Состав, структура, строение и свойства материалов и изделий

Химический состав и структура материалов и изделий

Любой товар обладает особенностями и внешними проявлениями, которые называются свойствами. Свойства товаров зависят от их химического состава, структуры, конструкции, внутренних взаимодействий узлов и деталей.

Свойство товара — это объективная особенность товара, проявляющаяся при разработке, производстве, испытаниях, хранении, транспортировании, техническом обслуживании, ремонте и эксплуатации или потреблении.

Первичные свойства материалов и изделий товара делят на: химические, физические, биологические. Они зависят от химического состава, структуры материалов и изделий.

Состав и структура сырья, материалов, готовых изделий создаются природой и совершенствуются (оптимизируются) в процессе технологической обработки.

Взаимосвязь химического состава и структуры веществ со свойствами готовых изделий, факторами, оказывающими влияние на свойства изделий, изучают подробно в дисциплинах «Материаловедение» и «Технология». Химический состав обусловливается конкретными химическими элементами, соединенными в определенных количествах, а также порядком их соединения и распределения в пространстве.

Химический состав характеризуется качественными и количественными характеристиками. Качественная характеристика химического состава — это наличие тех или иных элементов в веществе. Количественная характеристика химического состава — это содержание компонентов (элементов) в жидкой, твердой, газообразной смесях (концентрация). Концентрация может выражаться и в безразмерных величинах: массовая, объемная или молярная доля.

Массовая концентрация вещества (кг/м3) — величина, равная отношению массы компонента к объему системы.

Массовая доля — это отношение массы компонента смеси к массе смеси. Например, при оценке качества текстильных материалов оценивают массовую долю волокон, составляющих текстильный материал. Массовая доля может выражаться в процентах или долях единицы.

Молярная концентрация вещества (моль/м3) представляет собой отношение количества компонентов, выраженного в молях, к объему системы.

Молярная доля вещества — отношение количества вещества компонента в молях к общему количеству молей вещества смеси.

Объемная доля — отношение объема компонента к объему смеси.

Химический состав продовольственных товаров

Рассмотрим особенности химического состава продовольственных товаров.

Продукты питания и вода обеспечивают процессы жизнедеятельности организма человека. Неполноценный химический состав продуктов питания и воды приводит к недостатку некоторых химических элементов в организме человека и вызывает нарушение деятельности нервной системы, обмена веществ, заболевания пищеварительного тракта.

Превышение допустимых концентраций токсичных элементов (олова, свинца, ртути, селена, мышьяка и др.) в продуктах питания может привести к отравлению и тяжелым заболеваниям человека.

В состав продуктов питания входят органические и неорганические вещества. К неорганическим веществам относятся вода и зольные элементы (макрои микроэлементы). К органическим веществам, присутствующим в продуктах, относятся углеводы, жиры и липиды, азотистые вещества, органические кислоты, ферменты, витамины.

Вода растворяет, переносит пищу и продукты обмена веществ в организме человека, является средой, в которой происходят все процессы обмена веществ. Она участвует в поддержании постоянной нормальной температуры тела человека. Взрослому человеку необходимо в среднем 1,750−2,200 дм³ воды в сутки. Эта потребность удовлетворяется за счет питьевой воды и воды, содержащейся в продуктах питания.

Вода в продуктах питания может быть свободная и связанная. Содержание воды в продуктах питания различается. Например, в сахаре содержится 0,1−0,4% воды; хлебе — 40−50%; в свежих плодах и овощах — 70−96%. Количество воды в продуктах влияет на их питательные свойства, сохраняемость, вкус, консистенцию.

Продукты с высоким содержанием влаги имеют низкую энергетическую ценность, ограниченную сохраняемость (в них быстро развиваются микроорганизмы, ускоряются химические и другие процессы). Продукты с низким содержанием воды сохраняются более длительное время. Но при уменьшении необходимого содержания влаги овощи и плоды увядают, снижаются их вкусовые и эстетические свойства, масса. Влажность продукта (количество воды, выраженное в процентах к первоначальной массе продукта) является важным свойством.

Зольные элементы содержатся в продуктах питания в небольших количествах (например, в мясе 0,6−1,2%, молоке — 0,7%, карамели — 0,1−0,2%).

Эти элементы в зависимости от количественного содержания в продуктах делятся на макрои микроэлементы.

Макроэлементы — кальций, фосфор, сера, калий, натрий, железо, магний, хлор — составляют десятые и сотые доли процента массы продукта. Содержание микроэлементов йода, меди, алюминия, цинка, кобальта и др. — ограничено очень малым количеством. Выделяют также ультрамикроэлементы (радий, торий, ртуть и др.).

Макрои микроэлементы участвуют в построении костной ткани, поддержании защитных свойств и работоспособности организма. Например, фосфор участвует в дыхании, необходим для нормальной деятельности нервной системы и работы мышц; калий способствует выведению из организма воды и солей натрия; соли магния способствуют снижению холестерина в плазме крови, улучшают работу кровеносной системы. Микроэлементы активизируют различные ферментативные процессы, влияют на внутриклеточный обмен веществ, кроветворную деятельность, процессы роста и др. Так, медь, кобальт, марганец стимулируют рост организма и кроветворение, кобальт является составной частью витамина В2.

Некоторые микроэлементы в значительном количестве являются сильными ядами. Поэтому содержание микроэлементов в продуктах питания строго ограничивается санитарными нормами; присутствие солей ртути, свинца, мышьяка не допускается.

Организму человека необходимо 20−30 г зольных элементов в сутки.

Углеводы являются источником энергии для организма, влияют на жировой обмен и выполняют ряд других функций. 1 г углеводов выделяет при окислении 15,7 кДж энергии. При недостатке углеводов организм человека для покрытия расхода энергии расщепляет даже белки; лишние углеводы превращаются в жир, который откладывается в организме. В среднем взрослому человеку требуется в сутки 400−500 г углеводов. Углеводы делятся на моносахариды, олигосахариды, полисахариды.

Моносахариды, в частности глюкоза и фруктоза, имеют важное пищевое значение, хорошо растворяются в воде, легко усваиваются организмом человека, имеют сладкий вкус. В свободном виде глюкоза и фруктоза присутствуют в плодах, овощах, меде. В промышленности глюкозу получают из крахмала, а фруктозу — из инулина, который содержится в цикории. Производство хлеба, кисломолочных продуктов основано на способности моносахаридов сбраживаться дрожжами и молочнокислыми бактериями.

Олигосахариды (сахароза, мальтоза, лактоза) в процессе обмена веществ превращаются в моносахариды.

Сахара имеют разную степень сладости. Наиболее сладким и гигроскопичным сахаром является фруктоза, а наименее сладким — лактоза.

Полисахариды (крахмал, инулин, гликоген, целлюлоза) тоже являются важными веществами. Крахмал накапливается в виде зерен различной формы и размера в клубнях, корнях, стеблях, семенах растений. Наибольшее его количество — в зернах злаков, картофеле, муке, хлебе. Крахмал не растворяется в воде, сильно набухает, образует крахмальный клейстер. Под действием ферментов, кислот он расщепляется до глюкозы и почти полностью усваивается организмом. Гликоген (животный крахмал) содержится в печени животных, мясе, рыбе и под действием ферментов превращается в глюкозу.

Клетчатка составляет основу клеточных стенок растений. Организм человека ее почти не усваивает. Клетчатка усиливает перистальтику кишечника, в определенном количестве положительно влияет на его деятельность. Высокое содержание клетчатки снижает питательную ценность продукта.

К липидам относятся жиры и жироподобные вещества.

Жиры входят в состав животных организмов и растений. Количество жиров в продуктах колеблется в широких пределах: в растительных маслах, маргарине, сливочном масле, топленых жирах — 60−99,9%, а в плодах и овощах — до 0,5%. По химической природе жиры являются смесью сложных эфиров трехатомного спирта глицерина и различных жирных кислот.

Жирные кислоты в зависимости от химической структуры подразделяются на насыщенные и ненасыщенные. Насыщенные жирные кислоты — пальмитиновая, стеариновая и другие — не способны к реакциям присоединения, при нормальной температуре они твердые. Ненасыщенные жирные кислоты при температуре 18−20°С жидкие, способны к реакциям присоединения. Наиболее часто в жирах встречаются олеиновая, линолевая непредельные жирные кислоты.

Жиры легче воды, нерастворимы в воде, но могут образовывать эмульсии. Способность к образованию эмульсий используется при производстве маргарина, майонеза и других продуктов. Жиры хорошо растворяются в бензине, эфире. На этом свойстве основано извлечение их из масличных семян методом экстракции. Усвоение жиров связано с температурой их плавления: жиры с высокой температурой плавления усваиваются плохо. При хранении на воздухе жиры окисляются, что приводит к прогорканию и осаливанию.

По происхождению жиры бывают растительные и животные; по консистенции — жидкие и твердые. В организме человека они участвуют в обмене веществ, синтезе белков, образовании тканей, являются источниками жирорастворимых витаминов и энергии. При окислении 1 г жира выделяется 37,7 кДж. Суточная норма потребления жиров составляет от 80−100 г в зависимости от возраста человека, выполняемой работы и других факторов.

Содержание жиров является важной характеристикой продуктов питания.

Белки образуют основу мышц, костей, крови, нервной ткани, входят в состав ферментов, витаминов, гормонов. Белковые вещества являются важными компонентами продуктов питания человека.

Белки состоят из аминокислот. В организме человека они распадаются до аминокислот, и из одних образуются другие. Но есть ряд аминокислот, которые в организме образоваться не могут, их называют незаменимыми. Белки, в которые входят все незаменимые аминокислоты, называют полноценными, к ним относятся белки мяса, рыбы, яиц, молока. Белки, в молекуле которых отсутствует хотя бы одна незаменимая аминокислота, называются неполноценными.

Все белки подразделяются на простые и сложные. Простые белки (протеины) имеют в составе остатки аминокислот. Сложные белки (протеиды) представляют собой соединения простых белков с сахарами, липоидами, красящими веществами и др.

Белки обладают амфотерностью, большим молекулярным весом; денатурация происходит при нагревании выше 50−60 °С, гидролиз под действием кислот, щелочей, ферментов на аминокислоты. При набухании белки поглощают большое количество воды.

Денатурация белков (от лат. de — приставка, означающая отделение, удаление и nature — природа) — потеря белковыми веществами их естественных свойств (растворимости, гидрофильности и др.) вследствие нарушения пространственной структуры их молекул.

Количество белков в продуктах питания различно: в сое — 35%, мясе — 14−21, овощах — 0,5−6,5, плодах — до 1,5%.

Суточная норма белков для взрослого человека составляет от 80 до 100 г, в том числе животных белков — 50 г. При окислении 1 г белка выделяется 16,7 кДж.

Витамины способствуют нормальному обмену веществ, росту организма, повышают сопротивляемость к заболеваниям.

Отсутствие витаминов в пище вызывает тяжелые заболевания — авитаминозы, недостаток — гиповитаминозы, а избыточное поступление их в организм приводит к гинервитаминозу. Большинство витаминов обозначают буквами латинского алфавита, но установлены также наименования витаминов по их химическому составу. Все витамины условно делятся на жирорастворимые (А, Д, Е, К), водорастворимые (С, Р, РР, группы В и др.) и витаминоподобные вещества.

Недостаток витамина, А (ретинола) в организме приводит к задержке роста, заболеваниям глаз, снижению сопротивляемости организма инфекциям. Витамин, А содержится в продуктах животного происхождения (печень трески, сливочное масло, яичный желток и др.). В растительных продуктах он находится в виде каротина, который под действием ферментов превращается в организме в витамин А. Высокое содержание каротина характерно для моркови, абрикосов, тыквы и др.

Наиболее хорошо он усваивается организмом вместе с жирами.

Витамин D (кальциферол) регулирует усвоение кальция и фосфора. Содержится только в продуктах животного происхождения. Он имеет провитамины, которые под действием солнечных лучей могут превращаться в организме человека в витамины D2, D3.

Витамин Е (токоферол) называют фактором размножения. Высокое содержание витамина Е характерно для облепихового, кукурузного, соевого масла, зародышей пшеницы, ячменя, ржи и др.

Витамин К (филлохинон) играет важную роль в процессах свертывания крови. Его высокое содержание характерно для капусты, тыквы, крапивы и др.

Витамин С (аскорбиновая кислота) повышает сопротивляемость организма инфекционным заболеваниям, участвует в синтезе многих веществ, которые расходуются на построение костной и соединительной тканей, предохраняет от заболевания цингой. Наиболее высокое содержание витамина С характерно для плодов и овощей (черная смородина, капуста, цитрусовые и др.). Витамин С легко разрушается при доступе воздуха, нагревании, но хорошо сохраняется в кислой среде.

Витамин В, (тиамин) активно участвует в ферментативных процессах, обмене веществ. Отсутствие его в пище приводит к заболеванию нервной системы. Большое содержание витамина В, характерно для сухих пивных дрожжей, гороха, свинины, хлеба из обойной муки.

Витамин В2 (рибофлавин) способствует росту организма, участвует в углеводном обмене веществ, окислительно-восстановительных процессах. Содержится в тех же продуктах, что и витамин В1.

В живой клетке могут присутствовать также антивитамины, которые разрушают витамины или препятствуют их синтезу.

Ферменты участвуют во всех процессах, протекающих в организме. По характеру действия они относятся к биокатализаторам; вырабатываются только живыми клетками, но проявляют свое действие и вне клетки.

Основой состава ферментов являются белки. Для них характерны некоторые общие свойства: специфичность действия, высокая каталитическая активность, зависимость активности от внешних условий.

В производстве многих продуктов питания ферменты играют важную роль. На действии ферментов основано, например, получение сыров, чая, кисломолочных продуктов, хлеба и др. Ферментативными процессами являются дыхание зерна, овощей, плодов при хранении, послеубойное созревание мяса и многие другие. Это положительно влияет на качество продуктов, но в некоторых случаях ферменты могут вызвать ухудшение качества или порчу продуктов (потемнение плодов при сушке, гниение, прокисание, прогоркание).

Органические кислоты (уксусная, молочная, яблочная, лимонная, винная, бензойная, салициловая) могут содержаться в продуктах как естественная составная часть или вводиться и образовываться в них в процессе технологической обработки. Кислоты наряду с другими веществами придают продуктам вкус и способствуют сохраняемости некоторых из них.

В состав продуктов питания входят дубильные, красящие, ароматические вещества, гликозиды, алкалоиды.

Внесение незначительных изменений в состав продукта (например, в его рецептуру) может сильно повлиять на свойства и дать существенные различия в качестве нового товара и выпускавшегося ранее. Эти качественные изменения могут быть заметны потребителю и негативно скажутся на спросе. В некоторых случаях изменение состава может происходить очень медленно, почти неуловимо в связи с постепенным изменением состава и свойств сырья, введением пищевых добавок.