Badania żywności i o tym jak policzyć skład rosołu. Czy można to zrobić w domu?

Odwieczne pytanie świata keto czylii... jak policzyć makroskładniki rosołu? Zadawane mi bardzo często i pewnie równie często goszczące na wielu forach. Ile rosół zawiera tłuszczu i białka? Jak chemicy badają żywność? Jak określić zawartość węglowodanów? Kolejny mini poradnik trafia do Waszych rąk:) Zapraszam na stronę po wyjaśnienia i sposoby, które wszystko wyjaśnią:) 

Zanim przejdziemy do słynnego pytania o makroskładniki rosołu... musimy zrozumieć jak mierzona jest wartość kaloryczna oraz zawartość makroskładników produktów, które później trafiają na etykiety (czyli słynne kcal oraz białka, tłuszcze i węglowodany - BTW w moich przepisach).

Badaniami żywności i ich składu zajmuje się dział nauki zwany "Analizą żywności", która dysponuje wieloma technikami pomiaru wartości definiujących żywność. 

Jak przebiega taka analiza? 

Pierwszy etap polega na pobraniu próbki, która reprezentuje całą partię produktu. Musi być to próbka całkowicie jednorodna, pobrana po dokładnym wymieszaniu partii badanej żywności. Sposoby pobierania próbki dla różnych typów żywności są inne. Przykładowo próbkę mięsa pobiera się z kilku miejsc (zarówno tkanki łącznej jak i mięsnej), a następnie rozdrabnia [1].
W kolejnym etapie prowadzi się testy służące oznaczeniu wybranych substancji/składników.

Można oznaczać zawartość:

• wody
• suchej masy
• białka ogółem
• cukrów redukujących
• włókna pokarmowego
• tłuszczu
• popiołu (w tym: wapnia i żelaza, magnezu i miedzi, chlorków, witaminy A, karotenoidów, ryboflawiny czy witaminy C) [1].

Ad. Woda

Zawartość wody w produktach zawiera się w przedziale od kilku % do nawet 100%. Im jej więcej - tym mniej pozostałych makroskładników. Im więcej wody w produkcie tym krótsza przydatność do spożycia, ponieważ wysoka zawartość wody zwiększa ewentualną możliwość rozwoju mikroorganizmów. Istnieją dwa rodzaje wód w produktach: woda związana oraz niezwiązana czyli wolna. Woda związana bierze udział w procesach osmozy (jest to np woda higroskopijna). Woda wolna to woda będąca rozpuszczalnikiem oraz wodą, która wypełnia wolne przestrzenie pomiędzy cząsteczkami w produkcie spożywczym [1].

Ad. Sucha masa

Z pojęciem wody i badaniami wody związane są badania suchej masy produktu czyli wszystko, co pozostało po usunięciu cząsteczek wody. Zawartość suchej masy [%] równa jest 100 - zawartość wody [%]. Niestety są to pojęcia jedynie względne, ponieważ z usunięciem wody mogą nastąpić straty lotnych związków np alkoholu [1]. 

Do oznaczeń wody i suchej masy stosuje się metody:

• chemiczne, 
• destylacji azeotropowej, 
• suszenia termicznego, 
• pomiaru stałej dielektrycznej, 
• densymetryczne (pomiar gęstości), 
• refraktometryczne (pomiar współczynnika załamania światła),
• pomiary NMR (magnetyczny rezonans jądrowy) [1].  

Ad. Białko

Badania zawartości białka to jedno z głównych oznaczeń żywności w laboratorium. Są to związki azotowe (wiązanie peptydowe, grupy boczne) i statystycznie zawierają około 16 % azotu w składzie. Dzięki temu możliwe oznaczenie jest zawartości białka przez ilość azotu w produkcie. Istnieją wyznaczone współczynniki przez które mnożony jest wynik ilości azotu, aby otrzymać zawartość białka w żywności. Dla większości białek (z ilością azotu 16%) wynosi on 6,25 (100%/16%=6,25). Dla pozostałych białek wyznaczono wartości eksperymentalnie.   

Do oznaczeń zawartości białka stosuje się metody:

• kolorymetryczne (polegające na zastosowaniu barwników, słynna metoda biuretowa czy Lowrego), 
• immunoenzymatyczne (test ELISA czyli połączenia przeciwciała z białkiem i enzymem),
• Sorensena (metoda miareczkowania) i Kjeldahla (mineralizacja, destylacja, miareczkowanie).

Ad. Cukry redukujące

Cukrowce czyli inaczej węglowodany to związki węgla o wzorze ogólnym Cx(H2O)y. O tym jak są zbudowane, na jakie grupy się dzielą i jakie mają funkcje pisałam osobny artykuł tutaj [klik]. Jednak z punktu widzenia "Analizy żywności" wyróżnia się: węglowodany rozpuszczalne w wodzie, rozpuszczalne w 2% kwasie mineralnym na gorąco oraz rozpuszczalne w stężonych roztworach kwasów mineralnych. Właśnie te różnice rozpuszczalności stanowią o fakcie, że nie oznacza się cukrów ogółem w żywności, a jedynie wylicza ze wzoru: 

Rys. Wzór na zawartość cukrowców w żywności [1].

Do oznaczeń zawartości węglowodanów stosuje się metody:

• fizyczne (do których należą metody densymetryczne (pomiar gęstości), polarymetryczne (skręcalność płaszczyzny światła spolaryzowanego) oraz refraktometryczne(współczynnik załamania światła)), 
• chemiczne (głównie metoda miareczkowania, metoda absorbcyjna (pomiar absorbancji barwnych związków) oraz chromatograficzna (czyli metoda rozdziału)), 
• biologiczne i metody kombinowane np fizykochemiczne czy biochemiczne [1].

Ad. Włókno pokarmowe zwane inaczej błonnikiem pokarmowym

Włókno pokarmowe zostało zdefiniowane jako ilość lignin i polisacharydów w roślinach. Związki, które składają się na włókno pokarmowe nie są ani metabolizowane ani wchłaniane przez organizm. Jednak producenci mają obowiązek zamieszczać informację o ilości błonnika na etykietach produktów [1].

Rys. 1 Błonnik pokarmowy[1].

Jednak wyznaczono inny podział włókna pokarmowego do badań żywności: włókno rozpuszczalne w wodzie oraz nierozpuszczalne.

Do oznaczeń zawartości błonnika pokarmowego stosuje się metody:

• enzymatyczno-wagowe (reakcje trawienia enzymatycznego oraz przemywanie),
• instrumentalne (chromatografia czy kolorymetria),
• biologiczne (badania na szczurach/świnkach morskich; nie pozwalają oznaczyć całego błonnika rozpuszczalnego)

Ad. Tłuszcz

Tłuszcze dzielimy na widoczne (wydzielone, np smalec, masło) oraz niewidoczne (czyli składniki mięsa czy produktów mlecznych). Tłuszcze, które są składnikami żywności to lipidy. O lipidach pisałam w artykule tutaj [klik]. W "Analizie żywności" przeprowadza się pomiary tłuszczu surowego czyli sumy wszystkich związków organicznych, które można wydzielić z badanego produktu metodą ekstrakcji.

Do oznaczeń zawartości tłuszczu stosuje się metody:

• ekstrakcji (wagowe, refraktometryczne czy densymetryczne),
• instrumentalne (technika NIR lub NMR),
• objętościowe (kwasowe lub bezkwasowe) [1].

Ad. Popiół

Popiół to wszystko, co zostało po całkowitym spaleniu próbki i w taki sposób jest oznaczany. Określa ilość wszystkich składników mineralnych w próbce oraz ilości zanieczczeń (np piasek) czy dodatków w żywności (np sól). 

Badania zawartości składnika jakim jest popiół są przeprowadzane w celu:

• określenia ilości składników mineralnych (wymienionych poniżej) oraz zanieczyszczeń
• określenia wartości odżywczej produktu
• oceny jakości badanej żywności

Wapń i żelazo

Wapń to składnik, którego wiele znajduje się w roślinach. Jednakże ze względu na dużą zawartość błonnika, szczawianów i fitynianów wapń nie jest przyswajany zbyt dobrze.

Do oznaczeń zawartości wapnia stosuje się metody:

• manganometryczne (mineralizacja i wytrącenie),
• kompleksometryczne (miareczkowanie),
• ASA (atomowa spektroskopia absorpcyjna),
• fotometrii płomieniowej (pomiar natężenia emitowanego promieniowania) [1].

Żelazo jest szeroko rozpowszechnione w naturze (w roślinach 10% i mięsie do 30%). Absorbcja żelaza zależy w dużym stopniu od: diety, obecności kwasu askorbinowego, kwasu foliowego, tzw "meat factor", niektórych aminokwasów i miedzy.

Do oznaczeń zawartości wapnia stosuje się metody:

• kolorymetryczne (oznaczenie jonów żelazowych)
• spektrofotometrii absorbcyjnej (ASA) [1].

Magnez i miedź

Magnez to jeden z najważniejszych kationów w komórce (obok potasu i sodu). Aktywuje funkcje prawie 300 enzymów. Niestety absorbcja magnezu w diecie wynosi maksymalnie 30%. 

Do oznaczeń zawartości magnezu stosuje się metody:

• wagowa,
• kompleksometryczne (miareczkowanie),
• kolorymetryczna,
• ASA (atomowa spektroskopia absorpcyjna),
• fotometrii płomieniowej (pomiar natężenia emitowanego promieniowania) [1].

Miedź podobnie jak magnez znajduje się głównie w produktach roślinnych, orzechach i czekoladzie.

Do oznaczeń zawartości miedzi stosuje się metody:

• kolorymetryczna,
• ASA (atomowa spektroskopia absorpcyjna),
• polarograficzną (rejestruje fale polarograficzne w próbce popiołu) [1].

Chlorki

Chlor to główny anion pozakomórkowy, jego źródłem w diecie jest głównie sól kuchenna (NaCl) oraz ryby, sery podpuszczkowe. 

Do oznaczeń zawartości chlorku stosuje się metody:

• objętościowe (metoda Volharda, Mohra)[1].

Witamina A

Pod nazwą "witamina A" określone są wszystkie związki, które wykazują aktywność biologiczną taką jak retinol (estry retinolu, retinal, kwas retinolowy). Największe zawartości witaminy A znajdują się w wątrobach zwierzęcych. Niestety witamina A jest związkiem niestabilnym, ulega utlenieniu w wielu warunkach.

  Do oznaczeń zawartości witaminy A stosuje się metody:

• fluorymetryczne,
• spektrofotometrii w nadfiolecie,
• kolorymetryczne,
• wysokosprawnej chromatografii cieczowej HPLC[1].

 Karotenoidy

Karotenoidy to związki pochodzące głównie z marchewki i innych warzyw. Karotenoidy można podzielić na ksantofile oraz karoteny.

  Do oznaczeń zawartości karotenoidów stosuje się metody:

• spektrofotometryczne [1].

 Ryboflawina 

Ryboflawina to inaczej witamina B2. W organizmie tworzy koenzymy FAD oraz FMN. Największą zawartość odnotowano w mleku krowim.

  Do oznaczeń zawartości ryboflawiny stosuje się metody:

• fluorymetryczne,
• polarograficzna,
• lumiflawinowa,
• wysokosprawnej chromatografii cieczowej HPLC[1].

Witamina C

Jest szeroko rozpowszechniona w świecie przyrody, ale człowiek należy do grupy organizmów, które mają upośledzony system syntezy witaminy C.

  Do oznaczeń zawartości witaminy C stosuje się metody:

• miareczkowe Tillmansa
• fluorymetryczne [1].

Wiemy już jak oznaczać wszystkie składniki żywności. Ale co z wartością kaloryczną? I co z naszym rosołem? Ile ma kcal?

Do tego służy tzw BOMBA KALORYMETRYCZNA, dzięki której można dokonać pomiaru ciepła spalania substancji. Urządzenie te składa się z kwasoodpornej stali i wygląda jak na rysunku poniżej. 

Rys. 2 Bomba kalorymetryczna [3].

Po dokonaniu pomiaru i niezbędnych obliczeń wyznacza się ciepło spalania substancji. Ale w tym miejscu należy się zatrzymać i wspomnieć o tzw równoważnikach energetycznych (fizycznych).

Równoważnik energetyczny fizyczny to ilość energii, która się wyzwala w czasie spalania 1g białka, tłuszczu lub węglowodanów w warunkach poza komórką czyli w bombie kalorymetrycznej.

1 g białka to 5,65 kcal

1 g tłuszczu to 9,45 kcal

1 g węglowodanów to 4,15 kcal

W bombie kalorymetrycznej proces spalania substancji zachodzi całkowicie. W organizmie tak nie jest. Dlatego powstały równoważniki energetyczne fizjologiczne.

Równoważnik energetyczny fizjologiczny to ilość energii, która się wyzwala w czasie spalania 1g białka, tłuszczu lub węglowodanów w warunkach w komórce. Taki równoważnik wyznaczyli Max Rubner oraz Wilburg Atwater. Pierwszy z nich badał ciepło substancji wydzielonych w moczu. Drugi oznaczył ciepło spalania substancji w komórce, ale jednocześnie uwzglednił stopień strawności w organizmie ludzkim i wyznaczył realne wartości. Dziś stosowane dane: 

1 g białka to 4kcal

1 g tłuszczu to 8,9 kcal

1 g węglowodanów to 4 kcal

Podsumowanie:

Istnieje wiele metod pozwalających badać żywność w laboratorium. Niestety nie da się wyznaczyć makro i mikroskładników wywarów czy bulionu w warunkach domowych. Można do tego użyć jedynie metod laboratoryjnych. W jaki sposób sobie radzić? Cóż.. można zrobić tak jak ja proponuję w swoich przepisach - zważyć mięso przed obróbką razem z kośćmi, a następnie zważyć same kości po obróbce. Oczywiście sposób ten zakłada, że mięso zjemy i założymy, że z warzyw nic nie przejdzie do rosołu, co nie jest prawdą. Nie da się określić wartości samego wywaru. Oczywiście można przyjąć wartości średnie z kalkulatorów online (choćby tutaj [klik]), ale są to dane jedynie zbliżone, a nie idealne. 

Literatura:

[1] Gronowska-Senger A., Analiza żywności, SGGW, Warszawa 2018. 

[2]Drzewicka M., Grajeta H., Kleczkowki J., Zawartość tłuszczu i skład kwasów tłuszczowych w wybranych produktach żywności wygodnej, Rocz Panst Zad Hig 2012, 63(2): 199-205.

[3] http://zchf.ch.pw.edu.pl/files/TCh_spalanie_bomba.pdf

[4] http://www2.chemia.uj.edu.pl/dydaktyka/bromatologia/bromatologia2.pdf

Miłej lektury!

Zapraszam na stronę na Facebook'u tutaj [kliknij i wejdź].

****************************************************************

Udostępniajcie jeśli macie ochotę! :)

Bardzo proszę o uszanowanie mojego autorstwa do zdjęć i przepisów :)
USTAWA z dnia 4 lutego 1994 r., o prawie autorskim i prawach pokrewnych.

Art. 78. 1.