Крахмал Распространение в природе

Крахмал – резервный полисахаридрастений. Образуется в результате фотосинтеза и откладывается в виде микроскопических гранул в клеточныхорганеллах:амилопластах ихлоропластах(рис.1) и является важным компонентом углеводного питания.

Рис.1.Схема строения растительной клетки.

Крахмал накапливается в клетках семян, луковиц, клубней, а также в листьях и стеблях. Крахмал откладывается в клетках в виде зёрен, в состав которых входит небольшоеколичество(0.5 – 2%) неуглеводных компонентов: белки, липиды.

Получение

В промышленном масштабе крахмал получают, главным образом, из картофеля и кукурузы, в меньшей степени – из риса, пшеницы, батата, сорго, саговой пальмы и других растений.

Получение крахмала из картофеля. Картофель моют, измельчают и обрабатывают водой. Вода извлекает из измельченного сырья крахмальные зерна, образуя так называемое «крахмальное молоко». Крахмал отделяют отстаиванием или центрифугированием полученной коллоидной системы. На некоторых заводах из измельченной картофельной массы вначале отделяют клеточный сок, а затем извлекают крахмал. Сырой крахмал (влажность 30 - 40%) очищают от белков, липидов и других веществ, повторно промывают, высушивают до влажности 20 % и измельчают.

Получение крахмала из кукурузы. Зерна кукурузы замачивают в воде, содержащей 0.15 - 0.3 %SO₂при температуре 40 - 50ºС. Набухшее зерно дробят для удаления ростков. Ростки, после всплывания на поверхность воды, отделяют и используют в дальнейшем для получения кукурузного масла. Кукурузную массу повторно измельчают, обрабатывают водой для вымывания крахмала, затем отделяют отстаиванием или центрифугированием.

Химическое строение и молекулярная структура

Крахмалпредставляет собой смесь двухполисахаридов:амилозыиамилопектина(рис.2), различающихся по пространственному строению макромолекулярной цепи.Амилоза– линейный гомополисахарид (рис.2 б), макромолекулы которого построены из звеньев остатковα-D-глюкопиранозы, соединенныхα-(1→4)-гликозидными связями(рис.2 а). В концевом звене молекулы амилозы имеется однааномерная ОН-группа. Амилопектин– разветвленный гомополимер (рис.2 г, д). Главная и боковая цепи построены из звеньев остатков α-D-глюкопиранозы, связанных α-(1→4)-гликозидными связями. Боковые цепи прикреплены к основнойα-(1→6)-гликозидными связями(рис.2 в). Концевое звено основной цепи амилопектина состоит из остатка α-D-глюкопиранозы со свободно восстанавливающейся ОН-группой (рис.2 д).

(а)		(б)
(в)
(г)	(д)
Рис.2.Структурные формулы (а, в) и схематическое изображение структуры (б, г, д) макромолекул амилозы (а, б) и амилопектина (в - д).

Биосинтез полисахаридов крахмала можно представить так, как это показано на рис.3.

Рис.3.Предположительная схема биосинтеза полисахаридов крахмала.

Биосинтез крахмала в растениях осуществляется под действием ферментов – глюкозилтрансфераздвух типов. Первый тип ферментов катализирует синтез линейных цепей амилозы и амилопектина, второй – боковых цепей амилопектина. Остатки α-D-глюкозы отщепляются под действием глюкозилтрансфераз первого типа от молекул нуклеозиддифосфатглюкозы, переносятся на растущую цепь полисахарида и присоединяются к ней посредством α-(1→4)-гликозидной связи (см. рис.2 а). Глюкозилтрансферазы второго типа отщепляют небольшие участки от главной линейной цепи и вновь прикрепляют к ней α-(1→6)-гликозидными связями (рис.2 в). Синтезируемые полисахариды крахмала накапливаются в листьях, затем деструктируют до дисахарида сахарозы. 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 откладываются на длительное хранение.

Наличие α-(1→4)-гликозидных связей в линейной макромолекуле амилозы накладывает на цепь стерические ограничения. Согласно теоретическим расчетам конформацией первичной структуры макромолекулы амилозы является спиральная конформация(рис.4).

Рис. 4.Конформация макромолекулы амилозы.

На каждый виток спирали приходится ~6-8 звеньев остатков α-D-глюкопиранозы. В пространстве внутри спирали могут размещаться низкомолекулярные соединения (вода, спирт и др.) или атомы йода.

Энергетически выгодной конформацией звена макромолекулы амилозы и амилопектина является конформация кресла С1(рис.5).

(а)

(б)

Рис.5.Схематическое представление структурных формул макромолекул амилозы (а) и амилопектина (б) с изображением энергетически выгодной конформации элементарных звеньев.

В макромолекулах амилопектина в среднем один из 20-25 остатков глюкопиранозы содержит боковую цепь, присоединенную α-(1→6)-гликозидной связью.