6.3 Фізіологічне значення вуглеводів

Основні функції вуглеводів

Вуглеводи є основною складовою частиною харчового раціону людини, оскільки їх споживають приблизно в 4 рази більше, ніж жирів і білків. Вони виконують в організмі багато різноманітних функцій але головна з них – енергетична (рисунок 6.2). Упродовж життя людина в середньому споживає близько 14 т вуглеводів, у тому числі більше 2,5 т моно- і дисахарідів. За рахунок вуглеводів забезпечується близько 60% добового енергоспоживання, тоді як за рахунок білків і жирів разом узятих – тільки 40%

Рисунок 6.2 – Основні функції вуглеводів в людському організмі

Середня потреба у вуглеводах складає 350-500 г/добу. У випадку збільшення фізичного навантаження частка вуглеводів повинна зростати.

Вуглеводи потрібні для біосинтезу нуклеїнових кислот, замінних амінокислот, як складова структурна частина клітин. Вони входять до складу гормонів, ферментів і секретів слизових залоз.

Регуляторна функція вуглеводів різноманітна. Вони протидіють накопиченню кетонових тіл під час окиснення жирів, регулюють обмін вуглеводів і діяльність центральної нервової системи. Важливу роль відіграють вуглеводи, виконуючи захисні функції. Так, глюкуронова кислота, з'єднуючись з деякими токсичними речовинами, утворює розчинні у воді нетоксичні складні ефіри, що легко видаляються з організму.

Засвоювані вуглеводи

За харчовою цінністю вуглеводи поділять на засвоювані і незасвоювані. Засвоювані вуглеводи перетравлюються і метаболізуються в організмі людини. До них відносяться глюкоза, фруктоза, сахароза, лактоза, мальтоза, α-глюканові полісахариди – крохмаль, декстрини і глікоген. Незасвоювані вуглеводи не розщеплюються ферментами, що секретуються в травному тракті людини. До незасвоюваних вуглеводів відносяться рафінозні олігосахариди і не-α-глюконові полісахариди – целюлоза, геміцелюлоза, пектинові речовини, лігнін, камедь і слиз.

Відомо більше 200 різних природних моносахаридів, проте тільки деякі з них використовуються в харчуванні людини. Найбільшу поживну цінність мають альдози (глюкоза, галактоза, маноза, ксилоза), а також кетоза (фруктоза). Споживання глюкози і фруктози – двох найбільш поширених в природі моносахаридів – досягає 20% загального споживання вуглеводів. З кишківника вуглеводи всмоктуються в кров тільки у вигляді глюкози і фруктози. Глюкоза в якості поживного матеріалу в організмі людини використовується в основному нервовими клітинами, мозковою речовину нирок і еритроцитами.

Депонується глюкоза у вигляді глікогену печінки (100 г) і м'язів(250 г). У організмі постійний рівень концентрації глюкози в крові підтримується за допомогою гормонів підшлункової залози – інсуліну і глюкагону.

Фруктоза є менш поширеною, ніж глюкоза, і так само швидко окиснюється. Фруктоза має найбільшу солодкість з усіх відомих цукрів. Потрапляючи в організм, велика її частина швидко засвоюється тканинами без інсуліну, інша, менша, перетворюється на глюкозу. Те, що фруктоза здатна засвоюватися без інсуліну, робить її незамінною в живленні хворих діабетом. Основними харчовими джерелами глюкози і фруктози є мед, солодкі овочі і фрукти. У насінних переважає фруктоза, а в кісточкових (абрикоси, персики, сливи) – глюкоза. Кількість фруктози і глюкози в ягодах приблизно однаково (таблиця 6.4).

У сучасних умовах доцільно задовольняти потребу у вуглеводах, використовуючи нерафіновані продукти, а також продукти, що містять фруктозу (мед, деякі плоди й овочі), оскільки фруктоза, як вказувалося вище, повільніше засвоюється, обмін її практично не пов'язаний з інсуліном і вона не викликає гіперглікемії (збільшення вмісту глюкози в крові). Висока солодкість фруктози дозволяє використати менші її кількості в порівнянні з сахарозою і глюкозою для досягнення солодкості продуктів і напоїв і знизити таким чином загальне споживання цукрів. Основні харчові дисахариди в живленні людини – сахароза і лактоза. Цукор, основним компонентом якого є сахароза, виконує в організмі роль енергоносія.

За останні 150 років споживання цукру нестримно збільшилося – в набагато більшій мірі, ніж вважає корисним медицина. В Україні його реальне споживання досягло 70...100 г на добу. В інших країнах ще вище: в Англії – 130 г, а серед підлітків – 156 г на добу.

За цукром закріпилася назва "біла смерть". У літературі з дієтології з'явилося поняття "цукроголик". Річ у тому, що цукор є рафінованим продуктом, що призводить до недоотримання людиною сотень, а можливо, і тисяч різноманітних біологічно-активних речовин, які засвоювали наші предки з їжею впродовж мільйонів років. Під час попадання в кишечник сахароза швидко розпадається на глюкозу і фруктозу і всмоктується в кров. У крові помітно підвищується концентрація глюкози. Це своєрідний удар по підшлунковій залозі, від якої вимагається поставляти організму достатню кількість гормону інсуліну, щоб відрегулювати вміст глюкози в крові. Подібні різкі коливання рівня глюкози в крові вимагають від організму напруженої роботи, і навіть включення резервних регуляторних можливостей. 

Найбільш частий і серйозний наслідок надмірного споживання рафінованого цукру – порушення обміну речовин, раніше усього обміну вуглеводів (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 – Наслідки надлишку та нестачі засвоюваних вуглеводів

Невипадково цукровий діабет літніх людей називали "хворобою кондитерів". Задовго до появи діабету як захворювання у людей, споживаючих багато цукру, знижується рівень цукру в крові (гіпоглікемія). Постійне надходження цукру в організм викликає підвищену активність ферментних систем, що утилізували його. Для підтримки необхідного рівня глюкози в крові цукру вимагається все більше і більше. У міру виснаження від надмірного навантаження ферментних механізмів переробки цукру гіпоглікемія переходить в гіперглікемію і діабет, які нерідко ускладнюються іншими порушеннями обміну речовин, що призводять до ожиріння, серцево-судинних захворювань.

За даними ВООЗ, споживання цукру в країнах з низькою смертністю від захворювань органів кровообігу коливається від 25 до 81 г на добу, в країнах з високою смертністю – від 87 до 136 г.

Проте неприпустимо цукор вважати шкідливим продуктом, шкідливо лише зловживання ним. В добовому раціоні харчування частка цукру від загальної кількості вуглеводів повинна складати 15...20%. Від такої кількості цукру організм не випробовуватиме зайвих навантажень.

Лактоза – найбільш важливий вуглевод в період грудного вигодовування і під час штучного вигодування маленьких дітей. Основним джерелом лактози в харчових продуктах є молоко (4,8-5,2%), вершки (3,7%), сметана і кефір (3,1-3,6%).

За відсутності або зменшенні ферменту лактази, що розщеплює лактозу до глюкози і галактози, настає непереносимість молока.

Велике значення для життєдіяльності організму мають олігосахариди, що містять більше двох моносахаридів. З причини складнішої хімічної структури ця група харчових компонентів значно повільніше піддається дії травних ферментів. Внаслідок цього велика їх частина переходить в товстий кишківник, де активно використовується як поживний субстрат представниками природної мікрофлори кишківника і особливо біфідобактеріями. У свою чергу це сприяє відновленню нормальних мікробних співвідношень і лужно-кислотного балансу в кишківнику, а також забезпечують організм цілим рядом вітамінів мікробного походження. З цієї причини ця група сполук відноситься до групи біфідогенних чинників і частково компенсує недолік харчових волокон.

Серед полісахаридів рослинних продуктів найбільше значення в живленні людини має крохмаль. 

У організмі людини крохмаль сирих рослин поступово розпадається в травному тракті і починається його розпад вже у ротовій порожнині. З огляду на те, що процес гідролізу крохмалю в кишечнику відбувається поступово, прийом його з їжею не викликає такого різкого підйому цукру в крові і надмірного напруження інсуляторного апарату підшлункової залози, як глюкоза. Встановлено, що крохмаль знижує вміст холестерину в печінці і в сироватці крові, сприяє синтезу рибофлавіну кишковими бактеріями, який, входячи у ферменти сприяє перетворенню холестерину на жовчні кислоти і виведенню його з організму, що має велике значення для запобігання атеросклерозу. Крохмаль сприяє інтенсифікації обміну жирних кислот.

Найбільше крохмалю міститься в хлібопродуктах (40-73%), насінні бобових рослин (40-45%) і картоплі (15%).

У тваринних продуктах міститься відносно невелика кількість іншого засвоюваного полісахариду, близького за хімічною будовою до крохмалю, – глікогену (у печінці – 2...10%, в м'язовій тканині – 0,3...1,0%).

За нестачі вуглеводів в організмі з'являються слабкість, запаморочення, головний біль, відчуття голоду, сонливість, пітливість, тремтіння в руках.

Незасвоювані вуглеводи

Основними незасвоюваними вуглеводами є так звані "харчові волокна" – суміш різних структурних полісахаридів рослинних клітин – целюлоза, геміцелюлоз і пектинових речовин, лігніну, а також неструктурних полісахаридів, що зустрічаються в натуральному виді в продуктах харчування, – камеді, слизі, а також полісахаридів, що використовуються як харчові добавки.

Харчові волокна стійкі до процесів травлення і адсорбції в тонкому кишечнику; вони частково або повністю можуть ферментуватися мікрофлорою товстого кишечника.

Харчові волокна класифікують за різними принципами. За будовою полімерів вони поділяються на:

– гомогенні (целюлоза, пектин, лігнін, альгінова кислота);

– гетерогенні (целюлозолігніни, геміцелюлозо-целюлозолігніни та ін.).

За видом сировини: 

– харчові волокна з нижчих рослин (водоростей і грибів);

– харчові волокна з вищих рослин (злаків, трав, деревних). 

За фізико-хімічними властивостями: 

– розчинні у воді (пектин, камедь, слиз, розчинні фракції геміцелюлози);

– нерозчинні (целюлоза, лігнін, деякі геміцелюлози). 

За методами виділення з сировини: 

– неочищені волокна: у складі цілісного зерна і борошна з нього, нетрадиційні види борошна –  вівсяна, горохова, пшоняна, вторинні продукти рослинної сировини;

– препарати волокон, виділені і очищені. 

За ступенем мікробної ферментації в товстій кишці: 

– такі, що майже (чи) повністю ферментуються: пектин, камедь, слиз, геміцелюлози, інулін;

– такі, що частково ферментуються: целюлоза, геміцелюлози;

– неферментовані: лігнін.

За основними медико-біологічними ефектами: 

– такі, що прискорюють і підвищують відчуття насичення, завдяки зв'язуванню води в шлунку – пектин, гуар та ін.

– такі, що інгібують евакуаторну функцію шлунку – в'язкі харчові волокна (гуар та ін.).

– такі, що стимулюють моторну функцію товстої кишки – аморфні харчові волокна (целюлоза та ін.).

– такі, що збільшують масу фекалій і, відповідно, частоту дефекації за рахунок утримування води в просвіті товстої кишки (харчові волокна пшениці, бобових) і зростання маси мікрофлори товстої кишки (харчові волокна капусти та ін.).

– такі, що сорбують жовчні кислоти, холестерин, токсини і радіонукліди– гуар, целюлоза, пектин, лігнін.

– такі, що уповільнюють всмоктування вуглеводів – пектин, гуар.

– такі, що знижують рівень глюкози і інсуліну в крові – пектин, β-глюкани.

– такі, що чинять антиоксидантну дію – лігнін.

– такі, що мають пребіотичні властивості, сприяють нормалізації мікрофлори кишечника, – гуміарабік, інулін, полідекстроза.

Целюлоза – основний структурний компонент оболонки рослинної клітини. Основна її фізіологічна дія – здатність зв'язувати воду (до 0,4 г води на 1 г клітковини). 

Геміцелюлози – полісахариди клітинної оболонки, що складаються з полімерів глюкози й інших гексоз. Вони здатні також утримувати воду і зв'язувати катіони.

Пектинові речовини входять до числа основних компонентів рослин і водоростей. Загальною ознакою пектинових речовин є основний ланцюг полігалактуронової кислоти. Однією з найважливіших властивостей пектинових речовин є комплексоутворювальна здатність, що ґрунтується на взаємодії молекули пектину з іонами важких металів і радіонуклідів. Це дає основу рекомендувати пектин для включення в раціон харчування осіб, що знаходяться в середовищі, забрудненому радіонуклідами, і що мають контакт з важкими металами. Профілактична норма пектину, затверджена ВООЗ, складає 2...4 г на добу; для осіб, працюючих в несприятливих умовах, складає 8...10 г на добу.

Пектин має лікувальні властивості і застосовується у випадку розладів травного тракту (гастроентерити, діарея), зменшує втрату води організмом, скорочує згортання крові, зв'язує багато отрут, уповільнює виділення з організму аскорбінової кислоти, інсуліну, антибіотиків, знижує вміст холестерину в крові, впливає на обмін жовчних кислот, має анафілактичну дію, зумовлює пролонговану дія багатьох лікарських речовин. Пектин зв'язує стронцій, кобальт, радіоактивні ізотопи. Велика частина пектинів не перетравлюється і не всмоктується організмом, а виводиться з нього разом з шкідливими речовинами. Пектини покращують травлення, знижують процеси гниття в кишечнику і виводять отруйні продукти обміну, що утворюються в самому організмі; сприяють виробленню в кишечнику вітамінів групи В, особливо В12, життєдіяльності і зростанню корисних мікроорганізмів в кишечнику, виведенню зайвої кількості холестерину.

Пектин яблук затримує розмноження грипозного вірусу "А", зменшує наслідки ртутного і свинцевого отруєння, сприяє виведенню свинцю з кісткової тканини. Пектин у відносно великих кількостях міститься в овочах (0,4...0,6%), фруктах (від 0,4% у вишнях до 1% в яблуках, але особливо багато в шкірці – від 1,5% в яблучній до 30% в цитрусовій) і ягодах(від 0,6% у винограді до 1...2% в чорній смородині), а також в суниці, журавлині, апельсинах, калині та ін.

У промислових масштабах пектин отримують з буряка, віджатих лимонів, яблук і інших продуктів. Він широко використовується в харчовій промисловості для виробництва джемів, зефіру, мармеладу, повидла.

У ламінарії є присутньою альгінова кислота – аналог пектиновій кислоті. Вона складається із залишків D-мануронової і D-гулуронової кислот, з'єднаних β-глікозидними зв'язками. У водоростях альгінова кислота присутня у вигляді солей кальцію, магнію, натрію і т.д. і складає до 30% сухої маси водоростей.

Альгінова кислота є природним іонообмінником і має здатність селективно адсорбувати катіони важких металів і радіоізотопи. Застосування альгінової кислоти сприяє запобіганню відкладенню радіоактивного стронцію в організмі людини і тварин. Іонообмінні властивості альгінової кислоти залежать від співвідношення уронових кислот. Більший вміст L-гулуронової кислоти забезпечує велику адсорбційну здатність.

У зв'язку з цим ламінарія має велике значення для отримання харчової сировини. Перспективною сировиною для виробництва альгінату натрію є також відходи первинної обробки талому водорості, в яких локалізується альгінова кислота, збагачена L-гулуроновою кислотою.

Лігніни є безвуглеводними речовинами клітинної оболонки, що складаються з полімерів ароматичних спиртів. Лігніни в людському організмі здатні зв'язувати солі жовчної кислоти і інші органічні речовини, а також уповільнювати або порушувати абсорбцію харчових речовин в товстому кишечнику.

Камедь –  гетерополісахариди, що складаються із залишків галактози, манози, арабінози, рамнози, глюкоронової або галактуронової кислоти. Найчастіше зустрічаються на плодових деревах – вишні, абрикосі та ін. Вони складаються з гетерополісахаридів з обов'язковою участю уронових кислот, карбонільні групи яких з’єднані з йонами Са2+, К+ і Мg2+. За розчинністю у воді поділяються на 3 групи: арабінові, добре розчинні у воді (абрикосова і аравійська камеді); басоринові, погано розчинні у воді, але сильно в ній набрякають (трагакантова камедь), і церазинові, погано розчинні і такі, що погано набрякають у воді (вишнева, сливова камедь). Камедь виникає в результаті витікання соків в результаті ушкодження рослин. Вони без смаку або мають слабкий солодкуватий смак. Спочатку м'які і в'язкі, на повітрі вони поступово тверднуть, перетворюючись на аморфну масу різноманітної форми і величини. Рідше камедь виникає на коренях, плодах, насінні.

Завдяки високій емульгуючій та обволікаючій здатності камеді сприятливо впливають на шлунково-кишковий тракт.

Глюкоманан – представник нейтральних камедей (полісахаридів, здатних до набрякання). Нейтральна камедь використовується в харчовій промисловості в якості загусників, а в дієтотерапії – як джерело незасвоюваних харчових волокон, що збільшують об'єм їжі, посилюють відчуття ситості. Глюкоманан отримують з бульб конжака (Amorphophallus konjak) – родини Ароїдних, що традиційно вживається в їжу жителями Японії.

Гуарова камедь – гелеутворююча клітковина з соку індійської акації – здатна знижувати рівень холестерину в крові, а також уповільнювати всмоктування цукру з шлунково-кишкового тракту.

Демоноропс (Daemonorops drako) –  камедь, що отримується з фруктів різних видів Daemonorops родини Palmae. Застосовується в якості кровоспинного і болезаспокійливого засобу.

Слиз – суміші полісахаридів – пентозанів і гексозанів, що здатні утворювати у воді густі слизові розчини. Зустрічаються в насінні льону, подорожника, коренях алтея, бульбах зозулинця, квітках липи, листі мати-й-мачухи. Слиз також знаходиться у внутрішньому шарі бобів, горіхів і насіння. З хімічної точки зору вони мало відрізняються від камеді, характеризуються тим, що у їхньому складі переважають пентозани. Вони добре і повністю розчиняються у воді, під час кислотного гідролізу розщеплюються, утворюючи галактозу, ксилозу, арабінозу, рамнозу, манозу, глюкозу і галактуронову кислоту. Слиз сприятливо діє на шлунково-кишковий тракт, у випадках подразнення верхніх дихальних шляхів та рефлекторно виникаючому кашлі. Багато слизу міститься у вівсяній, рисовій і перловій крупі, толокні, що дозволяє їх використовувати у випадку захворювань шлунково-кишкового тракту. Деякі види слизу мають послаблювальну дію, знижують рівень холестерину в крові, зменшують відчуття голоду. Вони широко використовуються в харчовій промисловості у виробництві сиру, супів, морозива, приправ.

У водоростях містяться полісахариди – карагенін, ламінарин і фуколдин. Будучи структурними або запасними поліозами водоростей, вони є присутніми практично в усіх водоростях, складаючи іноді десятки відсотків від їх маси. Установлено, що ті з них, які містять естерозв’язану сірчану кислоту, подовжують час згортання крові і мають антиліпемічний ефект, інші – здатністю зв'язувати вибірково радіоактивний стронцій (ця властивість особливо виражена у низькомолекулярних фракцій альгінової кислоти), запобігаючи його всмоктуванню і накопиченню в організмі. Окремі полісахариди (λ-фракції карагеніну і продукти їх переробки) знижують секреторну діяльність шлунково-кишкового тракту, зменшують протеолітичну функцію пепсину, попереджаючи розвиток пептичних виразок шлунку і дванадцятипалої кишки.

До харчових волокон відносять пребіотики, що вибірково стимулюють зростання і/або активність захисної мікрофлори кишечника людини і що покращують тим самим його здоров'я. Одним з пребіотиків є інулін – високомолекулярний фруктозан. Це полісахарид, що складається з 34...35 залишків фруктози, зв'язаних β-глікозидним зв'язком. Він, як і крохмаль, є резервним вуглеводом, розчиняється у воді, осідає з водних розчинів за додавання спирту. Міститься у великих кількостях у бульбах земляної груші і жоржини, в коренях кульбаби, коксагизу і цикорію, в артишоках, в коренях, листі і стеблах каучуконосної рослини гваюли.

Інулін стимулює зростання і активність біфідо- і лактобактерій; підвищує всмоктування кальцію в товстій кишці, тим самим знижуючи ризик остеопорозу; впливає на метаболізм ліпідів; знижує ризик розвитку цукрового діабету; має антиканцерогенну дію; зменшує ризик атеросклеротичних змін в серцево-судинній системі.

Таким чином, харчові волокна – один з компонентів комплексної профілактики порушень жирового обміну, атеросклерозу, цукрового діабету, жовчнокам'яної хвороби. Останніми роками з'явилися дані, що свідчать про те, що нестача харчових волокон викликає розвиток сечокам'яної хвороби, виразкової хвороби шлунку і дванадцятипалої кишки, подагри, карієсу і навіть варикозного розширення вен (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4 – Основні небезпеки нестачі і надлишку незасвоюваних вуглеводів.

Відомий німецький хімік, один з творців агрохімії, іноземний член-кореспондент Петербурзької академії Юстус Лібіх, ще в своїх знаменитих "Листах про хімію" (1861 р.) вказував, що "відділення висівок від борошна є розкіш і для живлення швидше шкідливою, ніж корисною". Пройшло більше століття, і під цей висновок підведена чітка наукова основа (таблиця – 6.3).

Добова норма харчових волокон для дорослої людини – 25...30 г.

До продуктів з найбільш високим вмістом харчових волокон відносяться пшеничні і житні висівки, хліб з борошна грубого помелу, білково-висівковий хліб, сухофрукти (особливо чорнослив, урюк, курага), буряк, морква, крупи (ячна, гречана, перлова, вівсяна), окремі фрукти, ягоди, овочі (таблиця 6.5).

Таблиця 6.5 – Вміст незасвоюваних вуглеводів в харчових продуктах

Харчові волокна впливають на функцію товстого кишечника. Вони стимулюють перистальтику, посилюють виділення жовчі. Харчові волокна здатні затримувати в кишечнику воду, що має особливе значення в профілактиці запорів, геморою. Вони здатні адсорбувати продукти обміну мікроорганізмів, жовчні кислоти, солі важких металів, що поступили в кишечник. Ця одна з найважливіших властивостей харчових волокон, особливо пектинових речовин, сприяючі профілактиці раку кишечника, зменшенню інтоксикації організму як власними отрутами кишечника(індол, скатол, аміак), так і що поступили ззовні.

В той же час надмірне споживання харчових волокон швидше шкідливе, чим корисно. Воно може привести до неповного переварювання їжі, порушенню всмоктування в кишечнику макро- і мікроелементів, а також жиророзчинних вітамінів. Надмірне споживання харчових волокон викликає проноси, дискомфорт від надмірного утворення газів в кишечнику, болі в животі.

У харчовому раціоні до 70...75% вуглеводів повинно припадає на частку крохмалю, близько 10% – на частку харчових волокон і 15...20% – на частку простих цукрів. Порушення фізіологічної потреби у вуглеводах має несприятливу дію на організм людини.