Природні вуглеводи та полісахариди

 

 

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК

 

 

м. Івано-Франківськ

2013 р.

Курта С.А. Природні вуглеводів та полісахариди - Навчальний посібник.Прикарпатський націо-нальний університет імені Василя Стефаника. – Івано-Франківськ, 2012. – 100 с.

Вуглеводи є одним з основних харчових продуктів, вони містяться в злакових зернах, фруктах, картоплі, овочах. На вуглеводи припадає приблизно 2/3 їжі людини, а за калорійність- приблизно 55%. Окрім того, їх широко використовують у медицині, вони є сировиною для виробництва етилового спирту, гліцеролу, молочної, цитринової, глюконової кислот. Широко використовують штучні волокна (віскозні та ацетатні), плівкоутворювачі, вибухівка, папір з целюлози тощо.

Навчальний посібник є рукопис, який містить теоретичні дослідження походження, будови та експериментальні обгрунтування способів синтезу, фізичних та хімічних властивостей і використання вуглеводів та полісахаридів природного походження в тому числі в вкладі виноградного вина.

У роботі розглянуто класифікацію та походження вуглеводів, їх поширення, а саме моносахаридів, дисахаридів та полісахаридів особлива увага приділена таким представникам: глюкозі, фруктозі, мальтозі, целобіозі, лактоза, сахарозі, трегаллозі, крохмалю, амілозі, глікогену, целюлозі, ксантановій камеді, аміноцукрам та їх модифікованим похідним в складі виноградного сусла та вина. Приведені їхні особливості будови, добування, застосування, хімічні властивості та використання, а також принципи сенсорного аналізу та вживання виноградних вин.

100с., 23 літ. джерел, 120 хімічний формул та реакцій.

Ключові слова: моносахариди, дисахариди, полісахариди, глюкоза, фруктоза, мальтоза, целобіоза, лактоза, сахароза, трегалоза, крохмаль, амілоза, глікоген, целюлоза, хімічні властивості, будова, виноград, вино..

 

Зміст

Вступ …………………………………………………………………… 4

Розділ 1. Моносахариди ………………………………………………….8

1.1. Особливості будови …………………………………………... 8

1.1.2. Циклічна структура моносахаридів…………………….. 11

1.1.3. Мутаротація……………………………………………… 13

1.1.4. Глікозиди…………………………………………………. 17

1.2.Одержання моносахаридів ……………………………………. 22

1.2.1. Синтез і розклад моносахаридів…………………….….. 25

1.3.Хімічні властивості …………………………………………... 27

1.3.1. Реакції моносахаридів……………………………………. 27

1.3.2. Доказ структури Д-глюкози……………………………... 43

Розділ 2. Дисахариди ……………………………………………………. 50

2.1.Відновлюючі дисахариди ……………………………………. 50

2.1.1. Мальтоза…………………………………………………….. 50

2.1.2. Лактоза………………………………………………………. 51

2.2. Не відновлюючі дисахариди ……………………………..… 52

2.2.1. Гентибіоза і целобіоза…………………………………..… 52

2.2.2. Сахароза……………………………………………………. 53

2.2.3 Тригалоза……………………………………………………. 53

Розділ 3. Полісахариди ………………………………………………….. 55

Розділ 4. Аміноцукри……………………………………………………. 60

Розділ 5. Хімія вина………………………………………………………. 65

5.1. Хімічний склад винограду і вина…………………………………… 67

5.1.1.Моносахариди……………………………………………………. 67

5.1.2.Полісахариди…………………………………………………….. 73

5.2. Традиції вживання вина та їжі……………………………… 83

5.2.1. Вино та їжа: базові принципи поєднання…………………… 87

5.2.2. Сенсорний аналіз вина……………………………………….. 91

Розділ 6. Питання для самоконтролю ……………………… 95

Список використаних джерел …………………………………100

 

 

Вступ

Вуглеводи – це клас біомолекул, якого в природі із всієї біомаси найбільше. На вуглеводи припадає приблизно 80% сухої маси рослин і 2% тварин.

Вуглеводи надзвичайно поширені у рослинному і тваринному світі і мають виняткове значення в у життєвих процесах, оскільки є джерелом енергії для біологічних систем. Поряд з білками, нуклеїновими кислотами і ліпідами вони є основними компонентами, з яких формуються клітини організмів людей і тварин. У природі приблизно 80% сухої маси рослин і 2% сухої маси тварин припадає на вуглеводи. Синтез вуглеводів з СО₂ і Н₂О під дією світла і природного каталізатора хлорофілу (фотосинтез) є основою життєдіяльності рослинних ор ганізмів. Вуглеводи, один з основних харчових продуктів, містяться в зернах, картоплі, фруктах, овочах. Вони широко використовуються для виробництва спирту, штучного волокна, паперу, вибухівки тощо.

Мета – класифікація, походження, особливості будови, одержання, вивчення хімічних властивостей, застосування, використання, поширення вуглеводів та природних полісахаридів.

Завдання – допомогти студентам детально вивчитиклас органічних сполук -вуглеводні таполісахариди.

Структура та обсяг роботи–робота складається з: анотації, змісту, вступу, 6-и розділів, питань для самоконтролю, списку використаних джерел. Робота викладена на 99 сторінках, містить 120 формул і 23 посилань на літературні джерела.

В роботі вперше систематизовано і узагальнено величезний матеріал, опублікований у відомих виданнях та монографіях по хімії вуглеводів та природних полісахаридів та викладено у стислій формі, близько 39 сторінок, українською мовою, що дає можливість студентам і аспірантам за короткий період швидко ознайомитися з усіма типовими класами вуглеводів та природних полісахаридів.

 

Вуглеводи відіграють значну роль у складних біохімічних процесах метаболізму живих організмів і порушення їхнього обміну призводить до деяких хвороб (цукрового діабету, уражень печінки, нервової системи тощо). Такі вуглеводи, як рибоза і дезоксирибоза входять до складу нуклеїнових кислот, які забезпечують збереження і відтворення генетичної інформації.

У живих організмах вуглеводи виконують певні функції, найважливішими з яких є структурні, енергетичні, захисні, транспортні. Вуглеводи виконують роль транспортерів – виводять з організму і знезаражують отримання речовини. Функція біологічно-активних сполук – моносахариди, вуглеводам належить ключова роль в процесах молекулярного пізнання.

Вуглеводами називаються сполуки загальної формули C_n(H₂O)_n, з чим і пов’язана їх назва (К. Шмідт, 1844 р. – карбон і вод а). За хімічною класифікацією вуглеводи відносяться до гідроксиальдегідів або до гідроксикетонів, тобто, до сполук, які містять одночасно гідроксильні групи і альдегідну або кетонну. Вуглеводи називаються також цукрами, або сахаридами (карбогідратами).

Для української хімічної термінології вуглеводів питання щодо користування родоначальними термінами цукор і сахар остаточно ще не вирішене. За рекомендаціями УНКоХіТерН пропонується керува­тися правилом: слову сахар відповідає англійський термін sacchar, наприклад сахарид (saccharide), полісахарид (роlуsaccharide), сахароза (saccharose) тощо; а слову цукор - англійський термін sugar, наприклад, клас цукри (sugars), аміноцукор (aminosugar) тощо.

Оскільки вуглеводи відносяться до поширеного класу природних сполук, правилами IUPAC дозволяється використовувати для них тривіальні назви. Такі назви для найпростіших вуглеводів закінчуються на –оза (рибоза, глюкоза, фруктоза, сахароза).

Вуглеводи поділяюься на дві великі групи: моносахариди і полісахариди.

Моносахаридами (монозами) називаються прості вуглеводи, не здатні гідролізуватися з утворенням найпростіших вуглеводів. Полісахаридами називаються вуглеводи, здатні гідролізуватися на моносахариди.

Загальна назва моносахаридів складається з назви числівника, що відповідає загальній кількості атомів вуглецю (три-, тетра-, пента-,гекса- тощо), і закінчення -оза. Наприклад, вуглеводи з чотирма атомами вуглецю –

тетрози, з п'ятьма - пентози тощо.

За функціональною групою моносахариди поділяють на альдози (альдегід + оза, гідроксиальдегіди) і кетози (кетон + оза, гідроксикетони). Повну загальну назву моносахариду утворюють з префікса альдо- або кето-, до якого додають назву числівника і закінчення (суфікса) -оза. Наприклад, моносахариди пентози С₅Н₁₀О₅ називають­ся альдопентозами з альдегідною групою (рибоза, арабіноза, ксилоза, ліксоза) і кетопентозами з карбонільною групою (рибулоза, ксилулоза), а гексози С₆Н₁₂0₆ - альдогексозами і кетогексозами відповідно. Найбільше значення з природних сахаридів мають пентози та гексози, причому триози (гліцериновий альдегід, дигідроксиацетон) не вважаю­ться сахаридами внаслідок суттєвої відмінності їх хімічних властивостей від властивостей інших моносахаридів, а тетрози в природі не зустрічаються.

Полісахариди поділяють на цукроподібні, або олігосахариди (диса­хариди, трисахариди тощо), і нецукроподібні (крохмаль, целюлоза, або клітковина).

Представлена робота допоможе викладачу, студенту ознайомитися з основним хімічним складом, із застосовуваними сенсорного аналізу вин, їх асортиментом та показниками якості, а також атрибутикою під час їх споживання.

Розділ 1. Моносахариди

Особливості будови

1.1.1 У природі найпоширенішими моносахаридами є пентози і гексози, здебільшого групи альдоз. Родоначальниками генетичного ряду моносахаридів є хіральний гліцериновий альдегід для альдоз і дигідроксиацетон для кетоз:

гліцериновий альдегід дигідроксиацетон

З цих сполук можна отримати синтетичним методом інші моносахариди, які утворюють генетичний ряд. Віднесення вуглеводів до D- або L-ряду залежить від конфігурації нижнього хірального вуглецевого атома на відміну від гідроксикислот і амінокислот, для яких конфігурація визначається за верхнім хіральним атомом.

Генетичний ряд D-альдоз представлений на схемі:

D-еритроза D-треоза

D-рибоза D-арабіноза D-ліксоза D-ксилоза

Аналогічна картина спостерігається для L-гліцеринового альдегіду. Використавши в якості родоначальника кетоз дигідроксиацетон, можна побудувати по аналогії генетичний ряд D-кетоз:

 

Тривіальні назви тетра- і пентакетоз утворені з назв відповідних за структурою альдоз із суфіксом -улоза.

Для моносахаридів існують також систематичні назви за правилами IUPAC. Так, назва альдоз утворюється за допомогою конфігураційних префіксів, які відповідають основній назві без закінчення -за. Конфігураційний префікс - проекція Фішера відповідної основи без урахування верхнього (карбонільного) і нижнього атомів вуглецю, що позначаються, наприклад: D-еритро- (це проекція D-еритрози без верхньої СНО- і нижньої СН₂ОН-групи), D-арабіно-, D-глюко-. Далідо конфігураційного префікса додають назву основи (тетроза, пентоза, гексоза тощо) із закінченням -оза, наприклад: D -треоза (тривіальна назва) => D -трео-тетроза (систематична назва), D -арабіноза => D - арабіно -пентоза, D -глюкоза => D - глюко- гексоза. Аналогічно утворюють назви кетоз, але за основу конфігураційного префікса беруть той, що відповідає основі альдоз від нижнього атома вуглецю до кетогрупи. Наприклад, для D-фруктози застосовується конфігураційний префікс арабіно-, оскільки конфігурація D-фруктози від нижньої СН₂ОН-групи до кетогрупи відповідає конфігурації альдози - D-арабінози. При цьому закінчення -а змінюють на -улоза, а положення кетогрупи позначають локантом, наприклад: D-еритрулоза => D- гліцеро -2-тетрулоза, D-фруктоза => D- арабіно -2-гексулоза, D-тагатоза => D-ліксо-2-гексулоза. Складніші правила для похідних моносахаридів.

Найпоширенішими моносахаридами є D-глюкоза (виноградний цукор) і D-фруктоза (фруктовий цукор). Так, глюкоза міститься у винограді та більшості солодких фруктів, входить до складу дисахаридів (мальтоза, лактоза тощо), полісахаридів (крохмаль, клітковина, глікоген, декстрини тощо). Фруктоза також міститься переважно в солодких фруктах, але у меншій кількості, ніж глюкоза, а крім того, у меді, помідорах; входить до складу дисахариду сахарози, полісахариду інуліну тощо.

На підставі вивчення хімічних властивостей глюкози (в реакціях відновлення, ацилювання, окиснення, утворення оксимів) А. Байєром і Р.Фіттігом (1870 р.) була визначена її структурна формула:

СН₂ОН-СН(ОН)-СН(ОН)-СН(ОН)-СН(ОН)-СН=О

Пізніше Е. Фішер дослідив просторову конфігурацію глюкози та

фруктози і запропонував для них сучасні проекційні формули:

D-фруктоза D-глюкоза

Ці формули називаються відкритими або ланцюговими (карбонільними).

Нумерацію починають з того кінця ланцюга, до якого ближче перебуває оксогрупа. Застосовують також позначення α-, ß- тощо по відношенню до оксогрупи.

Було встановлено, що один гідроксил за хімічними властивостями реакційноздатніший і відрізняється від чотирьох інших гідроксилів.

Крім того, незважаючи на здатність сполук на зразок глюкози до реакцій, характерних для оксогруп (взаємодія з НСN, окиснення аміачним розчином оксиду срібла, відновлення до шестиатомного спирту, утворення озазону з фенілгідразином), вони не взаємодіють з гідросульфітом NaHSO₃, не забарвлюють розчини фуксинсульфітної кислоти, не вступають у реакції конденсації та полімеризації. Це свідчить про існування іншої форми моносахаридів, так званої циклічної, або напівацетальної (кільчастої, форми О. Коллі - Б. Толленса), якавиникає, наприклад, для глюкози і фруктози.