Tehnologija hrane

Autor: dipl. ing. Biljana Pešović
Mentor: prof. dr Ljiljana Petrović

Sagledavajući nedostatke u ishrani ljudi u visokorazvijenim zemljama, već duže vreme nutricionisti ističu važnost prehrambenih vlakana u postizanju, održavanju i poboljšanju zdravlja ljudi. Prehrambena vlakna su ostaci biljnih materijala koja se ne vare u digestivnom traktu čoveka, a koriste se u medicinskoj nutritivnoj terapiji kod lečenja metaboličkih poremećaja, prevenciji kardiovaskularnih bolesti i oboljenja (Wisker i sar, 1985., Augustin i sar, 1987., Vetter 1990., Klopfenstein 1990a., 1990b).

Osobine prehrambenih vlakana se veoma razlikuju i zavise od porekla i vrste vlakana, načina i postupka proizvodnje. Prehrambena vlakna mogu da daju masu hrani, povećavaju viskozitet, obrazuju gel i da zamenjuju mast ili samo da daju utisak prisustva masne komponente, ali mogu da imaju i još mnoge druge funkcije (Klopfenstein 1990a., 1990b., Nelson 2001)
.

Definicija prehrambenih vlakana

Prehrambena vlakna ne predstavljaju tačan opis jedne komponente nego se odnose na heterogenu grupu komponenata sa različitim funkcionalnim osobinama. Hispley je 1953. godine pod prehrambenim vlaknima označio materije koje grade ćelijske zidove, ne hidrolizuju se u humanom digestivnom traktu, a povećavaju masu fecesa. Početkom sedamdesetih godina Trovell je pod prehrambenim vlaknima podrazumevao nesvarljive biljne ostatke, a polovinom sedamdesetih je (1976. god) definiciju prehrambenih vlakana proširio na nesvarljive ugljene hidrate i lignin.

U stručnim i naučnim radovima sedamdesetih godina dvadesetog veka koristio se naziv neskrobni polisaharidi (NSP) koji označava veliki broj različitih molekula polisaharida, izuzev skoba, koji se ne vare i ne apsorbuju u želucu ili tankom crevu, već prolaze dalje do debelog creva ljudskog organizma. NSP sačinjavaju različiti polisaharidi sastavljeni od pentoza (ksiloza i arabinoza) ili heksoza (ramnoza, glukoza i galaktoza) i uronske kiseline. Neki se nalaze u zidovima biljnih ćelija, a neki su u obliku guma i sluzi. NSP imaju složenu strukturu koja gradi ćelijske zidove biljaka, te imaju ulogu nosioca skeleta biljaka (Chochet, 1997).

Prva klasifikacija NSP je bila zasnovana na postupku ekstrakcije i izolovanja polisaharida. Ostaci materija koje čine ćelijske zidove, a koji su preostali nakon serije alkalnih ekstrakcija nazivaju se celuloza, a frakcije ostatka koje se rastvaraju u alkaliji nazvane su hemiceluloza. Termin sirova celuloza (CF) odnosi se na onaj deo biljnog materijala koji zaostaje nakon tretmana ekstrakcije sa kiselinom i alkalijom i sadrži različite količine nerastvorljivih NSP. Zbog složene strukture neskrobni polisaharidi, NSP, su klasifikovani u tri glavne grupe koje se označavaju kao celuloza, necelulozani polimeri i pektinski polisaharidi (Chochet 1997).

Deifnicija prehrambenih vlakana se promenila, odnosno unapredila 2001. godine kada je udruženje američkih hemičara cerealista (AACC) uvojilo sledeću definiciju: prehrambena vlakna čine ostaci jestivih biljnih ćelija, polisaharidi, lignin i slične materije koje ne podležu hidrolizi ili nisu svarljivi u humanom digestivnom traktu. Komponente koje su obuhvaćene ovom definicijom su celuloza, hemiceluloza, lignin, inulin, gume, modifikovana celuloza, sluzi, oligosaharidi, pektini, voskovi, kutin i suberin (Guillon i sar, 2000., De Vries, 2001., Asp, 2004).
.

Podela i struktura prehrambenih vlakana

Komponente vlakana se razlikuju po strukturi osnovnog polimera i / ili bočnih lanaca. Oni grade dvodimenzionalnu strukturu koja utiče na prostornu, trodimenzionalnu strukturu, odnosno na način interakcije polimera. Kada se koriste vlakna veoma je važno poznavanje njihovog hemijskog sastava i strukture, jer od njih zavise njihove funkcije (Nelson, 2001).

Na osnovu hemijske strukture neskrobnih polisaharida i sposobnosti pojedinih frakcija da se ekstrahuju u definisanim uslovima pH i temperature primenjenog rastvarača nastala je podela prehrambenih vlakana na rastvorljiva i nerastvorljiva. Rastvorljivim vlaknima su se smatrali oni neskrobni polimeri koji sprečavaju usvajanje glukoze i masti iz tankog creva, jer su veoma viskozna i obrazuju gel u crevima, a vlakna koja imaju uticaj na funkciju žuči smatrala su se nerastvorljivim. Dalja istraživanja su pokazala da ova jednostavna podela nije dovoljno selektivna i precizna, jer neka rastvorljiva vlakna razlaže crevna flora do usvojivih sastojaka. Sva rastvorljiva vlakna ne utiču na apsorpciju glukoze i masti. Naziv rastvorljiva vlakna se odnosi na vlakna koja obrazuju gel (Nelson, 2001).
.

Nerastvorljiva prehrambena vlakna

Celuloza je strukturni element ćelijskih zidova biljaka i predstavlja jednu od komponenata nerastvorljivih prehrambenih vlakana. Po hemijskom sastavu je poliglukan različite dužine lanaca kod koga su molekuli glukoze vezani ß-1,4 glikozidnom vezom i ne razgrađuje ga enzim humanog digestivnog trakta (Gray, 2003). Makromolekul celuloze je linearan i ne obrazuje spiralne oblike, već fibrile i kristale nerastvorljive u vodi i u skoro svim vodenim rastvorima (na primer rastvori kiselina i baza) (Stauffer, 1993., Jalili i sar, 2001). ß-glukozni lanci su postavljeni paralelno jedan prema drugom. Iako svaki lanac može biti nekoliko hiljada jedinica dug, oni počinju i završavaju se na različitom mestu tako da su mikrofibrili veoma dugi i mogu da se omotaju oko svake ćelije. Celuloza je obično povezana sa ostalim supstancama za izgradnju (Mc Cleary,2001).

Slika 1. Celuloza

Hemiceluloza obuhvata kompleksne polimere čiji osnovni lanac čine ksilani, glukomanani i galaktani, a bočni lanci su galaktoza, arabinoza i razne uronske kiseline. Kod cerealija ksilani su linearni polimeri koji se sastoje od D-ksiloze, odnosno pentoze, dok su glukomanani linearni polimeri koji se sastoje od dve heksoze i to D-glukoze i D-manoze. Galaktani su linearni polimeri koji se sastoje od heksoze, odnosno D-galaktoze.

U osnovnim molekulskim lancima šećeri su vezani ß-1,4 vezama, kao i kod celuloze, te se lanci ne uvijaju, nego ostaju linearni. Bočni lanci su vezani na svaki drugi ili treći molekul šećera u polimeru. Sastav šećera u makromolekulu hemiceluloze zavisi od njenog porekla (Stauffer, 1993).

Lignin je sastojak koji spaja celulozu i hemicelulozu u ćelijama biljke. To je polimer aromatičnih ugljovodonika nastao kondenzacijom fenilpropana i/ili vanilina i etilvanilina, veoma je složene strukture. Karakteriše ga manja sposobnost hidratacije što utiče na ukupnu sposobnost vezivanja vode prehambenih vlakana (Stauffer, 1993., Jalili, 2001).

Inulin spada u grupu prirodnih oligosaharida (nekoliko prostih šećera povezanih glikozidnom vezom), koji ulazi u sastav različitih biljaka. Oni pripadaju grupi ugljenih hidrata poznatih kao fruktoze, izgrađen je od jedinica fruktofuranoze povezanih 2,1-vezom, a lanac se završava glukozom (Karlson,1988). U nekim biljkama inulin predstavlja glavnu rezervu energije, a obično se nalazi u korenu i rizomima. Većina biljaka koje sintetišu i skladište inulin, ne sadrže druge, slične materije, kao što je skrob (www.wikipedia.com).

Inulin se sve više upotrebljava u ishrani čoveka, zbog velikog nutritivnog i fiziološkog značaja. Ima prijatan, veoma blago sladak ukus i može se koristiti kao zamena za šećer. Značajna prednost proizilazi iz toga što inulin sadrži 1/3 do 1/4 energije u odnosu na šećer i ostale ugljene hidrate, i 1/6 do 1/9 energije u odnosu na mast. On takođe potpomaže apsorpciju kalcijuma i magnezijuma iz hrane i stvara povoljnije uslove za rast i razvoj bakterija crevne mikroflore digestivnog trakta. Inulin i ostale oligofruktoze su otporni na varenje u tankom crevu, dok u debelom crevu fermentišu, zbog čega ga nutricionisti svrstavju u grupu prehrambenih vlakana (Mc Cleary, 2001). Bitno je napomenuti da konzumuranje veće količine inulina (kod osetljivih osoba) dovodi do smanjene produkcije gasa i smanjene nadutosti probavnog trakta. Inulin minimalno utiče na krvni šećer, tako da ga mogu konzumirati i dijabetičari, on čak pomaže u snižavanju nivoa šećera u krvi (www.wikipedia.com).

Voskovi su smeše različitih supstanci, a glavna komponenta je estar dugolančanih jednovalentnih alkohola sa višim masnim kiselinama (Karlson, 1988).

Suberin je materija koja se nalazi u specifičnim tkivima i tipovima ćelija kao što su ćelije plute. Suberinska pluta je slična ligninu sa estarskim vezanim masnim kiselinama (Mc Cleary, 2001).

Kutin je glavna supstanca u kutikuli. Kutin je nerastvorljivi polimer izgrađen od esterifikovanih C 16 i C 18 hidroksi i epoksi masnih kiselina (Mc Cleary, 2001).

Rezistentni skrob. Nakon želatinizacije skroba deo amiloze brzo retrogradira. Frakcija amiloze manje molekulske mase (oko 10 000 D) kristalizuje gradeći takvu strukturu koju α-amilaza ne može da hidrolizuje, te se u organizmu ponaša kao i prehrambena vlakna. Udeo ove strukture zavisi od odnosa amiloze i amilopektina u skrobu, a delom i od toplotnog režima kome je skrob bio izložen (Stauffer, 1993).

Produkti Maillard-ove reakcije nastaju na temperaturama iznad 100ºC kada redukujući šećeri reaguju sa slobodnim aminokiselinama i takva jedinjenja nazivaju se melanoidini. Nerastvorljivi melanoidini čine veoma mali deo nerastvorljivih prehrambenih vlakana (Stauffer, 1993., Jalili, 2001).

Drugi nerastvorljivi biljni materijali. Neka druga jedinjenja prisutna u biljkama I uopšte u hrani su nerastvorljive materije, odnosno, predstavljaju materije koje ne daju energiju organizmu. U odnosu na ranije pomenuta prehrambena vlakna količina nerastvorljivih materija je veoma mala (Stauffer, 1993., Jalili, 2001).
.

Rastvorljiva prehrambena vlakna

Rastvorljiva prehrambena vlakna se često nazivaju i sluzima. Ona mogu biti endogenog ili egzogenog porekla. To su dugi polisaharidni lanci s brojnim bočnim granama sastavljenim od monosaharida ili oligosaharida. Najzastupljeniji su sledeći monosaharidi (Stauffer 1993, Jalili 2001):

heksoze: D-glukoza, D-manoza, D-galaktoza i
pentoze: L-arabinoza, D-ksiloza i L-ramnoza.

Karakteristični predstavnici endogenih sluzi su:

Beta-glukan, to je makromolekul kod koga su glukozni ostaci povezani β-1,4 I β-1,3 vezama. Broj ovih veza je različit.

Pektini su rastvorljivi u vodi. Sastoje se od lanaca galakturonske kiseline i ramnoze, razgranati su molekuli ostataka pentoza i heksoza (arabinoza, galaktoza itd.). Prisutni su u voću i povrću i imaju veliku primenu kao sredstva za želiranje, a u industriji mesa koriste se pri izradi različitih vrsta proizvoda (Stauffer, 1993., Jalili, 2001).

Egzogene sluzi predstavljaju hidrokoloidi, pod kojim nazivom su obuhvaćene gume i sluzi dobijene ekstrakcijom morskih trava, ekstrudata biljaka i semenki. Po hemijskom sastavu su veoma različiti oblici polisaharida. U prehrambenim proizvodima se u manjim količinama koriste kao sredstva za ugušćivanje, želiranje, stabilizaciju i emulgovanje. U ovu grupu materija se ubrajaju guar- i lokus guma, gumiarabika, karaja agar, algininska kiselina i karagenan (Stauffer, 1993., Jalili, 2001).
.

Podela prehrambenih vlakana na osnovu fizioloških osobina

Svetska organizacija za hranu i poljoprivredu (FAO) i Svetska zdravstvena organizacija (WHO), tj. ekspertna grupa za ugljene hidrate je prehrambena vlakna klasifikovala na osnovu njihovog fiziološkog delovanja. Po ovoj podeli, prehrambena vlakna koja se razgrađuju i apsorbuju u tankom crevu i utiču na povećanje nivoa glukoze u krvi, nazivaju se “glikemijski ugljeni hidrati”, a “neglikohemijski ugljeni hidrati” su oni koji se ne hidrolizuju u tankom crevu i ne utiču na povećanje glukoze u krvi (De Vries i sar, 1999., Asp, 2004).

Sa nutritivnog aspekta podela prehrambenih vlakana na osnovu fizioloških osobina je opravdana, neophodna su dalja ispitivanja i razmatranja da bi se mogla napraviti još pravilnija i tačnija podela ugljenih hidrata. Podela na osnovu fizioloških osobina ne obuhvata brzinu hidrolize razgradive frakcije ugljenih hidrata, odnosno ne pravi razliku između brzo i sporo usvojivih ugljenih hidrata (Jalili, 2001., Gray, 2003).
.

Uloga prehrambenih vlakana u ishrani

Burkitt i Trovel (Schaafsma, 2004) su polovinom sedamdesetih godina dvadesetog veka ukazali na povoljan zdravstveni efekat prehrambenih vlakana u ljudskoj ishrani. Još nije utvđen pouzdan marker koji bi ukazao na deficit prehrambenih vlakana u ishrani kao što je to slučaj sa nedostatkom vitamina, mikro i makro elemenata, esencijalnih aminokiselina i masnih kiselina. Zapaženo je pozitivno delovanje prehrambenih vlakana u prevenciji masovnih nezaraznih bolesti usled nepravilne ishane (gojaznost, pojava karijesa, kardiovaskularne bolesti, hipertenzija, dijabetes tipa II, osteoporoza i nekih malignih bolesti).

Prehrambenim vlaknima se označava grupa jedinjenja heterogena po strukturi, fizičko – hemijskim i biološkim karakteristikama koja se ne smatraju esencijalnim nutrijentom, što otežava put od potrošača, kome u hrani nedostaju prehrambena vlakna, do njegove svesti o važnosti pravilne ishrane i zastupljenosti ovih prehrambenih vlakana u ishrani (Schaafsma, 2004).

Hrana i način ishrane imaju kulturno, etičko, socijalno i porodično obeležje. U prevenciji i lečenju masovnih nezaraznih bolesti određeni mikronutrienti, kao i prehrambena vlakna, imaju značajnu ulogu te treba podsticati unos takvih materija (Novaković, 2002., Schaafsma, 2004).

U dvadesetom veku menjali su se stavovi vezani za odnos hrane i zdravlja. Dvadeseti vek podeljen je na tri perioda u odnosu na način ishrane: tradicionalna, optimalna i funkcionalna ishrana. Sedamdesetih godina dvadesetog veka pažnja je prvenstveno bila usmerena na prevenciju bolesti izazvanih deficitom pojedinih nutrienata u hrani. Poslednjih tridesetak godina dvadesetog veka, nutricionisti i svi stručnjaci koje se bave ishranom postali su svesni činjenice da unos hrane do nivoa prevencije znakova deficita nije dovoljan za postizanje i očuvanje zdravlja, što je doprinelo shvatanju značaja zastupljenosti prehrambenih vlakana u hrani. Hrana sadrži supstance koje pozitivno deluju u organizmu, a koje se označavaju kao nutrienti (hranljive materije) i supstance koje ne pripadaju grupi gradivnih i energetskih sastojaka već zaštitnim materijama kao što su vitamini, minerali i elementi u tragovima (Novaković 2002, Schaafsma 2004).

Najčešće se spominju sledeća svojstva prehrambenih vlakana (Jalili i sar.):

• mogu se fermentisati od strane bakterija (delimično u debelom crevu),
• vezuju organska jedinjenja (žučne kiseline),
• velika sposobnost vezivanja vode.

Značaj prehrambenih vlakana u organizmu (Isuzuki i sar, 1999., Jalili i sar, 2001):

• prehrambena vlakna utiču na prevenciju karijesa, jer jačaju mišiće za žvakanje oralnog aparata,
• utiču na rastezanje zida želuca i izazivaju osećaj sitosti,
• ubrzavaju prolazak crevnog sadržaja kroz creva što dovodi do usporavanja i otežavanja apsorpcije hranljivih materija, jer je skraćeno vreme kontakta između nutrienta i zida creva (prevencija šećerne bolesti, poremećaja metabolizma masnih materija, kardiovaskularne bolesti i cerebrovaskularne bolesti),
• žučne kiseline se vezuju za prehrambena vlakna pri čemu je ubrzano izbacivanje sastojaka što smanjuje sintezu holesterola,
• u debelom crevu prehrambena vlakna se delimično fermentišu od strane crevnih bakterija, stvaraju se gasovi i masne kiseline kratkih lanaca koje zaštitno deluju na epitel debelog creva i tako imaju ulogu prevencije malignih oboljenja.

Sačuvati zdravlje konzumiranjem hrane bogate prehrambenim vlaknima i tehnološki omogućiti očuvanje senzornih karakteristika te hrane su osnovne potrebe koje treba usaglasiti. Odgovarajućim zakonima mora se regulisati razlika između proizvoda prehrambenih vlakana kao komponenti hrane i onih koji se koriste kao aditivi. Regulacija ovog tipa se zasniva na činjenici da se vlakna kao komponente hrane dodaju da bi se poboljšala nutritivna vrednost proizvoda, a ne tehnološke karakteristike. Prehrambena vlakna su grupa proizvoda koja se mogu dodati hrani iz oba razloga zahvaljujući njihovim funkcionalnim karakteristikama. Prehrambena vlakna hrani daju teksturu, čvrstoću, punoću i druga senzorna svojstva. Njihove fizičke karakteristike koje poboljšavaju tehnološka svojstva čine ih pogodnim da se koriste kao komponente za : vezivanje vode, zgušnjavanje, želiranje, formiranje filmova i emulzija, i da se koriste kao stabilizatori. Najvažnije osobine prehrambenih vlakana kao što su mogućnost vezivanja i zadržavanja vode, viskoznost njihovih slanih rastvora i disperzija zavise od molekulske strukture njihovoih gradivnih komponenti (Meuser, 2001).

Količina prehrambenih vlakana u ishrani u raznim zemljama sveta se razlikuje i veća je zastupljenost u zemljama Severne Evrope, nasuprot Južnoj Evropi i Sjedinjenim Američkim Državama. U nerazvijenim zemljama i zemljama u razvoju, stanovnici ruralnih područja konzumiraju tradicionalnu hranu i unose više vlakana u odnosu na urbano stanovništvo koje je prihvatilo način ishrane svojstven razvijenim zemljama. Vladine i zdravstvene organizacije mnogih zemalja apeluju na veći unos vlakana, pri čemu pokazuju vezu između količine vlakana u hrani i smanjenja rizika od pojave masovnih nezaraznih bolesti, preporučena količina je 30 – 45 g/dan (Guillon, 2000., Miller, 2004).

Postoji ograničen broj dobrih biomarkera kojima se može proveravati efikasnost različitih vrsta prehrambenih vlakana, te je izražena potreba za novim biomarkerima. Pri oceni delovanja prehrambenih vlakana razmatra se (Schaafsma, 2004):

• vrsta vlakana,
• količina i učestalost konzumiranja,
• osobenosti prethodno primenjivanog režima ishrane,
• ciljna grupa,
• pouzdanost biomarkera.

Hrana treba da sadrži nekoliko neprerađenih oblika vlakana da bi se ostvarila maksimalna korist od njihovog unošenja (Schaafsma, 2004).

Namirnice imaju tri glavna funkcionalna dejstva (Schaafsma, 2004):

1. obozbeđuju energiju,nutritivne i zaštitne materije bez kojih život ne bi bio moguć,
2. karakteristična senzorna svojstva,
3. zadovoljavaju ukus potrošača.

Termin “funkcionalna hrana” se odnosi na koncept nauke o ishrani, a ne na određenu vrstu nove hrane. Ne postoji jedinstvena i opšte prihvaćena definicija funkcionalne hrane, ali svim definicijama je zajedničko da se funkcionalnom hranom smatraju namirnice koje imaju pozitivno fiziološko delovanje i sem osnovne gradivne funkcije doprinose smanjenju rizika od pojave bolesti (www.eatright.org). Većina naučnika se slaže da funkcionalna hrana (Schaafsma 2004) ispunjava nutritivne ili zdravstvene potrebe potrošača I nema sporednih negativnih efekata prilikom konzumiranja, a pozitivno delovanje u kratkom vremenskom periodu teško je zapaziti, jer je merljivo tek nakon višegodišnjeg perioda konzumiranja.

Kod hrane bogate prehrambenim vlaknima postoje dva zahteva koja se moraju poštovati: nutritivni i zdravstveni. Nutritivne zahteve prate preporuke lekara o količinama unosa određenih vlakana. Kada su u pitanju zdravstveni efekti, složenija je situacija. Opšte usvojeni stavovi su (Schaafsma, 2004) :

• poboljšanje funkcije creva (nerastvorljiva vlakna),
• snižavanje holesterola male molekulske mase (LDL) u krvi (rastvorljiva vlakna i njihova sposobnost zadržavanja vode),
• snižavanje nivoa glukoze u krvi (rastvorljiva vlakna i njihova sposobnost zadržavanja vode).

Spisak korišćene literature možete naći u Literatura – Hemija hrane.