Углеводы

Углеводы  -  вещества состава  СмН2пОп, имеющие первостепенное биохимическое ёзначение, широко распространены в живой природе и играют большую роль в жизни человека.

Название углеводы возникло на основании данных  анализа первых  известных  представителей этой группы соединения. Вещества этой группы состоят из  углерода, водорода и кислорода, причем соотношение чисел атомов  водорода и кислорода в них такое же, как и в воде, т.е. на каждые 2 атома водорода приходится один атом кислорода. В прошлом столетии их рассматривали как гидраты углерода. Отсюда и возникло русское  название углеводы, предложенное в 1844г. К.Шмидтом. Общая формула    углеводов, согласно сказанному, СмН2пОп. При вынесении «n» за скобки получается формула См(Н2О)n, которая очень наглядно отражает название «угле - воды».

Изучение углеводов показало, что существуют соединения, которые по всем свойствам  нужно отнести в группу углеводов, хотя они имеют  состав не точно соответствующий  формуле СмH2пОп.  Тем  не менее старинное название «углеводы», сохранилось до наших дней, хотя наряду с этим названием  для обозначения рассматриваемой группы веществ иногда  применяют и более новое название - глициды.

Большой класс углеводов разделяют на две группы:  простые и сложные.

Простыми углеводами (моносахаридами и мономинозами) называют углеводы, которые не способны гидролизоваться с образованием более простых углеводов,  у них число атомов углерода  равно числу атомов кислорода СпН2nОп.

Сложными углеводами (полисахаридами или полиозами) называют такие углеводы, которые способны гидролизоваться с образованием простых углеводов и у них число атомов углерода не равно числу атомов кислорода СмН2пОп.

Классификацию углеводов можно изобразить следующей схемой:

МОНОСАХАРИДЫ                                     ДИСАХАРИДЫ       С12Н22О11

 Тетрозы   С4Н8О4                                         сахароза

  элитроза                                                      лактоза

   треоза                                                          мальтоза

Пентозы    С5Н10О5                                        целобиоза

   арабиноза                                                  ПОЛИСАХАРИДЫ      

   ксилоза                                                          (С5Н8О4)n

   рибоза                                                          пентозаны

ГЕКСОЗЫ      С6Н12О6                                     (С6Н10О5)n

   глюкоза                                                        целлюлоза

   манноза                                                        крахмал

   галактоза                                                      гликоген

   фруктоза

                                                                                                                                                                                                                             

                             

Важнейшими представителями простых углеводов  являются глюкоза и фруктоза, они имеют  одну молекулярную формулу С6Н12О6.

Глюкозу называют также виноградным сахаром, так как она содержится в  большом количестве в виноградном соке. Кроме винограда глюкоза находится и в других сладких плодах  и даже в разных частях растений. Распространена глюкоза и в животном мире: 0,1% ее находится в крови. Глюкоза разносится по всему телу и служит источником энергии для организма. Она также входит в состав сахарозы, лактозы, целлюлозы, крахмала.

В растительном мире широко распространена фруктоза или фруктовый (плодовый) сахар. Фруктоза содержится в сладких плодах, меде. Извлекая из цветов  сладких плодов соки, пчелы приготавливают мед, который по химическому составу  представляет собой  в основном смесь глюкозы и фруктозы. Также фруктоза входит в состав сложных сахаров, например тростникового и свекловичного.

Моносахариды - это твердые вещества, способные  кристаллизоваться. Они гидроскопичны, очень легко растворимы в воде, легко образуют сиропы, из которых выделить их в кристаллическом виде бывает очень трудно.

Растворы моносахаридов имеют нейтральную  на лакмус реакцию и обладают сладковатым вкусом. Сладость моносахаридов различна: фруктоза в 3 раза слаще глюкозы.

В спирте  моносахариды растворяются плохо, а в эфире вообще не растворимы.

Моносахариды, важнейшие представители простых углеводов, в природе находятся как в свободном состоянии, так и в виде своих ангидридов - сложных углеводов.

Все сложные углеводы можно рассматривать как ангидриды простых сахаров, получающиеся  путем отнятия одной или нескольких молекул воды от двух  или более молекул моносахарида.

К сложным углеводам относятся разнообразные по своим свойствам вещества и их делят по этой причине на две подгруппы.

1.Сахароподобные сложные углеводы  или олиосахариды. Эти вещества обладают рядом свойств, сближающими их с простыми углеводами. Сахароподобные углеводы легко растворимы в воде, сладки на вкус; эти сахара легко получаются в виде кристаллов.

При гидролизе сахароподобных полисахаридов из каждой молекулы  полисахарида   образуется небольшое количество молекул простого сахара - обычно  2, 3,  или 4 молекулы. Отсюда произошло второе название сахароподобных  полисахаридов - олигосахариды (от греческого олигос - немногий).

В зависимости от числа молекул моносахаридов, которые образуются при гидролизе каждой молекулы олигосахаридов, последние делятся на дисахариды, трисахариды  и т.д.

Дисахариды - это сложные сахара, каждая молекула которых при гидролизе распадается на 2 молекулы моносахарида.

Способы синтеза дисахаридов  известны, но практически их получают из природных источников.

Способы синтеза дисахаридов известны, но практически их получают из природных источников.

Важнейший из дисахаридов - сахароза - очень распространен в природе. Это химическое название обычного сахара, называемого тростниковым или свекловичным.

Индусы еще за 300 лет до нашей эры умели получать тростниковый сахар из тростника. В наше время получают сахарозу из тростника, произрастающего в тропиках (на о.Куба и в других странах Центральной Америки).

В середине 18 века дисахарид был обнаружен и в сахарной свекле, а в середине 19 века был получен в производственных условиях. 

В сахарной свекле содержится 12-15% сахарозы, по другим источникам 16-20% (сахарный тростник содержит 14-26% сахарозы).

Сахарную свеклу измельчают и извлекают из нее сахарозу горячей водой  в специальных аппаратах-диффузорах. Полученный раствор обрабатывают известью для осаждения  примесей, а перешедший частично в раствор избыточный гидролиз кальция осаждают  пропусканием  диоксида углерода. Далее после отделения осадка раствор  упаривают в вакуум-аппаратах, получая мелкокристаллический песок-сырец. После его дополнительной очистки получают рафинированный (очищенный) сахар. В зависимости от условий кристаллизации он выделяется в виде мелких кристаллов или в виде компактных «сахарных голов», которые раскалывают или  распиливают на куски. Быстрорастворимый сахар готовят прессованием мелкоизмельченного сахарного песка.

Тростниковый сахар применяется в медицине для изготовления порошков, сиропов, микстур и т.д.

Свекловичный сахар широко применяется в пищевой промышленности, кулинарии, приготовлении вин, пива и т.д.

Из молока получают молочный сахар - лактозу. В молоке лактоза содержится в довольно значительном количестве: в коровьем молоке 4-5,5%  лактозы, женское молоко содержит 5,5-8,4% лактозы.

Лактоза отличается от других сахаров отсутствием гидроскопичности - она не отсыревает. Это свойство имеет большое значение: если нужно приготовить с сахаром какой-либо порошок, содержащий легко гидролизующее лекарство, то берут молочный сахар. Если взять тростниковый или свекловичный сахар, то порошок быстро отсыреет и легко гидролизующее лекарственное вещество быстро разложится.

Значение лактозы очень велико, т.к. она является важным питательным веществом, особенно для растущих организмов человека и млекопитающихся животных.

Солодовый сахар - это промежуточный продукт при гидролизе крахмала. По другому его называют еще мальтоза, т.к. солодовый сахар получается из крахмала при действии солода (по лат. солод - maltum).

Солодовый сахар широко распространен как в растительных, так и в животных организмах. Например, он образуется под влиянием ферментов пищеварительного канала, а также при многих технологических процессах бродильной промышленности: винокурения, пивоварении и т.д.

Важнейшие из полисахаридов - это крахмал, гликоген (животный крахмал), целлюлоза (клетчатка). Все эти три высшие полиозы  состоят из остатков молекул глюкозы, различным образом соединенных друг с другом. Состав их выражается общей формулой (С6Н12О6)п. Молекулярные массы  природных полисахаридов составляют от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Крахмал - это первый видимый продукт фотосинтеза. При фотосинтезе крахмал образуется  в растениях  и откладывается  в корнях,  клубнях, семенах. Зерна риса, пшеницы, ржи и других злаков содержат 60-80% крахмала, клубни картофеля  - 15-20%. Крахмальные зерна растений различаются по внешнему виду, что хорошо видно, когда их рассматриваешь под микроскопом (рис. 1).

Внешний вид крахмала хорошо всем известен: это белое вещество, состоящее из мельчайших зерен, напоминающих муку, поэтому его второе название «картофельная мука». 

Крахмал не растворим в холодной воде, в горячей набухает и постепенно растворяется, образуя вязкий раствор (клейстер).

При быстром нагревании крахмала происходит расщепление гигантской молекулы крахмала на мелкие молекулы полисахаридов, называемых декстринами. Декстрины имеют общую молекулярную формулу  с крахмалом (С6Н12О5)х, разница лишь в том, «х» в декстринах меньше «n» в крахмале.

Пищеварительные соки содержат несколько разных ферментов, которые при низкой температуре доводят гидролиз крахмала до глюкозы:

(С6Н10О5)  -------   (С6Н10О5)х   ---------   С12Н22О11  ---------   С6Н12О6

крахмал                                      ряд декстрин                                   мальтоза                                      глюкоза      

                                                                                                                         

Еще быстрее декстринизация идет в присутствии кислоты: 

                                                          Н2SО4 t                                                 

(С6Н10О5)n   ------------   n Н2О    ---------------    n С6Н12О6                                                                                                               



 Ферментативный гидролиз (разложение путем брожения) крахмала имеет промышленное значение в производстве этилового спирта из зерна и картофеля. Процесс начинается с превращением крахмала в глюкозу, которую затем сбраживают.  Используя специальные культуры дрожжей и изменяя условия, можно направить брожение и в сторону получения бутилового спирта, ацетона, молочной, лимонной и глюконовой кислот.

Подвергая крахмал гидролизу кислотами, можно получить глюкозу в виде чистого кристаллического препарата или в виде патоки - окрашенного нескристаллизирующего сиропа.

Наибольшее значение крахмал имеет в качестве пищевого продукта: в виде хлеба, картофеля, круп, являясь главным источником в нашем рационе питания. Кроме того, чистый крахмал применяется в пищевой промышленности в производстве кондитерских и кулинарных изделий, колбас. Значительное количество крахмала употребляется для проклеивания тканей, бумаги, картона, производства канцелярского клея.

В аналитической химии крахмал служит индикатором в йодометрическом методе титрования. Для этих случаев лучше применять очищенную амилозу, т.к. ее растворы не загустевают, а образуемая с йодом окраска более интенсивна.

В медицине и фармации крахмал применяется для приготовления присыпок, паст (густых мазей), а также при производстве таблеток.

В животном мире роль «запасного крахмала» играет родственный крахмалу полисахарид - гликоген. Гликоген содержится во всех животных тканях.  Особенно много его в печени (до 20%) и в мышцах (4%).

Гликоген представляет собой белый аморфный порошок, хорошо растворимый  даже в холодной воде. Молекула животного крахмала построена по типу молекул амилопектина, отличаясь лишь большей ветвистостью (рис. 2 в). Молекулярная масса гликогена  исчисляется миллионами.

С йодом растворы гликогена  дают  окрашивание от винно-красного до красно-бурого в зависимости от происхождения гликогена (вида животного) и других условий.

Гликоген является резервным питательным веществом для организма.