Состав и строение углеводов.

Свойства углеводов, изменение углеводов в процессах технологической

Обработки пищевых продуктов.

Вопрос 1. Состав и строение углеводов.

Не вдаваясь в подробности происходящих в живых организмах процессах, отметим, что эти процессы возможны только при использовании внешних источников энергии и питательных веществ: для растений первичным источником энергии служит солнечное излучение, для животных – разнообразная пища, служащая частично и источником веществ, из которых живой организм строит различные макромолекулы, наиболее важными из которых являются белки, углеводы и нуклеиновые кислоты. Большинство элементов периодической системы в той или иной мере участвуют в процессах, происходящих в живом организме, но важнейшими являются биофильные элементы.

Углеводы (сахара) распространены в природе и играют важную роль в жизни человека. Они составляют до 80% массы сухого вещества растений и около 2% сухого вещества животных организмов.

Углеводы являются важными питательными веществами для человека. Из углеводов, входящих в состав оболочек растительных клеток, путем химической переработки изготовляются различные ткани, бумага, искусственные волокна, взрывчатые вещества и другое.

Название углеводы возникло в связи с тем, что сначала были известны лишь представители этого класса веществ, которые по составу как бы являются соединениями углерода с водой, т.е. их состав можно было выразить формулой C_a(H₂O)_m.

Животные организмы не способны синтезировать сахара и получают их различными пищевыми продуктами различного происхождения. В растениях углеводы образуются из углекислого газа и воды в процессе сложной реакции фотосинтеза, осуществляемого за счет энергии солнечного света с участием зеленого пигмента растений хлорофилла:

6CO₂ + 6H₂O à C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Моносахариды являются многоатомными альдегидо или кетоспиртами. В зависимости от количества углеродных атомов в цепи он делятся на тетрозы, пентозы, гексозы, которые содержат альдегидную или кетонную группу и подразделяются соответственно на альдозы и кетозы.

Полисахариды образуются из моносахаридов при конденсации их в процессе биосинтеза. Реакции сопровождается выделением молекул воды и усложнением молекулы:

n C₆H₁₂O₆ à (C₆H₁₂O₅)n + (n-1) H₂O

При гидролизе полисахаридов наблюдается обратное явление: присоединение молекул воды, разрыв цепи в местах нахождения кислородных мостиков и упрощение молекулы:

(C₆H₁₂O₅) n + (n-1) H₂O à n C₆H₁₂O₆ Углеводы с общей формулой – это полиспирты, содержащие альдегидную или кетонную группировку.

Следующая схема наглядно показывает генеалогию углеводов (сахаридов):

Рисунок 1. Классификация углеводов.

В молекуле моносахарида для указания числа углеродных атомов к корню соответствующего греческого числительного прибавляют окончание «-оза».

Моносахариды обычно изображаются формулами Фишера, в которых углеродная цепь располагается линейно. В табл.1 приведены первые четыре типа моносахаридов.

альдозы	триозы C3H6O3	тетрозы C4H8O4	пентозы C5H10O5	гексозы C6H12O6
		рибоза	глюкоза
кетозы				фруктоза

Таблица 1. Простейшие моносахариды.

^*) асимметрические атомы углерода, связанные с четырьмя разными заместителями.

Альдегидная (кетонная) форма моносахарида находится в равновесии со своей таутомерной циклической формой. Например, альдогексоза (глюкоза) образует циклическую форму, в основе которой лежит пирановый гетероцикл:

глюкоза (альдогексоза)		глюкоза		глюкопираноза

Циклизация кетогексозы (фруктозы) приводит к образованию пятичленного фуранового цикла:

фруктоза (кетогексоза)		фруктоза		фруктофураноза

При образовании циклической структуры группа ОН, связанная с C¹, может расположиться по ту же сторону от кольца, что и ОН-группа, связанная с C² (α-форма) или по противоположную сторону кольца (β-форма), что играет существенную роль при образовании полисахаридов.

При связывании двух моносахаридов по реакции конденсации образуются дисахариды с возникновением гликозидной связи:

	+
				гликозидная связь

При конденсации глюкозы и фруктозы образуется дисахарид сахароза (пищевой сахар).

+

+

В зависимости от места образования гликозидной связи различают несколько дисахаридов: тип сахарозы (α-1,2-связь), тип мальтозы (α-1,4-связь), тип лактозы (β-1,4-связь):

	+				(тип α-1,4)
глюкоза		глюкоза		мальтоза (солодовый сахар)

	(тип β-1,4)
остаток глюкозы остаток глюкозы
лактоза (молочный сахар)

Полисахариды – высокомолекулярные соединения общей формулы (C₆H₁₀O₅)_n. Важнейшими представителями этих высших полиоз являются крахмал, гликоген, целлюлоза.

Крахмал – полиоза растительного происхождения, состоящая из двух фракций – амилозы и амилопектина, соотношение между которыми колеблется в пределах 1:9 – 1:4. Отличие между амилозой и амилопектином заключается в том, что в амилопектинах помимо α-1,4-гликозидной связи имеются разветвления по α-1,6-связи. Поскольку α-1,4-гликозидная связь типична для мальтоз, то гидролиз крахмала обычно происходит по схеме

(C6H10O5)n	→	(C6H10O5)n	→	C12H22O11	→	C6H12O6.
крахмал		декстины, растворимые крахмалы		мальтоза		глякоза

Гликоген (животный крахмал) играет роль резервного полисахарида. Конечным продуктом сложных превращений гликогена в мышцах является молочная кислота.

Гликозидные цепи α-1,4-типа в молекуле гликогена более разветвлены по связи α-1,4-типа, поэтому их молекулярный вес достигает 1∙10⁶ единиц.

Клетчатка (целлюлоза) – полисахарид, среднее число гликозидных фрагментов β-1,4-типа в которых достигает 6000–12000.

Инулин – резервный полисахарид растений, гидролизуется во фруктозу.

Структура молекул крахмала и целлюлозы приведена ниже:

крахмал

целлюлоза