Белки – самые сложные вещества из всех соединений живой материи. Систематическое исследование провел голландский химик Г. Я. Мюльдер (1838 г.), который впервые пытался охарактеризовать химическую природу белков. Он экспериментально установил эмпирическую формулу протеина – C₄₀H₆₂N₅₀O_12. Белкам было присвоено название протеины.

Белки – наиболее важные биологические вещества живых организмов. Они служат основным пластическим материалом, из которого строятся клетки, ткани и органы тела человека. Белки составляют основу гормонов, ферментов, антител и других образований, выполняющих сложные функции в жизни человека (пищеварение, рост, размножение, иммунитет и др.), способствуют нормальному обмену в организме витаминов и минеральных солей. Белки участвуют в образовании энергии, особенно в период больших энергетических затрат или при недостаточном количестве в питании углеводов и жиров, покрывая 12 % от всей потребности организма в энергии. Энергетическая ценность 1 г белка составляет 4 ккал.

При недостатке белков в организме возникают серьезные нарушения: замедление роста и развития у детей, у взрослых – изменения в печени, в деятельности желез внутренней секреции, в составе крови, ослабление умственной деятельности, снижение работоспособности и сопротивляемости к инфекционным заболеваниям.

Белок в организме человека образуется беспрерывно из аминокислот, поступающих в клетки в результате переваривания белка пищи. Для синтеза белка человека необходим белок пищи в определенном количестве и определенного аминокислотного состава. В настоящее время известно более 80 аминокислот, из которых 22 наиболее распространены в пищевых продуктах. Аминокислоты по биологической ценности делят на незаменимые и заменимые.

8 Незаменимых аминокислот:

• лизин,
• триптофан,
• метионин,
• лейцин,
• изолейцин,
• валин,
• треонин,
• фенилалин,
• гистидин.

Эти аминокислоты в организме не синтезируются и обязательно должны поступать с пищей в определенном соотношении, т. е. сбалансированными.

Особенно ценны незаменимые аминокислоты триптофан, лизин, метионин, содержащиеся в основном в продуктах животного происхождения, соотношение которых в пищевом рационе должно составлять 1:3:3.

Заменимые аминокислоты (аргинин, цистин, тирозин, аланин, серин и др.) могут синтезироваться в организме человека из других аминокислот.

Биологическая ценность белка зависит от содержания и сбалансированности незаменимых аминокислот: чем больше незаменимых аминокислот, тем он ценней.

К частично заменимым аминокислотам относят аргинин и гистидин, т. к. в организме они синтезируются довольно медленно. Недостаточное потребление аргинина и гистидина с пищей у взрослого человека в целом не сказывается на развитии, однако могут возникнуть экзема или нарушиться синтез гемоглобина.

В аргинине и гистидине особенно нуждается молодой организм.

Отсутствие в пище хотя бы одной незаменимой аминокислоты вызывает отрицательный азотистый баланс, нарушение деятельности центральной нервной системы, остановку роста и тяжелые клинические последствия типа авитаминоза. Нехватка одной незаменимой аминокислоты приводит к неполному усвоению других. Данная закономерность подчиняется закону Либеха, по которому развитие живых организмов определяется тем незаменимым веществом, которое присутствует в наименьшем количестве (табл. 1).

Таблица 1. Рекомендуемые составы и суточная потребность человека в незаменимых аминокислотах (мг/г белка)

Наряду с аминокислотным составом биологическая ценность белков определяется степенью их усвоения после переваривания. Степень переваривания, в свою очередь, зависит от структурных особенностей, активности ферментов, глубины гидролиза в желудочно-кишечном тракте и вида предварительной обработки белков в процессе приготовления пищи (тепловой, гидротермической, в поле СВЧ и т. п.). Так, белки кожи и кератин волос из-за фибриллярной структуры вообще не используются человеком, несмотря на их близкий аминокислотный состав к составу белков тела.

Тепловая обработка, разваривание, протирание и измельчение ускоряют переваривание белка, особенно растительного, тогда как нагревание при очень высоких температурах (свыше 100 °С) затрудняет его. Животные белки имеют более высокую усвояемость, чем растительные. Из животных белков в кишечнике всасывается более 90 % аминокислот, а из растительных – только 60–80 %. В порядке убывания скорости усвоения белков в желудочно-кишечном тракте пищевые продукты располагаются следующим образом: рыба ˃ молочные продукты ˃ мясо ˃ хлеб ˃ крупы. Одной из причин более низкой усвояемости растительных белков является их взаимодействие с полисахаридами (целлюлозой, гемицеллюлозами), которые затрудняют доступ пищеварительных ферментов к полипептидам.

При недостатке в пище углеводов и жиров требования к белку (как носителю пищевой ценности) особенно возрастают, т. к. наряду с биологической ролью он начинает выполнять и энергетическую роль. С другой стороны, при избыточном содержании белков (на фоне необходимого количества основных энергетических компонентов) возникает опасность синтеза липидов и ожирение организма.

Белок, содержащий все восемь незаменимых аминокислот, называется полноценным.

Источником полноценных белков являются все животные продукты:

• молочные,
• мясо,
• птица,
• рыба,
• яйца.

Растительные продукты содержат белков меньше, и они в основном неполноценные, кроме бобовых (особенно соя, в которой содержится много полноценных белков).

Суточная норма потребления белка для людей трудоспособного возраста составляет всего 58–117 г в зависимости от пола, возраста и характера труда человека. Белки животного происхождения должны составлять 55 % суточной нормы. Кроме того, при составлении рациона питания следует учитывать сбалансированность аминокислотного состава пищи. Наиболее благоприятный аминокислотный состав представлен в сочетании таких продуктов, как хлеб и каша с молоком, пирожки с мясом, пельмени.

О состоянии белкового обмена в организме судят по азотистому балансу, т. е. по равновесию между количеством азота, вводимого с белками пищи и выводимого из организма с мочой. У здоровых взрослых людей, правильно питающихся, наблюдается азотистое равновесие. У растущих детей, молодых людей, беременных и кормящих женщин отмечается положительный азотистый баланс, т. к. белок пищи идет на образование новых клеток, и введение азота с белковой пищей преобладает над выведением его из организма.

При голодании, болезнях, когда белков пищи недостаточно, наблюдается отрицательный баланс, т. е. азота выводится больше, чем вводится, недостаток белков пищи ведет к распаду белков органов и тканей. Для нормальной жизнедеятельности человеку необходимы белки животного и растительного происхождения.

1. Белки животного происхождения

Одним из важнейших белковых ресурсов животного происхождения является мясо, представляющее собой совокупность тканей и клеток, структура и функции которых связаны с наличием специальных белков. С ростом дефицита белков в рационах доказана функциональность так называемых побочных продуктов, формирующихся при производстве мяса. Понимание сущности и вскрытие механизмов функционирования в живом организме белков крови, мышечных и соединительных тканей, кератинов привело к формированию и развитию концепции максимального использования сырья на основе малоотходных и безотходных технологий производства кормовых и пищевых продуктов.

Немаловажное значение в обеспечении питания населения высокоценными животными белками отводится молочной промышленности, в связи с чем белки молока играют важную роль в создании новых видов продуктов и требуют углубленного изучения. Перспективность производства молочных белков связана с их высокой биологической ценностью, относительно низкой стоимостью, практически полным отсутствием каких-либо токсичных и антиалиментарных веществ.

В настоящее время в мировом балансе доля пищевых животных белков, полученных из гидробионтов, составляет 25 %, что в значительной степени снижает белковый голод большой части населения Земли. Учитывая тенденцию к возрастанию в пищевых рационах объемов рыбы и морепродуктов, исследование свойств белковых систем, расшифровка их функций, создание новых видов продуктов и рациональных технологий представляют весьма актуальную задачу.

2. Белки мышечной ткани

Мышечная ткань (мышца) является наиболее ценной из тканей животного организма. Мышца состоит из мышечных клеток и неклеточной рыхлой неоформленной структуры, пронизанной нервными окончаниями и кровеносными сосудами. Она составляет наибольшую массовую долю животного организма (более 46 %) и при жизни выполняет ряд важных физиологических функций: участвует в организации опорно-двигательной системы, в дыхании, пищеварении, а также обеспечивает кровообращение.

Главным компонентом органических веществ мышцы являются белки, на долю которых приходится 18–22 % массы ткани. Ввиду многообразия их удобно представить в виде групп, локализированных в определенных участках клетки, с указанием наиболее изученных и важных в функциональном отношении (рис. 1.)

Рис. 1. Состав белков мышечной ткани

Белковые вещества составляют 60–80 % сухого остатка мышечной ткани и включают водорастворимые, солерастворимые и нерастворимые в водно-солевых растворах фракции. Различные белковые фракции являются основными составляющими компонентами клеточных органелл и межклеточного вещества. Растворимые в воде белки входят в основном в состав плазмы, солерастворимые образуют миофибриллы.

Нерастворимые в водно-солевых растворах фракции называются условно белками стромы, к которым относятся белки сарколеммы, ядер и внутриклеточные соединительные белки. Из перечисленных белков мышечной ткани особое внимание уделяется миоглобину. Его содержание составляет около 1 % массы всех белков ткани. Миоглобин (Мb) относится к классу хромопротеидов и имеет красную окраску. Цвет мясных продуктов имеет для потребителей большое значение, поскольку это не только показатель качества и свежести продукции, но и необходимый признак его узнаваемости. Главную роль в процессе цветообразования играет фиксатор окраски – пищевая добавка нитрит натрия (Е250), вступающая в реакцию с белками мяса.

Нитрит натрия обладает рядом дополнительных функций: как фиксатор окраски он придает мясной продукции «естественный красный» цвет за счет своего восстановления до окиси азота, вступающей в реакцию с миоглобином, с дальнейшим образованием стойкого к термическому воздействию соединения красного цвета – нитрозомиоглобина; как консервант – предохраняет продукцию от образования токсина, вызываемого анаэробной бактерией Clsotridium botulinum, от сальмонелл, стафилоккоков; участвует в ароматообразовании и придании запаха «ветчинности»; как антиокислитель – взаимодействует с ионами металлов, главным образом, с ионами и железа и меди, что делает их неактивными, и в качестве катализатора для окисления липидов.

Более двух тысяч лет человечество применяло для производства мясной продукции селитру – нитрат натрия. Нитрат превращается в нитрит при посоле мяса под воздействием микроорганизмов. В результате взаимодействия нитрита с гемовой частью белка продукт окрашивался в красный цвет. С применением нитрата процесс происходил долго и не давал надежного результата. Промышленное применение нитрита натрия началось в начале ХХ в., когда были обнаружены его положительные свойства при изготовлении мясной продукции. В качестве пищевой добавки в Советском Союзе он был впервые одобрен в 60-гг. ХХ в.

Во многих странах Европы и в СССР допускалось остаточное содержание нитрита натрия 0,015–0,02 % в готовом продукте. В США допускалось более высокое содержание нитрита – 0,03 %. Со второй половины 70-х гг. в мире возросло беспокойство по поводу отрицательного влияния нитратов и нитритов на организм человека, поскольку они при определенных условиях могут становиться источником образования канцерогенных нитрозаминов. Было проведено множество исследований по изучению и минимизации этого явления, но ни одно из них не выявило опасности для здоровья человека. Нет научных данных, подтверждающих потенциальную опасность мясной продукции, содержащей нитрит, даже при его использовании в количестве 25 г на 100 кг (0,025 %).

Нитрит, добавляемый в мясную продукцию, составляет очень малую часть от того воздействия, которому человек подвержен со стороны природы (питьевая вода и растительные продукты, содержащие нитраты, экологическая обстановка в целом и т. п.). Кроме того, нитрит натрия практически полностью расходуется на цветообразование, чему способствует аскорбиновая кислота и ее производные, потому в готовом продукте его практически не остается. Для того чтобы превысить допустимую суточную дозу (ДСД) нитрита натрия, необходимо в день съедать не менее 250 кг колбасы.

Всемирная организация здравоохранения рекомендует добавлять нитрит натрия в количестве, не оказывающим отрицательного воздействия на организм человека, – до 20 г на 100 кг при посоле мясного сырья, технологически обоснованные дозировки в два раза ниже. В Евросоюзе нитрит натрия допускается к применению только как добавка к поваренной соли в количестве от 0,5 до 0,9 %.

При применении нитрита натрия в производстве мясной продукции в Беларуси его остаточное содержание не должно превышать 0,005 %, что в 5 раз ниже, чем в Европе и США.

Использование нитритно-посолочных смесей взамен нитрита натрия – более безопасный, технически удобный и не менее технологически эффективный прием, позволяющий формировать привлекательный для потребителя внешний вид готовых мясных продуктов.

3. Белки молока

Молоко – ценный продукт питания, богатый пищевыми и биологически активными веществами, среди которых белки играют немаловажную роль. Как составная часть живой клетки белки являются основой всех живых организмов и выполняют в них множество функций: структурную, транспортную, защитную, каталитическую, гормональную и др. Степень чистой утилизации молочных белков в организме человека составляет 75 %.

Белков коровьего молока содержится приблизительно четвертая часть в общем количестве сухих веществ молока, колебания составляют от 2,9 до 4,0 % (в среднем 3,2 %). В состав белков молока входят казеины (до 2,6 %) и сывороточные белки (до 0,6 %).

Наибольший интерес представляют казеины. Способность казеинов к свертыванию под действием ферментов в кислой среде используют при разработке новых технологий получения молочных белковых продуктов. Казеины содержат все незаменимые аминокислоты и являются прекрасным источником фосфора и кальция.

Сывороточные белки – это белки, которые остаются в сыворотке после осаждения казеина в изоэлектрической точке. Они составляют около 20 % всех белков молока. К ним относятся:

• α-лактоальбумин (23 %),
• β-лактоглобулин (52),
• иммуноглобулины (16),
• альбумин сыворотки крови (8),
• лактоферрин и другие минорные белки (1 %).

Сывороточные белки содержат больше незаменимых аминокислот, чем казеин, поэтому с точки зрения физиологии питания их следует считать наиболее полноценными. В сывороточных белках серы больше, чем в казеине. Технологическое значение имеет сера, образующая свободные сульфгидрильные группы. Наличие серы в сывороточных белках обусловлено присутствием серосодержащих аминокислот – метионина, цистина, цистеина. Они оказывают влияние на изменения белков в процессе переработки, например, на денатурацию и органолептические показатели при тепловой обработке.

Сывороточные белки (альбумины и глобулины) выделяют из сыворотки с помощью нанофильтрации, сгущают для получения концентрата сывороточных белков (КСБ). Этот продукт используется ОАО «Беллакт» в производстве сухих смесей для детского питания, для которых продуктов установлены требования по безопасности, нутриентной и метаболической адекватности, экологичности, функциональности. Всем вышеназванным группам показателей качества как раз и соответствует КСБ. Привнесенный в детское питание, КСБ обогатил конечный продукт незаменимыми аминокислотами и белками.

ОАО «Минский маргариновый завод» также закупает КСБ в качестве рецептурного компонента для производства высококалорийного майонеза.

При производстве кисломолочных продуктов используются такие свойства белков, как коагуляция и денатурация. Белки молока в водных растворах находятся в виде коллоидных частиц (1–200 нм). Устойчивость коллоидных систем обусловлена наличием на поверхности частиц электрического заряда и гидратной оболочки. Нарушение этих факторов устойчивости приводит к осаждению (коагуляции) частиц.

При коагуляции происходит обратимое осаждение белков, т. е. при определенных условиях их снова можно перевести в нативное состояние. Свойство казеина осаждаться в изоэлектрической точке используется при производстве всех кисломолочных продуктов и сыров. Кроме того, способность казеина свертываться в кислой среде желудка человека с образованием сгустка имеет исключительно большое значение с точки зрения физиологии питания.

Одним из основных свойств белков молока является денатурация. Она может быть вызвана воздействием высоких температур, давлением и напряжением сдвига, ультрафиолетовым или ионизирующим излучениями, действием ферментов, органических растворителей (спирт, ацетон), химических веществ, реагирующих с функциональными группами на поверхности белка, и т. п.

Денатурация – это изменение структуры белка по сравнению с его нативным состоянием. В результате этого развертываются третичная и вторичная структуры и высвобождаются расположенные внутри них функциональные группы. Разрыв гидрофобных связей, сдерживающих третичную и вторичную структуры белков, ведет к развертыванию нативной специфической структуры молекул белков и образованию произвольной конфигурации. Связи, ранее поддерживающие структуру, высвобождаются и могут по-новому ориентироваться. К этому присоединяются и функциональные группы, которые первоначально размещались внутри глобул белков, а теперь участвуют в формировании связей тем, что вступают во взаимодействие с другими молекулами белка. При этом белок теряет растворимость, агрегирует и выпадает в осадок.

Денатурация молочных белков, вызванная нагреванием, действием ферментов и условиями хранения, создает ряд проблем в практике молочной промышленности, т. к. при этом часто снижается качество готовой продукции.

4. Белки растений

Интерес к растительным белкам в аспекте производства пищевых продуктов возник сравнительно недавно. Стремительный научнотехнический прогресс в сфере производства продовольствия привел к качественно новым направлениям интенсификации процессов получения пищи из вторичных ресурсов перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса и из нетрадиционных источников.

Успех практической реализации технологий новых видов комбинированных продуктов и аналогов связан с результатами фундаментальных исследований в области химии растительных белков. Научные сведения о белках сои, их структуре и функциях обеспечили широкое распространение соевых белковых препаратов с высокими и регулируемыми функциональными свойствами на мировом рынке и внедрение технологии белковых продуктов с широким спектром потребительских и биологических качеств.

В решении проблемы белка огромную роль в качестве сырья для его производства играют бобовые культуры, к которым относятся:

• горох,
• фасоль,
• люпин,
• кормовые бобы,
• чечевица,
• вика,
• нут,
• чина,
• арахис и пр.

По химическому составу и пищевой ценности эти культуры наиболее близки к источникам животного белка – мясу, рыбе, а также молоку. Бобовые занимают в мировом производстве зерна около 20,0 %, в Беларуси – 4,4 %.

Эти культуры содержат на единицу площади наибольшее количество переваримого протеина, лизина, метионина. Бобовые отличаются высокими пищевыми достоинствами за счет способности накапливать и удерживать в несколько раз больше высококачественного белка, чем другие виды растений.

Белок зерна бобовых наиболее богат незаменимыми аминокислотами (табл. 2), особенно низином, содержание которого в 2–2,5 раза больше, чем в белке, например, злаковых культур. Растворимость и перевариваемость белка бобовых культур выше аналогов из других растений.

Относительно низкое содержание азотистых веществ в картофеле (около 2 %), овощах (1–2 %) и плодах (0,4–1,0 %) показывает, что это пищевое растительное сырье не имеет большого значения в обеспечении белком продуктов питания.

Среди овощных культур большим содержанием белка отличается зеленый горошек (28–32 %), сахарная кукуруза (10,5–15,0 %) в расчете на сухой вес.

Животные и растительные белки заметно отличаются по биологической ценности. Аминокислотный состав животных белков близок к аминокислотному составу белков человека. Животные белки являются полноценными, тогда как растительные (из-за относительно низкого содержания в них лизина, триптофана, треонина и других по сравнению с мясом, молоком и яйцами) – неполноценны.

В табл. 2 приводится содержание незаменимых аминокислот, включая лимитирующие, в наиболее распространенных пищевых продуктах. С помощью этих данных можно ориентировочно составлять пищевой рацион, комбинируя белки различного происхождения в целях дополнения их по аминокислотному составу.

Таблица 2. Биологическая ценность важнейших белоксодержащих продуктов питания и содержание в них незаменимых аминокислот (мг/100г)

Белки пшеницы, например, содержат недостаточное количество лизина (первая лимитирующая кислота) и треонина (вторая лимитирующая кислота), но эти аминокислоты в избытке присутствуют в казеине молока. С другой стороны, нехватка в казеине серосодержащих аминокислот компенсируется содержанием их в белках пшеницы.

Важно помнить, что при избыточном потреблении животных белков в организм поступает повышенное количество насыщенных жирных кислот и холестерина. Поэтому целесообразно составлять диету, содержащую достаточное количество растительного белка, но из разных его источников. Например, смесь кукурузы с фасолью обеспечит комплементарный состав белка и ликвидирует дефицит триптофана, лизина, метионина. Следует помнить, что сохранение нормального веса и работоспособности человека обеспечиваются не только количеством и соотношением незаменимых аминокислот, но и содержанием общего азота. При его недостаточном количестве биологическая ценность белков понижается.