Характеристика класса углеводы

Характеристика класса углеводы.

Углеводы - обширный класс органических соединений. В клетках живых организмов углеводы являются источниками и  аккумуляторами энергии, в растениях (на их долю приходится до 90 % сухого вещества) и некоторых животных (до 20 % сухого вещества) выполняют роль опорного (скелетного) материала, входят в состав многих важнейших природных соединений, выступают в качестве регуляторов  ряда важнейших биохимических реакций. В соединении с белками и липидами углеводы образуют сложные высокомолекулярные комплексы, представляющие основу субклеточных структур, а следовательно, основу живой материи. Они входят в состав природных биополимеров - нуклеиновых кислот, участвующих в передаче наследственной информации.

Классификация углеводов.

• Простые (моносахариды, монозы) - углеводы, которые не способны гидролизоваться с образованием более простых соединений.
• Сложные (полисахариды, полиозы) - углеводы, способные гидролизоваться на более простые. У них число атомов углерода не равно числу атомов кислорода. Сложные углеводы очень разнообразны по составу, молекулярной массе, а следовательно, и по свойствам:
1. низкомолекулярные (сахароподобные или олигосахариды) - малая, немногочисленная группа.
2. высокомолекулярные (несахароподобные полисахариды) - соединения с большой молекулярной массой, в состав которых могут входить остатки сотен тысяч простых углеводов.

Эксперты Всемирной организации  здравоохранения (ВОЗ) предложили упрощенную классификацию углеводов:

Углеводы:

• Сахара (1-2 мономера):

1. Моносахариды

2. Дисахариды
3. глюкоза, фруктоза, галактоза
4. сахароза, лактоза

• Олигосахариды (3-9 мономеров): мальтодекстрины

• Полисахариды (более 9 мономеров):

1. крахмал

2. некрахмальные полисахариды
3. амилоза, амилопектин
4. целлюлоза, пектин

Простые углеводы.

Молекулы простых углеводов - моноз - построены из неразветвленных углеродных цепей, содержащих различное число атомов углерода. В состав растений и животных входят  главным образом монозы с 5 и 6 углеродными атомами - пентозы и гексозы. У атомов углерода расположены гидроксильные группы, а один из них окислен до альдегидной (альдозы) или кетонной (кетозы) группы.

В водных растворах, в том числе  в клетке, монозы из ациклических (альдегидо-кетоно) форм переходят в циклические (фуранозные, пиранозные) и обратно. Этот процесс получил, название динамической изомерии - таутомерии.

Циклы, которые входят в состав молекул моноз, могут быть построены  из 5 атомов (из них 4 атома углерода и один кислорода) - они получили название фуранозных, или из 6 атомов (5 атомов углерода и один кислорода), их называют пиранозными.

В молекулах моносахаридов имеются  углеродные атомы, связанные с четырьмя различными заместителями. Они получили название асимметрических и обозначены в формулах глюкозы и фруктозы звездочками. Наличие в молекулах моноз асимметричных углеродных атомов приводит к появлению оптических изомеров, обладающих способностью вращать плоскополяризованный луч света. Направление вращения обозначают знаком «+» (правое вращение) и «-» (левое вращение). Важной характеристикой моноз является удельное вращение. Угол вращения плоскости поляризации свежеприготовленного раствора моносахарида вследствие указанных ранее таутомерных превращений при стоянии изменяется, пока не достигнет некоторой постоянной величины. Изменение угла вращения растворов Сахаров при стоянии получило название мутаротации. Например, для глюкозы это изменение происходит от +106 до +52,5°; обычно это изображают так: +106 ° -»- +52,5 °.

Наличие спиртовых, альдегидных или  кетонных групп, а также появление в циклических формах моноз группы ОН с особыми свойствами (гликозидный, полуацетальный гидроксил) определяет химическое поведение этих соединений, а следовательно, и превращения их в технологических процессах. Моносахариды - сильные восстановители - осаждают серебро из  аммиачных растворов оксида серебра (знакома всем из школьного курса химии реакция «серебряного зеркала») и оксид меди Cu2О при взаимодействии с раствором Фелинг (Фелингова жидкость), который приготавливают смешиванием равных объемов водного раствора сульфата меди и щелочного раствора натрий-калиевой соли винной кислоты. Последняя реакция используется для определения содержания восстанавливающих Сахаров (метод Бертрана) по количеству выпавшего осадок оксида меди СuО.

Большое значение в пищевой технологии имеет взаимодействие моноз и  других восстанавливающих Сахаров (в реакции могут участвовать  и другие соединения, имеющие карбонильную группу, - альдегиды, кетоны и т. д.) с  соединениями, содержащими аминогруппу - NH2: первичными аминами, аминокислотами, пептидами, белками.

Особое место в превращениях моносахаридов занимают два процесса: дыхание и брожение.

Дыхание - это экзотермический процесс ферментативной окисления моноз до воды и углекислого газа.

На каждый моль израсходованной  глюкозы (180 г) выделяется 2870 кДж (672 ккал) энергии. Дыхание наряду с фотосинтезом является важнейшим источником энергии  для живых организмов.

Различают аэробное (кислородное) дыхание - дыхание при достаточном количестве воздуха (схема этого процесса был; нами только что рассмотрена) и анаэробное (бескислородное дыхание, являющееся в сущности спиртовым брожением:

При этом на 1 моль израсходованной  глюкозы выделяется  118,0 кДж (28,2 ккал) энергии.

Спиртовое брожение, протекающее под влиянием микроорганизмов, играет исключительную роль в производстве спирта вина, хлебобулочных изделий. Наряду с главными продуктами спиртом и диоксидом углерода - при спиртовом брожении мона образуются разнообразные побочные продукты (глицерин, янтарная кислота, уксусная кислота, изоамиловый и изопропиловый спирты и др.), существенно влияющие на вкус и аромат пищевых продуктов. Кроме спиртового брожения существует молочнокислое брожение моноз:

Это основной процесс при получении  простокваши, кефира и других молочнокислых  продуктов, квашении капусты.

Брожение моноз может приводить  к образованию масляной кислоты (маслянокислое брожение).

Моносахариды - твердые кристаллические вещества, они гигроскопичны, хорошо растворяются в воде, образуя сиропы, трудно растворимы в спирте. Большинство из них имеют сладкий вкус. Рассмотрим наиболее важные моносахариды.

Гексозы. Главными представителями этой группы моноз являются глюкоза и фруктоза.

Глюкоза (виноградный сахар, декстроза) широко распространена в природе: содержится в зеленых частях растений, в виноградном соке, семенах и фруктах, ягодах, меде. Входит в состав важнейших полисахаридов: сахарозы, крахмала, клетчатки, многих гликозидов. Получают глюкозу гидролизом крахмала и клетчатки. Сбраживается дрожжами.

Фруктоза (фруктовый сахар, левулеза) в свободном состоянии содержится в зеленых частях растений, нектаре цветов, семенах, меде. Входит в состав сахарозы, образует высокомолекулярный полисахарид инсулин. Сбраживается дрожжами. Получают из сахарозы, инсулина, трансформацией других моноз методами биотехнологии.

Глюкоза и фруктоза играют большую  роль в пищевой промышленности, являясь  важным компонентом продуктов питания  и исходным материалом при брожении.

Пентозы. В природе широко распространены L (+)-арабиноза, рибоза, ксилоза, главным образом в качестве структурных компонентов сложных полисахаридов: пентозанов, гемицеллюлоз, пектиновых веществ, а также нуклеиновых кислот и других природных

Ванилин - ценное душистое вещество, применяемое в пищевой и парфюмерной промышленности.

Сложные углеводы.

Полисахариды (сложные углеводы). Молекулы полисахаридов построены из различного числа остатков моноз, которые образуются при гидролизе сложных углеводов. В зависимости от этого их делят на низкомолекулярные и высокомолекулярные полисахариды. Из первых особое значение имеют дисахариды, молекулы которых построены из двух одинаковых или разных остатков моноз. Одна из молекул моноз всегда участвует в построении молекулы дисахарида своим полуацетальным гидроксилом, другая - полуацетальным или одним из спиртовых гидроксилов. Если в образовании молекулы дисахарида монозы участвуют своими полуацетальными гидроксилами, образуется невосстанавливающий дисахарид, во втором - восстанавливающий. Это одна из главных характеристик дисахаридов. Важнейшая реакция дисахаридов - гидролиз.

Более подробно рассмотрим строение и свойства мальтозы, сахарозы, лактозы, которые широко распространены в  природе - которые играют важную роль в пищевой технологии.

Мальтоза (солодовый сахар). Молекула мальтозы состоит из двух остатков глюкозы. Она является восстанавливающим дисахаридом:

Мальтоза довольно широко распространена в природе, она содержится в проросшем  зерне и особенно в больших количествах в солоде и солодовых экстрактах. Отсюда и ее название (от лат. maltum - солод). Образуется при неполном гидролизе крахмала разбавленными кислотами или амилолитическимн ферментами, является одним из основных компонентов крахмальной патоки, широко используемой в пищевой промышленности. При гидролизе мальтозы образуются две молекулы глюкозы.

Этот процесс играет большую  роль в пищевой технологи, например при брожении теста как источник сбраживаемых сахаров.

Сахароза (тростниковый сахар, свекловичный сахар). При ее гидролизе образуются глюкоза и фруктоза.

Следовательно, молекула сахарозы состоит  из остатков глюкозы и фруктозы. В построении молекулы сахарозы глюкоза  и фруктоза участвуют своими полуацетальными гидроксилами. Сахароза - невосстанавливающий сахар.

Сахароза - наиболее известный и  широко применяемый в питании  и пищевой промышленности сахар. Содержится в листьях, стеблях, семенах, плодах, клубнях растений. В сахарной свекле от 15 до 22 % сахарозы, сахарном тростнике -12-15 %, это основные источники ее получения, отсюда же возникли и ее названия - тростниковый или свекловичный сахар.

Сахароза кристаллизуется без  воды в виде больших моноклинических  кристаллов. 

Гидролиз сахарозы сопровождается образованием глюкозы и фруктозы. Фруктоза обладает более сильным  левым вращением (-92°), чем глюкоза  правым ( + 52,5°), поэтому при гидролизе сахарозы угол вращения изменяется. Гидролиз сахарозы получил название инверсии (обращение), а смесь образующихся разных количеств глюкозы и фруктозы - инвертным сахаром. Сахароза сбраживается дрожжами (после гидролиза), а при нагревании выше температуры плавления (160-186 °С) карамелизуется, т. е. превращается в смесь сложных продуктов: карамелана  и других, теряя при этом воду. Эти продукты под названием «колер» используют при производстве напитков и в коньячном производстве для окраски готовых продуктов.

Лактоза (молочный сахар). Молекула лактозы состоит из остатков галактозы и глюкозы и обладает восстанавливающими свойствами.

Лактозу получают из молочной сыворотки  отхода при производстве масла и  сыра. В коровьем молоке содержится 46 % лактозы. Отсюда и возникло ее название (от лат. lactum молоко). Водные растворы лактозы мутаротируют, их удельное вращение после завершения этого процесса +52,2 °. Лактоза гигроскопична. Не участвует в спиртовом брожении, но под влиянием  молочнокислых дрожжей гидролизуется с последующим сбраживанием образовавшихся продуктов в молочную кислоту.  

Высокомолекулярные  несахароподобные полисахариды построены из большого числа (до 6-10 тыс.) остатков моноз. Они делятся на гомополисахариды, построенные из молекул моносахаридов только одного вида (крахмал, гликоген, клетчатка) и гетерополисахариды, состоящие из остатков различных моносахаридов.

Крахмал - резервный полисахарид, главный компонент зерна, картофеля и многих видов пищевого сырья. Наиболее важный по своей пищевой ценности и использованию в пищевой промышленности несахароподобный полисахарид.

Содержание крахмала в пищевом  сырье определяется культурой, сортом, условиями произрастания, спелостью. В клетках крахмал образует зерна  размером от 2 до 180 мкм. От особенностей строения и размеров крахмальных  зерен и, естественно, от состава  крахмала зависят его физико-химические свойства. Крахмал - смесь полимеров  двух типов, построенных из остатков глюкопиранозы: амилозы и амилопектина. Их содержание в крахмале зависит от культуры и колеблется от 18 до 25 % амилазы и 75-82 % амилопектина.

Амилоза - линейный полимер, построенный из остатков глюкопиранозы. Ее молекула содержит от 1000 до 6000 остатков глюкозы. Молекулярная масса 16 000-1000 000. Амилоза имеет спиралевидное строение. Внутри ее образуется канал диаметром 0,5 нм, куда могут входить молекулы других соединений, например йода, который окрашивает ее в синий цвет.

Амилопектин - полимер, содержащий от 5000 до 6000 остатков глюкозы. Молекулярная масса до 106. Неразветвленные участки состоят из 25-30 остатков глюкозы. Молекула амилопектина имеет сферическую форму. Амилопектин образует с йодом фиолетовую окраску с красноватым оттенком. В составе крахмала содержится до 0,6 % высокомолекулярных жирных кислот и 0,2-0,7 % минеральных веществ.

В ходе технологической обработки  под действием влаги и тепла  крахмал, крахмалсодержащее сырье  способны адсорбировать влагу, набухать, подвергаться деструкции. Интенсивность  этих процессов зависит от вида крахмала, режимов обработки, характера катализатора.

Крахмальные зерна при обычной  температуре не растворяются в воде, при повышении температуры набухают, образуя вязкий коллоидный раствор. При его охлаждении образуется устойчивый гель (всем нам хорошо знакомый крахмальный  клейстер). Этот процесс получил  название клейстеризации крахмала. Крахмалы различного происхождения клейстеризуются при различных температурах (55-80 °С). Способность крахмала набуханию и клейстеризации связана с содержанием амилозной фракции. Под действием ферментов или кислот при нагревании крахмал присоединяет воду и гидролизуется. Глубина гидролиза зависит от условий его проведения и вида катализатора (кислота, ферменты).

В последние годы все более широкое  применение в пищевой промышленности находят модифицированные крахмалы, свойства которых в результате разнообразных  видов воздействия (физического, химического, биологического) отличаются от свойств  обычных крахмалов. Модификация  крахмала позволяет существенно  изменить его свойства (гидрофильность, способность к клейстеризации, студнеобразование), а, следовательно, и направление его использования. Модифицированные крахмалы нашли применение в хлебопекарной и кондитерской промышленности, в том числе для получения безбелковых продуктов питания.