردی، کاربردهای گستردهتری دارد.
کیتین پلیمر خطی N-استیلگلوکوزآمین است که با پیوند β-1,4 به هم متصل شدهاند. این ترکیب در آب نامحلول بوده و تنها در برخی حلالهای خاص حل میشود.
کیتوسان پلیمر خطی حاوی D-گلوکوزآمین و N-استیلگلوکوزآمین است و با داشتن بار مثبت، یک پلیمر قطبی مناسب برای کاربردهای غذایی (بهعنوان پایدارکننده، ژلدهنده و روکش خوراکی) محسوب میشود.
کاربردهای کیتوسان در صنعت غذا
عامل ضدباکتری
کیتوسان و مشتقات آن دارای فعالیت ضدباکتری قوی هستند. بهدلیل بار مثبت، کیتوسان به غشاءهای دارای بار منفی باکتریها متصل شده و باعث نشت پروتئینها و سایر ترکیبات داخل سلولی میشود.
نگهدارنده میوهها
کیتوسان میتواند از فساد و پوسیدگی میوههایی مانند هلو، کیوی، خیار، فلفل و توتفرنگی جلوگیری کرده و طول عمر نگهداری آنها را افزایش دهد. دلیل این امر توانایی بالای تشکیل فیلم است. فیلم ایجادشده از انتشار اکسیژن به داخل میوه و خروج CO₂ جلوگیری کرده و در عین حال اجازه خروج اتیلن (گاز رسیدگی) را میدهد.
آنتیاکسیدان
گزارش شده است که افزودن ۱٪ کیتوسان، مقدار شاخص اکسیداسیون TBA گوشت را پس از ۳ روز نگهداری در ۴ درجه سانتیگراد تا ۷۰٪ کاهش میدهد. این اثر به قابلیت کیلیتکنندگی یونهای آهن آزادشده از هموپروتئینها نسبت داده میشود.
جزء عملکردی
کیتوسان پس از مصرف، با تریگلیسرید، اسیدهای چرب، اسیدهای صفراوی و کلسترول ترکیبات غیرقابل هضم تشکیل میدهد. بدن برای جایگزینی اسید صفراوی دفعشده، شروع به مصرف کلسترول میکند، لذا سطح کلسترول خون و کبد کاهش مییابد.
شفافکننده آبمیوه
کدورت آبمیوهها ناشی از پکتین، سلولز، تانن و پنتوزان با بار منفی است. کیتوسان دارای بار مثبت بوده و با این ترکیبات پیوند داده و آنها را تهنشین میکند. همچنین به علت تمایل بالا به ترکیبات پلیفنولی، در شفافسازی شراب نیز استفاده میشود.
شفافکننده آب
کیتوسان قادر است پلیکلروبایفنیلها (PCB) را بهتر از کربن فعال حذف کند. ترکیب کیتوسان با بنتونیت و دیگر منعقدکنندهها باعث کاهش رنگ، بو، کدورت و COD آب میشود.
کاربردهای کیتوالیگوساکاریدها (COS) در صنعت غذا
تنظیمکننده میکروبیولوژیکی
COS عامل رشد بیفیدوباکتریها بوده و رشد باکتریهای مفید روده را تحریک میکند و در عین حال مانع رشد باکتریهای مضر میشود.
شیرینکننده عملکردی
چیتوبیوز و چیتوتریوز دارای طعم شیرین خوشایندی هستند و نسبت به ساکارز از پایداری حرارتی بالاتری برخوردارند. این ترکیبات توسط بدن هضم نمیشوند و برای بیماران دیابتی و رژیمهای کمکالری مناسباند.
عامل ضدباکتری
فعالیت ضدباکتریایی COS به وزن مولکولی و pH محیط بستگی دارد. COS با وزن مولکولی حدود 1500 بیشترین فعالیت را دارد و در محیط اسیدی مؤثرتر عمل میکند. COSهای زنجیرهکوتاه میتوانند وارد سلول شده و با اتصال به DNA، سنتز RNA و پروتئین را مهار کنند.
در سس سویا، COS مؤثرتر از بنزوات در مهار رشد کپکها بوده و طعم و رنگ سس را تغییر نمیدهد.
نگهدارنده (پوششدهنده)
بهدلیل وجود گروههای آزاد آمین و هیدروکسیل، COS قابلیت بالایی برای نگهداری آب دارد. مخلوط COS با کیتوسان با وزن مولکولی بالا بهعنوان پوشش برای میوهها و سبزیجات استفاده میشود و از تبخیر آب و از دست رفتن ویتامین C جلوگیری کرده و طول عمر نگهداری را افزایش میدهد.
افزایشدهنده جذب کلسیم
COS با درجه پلیمریزاسیون (DP) 3 تا 7 میتواند دفع کلسیم مدفوعی را کاهش داده و استحکام استخوان را افزایش دهد، در حالی که کیتوسان معمولاً جذب کلسیم را کاهش میدهد.
فیبر غذایی (Dietary Fiber)
فیبرهای غذایی (DF) در گذشته بهعنوان مواد الیاف خام غیرمغذی تلقی میشدند و از نظر تغذیهای حائز اهمیتی نبودند. با این حال، با بهبود سریع شرایط اقتصادی و افزایش سطح زندگی، الگوی تغذیه مردم بهطور چشمگیری تغییر کرده است. سهم غذاهای گیاهی در رژیم غذایی کاهش یافته و در مقابل مصرف غذاهای منشأ حیوانی با کالری بالا، پروتئین زیاد و میزان چربی بالا بهطور قابل توجهی افزایش یافته است، که این موضوع موجب بروز عدم تعادل تغذیهای شده است. در نتیجه این عدم تعادل، شیوع چاقی، فشار خون بالا، دیابت، سرطان و بیماریهای قلبیعروقی بهطور پیوسته در حال افزایش است. بروز این بیماریها به کاهش مصرف فیبر غذایی نسبت داده شده و اینک فیبر غذایی بهعنوان «هفتمین ماده مغذی ضروری» مورد پذیرش عمومی قرار گرفته است.
ساختار و ویژگیها
تعریف
در سال ۱۹۸۷، FDA و WHO فیبر غذایی را «مادهای که با روش AOAC 985.29 جدا میشود» تعریف کردند.
در سال ۱۹۹۸، انجمن غلات آمریکا (AACC) فیبر غذایی را چنین تعریف نمود:
«بخشهای خوراکی گیاهان یا کربوهیدراتهای مشابه که در روده کوچک انسان قابل هضم و جذب نیستند و در روده بزرگ بهصورت کامل یا جزئی تخمیر میشوند. فیبر شامل پلیساکاریدها، الیگوساکاریدها، لیگنین و ترکیبات همراه گیاهان است و اثرات فیزیولوژیکی مفیدی مانند تسهیل دفع، کاهش کلسترول خون و کاهش قند خون دارد.»
این تعریف در سطح جهانی مورد پذیرش قرار گرفته است.
طبقهبندی
بر اساس حلالیت
- فیبر محلول (SDF): در آب گرم/داغ محلول میشود و آب را جذب کرده و ژل تشکیل میدهد (مانند پکتین، صمغ عربی، صمغ گوار، آگار و برخی همیسلولزها).
- فیبر نامحلول (IDF): در آب نامحلول است و اجزای ساختمانی دیواره سلولی گیاهان را تشکیل میدهد، مانند سلولز، همیسلولز، لیگنین، پروتوپکتین و همچنین کیتین و کیتوسان (منشأ حیوانی).
بر اساس منبع
فیبر میتواند از گیاهان یا جانوران استخراج شود یا بهصورت سنتزی تولید شود. منبع اصلی فعلی آن گیاهان هستند. کیتین و کیتوسان نمایندگان فیبر حیوانی به شمار میروند.
خواص فیزیکوشیمیایی
| ویژگی | توضیح |
|---|---|
| حلالیت و ویسکوزیته | فیبرهای خطی (مثل سلولز) نامحلولاند. اما فیبرهای ساختار نامنظم (مثل پکتین) در آب محلول میباشند. فیبرهای محلول پس از دریافت در دستگاه گوارش اغلب رفتار ویسکوالاستیک داشته و میتوانند با چربی، کلسترول و فلزات سنگین کمپلکس تشکیل دهند. |
| ظرفیت نگهداری آب | اغلب فیبرها به دلیل داشتن گروههای هیدروفیل، مقدار زیادی آب جذب میکنند. این خصوصیت به منبع، ساختار و اندازه ذرات بستگی دارد. |
| جذب ترکیبات آلی | گروههای فعال موجود در سطح فیبر میتوانند اسید صفراوی، کلسترول و ترکیبات موتاژن را در روده جذب کرده و متابولیسم آنها را تحت تأثیر قرار دهند. |
| پیوند و تبادل کاتیونی | برخی فیبرها دارای گروههای کربوکسیل و هیدروکسیل هستند و میتوانند یونهایی مانند Ca²⁺، Fe²⁺، Zn²⁺ و Pb²⁺ را جذب یا تبادل کنند. به همین دلیل در کاهش فشار خون و حذف فلزات سنگین نقش دارند. |
| پریبیوتیک بودن | فیبرها عمدتاً در روده بزرگ تخمیر میشوند و منبع غذایی برای میکروارگانیسمهای مفید روده محسوب میشوند. |
| اثر حجیمکنندگی | فیبر با جذب آب منبسط شده و موجب احساس سیری میشود و جذب سایر مواد غذایی را کندتر میکند، بنابراین از چاقی جلوگیری میکند. |
متابولیسم
فیبر غذایی در دهان، معده و روده کوچک هضم نمیشود و تنها در روده بزرگ تا حدی تخمیر میشود. فیبرهای محلول مانند پکتین بهراحتی توسط میکروارگانیسمها تخمیر میشوند و اسیدهای چرب کوتاهزنجیر تولید میکنند که میتوانند جذب و حتی بهعنوان منبع انرژی استفاده شوند.
ملاحظات ایمنی
با اینکه فیبرها فواید متعددی دارند، مصرف بیشازحد آنها میتواند باعث ناراحتی گوارشی و کاهش جذب چربی، پروتئین، و عناصر ضروری شود.
فیبرهای محلول مانند گوارگام در روده تخمیر شده و گازهایی مثل CO₂ و CH₄ تولید میکنند که ممکن است موجب نفخ شود.
برخی فیبرها میتوانند جذب ویتامینها (مثل ویتامینهای محلول در چربی) را کاهش دهند.
میزان مصرف توصیهشده:
– FDA: 20–35 گرم در روز برای بزرگسالان
– ژاپن: ≥20 گرم در روز
– چین (انجمن تغذیه): 30.2 گرم در روز
