(Сто химических мифов. «ХиЖ» 2019 №2)
Жиры, как известно из школьной химии, — это сложные эфиры глицерина и органических кислот. Если кислоты имеют длинную (и чаще всего неразветвленную) цепочку из атомов углерода, их называют жирными. В природных жирах таких кислот больше всего. Например, в свином сале может содержаться до 31% гексадекановой (пальмитиновой) кислоты, до 23% октадекановой (стеариновой) кислоты (это насыщенные кислоты) и до 44% ненасыщенной октадеценовой (олеиновой) кислоты. В молекулах этих кислот 16 или 18 атомов углерода.
В молекуле глицерина три гидроксильные группы, и с каждой из них может связаться одна молекула кислоты. В результате получается молекула триглицерида (анализ на триглицериды в крови проводят для диагностики нарушений жирового обмена и оценки риска развития атеросклероза). При нагревании жиров с растворами щелочей происходит расщепление (омыление) триглицеридов с высвобождением глицерина и мыла — солей жирных кислот. Длительное нагревание жира с чистой водой приводит к образованию свободных жирных кислот. Расщепление триглицеридов значительно ускоряется в присутствии фермента липазы. В организме человека этот процесс происходит в тонком кишечнике, а липаза вырабатывается в поджелудочной железе. Обратный процесс образования триглицеридов из жирных кислот и глицерина называется этерификацией.
В одной молекуле триглицерида три кислотных остатка могут быть одинаковыми или разными. А так как жирных кислот известно множество (только в молоке их найдено около 400), это дает огромное количество различных природных триглицеридов; в том же молочном жире до 98% жирных кислот входят в состав 43 основных триглицеридов. Когда в тонком кишечнике липаза расщепляет триглицериды, то высвободившиеся жирные кислоты организм частично использует для повторного синтеза триглицеридов, специфичных для данного организма, а частично — как источник энергии.
Такие же превращения можно провести и вне организма. В результате частичного гидролиза триглицеридов образуются ди- и моноглицериды, которые можно снова превратить в синтетические триглицериды, используя уже другие кислоты, причем необязательно жирные. Так получают различные пищевые добавки. Их используют в качестве эмульгаторов, модификаторов и стабилизаторов пищевых продуктов. Например, Е471 — это моно и диглицериды жирных кислот; если при их этерификации использовать уксусную кислоту, получается пищевая добавка Е472а, использование молочной кислоты дает Е472b, лимонной кислоты — Е472с, винной кислоты — Е472d. В организме они расщепляются на легко усваиваемые компоненты.
Консистенция жира и его температура плавления зависят от прочности кристаллической решетки триглицеридов. А эта прочность зависит от того, насколько удобно могут упаковываться длинноцепочечные хвосты жирных кислот. Если жирные кислоты насыщенные (например, стеариновая или пальмитиновая) и образуются группами –СН₂–, то такие цепочки гибкие, что облегчает их взаимное наиболее выгодное расположение. Гибкость цепочек обеспечивает свободное вращение вокруг одинарной связи С–С. Соответственно, такой жир будет твердым при комнатной температуре. Если жирные кислоты ненасыщенные (например, олеиновая или линолевая) и в составе их цепочек есть одна или несколько двойных связей –СН=СН–, то гибкость таких цепочек резко снижается (вращение вокруг связи С=С невозможно), им намного труднее упаковаться в твердый кристалл. Значит, такой жир при комнатной температуре будет жидким.
Традиционно жидкие жиры называют маслами. В природных жирах можно найти самые разные сочетания насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. От их соотношения в основном и зависят физические свойства жиров и масел. Если преобладают насыщенные жирные кислоты, получается животный жир, если ненасыщенные — растительное масло. В ряде случаев жир при 20°С твердый, но плавится уже при небольшом нагреве. Таково, например, пальмовое масло или масло какао. Поскольку природные жиры — сложные смеси, у них нет определенной температуры плавления (застывания), а только некоторый интервал. Так, говяжий жир (он содержит 53–65% насыщенных жирных кислот) плавится в интервале от 44 до 55°С, тогда как подсолнечное масло (10–12% насыщенных жирных кислот) застывает лишь в интервале от –16 до –19°С. Дело осложняется еще тем, что в твердом виде жиры и масла образуют несколько кристаллических модификаций; например, у масла какао их шесть, и каждая имеет свою температуру плавления. Значительно отличаются и химические свойства насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. Первые гораздо стабильнее, тогда как вторые могут окисляться даже кислородом воздуха. В результате окисления (а также гидролиза) растительные масла прогоркают.
Химики хорошо знают, что у соединений с двойной связью возможно существование двух изомеров, в зависимости от взаимного расположения заместителей (в данном случае — атомов водорода) при двойной связи. Если они находятся по одну сторону от связи С=С, к названиям таких изомеров добавляется префикс цис-, а если по разные стороны — префикс транс-. Эти термины ввел в 1874 году один из основателей стереохимии Вант-Гофф; на латыни cis — по эту сторону, trans — по ту сторону, за, через (так, трансурановые элементы следуют в Периодической системе за ураном). Молекулы (в том числе и жирных кислот) с цисконфигурацией имеют уголковую форму, а с транс конфигурацией более линейны и по своей форме больше похожи на насыщенные жирные кислоты. У полиненасыщенных жирных кислот с несколькими двойными связями цистранс-изомерия возможна у каждой двойной связи. Различие в форме цис- и транс- фрагментов в молекулах жирных кислот имеет важное биологическое значение, поскольку триглицериды входят в состав биологических мембран.
Растительные жиры дешевле животных, поэтому химики давно думали о том, как превратить ненасыщенные соединения в насыщенные. Такой процесс происходит в результате присоединения водорода по двойной связи и называется гидрированием. Свободный молекулярный водород в реакцию вступать не будет, его нужно активировать катализатором. Такой катализатор, в виде нагретого мелкодисперсного никеля, использовали в 1897 году французские химики Поль Сабатье и Жан Батист Сандеран. Реакцию Сабатье — Сандерана широко используют в производстве маргарина. Ее проводят при давлениях от 2 до 10 атм и температурах от 160 до 220°С в присутствии до 0,1% никелевого катализатора. Процесс осложняется тем, что помимо гидрирования двойных связей происходит их изомеризация, а также перемещение по цепи. В результате может образоваться от 5 до 40% трансжирных кислот.
Насколько опасны транс-ненасыщенные жирные кислоты? Раньше они попадали в продукты питания в основном в виде маргарина: при его производстве широко использовалось гидрирование растительных масел, в результате трансжиров в маргарине могло быть до 9%. Но современные технологии позволяют значительно снизить этот уровень. Более того, появились сорта маргарина, вовсе не содержащие гидрированные жиры. Их заменили водные эмульсии растительных масел и животных жиров. А если все же трансжиры попадут в пищу — что будет? В разных статьях можно прочитать, что они «повреждают стенки артерий, вызывают сердечно-сосудистые и онкологические заболевания, болезнь Альцгеймера и депрессию». И даже что транс-конфигурация «считается неправильной, так как организм человека просто неспособен ее воспринимать на клеточном уровне». Насколько это доказано?
Начнем с того, что в природных жирах и маслах ненасыщенные жирные кислоты присутствуют как в цис-, так и в транс-конфигурации. Например, молекула олеиновой кислоты имеет цис-форму, а элаидиновой — трансформу. В молекуле линолевой кислоты — две сопряженные (разделенные одной простой связью) двойные связи, причем одна — в цисконфигурации, другая — в транс. Еще в 1979 году в опытах на мышах была обнаружена антираковая активность линолевой кислоты. Более того, предполагают, что эта кислота снижает риск сердечно-сосудистых заболеваний и воспалительных процессов. Но и эти данные пока основаны только на опытах с животными.
Трансжиры содержатся в коровьем и козьем молоке, в говядине и баранине, а также в жире тропических плодов дуриана: в них может быть до 2,5% элаидиновой (транс-9-октадеценовой кислоты). Образование трансжиров в желудке жвачных животных происходит в результате той же цис-транс-изомеризация, только катализатором служит не никель, а ферменты. В результате в мясных и молочных продуктах могут содержатся и трансжиры, их там 5–8%. Поэтому неверно высказываемое иногда мнение, что трансжиры появились в рационе человека недавно и для их усвоения в организме еще «не успели сформироваться нужные ферменты». Интересно, что если коровы много месяцев пасутся на пастбище, а не кормятся комбикормами в стойлах, то в их мясе и молоке содержание трансжиров выше. Кулинарная обработка при высоких температурах повышает содержание трансжиров. Есть они и в женском молоке.
Вообще, биологическая роль трансжиров изучена недостаточно. Например, мало данных о вкусовых привычках исследуемых людей — сколько и чего они съедают каждый день, а без этого нельзя набрать статистику. (Очевидно, что невозможно большую группу людей кормить продуктами с повышенным содержанием трансжиров, а другую группу оставить для контроля.) Кроме того, неблагоприятный эффект от трансжиров трудно отделить от эффекта насыщенных жиров, которые употребляются одновременно. Имеющаяся информация свидетельствует, что трансжиры не влияют на рост тканей в организме человека, на репродукцию, на заболевание раком молочной и предстательной железы и кишечника. Однако они увеличивают риск сердечно-сосудистых заболеваний, но эффект невелик. Причина — увеличение ЛПНП (липопротеинов низкой плотности, «плохого холестерина») и одновременное снижение ЛПВП (липопротеинов высокой плотности, «хорошего холестерина»). Показано, что употребление продуктов с очень большим (до 40%) содержанием трансжиров повышает шансы развития сахарного диабета.
Врачи и диетологи дружно рекомендуют «сбалансированную диету», тем не менее в разных странах их рекомендации различаются. Все же есть общее мнение о желательности ограничить потребление не только животных жиров, но и растительных масел — чтобы они давали в сумме не более трети всех калорий, причем насыщенные жиры должны давать не больше 10% калорий. Следует учесть, что в обычном рационе люди потребляют намного больше насыщенных жирных кислот, чем трансненасыщенных. Поэтому роль последних относительно невелика, и для снижения риска сердечно-сосудистых заболеваний следует ограничить потребление насыщенных жиров.
И.А. Леенсон
Остальные статьи из этой рубрики вы можете найти в подборке «Сто химических мифов»
Благодарим за ваши «лайки», комментарии и подписку на наш канал.
– Редакция «Химии и жизни»
