Материал: Строение дисахаридов, их химические и физические свойства

Введение

Углеводы - вещества состава Cn(H2O)m, имеющие первостепенное биохимическое значение, широко распространены в живой природе и играют большую роль в жизни человека.

Название углеводы возникло на основании данных анализа первых известных представителей этой группы соединения. Вещества этой группы состоят из углерода, водорода и кислорода, причем соотношение чисел атомов водорода и кислорода в них такое же, как и в воде, т.е. на каждые 2 атома водорода приходится один атом кислорода. В прошлом столетии их рассматривали как гидраты углерода. Отсюда и возникло русское название углеводы, предложенное в 1844г. К. Шмидтом.

Углеводы разделяются на три категории: моносахариды, дисахариды и полисахариды.

К широко распространенным и имеющим важное значение как компоненты пищевых продуктов, относятся дисахариды: сахароза, лактоза, мальтоза и др. Дисахарид целлобиоза имеет важное значение для жизни растений.

По химическому строению дисахариды являются гликозидами моносахаридов. Большинство дисахаридов состоят из гексоз, но в природе известны дисахариды, состоящие из одной молекулы гексозы и одной молекулы пентозы.

При образовании дисахарида одна молекула моносахарида всегда образует связь со второй молекулой с помощью своего полуацетального гидроксила. Другая молекула моносахарида может соединяться либо также полуацетальным гидрокислом, либо одним из спиртовых гидроксилов. В последнем случае в молекуле дисахарида будет оставаться свободным один полуацетальный гидроксил.

Дисахариды при гидролизе образуют два одинаковых или различных моносахарида. Для установления их строения необходимо знать, из каких моноз построен дисахарид; в какой форме, фуранозной или пиранозной, находится моносахарид в дисахариде; с участием каких гидроксилов связаны две молекулы простого сахара и поэтому только при изучении этой темы можно ответить на те или иные вопросы.

Целью изучения работы является изучение строения дисахаридов, их химических и физических свойств, а также биологической роли.

Дисахариды

Сахароза

Строение и внешний вид сахарозы

Дисахариды состоят из двух моносахаридных остатков, связанных гликозидной связью. Их можно рассматривать как О-гликозиды, в которых агликоном является остаток моносахарида. Общая формула дисахаридов, как правило, C12H22O11.

Возможно два варианта образования гликозидной связи:

• 1) за счет гликозидного гидроксила одного моносахарида и спиртового гидроксила другого моносахарида;
• 2) за счет гликозидных гидроксилов обоих моносахаридов.

Дисахарид, образованный первым способом, содержит свободный гликозидный гидроксил, сохраняет способность к цикло-оксо-таутомерии и обладает восстанавливающими свойствами (лактоза, мальтоза, целлобиоза).

В дисахариде, образованном вторым способом, нет свободного гликозидного гидроксила. Такой дисахарид не способен к цикло-оксо-таутомерии и является невосстанавливающим (сахароза, трегалоза) /1/.

Сахароза C12H22O11, или свекловичный сахар, тростниковый сахар, в быту просто сахар - дисахарид, состоящий из двух моносахаридов - б-глюкозы и в-фруктозы, чрезвычайно широко распространена в растениях, особенно много ее в корнеплодах свеклы (от 14 до 20%), а также в стеблях сахарного тростника (от 14 до 25%). Сахароза является транспортным сахаром, в виде которого углерод и энергия транспортируются по растению. Именно в виде сахарозы углеводы перемещаются из мест синтеза (листья) к месту, где они откладываются в запас (плоды, корнеплоды, семена).

Сахароза является весьма распространённым в природе дисахаридом, она встречается во многих фруктах, плодах и ягодах. Особенно велико содержание сахарозы в сахарной свёкле и сахарном тростнике, которые и используются для промышленного производства пищевого сахара. Сахароза играет огромную роль в питании человек. Характерная особенность сахарозы - лёгкость её гидролиза в кислом растворе - скорость её гидролиза примерно в 1000 раз больше, чем скорость гидролиза мальтозы или лактозы. Сахароза имеет высокую растворимость. В химическом отношении фруктоза довольно инертна, т.е. при перемещении из одного места в другое почти не вовлекается в метаболизм. Иногда сахароза откладывается в качестве запасного питательного вещества.

Сахароза, попадая в кишечник, быстро гидролизуется альфа-глюкозидазой тонкой кишки на глюкозу и фруктозу, которые затем всасываются в кровь. Ингибиторы альфа-глюкозидазы, такие, как акарбоза, тормозят расщепление и всасывание сахарозы, а также и других углеводов, гидролизуемых альфа-глюкозидазой, в частности, крахмала. Это используется в лечении сахарного диабета 2-го типа.

Синонимы: альфа-D-глюкопиранозил-бета-D-фруктофуранозид, свекловичный сахар, тростниковый сахар.

Кристаллы сахарозы - бесцветные моноклинные кристаллы. При застывании расплавленной сахарозы образуется аморфная прозрачная масса - карамель /7/.

Сахароза состоит из a-Д-глюкопиранозы и b-Д-фруктофуранозы, соединенных a-1>b-2-связью за счет гликозидных гидроксилов (рис. 1):

Рис. 1 Строение сахарозы

Сахароза не содержит свободного полуацетального гидроксила, поэтому она не способна к окси-оксо-таутомерии и является невосстанавливающим дисахаридом /2/.

При нагревании с кислотами или под действием ферментов a-глюкозидазы и b-фруктофуранозидазы (инвертазы) сахароза гидролизуется с образованием смеси равных количеств глюкозы и фруктозы, которая называется инвертным сахаром (рис. 2).

Рис. 2 Гидролиз сахарозы при нагревании с кислотами или под действием ферментов

Химические и физические свойства сахарозы

Молекулярная масса 342,3 а.е.м. Брутто-формула (система Хилла): C12H22O11. Вкус сладковатый. Растворимость (грамм на 100 грамм): в воде 179 (0°C) и 487 (100°C), в этаноле 0,9 (20°C). Малорастворима в метаноле. Не растворима в диэтиловом эфире. Плотность 1,5879 г/см3 (15°C). Удельное вращение для D-линии натрия: 66,53 (вода; 35 г/100г; 20°C). При охлаждении жидким воздухом, после освещения ярким светом кристаллы сахарозы фосфоресцируют. Не проявляет восстанавливающих свойств - не реагирует с реактивом Толленса и реактивом Фелинга. Наличие гидроксильных групп в молекуле сахарозы легко подтверждается реакцией с гидроксидами металлов. Если раствор сахарозы прилить к гидроксиду меди (II), образуется ярко-синий раствор сахарата меди. Альдегидной группы в сахарозе нет: при нагревании с аммиачным раствором оксида серебра (I) она не дает "серебряного зеркала", при нагревании с гидроксидом меди (II) не образует красного оксида меди (I). Из числа изомеров сахарозы, имеющих молекулярную формулу С12Н22О11, можно выделить мальтозу и лактозу /6/.

Реакция сахарозы с водой. Если прокипятить раствор сахарозы с несколькими каплями соляной или серной кислоты и нейтрализовать кислоту щелочью, а после этого нагреть раствор, то появляются молекулы с альдегидными группами, которые и восстанавливают гидроксид меди (II) до оксида меди (I). Эта реакция показывает, что сахароза при каталитическом действии кислоты подвергается гидролизу, в результате чего образуются глюкоза и фруктоза: С12Н22О11 + Н2О > С6Н12O6 + С6Н12O6.

История и получение сахарозы

Сахарный тростник, из которого до сих пор получают сахарозу, описан еще в хрониках о походах Александра Македонского в Индию. В 1747г. А. Марграф получил сахар из сахарной свеклы, а его ученик Ахард вывел сорт с высоким содержанием сахара. Эти открытия послужили началом свеклосахарной промышленности в Европе. Когда именно русские люди познакомились с кристаллическим сахаром, точно неизвестно, но историки утверждают, что в России инициатором производства чистого сахара из привозимого сырца был Петр 1. В Кремле для переработки сладкого лакомства имелась специальная "сахарная палата". Источники сахара могут быть весьма экзотичны. В Канаде, США и Японии, например, из сока сахарного клена (Acer saccharum) вырабатывают кленовый сироп, состоящий на 98% из сахаридов, среди которых сахароза составляет 80-98%. К середине XIX века сложилось представление, что сахароза - единственное природное сладкое вещество, пригодное для промышленного производства. Позже это мнение изменилось, и для специальных целей (питания больных, спортсменов, военных) были разработаны методы получения и других натуральных сладких веществ, конечно, в меньших масштабах.

Индусы еще за 300 лет до нашей эры умели получать тростниковый сахар из тростника. В наше время получают сахарозу из тростника, произрастающего в тропиках (на о. Куба и в других странах Центральной Америки).

В середине 18 века дисахарид был обнаружен в сахарной свекле, а в середине 19 века был получен в производственных условиях. В сахарной свекле содержится 12-15% сахарозы, по другим источникам 16-20% (сахарный тростник содержит 14-26% сахарозы). Сахарную свеклу измельчают и извлекают из нее сахарозу горячей водой в специальных аппаратах-диффузорах. Полученный раствор обрабатывают известью для осаждения примесей, а перешедший частично в раствор избыточный гидролиз кальция осаждают пропусканием диоксида углерода. Далее после отделения осадка раствор упаривают в вакуум-аппаратах, получая мелкокристаллический песок-сырец. После его дополнительной очистки получают рафинированный (очищенный) сахар. В зависимости от условий кристаллизации он выделяется в виде мелких кристаллов или в виде компактных "сахарных голов", которые раскалывают или распиливают на куски. Быстрорастворимый сахар готовят прессованием мелкоизмельченного сахарного песка /7/.