Углеводы в питании человека играют чрезвычайно важную роль: для человеческого организма они являются главным источником энергии, необходимой для жизнедеятельности клеток, тканей и органов, особенно мозга, сердца, мышц.

В результате биологического окисления углеводов (и жиров) освобождается энергия, которая аккумулируется в виде богатого энергией соединения – аденозинтрифосфорной кислоты. При окислении 1 г углеводов образуется 16,7 кДж (4 ккал) энергии.

Роль углеводов в организме человека не ограничивается их функцией источника энергии. Эта группа веществ и их производные входят в состав разнообразных тканей и жидкостей, являясь пластическими материалами. Так, соединительная ткань содержит мукополисахариды, в состав которых входят углеводы и их производные. Регуляторная функция углеводов разнообразна, они препятствуют накоплению кетоновых тел при окислении жиров. Так, при нарушении обмена углеводов, например при сахарном диабете, развивается ацидоз.

Некоторые углеводы и их производные обладают биологической активностью, выполняя в организме специализированные функции, например, гепарин предотвращает свертываемость крови в сосудах, гиалуроновая кислота препятствует проникновению бактерий через клеточную оболочку. Следует отметить важную роль углеводов в защитных реакциях организма, особенно протекающих в печени.

Так, глюкуроновая кислота соединяется с некоторыми токсическими веществами, образуя нетоксические сложные эфиры, которые (благодаря растворимости в воде) выводятся из организма с мочой.

Углеводные запасы человека очень ограничены, содержание их не превышает 1 % от массы тела человека. При интенсивной работе они быстро истощаются, поэтому углеводы должны поступать с пищей ежедневно. Суточная потребность человека в углеводах должна составлять 400–500 г, при этом 80 % приходится на крахмал.

Углеводы можно считать основой существования большинства живых организмов. В таких углеводах, как сахароза и крахмал, заключено основное количество калорий, получаемых с пищей человеком, почти всеми животными и многими бактериями.

Углеводы служат основным источником энергии для организма, обеспечивая его энергией на 60 %, тогда как на долю всех жиров и белков приходится 40 %. При этом глюкоза является единственным возможным энергетическим субстратом для деятельности мозга. Во всех без исключения органах и тканях обнаруживаются углеводы и их производные. Они входят в состав оболочек клеток и субклеточных образований, принимают участие в синтезе многих важнейших веществ, таких как нуклеопротеины, липоиды, сложные ферменты и пр.

Все известные функции углеводов подчеркивают необходимость оптимального обеспечения организма углеводами через продукты питания, составляющего в сутки в среднем 400–500 г. При этом следует учитывать пол, возраст, профессиональную ориентацию человека. В соответствии с современной теорией питания, важно соблюдать соотношение углеводов, белков и жиров. Для нормального взрослого человека это соотношение должно составлять 4:1:1. В рационах необходимо присутствие грубых включений физиологически активных полисахаридов (не менее 25 г/сут).

Источники углеводов в питании многообразны. Основными служат растения, в наибольшем количестве содержащие моносахариды (глюкозу, фруктозу – до 2,5 %), дисахариды (сахарозу – до 0,7), полисахариды (целлюлозу, пектин – до 1,5, крахмал – до 18 % в картофеле). В организм человека углеводы попадают в результате деятельности пищеварительного тракта, осуществляющего связь между внутренней и внешней средами организма.

Пищеварение заключается в расщеплении сложных молекул пищевых веществ до низкомолекулярных соединений, способных всасываться через стенки кишечника в кровь. При этом низкомолекулярные углеводы, относящиеся к усвояемым формам, транспортируются в тонкий отдел кишечника, где всасываются в кровь, усваиваются организмом и расходуются в соответствии с нуждами либо откладываются в виде запасников – гликогена или жиров.

Пищеварение включает три основных этапа:

• механическое измельчение пищи (пережевывание, истирание за счет перистальтики кишечника);
• увлажнение и набухание пищи за счет физико-химических процессов, происходящих при воздействии слюны и различных пищеварительных соков);
• гидролитический распад основных компонентов, пищевых веществ под действием различных ферментов, каждый из которых действует на свой субстрат.

Процесс пищеварения можно представить в виде «конвейера», в работе которого принимают участие различные железы внешней и внутренней секреции, выделяющие биологически активные вещества – ферменты и гормоны.

С точки зрения пищевой ценности, углеводы подразделяются на усваиваемые и неусваиваемые. Усваиваемые углеводы – моно- и олигосахариды, крахмал, гликоген. Неусваиваемые – целлюлоза, гемицеллюлозы, инулин, пектин, гумми, слизи.

При поступлении в пищеварительный тракт усваиваемые углеводы (за исключением моносахаридов) расщепляются, всасываются, а затем или непосредственно утилизируются (в виде глюкозы), или превращаются в жир, или откладываются на временное хранение в виде гликогена.

Накопление жира особенно выражено при избытке в диете простых сахаров и отсутствии расхода энергии.

Неусваиваемые углеводы человеческим организмом не утилизируются, но они чрезвычайно важны для пищеварения и составляют так называемые пищевые волокна. Пищевые волокна выполняют следующие функции в организме человека:

1. стимулируют моторную функцию кишечника;
2. препятствует всасыванию холестерина;
3. играют положительную роль в нормализации состава микрофлоры кишечника, в ингибировании гнилостных процессов;
4. оказывают влияние на липидный обмен, нарушение которого приводит к ожирению;
5. адсорбируют желчные кислоты;
6. способствуют снижению токсичных веществ жизнедеятельности микроорганизмов и выведению из организма токсичных элементов.

При недостаточном содержании в пище неусваиваемых углеводов наблюдается увеличение сердечнососудистых заболеваний, злокачественных образований прямой кишки. Суточная норма пищевых волокон составляет 20–25 г.

Классификация углеводов

Современная классификация углеводов представлена тремя подклассами (рис. 1).

Рис. 1. Классификация углеводов

По физико-химическим свойствам углеводы делят на:

• нейтральные, содержащие только гидроксильные и карбонильные группы;
• основные, включающие, кроме названных, еще и аминогруппу (аминосахара);
• кислые, содержащие (кроме гидроксильных и карбонильных групп) также карбоксильные группы.

Моносахариды – углеводы, содержащие от 3 до 10 углеродных атомов в структуре. В зависимости от количества углеродных атомов, моносахариды подразделяют на:

• триозы (3),
• тетрозы (4),
• пентозы (5),
• гексозы (7),
• гептозы (8),
• октозы (9),
• нонозы (10).

В наибольшей степени в природе распространены гексозы и пентозы.

Олигосахариды – это углеводы, построенные из небольшого количества моносахаридов (от 2 до 10 остатков моносахаридов). Их делят на ди-, три-, тетрасахариды и т. д. по числу остатков моносахарида.

В питании человека особое значение имеют дисахариды: сахароза, содержащаяся в растениях; лактоза – молочный сахар; мальтоза – солодовый сахар; целлобиоза и гентибиоза.

Полисахариды (свыше 10 моносахаридных звеньев) делят на резервные и структурные.

Большинство резервных полисахаридов (крахмал, гликоген, инулин) являются важными составляющими пищевых продуктов и источниками углерода и энергии в пище. Структурные полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлозы) образуют в клеточных стенках протяженные цепи, уложенные в прочные волокна (пластины), и выполняют роль каркаса в живых организмах.

Крахмал – главный резервный полисахарид растений. Его содержание колеблется в достаточно широких пределах (20–80 %); он накапливается во многих семенах, клубнях, корневищах и используется при их прорастании.

Крахмал – высокогидрофильное вещество, однако в холодной воде он не растворяется, а лишь набухает с эндотермическим эффектом. Набухание больше при повышенных температурах. Под действием тепловой энергии структура крахмальных зерен разрушается, они увеличиваются в размерах. При достижении определенной температуры крахмальная суспензия превращается в вязкий коллоидный раствор – крахмальный клейстер.

Температура клейстеризации колеблется в пределах 55–75 °С. За этими пределами вязкость крахмального клейстера снижается, а при остывании до комнатной температуры клейстер превращается в упругий прочный гель с трехмерной структурой. Это свойство крахмала широко применяется в пищевой промышленности (формирование хлебного мякиша и его черствение, получение продуктов пивоварения и спиртовая промышленность).

Крахмал в промышленности обычно получают из зерен кукурузы, пшеницы, риса, сорго, картофеля. Он состоит на 96–98 % из полисахаридов. В нем обнаруживаются в небольшом количестве белки, высокомолекулярные жирные кислоты, адсорбированные на поверхности зерен, а также минеральные кислоты – фосфорная и кремниевая. Наиболее часто применяемая качественная реакция – с йодом; при этом формируется темно-синее окрашивание даже при наличии следовых количеств крахмала.

Структура крахмала представлена двумя компонентами: амилозой и амилопектином.

Амилоза легко растворима в воде и дает нестойкие растворы со сравнительно низкой вязкостью. Амилозе свойствен эффект ретроградации, заключающийся в выпадении ее в осадок в результате длительного хранения раствора (с этим связано явление черствения хлеба). Амилоза также активно окрашивается йодом в синий цвет. Она имеет строго линейную структуру.

Однако в молекулах крахмала большинства растений 70–90 % приходится на долю амилопектина, а остальное – на амилозу. Это соотношение может изменяться в зависимости от растения и типа ткани, из которой он извлечен.

Например, в крахмале зрелого картофеля доля амилозы составляет 22 %, молодых побегах – 46; крахмале зерна обычной кукурузы – 20 %, в крахмале восковидной кукурузы амилоза отсутствует. Известны copтa, в которых доля амилозы составляет 80 %. Соотношение амилозы и амилопектина изменяется также в зависимости от сроков созревания зерна.

Гликоген – животный крахмал, сходный по структуре с амилопектином. Он также является источником углерода и энергии в животных тканях. Им богаты клетки печени и мышц.

Пищевые волокна. В их составе целлюлоза, гемицеллюлозы, пектиновые вещества, лигнин и неструктурные полисахариды (камеди). Организмом они не усваиваются, однако играют исключительно важную роль в процессе пищеварения и в сохранении здоровья.

Пищевые волокна имеют особое значение для питания: стимулируют перистальтику кишечника, оказывают положительное влияние на его микрофлору, формируют каловые массы, адсорбируют токсичные вещества и холестерин, способствуют ускоренному выведению чужеродных химических веществ. Пищевой рацион обязательно должен содержать не менее 30–40 г пищевых волокон в сутки.

Целлюлоза – основной структурный компонент оболочки растительной клетки. Основное ее физиологическое действие – способность связывать воду.

Гемицеллюлозы – полисахариды клеточной оболочки, состоящие из полимеров глюкозы и гексозы. Они также способны удерживать воду.

Пектиновые вещества – полимерные соединения, состоящие из остатков галактуроновой кислоты, являются полисахаридами коллоидного характера. Они образуют желе в присутствии органических кислот и сахара. В связи с этим пектины широко используются в пищевой промышленности для приготовления желе, мармелада, повидла, зефира, пастилы и джемов. Высоким содержанием пектина (в %) отличаются следующие ягоды, фрукты и овощи: смородина черная, свекла – 1,1; яблоки – 1,0; слива – 0,9; абрикосы, клубника, клюква, крыжовник и персики – 0,7; малина, виноград, апельсины, груши и морковь – 0,6; арбузы и лимоны – 0,5; дыни, вишня, черешня и мандарины – 0,4. Особенно много пектинов содержится в корках цитрусовых и яблок – 20–30 % и 8–20 % к массе сухих веществ соответственно.

Пектины овощей отличаются меньшей желирующей способностью, чем пектины фруктов.

Пектиновые вещества играют огромную роль в процессе хранения и консервирования растительных продуктов. Под влиянием ферментов нерастворимые формы пектинов переходят в растворимые, в результате чего плоды и овощи в процессе хранения и промышленной переработки размягчаются. Нагревание также способствует превращению протопектина в растворимый пектин.

Пектиновые вещества обладают выраженным биологическим действием. Под их влиянием уничтожается гнилостная микрофлора кишечника. Они оказывают детоксикационное действие, адсорбируя экзо- и эндогенные яды, тяжелые металлы, в связи с чем препараты пектина широко используются в лечебно-профилактическом питании. Пектин ингибирует всасывание холестерина в кишечнике.

Имеются данные о том, что пектин снижает уровень сахара в крови у больных сахарным диабетом.

Лигнины представляют собой безуглеводные вещества клеточной оболочки, состоящие из полимеров ароматических спиртов. Лигнины в организме человека способны связывать соли желчной кислоты и другие органические вещества, а также замедлять или нарушать адсорбцию пищевых волокон в толстом кишечнике.

Камеди – сложные неструктурированные полисахариды, растворимые в воде, обладающие вязкостью. Они содержат глюкуроновую и галактуроновую кислоты, способны участвовать в связывании микроэлементов с четной валентностью. В пищевой промышленности наибольшее распространение получили такие камеди, как гуммиарабик, камедь рожкового дерева, караева камедь.

В суточном рационе человека до 70–75 % всех углеводов должно приходиться на долю крахмала, около 10 % – на долю пищевых волокон и 15–20 % – на долю простых сахаров. При этом особенно важно ограничить потребление рафинированных углеводов, которые максимально освобождены от пищевых волокон. Такие углеводы более доступны действию пищеварительных ферментов, быстро всасываются, вызывая резкий подъем уровня сахара в крови. Постоянное употребление простых сахаров в больших количествах может привести к развитию ожирения и сахарного диабета.

Оптимальным является потребление углеводов в количестве 50–60 % суточной энергетической ценности рациона. Средняя потребность в углеводах составляет 400–500 г/сут. При увеличении физической нагрузки доля углеводов должна быть увеличена.

Нарушение физиологической потребности в углеводах может оказывать неблагоприятное воздействие на организм человека.

При недостатке углеводов в рационе в качестве источника энергии начинают использоваться белки и жиры, что приводит к накоплению недоокисленных продуктов.

Состояние гипогликемии (уменьшение содержания сахара в крови) вызывает расстройство деятельности центральной нервной системы, снижение работоспособности, слабость, головокружение. Значительное снижение потребления углеводов ведет к резким нарушениям метаболических процессов и усиленному расщеплению тканевых белков, используемых в качестве энергетического материала.

Избыточное потребление углеводов может способствовать усилению жирообразования и развитию ожирения. Гипергликемия и холестеринемия ведут к возникновению сахарного диабета, развитию атеросклероза и связанных с ним заболеваний сердечнососудистой системы. Возрастает частота кариеса, усиливается аллергический настрой организма.

Недостаток пищевых волокон ведет к запорам, способствует возникновению дивертикул, полипоза и рака толстой кишки, является фактором риска в развитии атеросклероза, желчнокаменной болезни. В то же время избыточное потребление пищевых волокон может приводить к брожению в толстой кишке, метеоризму, ухудшать усвояемость белков, жиров и минеральных веществ.