Биотехнологические основы культивирования микроорганизмов. 3 page

Обогащение белков лимитирующими аминокислотами.

Зависимость функционирования организма от количества незаменимых аминокислот используется при определении биологической ценности белков химическими методами. Наиболее широко используется метод Х.Митчела и Р.Блока, в соответствии с которым рассчитывается показатель аминокислотного скора (а.с.).

Таблица 8 - Рекомендуемые составы и суточная потребность человека в незаменимых аминокислотах, мг/г белка (по А.П.Нечаеву, 2003)

Аминокислота, скор которой имеет самое низкое значение, называется первой лимитирующей аминокислотой. Значение скора этой аминокислоты определяет биологическую ценность и степень усвоения белков.

Скор выражают в процентах или безразмерной величиной, представляющей собой отношение содержания незаменимой аминокислоты (а.к.) в исследуемом белке к ее количеству в эталонном белке:

Аминокислотный скор = (мг а.к. в 1 г белка/мг а.к. в 1 г эталона)×100

Аминокислотный состав эталонного белка сбалансирован и идеально соответствует потребностям организма человека в каждой незаменимой аминокислоте, поэтому его называют «идеальным» (таблица 8).

Для учета всех незаменимых аминокислот определяют индекс незаменимых аминокислот (ИНАК), который представляет собой корень в степени, равной количеству анализируемых аминокислот (если все, то 8) из произведений отношений содержания каждой незаменимой аминокислоты в исследуемом белке к содержанию ее в эталонном белке.

Помимо химических методов используют также биологические методы (животные, микроорганизмы). Основными показателями оценки при этом являются привес (рост животных) за определенный период времени, расход белка и энергии на единицу привеса, коэффициенты перевариваемости и отложения азота в теле, доступность аминокислот. Показатель, определяемый отношением привеса животных (в г) к количеству потребляемого белка (в г) был разработан П.Осборном и носит название коэффициент эффективности белка (КЭБ). Для сравнения при определении показателя используют контрольную группу животных со стандартным белком – казеином, в количестве, обеспечивающем в рационе 10% белка. В опытах на крысах эффективность казеинового белка равна 2,5.

Оценивают степень усвоения белков после переваривания. Из животных белков в кишечнике всасывается более 90% аминокислот, а из растительных – только 60-80%. В порядке убывания скорости усвоения белков в пищеварительном тракте пищевые продукты располагаются в последовательности рыба > молочные продукты > мясо > хлеб > крупы.

Растительный белок зерновых и других культур уступает животному по содержанию незаменимых аминокислот (триптофан, лизин, треонин). Поэтому разрабатываются и внедряются программы питания, предусматривающие применение растительных белков и лимитирующих аминокислот. Оптимальный баланс незаменимых факторов питания обеспечивается путем правильного подбора и сочетания различных видов белков (эффект взаимного обогащения). Дополнение в пищу сои является методом восполнения недостатка лизина в пшенице, кукурузе и рисе. За счет правильного подбора составляющих в смесях из хлебных, бобовых и масличных культур можно значительно повысить КЭБ, за эталон которого принимают показатель для казеина (2,5). Смеси из хлебных культур с соевыми продуктами комплементарны по аминокислотному составу уже при соотношении 50:50, однако идеальным считают 30:70.

В зависимости от соотношения белковых составляющих различают эффекты истинного и простого обогащения. Эффект истинного обогащения наблюдается в том случае, если скор для каждой незаменимой аминокислоты в белке создаваемого продукта не менее 1,0. Эффект простого обогащения – если значения аминокислотного скора композиции хотя и меньше 1,0, но выше, чем значения данного показателя для белков каждого продукта в отдельности. Сбалансированность аминокислотного состава в белковых продуктах положительно отражается на их усвояемости. Так, усвояемость взрослым человеком соевых белковых концентратов и изолятов составляет 91-96% (аналогичные цифры характерны для белков молока), сухой пшеничной клейковины – 91%, белковой муки из пшеничных отрубей – 94%. Этот показатель можно увеличить до 97-99% смешиванием их с лимитирующими аминокислотами. Добавление 0,5-1,5% метионина к белковым продуктам из сои приближает их по питательной ценности к идеальному белку.

Липиды из-за низкой влажности, отсутствия минеральных веществ не поражаются микроорганизмами и в темноте могут храниться относительно долго. Бактериальные технологии не получили развития применительно к пищевым жирам. Но многие виды растительного сырья являются хорошими источниками биологически активных липидов (БАЛ) – полиненасыщенных жирных кислот, токоферолов, каротиноидов. Масла из зародышей пшеницы, ржи и просяных мучелей содержат до 11% линоленовой кислоты – предшественника арахидоновой кислоты. Для масел из зародышей зерновых культур и из облепихи характерно высокое содержание токоферолов, достигающее в пшеничном масле более 1%. Плоды шиповника, аронии, красной рябины, кизильника, барбариса, жимолости, облепихи богаты каротиноидами. Масло из семян томатов содержит до 1% каротиноидов.

Технологические процессы выделения БАЛ имеют общие черты, обусловленные величиной содержания их в сырье и характером локализации. По общему содержанию липидов источники БАЛ относятся к низкомасляничным (менее 30%) видам сырья (рисунок 19).

Углеводы широко применяются в биотехнологиях производства хлебопродуктов, в бродильном производстве и др.

Итак, имеются ощутимые успехи в использовании микробиологических технологий в оптимизации питания:

1) борьба с дисбактериозом путем введения в продукты питания бифидобактерий, лактобактерий, пропионовокислых бактерий – препараты-пробиотики;

2) создание системы функционального питания, под которым понимают использование продуктов естественного происхождения, обладающих определенными регулирующими свойствами на организм в целом или на его отдельные системы путем обогащения пищи незаменимыми компонентами (например продукты из сои) или заменой потенциально вредных компонентов на безвредные (вместо сахарозы использование подсластителя парагвайского растения – стевия).

Рис. 19. Схема получения биологически активных липидов из низкомасличного сырья (Кислухина О.В., 2002).

Бродильное производство используется для получения ряда пищевых продуктов.

Использование крахмала и сахаров. Крахмал, основной резервный полисахарид растений, представляет собой смесь гомополимеров D-глюкозы – как линейных (амилоза), так и разветвленных (амилопектин). Крахмал широко используется в пищевой промышленности и пивоварении. Его сначала гидролизуют до низкомолекулярных компонентов, а затем превращают во фруктозу или этанол. Для ферментативного гидролиза крахмала необходимы α-амилаза, глюкоамилаза и глюкозоизомераза (это наиболее часто употребляемые в пищевой промышленности ферменты, на их долю приходится до 30% стоимости от всех используемых ферментов).

Основные этапы производства фруктозы и этанола из крахмала:

- Желирование молотого зерна путем его обработки паром под давлением (разрушение крахмальных зерен и доступность крахмала для гидролизующего фермента); продукт имеет желеобразную консистенцию.

- Ожижение путем охлаждения желированного крахмала до 50-60 ˚С и добавления α-амилазы. При такой температуре усиливается проникновение фермента в желированный крахмал и увеличивается скорость гидролиза до низкомолекулярных полисахаридов.

- Осахаривание (полный гидролиз) низкомолекулярных полисахаридов до глюкозы (фермент глюкоамилаза).

- Получение фруктозы с помощью глюкоизомеразы.

- Получение этанола с помощью дрожжевой ферментации.

Развитие этих технологий требует:

- Использования для получения необходимых ферментов быстрорастущих рекомбинантных микроорганизмов.

- Методами генетической инженерии получения более термостабильного и активного фермента α-амилазы, что необходимо для ускорения гидролиза желированного крахмала.

- Модификации генов α-амилазы и глюкоамилазы для получения ферментов с одинаковыми оптимумами рН и температуры.

- Создания гена для синтеза фермента, способного гидролизовать необработанный крахмал, исключив этап желирования.

- Создания такого микроорганизма для ферментации, который будет синтезировать глюкоамилазу в процессе гидролиза крахмала.

К настоящему времени получены следующие обнадеживающие результаты по изменению свойств ферментов методами генетической инженерии с целью их приспособления для технологических промышленных установок получения фруктозы и этанола:

- получены гены α-амилазы из различных источников, в том числе из термофильной бактерии B. Stearothermophilus, что позволило получать рекомбинантные образцы фермента с заданными свойствами, необходимыми для определенного технологического процесса (например, повышение оптимума температуры);

- фермент глюкозоизомераза (ксилозо/глюкозоизомераза) получен путем экспрессии этого гена из термофильной бактерии Thermus thermophilus в E. coli и B. brevis, в результате чего в 1000 раз повышается производство ферментативного белка, а сам фермент сохраняет свою стабильность при 95 ˚С.

Для сбраживания крахмала при промышленном производстве этанола используют дрожжи S. cerevisiae. В тропических странах для тех же целей применяют бактерию Zymomonas mobilis, которая обеспечивает более высокую скорость образования этанола, но число углеродных субстратов ограничено. В связи с этим в Zymomonas mobilis были введены гены ферментов, способных гидролизовать лактозу, крахмал, целлюлозу, ксилозу и целлобиозу. С помощью методов генетической инженерии создан микроорганизм – продуцент этанола, который может использовать в качестве источника углерода ксилозу, побочный продукт деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.

Процессы брожения касаются ферментативных превращений углеводов. Брожение – процесс, используемый в ряде пищевых технологий: во время приготовления теста, хлеба, в производстве кваса, пива, вина, спирта и др. Спиртовое брожение осуществляется благодаря жизнедеятельности ряда микроорганизмов; чаще используются дрожжи рода Sacharomyces. При спиртовом брожении кроме этилового спирта в незначительном количестве образуются некоторые другие вещества, например, янтарная, лимонная кислота, смесь амилового, изоамилового, бутилового и других спиртов, уксусная кислота, дикетоны, уксусный альдегид, глицерин и другие вещества, от наличия ничтожных количеств которых зависит специфический аромат вина, пива и других спиртных напитков. Разные сахара сбраживаются дрожжами с различной скоростью. Наиболее легко подвергаются сбраживанию глюкоза и фруктоза, медленнее – манноза и галактоза; пентозы дрожжами не сбраживаются. Из дисахаридов хорошим субстратом спиртового брожения являются сахароза и мальтоза. Однако оба сахара сбраживаются лишь после предварительного гидролиза на составляющие их моносахариды ферментами α-гликозидазой и β-фруктофуранозидазой дрожжей. В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается и дрожжи получают энергию, необходимую для их развития и жизнедеятельности, путем кислородного дыхания. При этом дрожжи тратят сахар значительно экономнее, чем в анаэробных условиях. Прекращение брожения под влиянием кислорода называется «эффектом Пастера».

Другой вид брожения, важный для пищевых технологий, это молочнокислое брожение, при котором из одной молекулы гексозы образуются две молекулы молочной кислоты. Этот тип брожения важен в производстве молочнокислых продуктов (простокваши, кефира, кумыса), при изготовлении кваса, хлебных заквасок и «жидких дрожжей» для хлебопечения, при квашении капусты, при силосовании кормов. Все микроорганизмы, вызывающие молочнокислое брожение, делят на две группы:

- к первой группе принадлежат гомоферментативные молочнокислые бактерии микроорганизмы, подобные Streptococcus lactis, являющиеся истинными анаэробами;

- к второй группе относят гетероферментативные молочнокислые бактерии, которые кроме молочной кислоты образуют другие продукты (этиловый спирт, уксусную кислоту), например, Bacterium lactis aerogenes. Интересно, что при изготовлении ржаного хлеба (теста), наряду со спиртовым брожением, происходит молочнокислое, что ведет к накоплению молочной и уксусной кислот.

Ведутся интенсивные работы по использованию пропионовокислых бактерий, способных продуцировать витамин В₁₂ и тем самым регулировать гемопоэз, процессы биосинтеза многих низкомолекулярных биорегуляторов и ДНК.

Производство алкогольных напитков. Алкогольные напитки получают путем сбраживания сахаросодержащего сырья, в результате которого образуется спирт и углекислый газ. В одних случаях используется природный сахар (например, содержащийся в винограде, из которого делают вино), в других сахара получают из крахмала (например, при переработке зерновых культур в пивоварении). Наличие свободных сахаров обязательно для спиртового брожения при участии Saccharomyces, так как эти виды дрожжей не могут гидролизовать полисахариды. В отечественном производстве спиртных напитков применяют штаммы дрожжей S. cerevisiae или S. carlsbergensis (вторые могут полностью сбраживать раффинозу, а первые нет).

Основными видами сырья для производства этанола являются картофель и рожь в Европе, картофель и пшеница в России и Беларуси, кукуруза и рожь в США, рис и бататы на Востоке, тапиока в тропических странах. В пивоварении издавна применяется зерновой солод. В словаре В. Даля написано «Солод хлебное зерно, теплом и мокротою пущенное в рост, засушенное и крупно смолотое; проросший хлеб, в котором образуется сахарное начало, сладимый вкус». Солод используется как источник амилолитических ферментов и выполняет три функции: 1) обеспечивает достаточно глубокое осахаривание и выбраживание только за трое суток; 2) является источником легкоусвояемого азотистого питания для дрожжей (в процессе солодоращения из-за повышения активности протеиназ в 40 раз накапливаются аминокислоты до 32% от общего азота); 3) приводит к гидролизу клеточных стенок растительного сырья за счет цитолитической активности, что улучшает контакт крахмала с амилолитическими ферментами. Скорость осахаривания крахмала при использовании солода остается достаточно низкой, что затрудняет интенсификацию процесса брожения. Этот процесс ускоряют путем добавления ферментных препаратов микробного происхождения.

Приготовление пива требует следующих условий.

1. Традиционным источником углеводов является ячмень (иногда с добавками других видов углевод-содержащего сырья).

2. Ячменный солод и прочие компоненты измельчают и смешивают с водой при температуре до 67 ˚С. В ходе перемешивания природные ферменты ячменного солода разрушают углеводы зерна.

3. Раствор, называемый суслом, отделяют от нерастворимых остатков, добавляют хмель и кипятят в медных котлах.

4. Для производства пива с определенным содержанием алкоголя сусло после кипячения доводят до нужной плотности. Удельная плотность сусла определяется содержанием экстрагированных сахаров, подлежащих сбраживанию. Добавляют дрожжи.

S. cerevisiae представляют собой дрожжи поверхностного и глубинного брожения, они применяются в производстве эля. S. carlsbergensis – дрожжи глубинного брожения, их используют в производстве легкого пива.

5. По истечении определенного времени брожение заканчивается, дрожжи отделяют от пива и выдерживают некоторое время для созревания.

6. После фильтрации и других необходимых процедур пиво готово.

Каждый из перечисленных процессов должен пройти с определенной глубиной, чтобы обеспечить нормальное протекание фильтрации затора, брожения сусла, осветление и фильтрацию пива, а также создание определенных физико-химических свойств (пенообразование, прозрачность, стойкость при хранении) и вкусовых качеств готового продукта (рисунок 20). Применение ферментных препаратов микробного происхождения (амилоризин ПХ, П10Х, амилосубтилин Г10Х, Г20Х, протосубтилин Г10Х, цитороземин ПХ) с целью замены солода несоложенным ячменем позволяет интенсифицировать процесс, избежать потерь ценных компонентов сырья на дыхание и образование проростка.

При хранении бутылочного пива за счет роста микроорганизмов может возникать холодная муть. Такое биологическое помутнение предотвращается пастеризацией пива или стерильной фильтрацией при заполнении бутылок в асептических условиях.

Небиологическое помутнение пива может происходить при его продолжительном хранении; этот процесс ускоряется при действии света, тепла, кислорода, в присутствии следов железа или меди, а также при одновременном воздействии этих факторов. Состав мути зависит от преобладающего действия того или иного из этих факторов. Основными составляющими холодной мути являются: белки (40-76%), танин (17-55%), углеводы (3-13%). Холодная муть состоит из очень тонкого осадка, который образуется при выдержке пива при температуре ниже 10 ˚С. Для борьбы с холодной мутью используют растительные ферменты (папаин, фицин, бромелаин), грибковые (продуцируемые микроскопическими грибами рода Aspergillus, Penicillium, Mucor, Amylomyces) и бактериальные (B. subtilis) протеазы. Наиболее широко для этой цели используют папаин или его комплексов с другими ферментными препаратами. Это связано с относительной термостабильностью папаина и его устойчивостью к пастеризации.

Рис. 20. Процессы, используемые в пивоварении (Голубев В.Н., Жиганов И.Н., 2001).

В производстве вина используется сахар виноградного сока. Почти все вино в мире делают из винограда одного вида – Vitis vinifera. Сок этого винограда – прекрасное сырье для производства вина. Он богат питательными веществами, служит источником образования приятных запаха и вкуса, содержит много сахара; его природная кислотность подавляет рост нежелательных микроорганизмов.

Виноделие в отличие от пивоварения до последнего времени было основано на использовании местных дрожжей дикого типа. Единственная обработка, которой подвергали виноград до отжима, - окуривание сернистым газом, чтобы сок не темнел. Кроме того, сернистый газ подавляет деятельность не винных дрожжей. Это позволяет винным дрожжам осуществлять брожение без помех. При изготовлении красного вина гребни, косточки и кожица до конца брожения находятся в виноградном сусле (мусте), а белое вино делают из чистого сока. Обычно окуривание сернистым газом проводят до того, как раздавливают ягоды, но иногда его применяют и на более поздних стадиях. В настоящее время широко применяются дрожжевые закваски: инокуляция стандартной культурой дрожжей позволяет получать вина с нужными свойствами. Количество используемого сернистого газа ограничено законом, и это побуждает применять дрожжевые культуры-закваски. Использование заквасок имеет ряд преимуществ:

- сокращается лаг-период размножения дрожжей;

- образуется продукт с известными свойствами;

- уменьшается вероятность появления нежелательного вкуса, поскольку в брожении не участвуют дикие дрожжи;

- смешанные закваски позволяют получать продукцию с полным букетом.

Вкусовые различия между сортами винограда определяются особыми веществами. Так, в формировании вкуса мускатных сортов участвуют производные терпенов, линалоол и гераниол. Различные вкусовые оттенки появляются при выдержке вина. Контакт с древесиной (бочки) вносит свой вклад в формирование вкуса вина. После завершения спиртового брожения молодое вино хранят в особых условиях, чтобы оно не испортилось. Если вино не предполагается подвергать яблочно-молочнокислому дображиванию, его обрабатывают сернистым газом, что подавляет окислительные процессы, вызывающие его потемнение. До этого из вина удаляют дрожжи, чтобы прекратить брожение.

Первосортные вина подвергают выдержке различных периодов, дешевые вина разливают в год их получения. В дешевых винах стараются подавить вторичное яблочно-молочнокислое брожение до разлива. При производстве первосортных красных вин этот тип брожения желателен и вызывается молочнокислыми бактериями (Leuconostoc, Lactobacillus, Pedicoccus). Такое брожение не происходит при низких значениях рН. В белых винах яблочно-молочнокислое брожение происходит реже из-за более низких значений рН. В виноделии для инициации брожения в последние годы все чаще используют иммобилизованные ферменты вместо бактерий.

Некоторые особые сорта вин, например сотерны, получают при участии гриба Botrytis cinerea. Его развитие на ягодах приводит к их обезвоживанию и повышению содержания сахара, что и определяет сладкий вкус вина. Заражение должно происходить только перед сбором винограда.

Углекислотную мацерацию применяют при получении вин, которые должны созреть к 15 ноября в год сбора винограда. В данном случае виноград не давят, а помещают целиком в бродильные чаны, где держат в атмосфере углекислого газа. Брожение идет либо прямо в ягодах а анаэробных условиях, либо в соке, выделившемся в результате разрушения кожицы углекислым газом.

В крепленых винах часть спирта получается при сбраживании винограда дрожжами, а часть добавляется (портвейн, херес и мадера).

Для получения напитка, содержащего 40% (по объему) спирта, нужна перегонка. Ее осуществляют в перегонных аппаратах (созданы Коффи в 1830 г.). Некоторые сорта спирта обычно производят из вполне определенных типов сырья. Так, коньяк, получаемый при перегонке вина, делают из винограда, а шотландский виски – из ячменного солода. Другие напитки – американский виски, джин и водку получают из кукурузы или других зерен. Ром обычно получают из мелассы сахарного тростника или свеклы. Когда сырьем служит зерно (пшеничное, кукурузное), до сбраживания необходимо гидролизовать крахмал до сахаров. Так, виски – это продукт перегонки пива без хмеля. Первые стадии процесса производства виски такие же, что и при приготовлении сусла в пивоварении. Однако, если применяют кукурузу или другие зерновые, то до приготовления сусла непосредственно в бродильных чанах проводят обработку крахмала в зерне ферментами солода. Расширяется применение амилазы из культуральной жидкости штаммов B. subtilis и амилогликозидазу, выделенную из культур грибов штаммов A. niger и близких форм. После подготовки сырья добавляют культуру подходящих дрожжей и ведут сбраживание. В самом конце, когда концентрация спирта достигнет 9-11% (по объему), дрожжи отделяют путем отстаивания. Остатки их можно удалить центрифугированием.

Штаммы дрожжей, используемые в спиртовой промышленности, должны сохранять жизнеспособность вплоть до концентрации этанола 12-15% (по объему). Кроме того, если в качестве сырья используется зерно, дрожжи должны обладать способностью гидролизовать олигосахариды до глюкозы. Это необходимо для полного превращения крахмала в этиловый спирт и углекислый газ.

Перегонка – дорогостоящий этап процесса, т.к. он энергоемок. Использование дрожжей, выдерживающих повышенные концентрации спирта, уменьшает энергозатраты на этом этапе, поскольку для достижения одной и той же концентрации спирта надо отгонять меньше воды. В связи с этим ведутся работы по созданию бактерий, устойчивых к еще более высоким концентрациям этанола.

Сброженный яблочный сок известен под названием сидр. В технологии производства сидра и вина есть много сходного. Этапы изготовления сидра:

1. Яблоки прежде всего измельчают в кашицу и отжимают сок. Для этого применяют как прессы, так и другие устройства. Способы подготовки сока перед брожением разнообразны. Сок может использоваться как без обработки, так и после подавления в нем естественной микрофлоры и замещения ее дрожжами подходящих штаммов. Чаще всего сок обрабатывают сернистым газом, чем подавляют развитие Kloeckera apiculata, неблагоприятно влияющих на вкус готового сидра.

2. Брожение путем добавления диких дрожжей или дрожжевой культуры-закваски. Разные штаммы дрожжей образуют специфические ароматические вещества. Поэтому при производстве сидра точно так же, как в пивоварении, можно использовать разные штаммы для придания напитку специфического вкуса. Чтобы получить сидр определенного сорта, добавляемые дрожжи должны преобладать над дикими, быстрее размножаться и определять конечные свойства продукта. Запуск процесса доминирующим видом дрожжей – один из наиболее распространенных способов, применяемых при крупномасштабном производстве сидра. Важно, чтобы дрожжи могли образовывать полигалактуронидазу, необходимую для гидролиза деэтерифицированных пектинов до галактуроновой кислоты. В противном случае в конце брожения сидр не просветляется. Фермент полигалактуронидазу получают из грибов и используют для просветления сидра.

3. По завершении брожения сидр отделяют от дрожжей и осветляют. Поскольку в сидре есть яблочная кислота, то, как в вине, в нем может начаться яблочно-молочнокислое брожение. Такое брожение не происходит, если сидр очень кислый или его содержат на холоде.

Хотя уксус не относится к алкогольным напиткам, но одна из двух стадий его получения включает спиртовое брожение. Уксус – это продукт, содержащий не менее 4% (вес/объем) уксусной кислоты. Его получают с помощью двустадийного процесса:

1. Спиртовое брожение, в ходе которого сахар-сырье превращается в спирт при участии S. cerevisiae. Сырьем может быть любой продукт, который сбраживается с образованием спирта. После завершения этого этапа дрожжам дают осесть и собирают надосадочную жидкость. В собранной надосадочной жидкости содержание этанола доводят до 10-13%. Если в ходе брожения для подавления роста бактерий добавляют сернистый газ, то перед дальнейшими операциями его удаляют.

2. Превращение этанола в уксусную кислоту (промежуточный метаболит – ацетальдегид). Все процессы получения уксуса происходят при участии смешанных культур Acetobacter, в некоторых случаях применяют закваски. Брожение происходит в аэробных условиях с потреблением больших количеств кислорода и выделением тепла.

Химия пищевых веществ и питание человека. В пище человека выделяют основные (белки, жиры, углеводы в соотношении 1:1:4) и минорные компоненты (витамины, микроэлементы, органические кислоты и др. Пища имеет энергетическую ценность и биологическую ценность.

Энергетическая ценность определяется количеством освобождаемой энергии при окислении основных компонентов пищи: 1 г белков при окислении дает 4,1 ккал или 17,2 кДж, 1 г жиров при окислении дает 9,3 ккал или 39,0 кДж и 1 г углеводов при окислении дает 4,1 ккал или 17,2 кДж. Соотношение компонентов пищи в зависимости от выполняемой работы может временно нарушаться.

Биологическая ценность пищи определяется незаменимыми (не синтезируемыми в организме) компонентами. Из 100 г потребляемых ежедневно белков 50% должно приходиться на животные белки, которые содержат полный набор незаменимых аминокислот (из 8 незаменимых аминокислот в растениях отсутствует триптофан). Скорость и объем синтеза белка определяется концентрацией аминокислоты, содержащейся в наименьшем количестве. Из 100 г ежедневной потребности в жирах 25% должно приходиться на полиненасыщенные жирные кислоты – линолевую и линоленовую в виде растительных масел. В организме человека могут синтезироваться только жирные кислоты с одной двойной связью – пальмитолеиновая и олеиновая. Жирные кислоты с 2 и 3 двойными связями (линолевая и линоленовая) должны поступать с пищей. Если они поступают, то в организме способна синтезироваться арахидоновая кислота (4 двойные связи), являющаяся предшественницей важнейших биорегуляторов простагландинов, лейкотриенов, простациклинов и тромбоксанов. Углеводы, содержащие α-гликозидные связи могут превращаться ферментами человеческих тканей. В них же в реакциях пентозофосфатного пути могут образовываться мономеры углеводов от 3 до 8 углеродных атомов. Незаменимым компонентом пищи является целлюлоза в виде волокон клетчатки (30-35 г/сутки), которые необходимы для перистальтики кишечника. Очевидно, что витамины и элементы являются незаменимыми компонентами, определяющими ее биологическую ценность.

В постсоветском пространстве проявились эффекты недостаточности питания населения. У большинства населения России, по данным Института питания РАМН, выявлены нарушения полноценного питания, обусловленные как недостаточным потреблением пищевых веществ (таблица 9), так и нарушением пищевого статуса населения России. Важнейшими нарушениями пищевого статуса населения России являются: