1.4. Углеводы

Название углеводов было предложено в 1884 г. К. Шмидтом. Международная комиссия по реформе биолого-химической номенклатуры приняла для всего класса углеводов новое название - “глюциды” (от греческого glukus - сладкий).

Углеводы являются наиболее распространенными органическими соединениями планеты Земля. Они составляют три четверти биологического мира и примерно 60-80 % калорийности пищевого рациона.

Таким образом, углеводы являются главным источником энергии для человеческого организма, необходимой для жизнедеятельности всех клеток, тканей и органов, особенно мозга, сердца, мышц. За счет окисления углеводов удовлетворяется примерно половина всей потребности человека в энергии. Кроме всего углеводы входят в состав структурно-функциональных компонентов клеток. Из них в организме могут синтезироваться соединения других классов, в частности липиды и некоторые аминокислоты.

Углеводы - наиболее дешевый источник энергии. Как считает наука о питании, человек трудоспособного возраста должен получать 53-58 % необходимых ему калорий за счет углеводов. Они играют важную роль в пластических процессах и функциональной деятельности отдельных органов и систем, обмене веществ и защитных реакциях организма. Клетчатка и пектиновые вещества благоприятно влияют на функцию пищеварительного тракта, усиливают перистальтику кишечника, стимулируют отделение пищеварительных соков, нормализуют деятельность полезной кишечной микрофлоры, способствуют выведению из организма холестерина.

При недостатке в пищевом рационе углеводов на производство энергии в организме расходуется больше белков. Если в пище имеется достаточное количество углеводов, то организм не тратит излишних белков на энергетические цели, а экономит их, используя главным образом как “строительный материал”.

Углеводы необходимы для нормального использования организмом жиров, при этом из них образуется вода и углекислота. Если в пищевом рационе не содержится в достаточной мере углеводов, то пищевые жиры не полностью сгорают, образуя так называемые кетоновые тела, которые вредно влияют на здоровье. Избыточное употребление в пищу углеводов также может принести вред здоровью. Они являются источником образования и отложения в теле жира. Чрезмерное употребление хлеба, сахара, кондитерских изделий - одна из причин развития атеросклероза, желчно-каменной болезни, ожирения. Установлено, что при избыточном углеводном питании нарушается нормальная деятельность нервной системы. Каждые лишние 25 г углеводов приводят к образованию 10 г жира в организме и его накоплению.

Основным источником углеводов являются растительные продукты. В растениях на долю углеводов приходится около 80 % сухого веса. В продуктах животного происхождения углеводов значительно меньше - около 2 % сухого веса (за исключением меда в котором углеводов содержится до 80 %).

Ряд пищевых продуктов состоит почти из одних углеводов (сахар, патока, мед, крахмал, саго, карамель); в других продуктах они составляют значительную часть, например, в крупах, хлебе, макаронах, плодах, овощах. Около 52-56 % углеводов потребляются с зерновыми продуктами, 14-26 % - с сахаром и сахаропродуктами, около 8-19 % - с клубне- и корнеплодами, 5-7 % - с фруктами. Ежесуточно человеку необходимо от 400 до 700 г углеводов.

Углеводы, поступающие в организм с пищей, представляют собой главным образом полисахариды и лишь частично ди- и моносахариды. Из числа полисахаридов основное место в питании принадлежит крахмалу; наиболее богаты крахмалом зерна злаковых (60-80 %). Дисахариды поступают в организм главным образом в виде свекловичного (сахарозы) и молочного сахара (лактозы). Моносахариды – глюкоза и фруктоза – содержатся в основном во фруктах и ягодах.

Таблица 1

Углеводы продуктов питания

Продукты	Крахмал	Сахара				Клетчатка	Пектиновые вещества	Всего углеводов
		всего	в том числе
			сахароза	глюкоза	фруктоза
Мука пшеничная	67-68	1,7-1,8	–	–	–	0,1-0,2	–	73-74
Макароны	62-69	1,7-4,6	–	–	–	0,1-0,2	–	72-75
Рис	55	3	–	–	–	4-10	–	63-64
Гречка	63-64	2	–	–	–	1-2	-	67-68
Яблоки	–	14,9	3,0	3,8	8,1	0,6	1,1	11-17
Виноград	–	15,6-24,0	0,6-4,0	8-10	7-10	0,6	0,6	17-25
Персики	–	15,8	6,3	5,1	4,4	1,0	0,6	17-18
Лимоны	–	2,1	0,9	0,6	0,6	0,5	1,1	3-4
Земляника	–	6,5	0,4	2,8	3,3	1,4	1,6	9-10

Превращение крахмала в моносахариды в организме протекает относительно медленно, благодаря чему всасывание простых сахаров в кишечнике происходит постепенно. Это создает благоприятные условия для возможно более полного их использования. В противоположность этому сахар в чистом виде, в варенье, меде, конфетах и кондитерских изделий всасывается в кишечнике настолько быстро, что при обильном потреблении этих продуктов возникает алиментарная гипергликемия, в результате чего значительная часть введенного сахара быстро сжигается и не может быть использована для ресинтеза гликогена. В таких случаях у некоторых людей возникает ряд неприятных ощущений в виде усиленного потоотделения, тошноты, сменяющихся вялостью, слабостью вплоть до полуобморочного состояния и т.д. Эти явления связаны с тем, что количество сахара в крови тут же после съедания его резко увеличивается, а затем сильно падает. Резкие колебания сахара в крови возбуждают нервную систему. Поэтому не следует употреблять в сутки более 100 г сахара и сахаристых, в том числе и кондитерских изделий.

Чистый сахар с точки зрения фармакологии здоровья заслуживает самого пристального внимания. Многие ученые утверждают, что потребление большого количества сахара чрезвычайно опасно, поскольку резко возрастает содержание холестерина в крови и ведет к заболеваниям сердечно-сосудистой системы человека. В книге американца Дж. Додала “Здоровье, сахар и преступное мышление” автор даже приходит к выводу, что высокое потребление сахара является причиной резкого колебания содержания сахара в крови, что отрицательно сказывается на питании клеток мозга, истощении нервной системы и извращения в области мышления. Действительно ли сахар так вреден? Последние исследования многих ученых дают однозначный ответ – нет. Опасность для здоровья заключена не в самом сахаре, а в злоупотреблении им.

Учеными установлено, что недоочищенный “желтый” сахар – безвредный пищевой продукт, лишенный отрицательных сторон действия белого сахара. Поэтому включение “желтого” сахара в питание людей может дать оздоровляющий эффект и уменьшить заболеваемость некоторыми болезнями (кариес, диабет, атеросклероз и др.).

Овощи и фрукты всегда занимали почетное место среди продуктов питания человека. Еще в древние времена человек инстинктивно отбирал растения не только для питательных, но и для лечебных целей. Особенно велика роль плодов и овощей в питании пожилых людей.

Действие овощей и фруктов сказывается прежде всего на функциях желудочно-кишечного тракта. По степени своего возбуждающего влияния на деятельность органов пищеварения они значительно превосходят многие продукты питания, такие как мясо, хлеб, молоко и др. Калорийность большинства свежих овощей и плодов относительно невелика; в них содержится очень мало белка и практически отсутствует жир. Пищевая ценность их обусловлена наличием легко усвояемых углеводов, органических кислот, пектиновых, дубильных, красящих, ароматических и других полезных для организма веществ.

Из углеводов во фруктах преобладают простые сахара - глюкоза и фруктоза (в пределах 6-15 %); обнаружено небольшое количество сахарозы (0,5-2 %) и еще меньше крахмала (до 0,1 %). Они также содержат заметное количество неусвояемых углеводов – клетчатки, пектина, гемицеллюлоз (1-2 % – фрукты, 3-6 % – ягоды).

В наше время потребление населением страны свежей плодоовощной продукции практически в два раза ниже, предусмотренных физиологических норм.

С точки зрения пищевой ценности углеводы подразделяются на усвояемые и неусвояемые. К первым относятся простейшие растворимые сахара (главным образом глюкоза, фруктоза и сахароза), полисахариды, крахмал и продукты его частичного гидролиза (декстрины), а также гликоген.

Ко вторым - инулин, маннан, пектин, целлюлоза, гемицеллюлозы, гумми и слизи.

При поступлении в пищеварительный тракт усвояемые углеводы (за исключением моносахаридов) расщепляются и всасываются, а затем или непосредственно утилизируются (в виде глюкозы), или превращаются в жир, а также откладываются на временное хранение в виде гликогена.

Накопление жира особенно выражено при избытке в диете простых сахаров и отсутствии необходимого расхода энергии. Все ткани могут использовать в качестве энергетического материала как глюкозу, так и жирные кислоты. Исключением является мозг, для которого главным источником энергии является глюкоза.

При недостатке углеводов в рационе печень использует белки для глюконеогенеза и в результате происходит потеря белка. Расщепление белка и превращение части аминокислот в гликоген требует больше энергии, чем высвобождается. Энергия, получаемая таким путем, менее эффективна по сравнению с высвобождаемой из углеводов. Следовательно, с точки зрения рационального питания, белок необходимо использовать экономно и каждый прием еды сопровождать определенным количеством углеводов.

Помимо углеводов, усвояемых организмом, в пищевых продуктах содержатся неусвояемые углеводы - пектин, целлюлоза и гемицеллюлозы, а также другие неперевариваемые соединения, такие, как лигнин и гумми. Обычно целлюлозу с примесью гемицеллюлоз и лигнина объединяют под названием "пищевая клетчатка" или "сырая клетчатка".

Клетчатка оказывает влияние на состояние моторной функции пищеварительной системы и на течение липидного обмена. Полагают, что недостаток в диете клетчатки является фактором, способствующим развитию заболеваний цивилизованного человека: ожирения, сердечно-сосудистых заболеваний и др.

В диете населения западноевропейских стран содержание клетчатки составляет около 4,5 г в день. Потребление клетчатки вегетарианцами западноевропейских стран составляет 20 г в день, а населением некоторых африканских стран - до 25 г в день. Характерно, что в этих странах такие заболевания толстого кишечника, как дивертикулиты и злокачественные новообразования, представляют собой редкое явление в отличие от Америки или Западной Европы.

Углеводам принадлежит большая роль в биохимических превращениях происходящих в живых организмах и, следовательно, в пищевых продуктах с сохраняющимися жизненными функциями (например, плоды и овощи). Кроме того, необходимо иметь в виду, что и прекращение жизни в организмах не означает прекращение процессов, происходящих в них; изменяется лишь их направленность. И в этих превращениях немаловажное значение имеют процессы, вызывающие изменение углеводов. Например, гликолиз, связанный с ферментативным изменением гликогена и в конечном счете глюкозы, в послеубойных процессах, происходящих в мясе (процесс гликолиза), является необходимым предварительным этапом для последующего комплекса изменений, который завершается созреванием мяса. Пектиновые вещества, относящиеся к классу углеводов, взаимодействуя с сахарами и органическими кислотами в известных соотношениях, образуют желеобразные продукты (мармелад, пастилу).

Содержание и превращение углеводов обусловливают товарные свойства растительных продуктов – вкус, консистенцию, устойчивость при транспортировании и хранении, цвет при переработке и т.п.

Значение углеводов для пищевых продуктов, кроме всего, состоит в том, что их изменения под влиянием микробиологических (различные виды брожения), а также физических (кристаллизация, меланоидинообразование и др.) и биохимических (дыхание, осахаривание, гликолиз и др.) процессов непосредственно отражаются на товароведных свойствах готовых изделий.

Все углеводы, встречающиеся в продуктах растительного и животного происхождения, в зависимости от сложности строения их молекул, можно разделить на три основных класса: простые углеводы или моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

К классу моносахаридов относятся углеводы, молекулы которых построены из трех, четырех, пяти или шести углеродных атомов.

Ко второму классу - олигосахаридам - относятся углеводы, молекулы которых состоят из моносахаридов в количестве от двух до шести: дисахаридов, трисахаридов, тетрасахаридов, пентасахаридов и гексасахаридов.

Третий класс углеводов представляет собой полисахариды, молекулы которых состоят из более чем шести остатков моносахаридов. В зависимости от характера строения, из них выделяют два подкласса соединений: гомополисахариды (состоящие из одинаковых остатков моносахаридов) и гетерополисахариды (состоящие из неодинаковых структурных элементов).

В зависимости от биологических функций полисахариды можно классифицировать на три группы:

– резервные полисахариды (крахмал, гликоген, инулин, лихенин);

– структурные полисахариды (пентозаны, целлюлоза, пектиновые вещества, хитин);

– полисахариды с неизвестной функцией (растительные слизи, камеди, полисахариды бактерий и грибов).

Простые углеводы (моносахариды) являются производными многоатомных спиртов и содержат одновременно со спиртовыми группами -ОН, также альдегидные

О

С

Н

или кетонные С=О группы. Все моносахариды - белые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, обладающие более или менее сладким вкусом.

Моносахариды, содержащие альдегидные группы, получили название альдоз, а кетонные группы - кетоз.

Подавляющее большинство природных моносахаридов содержит неразветвленную цепь углеродных атомов. Моносахариды с разветвленной цепью встречаются очень редко.

Простейшими моносахаридами являются триозы - глицериновый альдегид и диоксиацетон, которые могут быть получены при окислении глицерина:

О

С-Н		СН2ОН		СН2ОН
				
СНОН 	-2Н 	СНОН 	-2Н 	С=О 
СН2ОН		СН2ОН		СН2ОН

глицериновый глицерин диоксиацетон

альдегид (альдоза) (кетоза)

Из моносахаридов в пищевых продуктах в основном находятся тетрозы (С₄Н₈О₄), пентозы (C₅H₁₀O₅) и гексозы (C₆H₁₂O₆)

Из тетроз обнаружена Д-эритрулоза в виде фосфорного эфира, участвующего в процессе обмена углеводов в растениях и жвотных.

В отличие от триоз и тетроз, из моносахаридов в природе чаще всего встречаются пентозы и гексозы, имеющие важное биологическое значение.

Пентозы распространены главным образом в растительном мире в виде высших углеводов - пентозанов. Они входят в состав стенок растительных клеток.

Из пентоз в организме животных встречаются Д-рибоза, входящая в состав нуклеиновых кислот и нуклеопротеидов, которые, в свою очередь, являются составными частями ядер клеток.

В природе более распространенными являются альдопентозы (L-арабиноза, Д-рибоза, Д-ксилоза) и метилальдопентозы (рамноза, родеоза, фукоза). Пентозы входят в состав и некоторых природных глюкозидов.

Пентозы не усваиваются организмом человека и не сбраживаются дрожжами, по этой причине их следует отнести к неусвояемым углеводам пищевых продуктов. Однако вполне возможно, что в кислой среде в процессе пищеварения пентозаны подвергаются частичному гидролизу и высвободившиеся пентозы вовлекаются в биохимические процессы, протекающие в клетках организма.

Пентозы являются восстанавливающими сахарами. При нагревании со слабыми минеральными кислотами пентозы, отщепляя три молекулы воды, переходят в фурфурол.

Превращение пентоз с образованием фурфурола происходит и в производстве некоторых пищевых продуктов. Например, при выпечке хлеба из цельной муки пентозы частично превращаются в фурфурол, обусловливающий специфический запах печеного хлеба. Фурфурол является нежелательным сопутствующим веществом спирта, т.к. ухудшает его вкусовые свойства. С другой стороны, фурфурол служит важным сырьем для некоторых полимеров.

L-арабиноза. В отличие от других моносахаридов арабиноза в растениях обычно встречается в L-форме. Она содержит ассиметрический атом углерода и, следовательно имеет два стереоизомера (Д и L-форму).

L-арабиноза широко распространена в растениях, но она обычно содержится не в свободном состоянии, а входит в состав других веществ: гемицеллюлоз, пентазанов, растительных камедей (вишневый клей), пектиновых веществ, гликозидов. Животные слабо используют L-арабинозу, дрожжи её не сбраживают.

Д-ксилоза. Д-ксилозу иногда называют древесным сахаром. Объясняется это тем, что она входит в состав пентозанов-ксиланов, которых много в древесине, соломе, отрубях, шелухе подсолнечника. При кислотном гидролизе этих продуктов может быть получена чистая Д-ксилоза. Кроме того, ксилоза входит в состав некоторых гликозидов.

Организм человека и животных Д-ксилозу не усваивет, она не сбраживается под действием дрожжей.

Д-рибоза входит в состав многих биологических соединений, играющих важную роль в процессах обмена веществ - рибонуклеиновой кислоты, витаминов, некоторых коферментов. В свободном состоянии ее в растениях мало.

Для товароведения пищевых продуктов из моносахаридов наибольший интерес представляют гексозы, чаще всего встречающиеся в пищевых продуктах в свободном виде и в составе сложных углеводов. Известны 32 изомера альдогексоз и 24 изомера кетогексоз.

Из альдогексоз в наибольшем количестве в свободном виде и в составе более сложных соединений встречаются Д-глюкоза, Д-манноза и Д-галактоза, а из кетогексоз - Д-фруктоза.

Одним из основных свойств гексоз и олигосахаридов (сахароза) является их сладкий вкус. Если в постоянных условиях при температуре 20°С и концентрации 5-6 % принять сладость сахарозы за 100 единиц, то сладость других сахаров будет выражаться в следующих числах: фруктозы - 173, глюкозы -74, мальтозы -32, галактозы - 32, рафинозы - 23 и лактозы - 16.

Все сахара растворяются в воде, оптически активны и легко сбраживаются микроорганизмами. За исключением сахарозы, все сахара восстанавливают окись меди в закись, поэтому их называют восстанавливающими, или редуцирующими, сахарами.

Гексозы являются важнейшими сахарами из моноз. Из гексоз в свободном виде в пищевых продуктах находится -глюкоза и  -фруктоза. Остальные гексозы встречаются в свободном виде довольно редко и в незначительных количествах. Все же, в большинстве случаев гексозы в пищевых продуктах находятся в составе полисахаридов, из которых они могут выделяться кислотным или ферментативным гидролизом. Из продуктов животного происхождения только в мёде содержится значительное количество углеводов (до 78-80 %), из которых большинство составляют глюкоза и фруктоза, находящиеся в свободном виде.

Д - глюкозу называют иначе виноградным сахаром (из-за

высокого содержания в винограде). В чистом виде усваивается организмом лучше других углеводов, и поэтому в медицине используется как препарат для инъекции. В растительных продуктах глюкоза содержится совместно с другими углеводами и, кроме того, входит в состав многих из них (мальтозы, сахарозы,

лактозы, раффинозы). Из глюкозы построены полисахариды, целлюлоза, крахмал, гликоген. Глюкоза встречается также в фосфорилированном виде, т.е. в соединении с фосфорной кислотой в качестве одного из промежуточных продуктов углеводного обмена: глюкозо-1-фосфорная кислота, глюкозо-6-фосфорная кислота и глюкозо-1,6-фосфорная кислота.

Глюкоза в пищевых продуктах чаще всего находится совместно с фруктозой. В свободном виде глюкоза встречается в плодах, овощах, семенах, листьях, цветках, корнях; в связанном виде - в ди- и полисахаридах, в глюкозидах и др.

Природная глюкоза имеет d-форму. Она может окисляться, а также восстанавливаться. При окислении слабыми окислителями альдегидная группа оксисляется с образованием спиртокислот (сахарная, глюконовая).

		СН2ОН
		
Н	-	С-ОН
		
НО	-	С-Н
		
Н	-	С-ОН
		
Н	-	С-ОН
		
		СН2ОН

. также восстанавливаться. При окислении слабыми окислителями аль­дегидная группа окисляется с образованием спиртокислотЛ'

При восстановлении глюкозы образуется шестиатомный спирт d-сорбит, находящийся в ягодах рябины, в соках вишен, слив, яблок, груш и т.д. Сорбит обладает сладким вкусом и при известных условиях может быть заменителем сахара (безвреден для человека при приеме не более 70 г в сутки).

Наиболее часто встречаются в растениях следующие спирты: сорбит, (который образуется при восстановлении глюкозы или фруктозы), маннит (при восстановлении маннозы), дульцит (при восстановлении галактозы), рибит (при восстановлении рибозы).

При реакциях с кислотами моносахариды и, в частности глюкоза, могут образовывать сложные эфиры. Некоторые из этих эфиров имеют очень большое значение, т.к. играют важную роль в обмене веществ. Особенно важное значение имеют эфиры сахаров с фосфорной кислотой, так называемые сахарфосфаты, или фосфорные эфиры сахаров. Такие важнейшие процессы обмена веществ, как фотосинтез, дыхание, брожение, синтез сахарозы, крахмала, гликогена, и многие другие процессы протекают при обязательном участии фосфорных эфиров сахаров. В процессе обмена веществ наибольшее значение имеют такие фосфорные эфиры моносахаридов, как глюкоза-6-фосфат и фруктозо-1,6-дифосфат.

Д-фруктоза, или плодовый сахар, содержится почти во всех плодах. Она вращает поляризованный луч влево и поэтому называется также левулезой. Степень сладости фруктозы выше, чем у других сахаров. Одна из причин высокой сладости, например арбузов, содержащих относительно мало сахаров (7 %), объясняется тем, что они представлены преимущественно фруктозой. Фруктоза в свободном виде находится, главным образом, во фруктах и ягодах, а также в меде. Кроме того, фруктоза является составной частью некоторых дисахаридов (сахароза), трисахарида рафинозы, тетрасахарида стахиозы, а также входят в состав многих полифруктозидов, из которых наиболее распространен инулин.

При нагревании фруктозы со щелочами продуктами расщепления могут быть молочная и муравьиная кислоты, а также некоторые другие вещества. При восстановлении получаются шестиатомные спирты сорбит и маннит.

Галактоза в пищевых продуктах встречается главным образом в связанном виде. Из продуктов животного происхождени

она находится в молоке в составе дисахарида лактозы (молочный сахар). В растительных продуктах галактоза является структурной составной частью трисахарида рафинозы и пектиновых веществ. Галактозу можно встретить также в таких

растительных глюкозидах, как соланин, антоцианы и др. В природе встречается -галактоза.

При слабом окислении галактозы получается галактоновая кислота, а при более сильном окислении - слизиевая к-та. При восстановлении галактоза превращается в шестиатомный спирт - дульцит.

Д-манноза встречается в растениях главным образом в виде высокомолекулярных полисахаридов, так называемых маннанов (растительные слизи и гемицеллюлоза), а также в составе гликозидов. В свободном состоянии в растениях она встречается довольно редко, чаще содержится ее производное - спирт маннит. Манноза легко сбраживается дрожжами.

Сложные углеводы, или полисахариды, построены из нескольких или многих молекул моносахаридов. Они соединяются по принципу образования гликозидов: гидроксильная группа одной молекулы моносахарида с выделением воды соединяется с другой молекулой моносахарида. Таким образом, сложные углеводы - ангидридоподобные соединения, построенные из нескольких молекул моноз.

Все полисахариды делят обычно на две подгруппы:

– олигосахариды, или полисахариды первого порядка, растворимы в воде, имеют сладкий вкус и способны кристаллизоваться. Молекулы олигосахаридов построены из небольшого числа молекул моносахаридов;

– полиозы, или полисахариды второго порядка, малорастворимые или нерастворимые в воде. Молекулы полиоз построены из очень большого числа молекул моносахаридов (от нескольких десятков до сотен тысяч). Раньше считали, что высшие полиозы неспособны кристаллизоваться, однако в последнее время некоторые полиозы удалось получить в кристаллическом состоянии.

Олигосахариды. В зависимости от числа молекул моносахаридов, которые входят в состав одной молекулы олигосахарида, различают дисахариды, построенные из двух молекул моносахаридов, тpиcaxapиды, тетрасaхариды и т.д.

В пищевых продуктах встречаются только такие олигосахариды, которые построены из двух, трех, четырех остатков моносахаридов. В растениях наиболее широко распространены дисахариды.

Дисахариды- это олигосахариды, состоящие из двух молекул моносахаридов

Остатки моносахаридов в молекулах дисахаридов могут быть одинаковыми или разными.

Все дисахариды делят на две группы: восстанавливающие дисахариды и невосстанавливающие дисахариды. Первые могут восстанавливать феллингову жидкость, а вторые не могут.

При изучении строения дисахаридов необходимо, во-первых, знать остатки каких моносахаридов входят в его состав; во-вторых, в виде каких форм ( или -пиранозных или фуранозных) входят эти остатки моносахаридов, и, наконец, надо выяснить, за счет каких гидроксилов моносахаридов происходит их соединение в молекуле дисахарида. В настоящее время для большинства дисахаридов эти вопросы выяснены.

Дисахариды, соединенные по типу трегалозы (невосстанавливающие жидкость Фелинга) - сахароза и трегалоза.

Сахароза, или тростниковый сахар. По сравнению с другими сахарами сахароза имеет наибольшее народохозяиственное

значение, так как она является основным сахаром, который используется в питании населения. Сахароза очень широко распространена в растительном мире. В значительных количествах этот дисахарид встречается в сахарном тростнике и сахарной свекле (до 27 %); сахароза находится в таких овощах, как арбузы и дыни (4-5 %). Фрукты наряду с глюкозой и фруктозой содержат также сахарозу (до 2-3%). Сахароза в незначительных количествах находится во всех частях растений: листьях, стеблях и корнях. В сахаре ее 99,9 %, а в меде 2 %.

Сахароза построена из -Д-глюкозы и -Д-фруктозы, которые соединены между собой 1,2-связью (т.е. связью между первым углеродным атомом глюкозы и вторым углеродным атомом фруктозы). В молекуле сахарозы глюкоза находится в пиранозной форме, а фруктоза - в фуранозной.

Как мы говорили, сахароза не восстанавливает феллинговой жидкости и не изменяется под действием щелочей. При гидролизе сахарозы под действием кислот или фермента -фруктофуранозидазы образуется смесь равных количеств Д-глюкозы и Д-фруктозы, которую называют инвертным сахаром. Инвертный сахар более сладкий, чем сахароза, менее способен к кристаллизации, очень гигроскопичен.

По сравнению с другими дисахаридами, сахароза гидролизуется значительно легче. В кислых растворах она гидролизуется в тысячу раз быстрее других дисахаридов - мальтозы и лактозы. Она хорошо сбраживается дрожжами.

Ферментативный гидролиз сахарозы под действием фермента -фруктофуранозидазы (инвертазы) играет положительную роль в ряде пищевых технологий. Так, благодаря этому в кондитерских изделиях (в частности, в помадных конфетах) добавление инвертазы предупреждает черствение конфет, в хлебопекарных изделиях – способствует улучшению аромата; инвертные сиропы используются при производстве безалкогольных напитков.

Трегалоза (грибной сахар, микоза) является дисахаридом, состоящим из двух молекул глюкозы, которые соединены между собой полуацетальными гидроксилами. Она называется еще микозой, потому что встречается во многих грибах. В пищевых продуктах трегалоза не встречается, но в трегалозной манне (высохший млечный сок некоторых тропических растений) ее содержание достигает 27 %.

Дисахариды, соединенные по типу мальтозы (восстанавливающие жидкость Фелинга) - мальтоза, лактоза и др.

Мальтоза, или солодовый сахар, образуется при расщеплении крахмала под действием амилаз. Этих ферментов больше всего в солоде, поэтому образующийся под действием солода на крахмал сахар-мальтоза – получил название солодового сахара. Мальтоза в свободном состоянии содержится в растениях в небольшом количестве.

Мальтоза состоит из двух молекул -Д-глюкозы, которые соединены между собой связью между первым и четвертым атомами углерода (1,4-связь).

В связи с тем, что гидроксил у первого углеродного атома одной из молекул глюкозы остается свободным, мальтоза восстанавливает феллингову жидкость.

Мальтоза имеет свободную альдегидную группу, при кислотном или энзиматическом гидролизе она распадается на две молекулы глюкозы, поэтому после гидролиза восстанавливающая способность мальтозы удваивается. Дрожжи содержат фермент мальтазу, которая расщепляет мальтозу, последняя легко сбраживается ими. Мальтоза обладает менее сладким вкусом, чем сахароза.

Лактоза (молочный сахар) называется молочным сахаром потому, что она в количестве 4-5 % содержится в молоке.

В промышленности её получают из молочной сыворотки и используют в детском питании и в специальных пищевых рационах. Лактоза обнаружена также в некоторых растениях. Несмотря на значительное содержание лактозы, молоко не обладает сладким вкусом. Объясняет ся это тем, что лактоза в 4-5 раз менее сладкая, чем сахароза.

Молекула лактозы состоит из -Д-галактозы и -Д-глюкозы, соединенных 1,4-связью.

Лактоза восстанавливает феллингову жидкость. При гидролизе под действием фермента галактозидазы или кислот она распадается на глюкозу и галактозу.

Лактоза является давно известным сахаром (описан в I615 г. Бертолетти). Этот сахар имеет большое физиологическое значение. Лактоза образуется в молочной железе из d-глюкозы, доставляемой в нее кровью, при этом одна молекула d -глюкозы пространственно перегруппировывается и переходит в d-галактозу.

Лактоза существует в  и - формах. Плохая растворимость лактозы часто является причиной таких распространенных дефектов сгущенного молока, как "мучнистость" и "песчанистость". При изготовлении молочнокислых продуктов лактоза сбраживается в молочную кислоту.

Целлобиоза – основная структурная единица, из которой построены молекулы целлюлозы (клетчатки). В свободном состоянии целлобиоза в растениях встречается довольно редко и в небольшом количестве, но фермент целлобиаза, который катализирует ее расщепление, распространен очень широко и обнаружен в солоде, в прорастающих семенах овса, ячменя, шпината и др. растениях.

Целлобиоза организмом человека не усваивается, почти не сладкая, дрожжами не сбраживается. Она состоит из двух молекул -Д-глюкозы, которые соединены 1,4-связью. Целлобиоза восстанавливает феллиногову жидкость.

Трисахариды встречаются в пищевых продуктах в ничтожно малых количествах (в сахарной свекле находится немного рафинозы), к тому же они еще мало изучены. При выработке сахара рафиноза переходит в мелассу и иногда из мелассы получают чистую рафинозу.

Молекула рафинозы построена из остатков -Д-галактозы, -Д-глюкозы и -Д-фруктозы. Галактоза и глюкоза соединены 1,6-связью, а глюкоза и фруктоза (как и в молекуле сахарозы) -1,2-связью. Рафиноза не восстанавливает феллингову жидкость, не имеет сладкого вкуса.

Химическое строение моно- и олигосахаридов определяет их потребительные свойства и в первую очередь такие, как сладость, гигроскопичность, усвояемость и др.

Характерной особенностью сахаров является их способность к карамелизации. Если сахара нагреть до температуры выше плавления, то они теряют воду и карамелизуются.

Карамелизация является сложным химическим процессом, при котором, в зависимости от температуры и продолжительности нагревания, получаются различные продукты. При этом образуется смесь различных веществ, трудно отделяемых друг от друга.

В частности, одним из продуктов карамелизации сахаров может быть карамелан. Он представляет собой бурую массу, легко растворимую в воде и обладающую слабой восстанавливающей способностью.

При нагревании сахаров до температуры 185-190°С при уменьшенном давлении (10-15 мм), в зависимости от потери их веса, образуются различные продукты карамелизации. При потере веса: до 5% -изосахаран, 10 % – карамелан, а 20 % – карамелен. Полученный в таких условиях карамелан представляет собой светло-желтый аморфный порошок с точкой плавления 144-145°С, горьким вкусом, он труднее растворим в воде и менее гигроскопичен, чем изосахаран.

Карамелизация сахаров имеет место не только при воздействии на них высокой температуры, но она может протекать и при сравнительно низких температурах (при нагревании в вакууме, хранении сахаросодержащих продуктов в теплом месте). Причем иногда этот процесс является желательным, а в других случаях может вызвать ухудшение качества пищевых продуктов. Например, карамелизация сахаров является необходимым процессом производства карамельных изделий, также при изготовлении некоторых видов солода и др., в производстве некоторых видов десертных вин, темное пиво и др.

Однако в некоторых случаях карамелизация может вызвать ухудшение органолептических свойств пищевых продуктов при хранении. Например, при длительном хранении меда в теплых условиях продукт темнеет и может приобретать горьковатый привкус.

Процесс меланоидинообразования связан со свойствами сахаров, в частности глюкозы, образовывать комплексные соединения с продуктами гидролетического расщепления белков, особенно с аминокислотами. Эта способность сахаров и аминокислот находит успешное применение в производстве солода для пивоваренной промышленности. Меланоидинообразование происходит и при поджарке кофе, нагревании продуктов, содержащих моносахара (глюкозу, фруктозу и др.) и аминокислоты. При этом продукт приобретает более темную окраску и специфический вкус и аромат.

Полиозы – высшие полисахариды, высокомолекулярные вещества, которые содержат от нескольких десятков до многих тысяч остатков моносахаридов. Основные черты строения многих высших полисахаридов к настоящему времени изучены достаточно хорошо.

В состав полиоз могут входить остатки различных моносахаридов. Большая часть полисахаридов построена из остатков -глюкозы. К ним относятся наиболее распространенные полисахариды -крахмал, целлюлоза и гликоген. Однако встречаются полисахариды, построенные и из других остатков моносахаридов. Инулин, например, построен из остатков d-фруктозы, в состав ряда полисахаридов входят остатки d-маннозы, d-ксилозы, L-арабинозы и др. Все остатки моносахаридов в молекулах полисахаридов связаны между собой в цепи, которые могут быть неразветвленными или разветвленными. В построении связей между моносахаридами, как правило, принимают участие полуацетальные гидроксилы, поэтому полисахариды не восстанавливают феллингову жидкость.

Высшие полисахариды, в зависимости от их строения, можно разделить на две группы: гомополисахариды и гетерополисасариды. Гомополисахариды состоят из остатков какого-либо одного моносахарида. Например, крахмал, гликоген, лихенин, целлюлоза состоят из глюкозы; инулин и полифруктозиды - из фруктозы; маннаны, галактаны, арабаны, ксиланы - полисахариды, состоящие соответственно из маннозы, галактозы, арабинозы, ксилозы и т.д.

Гетерополисахариды состоят из остатков различных полисахаридов. К таким полисахаридам относятся гемицеллюлозы, камеди, слизи и др. вещества.

Крахмал (С₆Н₁₀О₅)_n – главный полисахарид растений, играющий роль запасного вещества. Крахмал всегда содержится в зеленых листьях, где он образуется в процессе фотосинтеза, но основными органами растений, в которых накапливается наибольшее количество крахмала, являются семена, клубни, луковицы и некоторые другие органы. Особенно много крахмала в семенах риса (60-80 %), кукурузы (65-75 %), пшеницы (60-70 %) и клубнях картофеля (12-20 %).

Крахмал в растениях находится в виде зерен диаметром 0,002-0,15 мм. В различных растениях крахмальные зерна имеют неодинаковую величину, форму и строение.

Этим обстоятельством широко пользуются в товароведении пищевых продуктов, например легко определяют примеси кукурузной муки к пшеничной, рисовой и др.

В таких пищевых продуктах, как крупы, печеный хлеб, картофель крахмал является основной формой углеводов. Кроме того, из картофеля и зерновых вырабатывают различные виды крахмала, который используется как самостоятельный пищевой продукт, а также как сырьё для приготовления глюкозы, патоки, спирта и др.

При полном гидролизе крахмала образуется -Д-глюкоза. Крахмал всегда содержит некоторое количество фосфора (от 0,02 до 0,16 %), который связан в виде фосфорных эфиров глюкозы.

Во время нагревания крахмала с водой наблюдается его клейстеризация, при которой зерна крахмала сильно набухают вследствие присоединения воды. Крахмал картофеля клейстеризуется при t 55-65°, кукурузы при 64-71°, пшеницы при 60-80°, риса при 70-80°С.

Крахмал - не однородное вещество, а представляет смесь двух различных полисахаридов -амилозы и амилопектин а, которые различаются по химическим и физическим свойствам. Большинство видов крахмала содержит 15-25 % амилозы и 75-85 % амилопектина.

Амилоза растворяется в воде без образования клейстера, дает с йодом синее окрашивание. По химическому строению амилоза представляет длинную неразветвленную цепь глюкозных остатков соединенных 1,4-связями:

Каждая молекула амилозы состоит от нескольких сотен до нескольких тысяч глюкозных остатков, т.е. молекулярный вес ее обычно составляет 100000-600000. Цепная молекула амилозы имеет спиральную форму, причем каждый виток спирали состоит из шести глюкозных остатков.

Амилопектин с горячей водой образует клейстер. В отличие от амилозы молекула амилопектина имеет разветвленное строение; в точках ветвления отдельные остатки глюкозы соединены не 1,4-,а 1,6-связями. Молекулярный вес амилопектина более высокий, чем амилозы, и обычно составляет 1000000. Амилопектин характеризуется повышенным содержанием фосфора.

При быстром нагревании обычного крахмала, содержащего 13-20% влаги, происходит расщепление его гиганской молекулы на более мелкие - декстрины. Этот процесс можно назвать декстринизацией. Декстринизация протекает быстрее в присутствии кислот. Как при кислотном, так и при ферментном гидролизе крахмала расщепление его не заканчивается образованием декстринов (хотя существуют ферменты, расщепляющие крахмал до так называемых остаточных декстринов).

Обычно ферменты пищеварительных соков при t 40° гидролизуют крахмал до конца (до глюкозы) аналогично минеральным кислотам при длительном гидролизе. Кислотный и ферментный гидролиз крахмала можно представить следующей схемой:

(С₆Н₁₀О₅)_п( С₆Н₁₀О₅)_хХС₁₂Н₂₂О₁₁2ХС₆Н₁₂О₆

крахмал декстрины мальтоза глюкоза

Гликоген (животный крахмал) является запасным углеводом животных, поэтому его часто называют животным крахмалом. Он встречается главным образом в печени и мускулах, найден также и в ряде растений. Содержание гликогена в печени сильно колеблется и тесно связано с общим состоянием животных и условиями их питания. При хорошем питании содержание гликогена в печени может достичь 10-20%, при голодании он иногда вовсе исчезает. Закономерность колебания содержания гликогена в печени можно использовать при определении товароведных свойств мяса данного животного. Содержание гликогена сильно колеблется не только в печени, но и в мышцах, где максимальное количество его достигает 4%; оно велико при хорошем питании и покое и сильно уменьшается при недостаточном питании и усиленной работе. Это объясняется тем, что все жизненные процессы сопровождаются гликолизом - биохимическим расщеплением гликогена, приводящих к образованию молочной кислоты. Гликолиз имеет место не только при жизни животных, но и после их убоя. Это влияет на качество мяса и рыбы, т.к. созревание мяса связано и с процессами гликолиза.

Гликоген - белый аморфный порошок, с водой дает опалесцирующие коллоидные растворы, от йода окрашивается в фиолетово-красный цвет.

По строению гликоген близок к амилопектину, но отличается от него большей разветвленностыо молекулы (точки ветвления через каждые 10-18 остатков глюкозы) и более высоким молекулярным весом (до 4000000). При полном гидролизе гликогена образуется -Д-глюкоза.

Инулин- запасной полисахарид ряда растений, который имеет такую же общую формулу, как крахмал или гликоген (С₆Н₁₀О₅)_п. В наибольшем количестве инулин содержится в клубнях георгина (до 12 %), в корнях цикория (до 10%), а также в топинамбуре, одуванчике, кок-сагызе и ряда других растений. Инулин хорошо усваивается организмом человека и животных. Некоторые растения, накапливающие большое количество инулина, возделываются в качестве кормовых культур.

Инулин - белый порошок, растворимый в воде. Он легко гидролизуется и образует при гидролизе фруктофуранозу. Инулин сравнительно низкомолекулярный полисахарид. Его молекулярный вес составляет 5000-6000. Молекулы фруктозы в инулине соединены 1,2-связями.

Обычно в молекуле инулина содержится 35-42 остатка фруктозы. Недавно в инулине было обнаружено также небольшое количество глюкозы.

Целлюлоза или клетчатка – главная часть клеточных стенок растений. Основными источниками получения целлюлозы являются волокно хлопчатника, лубяные волокна волокнистых растений (льна, конопли, джута), солома и древесина. В чистом виде целлю­лозы в растениях не бывает, она всегда связана с другими вещест­вами. Хлопковое волокно содержит 95-98 % целлюлозы, лен - 80-90%, древесина - 40-50%. Важнейшие вещества, с которыми связана целлю­лоза в растениях - лигнин, гемицеллюлозы, пектиновые вещества, смолы, липиды. Для отделения этих веществ от целлюлозы исходные продукты обрабатывают смесью бисульфита кальция или натрия с сер­нистой кислотой или смесью едкого натрия с сульфитом натрия. При такой обработке посторонние вещества растворяются и получается чистая целлюлоза - белое вещество, волокнистого строения. Молекулы целлюлозы имеют нитевидную форму и соединены в пучки водородными связями. Удельный вес целлюлозы около 1,5 (молекула состоит из 30000 остатков глюкозы).

Целлюлоза не растворяется в большинстве обычных растворителей, но может растворяться под действием так называемого реактива Швейцера - водного раствора медноаммиачного комплекса. При кипячении с крепкой соляной или серной кислотами происходит гидролиз целлюлозы. При ее полном гидролизе образуется -Д-глюкоза. В молекулах целлюлозы остатки -глюкозы связаны между собой 1,4-связями.

Каждая молекула целлюлозы представляет длинную неразветвленную цепь глюкозных остатков. Молекулярный вес ее в зависимости от условий выделения составляет от нескольких сотен до нескольких миллионов. Гидролиз целлюлозы с образованием молекул целлобиозы идет под действием фермента целлюлазы.

В пищевых продуктах содержание целлюлозы колеблется от 0,5 до 13 % (в плодах, овощах - 0,7-2,8, ягодах - 0,9-6,0, гречихе - 11,5-13 %).

Человек не может использовать целлюлозу как пищу, так как у него нет ферментов для ее расщепления. Все же целлюлоза выполняет определенную роль в пищеварении, усиливая перистальтику кишок и этим косвенно содействуя пищеварению. Установлено, что пищевые волокна снижают кардиологические заболевания и злокачественные новообразования прямой кишки, а для больных диабетом - потребность в инсулине.

Лихенин - полисахарид, являющийся запасным веществом. Он входит в состав стенок клеток многих лишайников, а также содержится в ряде высших растений. Как и целлюлоза, лихенин при полном гидролизе дает глюкозу, а при частичном - целлобиозу. От целлюлозы лихенин отличается более низким молекулярным весом, а также тем, что глюкозные остатки в нем соединены не только 1,4-, но и 1,3-связями.

Галактаны – полисахариды, построенные из остатков галактозы. Они входят в состав стенок клеток различных органов растений и могут играть роль запасного вещества. Строение галактанов довольно разнообразно и изучено недостаточно. Одним из представителей галактанов является галактан семян люпина - полисахарида, состоящего из 100-120 остатков -галактозы, соединенных 1,4-связями.

Маннаны - полисахариды, построенные из остатков маннозы. Они, так же как и галактаны, входят в состав клеточных стенок растений и могут служить резервным питательным материалом.

Арабаны- полисахариды, построенные из остатков ара-бинозы. В состав арабанов обычно входит -арабиноза в фуранозной форме. Молекулярный вес арабанов около 6000, они растворимы в воде.

Ксиланы в большом количестве содержатся в древесине, соломе, стеблях и др. органах растений. Они входят в состав клеточных стенок. В древесине лиственных пород количество ксиланов достигает 25 %, в древесине хвойных - 12 %,

Ксиланы состоят из остатков -Д-ксилозы в пиранозной форме, которые соединены между собой 1,4-связями.

Гемицеллюлозы – гетерополисахариды, которые наряду с целлюлозой входят в состав клеточных стенок растений и могут частично использоваться как запасные питательные вещества, Они растворяются в щелочных растворах и довольно легко гирализуются под действием кислот. Молекулярный вес гемицелюлоз не превышает нескольких десятков тысяч.

При кислотном гидролизе гемицеллюлоз образуются глюкоза, галактоза, фруктоза, манноза, арабиноза и ксилоза. В зависимости от вида и органа растений в составе гемицеллюлоз могут преобладать те или иные сахара.

Пектиновые вещества известны более 150 лет, но их химическое строение выяснено лишь недавно.

Пектиновые вещества представляют собой полимерные соединения с молекулярным весом по различным данным от десяти до нескольких сотен тысяч. Они состоят в основном из остатков -галактуроновой кислоты, соединенных между собой -1,4-гликозидной связью.

Свободные карбоксильные группы полигалактуроновой кислоты могут давать сложные эфиры со спиртом. В литературе этот процесс называется этерификацией. Этерификация - образование сложных эфиров с участием кислоты и спирта. Когда участвует метиловый спирт, процесс называется метоксилированием.

Пектиновые вещества содержатся в растительных соках, плодах (яблоках, грушах, лимонах и т.д.), а также в мясистых корнях (моркови, свекле и др.). Характерным является свойство пектиновых веществ образовывать студни со свекловичным сахаром и органическими кислотами при их определенном соотношении. Эта способность широко используется в кондитерской промышленности при изготовлении фруктово-ягодных кондитерских изделий. Способность к желеобразованию пектиновых веществ, содержащихся в различных плодах, ягодах и овощах, неодинакова. Лучшей желеобразующей способностью обладают пектиновые вещества яблок, особенно сорта Антоновка. Вместе с тем, пектиновые вещества нежелательны в производстве некоторых пищевых продуктов, плодово-ягодных вин, ликеро-водочных и др. изделий, т.к. они ухудшают фильтруемость. В готовых изделиях при хранении, выпадая в осадок, пектиновые вещества обусловливают помутнение соков и др. напитков.

Под термином пектиновые вещества подразумевают следующие соединения: пектиновые кислоты, пектовые кислоты, пектины и протопектины.

Пектиновая кислота – высокомолекулярная полигалактуроновая кислота, часть карбоксильных групп которой этерифицирована метиловым спиртом.

Пектовая кислота получается из пектиновой кислоты путем ее деметоксилирования. Содержание метоксилов в пектовой кислоте ничтожно мало. Растворимость пектовой кислоты меньше, чем пектиновой кислоты. Пектовая кислота дает соли-пектаты.

Пектины – пектовые кислоты, карбоксильные группы которых в различной степени метоксилированы и нейтрализованы.

Протопектин – наименее определенное соединение, характеризующееся в основном своей нерастворимостью в воде и способностью при осторожном гидролизе давать пектиновые кислоты.

В незрелых плодах пектиновые вещества находятся в виде протопектина. По мере созревания протопектин, гидролизуясь, выделяет пектиновые кислоты, и плоды постепенно размягчаются. Этот же процесс наблюдается при термической обработке незрелых плодов (варка, проваривание, бланшировка и др.).

Особую значимость пектиновые вещества приобрели в последние годы, когда появились сведения об их способности выводить из организма человека ионы тяжелых металлов и радионуклиды.

Хитин – полисахарид, содержащийся в грибах, лишайниках, а также в оболочках насекомых и ракообразных. По строению сходен с целлюлозой, но состоит не из остатков глюкозы, а из остатков глюкозамина.

Камеди и слизи – вещества, способные набухать в воде и образовывать вязкие растворы. Эти вещества выделяются при повреждении некоторых растений, а также содержатся в семенах. Особенно их много в семенах льна, ржи, клевера и др. растений.

Камеди и слизи – гетерополисахариды; при гидролизе они дают галактозу, маннозу, глюкозу, рамнозу, ксилозу и др. моносахариды.