Функции моносахаридов, олигосахаридов и полисахаридов

Средняя суточная потребность взрослого человека в углеводах — 500 г, а при интенсивной мышечной работе — 700-1000 г.

Функции моносахаридов и олигосахаридов в пищевых продуктах

Как и для белков у углеводов главной функциональной особенностью является гидрофильность. Гидрофильность углеовдов обусловлена наличием многочисленных ОН-групп, которые взаимодействуют с молекулами воды, что приводит к растворению углеводов.

Эффект связывания воды в значительной степени зависит от структуры углевода. Так, например, фруктоза значительно более гигроскопична, чем глюкоза, хотя они имеют и одинаковое число гидроксильных групп. А сахароза гораздо более гигроскопична чем лактоза или мальтоза. Различная водосвязывающая способность углеводов позволяет их целенаправленно использовать в различных технологиях.

Например, замороженные пекарские изделия не должны содержать больших количеств абсорбированной влаги, поэтому в этих изделиях целесообразно использовать лактозу или мальтозу. В других случаях, когда нежелательна потеря влаги в продуктах при хранении желательно использовать гигроскопичные сахара, например, фруктозные сиропы.

Углеводы могут связывать летучие ароматические вещества и способствуют сохранению цвета продуктов, что особенно важно в процессах сушки. Способность к связыванию ароматических веществ у олигосахаридов (циклодекстрины, гуммиарабик) выражена в большей степени, чем у моносахаридов.

Под действием высоких температур углеводы в пищевых продуктах участвуют в реакциях образования коричневых веществ – это реакции карамелизации и меланоидинообразования. При этом образуются и ароматические вещества, имитирующие карамельный аромат, аромат ржаного хлеба, шоколада, запах картофеля или жареного мяса. Протекание подобных реакций необходимо учитывать, так как они могут быть и нежелательными.

Важной функцией низкомолекулярных углеводов в пищевых продуктах является их сладость. Если принять сладость сахарозы за 100ед., то сладость глюкозы составит 74ед., фруктозы – 180ед., лактозы – 32ед., а у заменителей сахара аспартам – 180ед, сахарин – 500ед.

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОНОСАХАРИДОВ

Оптические свойства моносахаридов — это способность их растворов отклонять плоскость поляризованного света (луча) вправо или влево.

Поляризованный луч образуется при прохождении монохроматического света (света с определенной длиной волны) через мелкоструктурные решетки, которые называют поляризаторами. Примером поляризатора служит призма Николя. Это кристалл исландского шпата, разрезанный под определенным углом и вновь склеенный канадским бальзамом. Поверхность раздела, покрытую бальзамом, называют плоскостью поляризации.

При прохождении через призму Николя свет попадает на плоскость поляризации. Показатель преломления канадского бальзама настолько велик, что происходит полное внутреннее отражение всего светового потока, кроме одного луча, который проходит через призму. Этот луч называют поляризованным, так как его колебания происходят только в одной плоскости — плоскости колебания поляризованного луча (света). Она перпендикулярна плоскости поляризации призмы.

Читайте также:  Список лучших диетических продуктов питания для похудения

Оптическая активность органических веществ связана с наличием в их молекулах асимметрического атома углерода — это атом, у которого все четыре заместителя (радикала) различны.

У гексоз таких атомов четыре: второй, третий, четвертый и пятый. Однако на способность отклонять плоскость поляризованного луча влияет лишь гидроксил у последнего (пятого) асимметрического атома углерода.

В зависимости от положения гидроксила у этого атома углерода углевод носят к D- или L-ряду (D от лат. dexter — правый; L от лат. laevus — левый). Если гидроксил справа, то это D-изомер, слева — L-изомер.

Однако форма записи не всегда совпадает с направлением истинного отклонения плоскости поляризованного света. Например, D-фруктоза на самом деле отклоняет его влево. Поэтому приставки D- или L- обозначают только конфигурацию вещества и не связаны с направлением отклонения плоскости поляризованного света.

Для обозначения истинного направления отклонения используют обозначения: (+) — вправо, (-) — влево.

Установлено, что все природные сахара принадлежат к D-ряду, например, D(+) глицериновый альдегид, D(-) рибоза, D(+) галактоза, D(+) глюкоза и др.

Моносахариды

Моносахариды (моно- = «один», сахаро- = «сладкий») являются простыми сахарами, наиболее распространенным из которых является глюкоза.

В моносахаридах количество атомов углерода обычно составляет от трех до семи.

Большинство моносахаридных названий заканчиваются суффиксом —оза.

Если в сахаре есть альдегидная группа (функциональная группа со структурой R-CHO), она является альдозой, и если она имеет кетоновую группу (функциональную группу со структурой RC (= O) R ‘), она является кетозой.

В зависимости от количества углеродов в сахаре они также могут быть известны как триозы (три углерода), пентозы (пять углеродов) и гексозы (шесть атомов углерода).

Моносахариды

Триозы

Двумя простейшими моносахаридами являются дигидроксиацетон (триоза с кетоновой группой) и глицеральдегид (триоза с альдегидной группой).

Пентозы

Два распространенных пентозных сахаров представляют собой рибозу (ribose, компонент РНК) и рибулозу (ribulose, участвует в фотосинтезе).

Гексозы

Три распространенных гексозыглюкоза (glucose, источник энергии для всех клеток), галактоза (galactose, молочный сахар) и фруктоза (fructose, фруктовый сахар).

Хотя глюкоза, галактоза и фруктоза имеют одну и ту же химическую формулу (C6H12O6), они отличаются структурно и химически (и известны как изомеры) из-за различного расположения функциональных групп вокруг асимметричного углерода. Все эти моносахариды имеют более одного асимметричного углерода.

Моносахариды могут существовать как в виде линейной цепи, так и в виде кольцевой молекулы. В водных растворах они обычно находятся в кольцевых формах.

Структура глюкозных колец

Моносахариды

Когда молекулы глюкозы образуют шестичленное кольцо, существует 50-процентный шанс того, что гидроксильная группа у первого углерода окажется ниже плоскости кольца.

Глюкоза в кольцевой форме может иметь два разных расположения гидроксильной группы (-ОН) вокруг аномерного углерода (углерод № 1, который становится асимметричным в процессе кольцеобразования, стереоцентр).

Если гидроксильная группа ниже углерода № 1 в сахаре, то говорят, что она находится в положении альфа (α), и если она находится над плоскостью, говорят, что она находится в положении бета (β).

СТРОЕНИЕ

В зависимости от характера оксогруппы (альдегидная или кетон- ная), входящей в состав моносахаридов, монозы могут быть альдозами (полигидроксиальдегидами) и кетозами (полигидроксикетонами):

Читайте также:  Добавка Е202 или сорбат калия: влияние на здоровье

_« 289

Из гексоз наибольшее значение имеют глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар). В состав глюкозы входит альдегидная группа, а фруктозы — кетонная. Поэтому глюкоза — представитель альдоз, а фруктоза — кетоз.

Глюкоза и фруктоза имеют одну и ту же общую формулу СПН2П0П, но различное строение. Таким образом, глюкоза и фруктоза — изомеры:

Формулы показывают различное расположение атомов водорода и гидроксильных групп в пространстве относительно углеродной цепи. Цепь нумеруют с того конца, к которому ближе расположена карбонильная группа (в альдозах нумерация начинается с углерода альдегидной группы). Строение моносахаридов, выраженное этими формулами, соответствует самой простой их форме — цепной, или открытой (ациклической). Она содержит свободную альдегидную или кетонную группу.

Однако молекулы моносахаридов могут существовать не только в виде цепных форм, но и в виде циклических, или полуацеталъных[1]. Эти формы не содержат свободную альдегидную или кетонную группу. Циклическая форма образуется при переходе атома водорода гидроксильной группы, связанной с пятым (С5) или четвертым (С4) углеродным атомом в молекуле глюкозы либо шестым (С6) или пятым (С5) атомом углерода в фруктозе, к кислороду карбонильной группы. Такой переход возможен потому, что, во-первых, карбонильная группа поляризована, а во-вторых, цепная молекула монозы в пространстве расположена так, что один из перечисленных гидроксилов находится рядом с кислородом карбонильной группы. Например, для глюкозы процесс циклизации можно представить так:

При этом возникает кислородный мостик и образуется новый гидроксил, который называют полуацетальным или гликоэидным[2]. Он резко отличается своими свойствами от других гидроксилов. Так, его водород легче, чем в других гидроксильных группах, замещается на алкил, образуя простой эфир. Но этот эфир также легко подвергается омылению, что противоречит свойству простых эфиров (устойчивость к гидролизу). В глюкозе глюкозидный гидроксил находится при первом (Cj) углеродном атоме, а в фруктозе — при втором (Сг).

Предположение о циклическом строении моносахаридов было высказано впервые русским ученым (1870), который также установил и пятиатомность глюкозы.

Пятичленные циклические формы моноз по номенклатуре Хеуорзса называют фуранозами (от названия пятичленного гетероцикла — фура- на), а шестичленные циклические формы — пиранозами (от названия шестичленного гетероцикла — пирана).

Две формы моносахаридов — цепная и циклическая — являются таутомерными (кольчато-цепная таутомерия) и способны самопроизвольно переходить одна в другую в водных растворах. Такой переход совершается в зависимости от условий проведения реакций и характера реагентов. Например, глюкоза в водном растворе существует в трех формах, способных переходить одна в другую: открытой (альдегидной) и двух циклических — пятичленной и шестичленной:

Читайте также:  Диета для беременных: составление рациона и рекомендуемые продуты

Фруктоза также существует в виде цепной кетонной и двух циклических форм — пятичленной и шестичленной:

Равновесие всех этих форм наблюдается только в водном растворе [3]. Если равновесие нарушается, то одна форма переходит в другую. В кристаллическом состоянии монозы имеют циклическое строение — преимущественно шестичленное (6-оксидную форму).

Обычно для изображения изомеров моноз (в цепной форме) используют проекционные формулы :

Однако циклическую форму моносахаридов удобнее изображать в виде «перспективных» формул Хеуорзса:

Такое изображение позволяет видеть взаимное расположение атомов водорода и гидроксильных групп относительно плоскости кольца. При этом символы углеродных атомов опускаются. Для большей наглядности изображения часть плоскости кольца, обращенной к читателю, выделяют более жирными линиями.

  • [1] «Полуацетальную» форму легко представить, если вспомнить реакциюобразования полуацеталей при взаимодействии альдегидов со спиртами:
  • [2] Гликозидный — общее название полуацетального гидроксила для всехальдоз и кетоз. В случае глюкозы этот гидроксил называется глюкозидным.
  • [3] Установлено, что в воде 99,8 % молекул глюкозы находятся в одной илидругой циклической форме и только 0,2 % — в открытой, альдегидной форме.

Моносахариды. Глюкоза

Глюкоза (С6Н12О6) – представляет собой кристаллы белого цвета, сладкие на вкус и хорошо растворимые в воде. Молекулы глюкозы могут существовать в линейной (альдегидоспирт с пятью гидроксильными группами) и циклической форме (α- и β-глюкоза), причем вторая форма получается из первой при взаимодействии гидроксильной группы при 5-м атоме углерода с карбонильной группой (рис. 1).

Рис. 1. Формы существования глюкозы: а) β-глюкоза; б) α-глюкоза; в) линейная форма

Для углеводов, в частности для глюкозы, характерны следующие химические свойства:

1. Реакции, протекающие при участии карбонильной группы:

— глюкоза окисляется аммиачным раствором оксида серебра и гидроксидом меди (II) в глюконовую кислоту при нагревании

CH2OH-(CHOH)4-CH=O + Ag2O → CH2OH-(CHOH)4-COOH + 2Ag↓

CH2OH-(CHOH)4-CH=O + 2Cu(OH)2 → CH2OH-(CHOH)4-COOH +Cu2O + H2O

— глюкоза способна восстанавливаться в шестиатомный спирт – сорбит

CH2OH-(CHOH)4-CH=O +2[H] → CH2OH-(CHOH)4-CH2OH

— глюкоза не вступает в некоторые реакции, характерные для альдегидов, например, в реакцию с гидросульфитом натрия.

2. Реакции, протекающие при участии гидроксильных групп:

— глюкоза дает синее окрашивание с гидроксидом меди (II) (качественная реакция на многоатомные спирты);

— образование простых эфиров. При действии метилового спирта на один из атомов водорода замещается на группу СН3. В эту реакцию вступает гликозидный гидроксил, находящийся при первом атоме углерода в циклической форме глюкозы

— образование сложных эфиров. Под действием уксусного ангидрида все пять групп –ОН в молекулу глюкозы замещаются на группу –О-СО-СН3.

3. Брожение:

— спиртовое брожение

— молочнокислое брожение

C6H12O6 → 2CH3-CH(OH)-COOH

— маслянокислое брожение

C6H12O6 → C3H7COOH + 2H2 + 2CO2