Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «МОГИЛЕВСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТПРОДОВОЛЬСТВИЯ»

Кафедра химической технологии высокомолекулярных соединений

ХИМИЯ И БИОХИМИЯ ЛИПИДОВ

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальностей

1-49 01 01, 1-49 01 02, 1-91 01 01

Могилев 2007

УДК 547.09: 577.115

Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры ХТВМС Протокол № от 2007 г.

Составители:

А.Я. Гузиков, О.Н. Макасеева, Л.М.Ткаченко

Оформление графического материала: Н.И.Ильичева

Рецензент кандидат химических наук, доцент УО МГУП

Баранов О.М.

Аннотация. Методические указания содержат материал по одному из важнейших разделов органической и биологической химии – химии и биохимии липидов. В первой части пособия в соответствии с традиционной формой изложения материала, принятой в органической химии, рассмотрены различные виды липидов: простые и сложные, омыляемые и неомыляемые, стероиды, фосфолипиды, гликолипиды и сфинголипиды. Вторая часть пособия, посвящена процессам обмена липидов.

©УО «Могилевский государственный университет продовольствия», 2007

2

Введение

Одной из важнейших задач пищевой технологии является повышение качества пищевых продуктов и совершенствование способов его контроля.

Разработка эффективных способов анализов качества пищевых продуктов, способов их стабилизации и новой технологии производства базируется на основе глубоких знаний о закономерностях процессов, протекающих при переработке сырья и хранении продукции.

Для многих видов жиросодержащих пищевых продуктов, например, растительных масел, животных жиров, мороженных и дегидратированных мяса и рыбы, пищевых концентратов, зерна, муки, круп изменение качества, потеря пищевой ценности обусловлены устойчивостью их жировой, а также липидной части.

В химии к липидам (от греч. lipos - жир) относят совокупность веществ, нерастворимых в воде, экстрагируемых из биологических объектов органическими растворителями и содержащих в молекулах высшие алкильные радикалы, а также их синтетические аналоги.

Липиды извлекают из любого растительного материала в виде сложной смеси и в зависимости от способов и приемов экстрагирования, вида растворителя различают свободные, связанные и прочно связанные липиды.

Свободные липиды извлекают неполярными безводными растворителями (чаще всего используют диэтиловый эфир). При этом в эфирный экстракт переходит не только собственно жир, но и свободные высшие жирные кислоты, высшие спирты, фосфатиды, стеролы, воска, хлорофилл, каротиноиды, жирорастворимые витамины, т. е. в экстракте находится так называемый сырой жир. Для количественного определения сырого жира используют аппарат Сокслета.

Связанные липиды. Часть липидов может быть связана с белками (липопротеины) и углеводами (гликолипиды). При определении «сырого» жира они не экстрагируются диэтиловым эфиром. Их извлекают гидрофильными полярными растворителями или их смесями (хлороформ+метанол, этанол+метанол, насыщенный водой н-бутанол), которые разрушают непрочные белко- во-липидные и гликолипидные комплексы.

Прочносвязанные липиды получают из обработанного щелочами и кислотами шрота, оставшегося после выделения связанных липидов.

Состав свободных и связанных липидов неодинаков. Основная фракция свободных липидов – триацилглицеролы (60-70%), а связанных – фракции полярных липидов (фосфолипидов) от 30 до 40%.

Основной составной частью липидов являются глицеролипиды или триглицериды (собственно жиры), которые по химическому строению являются сложными эфирами.

В технической литературе для обозначения твердых продуктов масложировой промышленности используют термин «жиры», а для обозначения жидких продуктов – термин «масла».

5

1 Классификация липидов и природных жиров

Существует несколько классификаций липидов. Наибольшее распространение получила классификация, основанная на структурных особенностях липидов и их способности к гидролизу (рисунок 1).

Классификация липидов

Рисунок 1 – Классификация липидов

По составу и химическому строению липиды делят на простые и слож-

ные.

К простым липидам относят жиры, воски и стериды. Все они являются сложными эфирами спиртов разного строения с высшими жирными кислотами.

1.1Жиры

Триацилглицеролы, триацилглицерины – это сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот.

Они построены по следующей схеме:

Простые ацилглицеролы не содержат ионных групп, являются нейтральными липидами, относятся к L-ряду.

Если жирными кислотами этерифицированы все три гидроксильные группы глицерина, то такое соединение называют триацилглицеролом (триглице-

6

рид), если две – диацилглицеролом (диглицерид) и, наконец, если этерифицирована одна группа – моноацилглицеролы( моноглицерид).

Триацилглицеролы различаются природой и расположением трех остатков жирных кислот. В зависимости от типа остатков жирных кислот нейтральные жиры делятся на простые и смешанные. Если во всех трех положениях стоят остатки одной и той же жирной кислоты, то их относят к простым триацилглицеролам, название которых определяется названием соответствующей жирной кислоты (например, трипальмитин, тристеарин, триолеин и т.д.), если остатки разных жирных кислот, то их относят к смешанным триацилглицеролам (например, 1-олео-2-пальмито-3-стеарин).

Нейтральные ацилглицеролы служат главными составными частями природных жиров и масел, чаще всего это смешанные триацилглицеролы. По происхождению природные жиры делят на животные и растительные. В зависимости от жирно-кислотного состава жиры и масла по консистенции бывают жидкими и твердыми. Животные жиры (баранье, говяжье, свиное сало, молочный жир) обычно содержат значительное количество насыщенных жирных кислот (пальмитиновой, стеариновой и др.), благодаря чему при комнатной температуре они твердые.

Жиры, в состав которых входит много ненасыщенных кислот (олеиновая, линолевая, линоленовая и др.), при обычной температуре жидкие и называются маслами.

Жиры, как правило, содержатся в животных тканях, масла – в плодах и семенах растений. Особенно высоко содержание масел (20-60 %) в семенах подсолнечника, хлопчатника, сои, льна. Семена этих культур используются в пищевой промышленности для получения пищевых масел.

По способности высыхать на воздухе масла подразделяются: на высыхающие (льняное, конопляное), полувысыхающие (подсолнечное, кукурузное), невысыхающие (оливковое, касторовое). Это свойство масел определяется их жирно – кислотным составом.

Триацилглицеролы способны вступать во все химические реакции, свойственные сложным эфирам. Наибольшее значение имеет реакция омыления, она может происходить как при ферментативном гидролизе, так и при действии кислот и щелочей. Жидкие растительные масла превращают в твердые жиры путем гидрогенизации. Этот процесс широко используется для изготовления маргарина и кулинарного жира.

Жиры при сильном и продолжительном взбалтывании с водой образуют эмульсии – дисперсные системы с жидкой дисперсной фазой (жир) и жидкой дисперсионной средой (водой). Однако эти эмульсии нестойки и быстро разделяются на два слоя – жир и воду. Жиры плавают над водой, поскольку их плотность меньше плотности воды (от 0,87 до 0,97).

Для получения стойких эмульсий жира в воде необходимо присутствие третьего вещества – эмульгатора, легко адсорбирующегося на поверхности раздела двух фаз. Молекула эмульгатора состоит из двух частей: из углеводородной цепи (гидрофобный хвост) и какой-либо полярной или ионной группы (гидрофильная головка). К таким соединениям относятся мыла, белки, фосфолипиды, соли желчных кислот. При взбалтывании жира с водой в присутствии эмульгатора происходит дробление жира на капли, на которых появляется тон-

7

чайшая пленка, состоящая из адсорбированных молекул эмульгатора, гидрофобный конец которых погружен в капельку жира, а гидрофильный – в водную фазу (см. рис. 2).

капля жира

гидрофобный хвост эмульгатора

гидрофильная головка эмульгатора

вода

Рисунок 2 – Схема действия эмульгатора

Таким образом, эмульгатор формирует гидрофильную оболочку вокруг капель жира, образуя мелкодисперсную смесь с водой или эмульсию, которая приобретает свойство стабильности.

Эмульгирование имеет большое физиологическое значение при всасывании и усвоении организмом жиров, а также при образовании биологических мембран. Эмульсии широко используются в пищевой промышленности при приготовлении шоколада, майонеза, маргарина, мыловарении, при изготовлении косметических средств, в производстве красителей.

1.2Воски

Это – сложные эфиры высших жирных карбоновых кислот и высших спиртов одноатомных алифатического, реже ароматического ряда, например, цетилового спирта в спермацете

Воски являются твердыми соединениями с ярко выраженными гидрофобными свойствами. Природные воски содержат также некоторое количество свободных жирных кислот и высокомолекулярных спиртов. В состав восков входят как обычные, содержащиеся в жирах, – пальмитиновая, стеариновая, олеиновая и др., так и жирные кислоты, характерные для восков, имеющие гораздо большие молекулярные массы, – карноубовая С24Н48О2, церотиновая С27Н54О2, монтановая С29Н58О2 и др.

Среди высокомолекулярных спиртов, входящих в состав восков, можно отметить цетиловый – СН3–(СН2)14–СН2ОН, цериловый – СН3–(СН2)24–СН2ОН, мирициловый СН3–(СН2)28–СН2ОН.

Воски встречаются как в животных, так и в растительных организмах и выполняют, главным образом, защитную функцию.

В растениях они покрывают тонким слоем листья, стебли и плоды, тем самым, предохраняя их от смачивания водой, высыхания, механических повре-

8

ждений и поражения микроорганизмами. Нарушение этого налета приводит к быстрой порче плодов при их хранении.

Например, значительное количество воска выделяется на поверхности листьев пальмы, произрастающей в Южной Америке. Этот воск, называемый карноубским, является, в основном, церотиново-мирициловым эфиром:

O

H3C (СН2)24 СО CH2 (СН2)28 CH3,

имеет желтый или зеленоватый цвет, очень тверд, плавится при температуре 83-900С, идет на выделку свечей.

Среди животных восков наибольшее значение имеет пчелиный воск, под его покровом хранится мед и развиваются личинки пчелы. В пчелином воске преобладает пальмитиново-мирициловый эфир:

O

H3C (СН2)14 СО CH2 (СН2)28 CH3 ,

а также высокое содержание высших жирных кислот и различных углеводородов, плавится пчелиный воск при температуре 62-700С.

Другими представителями воска животных является ланолин и спермацет. Ланолин предохраняет волосы и кожу от высыхания, очень много его содержится в овечьей шерсти.

Спермацет – воск, добывающий из спермацетового масла черепных полостей кашалота, состоит, в основном, (на 90%) из пальмитиново-цетилового эфира:

O

H3C (СН2)14 СО CH2 (СН2)14 CH3

твердое вещество, его температура плавления 41-490С.

Различные воска широко применяют для изготовления свечей, помад, мыла, разных пластырей.

1.3Стериды

Это – сложные эфиры специфически построенных полициклических спиртов стеролов, например, холестерола (холестерина) и пальмитиновой кислоты в пальмитохолестериде.

Стериды не растворяются в воде, но хорошо растворимы во всех жировых растворителях и входят в состав сырого жира. Стериды образуют омыляемую фракцию липидов, т.е. при взаимодействии со щелочами гидролизуются с образованием солей высших жирных кислот, называемых мылами. Стерины (стеролы) же при омылении жира остаются в неомыляемой фракции, составляя наибольшую ее часть.

9

В организме человека и животных главным представителем стеринов (стеролов) является холестерин:

Холестерин (холестерол)

Холестерин играет важную роль в жизнедеятельности животного организма:

–участвует в построении биологических мембран. Находясь в составе мембран клеток, вместе с фосфолипидами и белками обеспечивает избирательную проницаемость клеточной мембраны, оказывает регулирующее влияние на состояние мембраны и на активность связанных с ней ферментов;

–является предшественником образования в организме желчных кислот, а также стероидных гормонов. К этим гормонам относятся тестостерон (мужской половой гормон), эстрадиол (один из женских гормонов), альдостерон (образующийся в коре надпочечников и регулирующий водно-солевой баланс);

–является провитамином витаминов группы Д. Холестерин под действием УФ-

лучей в коже превращается в витамин Д3 (холекальциферол), который, в свою очередь, служит предшественником гормона, участвующего в регуляции обмена кальция и минерализации костной ткани. Также нужно отметить, что при нарушении обмена веществ холестерин откладывается на стенках кровеносных сосудов, приводя к тяжелой болезни – атеросклерозу.

Врастениях и дрожжах содержится эргостерин (эргостерол).

При облучении эргостерола УФ-лучами из него образуется витамин Д2 (эргокальциферол). Для промышленного изготовления витаминов группы Д (антирахитические витамины) используют дрожжи, они содержат свыше 2% стеридов и стеролов на сухое вещество.

10