Химия пищи и основы рационального питания. Пищевая химия. Лабораторный практикум

рой – боковых цепей амилопектина. Остатки α-D-глюкозы отщепля- ются под действием глюкозилтрансфераз первого типа от молекул нуклеозиддифосфатглюкозы, переносятся на растущую цепь полиса- харида и присоединяются к ней посредством α-(1-4)-гликозидной свя- зи. Глюкозилтрансферазы второго типа отщепляют небольшие участ- ки от главной линейной цепи и вновь прикрепляют к ней α-(1-6)- гликозидными связями. Синтезируемые полисахариды крахмала на- капливаются в листьях, затем деструктируют до дисахарида сахаро- зы. Последняя диффундирует из листьев в клубни, луковицы, семена и т. п., в которых расщепляется до глюкозы. Глюкоза вновь участвует в синтезе макромолекул полисахаридов крахмала, которые отклады- ваются на длительное хранение.

Рис. 7.1. Фрагменты молекулы крахмала

Крахмал – бесцветное аморфное вещество, без вкуса и запаха. Крахмал в растительных тканях встречаются в форме отдельных час- тиц или зерен. Зерна крахмала из разных источников различаются по размерам и форме гранул. Размеры гранул полисахаридов крахмала, выделенного из различных источников сырья, находятся в диапазоне

51

2–100 мкм. Наиболее крупные гранулы крахмала встречаются в клуб- нях картофеля. Пшеничный крахмал состоит из небольших гранул размером 5–15 мкм и гранул бо́льшего размера 22–36 мкм. Размер гранул не оказывает существенного влияния на свойства крахмала, хотя гранулы большего размера легче набухают в воде. Форма гранул может быть сферической, овальной, чечевицеобразной и другой не- правильной. Поверхность гранул может быть гладкой или иметь вид многогранника.

Полисахариды крахмала различаются по соотношению амилозы и амилопектина, структуре и степени разветвленности их макромоле- кул. Соотношение амилозы и амилопектина в крахмале зависит от вида растения и стадии его развития. В среднем крахмал содержит 15–25 % амилозы и 75–85 % амилопектина. В результате селекции выделены сорта растений, крахмал которых обогащен одним из поли- сахаридов. Например, промышленные сорта кукурузы (используемые для получения крахмала) содержат 55–75 % амилозы и 25–45 % ами- лопектина. Крахмал восковидной кукурузы содержит 95 % амилопек- тина и 5 % амилозы.

Крахмал является оптически активным полисахаридом. Величина удельного оптического вращения водных растворов находится в пре- делах +180 − +210 град.

Наличие в макромолекулах полисахаридов крахмала гидроксиль- ных групп, атомов кислорода гликозидной связи и глюкопиранозного кольца способствует образованию меж- и внутримолекулярных водо- родных связей. В линейных макромолекулах амилозы больше меж- молекулярных водородных связей, а в разветвленных макромолеку- лах амилопектина − внутримолекулярных.

Крахмал и его полисахариды нерастворимы в холодной воде, спирте и эфире. В теплой воде зерна крахмала разрушаются с об- разованием гелеобразной коллоидной системы (крахмального клейстера). Этот сложный процесс идет в три стадии: на первой, обратимой стадии зерна крахмала набухают в воде, присоединяя небольшие порции воды. Набухание крахмала сопровождается

52

разрывом водородных связей. При дальнейшем повышении тем- пературы присоединяется большое количество воды, увеличивая объем зерен в несколько сот раз. Одновременно повышается вяз- кость раствора. Эта стадия необратима. На последней стадии по- лисахариды крахмала экстрагируются в водную среду. Зерна при этом теряют форму и превращаются в «мешочки», суспендиро- ванные в растворе.

Полисахариды крахмала легко гидролизуются под действием ки- слот и ферментов амилаз. В зависимости от условий проведения гид- ролиза получаются разнообразные продукты реакций.

Кислотный гидролиз. При нагревании крахмала в кислой среде происходит гидролиз полисахаридных цепей с образованием сначала водорастворимого крахмала, затем декстринов (продуктов частичного расщепления макромолекул амилозы и амилопектина), мальтозы и глюкозы (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Схема кислотного гидролиза крахмала

Конечный продукт гидролиза − α-D-глюкопираноза − легко обна- руживается по реакции с раствором Фелинга (реактив Фелинга − смесь равных объемов 7%-ного раствора CuSO4 и 34,6%-ного раство- ра тартрата натрия (или калия) в 10%-ном растворе NaOH).

В промышленности эту реакцию используют для получения глю- козы из углеводсодержащего сырья. В суспензию крахмала добавля- ют разбавленный раствор серной кислоты и кипятят на протяжении нескольких часов. Для удаления присутствующей в смеси серной ки- слоты в раствор гидролизата добавляют мел. Образующийся нерас- творимый сульфат кальция отфильтровывают, а надосадочную жид- кость выпаривают. Оставшуюся после выпаривания густую сладкую массу называют крахмальной патокой.

53

Ферментативный гидролиз. Ферменты, гидролизующие макро- молекулы полисахаридов крахмала, называются амилазами. Амилазы расщепляют крахмал, превращая его в растворимые низкомолекуляр- ные олигосахариды и моносахара. Продукты ферментативного рас- щепления крахмала в нативных условиях участвуют практически во всех обменных процессах живого организма.

По характеру своего действия ферменты, расщепляющие цепи макромолекул крахмала, делятся на 4 группы: амилазы (α- и β-), α-глюкозидазы, фосфорилазы и ответвляющие энзимы. Расщепление цепей полисахаридов происходит по энзиматическому типу. На рис. 7.3 приведены основные энзимы, действующие на α-(1-4)- и α-(1- 6)-гликозидные связи макромолекул амилозы и амилопектина.

Рис. 7.3. Схема гидролиза амилозы и амилопектина под действием ферментов

54

Наиболее изучены состав, структура и механизм действия ами- лаз. Амилазы занимают особое место среди ферментов, гидролизую- щих макромолекулы полисахаридов крахмала. Это единственные ферменты амилазного комплекса, способные атаковать крахмальные гранулы. Большое количество α-и β-амилаз найдено в диастазе − ферментативно активном экстракте солода.

α-Амилаза взаимодействует с макромолекулами амилозы и ами- лопектина, гидролизуя (1-4)-гликозидные связи с образованием α-формы сахаров. Макромолекулы деструктируют сначала до декст- ринов разного размера, которые затем расщепляются до мальтозы.

Конечным продуктом ферментативного гидролиза амилозы под действием α-амилазы являются мальтоза и небольшое количество глюкозы, амилопектина – низкомолекулярные декстрины и мальтоза. Получение именно таких продуктов ферментативной деструкции амилопектина обусловлено тем, что α-амилаза не расщепляет α-(1-6)- гликозидные связи в местах присоединения боковых цепей.

β-Амилаза деструктирует макромолекулы амилозы и амилопек- тина с образованием β-формы сахаров. Расщепляющее действие β-амилазы заключается в постепенном, последовательном отщепле- нии звеньев мальтозы как от основной, так и от боковых цепей мак- ромолекул. Реакция ферментативной деструкции макромолекул ами- лопектина под действием β-амилазы используется для изучения сте- пени разветвленности макроцепи.

При действии β-амилазы на макромолекулы амилозы и амилопек- тина образуется только β-D-мальтоза. Гидролиз этих же субстратов α- амилазой приводит к образованию олигосахаридов (декстринов), кото- рые затем расщепляются в основном до мальтозы, а также до глюкозы и мальтотриозы в α-форме. Количество глюкозы, образуемой под дей- ствием α-амилазы, зависит от концентрации фермента и рН среды.

Кроме субстратной специфичности, α- и β-амилазы различаются по физическим и химическим свойствам. Например, β-амилаза при температуре проведения реакции 70 ºС теряет свою каталитическую

55

активность в течение 10 мин. α-Амилаза стабильна при этой темпера- туре, однако при рН = 3,3 она инактивируется в течение 20 мин.

Термический гидролиз. При нагревании воздушно-сухого крахмала до 200–250 °С происходит его частичное разложение до декстринов и других олигомерных продуктов. При температуре 300 ºС происходит полная термическая деструкция крахмала.

Качественная реакция на крахмал. Крахмал окрашивается спир-

товым раствором иода в синий цвет (иод-крахмальная реакция на об- наружение полисахаридов крахмала). Взаимодействие амилозы с ио- дом дает интенсивное синее окрашивание с максимумом поглощения при 620–650 нм, амилопектина − красно-фиолетовое с максимумом поглощения при 520–580 нм. Синяя окраска раствора амилозы при добавлении иода обусловлена спиральной конформацией полисаха- ридной цепи. Атомы иода встраиваются внутрь витков спирали, обра- зуя иод-амилозный комплекс темно-синей окраски.

Крахмал широко применяют в различных отраслях промыш- ленности. В химической промышленности крахмал является сырьем для производства этилового и н-бутилового спирта, ацетона, мо- лочной, лимонной и глюконовой кислот, глицерина, 2,3- бутиленгликоля и других продуктов. В пищевой промышленности крахмал применяют для производства патоки и глюкозы, в качестве загустителя и стабилизатора при приготовлении кулинарных и кон- дитерских изделий, колбас и мясных продуктов, супов, продуктов детского питания, соусов. В фармацевтической промышленности крахмал используют для производства антибиотиков, витаминов и других лекарственных средств, а также в качестве связующего ве- щества при получении таблетированных фармацевтических форм. Крахмал является основой для производства клея, применяемого для склеивания бумаги, стекла, минеральной ваты и глины, уголь- ных брикетов. В текстильной промышленности крахмал применяют для шлихтования тканей и защиты красок.

56

Осахариванием крахмала называют процесс его гидролитическо- го расщепления до ди- и моносахаридов.

Управляя глубиной гидролиза крахмала, можно получить про- дукты питания с заданным содержанием сахаров.

Химический гидролиз крахмала проходит очень медленно, по- этому его проводят при повышенных температурах в присутствии катализатора, которым является кислота. Скорость осахаривания зависит от концентрации кислоты, температуры и длительности гидролиза [8, 9].

Схема гидролиза крахмала имеет следующий вид:

(С6Н10О5)n → (C6H10O5)m → (C12H22O11) → C6H12O6

О количестве осахаренного (гидролизованного) крахмала судят по содержанию образовавшейся из него глюкозы. Определение глю- козы основано на ее окислительно-восстановительных свойствах. Глюкозу окисляют оксидом меди (II) в составе комплексного соеди- нения меди с лимонной кислотой в щелочной среде, которую создает карбонат натрия.

Комплексное соединение имеет вид:

Избыток оксида меди (II), находящийся в комплексе, определяют иодометрически:

57

2CuO + 4KI + 2H2SO4 → Cu2I2 + I2 + 2K2SO4 + 2H2O.

Выделившийся иод оттитровывают раствором тиосульфата на- трия Na2S2O3. Количество тиосульфата натрия, пошедшее на титро- вание иода, эквивалентно количеству оксида меди (II), оставшегося после окисления глюкозы [8–10].

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Цель работы: сравнить эффективность процесса осахаривания крахмала при разных режимах его проведения.

Лабораторная посуда, реактивы, оборудование: химические стаканы вместимостью 200 мл, 100 мл; глазные пипетки; стеклянные палочки; пипетки вместимостью 25 мл; мерные колбы вместимостью 100 мл; мерный цилиндр вместимостью 50 мл; бюретка вместимо- стью 25 мл; крахмал; растворы соляной кислоты 0,5 М, 1,0 М; рас- твор гидроксида натрия массовой долей 30,0 %; комплексная соль ок- сида меди (II); раствор иодида калия массовой долей 10,0 %; раствор тиосульфата натрия концентрацией 0,1 М; раствор серной кислоты массовой долей 25 %; универсальная индикаторная бумага для опре- деления рН; весы лабораторные с пределом взвешивания 200 г, точ- ностью 0,01 г; два термометра с пределом измерения 0–100 оС и точ- ностью деления 1 оС; водяная баня; рН-метр; асбестовая сетка; элек- трическая плитка; пипетатор.

Приготовление медного окислительного раствора

Раствор А: 25 г CuSO4·5H2O растворяют в 100 мл дистиллиро- ванной воды.

Раствор Б: 144 г безводного Na2CO3 растворяют в 300–400 мл во- ды при температуре 50 оС.

Раствор В: 50 г лимонной кислоты растворяют в 50 мл воды. Соединяют растворы А и Б и перемешивают до образования ди-

оксида углерода. К полученной смеси добавляют раствор В и остав- ляют смесь для охлаждения до комнатной температуры. Затем объем

58

доводят дистиллированной водой до 1 л и через сутки фильтруют. Для использования медного окислительного реактива в лабораторной работе его разбавляют в 50 раз. рН полученного раствора должен со- ставлять 10±1.

Порядок проведения работы [9]

1. Проведение гидролиза крахмала

Вариант № 1. В химическом стакане вместимостью 200 мл на- гревают до 50–60 оС 100 мл 0,5 М соляной кислоты. В двух химиче- ских стаканах вместимостью 100 мл взвешивают крахмал массой по 0,2 г, заливают с помощью цилиндра горячим раствором соляной ки- слоты объемом 50 мл концентрацией 0,5 М, перемешивают и нагре- вают на кипящей водяной бане в течение 60 мин при периодическом помешивании растворов стеклянными палочками.

Вариант № 2. Гидролиз проводят аналогично варианту № 1, но в течение 90 мин.

Вариант № 3. В химическом стакане вместимостью 200 мл на- гревают до 50–60 оС 100 мл 1,0 М соляной кислоты. В двух химиче- ских стаканах вместимостью 100 мл взвешивают крахмал массой по 0,2 г, заливают с помощью цилиндра горячим раствором соляной ки- слоты объемом 50 мл концентрацией 1,0 М, перемешивают и нагре- вают на кипящей водяной бане в течение 30 мин при периодическом помешивании раствора стеклянными палочками.

Вариант № 4. Гидролиз проводят аналогично варианту № 3, но в течение 60 мин.

2. Определение количества осахаренного крахмала

По окончании реакции гидролизат охлаждают до комнатной тем- пературы и в том же стакане нейтрализуют 30%-ным раствором гид- роксида натрия, добавляя его осторожно по каплям, используя глаз- ную пипетку, до рН не выше 6,5, контролируя по рН-метру (или по показаниям индикаторной бумаги).

Нейтрализованный гидролизат количественно переносят в мер- ную колбу вместимостью 100 мл, доводят дистиллированной водой

59

до метки, перемешивают. Из полученного раствора пипеткой отби- рают 25 мл, переносят в мерную колбу вместимостью 100 мл, добав- ляют пипеткой 25 мл медного окислительного реактива, ставят на ас- бестовую сетку и нагревают до кипения, кипятят 10 мин, быстро ох- лаждают до комнатной температуры водой из-под крана, доводят дистиллированной водой до метки.

В коническую колбу для титрования вместимостью 100 мл отби- рают пипеткой 25 мл полученного ярко-синего раствора, не затрагивая образовавшегося осадка оксида меди (I) красного цвета, добавляют мерным цилиндром 30 мл свежеприготовленного 10%-ного раствора иодида калия и 25 мл 25%-ного раствора серной кислоты. Выделив- шийся иод оттитровывают 0,1 М раствором тиосульфата натрия.

Одновременно проводят контрольный опыт в тех же условиях, но вместо 25 мл исследуемого раствора берут 25 мл дистиллированной воды.

Разница объемов тиосульфата натрия, пошедшего на контроль- ный и рабочий опыты, эквивалентна количеству оксида меди (II), по- шедшего на окисление глюкозы. Умножив полученную разность на 4 (поскольку из 100 мл на исследование взято 25 мл), находят содержа- ние осахаренного крахмала в 100 мл нейтрализованного раствора, ис- пользуя данные табл. 7.1.

Учитывая разведение гидролизата, рассчитывают степень осаха- ривания крахмала исходя из его массы до гидролиза (0,2 г).

60