Углеводы

      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.

   б) Мальтозы и лактоза

   Молекула  мальтозы состоит из двух остатков α -глюкозы в пиранозной форме, соединенных через 1-й и 4-й атомы углерода: 
 
 
 

   Лактоза состоит из остатков (3-галактозы  и а-глюкозы в пиранозной форме, соединенных через 1-й и 4-й атомы  углерода: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Все эти вещества представляют собой бесцветные кристаллы сладкого вкуса, хорошо растворимые в воде.

   Химические  свойства дисахаридов определяются их строением. При гидролизе дисахаридов  в кислой среде или под действием  ферментов связь между двумя  циклами разрывается и образуются соответствующие моносахариды, например:

       С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О  ^{Н+,  t}    С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

                                                                         ^{глюкоза               фруктоза}

                              

   По  отношению к окислителям дисахариды делят на два типа: восстанавливающие и невосстанавливающие. К первым относятся мальтоза и лактоза, которые реагируют с аммиачным раствором оксида серебра по упрощенному уравнению:

         NH3

      C₁₂H₂₂O₁₁ + Ag₂O ——— > С₁₂Н₂₂О₁₂ + 2Ag.

   Эти дисахариды могут также восстанавливать гидроксид меди (II) до оксида меди (I):

      C₁₂H₂₂O₁₁ + 2Сu(ОН)₂ —— > С₁₂Н₂₂О₁₂ + Cu₂O↓ + 2Н₂О.

   Восстановительные свойства мальтозы и лактозы обусловлены  тем, что их циклические формы  содержат гликозидный гидроксил (обозначен  звездочкой), и, следовательно, эти дисахариды могут переходить из циклической формы в альдегидную, которая и реагирует с Ag2O и Сu(ОН)2.

   В молекуле сахарозы нет гликозидного гидроксила, поэтому ее циклическая форма не может раскрываться и переходить в альдегидную форму. Сахароза — невосстанавливающий дисахарид; она не реагирует с гидро-ксидом меди (II) и аммиачным раствором оксида серебра.

   Распространение в природе. Наиболее распространенный дисахарид — сахароза. Это химическое название обычного сахара, который  получают экстракцией из сахарной свеклы или сахарного тростника. Сахароза — главный источник углеводов в пище человека.

   Лактоза содержится в молоке (от 2 до 8%) и получается из молочной сыворотки. Мальтоза содержится в проросших семенах хлебных злаков. Мальтоза также образуется при неполном гидролизе крахмала.

   3. Полисахариды

 

   Молекулы  полисахаридов можно рассматривать  как продукт поликонденсации моносахаридов. Общая формула полисахаридов (СбН10О5)п. Мы рассмотрим важнейшие природные полисахариды — крахмал и целлюлозу.

   а) Крахмал

 

   Крахмал образуется в растениях при фотосинтезе  и откладывается в корнях и  семенах. Он представляет собой белый  порошок, нерастворимый в холодной воде и образующий коллоидный раствор в горячей воде.

   Крахмал — это природный полимер, образованный остатками а-глю-козы. Он существует в двух формах: амилоза и амшопектин. Амилоза растворима в воде и представляет собой линейный полимер, в котором остатки ос-глюкозы связаны друг с другом через первый и четвертый атомы углерода.

      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.

      

      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%).

   

   Фрагмент  амилозы выглядит следующим образом: 
 
 
 
 
 
 

   Линейная  полимерная цепь в молекуле амилозы свернута в спираль. Внутри спирали находится канал размером 0,5 нм, который может захватывать некоторые молекулы, например молекулу йода. Образующийся комплекс амилозы и йода имеет характерное синее окрашивание. Эта реакция служит для обнаружения йода.

   В отличие от амилозы, амилопектин  не растворим в воде и имеет  разветвленное строение. В его молекуле остатки α-глюкозы связаны не только 1,4-связями, но и 1,6-связями: 
 
 
 
 
 
 
 

   Химические  свойства.

   При нагревании в кислой среде крахмал  гидро-лизуется с разрывом связей между остатками a-глюкозы. При этом образуется ряд промежуточных продуктов, в частности мальтоза. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза:

                                                Н+, t

    (С₆Н₁₀О₅)n + nН₂О ———> nС₆Н₁₂О₆.

   Эта реакция имеет важное промышленное значение, поскольку из глюкозы получают этанол, молочную кислоту и другие ценные продукты.

   Крахмал — это ценный питательный продукт. Он входит в состав хлеба, картофеля, круп и наряду с сахарозой является важнейшим источником углеводов в человеческом организме.

   б) Целлюлоза

 

      Строение  молекул. Молекулярная формула целлюлозы (C₆H₁₀O₅)_n, как и у крахмала. Целлюлоза тоже является природным полимером. Ее макромолекула состоит из многих остатков молекул глюкозы. Может возникнуть вопрос: почему крахмал и целлюлоза — вещества с одинаковой молекулярной формулой — обладают различными свойствами?

      При рассмотрении синтетических полимеров  мы уже выяснили, что их свойства зависят от числа элементарных звеньев и их структуры. Это же положение относится и к природным полимерам. Оказывается, степень полимеризации у целлюлозы намного больше, чем у крахмала. Кроме того, сравнивая структуры этих природных полимеров, установили, что макромолекулы целлюлозы, в отличие от крахмала, состоят из остатков молекул р-глюкозы и имеют только линейное строение. Макромолекулы целлюлозы располагаются в одном направлении и образуют волокна (лен, хлопок, конопля).