Углеводы

     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  гигроскопичности – 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 млекопитающих 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)_n. 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. 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 некристаллизированного 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. 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.

      Животные  и человек не способны синтезировать сахара и получают их с различными пищевыми продуктами растительного происхождения.

      В растениях углеводы образуются из двуокиси углерода и воды в процессе сложной реакции фотосинтеза, осуществляемой за счет солнечной энергии с участием зелёного пигмента растений - хлорофилла.  

1.2. Состав и строение  моносахаридов на  примере глюкозы.

      Из  шестиуглеродных моносахаридов - гексоз - важное значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза.

      Для установления структурной формулы  молекулы глюкозы необходимо знать  её химические свойства. Экспериментально доказали, что один моль глюкозы реагирует с пятью молями уксусной кислоты с образованием сложного эфира. Это означает, что в молекуле глюкозы имеется пять гидроксильных групп. Так как глюкоза в аммиачном растворе оксида серебра (II) дает реакцию «серебряного зеркала», то в её молекуле должна быть альдегидная группа.

      Опытным путем так же доказали, что глюкоза  имеет неразветвленную углеродную цепь. На основании этих данных строение молекулы глюкозы можно выразить следующей формулой:

      Как видно из формулы, глюкоза является одновременно многоатомным спиртом  а альдегидом, т.е альдегидоспиртом.

      Дальнейшие исследование показали, что кроме молекул с открытой цепью, для глюкозы характерны молекулы циклического строения. Это объясняется тем, что молекулы глюкозы, вследствие вращения атомов углерода вокруг связей могут принимать изогнутую форму и гидроксильная группа 5 углерода может приблизиться к гидроксильной группе. В последней под действием гидроксильной группы разрывается π-связь. К свободной связи присоединяется атом водорода, и образуется шестичленное кольцо, в котором альдегидная группа отсутствует. Доказано, что в водном растворе существуют обе формы молекул глюкозы - альдегидная и циклическая, между которыми устанавливается химическое равновесие:

      В молекулах глюкозы с открытой цепью альдегидная группа может  свободно вращаться вокруг σ-связи, которая находится между первым и вторым атомами углерода. В молекулах  циклической формы такое вращение не возможно. По этой причине циклическая форма молекулы может иметь различное пространственное строение:

1. α-форма глюкозы - гидроксильные группы (-ОН) при первом и втором атомах углерода расположены по одну сторону кольца.

2. б - форма глюкозы - гидроксильные группы находятся по разные стороны кольца молекулы.

      Глюкоза - бесцветное кристаллическое вещество со сладким вкусом, хорошо растворимое  в воде. Из водного раствора кристаллизуется. По сравнению со свекловичным сахаром  менее сладкая.

      Глюкоза обладает химическими свойствами, характерными для спиртов (гидроксильная (-ОН) группа) и альдегидов ( группа альдегида (-СНО). Кроме того, она обладает и некоторыми специфическими свойствами.

1. Свойства, характерные для спиртов:

а) взаимодействие с оксидом меди (II):

C₆H₁₂O_{6 +} Cu(OH)₂ → C₆H₁₀O₆C_u + H₂O

алкоголят меди (II)

б) взаимодействие с карбоновыми кислотами с  образованием сложных эфиров (реакция  этерификации).

C₆H₁₂O₆+5CH₃COOH→C₆H₇O₆(CH₃CO)₅

2. Свойства, характерные для альдегидов

а) взаимодействие с оксидом серебра ( I ) в аммиачном растворе (реакция "серебряного зеркала"):

C₆H₁₂O₆ + Аg2O → C₆H₁₂O₇ +2Ag↓

глюкоза глюконовая кислота 

б)восстановление (гидрирование) - до шестиатомного спирта (сорбита):

C₆H₁₂O₆ + H₂ → C₆H₁₄O₆

глюкоза сорбит

3. Специфические реакции - брожение:

а) спиртовое  брожение (под действием дрожжей):

С6Н12О6 → 2С2Н5ОН + 2СО2

глюкоза этиловый спирт 

б) молочнокислые  брожение (под действие молочнокислых  бактерий):

С6Н12О6 → С3Н6О3

глюкоза молочная кислота 

в) маслянокислое брожение:

С6Н12О6 → С3Н7СООН +2Н2 +2СО2

глюкоза масляная кислота 

      Первый  синтез простейших углеводов из формальдегида  в присутствии гидроксида кальция  был произведен А.М.Бутлеровым в 1861 году:

са(он)2

6НСОН  → С6Н12О6 

формальдегид  люкоза

      На  производстве глюкозу чаще всего получают гидролизом крахмала в присутствии серной кислоты:

Н₂SО₄

(С6Н10О5)n + nН2О → nC6H12O6

крахмал глюкоза 

      Глюкоза является ценным питательным продуктом. В организме она подвергается сложным биохимическим превращениям, в результате которых освобождается энергия, которая накопилась в процессе фотосинтеза. Упрощено процесс окисления глюкозы в организме можно выразить следующим уравнением:

С6Н12О6 + 6О2→6СО2+6H₂O+Q

      Так как глюкоза легко усваивается  организмом, ее используют в медицине в качестве укрепляющего лечебного средства. Широко применяют глюкозу в кондитерском деле (изготовление мармелада, карамели, пряников).

      Большое значение имеют процессы брожения глюкозы. Так, например, при квашении капусты, огурцов, молока происходит молочнокислое брожение глюкозы, так же, как при силосований кормов. Если подвергаемая силосованию масса недостаточно уплотнена, то под влиянием проникшего воздуха происходит маслянокислое брожение и корм становится непригоден к применению.

      На  практике используется также спиртовое брожение глюкозы, например при производстве пива.

      В организме человека глюкоза содержится в мышцах, в крови и в небольших количествах во всех клетках. Много глюкозы находится во фруктах, ягодах, нектаре цветов, особенно много в винограде.

      В природе глюкоза образуется в растениях в результате фотосинтеза в присутствии зелёного вещества - хлорофилла, содержащего атом магния. В свободном виде глюкоза содержится почти во всех органах зеленых растений. Особенно ее много в соке винограда, поэтому глюкозу иногда называют виноградным сахаром. Мед в основном состоит из смеси глюкозы с фруктозой.