الكيمياء الغذائية

كيمياء الأغذية هي دراسة العمليات والتفاعلات الكيميائية بين جميع المكونات البيولوجية وغير البيولوجية للأغذية. ^{[ 1 ] [ 2 ]} تشمل المواد البيولوجية، على سبيل المثال، اللحوم والدواجن والخس والبيرة والحليب . وهي تشبه الكيمياء الحيوية في مكوناتها الرئيسية كالكربوهيدرات والدهون والبروتينات ، ولكنها تشمل أيضًا مواد أخرى كالماء والفيتامينات والمعادن والإنزيمات والمضافات الغذائية والنكهات والألوان . كما يتناول هذا العلم كيفية تغير المنتجات الغذائية في ظل تقنيات معالجة معينة ، وسبل تعزيز هذه التغيرات أو منعها. ومن أمثلة تعزيز عملية ما، تشجيع تخمير منتجات الألبان باستخدام الكائنات الدقيقة التي تحول اللاكتوز إلى حمض اللاكتيك ؛ ومن أمثلة منع عملية ما، إيقاف اسمرار سطح التفاح المقطع حديثًا باستخدام عصير الليمون أو الماء المحمض .

نشأ النهج العلمي في مجال الغذاء والتغذية مع الاهتمام بالكيمياء الزراعية في أعمال جي جي واليريوس وهمفري ديفي وغيرهما. فعلى سبيل المثال، نشر ديفي كتاب "مبادئ الكيمياء الزراعية" ضمن سلسلة محاضرات لمجلس الزراعة (1813) في المملكة المتحدة، والذي شكّل أساسًا لهذا المجال على مستوى العالم، وصدرت منه خمس طبعة. ومن الأعمال السابقة في هذا المجال عمل كارل فيلهلم شيل ، الذي عزل حمض الماليك من التفاح عام 1785.

تمت ترجمة ونشر بعض نتائج ليبيج حول كيمياء الغذاء بواسطة إيبن هورسفورد في لويل، ماساتشوستس عام 1848. ^{[ 3 ]}

في عام 1874، تم تشكيل جمعية المحللين العموميين، بهدف تطبيق الأساليب التحليلية لصالح الجمهور. ^{[ 4 ]} وقد استندت تجاربها المبكرة على الخبز والحليب والنبيذ.

كان ذلك أيضًا نابعًا من القلق بشأن جودة الإمدادات الغذائية، ولا سيما مشاكل غش الأغذية وتلوثها ، والتي بدأت بالتلوث المتعمد ثم تطورت لاحقًا إلى استخدام المضافات الغذائية الكيميائية بحلول خمسينيات القرن العشرين. وقد ساهم إنشاء الكليات والجامعات في جميع أنحاء العالم، وخاصة في الولايات المتحدة، في توسيع نطاق كيمياء الأغذية وأبحاث المواد الغذائية، ولا سيما تجربة الحبوب المفردة التي أُجريت بين عامي 1907 و1911. كما لعبت الأبحاث الإضافية التي أجراها هارفي دبليو وايلي في وزارة الزراعة الأمريكية خلال أواخر القرن التاسع عشر دورًا رئيسيًا في إنشاء إدارة الغذاء والدواء الأمريكية عام 1906. وأسست الجمعية الكيميائية الأمريكية قسم الكيمياء الزراعية والغذائية عام 1908، بينما أنشأ معهد تكنولوجيا الأغذية قسم كيمياء الأغذية عام 1995.

غالبًا ما تُستمد مفاهيم كيمياء الأغذية من علم الريولوجيا ، ونظريات ظواهر النقل ، والديناميكا الحرارية الفيزيائية والكيميائية ، والروابط الكيميائية ، وقوى التفاعل، وميكانيكا الكم وحركية التفاعلات ، وعلم البوليمرات الحيوية ، والتفاعلات الغروية ، والتنوي ، والتحولات الزجاجية ، وتجميد المواد الصلبة غير المنتظمة أو غير المتبلورة، وبالتالي فإن كيمياء الأغذية الفيزيائية تُعدّ مجالًا أساسيًا لها. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

يُعدّ الماء مكونًا رئيسيًا في الغذاء، إذ تتراوح نسبته بين 50% في منتجات اللحوم و95% في الخس والملفوف والطماطم . كما يُشكّل الماء بيئة مثالية لنمو البكتيريا وتلف الطعام في حال عدم معالجته بشكل صحيح. ومن طرق قياس نسبة الماء في الطعام قياس نشاط الماء ، وهو عامل بالغ الأهمية في تحديد مدة صلاحية العديد من الأطعمة أثناء التصنيع. ومن أهم عوامل حفظ الطعام في معظم الحالات تقليل كمية الماء أو تغيير خصائصه لزيادة مدة الصلاحية. وتشمل هذه الطرق التجفيف والتجميد والتبريد ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ].} ويشمل هذا المجال "المبادئ الفيزيائية والكيميائية للتفاعلات والتحولات التي تحدث أثناء تصنيع الأغذية وتداولها وتخزينها ^" [ ^{11 ]} .

يشكل السكروز 75% من الكائنات الحية و80% من إجمالي الغذاء المُستهلك من قِبل الإنسان، وهو أكثر الكربوهيدرات شيوعًا في جسم الإنسان _. أبسط أنواع الكربوهيدرات هو السكريات الأحادية التي تحتوي على الكربون والهيدروجين والأكسجين بنسبة 1:2:1، وصيغتها العامة CₙH₂ₙOₙ _، حيث _n تساوي 3 على الأقل. يُعدّ كلٌّ من الجلوكوز والفركتوز مثالين على السكريات الأحادية . عند دمجها بالطريقة الموضحة في الصورة على اليمين، يتكوّن السكروز ، وهو أحد أكثر أنواع السكريات شيوعًا في النباتات.

تتكون السكريات المتعددة من سلسلة من السكريات الأحادية . تشمل هذه السكريات المتعددة البكتين ، والدكستران ، والأجار ، والزانثان . ^{[ 12 ]} بعض هذه السكريات المتعددة الكربوهيدراتية قابلة للهضم بواسطة الإنزيمات البشرية، ويتم امتصاصها بشكل رئيسي في الأمعاء الدقيقة، بينما تنتقل الألياف الغذائية إلى الأمعاء الغليظة حيث يتم تخمير بعض هذه السكريات المتعددة بواسطة البكتيريا المعوية. ^{[ 13 ]}

يُقاس محتوى السكر عادةً بوحدة بريكس .

يشمل مصطلح الليبيدات مجموعة متنوعة من الجزيئات ، وهو إلى حد ما مصطلح جامع للمركبات غير القابلة للذوبان في الماء أو غير القطبية ذات الأصل البيولوجي، بما في ذلك الشموع والأحماض الدهنية (بما فيها الأحماض الدهنية الأساسية ) والفوسفوليبيدات المشتقة من الأحماض الدهنية والسفينجوليبيدات والجليكوليبيدات والتربينويدات، مثل الريتينويدات والستيرويدات . بعض الليبيدات جزيئات أليفاتية خطية ، بينما البعض الآخر له بنية حلقية. بعضها عطري ، والبعض الآخر ليس كذلك. بعضها مرن، والبعض الآخر صلب.

تتميز معظم الدهون ببعض الخصائص القطبية بالإضافة إلى كونها غير قطبية في الغالب. عمومًا، يكون الجزء الأكبر من بنيتها غير قطبي أو كاره للماء، أي أنه لا يتفاعل جيدًا مع المذيبات القطبية كالماء. في المقابل، يكون جزء آخر من بنيتها قطبيًا أو محبًا للماء، ويميل إلى الارتباط بالمذيبات القطبية كالماء. وهذا ما يجعلها جزيئات أمفيباثية (تحتوي على أجزاء كارهة للماء وأخرى محبة للماء). في حالة الكوليسترول ، تكون المجموعة القطبية مجرد مجموعة -OH ( هيدروكسيل أو كحول).

تشمل الدهون الموجودة في الطعام زيوت الحبوب مثل الذرة وفول الصويا ، والدهون الحيوانية، وهي مكونات للعديد من الأطعمة مثل الحليب والجبن واللحوم. كما أنها تعمل كناقلات للفيتامينات.

تشكل البروتينات أكثر من 50% من الوزن الجاف للخلية الحية المتوسطة ، وهي جزيئات ضخمة بالغة التعقيد. كما أنها تلعب دورًا أساسيًا في بنية الخلايا ووظائفها. ^{[ 14 ]} تتكون البروتينات بشكل رئيسي من الكربون والنيتروجين والهيدروجين والأكسجين وبعض الكبريت ، وقد تحتوي أيضًا على الحديد أو النحاس أو الفوسفور أو الزنك .

تُعدّ البروتينات ضرورية للنمو والبقاء في الغذاء، وتختلف الاحتياجات منها باختلاف عمر الشخص وحالته الفسيولوجية (مثل الحمل). ويُستمد البروتين عادةً من مصادر حيوانية كالبيض والحليب واللحوم. وتُوفّر المكسرات والحبوب والبقوليات مصادر نباتية للبروتين ، ويُستخدم الجمع بين مصادر البروتين النباتية للحصول على الكمية الغذائية الكاملة من البروتين من الخضراوات.

يتم الكشف عن حساسية البروتين كحساسية غذائية باستخدام اختبار ELISA .

الإنزيمات هي عوامل محفزة كيميائية حيوية تُستخدم في تحويل المواد من مادة إلى أخرى. كما أنها تُسهم في تقليل الوقت والطاقة اللازمين لإتمام العمليات الكيميائية. وتستخدم العديد من قطاعات صناعة الأغذية عوامل محفزة، بما في ذلك الخبز ، وصناعة البيرة ، ومنتجات الألبان ، وعصائر الفاكهة ، لإنتاج الجبن والبيرة والخبز .

الفيتامينات هي عناصر غذائية ضرورية بكميات قليلة لإتمام التفاعلات الأيضية الأساسية في الجسم. وتُصنّف هذه الفيتامينات في النظام الغذائي إلى نوعين: فيتامينات قابلة للذوبان في الماء (مثل فيتامين ج ) وفيتامينات قابلة للذوبان في الدهون ( مثل فيتامين هـ ). يُمكن أن يُساهم تناول كميات كافية من الفيتامينات في الوقاية من أمراض مثل البري بري وفقر الدم وداء الإسقربوط ، بينما قد تُؤدي الجرعات الزائدة من الفيتامينات إلى الغثيان والقيء ، أو حتى الوفاة.

تتنوع المعادن الغذائية الموجودة في الأطعمة وتكثر، فالعديد منها ضروري لوظائف الجسم، بينما قد تشكل بعض العناصر النزرة خطراً عند استهلاكها بكميات زائدة. من المعادن الأساسية التي يزيد استهلاكها اليومي المرجعي (RDI، والذي كان يُعرف سابقاً بالبدل اليومي الموصى به (RDA)) عن 200  ملغ/يوم: الكالسيوم ، والمغنيسيوم ، والبوتاسيوم . أما المعادن النزرة المهمة (RDI أقل من 200  ملغ/يوم) فهي: النحاس، والحديد، والزنك. توجد هذه المعادن في العديد من الأطعمة، ويمكن الحصول عليها أيضاً من المكملات الغذائية.

تُضاف ألوان الطعام لتغيير لون أي مادة غذائية، وذلك لأغراض التحليل الحسي بشكل أساسي. يمكن استخدامها لمحاكاة اللون الطبيعي للمنتج كما يراه المستهلك، مثل الصبغة الحمراء (مثل FD&C Red No.40 Allura Red AC) للكاتشب، أو لإضافة ألوان غير طبيعية لمنتج مثل حبوب Kellogg's Froot Loops . الكراميل صبغة طعام طبيعية، أما شكله الصناعي، وهو لون الكراميل، فهو الأكثر استخدامًا في تلوين الطعام، ويوجد في أطعمة متنوعة من المشروبات الغازية إلى صلصة الصويا والخبز والمخللات .

تُعدّ النكهة في الطعام عنصراً هاماً في كيفية إدراك المستهلك لرائحة وطعم الطعام، لا سيما في التحليل الحسي. بعض هذه النكهات طبيعية كالملح والسكر ، لكن خبراء النكهات (المعروفين باسم " خبراء النكهات ") يطورون العديد منها للمنتجات الغذائية. تشمل هذه النكهات الاصطناعية ساليسيلات الميثيل الذي يُعطي رائحة النعناع الشتوي ، وحمض اللاكتيك الذي يُضفي على الحليب مذاقاً لاذعاً.

المضافات الغذائية هي مواد تُضاف إلى الطعام لحفظ النكهات، أو لتحسين المذاق، والمظهر، والرائحة، والنضارة. تعود هذه العمليات إلى زمنٍ قديم، كإضافة الخل للتخليل أو استخدامه كمستحلب في الخلطات المستحلبة مثل المايونيز . تُصنّف هذه المواد عادةً برقم "E " في الاتحاد الأوروبي ، أو تُصنّف ضمن فئة " GRAS " ( المعترف بها عمومًا بأنها آمنة ) من قِبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية .

• الكيمياء الفيزيائية للأغذية
• مكمل غذائي
• مجلة تكنولوجيا الأغذية والعمليات الحيوية
• كيمياء الأغذية (مجلة)
• مكونات الطعام
• هندسة الأغذية
• تدعيم الأغذية
• علم الأحياء الدقيقة للأغذية
• تغليف المواد الغذائية
• حفظ الأغذية
• علم ريولوجيا الأغذية
• سلامة الغذاء
• علوم الأغذية
• تخزين الطعام
• المكملات الغذائية
• تكنولوجيا الغذاء
• المغذيات الدوائية
• التغذية (وتسمى أيضاً إثراء الطعام أو تدعيمه)

• فينيما، أو آر، محرر. (1985). كيمياء الأغذية - الطبعة الثانية، منقحة وموسعة. نيويورك: مارسيل ديكر، إنك.
• فرانسيس، إف جيه (2000). "هارفي دبليو وايلي: رائد في علوم وجودة الأغذية". في كتاب قرن من علوم الأغذية. شيكاغو: معهد تكنولوجيا الأغذية. ص  13-14.
• بوتر، ن.ن. وهوتشكيس، ج.هـ. (1995). علم الأغذية، الطبعة الخامسة. نيويورك: تشامبمان وهول. الصفحات  24-68.
• إدارة الغذاء والدواء الأمريكية. (1993). كل ما يُضاف إلى الطعام في الولايات المتحدة. بوكا راتون، فلوريدا: سي كي سمولي (عن طريق سي آر سي برس، إنك).

• الجمعية الكيميائية الأمريكية - قسم الكيمياء الزراعية والغذائية
• معهد تكنولوجيا الأغذية - قسم كيمياء الأغذية
• جامعة ولاية بنسلفانيا، قسم كيمياء الأغذية، الولايات المتحدة الأمريكية
• جامعة فاغينينغين، مختبر كيمياء الأغذية، هولندا