Пищевые волокна. Роль в питании. Химическая природа

Большинство пищевых волокон  характеризует высокая водоудерживающая способность. В среднем, один грамм пищевых волокон может связывать 3 мл воды, но это свойство очень сильно варьируется в зависимости от вида пищевых волокон.

Водорастворимые пищевые  волокна (пектин, гемицеллюлоза, КМЦ, альгинаты, зостерин, каррагинан, камеди) в большей  степени связывают воду, чем нерастворимые (целлюлоза, лигнин). Среди пектинов способность связывать и удерживать воду различается в 5-30 раз. В этом отношении все пищевые волокна  можно разделить на три группы:

ВЫСОКО ГИДРОФИЛЬНЫЕ - МКЦ, гемицеллюлоза, пектин, камеди, альгинаты, каррагинан, зостерин, инулин, олигофруктоза, мукополисахариды

УМЕРЕННО ГИДРОФИЛЬНЫЕ - целлюлоза

ГИДРОФОБНЫЕ – лигнин

Различия в гидрофильности разных видов пищевы волокон определяют конечную водоудерживающую способность  пищевых продуктов (Таблица 1)

Таблица 1. Водоудерживающая способность разных пищевых продуктов (Черно Н.К., 1989).

Пищевой продукт	Связывание воды, г воды / г пищевые  волокна	Содержание пищевые волокна, % сырой массы	Связывание воды, г воды / 100 г продукта
Морковь	18,4	8,1	14,9
Яблоки	14,4	14,0	20,2
Огурцы	12,8	3,9	5,0
Свекла	12,1	24,1	29,2
Баклажаны	11,2	8,3	9,3
Томаты	9,5	5,9	5,6
Отруби ржаные	7,4	93,2	69,0
Отруби пшеничные	6,2	94,0	58,3

Несмотря на то, что водоудерживающая способность овощей существенно  выше, чем у пшеничных или ржаных отрубей, однако лучше для этой цели все же использовать отруби. 100 г пшеничных отрубей по величине водоудерживающей способности эквивалентны почти 290 г яблок, 390 г моркови или 1170 г огурцов. В то же время, среди овощей и фруктов лидером по способности связывать воду является свекла (29,2 г воды/100 г), яблоки (20,2 г воды/100 г) и морковь (14,9 г воды/100 г).

                                         СОРБЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ

Высокая сорбционная способность  пищевы волокон является одним из важнейших их свойств. Благодаря  этому свойству пищевые волокна  могут связывать на своей поверхности  не только молекулы воды, моносахариды,аминокислоты, холестерин, жирные кислоты, макро- и микроэлементы, витамины, но и более крупные пищевые субстраты (белки).

Пищевые волокна также  активно связывают пищеварительные  ферменты, желчные кислоты, фармпрепараты, ксенобиотики, тяжелые металлы, токсические  вещества, энтеротоксины бактерий, канцерогены и многие другие вещества.

Помимо этого некоторые  пищевые волокна могут связывать  надмолекулярные комплексы, бактерии, вирусы и другие крупные частицы. 

Сорбционные свойства пищевы волокон, главным Образом, обусловлены  присутствием в составе молекул  Сахаров различных функциональных групп:

гидроксильных (R-OH),

метальных (R-CH3),

метоксильных (R-O-CH3),

ацетильных (R-COOH),

амидных (R-CO-NH2),

ацетиламинных (R—NH-CO-CH3).

карбоксиметильных (R—О—СН2—СООН),

сульфатных (R-O-SO3),

этиламиноэтильных (R—С2Н5О—NH — С2Н5) и др.

Наличие большинства указанных  функциональных групп, например, метильных, ацетильных или карбоксиметильных, придает поверхности биополимера  отрицательный заряд, что делает его эффективным катионообменником, способным связывать положительно заряженные ионы, например, катионы  макро- и микроэлементов.

В то же время другие функциональные группы, например, гидроксильные или  этиламиноэтильные, могут нести  положительный заряд и связывать  отрицательно заряженные ионы — анионы. Отдельные функциональные группы могут  образовывать водородные связи с  молекулами сорбатов. Однако связывающая  способность разных видов пищевых  волокон заметно различается (Таблица 2).

Таблица 2. Катионнообменная способность разных видов пищевых  волокон (Черно Н.К., 1989).

Вид пищевых волокон	Сорбционная способность  мг-экв / г пищевые волокна
Выжимки овощей	0,80
Ржаные отруби	0,35
Пшеничные отруби	0,20
Высушенная зелень	0,08

 

 

В силу особенностей структуры, наличия в составе пищевых  волокон разных функциональных групп  разные виды пищевых волокон обладают далеко не одинаковой субстрат-связывающей  способностью по отношению к разным веществам. Например, лигнин in vitro связывает  холестерин на 34-41%, триглицериды на 17-26%, глюкозу на 10% и совсем не связывает  фолиевую кислоту (Беляков Н.А., 1989).

С другой стороны разные виды пищевые волокна обладают неодинаковой способностью связывать одни и те же вещества (Таблица 3).

Таблица 3. Сорбционная способность  разных видов пищевых волокон  и холестирамина связывать желчные  кислоты in vitro (Cummings J.H., 1981).

Пищевое волокно	% связывания
Холестирамин	81,3
Лигнин	29,2
Люцерна (Alfalfa)	15,9
Отруби	9,0
Целлюлоза	1,4

 

Из-за различий в содержании пищевых волокон, которые отличаются субстрат-связывающими свойствами, разные виды пищевых продуктов обладают неодинаковой способностью связывать  отдельные вещества. Это можно  продемонстрировать на примере связывания пищевыми волокнами одной из желчных  кислот — холевой кислоты (Таблица 4).

Таблица 4. Сорбционная способность  пищевых продуктов по отношению  к холевой кислоте (Черно Н.К., 1989).

Пищевые продукты	мг холевой кислоты / г  пищевые волокна
Морковь	5,1
Клубника	5,0
Ячменные отруби	5,0
Яблоки	4,5
Овсяные отруби	4,0
Баклажаны	3,5
Отруби пшеницы	3,0
Капуста	2,2

 

С другой стороны, связывающая  способность пищевых волокон  зависит и от свойств самих  сорбатов — веществ, которые сорбируются  на поверхности пищевые волокна. Тем более, что связывание веществ  на сорбционной матрице является процессом обратимым. Более сильный  сорбат вытесняет с поверхности  сорбента более слабый. Это хорошо изучено на примере связывания различных  пищевых волокон с альгинатами.

Сорбционная способность  элементов убывает в рядах  слева направо:

свинец > медь > барий > стронций > кальций > кадмий > кобальт > никель

марганец > железо

барий > стронций > олово > кадмий > марганец > цинк > ртуть > кобальт > рубидии > стронций > цезий > кальций

То есть свинец будет вытеснять  с поверхности сорбента медь, которая, в свою очередь, будет вытеснять  стронций, кальций, кадмий и другие элементы. Для нас важно, что такие  токсичные элементы, как свинец, стронций и цезий прочнее связывается  на сорбционной матрице альгинатов, чем кальций, а ртуть - прочнее, чем  кобальт.

Таким образом, сорбционные  свойства и суммарный сорбционный  потенциал пищевых волокон обусловлены  целым рядом факторов:

большими линейными размерами  макромолекул пищевых волокон, как  биополимеров,

особенностями пространственной структуры некоторых из них,

наличием на поверхности  макромолекул пищевых волокон различных  функциональных групп,

общим количеством пищевых  волокон в составе пищевого рациона.

Следует подчеркнуть, что  сорбционный эффект пищевых волокон  может существенным образом уменьшаться  в связи с бактериальной ферментацией и разрушением пищевые волокна (пектинов, целлюлозы, гемицеллюлозы, камеди и др.).

Напротив, устойчивые к действию бактериальных ферментов пищевые  волокна (лигнин, КМЦ и другие производные  целлюлозы, зостерин, альгинаты) способны сохранить свой сорбционный потенциал на всем протяжении желудочно-кишечного тракта.

Но поскольку бактериальный  гидролиз основной части пищевых  волокон осуществляется в толстой  кишке, именно в ней происходит массовая десорбция веществ с поверхности  разрушаемых пищевых волокон. Но в этом случае увеличивается биомасса кишечных бактерий, клеточная стенка которых также обладает высокой сорбционной емкостью.

Поэтому часть десорбированных  с поверхности пищевых волокон  токсических веществ и метаболитов  может сорбироваться на поверхности  кишечных бактерий или фрагментах разрушенных  стенок кишечных бактерий, завершивших  свой жизненный цикл. Пептидогликаны клеточной стенки бактерий и полисахаридные цепочки гликокаликса клеточной  поверхности живых бактерий по своей  структуре и свойствам также  можно отнести к пищевых волокон. Как и растительные волокна, они  несут на своей поверхности заряженные функциональные группы и могут сорбировать  широкий круг различных веществ.

ПЕРЕВАРИВАЕМОСТЬ ПИЩЕВЫХ  ВОЛОКОН БАКТЕРИАЛЬНЫМИ ФЕРМЕНТАМИ

Отличительной особенностью пищевых волокон является химическая устойчивость к гидролизу сахаролитическими  ферментами слюны, поджелудочной железы и тонкой кишки. Однако значительная часть пищевых волокон переваривается ферментами бактерий, для которых  пищевые волокна являются пищевыми субстратами — пребиотиками.

Следует подчеркнуть, что  кишечные бактерии способны переваривать и усваивать и другие пищевые  вещества, которые присутствуют в  составе пищевого рациона, например, крахмалистые полисахариды, сахарозу, лактозу и другие субстраты, конечными  продуктами гидролиза которых также  могут быть летучие жирные кислоты, водород, углекислый газ и метан.

Обычно, когда говорят о перевариваемости пищевых волокон, считают, что это происходит главным образом в толстой кишке, где присутствует основная масса кишечных бактерий. Но это далеко не так. Деградация пищевых волокон растительного и животного происхождения начинается еще в желудке под действием соляной кислоты, пепсинов и амилолитических ферментов слюны. В этом процессе также могут участвовать и ферменты самих растительных клеток, если растительные продукты употребляются в свежем виде и не подвергаются тепловой обработке. По мере формирования и продвижения химуса вдоль тонкой кишки начинается переваривание пищевых волокон с помощью ферментов кишечных бактерий, которые активно размножаются в присутствии пищевых веществ и пищевых волокон, являющегося для них источниками питания.

Окончательное переваривание  пищевых волокон завершаются  в толстой кишке, которая является основным местом обитания кишечных бактерий.

Все имеющиеся данные о  перевариваемости различных видов  пищевых волокон достаточно сильно разнятся между собой. Это неудивительно, поскольку в литературе приводятся данные, полученные при исследованиях  не только на человеке, но и на животных, при использовании разных количеств  и видов пищевых волокон на фоне неодинакового по составу питания. Однако в этой разноголосице данных все же удается найти общие  закономерности поведения разных видов  пищевых волокон в желудочно-кишечном тракте.

В первую очередь, устойчивость пищевых волокон к действию микробных  ферментов зависит от их химической структуры.

      Все пищевые волокна по устойчивости к бактериальному гидролизу можно разделить на три класса:

-ЛЕГКО ГИДРОЛИЗУЕМЫЕ - пектины (90-100%), целлюлоза (70-80%), гемицеллюлоза (90-100%), камеди (100%), олигофруктоза, инулин (100%), мукополисахариды, резистентные крахмалы (100%), лактулоза (100%)

-ТРУДНО ГИДРОЛИЗУЕМЫЕ - карбоксиметилцеллюлоза (20%) и другие эфиры целлюлозы, альгинаты, зостерин (20%), хитин

-НЕГИДРОЛИЗУЕМЫЕ - лигнин

Перевариваемость пищевых  волокон возрастает при уменьшении размеров частиц растительных продуктов  или самих пищевых волокон. Например, перевариваемость отрубей тонкого  помола выше, чем грубого. При этом в 4 раза увеличивается перевариваемость целлюлозы. Перевариваемость пищевых  волокон снижается при увеличении их содержания в рационе, поскольку  возникает конкуренция между  разными видами пищевых волокон  по отношению к ограниченному  пулу бактериальных ферментов. Лучшему  перевариванию пищевых волокон  помогает предварительная тепловая обработка растительных и животных продуктов. Пищевые волокна сырых  овощей и фруктов перевариваются хуже, чем отваренных.

Перевариваемость пищевых  волокон также во многом зависит  от состояния пищеварительной функции. Уменьшение пищеварительной функции  желудка (снижение секреции соляной  кислоты и пепсина при атрофических состояниях) нарушают начальные этапы  деградации и гидролиза растительных и животных продуктов, затрудняя  последующее бактериальное расщепление  пищевых волокон. Важным фактором, определяющим перевариваемость пищевые волокна, является длина кишечника и скорость кишечного пассажа. Здесь решающую роль играет фактор времени, в течение  которого происходит пищеварение.

Тем более что пищевые волокна ускоряют транзит пищи по кишечнику и уменьшают продолжительность пищеварения. У человека средняя скорость пассажа в норме составляет около 40 часов. У экспериментальных животных (крыс, кроликов и др.) относительная длина кишечника меньше, чем у человека, а скорость пассажа — выше. Это снижает перевариваемость пищевых волокон. У крыс, например, перевариваемость целлюлозы составляет всего лишь 15%, а гемицеллюлозы — 50%. У кроликов перевариваемость целлюлозы колеблется в пределах 17-23%, а гемицеллюлозы — 33-54%. Таким образом, уменьшение времени транзита пищи у экспериментальных животных заметно снижает перевариваемость пищевых волокон, поскольку сокращается время пищеварения.