4. Углеводы
Углеводы – обширная группа природных органических соединений. Они содержатся в животных тканях в значительно меньшем количестве, чем белки и жиры. Очень широко распространены они в растительном мире. Углеводы входят в состав опорных тканей растений (клетчатка) или накапливаются в растениях в качестве запасного питательного материала (крахмал). В зернах злаков, например, содержание крахмала достигает 70 %. Многие растительные ткани почти на 60 % состоят из клетчатки.
Химическая структура углеводов отчасти отвечает общей формуле Cm(H2O)n. Таким образом, углеводы состоят, в основном, из углерода и воды – отсюда происходит и их название.
Углеводами называют полиоксиальдегиды и полиоксикетоны, а также производные этих соединений. Из определения следует, что углеводы содержат в своем составе спиртовые и альдегидные или кетонные группы. Эти группы способны вступать во взаимодействие со многими другими соединениями, образуя ряд производных, также относящихся к углеводам.
Различают моно-, олиго- и полисахариды, а также сложные углеводы.
4.1. Моносахариды
Моносахариды (монозы) представляют собой оксиальдегиды (альдозы) или оксикетоны (кетозы), в которых карбонильная группа расположена рядом с гидроксилом. По числу содержащихся углеродных атомов моносахариды подразделяют на биозы, триозы, тетрозы, пентозы, гексозы.
В химии пищевых продуктов важное значение имеют пентозы и гексозы. Все пентозы и гексозы оптически активны.
Из числа пентоз следует отметить арабинозу, ксилозу, рибозу и дезоксирибозу.
Пентозы встречаются в открытой и в циклической полуацетальной форме. В последнем случае появляется дополнительный асимметричный атом углерода, дающий α- и β-форму:
Из числа гексоз важное значение имеют глюкоза (альдогексоза) и фруктоза (кетогексоза), которые могут существовать в следующих двух таутомерных формах:
О || С–Н | * СНОН | * СНОН | * СНОН | *СНОН | СН2ОН альдогексоза альдогексоза
СН2ОН | С═О | *СНОН | *СНОН | *СНОН | СН2ОН кетогексоза
Моносахариды – кристаллические вещества. Кристаллические моносахариды представляют собой шестичленные циклические структуры – пиранозы. В зависимости от условий кристаллизации можно получить чистую α- или β-пиранозу. При растворении этих веществ постепенно устанавливается равновесие между различными стереоизомерами, при этом величина удельного вращения раствора изменяется. Этот процесс носит название мутаротации. Он сильно ускоряется в присутствии щелочей.
Моносахариды – твердые нейтральные соединения, легко растворимые в воде. Они хуже растворяются в метиловом и этиловом спиртах и совершенно не растворяются в петролейном и диэтиловом эфирах. Одни моносахариды имеют сладкий вкус, другие – безвкусны. Некоторые из них обладают горьким вкусом. При нагревании выше температуры плавления моносахариды буреют (карамелизуются). Некоторые моносахариды, например глюкоза, частично распадаются уже при температуре выше 115 ˚С с образованием оксиметилфурфурола и продуктов ангидридизации.
В присутствии аминокислот распад моносахаридов ускоряется как при нагревании их в растворах, так и в твердофазном состоянии.
Моносахариды являются сильными восстановителями. Они осаждают серебро из аммиачного раствора азотнокислотного серебра и закись меди из фелинговой жидкости. Последней реакцией пользуются для количественного определения сахаров в различных объектах.
Моносахариды весьма чувствительны к действию щелочей. Например, при действии разбавленных щелочей на глюкозу последняя даже при комнатной температуре частично превращается в стереоизомерную альдозу, (монозу) и кетозу (фруктозу).
При взаимодействии моносахаридов с окислами металлов получаются производные моносахаридов типа алкоголятов, называемые сахаратами.
С ангидридами органических кислот или с кислотами в присутствии дегидратирующих средств монозы образуют сложные эфиры. При этом получаются неполные и полные эфиры моноз, в которых атомы водорода всех гидроксильных групп замещены на кислотные остатки.
При действии метилирующих агентов (CH3)2SO4 и – CH3 атомы водорода в гидроксильных группах моноз замещаются углеводородными радикалами с образованием тетраметил-метилглюкозида. Замещение в монозах атома водорода в полуацетальном гидроксиле на радикал приводит к образованию глюкозидов.
Монозы (пентозы и гексозы) в семенах растений, полуфабрикатах и продуктах их переработки содержатся в свободном и связанном с фосфатидами состоянии или в виде глюкозидов.
В семенах растений (в свободном или связанном состоянии) найдены: арабиноза, из гексоз – галактоза и манноза.
Природная 1-арабиноза – кристаллическое вещество сладкого вкуса с температурой плавления 160 ˚С. В свежеприготовленных растворах наблюдается мутаротация. Удельный угол вращения уменьшается, пока не достигает постоянного значения [α]D = +105˚, плавится при температуре 157 ˚С.
Манноза – кристаллическое вещество сладкого вкуса, способное легко сбраживаться. Температура плавления D-маннозы 132 ˚С. Природная манноза в растворах обладает мутаротацией: вначале дает левое вращение, затем правое [α]D = +14,25˚.
Галактоза имеет следующее строение:
Н
ОН ОН Н |
| | | HOH2C–
C – C – C – CHO |
| | | ОН
Н Н ОН