Атоми та молекули - Введення білків, вуглеводів та жирів у їжу

Що ви побачите, коли збільшите свою їжу? Перше, що ви помітите, це деталі у всіх складних структурах їжі. Наближаючи ближче, ви, мабуть, натрапите на деякі комірки. Коли ви «придивитесь» ще уважніше, хоч і побачите, що ці клітини знову будуються з безлічі різних молекул. І ці молекули знову складаються з атомів.

Ці молекули та атоми утворюють нашу їжу, вони визначають структуру вашої їжі, харчову цінність та тип реакцій, які можуть відбуватися під час варіння або обробки. Розуміння цих атомів і молекул певною мірою, безсумнівно, допоможе вам зрозуміти свою їжу та більш поглиблені публікації в нашому блозі, де ми, як правило, іноді здобуваємо певні знання.

Якщо слова, молекули та атоми змушують вас боятися продовжувати читати, ми пояснимо, що вони собою представляють і як вони працюють, і введемо три дуже важливі групи молекул: вуглеводи, білки та жири. В кінці цього допису хімія вже не повинна звучати так страшно:-).

Хочете дізнатись більше про ці фундаментальні поняття харчової науки? Погляньте на наш курс «Основи хімії харчових продуктів», ми об’єднали всі основи разом із вікторинами та слайд-шоу, щоб допомогти вам ще краще зрозуміти основи!

Представляємо: Атоми в їжі

Харчова хімія часто починається з атомів, атоми утворюють молекули, і саме ці молекули ми вивчаємо в хімії харчових продуктів. Отже, ми розпочнемо цю серію фундаментів харчової хімії з атомів.

Атоми - це будівельні блоки молекул, і все і все в цьому світі складається з атомів. Атоми не видно в світловому мікроскопі, вони дуже маленькі, як правило, 1 мільярдна частина метра!

Існують різні типи атомів (до них ми повернемось пізніше), але кожен тип атома будується подібним чином. Основними будівельними блоками всіх атомів є три основні «шматки»: протони, нейтрони та електрони. Різні типи атомів матимуть різну кількість цих будівельних блоків, але вони будуть містити однаковий тип будівельних блоків.

Протони, нейтрони та електрони

Важливою концепцією цих трьох будівельних блоків є те, що кожен з них має електричний заряд. Протони мають позитивний заряд, електрони заряджені негативно, а нейтрони не мають заряду, як їх назва говорить, вони нейтральні.

Протони і нейтрон атома утворюють центр (ядро) атома, а негативно зарядні електрони плавають навколо цього центру на трохи подальшій відстані. Електрони малі в порівнянні з протонами та нейтронами. Оскільки вони відпливають від ядра, вони можуть легше обмінюватися між атомами. Вони відіграють важливу роль у хімічних реакціях та при утворенні молекул.

Роль протонів: визначити елемент

Кількість протонів в атомі визначає, який тип атома ми розглядаємо. Ці типи атомів також називають «елементами». У світі існує обмежена кількість елементів (або типів атомів), лише 118. Усі вони згруповані в так званій таблиці періодів елементів, про які ви могли чути на уроках хімії. Найпростіший елемент має лише один протон, кожен наступний елемент має один додатковий протон, до 118.

Тоді як електрони можуть обмінюватися досить легко, це не стосується протонів і нейтронів. Є реакції, в яких вони обмінюються, але в більшості харчових продуктів хімії цього не трапиться (подумайте: ядерна хімія).

Ми розглянемо елементи, найпоширеніші в харчових продуктах (на щастя, це ще не всі 118), у цьому дописі, але як вступ варто добре скласти уявлення про те, які елементи взагалі існують. Який кращий спосіб зробити це, як не через пісню?

Нейтрони визначають ізотоп

Тож електрони «кружляються» навколо ядра протонів і нейтронів і відіграють важливу роль у хімічних реакціях. Кількість протонів визначає елемент, то що роблять нейтрони? Кількість нейтронів визначає ізотоп елемента. Для їжі це не дуже актуально, але для ядерної хімії це дуже важливе поняття. З цієї причини ми не будемо далі обговорювати це тут.

Найпоширеніші елементи (типи атомів) у їжі

Оскільки налічується 118 елементів, хімікам довелося знайти зручний спосіб назвати їх. Постійне використання їх повних назв було б заплутаним, особливо коли ми починаємо описувати молекули, які знову складаються з атомів. Тому кожен елемент має власне скорочення на одну, дві чи три літери (як ви могли бачити у періодичному системному фільмі).

У їжі є відносно невелика кількість загальних атомів. Чотири з них особливо поширені - вуглець, кисень, азот та водень. Давайте обговоримо найважливіші:

Вуглець (С): це будівельний матеріал більшості молекул, з якими ми зіткнемося в їжі. Це важливо для жирів, вуглеводів та білків. Без вуглецю більшість молекул у їжі не можуть утворюватися.
Кисень (O): кисень особливо добре бере участь у всіляких хімічних реакціях. У кисні є досить багато доступних електронів, які часто використовуються для приєднання двох молекул одна до одної або розщеплення молекул на шматки.
Азот (N): цей атом необхідний для виробництва білків. Без азоту не міг утворитися білок. Група азоту також є загальним місцем для протікання реакцій.
Водень (Н): є, мабуть, найпоширенішим атомом, однак не такий цікавий у більшості систем. Водень часто «заповнює» порожні простори в молекулах. Ви побачите, що коли ми обговоримо кислоти та основи, це справді дуже важливий атом!

Після 4 «великих» атомів є ще кілька гідних обговорення:

Фосфор (P) та Сірка (S): часто відіграють цікаву роль у хімії білка.
Натрій (Na) та хлорид (Cl): ви чули про сіль, яка по суті є комбінацією цих двох речовин, отже, натрію та хлориду!
Кальцій (Ca): важливий мінерал для ваших кісток.

Молекули

Молекули - це більші структури атомів, які реагували між собою, утворюючи стійкий компонент. Більшість атомів самі по собі не стабільні, у повітрі ви не знайдете чистого атома кисню, натомість два атоми кисню зреагували, утворюючи одну молекулу кисню (O2). Те саме стосується водню (H2).

Ми використовуємо скорочення атомів, які ми щойно вивчили, щоб вказати, які з цих атомів усі присутні в молекулі. Кожна молекула буде різною комбінацією цих атомів. Атоми будуть приєднані один до одного різними способами та порядками.

Молекули представлені, показуючи літери атомів, з яких вони побудовані, та використовуючи невеликий номер індексу, щоб вказати, скільки цього атома присутній у молекулі (як я це зробив для молекул кисню та водню). Для хіміків ці молекулярні формули мають важливе значення для опису процесів, які вони вивчають.

В окремому дописі ми детальніше обговоримо ці формули.

Будова молекул

Дуже корисно знати, які атоми присутні в молекулі. Однак це не говорить хімікам повної історії. Натомість вам також потрібно знати, як ці атоми приєднані один до одного. Те, як атоми прикріплені один до одного, сильно впливає на реакцію.

Є молекули, які можуть мати однакову хімічну формулу (отже, вони складаються з одного типу і кількості атомів), але мають абсолютно різну структуру і, отже, структурну формулу! Вони дійсно можуть реагувати і поводитись по-різному, хоча спочатку вони можуть виглядати подібними.

Прикладом з їжі є глюкоза та фруктоза. Обидва вони складаються з однакових атомів: C6H12O6. Однак їх хімічна структура та поведінка досить різні (докладніше про підсолоджувачі читайте тут).

Поки що ми не будемо заглиблюватися в те, як ці молекули будуються, малюються та показуються. Натомість, давайте почнемо застосовувати те, що ми дізналися до цього часу, розглянувши найпоширеніші групи молекул у їжі: вуглеводи, білки та жири. Ці молекули також називають «макроелементами» і є важливими для нас з поживної точки зору. Три групи молекул мають дуже різні характеристики, які впливатимуть на те, якою буде ваша їжа. Наприклад, вони відіграють важливу роль у реакціях підрум'янення, а також у розвитку смаку та смаку.

Вуглеводи

Вуглеводи побудовані з атомів вуглецю (С), кисню (О) та водню (Н). Більшість вуглеводів можна описати за такою хімічною формулою: CxH2yOy. Іншими словами, кількість атомів водню вдвічі перевищує кількість кисню. Кількість атомів вуглецю не повинно бути пов'язано з кількістю атомів кисню та водню. (Зверніть увагу, що з цього правила є кілька винятків!)

Вуглеводи також можна назвати сахаридами. Коли говорять про сахариди, загальний розподіл складається на чотири групи: моносахариди, дисахариди, олігосахариди та полісахариди. Розщеплення проводиться залежно від розміру молекул.

Моносахариди - це найменші вуглеводи, вони не можуть розщеплюватися, утворюючи ще менші сахариди. Глюкоза та фруктоза - це, мабуть, найбільш відомі моносахариди. Обидва мають однакову хімічну формулу: C6H12O6. Тим не менше, вони побудовані дещо по-іншому, що змушує їх абсолютно по-різному реагувати у вашому тілі.

Дисахариди - наступні найменші сахариди. Вони завжди будуються з 2 моносаккархідів. Наприклад, лактоза виготовляється з глюкози та галактози. Сахароза (звичайний столовий цукор) виготовляється з фруктози та глюкози.

Наступним етапом є олігосахариди, вони виготовляються з більш ніж 2 моносахаридів, як правило, від 3 до 10. Ці молекули часто можна знайти в рослинах, надаючи їм структуру. Олігосахариди часто утворюють волокнисту частину рослини.

Не в останню чергу - полісахариди. Це величезні молекули, що складаються з понад 10 моносахаридів. Вони можуть утворювати складні структури, моносахариди не обов'язково утворюють один довгий ланцюг, натомість вони можуть утворювати складні мережі. Незважаючи на те, що всі полісахариди зроблені з моносахаридів, вони можуть поводитися досить по-різному. Поширеним прикладом полісахариду в їжі є крохмаль (знову ж складається з двох різних полісахаридів: амілози та амілопектину).

Білки

Білки - це ще одна основна поживна речовина для нас, людей з чітко вираженою молекулярною структурою. Білки - це, по суті, дуже довгі ланцюги молекул, з деякими бічними ланцюгами, які складаються дуже складно. Білки набагато більші за вуглеводи. З більшості білків ви не зможете записати молекулярну формулу, вони є складними, із занадто великою кількістю різних атомів.

При цьому довгий ланцюг має постійно повторюваний малюнок. Це довгий ланцюг так званих амінокислот, які реагували, утворюючи цей довгий ланцюг. В даний час відомо 23 різних амінокислоти (кожна з різною R-групою на малюнку нижче), які, об’єднавшись, можуть створити всі білки. Амінокислоти утворюють білки, утворюючи одну довгу нитку. OH-група реагуватиме з NH2-групою (виділяючи молекулу води), утворюючи зв'язок між двома амінокислотами.

На відміну від вуглеводів, тут немає різниці залежно від розміру білків. Є багато різних білків, і всі вони, як правило, величезні і дуже складні. Оскільки це такий довгий ланцюг амінокислот, у ланцюгу може відбуватися багато взаємодій. Різні бічні групи (R- на кресленні вище) можуть взаємодіяти. Вони не будуть «зв’язуватися», як це роблять молекули в ланцюгах, але вони можуть відштовхуватися або залучати один одного. Існує багато різних взаємодій, які можуть виникнути. Ці взаємодії можуть призвести до того, що довгі нитки згортаються вгору або крутяться у всілякі тривимірні структури, і вони знову організовуватимуться певним чином.

Загальна форма молекул білка дуже важлива для його активності. Ця форма визначається тим, як ця довга нитка амінокислот згортається і перетворюється сама. Коли 3D-структура зруйнована, білки будуть вести себе по-різному, ми бачимо це при варінні яєць, нагріванні ферментів (які є певним видом білків), приготуванні м'яса або виготовленні сиру!

І останнє, але не менш важливе: жири. Незважаючи на те, що продукти з низьким вмістом жиру можна побачити навколо, не можна обійтися без споживання жирів. Жири для нас, люди, такі ж важливі, як і білки та вуглеводи.

Жири належать до більшої групи молекул, які називаються ліпідами, жири - це специфічна підгрупа ліпідів. Усі ліпіди - це гідрофобні молекули (вони не люблять воду). Прикладом ліпіду, який не є жиром, є холестерин.

Хімічно правильний опис жирів: тригліцериди. Коли жири є рідкими при кімнатній температурі, їх зазвичай називають оліями. Назва тригліцериди описує основну структуру жирів: одна молекула гліцерину з прикріпленими до неї трьома жирними кислотами (див. Нижче).

Як і у випадку з білками та вуглеводами, існує багато різних жирів. Існує багато різних жирних кислот, і вони знову ж таки можуть поєднуватися різними способами, утворюючи різні тригліцериди!

На структурному кресленні жирної кислоти вище ви можете побачити А. Цей А означає той факт, що починаючи з цього моменту може бути багато різних ланцюгів. А завжди буде складатися з довгого ланцюга атомів вуглецю. Кількість атомів вуглецю в цьому ланцюзі може коливатися від 4 до 20 атомів вуглецю.

Ще одна дуже важлива характеристика - чи існують так звані подвійні зв’язки між атомами вуглецю. Як ви можете бачити на зображенні нижче, ці подвійні зв’язки можуть змусити молекули змінювати напрямок замість того, щоб утворювати пряму лінію. Жирні кислоти без подвійного зв’язку називаються насиченими, а подвійні - ненасиченими.

Типи жирних кислот, присутніх у тригліцеридах, визначатимуть властивості власне жиру чи олії. Одним з них є температура плавлення.

Чим довший ланцюг жирних кислот, тим вищою буде температура плавлення жиру. Менші молекули можуть легше рухатися, тому їм потрібна нижча температура, щоб стати рідкими. Те саме стосується молекул, які мають подвійні зв’язки, якщо подвійний зв’язок має той тип, який викликає перегин жирної кислоти в своїй структурі, це знизить температуру плавлення. Причина в тому, що ці заломи ускладнюють жирам структурування один одного.

Застосовуючи наші знання

Це все було досить теоретично, на жаль, якщо ви новачок у цій темі, саме це вам знадобиться, щоб зрозуміти явища, які ви бачите у своїй їжі. Але зараз настав час побачити, як деякі знання оживають!

Вам сподобалось те, що ви дізналися, і хочете дізнатися більше основ харчової науки? Подумайте про те, щоб записатися на наш курс основ харчової хімії, де ми зануримось трохи глибше, і ми дамо вам можливість перевірити свої знання в наших вікторинах!

Дивіться, як білки оживають у:
- Клейковина
- Сир
- Риба
Побачте, як жири оживають у:
- Оливкова олія (стежте за окисленням)
- Смаження
- Сало
- Морозиво
Дивіться, як цукри оживають у:
- Стільникові
- Печиво
- Морквяний пиріг