Чем по строению отличается амилоза от амилопектина. Общие сведения о крахмале
Крахмал (C 6 H 10 O 5) n — аморфный порошок белого цвета, без вкуса и запаха, плохо растворим в воде, в горячей воде образует коллоидный раствор (клейстер). Макромолекулы крахмала построены из большого числа остатков α-глюкозы. Крахмал состоит из двух фракций: амилозы и амилопектина. Амилоза имеет линейные молекулы, амилопектин – разветвлённые.
Биологическая роль.
Крахмал – один из продуктов фотосинтеза, главное питательное запасное вещество растений.
Крахмал – основной углевод в пище человека.
Получение.
Крахмал получают чаще всего из картофеля.
Для этого картофель измельчают, промывают водой и перекачивают в большие сосуды, где происходит отстаивание. Полученный крахмал ещё раз промывают водой, отстаивают и сушат в струе теплого воздуха.
Химические свойства.
1. С иодом крахмал даёт фиолетовое окрашивание.
Крахмал – многоатомный спирт.
3. Крахмал сравнительно легко подвергается гидролизу в кислой среде и под действием ферментов:
(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6
крахмал глюкоза
В зависимости от условий гидролиз крахмала может протекать ступенчато, с образованием различных промежуточных продуктов:
(С6H10O5)n → (C6H1005)x → (C6H1005)y→ C12H22O11 → nC6H12O6
крахмал растворимый декстрины мальтоза глюкоза крахмал
Происходит постепенное расщепление макромолекул.
Применение крахмала.
Крахмал применяется в кондитерском производстве (получение глюкозы и патоки), является сырьём для производства этилового, н -бутилового спиртов, ацетона, лимонной кислоты, глицерина и так далее.
Он используется в медицине в качестве наполнителей (в мазях и присыпках), как клеящее вещество.
Крахмал является ценным питательным продуктом. Чтобы облегчить его усвоение, содержащие крахмал продукты подвергают действию высокой температуры, то есть картофель варят, хлеб пекут.
Крахмал. Химические свойства, применение
В этих условиях происходит частичный гидролиз крахмала и образуются декстрины , растворимые в воде. Декстрины в пищеварительном тракте подвергаются дальнейшему гидролизу до глюкозы, которая усваивается организмом. Избыток глюкозы превращается в гликоген (животный крахмал). Состав гликогена такой же, как у крахмала, – (C6H10O5)n, но его молекулы более разветвлённые.
Крахмал как питательное вещество.
Крахмал является основным углеводом нашей пищи, но он не может самостоятельно усваиваться организмом.
2. Подобно жирам, крахмал сначала подвергается гидролизу.
3. Этот процесс начинается уже при пережевывании пищи во рту под действием фермента, содержащегося в слюне.
5. Образующаяся глюкоза всасывается через стенки кишечника в кровь и поступает в печень, а оттуда – во все ткани организма.
Избыток глюкозы отлагается в печени в виде высокомолекулярного углевода – гликогена.
Особенности гликогена: а) по строению гликоген отличается от крахмала большей разветвленностью своих молекул; б) этот запасный гликоген между приемами пищи снова превращается в глюкозу по мере расходования ее в клетках организма.
Промежуточные продукты гидролиза крахмала (декстрины) легче усваиваются организмом, чем сам крахмал, так как состоят из меньших по размерам молекул и лучше растворяются в воде.
8. Приготовление пищи часто связано именно с превращением крахмала в декстрины.
Применение крахмала и получение его из крахмалсодержащих продуктов.
Крахмал используется не только как продукт питания.
2. В пищевой промышленности из него готовят глюкозу и патоку.
3. Для получения глюкозы крахмал нагревают с разбавленной серной кислотой в течение нескольких часов.
4. Когда процесс гидролиза закончится, кислоту нейтрализуют мелом, образующийся осадок сульфата кальция отфильтровывается и раствор упаривается.
Если процесс гидролиза не доводить до конца, то в результате получается густая сладкая масса – смесь декстринов и глюкозы – патока.
Особенности патоки: а) она применяется в кондитерском деле для приготовления некоторых сортов конфет, мармелада, пряников и т.
п.; б) с патокой кондитерские изделия не кажутся приторно-сладкими, как приготовленные на чистом сахаре, и долго остаются мягкими.
6. Декстрины, получаемые из крахмала, используются в качестве клея. Крахмал применяется для крахмаления белья: под действием нагревания горячим утюгом он превращается в декстрины, которые склеивают волокна ткани и образуют плотную пленку, предохраняющую ткань от быстрого загрязнения.
Крахмал получается чаще всего из картофеля. Картофель моется, затем измельчается на механических терках, измельченная масса промывается на ситах водой.
8. Освободившиеся из клеток клубня мелкие зерна крахмала проходят с водой через сито и оседают на дне чана. Крахмал тщательно промывается, отделяется от воды и сушится.
Гомополисахариды: крахмал (амилоза и амилопектин), гликоген, целлюлоза — строение, свойства, гидролиз, биороль.
Крахмал. Этот полисахарид состоит из полимеров двух типов, построенных из D-глюкопиранозы: амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%). Крахмал образуется в растениях в процессе фотосинтеза и «запасается» в клубнях, корнях, семенах.
Крахмал — белое аморфное вещество.
В холодной воде нерастворим, в горячей набухает и некоторая часть его постепенно растворяется. При быстром нагревании крахмала из-за содержащейся в нем влаги (10-20%) происходит гидролитическое расщепление макромолекулярной цепи на более мелкие осколки и образуется смесь полисахаридов, называемых декстринами. Декстрины лучше растворяются в воде, чем крахмал.
Такой процесс расщепления крахмала, или декстринизация, осуществляется при хлебопечении.
Крахмал муки, превращенный в декстрины, легче усваивается вследствие большей растворимости.
Амилоза — полисахарид, в котором остатки D-глюкопиранозы связаны α(1,4)-гликозидными связями, т.
Крахмал: формула, химические свойства, применение
дисахаридным фрагментом амилозы является мальтоза.
Цепь амилозы неразветвленная, включает до тысячи глюкозных остатков, молекулярная масса до 160 тыс.
По данным рентгеноструктурного анализа, макромолекула амилозы свернута в спираль. На каждый виток спирали приходится шесть моносахаридных звеньев. Во внутренний канал спирали могут входить соответствующие по размеру молекулы, например молекулы йода, образуя комплексы, называемые соединениями включения.
Комплекс амилозы с йодом имеет синий цвет. Это используется в аналитических целях для открытия как крахмала, так и йода (йодкрахмальная проба).
Рис. 1. Спиралевидная структура амилозы (вид вдоль оси спирали)
Амилопектин в отличие от амилозы имеет разветвленное строение (рис.
2). Его молекулярная масса достигает 1-6 млн.
Рис. 2. Разветвленная макромолекула амилопектина (цветные кружки — места ответвления боковых цепей)
Амилопектин — разветвленный полисахарид, в цепях которого остатки D-глюкопиранозы связаны α(1,4)-гликозидными связями, а в точках разветвления — α(1,6)-связями.
Между точками разветвления располагаются 20-25 глюкозных остатков.
Гидролиз крахмала в желудочно-кишечном тракте происходит под действием ферментов, расщепляющих α(1,4)- и α(1,6)-гликозидные связи. Конечными продуктами гидролиза являются глюкоза и мальтоза.
Гликоген. В животных организмах этот полисахарид является структурным и функциональным аналогом растительного крахмала.
По строению он подобен амилопектину, но имеет еще большее разветвление цепей. Обычно между точками разветвления содержатся 10-12, иногда даже 6 глюкозных звеньев. Условно можно сказать, что разветвленность макромолекулы гликогена вдвое больше, чем амилопектина.
Сильное разветвление способствует выполнению гликогеном энергетической функции, так как только при множестве концевых остатков можно обеспечить быстрое отщепление нужного количества молекул глюкозы.
Молекулярная масса гликогена необычайно велика и достигает 100 млн. Такой размер макромолекул содействует выполнению функции резервного углевода.
Так, макромолекула гликогена из-за большого размера не проходит через мембрану и остается внутри клетки, пока не возникнет потребность в энергии.
Гидролиз гликогена в кислой среде протекает очень легко с количественным выходом глюкозы.
Это используют в анализе тканей на содержание гликогена по количеству образовавшейся глюкозы.
Аналогично гликогену в животных организмах такую же роль резервного полисахарида в растениях выполняет амилопектин, имеющий менее разветвленное строение. Это связано с тем, что в растениях значительно медленнее протекают метаболические процессы и не требуется быстрого притока энергии, как иногда необходимо животному организму (стрессовые ситуации, физическое или умственное напряжение).
Целлюлоза. Этот полисахарид, называемый также клетчаткой, является наиболее распространенным растительным полисахаридом.
Целлюлоза обладает большой механической прочностью и выполняет функцию опорного материала растений. Древесина содержит 50-70% целлюлозы; хлопок представляет собой почти чистую целлюлозу. Целлюлоза является важным сырьем для ряда отраслей промышленности (целлюлозно-бумажной, текстильной и т. п.).
Целлюлоза — линейный полисахарид, в котором остатки D-глюкопиранозы связаны β(1,4)-гликозидными связями.
Дисахаридный фрагмент целлюлозы представляет собой целлобиозу.
Макромолекулярная цепь не имеет разветвлений, в ней содержится 2,5-12 тыс. глюкозных остатков, что соответствует молекулярной массе от 400 тыс. до 1-2 млн.
β-Конфигурация аномерного атома углерода приводит к тому, что макромолекула целлюллозы имеет строго линейное строение.
Этому способствует образование водородных связей внутри цепи, а также между соседними цепями.
Такая упаковка цепей обеспечивает высокую механическую прочность, волокнистость, нерастворимость в воде и химическую инертность, что делает целлюлозу прекрасным материалом для построения клеточных стенок растений.
Целлюлоза не расщепляется обычными ферментами желудочно-кишечного тракта, но необходима для нормального питания как балластное вещество.
Большое практическое значение имеют эфирные производные целлюлозы: ацетаты (искусственный шелк), нитраты (взрывчатые вещества, коллоксилин) и другие (вискозное волокно, целлофан).
Предыдущая1234567891011121314Следующая
ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:
Б). Крахмала функции
Крахмал - растительный полисахарид со сложным строением. Он состоит из амилозы и амилопектина; их соотношение различно в раз-личных крахмалах (амилозы 13-30%; амилопектина 70-85%).
Амилоза и амилопектин в расте-ниях формируются в виде крахмальных зерен.
Свойства крахмала, молекула крахмала
Загуститель. 2. Связывающий агент в продуктах. Присутствует в сырье или добавляют.
Клейстеризация и другие свойства . Неповрежденные крахмальные зерна нера-створимы в холодной воде, но могут обратимо впитывать влагу и легко набухают. Увеличение диаметра зерен при набухании зависит от вида крахмала. Например, для обычного кукурузного крахмала - 9,1%, для восковидного - 22,7%.
По мере повышения температуры увеличивается колебание крахмаль-ных молекул, разрушаются межмолекулярные связи, что приводит к ос-вобождению мест связывания для взаимодействия с молекулами воды через водородные связи.
Это проникновение воды и увеличивающееся разделение больших и длинных сегментов крахмальных цепей увеличи-вает неупорядоченность в общей структуре и уменьшает число и размер кристаллических областей. При дальнейшем нагреве в присутствии боль-шого количества воды происходит полная потеря кристалличности, со-провождающаяся потерей очертания крахмальных зерен. Температуру, соответствующую разрушению внут-ренней структуры крахмальных зерен, называют температурой клейстеризации. Она зависит от источника получения крахмала.
Во время клейстеризации зерна крахмала набухают очень сильно, сначала увеличение температуры ведет к крутому подъему вяз-кости, что связано с набуханием крахмальных зерен.
Затем набухшие крахмальные зерна разрываются и дезинтегрируют, вызывая падение вяз-кости.
Факторы, влияющие напроцесс клейстеризации крахмала:
1. Температура.
2. Активность воды (чем выше, тем быстрее процесс, на активность воды влияют связывающие воду компоненты).
3. Высокие содержания сахара уменьшают скорость клейстеризации крахмала, снижают пик вязкости.
Дисахариды являются более эффек-тивными с точки зрения замедления клейстеризации и снижения пика вязкости, чем моносахариды. Кроме того, сахара уменьшают силу крахмальных гелей, играя роль пластификатора и вмешиваясь в об-разование зон связывания.
На клейстеризацию крахмала при производстве пищевых продуктов оказывают влияние липиды - триглицериды (жиры, масла), моно- и диацилглицериды. Жиры, которые могут давать комплексы с амилозой, тормозят набухание крахмальных зерен. Вследствие этого в белом хлебе, в котором мало жира, 96% крахмала обычно полностью клейстеризовано.
При производстве пекарских изделий эти два фактора (большие кон-центрации жира и низкая aw) вносят большой вклад в неклеистеризацию крахмала.
Моноацилглицериды жирных кислот (С|6-С18) приводят к увеличе-нию температуры клейстеризации, увеличению температуры, соответ-ствующей пику вязкости, уменьшению силы геля.
Это связано с тем, что компоненты жирных кислот в моноацилглицеридах могут образовывать соединения включения с амилозой, а, возможно, и с длинными внешни-ми цепями амилопектина. Липид-амилозные комплексы вмешиваются также и в обра-зование зон связывания.
5. Низкие концентрация солей , как правило, не оказывают влияния на клейстеризацию или образование геля.
Исключение составляет картофельный амилопектин, ко-торый содержит фосфатные группы. В этом случае соли могут, в зависи-мости от условий, либо увеличивать, либо уменьшать набухание.
6. Кислоты присутствуют во многих продуктах , где используется крахмал в качестве загустителя. Однако большинство пищевых продуктов имеет рН в области 4-7, и эти концентрации ионов Н+ не оказывают большого вли-яния на набухание крахмала или его клейстеризацию.
При низких рН (салатные приправы, фруктовые на-чинки) имеет место заметное снижение пика вязкости крахмальных клейстеров и быстрое снижение вязкости при нагревании. При низких рН имеет место интенсивный гидролиз с об-разованием незагустевающих декстринов, необходимо, чтобы избежать кислотного разжижения, использовать в качестве загустителя в кислых продуктах модифицированные поперечно-сшитые крахмалы.
Присутствие белков. Это в пер-вую очередь важно с точки зрения формирования структуры хлеба, кото-рая связана с образованием клейковины (при перемешивании в процес-се тестоприготовления), клейстеризацией крахмала и денатурацией бел-ка, благодаря нагреванию в присутствии воды. Однако точная природа взаимодействия между крахмалом и белком в пищевых системах остает-ся неясной.
8. При производстве замороженных пищевых продуктов, в которых крахмал выполняет роль загустителя, необходимо считаться с возмож-ностью ретроградации амилозы в процессе оттаивания. Если в этом слу-чае используется обычный крахмал, то при оттаивании изделия приоб-ретают волокнистую или зерноподобную структуру.
Предпочтительнее для таких изделий использовать восковидный кукурузный крахмал, ко-торый практически не содержит амилозы, или фосфатные поперечно-сшитые крахмалы.
9. У многих крахмалсодержащих пищевых продуктов (в первую очередь, хлебобулочных) при хранении наблюдается черствение, связанное с ассоциацией амилозных молекул. Для предотвращения черствения в таких изделиях целесообразно использовать в качестве добавок жиры, которые образуют комплексы с амилозой, прогрев, смачивание водой.
Поиск на сайте:
Полисахариды.
Полисахариды — это природные высокомолекулярные углеводы, макромолекулы которых состоят из остатков моносахаридов.
Основные представители — крахмал и целлюлоза — построены из остатков одного моносахарида — глюкозы.
Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу: (C6H10O5)n , но совершенно различные свойства. Это объясняется особенностями их пространственного строения.
Крахмал состоит из остатков α-глюкозы, а целлюлоза – из β-глюкозы, которые являются пространственными изомерами и отличаются лишь положением одной гидроксильной группы (выделена цветом):
Крахмалом называется смесь двух полисахаридов, построенных из остатков циклической α-глюкозы.
В его состав входят:
- амилоза (внутренняя часть крахмального зерна) – 10-20%
- амилопектин (оболочка крахмального зерна) – 80-90%
Цепь амилозы включает 200 — 1000 остатков α-глюкозы (средняя мол.масса 160 000) и имеет неразветвленное строение.
Макромолекула амилозы представляет собой спираль, каждый виток которой состоит из 6 звеньев α-глюкозы.
Свойства крахмала:
Гидролиз крахмала: при кипячении в кислой среде крахмал последовательно гидролизуется.
2. Крахмал не дает реакцию “серебряного зеркала” и не восстанавливает гидроксид меди (II).
Качественная реакция на крахмал: синее окрашивание с раствором йода.
Полисахарид, содержащий остатки моносахарида одного вида, называют гомополисахаридом.
По своему функциональному назначению гомополисахариды могут быть разделены на две группы: структурные и резервные полисахариды. Важным структурным гомополисахаридом является целлюлоза, а главными резервными – гликоген и крахмал.
Крахмал представляет собой смесь 2 гомополисахаридов: линейного – амилозы и разветвленного – амилопектина, общая формула которых (С6Н10О5)n. Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет 10–30%, амилопектина – 70–90%.
Амилоза - полисахарид крахмала, состоящий преимущественно из линейных или слаборазветвлённых цепочек, образованных остатками α-глюкозы, соединённых гликозидными связями между первым и четвертым углеродными атомами. Цепь амилозы включает от 200 до 1000 моносахаридных единиц. Вследствие аксиального положения гликозидной связи макромолекула амилозы свернута в спираль. Ее коллоидные частицы (мицеллы) дают с йодом характерное синее окрашивание.
Амилопектин – разветвленный полисахарид, построенный из остатков α-глюкозы, которые связаны в основной цепи α-1,4-гликозидными, а в местах разветвлений - α-1,6-гликозидными связями:
Амилоза и амилопектин формируются в растениях в виде крахмальных зерен.
Применяют крахмал как наполнитель, а в хирургии – для приготовления неподвижных повязок. Он широко используется в присыпках, мазях, пастах вместе с цинка оксидом, тальком. Внутрь крахмал применяют как обволакивающее средство при желудочно-кишечных заболеваниях.
Гликоген - разветвлённый гомополимер глюкозы (животный крахмал), в котором остатки глюкозы соединены в линейных участках α-1,4-гликозидной связью. В точках ветвления мономеры соединены α-1,6-гликозидными связями. По строению он подобен амилопектину, но имеет еще большее разветвление цепей, что способствует выполнению энергетической функции. Откладывается как энергетический запас в клетках преимущественно животных организмов, встречается также в малых количествах в тканях растений и грибов; Гликоген содержится почти во всех органах и тканях животных и человека, но больше всего в печени и в мышцах. Это резервный углевод.
Целлюлоза – самый распространенный растительный полисахарид. Выполняет функцию опорного материала растений. Это линейный полисахарид, построенный из остатков β-глюкозы, связанных β-1,4-гликозидными связями. Структурным элементом целлюлозы является целлобиоза.
Целлюлоза является одним из структурных компонентов
Большинство природных углеводов состоит из нескольких химически связанных остатков моносахаридов. Углеводы, содержащие два моносахаридных звена, это дисахариды , трехзвенные – трисахариды и т.д. Общий термин олигосахариды часто используют для углеводов, содержащих от трех до десяти моносахаридных звеньев. Углеводы, состоящие из большего числа моносахаридов, называют полисахаридами.
В дисахаридах два моносахаридных звена соединены гликозидной связью между аномерным атомом углерода одного звена и гидроксильным атомом кислорода другого. По строению и по химическим свойствам дисахариды делят на два типа.
При образовании соединений первого типа
выделение воды происходит за счет
полуацетального гидроксила одной молекулы
моносахарида и одного из спиртовых гидроксилов
второй молекулы. К таким дисахаридам относится
мальтоза. Подобные дисахариды имеют один
полуацетальный гидроксил, по свойствам они
аналогичны моносахаридам, в частности, могут
восстанавливать такие окислители, как оксиды
серебра и меди(II). Это – восстанавливающие
дисахариды
.
Соединения второго типа
образуются так,
что вода выделяется за счет полуацетальных
гидроксилов обоих моносахаридов. В сахаридах
этого типа нет полуацетального гидроксила, и они
называются невосстанавливающими
дисахаридами
.
Тремя важнейшими дисахаридами являются
мальтоза, лактоза и сахароза.
Мальтоза (солодовый сахар) содержится в солоде, т.е. в проросших зернах злаков. Мальтозу получают при неполном гидролизе крахмала ферментами солода. Мальтоза выделена в кристаллическом состоянии, она хорошо растворима в воде, сбраживается дрожжами.
Мальтоза состоит из двух звеньев
D-глюкопиранозы, соединенных гликозидной связью
между углеродом С-1 (аномерным углеродом) одного
звена глюкозы и углеродом С-4 другого глюкозного
звена. Такую связь называют -1,4-гликозидной связью.
Показанная ниже формула Хеуорса
-мальтозы
обозначается префиксом -, потому что ОН-группа при аномерном
углероде расположенного справа глюкозного звена
является -гидроксилом.
Мальтоза – восстанавливающий сахар. Ее
полуацетальная группа находится в равновесии со
свободной альдегидной формой и может окисляться
в карбоновую мальтобионовую кислоту.
Лактоза (молочный сахар) содержится в молоке (4–6%), ее получают из молочной сыворотки после удаления творога. Лактоза значительно менее сладкая, чем свекловичный сахар. Она используется для изготовления детского питания и фармацевтических препаратов.
Лактоза состоит из остатков молекул D-глюкозы и
D-галактозы и представляет собой
4-(-D-галактопиранозил)-D-глюкозу,
т.е. имеет не -, а -гликозидную связь.
В кристаллическом состоянии выделены - и -формы лактозы, обе они принадлежат к
восстанавливающим сахарам.
Сахароза (столовый, свекловичный или
тростниковый сахар) – наиболее распространенный
в биологическом мире дисахарид. В сахарозе
углерод С-1 D-глюкозы соединен с углеродом
С-2 D-фруктозы посредством -1,2-гликозидной связи. Глюкоза
находится в шестичленной (пиранозной)
циклической форме, а фруктоза в пятичленной
(фуранозной) циклической форме. Химическое
название сахарозы – -D-глюкопиранозил--D-фруктофуранозид. Поскольку оба
аномерных углерода (и глюкозы, и фруктозы)
вовлечены в образование гликозидной связи,
глюкоза относится к невосстанавливающим
дисахаридам. Вещества этого типа способны только
к реакциям образования простых и сложных эфиров,
как всякие многоатомные спирты. Сахароза и
другие невосстанавливающие дисахариды
гидролизуются особенно легко.
Задание
.
Приведите
формулу Хеуорса для
-аномера дисахарида, в котором два
звена
D-глюкопиранозы соединены 1,6-гликозидной
связью.
Решение.
Нарисуем структурную
формулу звена D-глюкопиранозы. Затем соединим
аномерный углерод этого моносахарида через
кислородный мостик с углеродом С-6 второго звена
D-глюкопиранозы (гликозидная связь). Получающаяся
молекула будет в - или -форме
в зависимости от ориентации группы ОН на
восстанавливающем конце молекулы дисахарида.
Дисахарид, показанный ниже, является -формой:
УПРАЖНЕНИЯ.
1. Какие углеводы называют дисахаридами и какие – олигосахаридами?
2. Приведите формулы Хеуорса восстанавливающего и невосстанавливающего дисахарида.
3. Назовите моносахариды, из остатков которых состоят дисахариды:
а) мальтоза; б) лактоза; в) сахароза.
4. Составьте структурную формулу трисахарида из остатков моносахаридов: галактозы, глюкозы и фруктозы, соединенных любым из возможных способов.
Урок 36. Полисахариды
Полисахариды являются биополимерами. Их полимерные цепи состоят из большого числа моносахаридных звеньев, соединенных друг с другом гликозидными связями. Три важнейших полисахарида – крахмал, гликоген и целлюлоза – являются полимерами глюкозы.
Крахмал – амилоза и амилопектин
Крахмал (С 6 Н 10 О 5)n
–
резервное питательное вещество растений –
содержится в семенах, клубнях, корнях, листьях.
Например, в картофеле – 12–24% крахмала, а в зернах
кукурузы – 57–72%.
Крахмал представляет собой смесь двух
полисахаридов, различающихся строением цепи
молекулы, – амилозы и амилопектина. В
большинстве растений крахмал состоит из 20–25%
амилозы и 75–80% амилопектина. Полный гидролиз
крахмала (как амилозы, так и амилопектина)
приводит к D-глюкозе. При мягких условиях можно
выделить промежуточные продукты гидролиза – декстрины
– полисахариды (С 6 Н 10 О 5)m
с
меньшей молекулярной массой, чем крахмал (m
<
n
), олигосахариды, а также дисахарид мальтозу.
По данным рентгеноструктурного анализа, амилоза
имеет нитевидное строение, т.е. состоит из
протяженных неразветвленных цепей. Такие цепи
включают до 4000 звеньев D-глюкозы, соединенных
1,4-гликозидными связями.
Амилопектин – полисахарид
разветвленного строения (примерно 30 ответвлений
в молекуле). Он содержит два типа гликозидных
связей. Внутри каждой цепи звенья D-глюкозы
соединены
1,4-гликозидными связями, как в амилозе, но длина
полимерных цепей варьируется от 24 до 30 глюкозных
единиц. В местах разветвлений новые цепи
присоединяются посредством
1,6-гликозидных связей.
Гликоген
(животный крахмал)
образуется в печени и мышцах животных и играет
важную роль в обмене углеводов в животных
организмах. Гликоген – белый аморфный порошок,
растворяется в воде с образованием коллоидных
растворов, при гидролизе дает мальтозу и
D-глюкозу. Подобно амилопектину, гликоген
является нелинейным полимером D-глюкозы с -1,4- и
-1,6-гликозидными
связями. Каждая ветвь содержит 12–18 звеньев
глюкозы. Однако гликоген имеет меньшую
молекулярную массу и еще более разветвленное
строение (примерно 100 ответвлений в молекуле), чем
амилопектин. Общее содержание гликогена в
организме взрослого хорошо питающегося человека
примерно 350 г, которые в равных долях
распределены между печенью и мускулами.
Целлюлоза
(клетчатка) (С 6 Н 10 О 5)х
– наиболее распространенный в природе
полисахарид, главная составная часть растений.
Почти чистой целлюлозой является хлопковое
волокно. В древесине целлюлоза составляет
примерно половину сухого вещества. Кроме того, в
древесине содержатся другие полисахариды,
которые объединяют общим названием
«гемицеллюлозы», а также лигнин –
высокомолекулярное вещество, относящееся к
производным бензола. Целлюлоза – аморфное
волокнистое вещество. Она нерастворима в воде и
органических растворителях.
Целлюлоза – линейный полимер D-глюкозы, в котором
мономерные звенья соединены
-1,4-гликозидными
связями. Причем -D-глюкопиранозные
звенья попеременно повернуты друг относительно
друга на 180°. Средняя относительная молекулярная
масса целлюлозы составляет 400 000, что
соответствует примерно 2800 глюкозным единицам.
Волокна целлюлозы представляют собой пучки
(фибриллы) параллельных полисахаридных цепей,
удерживаемых вместе водородными связями между
гидроксильными группами соседних цепей.
Упорядоченное строение целлюлозы обусловливает
ее высокую механическую прочность.
УПРАЖНЕНИЯ.
1. Какой моносахарид служит структурным звеном полисахаридов – крахмала, гликогена и целлюлозы?
2. Смесь каких двух полисахаридов представляет собой крахмал? В чем различие их строения?
3. Чем отличаются по строению крахмал и гликоген?
4. Как различаются по растворимости в воде сахароза, крахмал и целлюлоза?
Ответы на упражнения к теме 2
Урок 35.
1. Дисахариды и олигосахариды – сложные углеводы, часто обладающие сладким вкусом. При гидролизе они образуют две или несколько (3–10) молекул моносахаридов.
Мальтоза – восстанавливающий дисахарид, т.к. содержит полуацетальный гидроксил.
Сахароза – невосстанавливающий дисахарид, т.к. в молекуле нет полуацетального гидроксила.
3.
а) Дисахарид мальтоза получается
путем конденсации двух молекул D-глюкопиранозы с
отщеплением воды от гидроксилов при С-1 и С-4.
б) Лактоза состоит из остатков молекул
D-галактозы и D-глюкозы, находящихся в пиранозной
форме. При конденсации этих моносахаридов они
связываются: атом С-1 галактозы через кислородный
мостик с атомом С-4 глюкозы.
в) Сахароза содержит остатки D-глюкозы и
D-фруктозы, соединенные посредством
1,2-гликозидной связи.
4. Структурная формула трисахарида:
Урок 36.
1. Структурное звено крахмала и гликогена – -глюкоза, а целлюлозы – -глюкоза.
2. Крахмал – это смесь двух полисахаридов: амилозы (20–25%) и амилопектина (75–80%). Амилоза – линейный полимер, тогда как амилопектин – разветвленный. Внутри каждой цепи этих полисахаридов звенья D-глюкозы соединены 1,4-глюкозидными связями, а в местах разветвлений амилопектина новые цепи присоединяются посредством 1,6-гликозидных связей.
3.
Гликоген, подобно амилопектину
крахмала, является нелинейным полимером
D-глюкозы с
-1,4- и -1,6-гликозидными связями.
По сравнению с крахмалом каждая цепь гликогена
примерно вдвое короче. Гликоген имеет меньшую
молекулярную массу и более разветвленное
строение.
4. Растворимость в воде: у сахарозы – высокая, у крахмала – умеренная (низкая), целлюлоза – нерастворима.
 |
Халиков Рауф Музагитович
кандидат химических наук, доцент кафедры инженерной физики и физики материалов Башкирский государственный университет г. Уфа, Российская Федерация
Нигаматуллина Гузель Булатовна
специалист по учебно-методической работе кафедры техники и технологии пищевых производств Уфимский государственный университет экономики и сервиса г. Уфа, Российская Федерация
Аннотация: Обобщены изменения в надмакромолекулярной структуре амилозы и амилопектина в процессе формирования крахмальных зерен. Предложены оригинальные схемы фрактальной наноструктуры при формировании аморфно – кристаллических слоев гранул крахмала. Кластеры макромолекул амилозы и амилопектина располагаются в кристаллических слоях крахмальных зерен более упорядоченно и такая компактность обусловливает замедленность превращений полисахаридов в технологии переработки сырья. Модифицированные крахмалы в настоящее время применяются в производстве пищи в качестве гель-стабилизирующих ингредиентов.
Ключевые слова: крахмал, амилоза, амилопектин, супрамолекулярная наноструктура, фрактальные кластеры, модифицированные крахмалы, пищевые технологии
Transformation amylose and amylopectin macromolecules with technological processing of starch granules of vegetable raw materials in the food industry
Khalikov Rauf Muzagitovich
Ph. D., associate professor of the department of engineering physics and materials Bashkir State University Ufa, Russian Federation
Nigamatullina Guzel Bulatovna
specialist in educational and methodical work of the department of engineering and technology of food production Ufa State University of Economics and Service Ufa, Russian Federation
Abstract: Summarizes the changes in the supramacromolecular structure of amylose and amylopectin during the formation of starch granules. Original scheme proposed fractal nanostructures in the formation of amorphous - crystalline layers of starch granules. Clusters of amylose and amylopectin macromolecules are arranged in crystalline layers of starch grains more orderly and compact size makes this slowness transformations of polysaccharides in the technology of processing of raw materials. Modified starches currently used in food production as a gel-stabilizing ingredients.
Keywords: starch, amylose, amylopectin, supramolecular nanostructure, fractal clusters, modified starches, food technology
Крахмал является одним из наиболее многофункциональных источников сырья в пищевой промышленности. Он представляет собой запасное вещество растений, откладываемое в клетках семян и клубней в виде крахмальных зерен, которые могут быть легко извлечены после разрушения клеток. Физико-химические и биохимические изменения, происходящие с макромолекулами крахмала в процессе технологической обработки продуктов, оказывают существенное влияние на качество готовых блюд и кондитерских изделий: вкус и аромат .
Предоставленная статья нацелена на разбор наноструктурных изменений полисахаридов, протекающих в крахмальных гранулах при биотехнологической переработки исходного сырья в пищевых предприятиях в рамках фрактальной концепции.
Для глубокого анализа процессов, идущих в пищевой индустрии с крахмалсодержащим сырьем, необходимо вначале рассмотреть биосинтез полисахаридов и формирование крахмальных зерен. У большинства возделываемых растений (зерновых, картофеля и др.) гексозные углеводы, которые образуются в процессе фотосинтеза, запасаются в форме крахмала. Зеленые растения осуществляют биосинтез полисахаридов - ассимиляционного (транзиторного) крахмала в хлоропластах листьев и незрелых плодов, а резервного крахмала в амилопластах гетеротрофных тканей . У хлебных злаков (пшеницы, риса, кукурузы и т.п.) резервный крахмал в форме зерен (гранул) в эндосперме составляет 65-75% сухого веса семян.
Энзиматический биосинтез крахмала у растений осуществляется фосфотрансферазами (крахмалсинтазами ), переносящими остатки глюкозы от молекул фосфатглюкозы (G-1,6-Р-дифосфат, G-1-Р-монофосфат) на растущие макромолекулы с образованием α-(1→4)-связей и «ветвеобразующими» энзимами, перестраивающим линейные цепи в разветвленные полисахариды. Активированная фосфорилированием глюкоза переносится на терминальный конец «растущей» глюкановой цепочки, а полиглюкановые цепи макромолекул амилопектина через 15-25 мономерных звеньев имеют разветвление за счет α-(1→6) гликозидных связей (рис. 1):
Донором глюкозных остатков при биосинтезе амилозы может служить уридиндифосфатглюкоза, а под действием специфических изоферментов гексозофосфаты быстро превращаются в другие фосфорилированные соединения. Решающим этапом для биосинтеза крахмала является активация глюкозо-1-монофосфата в АДФ-глюкозу. Синтез разветвленной макромолекулы амилопектина, имеющей α-(1→6)-связи, происходит при помощи фермента α-глюкантрансферазы (Q-фермент) .
Проникновение через мембрану хлоропластов фосфорилированных метаболитов гексоз и сахарозы затруднено и поэтому транспортными формами углеводов зеленых растений служат триозофосфаты. Предполагается, что образующиеся в процессе фотосинтеза углеводы распадаются на интермедиаты – триозофосфаты и в таком виде передвигаются в цитоплазму клеток эндосперма семян, где могут служить материалом для ресинтеза гексоз, сахарозы, крахмала.
Макромолекулы линейной амилозы и разветвленного амилопектина являются основными структурообразующими ингредиентами крахмальных зерен. Крахмальные гранулы в эндосперме семян содержат кроме полисахаридов и энзимы для метаболизма амилозы (≈20-25%) и амилопектина (≈75-80%). Супрамолекулярная наноструктура амилозы представляет ≈ 10 3 -6.10 4 остатков глюкозы, соединенных α-(1→4) связями; макромолекула скручена в витки спирали. Концевой глюкозный остаток амилозы (так и амилопектин а) содержит редуцирующую (латентную альдегидную) группу (рис. 2):
Рис. 2. Структурные ингредиенты крахмала: амилоза и амилопектин
Рост крахмальных зерен происходит путем наложения новых слоев полигюканов на предыдущие, поэтому гранулы имеют слоистую структуру. Форма и размеры крахмальных зерен в значительной степени обусловлены генетическими факторами, внешними условиями в период «роста» гранул. Крупные зерна картофельного крахмала (от 15 до 100 мкм и более) имеют овальную форму; у пшеницы и ржи они мелкие: 2-10 мкм (В -тип) или крупные 25-40 мкм (А -тип), а у кукурузного крахмала гранулы имеют размеры в основном от 5 до 30 мкм .
Макромолекулы амилопектина гранул крахмала упакованы в квазикристаллическую структуру: в кристаллических участках полисахариды расположены более упорядоченно и прочно связаны между собой водородными связями, а в аморфных – супрамолекулярная укладка менее упорядочена. Межмакромолекулярные связи образуются как при непосредственном взаимодействии гидроксильных групп амилозы и амилопектина между собой, так и при взаимодействии с участием молекул воды (рис. 3):
Макромолекулы полисахаридов в крахмальном зерне в ходе биосинтеза и транспортировки размещаются в трехмерном пространстве цитоструктуры в форме складчато-радиальных кластеров. Амилопектиновые полиглюканы располагаются в крахмальных зернах радиально, формируя концентрированные чередующиеся слои с амилозой. В природных крахмалах наряду с полисахаридными компонентами содержится 2-4 % других веществ: сопутствующих белков, липидов, фосфатов. Фосфаты и липиды включаются в структуру крахмальных гранул при биосинтезе и «усиливают» стабильность наноструктуры .
Существуют несколько уровней наноструктурной организации крахмальных гранул: амилопектиновые кластеры (≈ 1 нм), ламеллы (≈ 10 нм), блоки (≈ 50-200 нм). Кристаллические ламели формированы упорядоченной фракцией амилопектина, а цепи амилозы, ориентированные поперек направления чередования ламелей, образуют аморфные участки. Ассоцированные цепочки макромолекул амилозы распределены и в аморфных, и в кристаллических ламелях .
В крахмальной грануле имеются «связанные» молекулы воды, количество которой зависит от источника растительного сырья и особенностей технологии получения крахмала. Следует также отметить, что крахмальное зерно пронизано микропорами и на этом основано использование крахмала в качестве адсорбента. С точки зрения синергетики биосинтез гранул крахмала можно рассматривать как самоорганизацию молекулярных систем, эволюционирующих во времени, что приводит к формированию временных фрактальных структур . Использование концепции фрактальных кластеров дает корректную трактовку формирование и технологическая переработка крахмальных зерен растительного сырья. Наноструктура крахмальных зерен представляют собой области локального порядка (кластеры), погруженные в аморфную матрицу, где сконцентрированы микрополости и микропоры.
Именно аморфные участки гранул в первую очередь подвергаются воздействию воды в процессе технологического извлечения крахмала из семян, так как к беспорядочно и рыхло расположенным макромолекулам полисахаридов легче всего получить доступ. Кристаллические области (слои) крахмальной гранулы, в которых биополимеры плотно упакованы, напротив, более устойчивы к гидролизу. Для проникновения в плотные слои крахмальных зерен молекул воды (или другого модифицирующего химического агента) требуется предварительное набухание гранулы. Так как макромолекулы амиломектина более плотно упакованы в крахмальных зернах, то в случае, когда гранулы помещаются в холодную воду они вначале набухают.
Микропористое строение крахмальных зерен обусловливает их высокую сорбционную способность. Благодаря гидрофильным свойствам макромолекул амилозы и амилопектина крахмальные гранулы очень гигроскопичны, особенно высока гигроскопичность картофельного крахмала. При контакте водорастворимых полисахаридов с молекулы воды сначала проникают с образованием водородных связей в наименее организованные участки цепи макромолекул. Такая начальная гидратация ослабляет межмакромолекулярные связи в плотных слоях и способствует проникновению воды и гидролизу и наиболее кристаллические слои. Этот процесс проходит через этап гелеобразования, когда крахмальные зерна набухают и увеличиваются в объеме благодаря силам когезии между макромолекулами.
В технологии пищевых продуктов имеют место следующие превращения крахмала: клейстеризация, инверсия, карамелизация, декстринизация, ретроградация, модификация, ферментативный гидролиз и др. В случае технологической обработки горячей водой крахмальные гранулы подвергаются необратимому процессу клейстеризации – разрушение аморфно-кристаллической структуры крахмальных гранул и набухание этих гранул, вызываемое диффузией молекул воды внутрь гранулы. Следует отметить, что полное разрушение кристаллических участков гранулы (то есть ее клейстеризация ) нежелательно, так как после этого крахмал становится нетехнологичным: трудно обезвоживается, плохо сушится и т.д.
В процессе набухания и клейстеризации часть полисахаридов растворяется и остается в полости зерна, а часть макромолекул переходят в раствор. Температура, при которой наступает такое изменение крахмального зерна, называется температурой клейстеризации , она колеблется в интервале 55…77ºС в зависимости от сырьевого источника крахмала. Например, структурообразующая фаза в пшеничном тесте состоит из клейковинного «каркаса» и набухших крахмальных гранул. При выпечке хлеба полисахариды частично клейстеризуются и гидролитическим путем расщепляются до декстринов. С течением времени при хранении хлебобулочных изделий «ухудшается» наноструктура клейстеризованного крахмала и хлеб черствеет.
Изменения крахмала в продуктах питания совершается в процессе их тепловой обработки и под воздействием механических деформаций и разрушений. Технологическое расщепление крахмальных гранул осуществляется в условиях повышенной температуры и под действием гидролитических ферментов (рис. 4):
Набухание сопровождается гидратацией макромолекул амилозы и амилопектина, ослаблением и разрушением водородных связей между ними. В холодной воде (до 40-45°С) крахмал набухает ограниченно, а с повышением температуры крахмальные гранулы поглощает больше воды, увеличиваются объем зерен и вязкость суспензии. При этом наноструктура зерен разрушается и более растворимая часть крахмала – амилоза переходит в раствор. В технологии спиртового производства водно-тепловой обработкой крахмал осахаривают амилолитическими энзимами до сбраживаемых углеводов.
Амилоза образует в горячей воде гидратированные мицеллы, но со временем ретроградирует (осаждается) в виде труднорастворимого геля. Ретроградация происходит вследствие тенденции амилозных макромолекул образовывать малорастворимые агрегаты при участии водородных связей. Амилопектин набухает в воде и дает стойкие вязкие коллоидные растворы; он препятствует ретроградации амилозы в растворах крахмала.
Нарушение агрегативной устойчивости дисперсных систем приводит к разделению их на макрофазы либо к возникновению в объеме системы пространственной фрактальных структур и переходу свободнодисперсной системы (золь) в связнодисперсную гелевую наноструктуру. В результате гелевая система на основе крахмальных макромолекул приобретает комплекс новых структурно-механических (реологических) свойств, к которым относятся прочность, упругость, эластичность и др. Гелеобразование обусловлено возникновением пространственного «каркаса», которая блокирует текучесть.
Разнообразные способы технологической обработки (физические, химические, биологические) нативных крахмалов позволяют существенно изменить их строение и свойства, к которым в первую очередь относятся гидрофильность (в частности, способность растворяться в холодной воде), способность к клейстеризации и гелеобразованию, устойчивость к нагреванию и воздействию кислот и т. п. Для различных отраслей пищевой индустрии кроме обычного (природного или нативного) сухого крахмала выпускаются модифицированные крахмалы (МК) .
Производство МК осуществляется из традиционного (картофель, кукуруза) и нетрадиционного (горох, сорго, пшеница и др.) сырья. При выборе источника крахмала для того или иного технологического процесса необходимо учитывать биохимический состав и структурно-механические свойства продукта, особенности его производства (температурные параметры, рН, продолжительность механического воздействия), хранения и реализации (замораживание ↔ оттаивание; вакуум-упаковку и т.д.).
Модифицированные крахмалы получают за счет физико-химических и биологических (энзимных) воздействий на крахмалсодержащее сырье . По характеру изменений все модифицированные крахмалы условно делят на группы: расщепленные крахмалы и замещенные крахмалы , а также сополимеры крахмала . При гелеобразовании макромолекул модифицированных крахмалов формируются самоподобные (фрактальные) кластеры с размерностью ≈ 1,75.
Модификация крахмала позволяет существенно изменить его свойства (гидрофильность, золь ↔ гелеобразование), а, следовательно, расширяет возможности использования. Одним из основных свойств, определяющих эффективность применения модифицированных крахмальных добавок в конкретном пищевом продукте, является совместимость с другими ингредиентами. Модификация крахмалов повышает их студнеобразующую, загущающую и эмульгирующую способность, обеспечивает использование в производстве различных блюд и кулинарных изделий, в том числе при замораживании ↔ оттаивании и тепловой обработке.
Во многих случаях МК могут быть представлены одновременно стабилизированными и поперечно сшитыми макромолекулами амилозы и амилопектина и этим обеспечивается агрегативная устойчивость ингредиентов пищи . В настоящее время разработаны новые виды набухающих МК для кондитерской, хлебопекарной промышленности, производства сухих смесей, мороженого, детского и лечебно-профилактического питания, десертов быстрого приготовления . Специальные виды МК с повышенным содержанием ионов железа, кальция, фосфора и сбалансированным аминокислотным составом применяются в производстве лечебно-профилактических продуктов.
Способность МК образовывать прочные эластичные пленки создает перспективы в изготовлении пищевых упаковок. Стабилизированные ингредиенты на основе модифицированных крахмалов широко применяются в питании, кулинарии при производстве супов (сухие, консервированные, замороженные), соусов (майонезы, томатные соусы), бульонных продуктов, продуктов для консервированных блюд.
Таким образом, в ходе формирования крахмальных гранул у растений происходят сложнейшие процессы «самоорганизованной укладки» макромолекул амилозы и амилопектиктина в супрамакромолекулярные кластеры. Агрегация кластеров полисахаридов самопроизвольно приводит к образованию фрактальноподобных ламелл. Крахмальные зерна являются достаточно устойчивыми наноструктурами, форма и размер которых очень разнообразны и характерны для данного вида растительного сырья.
Технологическая переработка крахмальных гранул зависит от наноструктурной организации полисахаридных компонентов и использование концепции фрактальных кластеров дает корректную интерпретацию формирования и технологической переработки крахмальных цитоструктур. Применение в современных пищевых технологиях структурирующих добавок на базе модифицированных крахмалов позволяет создать ассортимент продуктов эмульсионно-гелевой природы (майонезы, соусы, пастилы, зефиры, мармелады и др.).
Список литературы:
- Крахмал и крахмалопродукты / Под ред. Н.Г.Гулюка. – М.: Агропромиздат, 1985. - 240 с.
- Хелдт Г.-В. Биохимия растений. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. - 471 с.
- James M.G, Denyer K., Myers A.M/ Starch synthesis in the cereal endosperm // Currrent Opinion in Plant Biology. – 2003. – V. 6. – P.215–222.
- Tester R.F., Karkalas J., Qi X. Starch – composition, fine structure and architecture // J. Cereal Sci. - 2004. - V.39. - P.151–165
- Халиков Р.М. Зависимость наноструктуры биомембран от стабилизирующего влияния полиеновых липидов // Электронный журнал «NAUKA–RASTUDENT.RU». – 2014. – №.1. – С.27-34. [Электронный ресурс] – Режим доступа.– URL: http://rastudent.ru/nauka/1/1139/
- Smith A.M., Zeeman S.C., Smith S.M. Starch degradation // Ann. Rev. Plant Biol. - 2005. - V.56. - P.73–93.
- Машуков Н., Халиков Р., Хараев А. Стабилизация и модификация молекулярных структур. – Saarbrucken: Palmarium Academic Publishing, 2014. - 216 с.
- Starch in food: Structure, function and applications. / Ed. Anne-Charlotte Eliasson. – Cambrige: Woodhead Publishing, 2004. - 598 р.
- Бутрим С. М., Бутрим Н.С., Бидьдюкевич Т.Д. и др. Получение и исследование физико-химических свойств низкозамещенных катионных эфиров крахмала // Журнал прикладной химии. - 2008. - Т.81. Вып.11. - С.1911-1917.
- Доценко С.М., Скрипко О.В., Богданов Н.Л. и др. Технология эмульсионных продуктов питания специализированного назначения // Пищевая промышленность. - 2014. - №7. - С.37-41.
- Соломин Д.А., Соломина Л.С.Инновации в производстве и применении модифицированных крахмалов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2014. - № 3. - С.19-22.
2015 Халиков Р.М., Нигаматуллина Г.Б.
