Моносахариды. Их свойства и роль в пищевой промышленности

Изменения углеводов при технологической обработке

План лекции

1. Роль углеводов для организма человека. Классификация, состав и свойства углеводов

2. Моносахариды. Их свойства и роль в пищевой промышленности

3. Олигосахариды. Их свойства и роль в пищевой промышленности

4. Превращения моноз и олигосахаридов

4.1 Гидролиз ди- и трисахаридов

4.2 Брожение сахаров

4.3 Карамелизация сахаров

4.4 Реакция меланоидинообразования

5. Полисахариды пищевых продуктов и их свойства

5.1 Глюканы

5.2 Фруктаны

5.3 Гетерогликаны

6. Пищевые волокна

6.1 Источники и методы выделения

6.2 Обогащение пищевыми волокнами продуктов питания

Литература

1. Бобровник Л.Д., ЛезенкоГ.А. Углеводы в пищевой промышленности. - К.: Урожай, 1991. - 112 с.

1. Классификация, состав и свойства углеводов

Углеводы являются важным классом природных соединений. Они широко распространены в живых организмах, особенно в растениях - 90-80% на сухое вещество (в животных тканях - 2% на с.в.).

ü Ежегодно на нашей планете благодаря фотосинтезу образуется 40 млрд тонн углеводов.

Название “углеводы” возникло в начале знакомства с ними в прошлом столетии: их рассматривали как гидраты углерода. Общая формула углеводов С_mH_2nO_n может быть представлена в виде: C_m(H₂O)_n. Отсюда угле-воды.

В 1927 г. Комиссия по реформе химической номенклатуры предложила называть углеводы глицидами.

В 1978 г. им вернули первоначальное название - углеводы.

Роль углеводов для организма человека

n энергетическая - потребность человеческого организма в энергии покрывается в большей части именно за счет углеводов; окисление 1г углеводов даёт 4ккал энергии

n пластическая: производные углеводов - мононуклеотиды - это структурные компоненты нуклеиновых кислот, мукополисахариды - цементирующее веещство рыхлой соединительной ткани, смазка в суставах - рыхлое вещество углеводной природы;

n защитная - участвуют в процессах, препятствующих проникновению в организм болезнетворных м/о, липополисахариды - антигены - участвуют в формиров. иммунитета;

n опорная - входят в состав скелета высших растений, грибов, насекомых (целлюлоза и хитин);

n специфические функции:

- рецепторы для связывания токсинов(глюкуроновая кислота);

-гепарин - углеводсодержащий биополимер - предотвращает свертывание

крови - природный антикоагулянт;

- гетерополисахариды определяют группу крови

n резервная - гликоген в животных организмах; (крахмал в клубнях, зерновых)

Существует рациональная классификация углеводов. Рассмотрим схему подразделения углеводов на группы и подгруппы:

Классификация углеводов

Группа	Подгруппа	Название	Число мономерных единиц
I Моносахариды	-	Монозы (триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы, нонозы, декозы) и их производные Глюкоза, фруктоза
ІІ Голозиды 1) Олигосахариды (oligos - греч. - немногий)
а) гомо- и гетероолигосахариды низшие	Олигозы (дисахариды или биозы, трисахариды или триаозы, тетраозы, пентаозы) сахароза(глюкоза+фр), трегалоза (2глюкозы), лактоза(глюк+галакт)	2-5
б) гомо- и гетероолигосахариды высшие	Олигозы(гексаозы, гептаозы, октаозы, нонаозы, декаозы)	6-10
2) Полисахариды	а) гомополисахариды	Полиозы - гомогликаны (глюкан, маннан, фруктозан) целлюлоза, инулин, крахмал	Больше 10
б)гетерополисахариды	Полиозы – гетерогликаныпектиновые вещества	Больше 10
III Гликоконъюгаты (полисахариды находятся в связанном - конъюгированном - виде)	а) гликопротеины б) пептидогликаны в) гликолипиды г) гликолипопротеины	Клетчатка, пищевые волокна   -	разное

С₆Н₁₂О₆ гексозы¸ С₁₂Н₂₂О₁₁ дисахариды, (С₆Н₁₀О₅)_п полисахариды

Полисахариды (голозиды) - сложные углеводы, молекулы которых при гидролизе распадаются на моносахариды. Гомо- , гетеро- п составу моносахаридных остатков

Моносахариды. Их свойства и роль в пищевой промышленности

Моносахариды (простые сахара) - кристаллические бесцветные вещества, хорошо растворимы в воде, сладкие на вкус. Обладают сильными восстанавливающими (редуцирующими) свойствами.

Восстановление меди в оксиде меди, серебра в оксиде серебра (реакция серебряного зеркала), раствора Фелинга - качественные реакции на моносахариды. Сами они окисляются до кислоты.

Моносахариды представляют собой многоатомные альдегидо- и кетоноспирты. В зависимости от природы функциональных групп их подразделяют на:

альдозы и кетозы;

в зависимости от количества атомов углерода в молекуле -

на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. (см. таблицу).

Природных моносахаридов, имеющих более 9 углеродных атомов не выявлено. Углеродные атомы в молекулах моносахаридов нумеруют таким образом, чтобы атом С карбонильной группы имел наименьший номер

Наибольшее значение в перарабатывающей промышленности имеют пентозы:

СНО   Н ОН НО Н Н ОН   СН2ОН D - ксилоза

СНО   Н ОН Н ОН Н ОН   СН2ОН D - рибоза

СНО   НО Н Н ОН Н ОН   СН2ОН D - арабиноза

гексозы:

СНО 1 Н 2 ОН НО 3 Н Н 4 ОН Н 5 ОН 6 СН2ОН   D - глюкоза	СНО   НО Н Н ОН НО Н НО Н   СН2ОН   L - глюкоза	СНО   НО Н НО Н Н ОН Н ОН   СН2ОН   D - манноза
СНО   Н ОН НО Н НО Н Н ОН   СН2ОН   D - галактоза	СН2ОН   О О НО Н Н ОН Н ОН   СН2ОН   D - фруктоза

ü Моносахариды причисляются к D- или L- ряду по конфигурации последнего хирального (асимметрического) атома углерода монозы (метод Фишера). В качестве образца при этом используется глицериновый альдегид. Чаще встречается D - форма.

О С Н Н - С - ОН СН2ОН D - глицериновый альдегид

О С Н НО - С - Н   СН2ОН L - глицериновый альдегид

В природе моносахариды обычно существуют в виде циклических форм:

Водород гидроксильной группы (у 5 атома углерода), имеющий частично положительный заряд, переходит к кислороду альдегидной группы с частично отрицательным зарядом. В результате этого у первого углеродного атома и у атома кислорода при 5 атоме углерода освобождается по одной валентности, за счёт которых эти атомы связываются между собой кислородным мостиком.

фуранозная форма пиранозная форма

(может быть в конфор- (форма лодки или кресла)

мации “твист”или конверт)

Циклічна форма. D-глюкофураноза D-глюкопіраноза. Циклічна форма.

ü Термодинамически наиболее устойчива пиранозная (шестичленная) форма.

К важнейшим моносахаридам относятся глюкоза и фруктоза.

D - глюкоза, или виноградный сахар, чрезвычайно широко представлена в животных и растительных организмов.

Содержится в семенах, корнях, цветах, листьях и плодах большинства растений как в свободном виде, так и в составе многих олигосахаридов (мальтозы, сахарозы, лактозы, раффинозы) и ряда гликозидов. Из глюкозы построены основные полисахариды растительной клетки - целлюлоза, крахмал, гликоген.

Особенно много глюкозы в винограде, сладких яблоках, ягодах и др.

Глюкоза характеризуется правым вращением плоскополяризованного света (a_D²⁰ = + 52,3°), в связи с чем в зарубежной литературе она часто встречается под названием декстроза.

Глюкоза очень хорошо растворяется в воде, легко дает пересыщенные растворы (сиропы). В спирте глюкоза растворяется значительно хуже.

Из спирта и воды при слабом нагревании кристаллизуется в виде безводных кристаллов, а из воды при температуре 20°С – в виде кристаллогидрата с одной молекулой воды.

Кристаллы глюкозы имеют белый цвет и приятный сладкий вкус. Она менее сладкая, чем сахароза, и не маскирует аромат и вкус других веществ в пищевых компонентах.

В чистом виде глюкоза усваивается организмом лучше всех других углеводов, поэтому ее широко используют в медицинской практике.

D- фруктоза, или плодовый сахар, - наиболее важный представитель кетоз, также широко распространенный в растительном мире. Левое вращение растворов D-фруктозы (a_D²⁰ = - 93°) обусловливает другое ее название - левулоза.

Наряду с глюкозой фруктоза содержится во многих сладких плодах, арбузах, меде. Высокая сладость меда и арбузов (при относительно невысоком содержании сахаров - 7%) объясняется тем, что они представлены преимущественно фруктозой, которая в 1,4 раза слаще сахарозы.

Фруктоза очень трудно кристаллизуется в кристаллах состава 2С₆Н₁₂О₆^.Н₂О.

Рассмотрим некоторые химические свойства моносахаридов, имеющие важное значение для пищевой промышленности.

1. Восстановление альдегидной или кетонной группы моноз с образованием многоатомных спиртов - альдитов.

Осторожным восстановлением D - глюкозы получают D - глюцит (сорбит); D - ксилозы - пентит (D - кислит), которые широко применяются в лечебном питании. При восстановлении D - фруктозы образуется смесь двух гекситов - D-глюцита и D-маннита.

Восстановление глюкозы в сорбит - одна из стадий при синтезе витамина С (в промышленном масштабе), когда глюкозу каталитически гидрируют водородом.

2. Дегидратация под действием кислот.

Альдозы более устойчивы к действию кислот, чем щелочей. Однако в зависимости от условий и природы моносахарида он может в кислой среде подвергаться гидролизу.

Так, при упаривании растворов D-глюкозы (и других альдоз) в присутствии разбавленных минеральных кислот возможны реакции:

межмолекулярной конденсации (т.н. “реверсия”), которая приводит к образованию ди-, три-, тетра- и других олигосахаридов или

внутримолекулярной конденсации - с образованием 1,6 - ангидро b-пираноз.

В более жестких условиях в присутствии кислот происходит глубокая дегидратация, которая ведет к образованию оксиметил фурфурола, а затем (при кипячении) к дальнейшему разложению на левулиновую и муравьиную кислоты.

3. Взаимодействие со щелочами.

ü При разработке и осуществлении технологических схем с участием углеводов необходимо учитывать повышенную чувствительность моноз к действию щелочей.

При действии разбавленных щелочей на холоде D-глюкоза подвергается эпимеризации, частично превращаясь в стереоизомерную альдозу (D-маннозу), а также изомеризации - в D-фруктозу.

В более жестких условиях в присутствии щелочей происходит перегруппировка с образованием сахариновых кислот, а также сложные реакции распада моноз с образованием трехуглеродных фрагментов - пировиноградной, молочной кислот и др.

Изомерия моносахаридов

5 видов:

1. изомерия альдоз и кетоз с открытой цепью и с одинаковым числом атомов углерода в молекуле. Н-р: глюкоза, манноза, галактоза, фруктоза имеют одинаковую молекулярную формулу С₆Н₁₂О₆, т.е.являются изомерами

2. оптическая изомерия (стереоизомерия) открытых форм моносахаридов обусловлена наличием асимметрических атомов углерода в молекуле. Природная глюкоза является D-изомером, вращает плоскость поляризации вправо, поэтому обозначается D(+)-глюкоза. Природная фруктоза – левовращающий изомер, поэтому обозначается D(-)-фруктоза

3.Моносахариды D- или L- ряда (по конфигурации последнего хирального атома углерода)

4. Стереоизомеры циклических форм в зависимости от расположения водорода и полуацетального гидроксила у первого атома углерода относительно плоскости кольца делят на α- и β- формы. В перспективных формулах (по Хеуорсу) полуацетальный гидроксид в α- форме направлен вниз от плоскости кольца, а в β- форме – вверх.

5. Циклоцепная таутометрия – обуславливается переходом открытых форм моносахаридов в циклические и наоборот. Открытая и циклическая формы моносахаридов представляют собой таутомерные формы и являются таутомерными изомерами. Таутомеры – это такие изомеры, которые способны самопроизвольно переходить друг в друга, образуя равновесную систему. Таутомерные превращения возможны, если вещество, способное ктаутометрии, находится в жидком состоянии.

üПод действием щелочей и оксидов некоторых металлов из моносахаридов легко получаются сахараты - производные типа алкоголятов. Разная растворимость глюкозата и фруктозата кальция используется для разделения глюкозы и фруктозы.

Лекция №8