ХИМИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Элективный курс

Пояснительная записка

Проблема пищи всегда была одной из самых важных проблем, стоящих перед человеческим обществом. Все, кроме кислорода, человек получает для своей жизнедеятельности из пищи. Правильная организация питания требует хотя бы в самом общем виде знаний о химическом составе пищевого сырья и готовых продуктов питания, представлений о способах их изготовления, о превращениях, которые происходят при их получении и при кулинарной обработке продуктов, а также сведений о пищеварительных процессах.

Главная задача и обязанность учителя – помочь ученику сделать правильный выбор, определиться в сфере своих познавательных интересов.

Данный курс по выбору поможет обеспечить более глубокое и полное усвоение учебного материала по химии и биохимии. Он содержит много интересных и практических знаний о пищевых производствах и продуктах. Современный уровень развития химии позволяет обобщить сведения о химических процессах, происходящих при производстве основных пищевых продуктов. Важно научить школьников применять полученные сведения о рациональном питании в повседневной практике – организовать свое питание на научной основе.

Данный курс рассчитан на 17 часов и включает лекции, беседы, семинары, решение задач различной степени сложности, практические научно-исследовательские работы, тестирование, зачет. При изучении этого элективного курса значительная часть времени отводится теоретическому материалу, соответствующему уровню подготовки учащихся (принципы доступности и научности), активизирующему познавательный интерес учащихся.

При работе по предлагаемой программе необходимо выработать у учащихся навыки самостоятельного обращения с литературными источниками, познакомить с научными методами анализа вещества.

Цели курса.

• Формирование и развитие у учащихся интеллектуальных и практических умений, позволяющих применять полученные знания;

• расширение познаний учащихся о химических процессах при производстве пищи;

• развитие внутренней мотивации обучения, интереса к химии;

• формирование умения самостоятельно приобретать знания;

• оказание помощи в выборе профиля дальнейшего образования.

Задачи курса.

1. Обобщение, систематизация, расширение и углубление знаний учащихся о строении, свойствах и получении питательных веществ, содержащихся в наиболее часто употребляемых продуктах.

2. Отработка навыков проведения химического эксперимента, знакомство с методами определения белков, жиров, углеводов.

3. Пропаганда здорового образа жизни.

Актуальность данного курса подкрепляется практической значимостью рассматриваемых тем, что способствует повышению интереса к химии и ориентирует на профессии, связанные с изучением химии. Содержание курса предполагает разнообразие видов деятельности учащихся, работу с различными источниками информации, включая интернет-ресурсы.

В результате изучения этого курса учащиеся должны

знать:

– состав и свойства веществ, содержащихся в пищевых продуктах;

– основы гигиены питания;

– режим приема пищи;

– химический состав и энергетическую ценность пищевых продуктов;

уметь:

– анализировать состав пищевых продуктов по этикеткам;

– применять простейшие методы очистки питьевой воды;

– правильно готовить;

– правильно хранить и употреблять продукты питания.

Формой отчетности по изучению элективного курса являются викторины, сообщения, защита проектных реферативных работ, рациональные рецепты приготовления популярных блюд.

Темы проектных работ и сообщений

1) Биологическая активность микроэлементов.

2) Витамины. Работы Н.Н.Лунина, И.И.Бессонова.

3) Определение жирности молока.

4) Экологически безопасная посуда.

5) Способы хранения мясных и рыбных блюд.

6) Энергетическая ценность пищевых продуктов.

7) Химия в консервной банке.

8) Слайд-шоу «О вкусной и здоровой пище».

9) Химические секреты агронома.

10) Первая помощь при пищевых отравлениях.

Актуальность элективного курса

Целями валеологического образования в школе является сохранение и повышение уровня здоровья (физического, психического и нравственного) каждого ученика. Здоровьесберегающая среда в школе предоставляет школьнику реальную возможность получать полноценное образование, адекватное его способностям, склонностям, потребностям и интересам. В таких условиях адаптивные возможности организма на каждом возрастном этапе соответствуют постоянным изменениям, происходящим вокруг. Взаимная адаптация возможностей ученика и образовательной среды является основой комплексной стратегии улучшения здоровья школьников. Этому же способствует формирование и развитие валеологических знаний, умений и навыков, которые происходят в процессе как урочной, так и внеурочной внеклассной работы.

Главными направлениями валеологического образования являются:

– изучение основ здорового образа жизни, обеспечивающего полноценную и безопасную повседневную деятельность и реализацию в ней способностей и потребностей личности;

– ознакомление с опасностями, угрожающими человеку при работе с химическими веществами в быту, в ситуациях природного и техногенного характера.

Придерживаться этих направлений возможно при:

– организации учебного процесса и внеурочной деятельности на основе принципа природосообразности и в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями, нормами и правилами;

– сохранении благоприятного психологического микроклимата;

– индивидуализации процессов обучения, воспитания и развития;

– снятии перегрузки учащихся и освобождении времени на двигательную активность.

За последние годы увеличилось число детей, страдающих хроническими заболеваниями (бронхиальная астма, аллергия и заболевания органов пищеварения). Процент нарушения состояния здоровья резко растет в начальной школе и повышается к ее окончанию. К системным соматическим заболеваниям добавляются сколиоз, близорукость, гиподинамия.

Резкое изменение и ухудшение экологической обстановки во многих регионах нашей страны ставит решение проблемы экологического и валеологического образования в разряд первостепенных и неотложных.

Учебно-тематическое планирование

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Тема 1. Основные химические вещества пищи

Урок 1. Белковые вещества. Строение и аминокислотный состав белков, классификация и свойства белков, пищевая ценность белков, ферменты.

Урок 2. Липиды. Строение и классификация липидов, основные превращения липидов, пищевая ценность масел и жиров, превращения, происходящие с липидами при производстве продуктов питания.

Урок 3. Углеводы. Строение, классификация и свойства углеводов, превращения, происходящие с углеводами в технологических процессах, пищевая ценность углеводов.

Урок 4. Витамины. Гиповитаминозы и авитаминозы, антивитамины, водорастворимые и жирорастворимые витамины.

Урок 5. Минеральные вещества. Макро- и микроэлементы.

Урок 6. Пищевые добавки. Вещества, улучшающие внешний вид продуктов, подслащивающие вещества, консерванты, пищевые антиокислители, ароматизаторы.

Урок 7. Чайный интерес. Виды чая, их польза, традиции вкуса.

Тема 2. Химия пищевых производств

Урок 8. Зерновые продукты. Продукты из зерна, хлеб и хлебобулочные изделия, макаронные изделия.

Урок 9. Кондитерские изделия. Сахар и крахмал, кондитерские изделия.

Урок 10. Овощи, фрукты и ягоды. Сырые продукты, хранение овощей, фруктов и ягод, переработка овощей, фруктов и ягод, тепловая обработка.

Урок 11. Молочные продукты. Сырье, процессы, происходящие при хранении и переработке молочного сырья.

Урок 12. Мясные продукты. Сырье, тепловая обработка мяса.

Урок 13. Рыбные продукты. Сырье, обработка, сроки хранения рыбы.

Тема 3. Химия рационального питания

Урок 14. Химия пищеварения и рационального питания. Принципы правильного питания, некоторые полезные сведения.

Урок 15. Путь к долголетию. Факторы, влияющие на продолжительность жизни, влияние экологии на здоровье человека.

Урок 16. Помощь пищеварению. Решение задач.

Урок 17. Некоторые рациональные рецепты приготовления популярных блюд. (Заключительный урок-семинар.) Представление учащимися различных блюд, обсуждение результатов, выводы.

В качестве примера приведено содержание нескольких уроков.

Цели урока.

• Обеспечить восприятие и первичное осознание учащимися нового учебного материала, осмысление ими межпредметных связей, создать целостное восприятие изучаемых предметов, явлений, процессов.

• Дать понятие о белках – природных полимерах, о многообразии их функций во взаимосвязи со строением и свойствами.

• Проследить переход от научного содержания, философского осмысления вопроса к его практической значимости и применению знаний в реальной жизни.

Наглядные пособия. Таблицы: «Содержание белка в пищевом рационе взрослого человека, необходимое для поддержания азотистого равновесия», «Нормы потребления белка для детей», схема строения белковой молекулы.

Проблемный вопрос урока. Почему понятие белок отождествляется с понятием жизнь?

На этот вопрос учащиеся должны ответить в конце урока, т.к. белки являются предметом изучения не только биологических, но и химических наук. Урок ведут два учителя – биологии и химии.

ХОД УРОКА

Введение

УЧИТЕЛЬ ХИМИИ. Человеку всегда хотелось чуда. Одним из чудес было и остается возникновение жизни, превращение неживой материи в живой организм. Более 4 млрд лет назад на земле из маленьких неорганических молекул непостижимым образом возникли белки?, ставшие строительными блоками живых организмов. Своим бесконечным разнообразием все живое обязано именно уникальным молекулам белка, и иные формы жизни во Вселенной науке пока неизвестны.

Что же такое жизнь? Определение жизни дал Ф.Энгельс (более 100 лет назад в работе «Анти-Дюринг»): «Жизнь есть форма существования белковых тел, и эта форма существования заключается по существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел».

Возникает вопрос, не устарело ли это определение жизни, ведь время вносит свои коррективы.

Этот урок дает возможность «приоткрыть дверь» научного познания жизни и понять, что жизнь и белки неразрывно связаны. Чтобы ответить на вопрос, что такое жизнь, надо узнать, что такое белки'?

На уроке мы познакомимся со строением, свойствами, функциями белков и попытаемся ответить на вопрос: «Почему понятие белок отождествляется с понятием жизнь?»

УЧИТЕЛЬ БИОЛОГИИ. Изучение белков начато в середине XVIII в., но только через 100 лет ученым удалось систематизировать свойства изученных белков, определить их элементный состав и сделать вывод о том, что белки – это главный компонент живых организмов. Затем из гидролизатов белков были выделены продукты их неполного расщепления и возникли различные гипотезы о строении белков, которые сейчас имеют чисто исторический интерес.

На долю белков приходится более 50 % общей массы органических соединений животной клетки: в мышцах – 80 %, коже – 63 %, печени  – 57 %, мозге – 45 %, костях – 28 %.

Состав и структуру белков рассмотрим с точки зрения химии.

Состав и структура белков

УЧИТЕЛЬ ХИМИИ. Белки – это макромолекулярные природные соединения (биополимеры), структурную основу которых составляют полипептидные цепи, построенные из остатков -аминокарбоновых кислот.

В связи со сложностью белковых молекул и чрезвычайным разнообразием их функций крайне затруднено создание единой четкой классификации белков на какой-либо одной основе. Поэтому мы рассмотрим три разные классификации белков: по составу, по структуре, по функциям.

Все белки состоят из углерода, водорода, кислорода, азота, во многих из них содержится еще и сера. Примерный химический состав белка:

С – 50–55 %; О – 19–24 %; H – 6,5–7,3 %; N – 15–19 %; S – 0,2–2,4 %.

По составу белки разделяются на протеины:

– простые, состоящие только из остатков аминокислот;

– сложные, включающие различные небелковые вещества: нуклеиновые кислоты, остатки фосфорной кислоты, а также катионы металлов.

В состав белков входит 20 -аминокислот в различных комбинациях, отсюда следует такое огромное их многообразие.

Если молекулярная масса не превышает 6 тысяч, то речь идет о пептидах, если она больше 6 тысяч – это белки.

Относительные молекулярные массы некоторых белковых и небелковых соединений:

этиловый спирт – 46;

бензол – 78;

белок куриного яйца – 36 000;

белок вируса – 40 000 000;

инсулин – 5807.

Белки имеют первичную структуру, которая показывает последовательность чередования различных аминокислотных звеньев в полипептидной цепи (рис., а).

Пептидные связи обеспечивают жесткость и стабильность первичной структуры. Однако вытянутые полипептидные цепи в природе не встречаются – они образуют структуры более высокого порядка за счет образования внутримолекулярных связей. Расшифровка первичной структуры белков началась с установления структуры короткого пептида – окситоцина, содержащего всего 9 аминокислотных остатков. В 1955 г. был расшифрован более крупный пептид инсулин, состоящий из двух пептидных цепей, образованных 51 аминокислотным остатком. Каждый год расшифровываются сотни новых белков, среди которых встречаются молекулы, содержащие более 5000 аминокислотных остатков.

Вторичная структура – тип укладки полипептидных цепей. Эта структура поддерживается водородными связями, при этом радикалы аминокислот обращены наружу, что позволяет функциональным группам вступать в различные химические реакции (рис., б).

В 1951 г. американские ученые Лайнус Полинг (дважды лауреат Нобелевской премии) и Роберт Кори показали, что при образовании водородных связей между аминокислотными остатками, отстоящими в первичной структуре друг от друга на определенное расстояние, нитчатая молекула белка приобретает форму так называемой -спирали. Этот тип спирали имеет вид винтовой лестницы с регулярными витками, в которой каждый первый и четвертый аминокислотные остатки соединены водородными связями, причем боковые радикалы выступают наружу и не участвуют в построении спиральной структуры. При образовании -спирали длина белковой молекулы (первичная структура) уменьшается примерно в 4 раза. Существует и другая, более вытянутая конформация, называемая -структурой и напоминающая по форме гармошку. За счет перестройки системы водородных связей возможны переходы из - в -конформацию и наоборот (такие переходы свойственны белку волос – кератину).

Третичная структура характеризуется трехмерной пространственной упаковкой полипептидной цепи (рис., в). В результате образования такой структуры линейные размеры белковой молекулы могут стать еще меньше. В основе формирования третичной структуры лежит образование различных связей между сильно удаленными в первичной структуре аминокислотными остатками. Их сближение может осуществляться за счет ковалентных S–S связей (дисульфидных мостиков), образуемых боковыми радикалами аминокислоты цистеина, а также слабых водородных связей, электростатического притяжения между противоположно заряженными боковыми радикалами аминокислотных остатков и так называемых гидрофобных взаимодействий, обусловленных тем, что боковые радикалы некоторых аминокислотных остатков отталкиваются молекулами воды и поэтому стремятся собраться вместе. Некоторые образованные таким образом комбинации -спиралей и -структур оказываются особенно стабильными и часто повторяются во многих белках. Подобные «структурные стереотипы» называют доменом – сравнительно малым субмолекулярным образованием, состоящим из участков полипептидной цепи длиной в 150 аминокислотных остатков или менее. Обычно белки состоят из нескольких различных доменов, связанных часто неструктурированными участками полипептидной цепи, играющими роль шарниров, которые позволяют доменам изменять свое взаимное расположение.

Четвертичная структура. Существуют белки, молекулы которых могут объединяться в более крупные структуры. В этом случае отдельные молекулы белка, называемые субъединицами, соединяются с другими посредством сравнительно слабых связей, образуя макромолекулярный комплекс. Расположение субъединиц друг относительно друга, т.е. способ их совместной пространственной упаковки, представляет собой четвертичную структуру белка (рис., г). С помощью рентгеноструктурного анализа английский биохимик Макс Фердинанд Перуц в 1960 г. впервые установил четвертичную структуру гемоглобина, в состав которого входят две - и две -цепи.

Классификацию белков по функциям мы рассмотрим с точки зрения биологии.

Функции белков

УЧИТЕЛЬ БИОЛОГИИ. Белки выполняют разнообразные функции:

1. Транспортная. Это белки, которые переносят специфические вещества. Например: гемоглобин, содержащийся в эритроцитах, переносит кислород от легких к клеткам тела. Есть также транспортные белки в клеточных мембранах, они переносят, например, глюкозу, аминокислоты внутрь клетки.

2. Моторная и сократительная. Белки, которые наделяют клетку двигательными реакциями. Это нитевидные белки – актин и миозин, которые находятся во всех мышцах, ресничках, жгутиках. Их нити сокращаются благодаря использованию АТФ.

3. Пищевая или энергетическая. Например: яичный белок – альбумин, молочный – казеин. Ферритин – белок в животной клетке, содержит много железа, необходимого для синтеза гемоглобина.

4. Структурная. Многие белки образуют волокна, перевитые друг с другом, они скрепляют биологические структуры и придают прочность. Например: коллаген содержится в хрящах, сухожилиях, имеет высокую прочность на разрыв. Эластин – в связках, растягивается в двух направлениях. Кератин содержится в волосах, перьях, ногтях, роговых образованиях, шерсти. Прочность в молекуле кератина обусловлена дисульфидными поперечными связями.

Вопрос. Почему после стирки шерстяные вещи «садятся»?

Ответ. При стирке в воде, близкой к температуре кипения, в молекулах белка кератина происходит разрыв в дисульфидных связях и начинается свертывание полипептидных цепей в клубок. Тогда говорят, что шерстяная ткань «садится».

5. Защитная. Белки, которые защищают организм от чужеродных тел. Например: антитела (иммуноглобулины) защищают организм от бактерий, вирусов и образуются в лимфоцитах. Тромбин участвует в свертывании крови – защищает организм от потери крови.

6. Регуляторная. Белки, участвующие в регуляции клеточной и физиологической активности. Например: инсулин контролирует концентрацию глюкозы в крови.

7. Строительная. Белки, которые входят в состав всех клеточных мембран, ядерного сока, хромосом, ядрышек. В белках получает свое реальное воплощение генетическая информация. В клеточном ядре содержатся многие тысячи генов, каждый из которых определяет один признак организма. В клетке присутствуют тысячи различных белков, каждый из которых выполняет специфическую функцию, определяемую соответствующим геном.

8. Рецепторная. Изучение этих белков начато сравнительно недавно, поскольку их содержание в организме чрезвычайно мало?, что очень затрудняет выделение, очистку и расшифровку структуры. Они находятся на поверхности плазматической мембраны и играют важную роль в передаче нервного возбуждения.

9. Ферментативная. Это одна из важнейших функций. Все ферменты – это белки, они ускоряют химические процессы в клетке в сотни тысяч раз. Каталитическая функция белков зависит от их третичной структуры. Существует прямая зависимость между структурой и функцией белков.

Гемоглобин состоит из более чем 600 аминокислотных остатков. Если всего один аминокислотный остаток заменяется другим, белок выполняет другие функции, имеет другие свойства. Это наблюдается при серповидноклеточной анемии, когда эритроциты больных людей содержат измененные молекулы гемоглобина.

Другие белки: классификация других белков, многие из которых выполняют необычные функции, затруднительна. Например, ДНК в хроматиновых волокнах очень прочно связана с белками, называемыми гистонами, функция которых состоит в упаковке и упорядочении ДНК в структурные единицы – нуклеосомы. Плазма крови некоторых антарктических рыб содержит белки, имеющие свойства антифриза, предохраняющие кровь этих рыб от замерзания. В местах прикрепления крыльев у ряда насекомых имеется белок резилин, имеющий почти идеальную эластичность.

Дополнительная информация к уроку

В результате исследований установлено, что взрослый человек должен потреблять ежедневно при трате энергии в 1500 ккал не менее 100 г, а в жарком климате – не менее 120 г белка. Эти нормы соответствуют умственному труду или труду физическому, полностью механизированному. При расходовании большего количества энергии, т.е. при физическом труде, недостаточно механизированном, необходимо добавочно 10 г белка на каждые 500 ккал. Таким образом, при физическом труде с тратой энергии в 4000 ккал требуется 130–150 г белка в сутки.

Растущий организм испытывает потребность в белке в зависимости от возраста (см. табл. 1 и 2).

Таблица 1

Нормы потребления белка для детей

 

Таблица 2

Содержание белка в пищевом рационе взрослого человека,
необходимое для поддержания азотистого равновесия

 

Печатается с продолжением.

С.В.ЛАРИНА,
учитель химии средней школы № 26
(г. Нижнекамск, Республика Татарстан)]