Тема 3. «Углеводы» План

1. Углеводы, их классификация и значение.

2. Моносахириды. Гексозы. Глюкоза.

3. Полисахариды. Крахмал и целлюлоза.

4. Превращения углеводов в технологических процессах.

5. Пищевая ценность углеводов.

1.Углеводы – органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, причём водород и кислород находятся в них, как правило, в таком же соотношении, как и в молекуле воды (2/1).

Общая формула углеводов – С_n (Н₂О)_m, т.е. они как бы состоят из углерода и воды, отсюда и название класса, которое имеет исторические корни. В дальнейшем было установлено, что имеются углеводы, в молекулах которых не соблюдается указанное соотношение, например дезоксирибоза – С₅Н₁₀О₄. Известны также органические соединения, состав которых соответствует приведённой общей формуле, но которые не принадлежат к классу углеводов. К ним относятся, например, формальдегид СН₂О и уксусная кислота СН₃СООН.

Углеводы по их способности гидролизоваться можно разделить на три основные группы: моно-, ди- и полисахариды.

Моносахариды – углеводы, которые не гидролизуются (не разлагаются водой). В свою очередь, в зависимости от числа атомов углерода моносахариды подразделяются на триозы (молекулы которых содержат три углеродных атома), тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.

В природе моносахариды представлены преимущественно пентозами и гексозами.

К пентозам относятся, например рибоза – С₅Н₁₀О₅ и дезоксирибоза – С₅Н₁₀О₄.

К гексозам, имеющим общую молекулярную формулу С₆Н₁₂О₆, относятся, например, глюкоза, фруктоза, галактоза.

Дисахариды – углеводы, которые гидролизуются с образованием двух молекул моносахаридов. Общая формула – С₁₂Н₂₂О₁₁. Общее уравнение гидролиза:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О → 2С₆Н₁₂О₆

дисахарид гексоза

К дисахаридам относятся:

• сахароза (обычный пищевой сахар), который при гидролизе образует одну молекулу глюкозы и молекулу фруктозы. Она содержится в большом количестве в сахарной свекле, сахарном тростнике, клёне, сахарной пальме, кукурузе и т.д.

• мальтоза (солодовый сахар), которая гидролизуется с образованием двух молекул глюкозы. Мальтозу можно получить при гидролизе крахмала под действием ферментов, содержащихся в солоде, - пророщенных, высушенных и размолотых зёрнах ячменя;

• лактоза (молочный сахар), которая гидролизуется с образованием молекулы глюкозы и галактозы. Она содержится в молоке млекопитающих животных (до 4-6%) обладает невысокой сладостью и используется как наполнитель в драже и аптечных таблетках.

Сладкий вкус разных моно- и дисахаридов различен. Так, самый сладкий моносахарид – фруктоза – в полтора раза слаще глюкозы, которую принимают за эталон. Сахароза в 2 раза слаще глюкозы и в 4-5 раз – лактозы, которая почти безвкусна.

Полисахариды – крахмал, гликоген, декстрины, целлюлоза и т.д. – углеводы, которые гидролизуются с образованием множества молекул моносахаридов, чаще всего глюкозы. Общая формула полисахаридов – (С₆Н₁₀О₅)_n.

Роль углеводов в природе и их значение для жизни человека чрезвычайно велики. Образуясь в клетках растений в результате фотосинтеза, они выступают источником энергии для клеток животных. В первую очередь это относится к глюкозе.

Многие углеводы (крахмал, гликоген, сахароза) выполняют запасающую функцию, роль резерва питательных веществ.

Кислоты РНК и ДНК, в состав которых входят некоторые углеводы, выполняют функцию передачи наследственной информации.

Целлюлоза – строительный материал растительных клеток – играет роль каркаса для оболочек этих клеток. Другой полисахарид – хитин – выполняет аналогичную роль в клетках некоторых животных – образует наружный скелет членистоногих (ракообразных), насекомых, паукообразных.

Углеводы служат в конечном итоге источником нашего питания: мы потребляем зерно, содержащее крахмал, или скармливаем его животным, в организме которых крахмал превращается в белки и жиры. Самая гигиеническая наша одежда сделана из целлюлозы или продуктов на её основе: хлопка и льна, вискозного волокна, ацетатного шёлка. Деревянные дома и мебель построены из той же целлюлозы, образующей древесину. В основе производства фото- и киноплёнки всё та же целлюлоза. Книги, газеты, письма, денежные банкноты – всё это продукция целлюлозно-бумажной промышленности. Значит, углеводы обеспечивают нас всем необходимым для жизни: пищей, одеждой, кровом.

Кроме того, углеводы участвуют в построении сложных белков, ферментов, гормонов. Углеводами являются и такие жизненно необходимые вещества, как гепарин (он играет важнейшую роль – предотвращает свёртывание крови), агар-агар (его получают из морских водорослей и применяют в микробиологической и кондитерской промышленности – вспомните знаменитый торт «Птичье молоко»).

Необходимо подчеркнуть, что единственным источником энергии на Земле (помимо ядерной) является энергия Солнца, а единственным способом его аккумулирования для обеспечения жизнедеятельности всех живых организмов является процесс фотосинтеза, превращающий в клетках живых растений и приводящий к синтезу углеводов из воды и углекислого газа. Именно при этом превращении образуется кислород, без которого жизнь на нашей планете была бы невозможна.

Моносахариды. Гексозы. Глюкоза.

Физические свойства и нахождение в природе.

Глюкоза и фруктоза – твёрдые бесцветные кристаллические вещества. Глюкоза содержится в соке винограда (отсюда название «виноградный сахар») вместе с фруктозой , которая содержится в некоторых фруктах и плодах (отсюда название «фруктовый сахар»), составляет значительную часть мёда. В крови человека и животных постоянно содержится около 0,1% глюкозы. Большая её часть (около 70%) подвергается в тканях медленному окислению с выделением энергии и образованием конечных продуктов – углекислого газа и воды (процесс гликолиза):

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О +2920 кДж

Энергия, выделяемая при гликолизе, в значительной степени обеспечивает энергетические потребности живых организмов.

Превышение содержания глюкозы в крови свидетельствует о нарушении углеводного обмена и развитии опасного заболевания – сахарного диабета.

Строение молекулы глюкозы.

Глюкоза является альдегидо-спиртом (доказывают (опытные данные).

СН₂ОН – СНОН – СНОН – СНОН – СНОН – С ОН

Установлено, что в растворе глюкозы, помимо линейных молекул, существуют молекулы циклического строения, из которых состоит кристаллическая глюкоза. Циклическая формула показывает не только порядок связи атомов, но и их пространственное расположение. Возможны две циклические формы глюкозы: ᾴ- форма глюкозы, гидроксильные группы при первом и втором атомах углерода расположены по одну сторону кольца молекулы и β- форма глюкозы – гидроксильные группы находятся по разные стороны кольца молекулы:

В водном растворе глюкозы в динамическом равновесии находится три её изомерные формы – циклическая ᾴ - форма (37%), линейная форма (0,0026%) и циклическая β – форма (63%). Изомером альдегидоспирта глюкозы является кетоноспирт – фруктоза.

Химические свойства глюкозы.

Химические свойства определяются её строением, являясь многоатомным спиртом и альдегидом.

Как многоатомный спирт реагирует с гидроксидом меди, образуя ярко-синий раствор, может образовывать сложные эфиры

Как альдегид, способна окисляться в глюконовую кислоту и давать качественные реакции альдегидов. Глюкоза может восстанавливаться в спирт сорбит.

Под действием ферментов происходят брожения:

• спиртовое: С₆Н₁₂О₆ → 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ (используется для получения этилового спирта и алкогольных напитков);

• молочнокислое: С₆Н₁₂О₆ → 2СН₃ – СНОН – СООН (при скисании молока, квашении

молочная кислота

капусты и огурцов, силосовании зелёных кормов)

Применение глюкозы.

Глюкоза является основным источником энергии в живой клетке, поэтому она широко применяется в медицине при лечении самых различных заболеваний, особенно при общем истощении организма. Полученный восстановлением глюкозы сорбит используется при диабете в качестве заменителя сахара.

В микробиологической промышленности растворы глюкозы применяют как питательную среду для размножения кормовых дрожжей. Спиртовым брожением глюкозы получают пищевой этиловый спирт.

В кондитерской промышленности глюкоза в составе патоки используется при изготовлении мармелада, карамели, пряников и т.п.

Реакция «серебряного зеркала» глюкозы применяется при изготовлении зеркал, ёлочных украшений.

В текстильной промышленности глюкоза используется для отделки тканей.

Для всех этих целей глюкозу получают из крахмала, подвергая его гидролизу в присутствии минеральных кислот.

Полисахариды. Крахмал и целлюлоза.

Физические свойства и нахождение в природе.

Крахмал – белый аморфный порошок, не растворяется в холодной воде. В горячей воде он разбухает и образует коллоидный раствор – крахмальный клейстер.

Крахмал содержится в цитоплазме растительных клеток в виде зёрен запасного питательного вещества. В картофельных клубнях содержится около 20% крахмала, в пшеничных и кукурузных зёрнах – около 70%, а в рисовых – почти 80%.

Целлюлоза (клетка) –выделенная из природных материалов (вата, фильтровальная бумага), представляет собой твёрдое волокнистое вещество, нерастворимое в воде.

Оба полисахарида имеют растительное происхождение, однако играют в клетке растений разную роль: целлюлоза – строительную, конструкционную функцию, а крахмал – запасающую. Поэтому целлюлоза является обязательным элементом клеточной оболочки растений. Волокна хлопка содержат до 95% целлюлозы, волокна льна и конопли – до 80%, а в древесине её содержится около 50%.

Строение крахмала и целлюлозы.

Состав этих полисахаридов можно выразить общей формулой (С₆Н₁₀О₅)_n. Число повторяющихся звеньев в макромолекуле крахмала может колебаться от нескольких сотен до нескольких тысяч. Целлюлоза же отличается значительно большим числом звеньев и, следовательно, молекулярной массой, которая достигает нескольких миллионов.

Различаются углеводы не толь молекулярной массой, но и структурой. Для крахмала характерны два вида структур макромолекул: линейная и разветвлённая. Линейную структуру имеют более мелкие макромолекулы той части крахмала, которую называют амилозой (10-20%), а разветвлённую структуру имеют молекулы другой составной части крахмала – амилопектина (80-90%). Амилоза крахмала растворяется в горячей воде, а амилопектин только набухает. Структурные звенья крахмала включают остатки ᾴ - глюкозы, а целлюлозы – β – глюкозы, ориентированные в природные волокна.

Химические свойства.

Крахмал и целлюлоза подвергаются гидролизу с образованием глюкозы в присутствии минеральных кислот, например серной:

(С₆Н₁₀О₅)_n + (n – 1)Н₂О → nС₆Н₁₂О₆

полисахарид глюкоза

В пищеварительном тракте животных крахмал подвергается сложному ступенчатому гидролизу:

крахмал → декстрины → мальтоза → глюкоза

Организм человека не приспособлен к перевариванию целлюлозы, так как не имеет ферментов, необходимых для разрыва связей между остатками β – глюкозы в макромолекуле целлюлозы.

Лишь у термитов и жвачных животных (коров) в пищеварительной системе живут микроорганизмы, вырабатывающие необходимые для этого ферменты.

Крахмал может образовывать эфиры за счёт гидроксогрупп, однако эти эфиры не нашли практического применения.

Другое дело целлюлоза. За счёт спиртовых гидроксогрупп целлюлоза может образовывать сложные эфиры, которые широко применяются.

При обработке целлюлозы смесью азотной и серной кислот получают в зависимости от условий моно-, ди- и тринитроцеллюлозу.

Применение.

Смесь моно- и динитроцеллюлозы называют коллоксилином. Раствор коллоксилина в смеси спирта и диэтилового эфира – коллодий – применяют в медицине для заклеивания небольших ран и для приклеивания повязок к коже.

При высыхании раствора коллоксилина и камфары в спирте получается целлулоид – одна из пластмасс (фото и киноплёнка и др. товары). Растворы коллоксилина в органических растворителях применяются в качестве нитролаков. А при добавлении к ним красителей получаются прочные и эстетичные нитрокраски, широко используемые в быту и технике.

Все виды нитроцеллюлозы огнеопасны. Тринитроцеллюлоза – сильнейшее взрывчатое вещество. Под названием «пироксилин» она широко применяется для производства оружейных снарядов и проведения взрывных работ, а также для получения бездымного пороха. Ацетилцеллюлозу используют для получения лаков, красок, искусственного шёлка.

Крахмал, в отличие от целлюлозы, даёт синее окрашивание при взаимодействии с йодом. Эта реакция является качественной на крахмал.

Превращения углеводов в технологических процессах.

Углеводы при хранении пищевого сырья, его переработке в готовые продукты претерпевают разнообразные и сложные превращения. Они зависят от состава углеводного комплекса, условий (влажность, температура, рН среды), наличия ферментов, присутствия в перерабатываемых продуктах других компонентов, взаимодействующих с углеводами (белки, липиды, органические кислоты и т.д.).

Из этих превращений необходимо в первую очередь отметить кислотный и ферментативный гидролиз ди- и полисахаридов, брожение моноз, меланоидинообразование и карамелизацию.

Меланоидинообразование. Под меланоидинообразованием понимают взаимодействие восстанавливающих сахаров (монозы и восстанавливающие дисахаридыкак содержащиеся в продукте. Так и образующиеся при гидролизе более сложных углеводов) с аминокислотами, пентидами и белками, приводящее к образованию тёмно-окрашенных продуктов – меланоидинов. Характерные её признаки – потемнение продукта в результате образования трудно- или нерастворимых в воде тёмно-окрашенных соединений, снижение содержания редуцирующих сахаров и азота аминных групп, появление ароматобразующих веществ. Это окислительно-восстановительный процесс, который представляет собой совокупность последовательно и параллельно идущих реакций. Скорость и глубина меланоидинообразования зависит от состава взаимодействующих продуктов, соотношения отдельных компонентов, рН среды, температуры, влажности. Образующиеся в ходе меланоидинообразования из аминокислот и сахаров карбонилсодержащие соединения (ацетальдегид, фурфурол и др.) принимают участие в формировании аромата и вкуса готовых продуктов.

Реакция меланоидинообразования играет большую роль в процессах, происходящих при переработке пищевого сырья и существенно влияет на качество готовых продуктов. Особенно интенсивно идут эти процессы при высоких температурах (выпечка хлеба, сушка овощей, фруктов и т.д.).

Карамелизация сахаров. Нагревание моно- и дисахаров при температуре 100⁰С и выше приводит к изменению их химического состава, повышается цветность продуктов, увеличивается содержание редуцированных веществ. Глубина этих процессов, а следовательно, и состав образующихся веществ зависит от состава сахаров, их концентрации, степени и продолжительности теплового воздействия, рН среды, присутствия примесей. В пищевой промышленности особое значение имеет карамелизация сахарозы. Глюкозы. Фруктозы.

Пищевая ценность углеводов. Углеводы занимают большое место в питании. Их доля в продуктах питания человека составляет 50-60% (по калорийности), а у населения развивающихся стран – до 80-85%.

Основным источником углеводов в питании являются растительные продукты. Углеводы по усвояемости в организме условно можно разделить на две группы: усвояемые организмом человека (глюкоза, фруктоза, сахароза, крахмал) и неусвояемые – пищевые волокна и или балластные вещества (целлюлоза, гемицеллюлоза и пектиновые вещества(. Человек непосредственно не усваивает пищевые волокна, так как он не продуцирует ферментов, необходимых для их расщепления. Балластные вещества влияют на работу кишечника, создавая условия для продвижения пищи по желудочно-кишечному тракту, способствуют выведению из организма холестерина, препятствуют всасыванию ядовитых веществ. Недостаток балластных веществ способствует ожирению, развитию желчно - каменной болезни, сердечно - сосудистых заболеваний и др. Они также создают чувство насыщенности, снижают аппетит. Пищевой рацион должен содержать необходимое количество балластных веществ.

В то же время повышенное содержание клетчатки в рационе приводит к снижению усвоения многих компонентов пищи (особенно минеральных веществ) и может вызывать нарушения в деятельности желудочно – кишечного тракта. Основные источники балластных веществ в питании: хлеб грубого помола, картофель, капуста, морковь.

Из усвояемых сахаров первостепенное значение принадлежит сахарозе, широко используемой в приготовлении кондитерских и хлебобулочных изделий, варенья и «сладких» продуктов. Содержание сахарозы в сахаре 99,8%.

Широко распространены также глюкоза и фруктоза. В питании предпочтительнее применение фруктозы, т.к. она слаще глюкозы, поэтому для приготовления продуктов с этой же сладостью необходимы меньшие её количества, отсюда целесообразность использования фруктозы в рационах с пониженной калорийностью. Превращение фруктозы в организме протекает иначе, чем глюкозы, что очень важно для больных сахарным диабетом. Источник фруктозы в питании – мёд (до 37%), свёкла, фрукты, сахароза.

Потребность человека в углеводах связана с его энергетическими затратами и равна в среднем 382г в сутки. Избыток углеводов способствует ожирению, нарушению нервной системы, аллергизации организма. В последние годы пришли к выводу, что необходимо уменьшить потребление рафинированных углеводов. Для уменьшения доли 2незащищённых» углеводов обеспечения необходимого количества балластных веществ требуется снижение потребления сахара, кондитерских изделий, хлеба из муки высших сортов, манной крупы, макарон и увеличения в рационе хлеба из ржаной муки, овсяной крупы, овощей, фруктов, использование для « подслащения» варенья, ягод. Людям пожилого возраста, а также занимающимся умственным трудом и ведущим малоподвижный образ жизни, необходимо, чтобы потребление сахарозы составляло не более 15% от суточного потребления углеводов.