Źródłem podstawowych surowców dla produktów spożywczych jest świat roślinny i zwierzęcy. Poszczególne produkty spożywcze różnią się jakością i ilością składników chemicznych oraz skłonnością do zmian fi­zycznych; chemicznych i biologicznych. Większość produktów spożywczych stanowi mieszaninę związków orga­nicznych i nieorganicznych, z których podstawowe ta białkowce, tłusz­czowce, cukrowce, witaminy i enzymy. W produktach spożywczych wystę­pują poza tym różne kwasy organiczne, alkohole, estry, aldehydy, ketony, związki cykliczne niearomatyczne i aromatyczne, terpeny, związki flawonowe, antocyjanowe, katechinowe, alkaloddowe itp. Związki te przede wszystkim nadają produktowi odpowiedni smak, zapach oraz barwę. Wiele związków chemicznych produktów spożywczych ulega łatwo zmianom pod wpływem działania różnych czynników zarówno wewnętrznych, jak i zewnętrznych, w wyniku czego powstają nowe połączenia o innych własnościach biologicznych. Struktura związków chemicznych produk­tów spożywczych, a szczególnie charakter występujących w nich wiązań świadczą o ich wrażliwości na działanie różnych czynników, zwłaszcza energii promienistej, temperatury, składników powietrza, pH, kataliza­torów itp. Wartość użytkowa produktów spożywczych zależy głównie od jakości i ilości składników oraz od wartości energetycznej, budulcowej i regulu­jącej poszczególnych związków chemicznych. Pierwsze związki organiczne powstały ze związków nieorganicznych przy udziale energii cieplnej, nagromadzonej wewnątrz ziemi, a także pod wpływem wysokiego ciśnienia. Skład chemiczny ziemi w początko­wej fazie jej kształtowania był mało zróżnicowany i ograniczał się tylko do związków nieorganicznych w postaci tlenków metali, dwutlenku węgla, azotu, wody itp. Z tlenków metali i połączeń węglowych pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia tworzyły się węgliki metali. Związki te w połączeniu z wodą dawały związki organiczne. Tego rodzaju syntezy przeprowadza się w laboratoriach, a także w przemyśle chemicznym, otrzymując np. acetylen z węglika wapnia czy metan z węglika glinu. Prawdopodobnie pierwsze syntezy złożonych związków organicznych za­chodziły w oceanach. Powstałe z niej koacerwaty dały początek orga­nizmom żywym, a także chlorofilowi. Dalsza synteza związków organicznych dokonywała się kosztem energii słonecznej przy współudziale chlorofilu. Dzięki fotosyntezie powstały złożone organizmy roślinne i zwierzęce. C02 + H20 + energia słoneczna > związki organiczne Chlorofil jest związkiem niejednolitym. W roślinach występuje jako niebieskozielony chlorofil a oraz żółtozielony chlorofil b, zwykle w sto­sunku ilościowym 3 . 1. Struktura chemiczna chlorofilu charakteryzuje się obecnością skoniugowanych wiązań podwójnych. Wiązania te mają zdolność absorbowania energii promienistej. Zielona barwa chlorofilu po­chodzi stąd, że z widzialnych promieni słonecznych absorbuje on promie­nie w zakresie widma czerwonego i niebieskofioletowego, natomiast od­bija lub przepuszcza zakres promieniowania zielonego. W roślinach obok chlorofilu występują także barwniki karotenoidowe. Są to barwniki czerwone o strukturze węglowodorów nienasyconych, przepuszczające ten zakres promieniowania, który absorbowany jest przez chlorofil. Karotenoidy, występujące w plastydach komórek roślin obok chlorofilu, spełniają rolę filtra. Energia słoneczna przechodząca przez filtr karotenoidowy, a następnie zaabsorbowana przez chlorofil, zmienia się na energię chemiczną. Ważnym czynnikiem, biorącym udział w syntezie związków organicz­nych, jest energia słoneczna. Na powierzchni słońca zachodzi ciągła syn­teza helu z wodoru. Jeden atom helu powstaje z czterech atomów wodoru. Ciężar atomowy wodoru równa się 1,008, a ciężar atomowy helu 4,003. Różnica sumy ciężarów czterech atomów wodoru i ciężaru atomowego helu wynosi 0,0029, czyli 0,8%. Mamy tu do czynienia z ubytkiem masy, która zmieniła się na energię. Według teorii względności Einsteina E = mc2 z tego ubytku mas powstaje olbrzymia energia słoneczna. Proces foto­syntezy wyjaśniono na drodze doświadczalnej stosunkowo niedawno. Do tego czasu za najbardziej przekonującą uważano teorię Willstattera, W swoich rozważaniach uwzględniał on trzy zasadnicze przejścia. 1) przyłączenie kwasu węglowego do chlorofilu, 2) przegrupowanie do nadtlenku pod wpływem zaabsorbowanej przez chlorofil energii słonecznej, 3) rozpad nadtlenku do aldehydu mrówkowego i tlenu. Według Willstattera kondensacja sześciu cząsteczek aldehydu mrówko­wego prowadzi do powstania heksozy. W żadnej roślinie nie stwierdzono obecności aldehydu mrówkowego. Możliwości zbadania procesów fotosyntezy na drodze doświadczalnej zaistniały dopiero wówczas, gdy do badań biochemicznych zastosowano pierwiastki znakowane oraz sorbenty do rozdziału związków chemicznych. Podając komórkom glonu Chlorella ciężki tlen O18 w wodzie lub w dwu­tlenku węgla, Ruben, Randal, Kamen i Hyde (1940) wykazali, że tlen wydzielany przez rośliny zielone podczas fotosyntezy pochodzi z rozkładu wody, a nie dwutlenku węgla. Doświadczenie wykonano w szklanym naczyniu, w którym umieszczo­no glony Chlorella, a następnie usunięto cał­kowicie powietrze i wprowadzono C02 ze znakowanym tlenem. Stwierdzono, że wydalony przez glony tlen nie jest izotopowy. Był to wystarczający dowód, iż tlen wydzielający się podczas reak­cji fotosyntezy nie pochodzi z dwutlenku węgla, lecz z wody. Wyniki doświadczeń na glonach zaprzeczyły teorii Willstattera, wg której reakcja powinna przebiegać następująco. a więc co najmniej jeden atom w cząsteczce tlenu powinien być izotopo­wy. Fotolizę wody, w wyniku której powstaje układ redukująco-utleniający, można przedstawić w sposób uproszczony. Z reakcji tej wynika, że cząsteczka tlenu uwalnia się wyłącznie z wody. Hill (1940) wywołał proces zbliżony do fotosyntezy przy użyciu samych chloroplastów wyodrębnionych z komórek. W doświadczeniu tym chlo­roplasty gwiazdnicy pospolitej (Stellaria media) i jasnoty białej (Lanilin album) przy udziale energii promienistej powodowały redukcję szczawia­nu żelazowo-potasowego K3 Fe(C2H4)3. W tych samych warunkach re­dukcji ulegają takie związki, jak cytochrom oraz fosforan dwunukleotydu nikotynamido-adeninowego (NADP). Energia słoneczna, zaabsorbowana przez chlorofil i przemieniona w energię chemiczną, przekazywana jest związkom o stosunkowo wysokim potencjale chemicznym. Zaliczamy do nich przede wszystkim związki fosforanowe, z których najważniejsze to. adenozynotrójfosforan (ATP) i zredukowany fosforan dwunukleotydu nikotynamido-adeninowego (NADPH+H+)'. Nośnik potencjału chemicznego ATP oraz donator wodorów NADPH+ +H+ biorą udział w syntezie związków organicznych wysokoenerge­tycznych. H20 + energia chemiczna z chlorofilu +NADP++ADP NADPH+ + H+ + ATP C02 + NADPH+ H++ATP -> związki organiczne. Dokładniejszy przebieg reakcji fotosyntezy można przedstawić elektro­nową przemianą w cząsteczce chlorofilu, zachodzącą pod wpływem dzia­łania energii promienistej, w wyniku czego powstaje związek o włas­nościach redukujących w postaci zredukowanego NADP oraz związek energetyczny jako ATP. Ferrodoksyna jest związkiem żelazobiałkowym występującym w chloro­plastach. Duże znaczenie dla zrozumienia fotosyntezy ma teoria kwantów Plancka (1900) i jej zastosowanie do światła przez Alberta Einsteina (1905). Proces fotosyntezy, wynikający z absorpcji energii promienistej przez chlorofil, przedstawia się również w postaci baterii fotochemicznej, w wyniku której zachodzi fosforylacja. Calvin (1949) stosując w fotosyntezie z glonami izotop węgla C14 wy­kazał, że węgiel znaczony znalazł się w grupach karboksylowych kwasu glicerolowego. Naświetlanie glonów Chlorella w atmosfe­rze C1402 w ciągu jednej minuty powodo­wało powstawanie ok. 20 związków z węglem izotopowym. W tej grupie związków znale­ziono kwas fosfoglicerolowy, cukry, kwasy tłuszczowe itp. Naświetlanie w ciągu jednej sekundy dawało jeden związek z węglem znaczonym. Analiza jakościowa wykazała, że pierwszym akceptorem węgla izotopowego jest rybuloza, z której powstaje aldehyd glicerolowy. Z aldehydu glicerolowego powsta­ją równocześnie aminokwasy, kwasy tłusz­czowe i cukry. W przyrodzie zachodzi jeszcze fotosynteza, w której zamiast wody udział bierze siarkowodór. W reakcji tej przenośnikiem elektronu jest wodór, a w miejsce tlenu wy­dziela się siarka. Powstały wodór redukuje C02, w wyniku czego tworzą się związki organiczne. Naturalna synteza związków organicznych zachodzi również kosztem utleniania różnych pierwiastów (wodór, siarka) lub związków nieorga­nicznych (siarkowodór, siarczyny, związki żelazawe, amoniak itp.). Chemosyntetyzujące procesy utleniania dają energię chemiczną lub reduku­jące elektrony. Utlenianie siarkowodoru zachodzi przy udziale odpo­wiednich bakterii, w wyniku czego powstają. energia chemiczna oraz złoża czystej siarki. Utlenienie amoniaku zachodzi przy udziale bakterii nitry­fikujących, w wyniku czego powstają tlenki azotu, przekształcające się w saletry, jako naturalne nawozy mineralne. Utlenienie jonów żelaza­wych do żelazowych daje redukujące elektrony, przy czym powstaje tzw. ruda bagienna. Wszystkie te reakcje chemosyntezy dają NADPH+H++ +ATP. Związki te służą do biosyntezy złożonych związków organicznych z dwutlenku węgla. Odwrotnością procesu fotosyntezy jest oddychanie, prowadzące do bio­logicznego rozpadu związków wysokoenergetycznych do C02 i H20 i wy­dzielenia różnego rodzaju energii, przede wszystkim cieplnej. Fotosynteza jest procesem syntezy wysokoenergetycznych związków organicznych kosztem energii promienistej z niskoenergetycznych związ­ków nieorganicznych, natomiast oddychanie jest procesem utleniania (roz­padu) wysokoenergetycznych związków organicznych do niskoenerge­tycznych związków nieorganicznych z wyzwoleniem energii. Fotosynteza jest procesem zachodzącym znacznie szybciej od oddycha­nia. Może ona dać 10-krotnie więcej związków organicznych, niż roślina traci ich w procesie oddychania. Zasadniczym procesem syntezy produktów spożywczych jest więc foto­synteza, a podstawowe jej źródło stanowi energia promieniowania słonecz­nego. W większości produktów spożywczych, szczególnie przechowywa­nych w magazynach, zachodzą procesy oddychania, prowadzące do ubytku związków, zwłaszcza cukrowych.