Pārtikas izejvielām un produktiem ir komplekss sastāvs, kurš galvenokārt ir veidots no ogļhidrātiem, lipīdiem un olbaltumvielām; satur arī ūdeni, vitamīnus, minerālvielas, fermentus, pārtikas piedevas, kā arī savienojumus, kuri nosaka garšu, smaržu un krāsu. Pārtikas produktu un izejvielu kompleksais sastāvs izraisa daudzas vēlamas un nevēlamas ķīmiskas reakcijas, kuras ir atkarīgas no dažādiem parametriem. Lai būtu iespējams izzināt pārtikas produktu sastāvu un ķīmiskās pārvērtības, tie jāsadala atsevišķās sastāvdaļās.
pārtikas ķīmija
ķīmijas zinātnes apakšnozare, kas pēta pārtikas izejvielu un produktu uzbūvi, sastāvu, īpašības un ķīmiskās pārvērtības, kuras notiek apstrādes, pārstrādes un uzglabāšanas laikā; pārtikas ķīmija ir integrēta pārtikas zinātnē
Saistītie šķirkļi
Rūpniecības biotehnoloģiju uzņēmuma Amyris (ASV) rauga fermentācijas laboratorija, kurā tiek testēti jauni rauga celmi pirms to nosūtīšanas uz ražotnēm Brazīlijā.
Satura rādītājs
Praktiskā un teorētiskā nozīme
Pārtikas ķīmijas teorētiskās atziņas ir vērstas uz to praktisku pielietojumu pārtikas industrijā un citās pārtikas zinātnes apakšnozarēs. Pārtikas ķīmiķi pēta pārtikas produktu primārās (cilvēks ir tajās ieinteresēts) un sekundārās (cilvēks to klātbūtnē nav ieinteresēts) sastāvdaļas. Primārās pārtikas produktu sastāvdaļas ir vielas ar enerģētisko uzturvērtību (olbaltumvielas, tauki un sagremojamie ogļhidrāti), vielas, kurām ir bioloģiska nozīme (vitamīni, minerālvielas, šķiedrvielas, neaizvietojamās taukskābes un aminoskābes), un vielas, kuras veido pārtikas produktu garšu, smaržu un krāsu. Pārtikas produktu sekundārās sastāvdaļas ir pārtikas piesārņojums, kurš uzturā nonāk no lauksaimniecības, vides, pārtikas izejvielu termiskās apstrādes: polihlorbifenili (PHB), dioksīni, policikliskie aromātiskie ogļūdeņraži (PAO), akrilamīds, hidroksimetilfurfurols (HMF), kā arī smagie metāli (svins, Pb; dzīvsudrabs, Hg; kadmijs, Cd). Pie sekundārām pārtikas sastāvdaļām var pieskaitīt arī pārtikas piedevas, kuru izmantošanā produktu ražošanā cilvēks tieši nav ieinteresēts. Pārtikas sastāvdaļu izolēšanai izmanto modernās organiskās un fizikālās ķīmijas metodes. Atsevišķo savienojumu klātbūtni un daudzumu pārtikas produktos nosaka ar modernām analītiskās ķīmijas metodēm. Pārtikas produktu un izejvielu struktūras pētījumiem izmanto fizikālās un koloidālās ķīmijas metodes. Vispusīga pārtikas produktu sastāvdaļu analīze, to izolēšana dod iespēju veidot modeļu sistēmas, uz kuru pamata var skaidrot pārtikas produktos notiekošās pārvērtības.
Pārtikas ķīmijas galvenie sastāvelementi
Pārtikas ķīmija ir cieši saistīta ar klasiskām ķīmijas apakšnozarēm, piemēram, analītisko, organisko, fizikālo un koloidālo ķīmiju. Pārtikas inženierzinātnes, pārtikas bioķīmija un pārtikas mikrobioloģija ir cieši saistītas ar pārtikas ķīmiju. Pētījumi pārtikas ķīmijā saskaras arī ar pētījumiem uzturzinātnē, augu un dzīvnieku fizioloģijā, lauksaimniecības ķīmijā, farmācijā, molekulārajā bioloģijā. Pārtikas ķīmija, balstoties uz iepriekš minētajām zinātnēm, pēta un kontrolē bioloģiskas izcelsmes savienojumus kā cilvēku uztura avotu. Zināšanas par bioloģiskas izcelsmes savienojumu īpašībām un to izmantošanu ir nozīmīgas ne tikai pārtikas ķīmiķiem, bet arī biologiem, lauksaimniecības un veterinārzinātes pārstāvjiem, kurus galvenokārt interesē dzīvu organismu reprodukcija, augšana un vielmaiņa atkarībā no apkārtējās vides faktoriem. Pārtikas ķīmiķu uzmanība ir vērsta uz nedzīviem bioloģiskas (augu un dzīvnieku) izcelsmes produktiem. Pārtikā izmanto arī pārtikas piedevas – savienojumus, kuru izcelsme var būt dabīga, mākslīga vai sintētiska. Pārtikas ķīmija kontrolē pārtikas piedevu izcelsmi un kvalitāti.
Nozares teorijas
Pārtikas ķīmijas teorētiskās atziņas 19. un 20. gs. veidojās uz fundamentālo ķīmijas zinātnes teoriju bāzes. Arī 21. gs. pārtikas zinātnes nozare turpina integrēt dažādas ķīmijas zinātnes teorijas.
Biopolimēru molekulu struktūras un uzbūves analīze skaidro pārtikas olbaltumvielu un polisaharīdu īpašības. Pētījumi stereoizomēru ķīmijā skaidro ogļhidrātu, flavanoīdu, aizvietoto karbonskābju un nepiesātināto taukskābju atomu izvietojumu telpā. Organiskās ķīmijas teorijas skaidro daudzas pārtikas ķīmijas reakcijas: brīvo radikāļu veidošanos un ķēdes reakciju attīstību nepiesātināto taukskābju, karotinoīdu, vitamīnu u. c. savienojumu oksidēšanā. Karbonilgrupu (reducējošo cukuru) reakcijās ar aminogrupām (aminoskābēm un olbaltumvielām) veidojas melanoidīni, saukti par Maijāra reakciju (réaction de Maillard). Pētījumi par margarīna iegūšanu no eļļām, kā arī par poliolu iegūšanu no reducējošiem cukuriem skaidro hidrogenēšanas reakcijas. Koloidālās ķīmijas teorijas skaidro pārtikas recekļu veidošanos un to stabilizāciju. Rupji disperso sistēmu teorija nosaka emulsiju un putu stabilitāti.
Galvenās pētniecības metodes
Pārtikas ķīmijā izmanto visu mūsdienās pieejamo pētniecības analītisko aparatūru un metodes. Šīs analītiskās procedūras tiek izmantotas, lai iegūtu informāciju par dažādām pārtikas produktu īpašībām, t. sk. par to sastāvu, struktūru, fizikālām un ķīmiskām īpašībām. Analīzes metode tiek izvēlēta atkarībā no pārtikas veida un analīzes mērķa. Visus analizējamos ķīmiskos parametrus iedala divās grupās – neorganisko un organisko savienojumu analīzē.
Neorganisko vielu noteikšanai izmanto klasiskās analīžu metodes – titrimetriju un gravimetriju, taču arvien biežāk izmanto modernās instrumentālās analīzes metodes – optiskās un elektroķīmiskās, kā arī jonu hromatogrāfiju. Organisko savienojumu analīzē pārsvarā izmanto dažādas hromatogrāfiskās metodes, kā arī cirkulāro dihroismu, rentgenstruktūranalīzi un citas.
Organiskās vielas, kuras izmanto kā pārtikas piedevas, var iegūt divējādi: tās izdala no dabas produktiem vai iegūst sintēzes procesos. Lai vielas iegūtu tīrā veidā, tās jāizdala no vielu maisījumiem. Vielu izdalīšanai no maisījumiem un attīrīšanai izmanto ekstrakciju, kristalizāciju, sublimāciju, hromatogrāfiju un destilāciju.
Analītisko mērījumu kvalitāti nosaka parauga sagatavošana analīzes metodei pieņemamā agregātstāvoklī, novēršot traucējošo savienojumu ietekmi. Iespējami vairāki paraugu sagatavošanas veidi – sausā vai slapjā mineralizācija, oksidēšana slēgtā sistēmā, UV starojuma vai mikroviļņu lietošana, soksleta ekstrakcija un ci.
Viena no visplašāk izmantotajām vielu fizikāli ķīmiskajām analīzes metodēm ir optiskā metode, kura balstās uz vielas un elektromagnētiskā starojuma mijiedarbību. Atkarībā no elektromagnētiskā spektra apgabaliem izšķir vairākas spektrometriskās metodes – kodolfizikālo jeb γ staru emisiju, rentgenmetodes, vakuuma ultravioleto spektrometriju, ultravioleto spektrometriju, spektrometriju redzamās gaismas apgabalā, tuvo infrasarkano spektroskopiju, infrasarkano spektroskopiju, mikroviļņu spektroskopiju, elektronu paramagnētisko rezonansi, kodolmagnētisko rezonansi. Pie modernākām analīzes metodēm jāpieskaita induktīvi saistītās plazmas masspektrometrija un induktīvi saistītās plazmas atomemisijas spektrometrija.
Izmantojot elektroķīmiskās analīzes metodes, iespējams analizēt pārtikas produktus, nosakot to šķīduma pH, elektrovadītspēju, sāļainību, redokspotenciālu, izšķīdušā skābekļa saturu ūdenī, kā arī izmantot jonselektīvos elektrodus. Piemēram, pārtikas produktu piesārņojuma kontrolē visbiežāk izmanto potenciometriju jeb jonometriju un stripinga potenciometriju.
Viena no mūsdienīgākajām pārtikas ķīmijas analīzes metožu grupām ar ļoti plašām pielietojuma iespējām ir hromatogrāfija – vielu maisījuma sadalīšanas un analīzes metode. Ir zināmas gan klasiskās gāzu (termiski stabilu gaistošu vielu analīzei) un augsti efektīvā šķidruma hromatogrāfijas (negaistošu vielu analīzei), gan eksklūzijas hromatogrāfija (gelhromatogrāfija) un afinitātes jeb biospecifiskā hromatogrāfija, kā arī virskritiskā fluīdu hromatogrāfija un micellārā elektrokinētiskā kapilārā hromatogrāfija. Augsti efektīvo šķidruma hromatogrāfiju (AEŠH) bieži apvieno ar kādu no spektrometrijas veidiem – pazīstamākās metodes ir AEŠH–UV (UV – ultravioletā spektrometrija), AEŠH–MS (MS – masspektrometrija), AEŠH–KMR (KMR – kodolmagnētiskā rezonanse). Ar šīm metodēm var gan identificēt vielas, gan noteikt to struktūru, kvantitatīvo un kvalitatīvo sastāvu.
Pārtikas ķīmijas vēsture, nozīmīgākie pētnieki
Par pārtikas ķīmijas zinātnes pirmsākumiem var uzskatīt atsevišķus atklājumus antīkajā pasaulē, taču nozīmīgākie atklājumi sākās 18. gs. beigās. Pārtikas ķīmija kā atsevišķa nozare nebija pazīstama līdz 20. gs., pirms tam tās vēsture bija cieši saistīta ar lauksaimniecības ķīmiju. Vairāki ievērojami ķīmiķi no 1780. līdz 1850. gadam veica atklājumus, kurus var uzskatīt par modernās pārtikas ķīmijas pirmsākumiem. Par precīzu analītisko pētījumu pirmsākumiem lauksaimniecībā un pārtikas ķīmijā tiek uzskatīta dažādu jaunu ķīmisko savienojumu izdalīšana no augu un dzīvnieku produktiem.
Zviedru farmaceits Kārlis Vilhelms Šēle (Carl Wilhelm Scheele) izolēja un pētīja laktozes īpašības (1780), no pienskābes ieguva gļotskābi (1780), izgudroja etiķa izmantošanu konservēšanā karsējot (1782), izolēja citronskābi no citronu sulas (1784) un ērkšķogām (1785), izolēja ābolskābi no āboliem (1785) un testēja 20 pazīstamus augļus, lai noteiktu citronskābi, ābolskābi un vīnskābes (1785). Franču ķīmiķis Antuāns Lorāns Lavuazjē (Antoine-Laurent Lavoisier) bija pirmais, kurš parādīja, ka fermentācijas procesus var izteikt kā līdzsvara vienādojumu. Viņš veica pirmo mēģinājumu, lai noteiktu spirta sastāvu (1784), un publicēja pirmos pētījumus (1786) par organiskajām skābēm dažādos augļos. Žozefs Luijs Gē-Lisaks (Joseph Louis Gay-Lussac) un Luijs Žaks Tenārs (Louis-Jacques Thénard) 1811. gadā izgudroja metodi C, H un N procentuālā sastāva noteikšanai sausu dārzeņu paraugos. Angļu zinātnieks Hamfrijs Deivijs (Sir Humphrey Davy) 1813. gadā izdotajā grāmatā “Lauksaimniecības ķīmijas elementi Lauksaimniecības padomes lekciju kursā” (Elements of Agricultural Chemistry, in a Course of Lectures for the Board of Agriculture) pirmo reizi risina jautājumus, saistītus ar pārtikas ķīmiju. H. Deivijs rakstīja, ka augi parasti ir veidoti no septiņiem vai atsoņiem elementiem, no kuriem vissvarīgākie ir ogleklis (C), ūdeņradis (H) un skābeklis (O) dažādās attiecībās, dažreiz kombinācijā arī ar slāpekli (N). Zviedru zinātnieka Jensa Jākoba Bercēliusa (Jöns Jakob Berzelius) un skotu ķīmiķa Tomasa Tomsona (Thomas Thomson) darbos pirmo reizi minētas organisko savienojumu formulas. J. J. Bercēliuss noteica apmēram 2000 savienojumu sastāvus, tādējādi pārbaudot likumu par noteiktām atomu attiecībām organiskajos savienojumos. Franču ķīmiķis Mišels Ežēns Ševrē (Michel-Eugène Chevreul) apkopoja tobrīd zināmos elementus organiskajos savienojumos un informēja par procesiem, kurus var piemērot organisko vielu analīzē – ekstrakciju ar neitrāliem šķīdinātājiem, vienkāršo destilāciju, frakcionēto destilāciju vai destilāciju ar ūdens tvaiku. M. E. Ševrē bija organisko vielu analīzes pamatlicējs, un viņa klasiskie pētījumi par augu eļļu sastāvu atklāja un nosauca stearīnskābi un oleīnskābi.
Amerikas Savienoto Valstu (ASV) armijas kara ārsts Viljams Boumonts (William Beaumont) veica klasiskus eksperimentus par gremošanas procesiem kuņģī, kas mainīja kopš sengrieķu ārsta un filozofa Hipokrāta (Ἱπποκράτης ὁ Κῷος) laikiem esošos uzskatus, ka pārtika satur vienkāršus uztura komponentus. Eksperiments tika veikts no 1825. līdz 1833. gadam kopā ar kanādieti Aleksi Senmartēnu (Alexis Bidagan St. Martin), kura ievainojums ļāva piekļūt tieši kuņģim, ievietojot tajā pārtiku, un vēlāk pētīt gremošanas izmaiņas.
Justuss fon Lībigs (Justus Freiherr von Liebig) 1837. gadā atklāja, ka acetaldehīds rodas kā starpprodukts, spirtam fermentējoties etiķskābē. J. fon Lībigs 1842. gadā klasificēja pārtiku kā slāpekli saturošu (augu fibrīns, albumīns, kazeīns, dzīvnieku gaļa un asinis) vai slāpekli nesaturošu (tauki, ogļhidrāti, spirta atvasinājumi). Kaut gan šī klasifikācija vairākos aspektos nav korekta, tā ļāva saskatīt būtiskas atšķirības starp dažādiem produktiem. Viņš arī pilnveidoja metodes organisko vielu kvantitatīvai noteikšanai, īpaši ar oksidēšanu. J. fon Lībigs publicēja pirmo pārtikas ķīmijas grāmatu “Pētījumi pārtikas ķīmijā” (Researches on the Chemistry of Food, 1847), kurā iekļauti viņa pētījumi par ūdenī šķīstošiem muskuļu savienojumiem (kreatīnu, kreatinīnu, sarkozīnu, inozīnskābi, pienskābi un citiem).
Franču ķīmiķis Luijs Kamills Maijārs (Louis-Camille Maillard) 1912. gadā publicēja rakstu, kurā skaidroja melanoidīnu veidošanos aminoskābju reakcijās ar cukuriem. Šo reakciju mehānismu izpētīja amerikāņu ķīmiķis Džons Hodžs (John Edward Hodge), kurš 1953. gadā to publicēja un nosauca par Maijāra reakciju.
Žans Batists Dimā (Jean-Baptiste Dumas) 1871. gadā izvirzīja hipotēzi, ka uzturs, kas sastāv tikai no proteīniem, ogļhidrātiem un taukiem, ir nepietiekams, lai nodrošinātu cilvēkam dzīvību. Vācijā 1860. gadā nodibināja pirmo publisko lauksaimniecības eksperimentālo staciju. Vilhelms Hannebergs (Wilhelm Hanneberg) un Frīdrihs Štomanis (Friedrich Stohmann), balstoties uz iepriekšējo ķīmiķu sasniegumiem, attīstīja metodes, lai noteiktu pārtikas galvenās sastāvdaļas. Sadalot paraugu vairākās daļās, viņi noteica mitruma saturu, taukus, pelnus un slāpekli. Tad, pareizinot slāpekļa saturu ar 6,25, viņi ieguva proteīnu saturu. Atlikumu pēc pakāpeniskas sadalīšanas ar atšķaidītām skābēm un bāzēm nosauca par šķiedrvielām. Atlikumu pēc proteīnu, tauku, pelnu un šķiedrvielu atdalīšanas nosauca par “no slāpekļa brīvu ekstraktu”, un to uzskatīja par izmantojamu ogļhidrātu.
1862. gadā ASV tiek pieņemts lēmums par koledžu veidošanu, lai apmācītu agroķīmiķus un pārtikas ķīmiķus, un pēc tam tika dibināts ASV Lauksaimniecības departaments (United States Department of Agriculture), kurš izvērsa kampaņu pret pārtikas produktu viltojumiem un piesārņojumu, tāpēc 1906. gadā ASV pieņēma pirmo no daudzajiem patērētāju aizsardzības likumiem – “Tīras pārtikas un zāļu likumu” (Pure Food and Drug Act). 1887. gadā ASV tika dibinātas lauksaimniecības izmēģinājumu stacijas, kas ietekmēja pārtikas zinātnes attīstību; 20. gs. pirmajā pusē atklāja, nosauca un raksturoja daudz vitamīnu, minerālvielu, taukskābju un aminoskābju.
Pārtikas ķīmijas attīstība veicināja pārtikas piesārņošanu. 20. gs. vidū nozīmīgs un arī strīdīgs bija ķimikāliju pielietojums, lai veicinātu augu un dzīvnieku augšanu, pārtikas izejvielu pārstrādi un pārtikas realizāciju. Dažāda veida pārtikas piesārņojuma noteikšana vienlaicīgi veicināja pārtikas analītiskās ķīmijas attīstību.
Attīstība mūsdienās
Mūsdienās pārtikas ķīmijas zinātne turpina attīstīties vairākos virzienos. Izmantojot modernas analītiskās, organiskās un fizikālās ķīmijas metodes, iespējams paplašināt zināšanas par produktu ķīmisko sastāvu, t. sk. piesārņojumu un struktūru. Padziļinās izpratne par ķīmisko reakciju norises mehānismiem pārtikas produktos, tos ražojot, gatavojot un uzglabājot (autooksidēšanās reakcijas, enzimātiskās oksidēšanās reakcijas, Maijāra reakcijas un citas). Nozīmīgi ir ķīmisko reakciju kinētikas pētījumi. Teodors Labuza (Theodore P. Labuza) ir starptautiski pazīstams pētnieks reakciju kinētikā, kas saistīta ar pārtikas kvalitātes zudumu un uzturvielu noārdīšanos. Vispusīga pārtikas produktu sastāvdaļu analīze dod iespēju veidot modeļu sistēmas, uz kuru pamata var skaidrot pārvērtības pārtikas produktos. Turpinās padziļināti pētījumi par pārtikas produktu pamatsastāvdaļām – ogļhidrātiem, olbaltumvielām un lipīdiem. Džeims Bīmillers (James N. BeMiller) pēta polisaharīdu struktūras un modificēšanas iespējas. Srinivasans Damodarans (Srinivasan Damodaran) vada pētījumus par pārtikas olbaltumvielu funkcionālajām īpašībām, to mijiedarbību, enzimātiskajām pārvērtībām un olbaltumvielu ģenētiskās modificēšanas iespējām. Polisaharīdu un olbaltumvielu mijiedarbību, lai veidotu pārtikas produktu struktūru un sensorās īpašības, pēta Allens Fedžedings (E. Allen Foegeding). Ar konjugēto linolskābju pētniecību nodarbojas Maikls Pariza (Michael W. Pariza). Turpinās arī pētījumi par jaunu un videi draudzīgu pārtikas iepakojamo materiālu ieguvi.
Galvenā pētniecības iestāde
Nozīmīga pētniecības iestāde ASV ir Vislera ogļhidrātu izpētes centrs Perdjū Universitātē (The Whistler Center for Carbohydrate Research, Purdue University), kurā attīsta un uzlabotu ogļhidrātu izmantošanas iespējas. Pārtikas zinātņu katedrā Viskonsinas Universitātē Medisonā (Department of Food Science, Wisconsin-Madison University) pēta Maijāra reakcijas pārtikas produktos. Pārtikas zinātņu katedrā Kornela Universitātē (Department of Food Science, Cornell University) pēta emulsiju sagremojamības atkarībā no to uzbūves. Pārtikas zinātņu katedrā Pensilvānijas Valsts universitātē (Department of Food Science, Penn State University) pēta pārtikas produktu sastāvdaļu izmaiņas, apstrādājot tos ar mikroviļņiem.
Eiropā par nozīmīgām pētniecības iestādēm tiek uzskatītas Pārtikas ķīmijas laboratorija Vageningenas Universitātē (Laboratorium van Levensmiddelenchemie, Wageningen University & Research) Nīderlandē, kurā pēta pārtikas sastāvdaļu molekulārās īpašības; Pārtikas ķīmijas katedra Ķīmijas fakultātē Minhenes Tehniskajā universitātē (Lehrstuhl für Lebensmittelchemie, Fakultät für Chemie, Technische Universität München) Vācijā, kurā pēta aromātiskos savienojumus pārtikas produktos; Analītiskās un pārtikas ķīmijas institūts Grācas Tehniskajā universitātē (Institut für Analytische Chemie und Lebensmittelchemie, Technische Universität Graz) Austrijā veic pētījumus par aromātvielu aktivitātes saglabāšanu.
Svarīgākie periodiskie izdevumi
Food Chemistry (kopš 1976. gada, izdevējs Elsevier); Annual Review of Food Science and Technology (kopš 2010. gada, izdevējs Annual Reviews); Critical Reviews in Food Science and Nutrition (kopš 1970. gada, izdevējs Taylor & Francis); Trends in Food Science & Technology (kopš 1990. gada, izdevējs Eiropas Pārtikas zinātnes un tehnikas federācija, European Federation of Food Science and Technology un Starptautiskā Pārtikas zinātnes un tehnikas savienība, The International Union of Food Science and Technology); Journal of Functional Foods (kopš 2009. gada, izdevējs Starptautiskā Nutrikamentu un funkcionālās pārtikas biedrība, International Society for Nutraceuticals and Functional Foods); Cereal Chemistry (kopš 1996. gada, izdevējs Elsevier); Journal of Dairy Science (kopš 1917. gada, izdevējs Amerikas Piena produktu zinātnes asociācija, American Dairy Science Association); Food Quality and Preference (kopš 1988. gada, izdevējs Elsevier); Meat Science (kopš 1977. gada, izdevējs Elsevier).
Multivide
Rūpniecības biotehnoloģiju uzņēmuma Amyris (ASV) rauga fermentācijas laboratorija, kurā tiek testēti jauni rauga celmi pirms to nosūtīšanas uz ražotnēm Brazīlijā.