Виклики в харчовій хімії

Михайло Ричлік

1 Technische Universität München, Фрайзинг, Німеччина

Передумови

Зміни в розвинутих суспільствах

Протягом двадцять першого століття розвиненим суспільствам доводиться стикатися з різними проблемами, які доповнюються викликами для всіх наукових дисциплін, що стосуються харчових продуктів та харчування. Перш за все, демографічні зміни призведуть до збільшення відсотка людей похилого віку, які потребують продуктів харчування, відмінних від продуктів харчування інших верств населення. Оскільки сенсорне сприйняття змінюється, коли ми дорослішаємо, і часто споживання їжі зменшується, виникає потреба в продуктах з коригованими сенсорними властивостями та особливо високим вмістом мікроелементів. Наприклад, дефіцит вітаміну В12 може виникнути, оскільки, як повідомляється, гематологічні ознаки дефіциту маскуються добавками їжі з фолієвою кислотою.

Не менш важливим для нашого суспільства є зростаюча частота захворювань на спосіб життя або незаразних захворювань (НИЗ), таких як рак, серцево-судинні захворювання, діабет та хронічні респіраторні захворювання. Серед способу життя індивідуальний склад дієти займає чільне місце, наприклад, 30% усіх випадків раку, як передбачається, пов'язані з харчуванням. НІЗ все більше впливатиме на суспільство, і для їх запобігання вирішальну роль відіграватимуть нові продукти харчування та нові харчові звички.

Світові ринки

Торгівля продуктами харчування як ніколи досягла глобальних масштабів. Оскільки транспортні витрати або обмеження торгівлі стають менш актуальними, зараз майже всі продукти харчування можуть надходити з усього світу, особливо з цих районів, де їх можна дешево виробляти. Однак потоки товарів часто не мають прозорості, і, отже, споживачі все частіше вимагають регіональних або автентичних продуктів. За них вони готові заплатити вищу ціну. Це регулярно призводить до шахрайства з продуктами харчування, і споживач все частіше вимагає підтвердження справжності.

Поряд із глобалізацією ринків, проблема безпеки харчових продуктів часто виникає, оскільки норми та норми виробництва продуктів харчування дуже різноманітні на міжнародному рівні. Незважаючи на те, що кожна країна має однакові вимоги та правила щодо імпортних харчових продуктів, як і для домашніх продуктів, інтенсивність контролю продуктів часто залежить від походження. Наприклад, фісташки частіше контролюються на наявність афлатоксинів, якщо вони походять з Ірану чи інших країн Центральної Азії, ніж із США. Це також вказує на необхідність знання та перевірки походження продуктів.

Багатопрофільна хімія харчових продуктів

Одне з основних завдань харчової хімії - зрозуміти молекулярні основи реакцій у харчових продуктах. Для цього харчові хіміки аналізують продукти, використовуючи хімічні, біохімічні та молекулярно-біологічні методи разом із високоефективним інструментальним обладнанням. Таким чином, вони з’ясовують механізми утворення та деградації харчових інгредієнтів, виявляють цінні, а також небажані сполуки, а також надалі встановлюють взаємозв’язок між структурою та активністю, а також дозою та дією. Це дозволяє зрозуміти хімію процесів та встановити хімічну основу для технологічних інновацій.

Однак ключовим для вирішення проблем харчової хімії є мультидисциплінарна співпраця з дієтологами, токсикологами, медиками-дієтологами, мікробіологами (порівняно з мікробіомом), вченими з рослин і тварин, і, нарешті, але не менш важливим, харчовими технологами.

Майбутні пріоритетні напрямки

Дизайн нових продуктів та нових харчових інгредієнтів

Демографічно мінливе населення та різке збільшення захворювань стилю життя як ніколи вимагають ідентифікації та кількісної оцінки біоактивних сполук. Завдяки цим знанням, корисні сполуки в продуктах харчування можуть бути посилені, наприклад, шляхом біофортифікації або внаслідок змін у технологічних процесах. Більше того, нові технологічно функціональні сполуки, такі як наночастинки, відкривають шлях для продуктів з новими властивостями, наприклад, стабілізуючих емульсій діоксидом титану. Однак, паралельно з їх розробкою, ретельна оцінка ризиків нових добавок повинна йти в ногу.

Автентична їжа

Автентичність продуктів харчування, як правило, пов’язана з одним або кількома з наступних атрибутів: географічним походженням, видом сільськогосподарського виробництва, видами та видом сировини або певними якостями процесу, такими як стійкість або екологічний відбиток.

Регулярно розкриті скандали з фальсифікацією харчових продуктів, найсвіжіший з яких - європейське шахрайство з конем у 2013 році, підкреслюють чутливість споживачів до цього питання. Окрім м’яса, до фальсифікованих продуктів часто належать оливкова олія, риба, органічні продукти, спеції, чай, какао, кава та горіхи.

В останні роки був досягнутий колосальний прогрес у методах високої роздільної здатності з метою з’ясування молекулярного відбитка продуктів харчування. У генетичному масштабі, крім класичної ланцюгової реакції полімерази, нові розробки ізотермічних ампліфікацій або послідовності наступного покоління дозволять більш точно визначити види.

На рівні білка можуть бути використані специфічні біомаркерні пептиди, наприклад, для видової диференціації м'яса після триптичного перетравлення міозину за допомогою LC-MS/MS (1).

Що стосується відбитків пальців метаболітів, нові методи нецільової та цілеспрямованої метаболоміки вже дозволяють певну аутентифікацію. Що стосується вина, то не тільки інформація про сорт винограду, теруар, збір винограду та енологічні практики є доступною за допомогою мас-спектрометрії іонних циклотронних перетворень Фур'є (FT/ICR-MS), але й види та походження дубів, що використовуються для збирання бочок у яку виноградна лоза зберігала (2). Наступним методом профілювання є ICP-MS рідкісноземельних елементів (3), який дозволяє диференціювати різні продукти харчування, включаючи вино або каву. Усі ці нові методології генерують "великі дані", з яких відповідна інформація доступна лише при застосуванні нових підходів до біоінформатики.

Безпечні продукти

Хоча було знайдено вичерпне визначення, ми все ще далекі від задовільної оцінки ризику модифікованих мікотоксинів. Однак їх слід розглядати, оскільки показано, що модифікований токсин дезоксиніваленол-3-глюкозид розщеплюється до дезоксиніваленолу (ДОН) у кишечнику і, таким чином, сприяє токсичності останнього, ще не регулюючись. Він виглядає лише вершиною айсберга, оскільки було виявлено лише декілька модифікованих мікотоксинів, не кажучи вже про відсутність токсикологічних даних для тих небагатьох, кого ми знаємо. Існує нагальна потреба в точних аналітичних методах для отримання надійних даних про вплив, а також токсикологічних даних.

Окрім цих "нових" забруднень, майже повністю відсутня оцінка комбінованого впливу токсинів, як у межах однієї групи сполук, так і в різних структурних групах. Сучасна концепція для оцінки комбінаторних ефектів - це концепція сукупних оцінювальних груп (CAG) (5), яка, наприклад, оцінює сукупну кориговану на потенцію дозу гострих контрольних доз (ARfD) для пестицидів, що демонструють однаковий режим токсичної дії. Однак цей підхід все ще є попереднім і не має всебічного підтвердження, оскільки непередбачувані метаболомічні профілі комбінованих пестицидних дій (6) вказують на необхідність подальших досліджень.

Смачна і запашна їжа

Іншими важливими якісними параметрами харчових продуктів є запах і смак, і в зв'язку з цим існують додаткові виклики для молекулярно-сенсорної науки як дисципліни хімії харчових продуктів. Хоча, ймовірно, що основні ключові харчові запахи вже розгадані, все ще існують додаткові сполуки активних та модулюючих сполук, які слід ідентифікувати. Хоча відомо багато одорантів, у деяких випадках їх попередники та спосіб генерації все ще відкриті. Отримавши ці знання, можна буде краще відбирати сорти або процеси для поліпшення якості аромату. Більше того, споживачі деяких продуктів харчування все ще залишаються низькими, і їх рецептура потребує вдосконалення. Зокрема, у харчових продуктах для немовлят, запах та сприйняття яких мають бути схожими на відчуття грудного молока, є ще одним напрямком дослідження смаку (7).

Окрім активності запаху, також досліджується біоактивність ароматизаторів та смакових речовин, як ендогенних ароматизаторів, так і їх метаболітів.

Для талантів матричні взаємодії також важливі, наприклад, для натрію. Недавні дослідження спрямовані на зменшення натрію в зернових продуктах при однаковому солоному відчутті, оскільки середнє споживання натрію значно вище рекомендованого максимального.

Окрім одорантів або талантів, були виявлені й інші сполуки та ефекти матриці, що впливають на психохімію нашої харчової поведінки. У новій галузі нейротриції, наприклад, з'ясовано специфічний для їжі вплив на насичення, наприклад, ситна оливкова олія (8) або нестримний апетит до картопляних чіпсів пояснюється комбінацією макроелементів (9). Однак молекулярний принцип та процеси все ще потрібно знайти.

Заключні зауваження

Двадцять перше століття має на меті складнощі для харчових хіміків. Слід забезпечити та покращити якість продуктів харчування, щоб задовольнити потреби зростаючого населення в країнах, що розвиваються, та економіках, що розвиваються, а також старіння населення в розвинених суспільствах. Однак очікуваний прогрес у приладобудуванні, онлайн-скринінг на біоактивність та покращення молекулярного розуміння допоможуть вченим поліпшити такі важливі аспекти якості їжі, як достовірність, безпека, функціональність та смаковість.

Заява про конфлікт інтересів

Автор заявляє, що дослідження проводилось за відсутності будь-яких комерційних або фінансових відносин, які можна трактувати як потенційний конфлікт інтересів.