Химическая азбука пищи

Урок-семинар • 11 класс

Цель. Систематизация знаний учащихся об основных компонентах пищи на межпредметной основе (химия и биология).

Задачи. Образовательные.Обобщение знаний о химических свойствах веществ, применение знаний по химии на практике, закрепление навыков экспериментирования.

Воспитательные. Подтверждение тезиса «Знание – сила» – о ведущей роли теории в познании практики.

Развивающие. Развитие логического мышления путем сравнения, обобщения, анализа, систематизации; развитие познавательной активности и творческой деятельности.

Тип урока. Семинар (проверка, оценка, коррекция знаний).

Девиз урока. «Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока не удастся связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые» (Д.Хевеши).

Оборудование и реактивы. Компьютер, мультимедиапроектор, диск «Уроки химии Кирилла и Мефодия, 10–11 класс»; стеклянная палочка, марля, стакан, предметный столик, чашка Петри, лоток, штатив, пипетка; уксусная кислота, раствор йода, крахмальный клейстер, апельсиновый сок, молоко.

ХОД УРОКА

Зачем нужна пища?

Учитель. Организм человека – это уникальный «химический комбинат», в котором протекает множество разнообразных химических реакций. Согласно закону сохранения энергии человеку необходимо поддерживать некоторый запас энергии. Расход энергии, как известно, восполняется посредством питания. Главные компоненты пищи – углеводы, белки, жиры. В результате пищеварения эти вещества превращаются в более простые и разносятся кровью во все клетки организма, где окисляются кислородом, доставляемым кровью из легких.

Каждый, кто следит за своим весом, должен считать калории. Калория – это единица измерения количества энергии, в том числе и в продуктах питания. Например, порция жаренной в масле картошки содержит 220 килокалорий. Откуда берется эта энергия? Ответ прост. Вся энергия пищи – это сохраненная энергия солнечного света.

Фотосинтез (диск «Химия 10–11», урок 27, фрагмент 5)

При фотосинтезе растения поглощают солнечную энергию и синтезируют из простых молекул большие, богатые энергией молекулы. Энергия солнца переходит в химическую энергию молекул:

6CO₂ + 6H₂O + 2816 кДж = C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

При попадании в организм они окисляются с выделением энергии. Так в конечном итоге мы используем энергию солнца.

Сведения о белках (диск «Химия 10–11», урок 33, фрагмент 1)

Белки – это важнейшие для жизни вещества. Белки – основной структурный компонент живых тканей. Посмотрите на своего соседа. Все, что вы видите: кожа, волосы, глаза, ногти, – это белки. Костные ткани, кровь, мозг – все содержит белки.

Кожа, волосы, глаза, ногти – это белки

Кроме того, все ферменты, контролирующие химические процессы в организме, представляют собой белки.

Белки – это полимеры, построенные из фрагментов небольших молекул, называемых аминокислотами. Каждая аминокислота содержит элементы углерод, азот, водород, кислород, в некоторых имеется также сера. Как и сахара, белки – это строительные блоки для построения тканей и органов. Все белки образованы двадцатью природными аминокислотами. Эти аминокислоты имеют общие структурные характеристики: все они содержат аминогруппу NH₂ и карбоксильную группу СООН.

Демонстрационный эксперимент.
Состав молока

Цель работы. Доказать наличие белка в молоке.

Для отделения белка прилейте в стаканчик с молоком несколько капель уксусной кислоты. Перемешайте содержимое стеклянной палочкой. При этом белок казеин сворачивается, и образуется творожистый осадок (творог).

Натяните на стакан марлю, сложенную в четыре слоя, и отфильтруйте через нее казеин. Собранный в марле казеин немного отожмите над стаканом.

Сведения о жирах (диск «Химия 10–11», урок 26, фрагменты 1, 4)

В отличие от слов «белки» или «углеводы» слово «жиры» часто используется в обиходе, и ему иногда придается неприятный смысловой оттенок. О человеке с избыточным весом можно услышать, что он слишком «жирный». Жиры – один из основных видов биомолекул, имеющих свои специфические свойства и функции, как и углеводы.

Жиры содержатся в рыбе

Жиры составляют существенную часть пищи человека. Они содержатся в мясе, рыбе, молочных продуктах, зерне.

Молекулы жиров состоят из углерода, водорода и кислорода, как и молекулы углеводов. Содержание кислорода, однако, в них меньше, чем у углеводов. Вообще и по растворимости, и по содержанию энергии жиры больше напоминают углеводороды, чем углеводы. Если поступление энергии в организм превышает расход, то «лишнее» ее количество превращается в жир и откладывается в тканях организма. Если энергии поступает меньше, чем нужно, то этот жир расходуется.

Жиры входят в состав класса биомолекул, называемых липидами. Некоторые из липидов участвуют в построении клеточных мембран и тем самым образуют «каркас» клеток. Другие относятся к гормонам – химическим веществам, регулирующим различные процессы жизнедеятельности организма.

Учитель. Почему при заквашивании капусты с большим количеством соли она значительно хуже сохраняется, чем при добавлении сравнительно малого количества соли, ведь соль является консервантом?

Ученик. Молочнокислые бактерии, вызывающие молочнокислое брожение, как и все живые организмы, могут развиваться только в определенных условиях: при рН = 3,5. Соль губительно действует на многие микроорганизмы, в том числе и на молочнокислые бактерии. Поэтому при избытке соли процесс молочнокислого брожения подавляется, и в капусте не образуется достаточного количества молочной кислоты, которая препятствует развитию гнилостных микробов и других посторонних микроорганизмов.

Учитель. Почему жиры широко используют для приготовления пищи?

Ученик. Жиры и масла можно нагревать до более высокой температуры, чем воду. Они начинают пригорать лишь при 200–300 °С, а вода при 100 °С уже кипит. Когда какой-нибудь продукт жарят на масле, его поверхность от высокой температуры спекается и все соки остаются внутри. Кроме того, жир придает пище своеобразный вкус и обогащает ее калориями. Растворяя красящие и ароматические вещества овощей при жаренье и пассеровании, жиры придают блюдам золотистый цвет, особый аромат и нежную структуру, что улучшает органолептические свойства и повышает питательную ценность еды.

Учитель. Почему при длительной варке мясной бульон становится мутным и салистым?

Ученик. При длительном кипячении мясных бульонов происходит гидролиз жиров и образование жирных кислот, которые и придают бульону мутность, салистый вкус, неприятный запах.

Ученик. Почему жиры портятся при хранении?

Ученик. Если жир слишком долго хранить, особенно в теплом месте, то он прогоркает. Это происходит по двум причинам. Во-первых, из-за того, что жир подвергается гидролизу, при котором образуются жирные кислоты. Жирные кислоты с короткими углеродными цепями (меньше десяти атомов) даже в ничтожных количествах придают жиру неприятный запах и делают его несъедобным. Высокомолекулярные кислоты (а именно они содержатся в большинстве масел и жиров) вкуса и запаха не имеют, и повышение их содержания не приводит к изменению вкуса масел. Во-вторых, причиной прогоркания жиров или масел может быть реакция присоединения кислорода по двойным связям. Это свойственно жирам и маслам, содержащим остатки ненасыщенных кислот: линолевой, линоленовой, олеиновой. К каждой двойной связи присоединяется по два атома кислорода, и образуются так называемые перекиси, которые в результате дальнейших превращений образуют спирты, альдегиды и кетоны, кислоты с углеродной цепочкой меньшей длины, чем в исходном жире.

Именно продукты окисления вызывают появление неприятного привкуса (прогоркания), а некоторые из них (летучие соединения) обуславливают и ухудшение запаха. Образующиеся продукты и могут менять физические свойства жира, приводить к вспениванию фритюрных масел, способствовать распаду витаминов, оказывать токсическое воздействие на организм человека и вызывать нежелательные процессы в пищеварительном тракте. Установлено, что чем выше непредельность остатков жирных кислот, входящих в состав жира, тем больше скорость его окисления.

Учитель. Почему прогоркание не грозит маргарину?

Ученик. В современном производстве маргарина используют растительные жиры, которые в основном содержат непредельные жирные кислоты (главным образом олеиновую). Жидкие растительные жиры превращают в твердые гидрированием. Так получают основу маргарина, в которую вводят эмульгаторы, а для придания более приятного вкуса – сливочное масло, молоко, ароматические вещества. Сорта маргарина различаются лишь характером этих добавок. Поскольку жиры, входящие в маргарин, не содержат двойных связей, то не происходит и прогоркания.

Учитель. Почему в хлебе много дырочек?

Ученик. Дырочки придают хлебу пышность, а появляются они в результате спиртового брожения. Глюкоза С₆Н₁₂О₆ под действием ферментов превращается в этиловый спирт
С₂Н₅ОH, и образуется углекислый газ СО₂:

Самый древний способ сбраживания теста – добавление небольшого количества дрожжей. Когда тесто попадает в печь, под действием тепла углекислый газ расширяется в объеме, а этиловый спирт испаряется и его пары тоже расширяются. В результате хлеб становится пышным и пористым.

Учитель. Почему полезны кисломолочные продукты?

Кисломолочные продукты

Ученик. Ценность кисломолочных продуктов заключается в том, что они содержат в своем составе микроорганизмы (молочнокислые бактерии) и продукты их жизнедеятельности, которые угнетают гнилостные бактерии в желудочно-кишечном тракте человека. Молочная кислота получается в процессе молочнокислого брожения и, снижая рН среды, препятствует деятельности гнилостных микроорганизмов. Усвоение кисломолочных продуктов происходит примерно в три раза быстрее, чем молока. Поэтому их широко используют в лечебном питании для улучшения деятельности желудочной секреции и нормализации перистальтики кишечника при лечении колитов и гастритов.

Учитель. Почему при варке крупы, макаронных изделий, соусов, киселей происходит увеличение массы продукции?

Ученик. Все эти продукты содержат крахмал (C₆H₁₀O₅)_n. Крахмальные зерна при обычной температуре не растворяются в воде, при повышении температуры они набухают, образуя вязкий коллоидный раствор – крахмальный клейстер. При клейстеризации крахмал способен поглощать 200–400% воды, что приводит к привару. Под действием ферментов или кислот при нагревании крахмал присоединяет воду и гидролизуется. В общем виде схема превращения крахмала при гидролизе может быть представлена следующим образом:

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O nC₆H₁₂O_6.

Этот процесс происходит при получении многих пищевых продуктов – патоки, глюкозы, хлебобулочных изделий – и при жарке картофеля.

Учитель. Как отличить котлетный фарш от бифштексного химическим путем?

Ученик. Котлетный фарш содержит крахмал, поэтому под действием йода его проба должна окраситься в синий цвет.

Учитель. Какой крахмал предпочтительнее для фруктового и молочного киселей?

Ученик. Для молочного киселя используют кукурузный крахмал, а картофельный придает ему синий оттенок. А вот для приготовления фруктово-ягодных киселей нельзя применять кукурузный крахмал, т. к. появляются беловатый оттенок и неприятный привкус зерна.

Учитель. Почему при долгом пережевывании черного хлеба появляется сладковатый вкус?

Ученик. В слюне человека содержится фермент амилаза (птиалин), вызывающий гидролиз крахмала и образование глюкозы. Обычно человек не чувствует этого сладкого привкуса, поскольку в ротовой полости пища находится 15–18 с.

Учитель. Для чего нашему организму нужна целлюлоза (клетчатка)?

Ученик. Организм человека не приспособлен для переваривания целлюлозы, т.к. он не продуцирует ферменты, необходимые для ее расщепления. Частичное расщепление клетчатки происходит под действием ферментов, которые выделяют имеющиеся в кишечнике микроорганизмы. Но все же целлюлозу относят к группе балластных веществ. Такие вещества влияют на перистальтику кишечника, создавая необходимые условия для продвижения пищи по желудочно-кишечному тракту, способствуют выведению из организма холестерина, препятствуют всасыванию ядовитых веществ. Недостаток балластных веществ в организме способствует ожирению, развитию желчнокаменной болезни, сердечно-сосудистых заболеваний, с этой же причиной связывают рост числа заболеваний раком толстой кишки. Следует отметить, что балластные вещества создают чувство насыщения, снижают аппетит. Много клетчатки в хлебе грубого помола, картофеле, капусте, моркови.

Учитель. Почему при тепловой обработке мяса и рыбы происxодит уменьшение массы готового продукта?

Ученик. Под действием температуры происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структуры белковой молекулы (денатурация). Первичная структура, а следовательно, и химический состав белка не меняются. При денатурации белки теряют влагу (разрушаются водородные связи), что приводит к уменьшению массы готового продукта.

Учитель. В чем причина образования пены на поверхности мясных бульонов, жареных мясных и рыбных изделий?

Ученик. Это объясняется свертыванием растворимых в воде белков (альбумин, глобулин).

Учитель. Зачем маринуют мясо для шашлыка?

Ученик. Под воздействием уксусной или лимонной кислоты происходит частичный гидролиз белков. Белки распадаются на поли- и дипептиды. В желудке под влиянием ферментов этот процесс продолжается и в итоге приводит к образованию аминокислот. Таким образом, маринование облегчает переваривание белка.

Учитель. Специалисты в области питания советуют потреблять овощи и фрукты свежими, без длительной тепловой обработки. О сохранении витамина какой группы при этом заботятся прежде всего? Почему к этому совету стоит прислушаться?

Ученик. Таким образом заботятся о сохранении витамина С. Этот витамин защищает от цинги, повышает сопротивляемость организма к заболеваниям, снимает утомление.

Учитель. Белки, жиры, углеводы – основные компоненты пищи и источники энергии для всего живого. Другие вещества – витамины и минеральные соли – не менее важны, хотя они и нужны организму в микроскопических количествах. Эти небольшие, но необходимые количества поступают в организм вместе с пищей. Почему же эти вещества столь незаменимы?

Витамины

Ученик. Витамины выполняют в организме крайне специфические задачи. Например, витамин D дает возможность ионам кальция проникать в кровь из продуктов через стенки кишечника. Без этого витамина большая часть ионов кальция была бы потеряна для организма.

Хотя термин «витамины» появился в начале XX в., задолго до этого уже были свидетельства, что организму кроме жиров, белков и углеводов требуются еще и какие-то другие вещества. Например, среди моряков часто встречалась болезнь, называемая цингой, которая проявлялась в кровоточивости десен, выпадении зубов и легкой ранимости кожных покровов. В XIV в. люди поняли, что цинга связана с плохим питанием. После 1753 г. путешественники научились бороться с этой болезнью, употребляя в пишу цитрусовые. Теперь мы знаем, что цинга вызвана недостатком в пище витамина С, которого много в цитрусовых. Многие другие осложнения со здоровьем также вызываются недостатком витаминов. К настоящему времени известно больше десятка витаминов, существование которых доказано химическим синтезом с последующим испытанием на животных.

Лабораторный эксперимент.
Определение витамина С в апельсиновом соке

Аптечную настойку йода разбавить водой в 40 раз. 20 мл сока разбавить водой до 100 мл и прилить к нему немного крахмального раствора, приготовленного из расчета 1 г крахмала на 200 г воды. После этого к смеси растворов сока и крахмала приливать по каплям с помощью пипетки раствор йода. Как только йод полностью окислит всю аскорбиновую кислоту, следующая его капля окрасит раствор в синий цвет.

Задача 1. Вычислите, какую часть лимона необходимо съедать ежесуточно для того, чтобы восполнить потребность организма в витамине С. В расчетах следует принять, что масса лимона равна 100 г; содержание витамина С (аскорбиновой кислоты) в лимоне составляет 0,5%, суточная потребность взрослого человека в витамине С – 100 мг.

(Ответ. 1/5 лимона.)

Минеральные соли

Учитель. Наше тело примерно на 60% состоит из воды и на 20% из жира. Остальные 20% приходятся главным образом на белки, углеводы и родственные им соединения, а также на костные ткани, состоящие в основном из солей кальция и фосфора.

Неорганические минеральные вещества – один из важнейших компонентов продуктов питания. Минеральные вещества входят в состав структурных элементов организма, помогают ферментам выполнять их функции, играют важную роль в поддержании работы сердца и других органов.

Задача 2 (устно). В куске белого пшеничного хлеба содержится 0,8 мг железа. Сколько кусков нужно съедать в день для удовлетворения суточной потребности в этом элементе (cуточная потребность в железе – 18 мг).

(Ответ. 22,5 кусочка.)

Задача 3 (устно). Один стакан цельного молока содержит 288 мг кальция. Сколько нужно выпивать в день молока для снабжения вашего организма достаточным количеством этого элемента? (Суточная потребность – 800 мг Са.)

(Ответ. 2,7 стакана молока.)

Учитель. Витамины и минеральные соли – это незаменимые вещества, присутствующие в продуктах питания в небольших количествах. Некоторые пищевые продукты, особенно подвергнутые переработке, содержат небольшие количества пищевых добавок – веществ, добавляемых в продукты при переработке для повышения питательной ценности, способности к более длительному хранению, улучшению внешнего вида, упрощения способа приготовления и т.п.

Вывод по теме урока (делают учащиеся). Для нормального роста и развития организма необходимо присутствие всех компонентов пищи в рационе человека: белков, жиров, углеводов, минеральных солей и витаминов.

Домашнее задание. Составить однодневное меню для своего ровесника.

В завершение урока учитель выставляет оценки учащимся.

Учитель. Надеюсь, что теперь вы понимаете, как тесно химия связана с жизнью человека, и сможете оценить эту науку по достоинству. Химия – удивительная наука, она вводит человека в мир, в котором мы живем. Учите химию, и вы добьетесь успеха в жизни.

Л и т е р а т у р а

Бояринцева Н.Н., Смирнова В.Н., Филинова И.П. Белки – высокомолекулярные природные соединения. 10 класс. Библиотечка «Первого сентября», серия «Химия». Вып. 3 (15). М.: Чистые пруды, 2007; Грузинов Е.В., Левичева Н.Б., Пичугина Г.В. Первоначальные сведения о жирах: теория и практика. 10 класс. Библиотечка «Первого сентября», серия «Химия». Вып. 6. М.: Чистые пруды, 2005.

Е.Е.КОЛЕСНИКОВА,
учитель химии и биологии
Щаповской средней школы
(Московская обл.)