6.1 Класифікація і характеристика вуглеводів

Вуглеводи – це складні органічні речовини, що є полігідроксиальдегідами або полігідроксикетонами або утворюють ці речовини в результаті гідролізу.

Вуглеводи поділяють на три основні групи: моносахариди, олігосахариди і полісахариди (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Класифікація вуглеводів 

Моносахариди

Моносахариди зазвичай містять від 3 до 9 атомів вуглецю, причому найбільш поширеними є пентози і гексози. За функціональними групами вони поділяться на альдози і кетози. 

Моносахариди знаходяться зазвичай в таутомерній рівновазі зі своєю циклічною формою. Таутомерні циклічні форми цукрів є внутрішніми напівацеталями. В результаті циклізації з'являється новий асиметричний атом вуглецю, який називають глікозидним (або аномерним). Ізомери відносно аномерного центру називаються α- і β-аномерами. 

Серед моносахаридів широко відомі глюкоза, фруктоза, галактоза, арабіноза, ксилоза і D- рибоза. 

Глюкоза (виноградний цукор) у вільному стані міститься в ягодах і фруктах (у винограді до 8%; у сливі, черешні – 5...6%; у меді – 36%). З молекул глюкози побудовані крохмаль, глікоген, мальтоза; глюкоза є складовою частиною сахарози, лактози. 

Фруктоза (плодовий цукор) міститься в чистому вигляді у бджолиному меді(до 37%), винограді(7,7%), яблуках(5,5%); є складовою частиною сахарози. 

Галактоза –  складова частина молочного цукру (лактози), яка міститься в молоці ссавців, рослинних тканинах, насінні. 

Арабіноза міститься в хвойних рослинах, у буряковому жомі, входить до складу пектинових речовини, слизу, гуми (камедь), геміцелюлози. 

Ксилоза (деревний цукор) міститься у бавовняному лушпинні, кукурудзяних початках. Ксилоза входить до складу пентозанів. З'єднуючись з фосфором, ксилоза переходить в активні сполуки, що відіграють важливу роль у взаємоперетвореннях цукрів. 

Серед моносахаридів особливе місце займає D-рибоза – універсальний компонент головних біологічно активних молекул, відповідальних за передачу спадкової інформації, – рбонуклеїнової (РНК) і дезоксирибонуклеїнової (ДНК) кислот; входить і до складу АТФ і АДФ, за допомогою яких у будь-якому живому організмі запасається і переноситься хімічна енергія. Заміна в АТФ одного з фосфатних залишків на піридиновий фрагмент призводить до утворення ще одного важливого агента НАД – речовини, що бере безпосередню участь в перебігу життєво важливих окиснювально-відновних процесів.

Полісахариди

Олігосахариди – це полісахариди 1-го порядку, молекули яких містять від 2 до 10 залишків моносахаридів, з’єднаних глікозидними зв'язками. Відповідно до цього розрізняють дисахариди, трисахариди і т. д. 

Дисахариди – складні цукри, кожна молекула яких в результаті гідролізу розпадається на дві молекули моносахаридів. Дисахариди, разом з полісахаридами, є одним з основних джерел вуглеводів в їжі людини і тварин. За будовою дисахариди є глікозидами, в яких дві молекули моносахаридів з’єднані глікозидним зв'язком. 

До дисахаридів належать мальтоза, сахароза і лактоза. Мальтоза – α глюкопіранозил-(1,4)-α-глюкопіранозою, утворюється як проміжний продукт в результаті дії амілаз на крохмаль (або глікоген). 

Сахароза – звичайний харчовий цукор. Молекула сахарози складається з одного залишку α-D-глюкози і одного залишку β-D-фруктози. 

На відміну від більшості дисахаридів, сахароза не має вільного напівацетального гідроксилу і не має відновних властивостей.

Дисахарид лактоза міститься тільки в молоці і складається з β-D-галактози і D-глюкози. 

Серед природних трисахаридів найбільш відомою є рафіноза, що містить залишки фруктози, глюкози і галактози. Вона знаходиться в значних кількостях в цукровому буряку і у багатьох інших рослинах, зокрема у бобових. В цілому олігосахариди, присутні в рослинних тканинах.

Полісахариди II-го порядку за загальними принципами будови поділяються на дві групи: гомополісахариди (складаються з однакових моносахаридних ланок) і гетерополісахариди (складаються із моносахаридних ланок різних типів).

За функціональним призначенням полісахариди поділяють на структурні і резервні. Важливим структурним полісахаридом є целюлоза, а головними резервними полісахаридами є глікоген і крохмаль (у тварин і рослин відповідно). 

Крохмаль є комплексом двох гомополісахаридів: лінійного – амілози і розгалуженого – амілопектину, загальна формула яких (С6Н10О5)n. Як правило, вміст амілози в крохмалі складає 10...30%, амілопектину 70...90%. Полісахариди крохмалю побудовані із залишків глюкози, з’єднаних в амілозі і в лінійних ланцюгах амілопектину α-1,4-зв’язками, а в точках галуження амілопектину міжланцюговими α-1,6-зв’язками. Крохмаль є головною складовою частиною їжі людини. Хліб, картопля, крупи, овочі – головний енергетичний ресурс її організму. 

Глікоген – полісахарид, що міститься в тканинах тварин, близький за своєю будовою до амілопектину. Молекула глікогену, як і молекула амілопектину, побудована з сильно розгалужених ланцюжків (розгалуження через кожні 3...4 ланки) із загальною кількістю глюкозидних залишків 5...50 тис (з молекулярною масою 1...10 млн). 

Целюлоза (або клітковина) – найбільш поширений рослинний гомополісахарид. Вона виконує роль опорного матеріалу рослин, з неї будується жорсткий скелет стебел, листя. У чистому вигляді вона відома у вигляді вати і фільтрувального паперу (письмовий й усі інші види паперу проклеюються). Деревина наполовину складається з клітковини і, крім того, містить зв'язаний з нею лігнін – високомолекулярну речовину фенольного характеру. Целюлоза є полімером, що містить 600...900 залишків глюкози (середня молекулярна маса 1...1,5 млн.). 

У молекулі целюлози залишки глюкози з’єднані β-(1,4)-глікозидними зв'язками, що визначає лінійну структуру полімеру. Целюлоза не розщеплюється звичайними ферментами шлунково-кишкового тракту ссавців, а тільки під дією ферменту целюлази, що виділяється з кишкової флори травоїдних, розпадається на целодекстрини (олігоцелсахариди) і целобіозу. 

Декстрани – гомополісахариди, побудовані із залишків D-глюкози з домінуючим типом α-(1,6)-глікозиднго зв'язку; бічні розгалуження приєднуються до центрального ланцюга в положеннях 3 і 4. Декстран утворюється з сахарози під дією специфічного ферменту декстрансахарази, що виробляється бактеріями. В залежності від вживаного штаму бактерій синтезуються декстрани різного ступеня розгалуженості. Декстрани використовують для отримання молекулярних сит – сефадексів різних марок. 

Пентозани – целюлозоподібні полісахариди, побудовані з ксилози, арабінози й інших пентоз. Особливо багаті пентозанами шкаралупа горіхів, соняшників, кукурудзяні початки, солома, жито. 

Інулін – високомолекулярний вуглевод, розчинний у воді, осаджується з водних розчинів під час додавання спирту. В результаті гідролізу за допомогою кислот утворює фруктофуранозу і невелику кількість глюкопіранози. Міститься у великій кількості у бульбах земляної груші і жоржини, в коренях кульбаби, коксагизу і цикорію, в артишоках, в коренях, листі і стеблах каучуконосної рослини гваюли (Parthenium argentatum). У цих рослинах інулін замінює крохмаль. Фермент який гідролізує інулін з утворенням фруктози – інулаза – міститься у рослинах, пліснявих грибах і дріжджах.

Слиз і гумі (камедь) – група колоїдних полісахаридів, до яких належать розчинні у воді вуглеводи, що утворюють надзвичайно в'язкі і клейкі розчини. Типовими представниками цієї групи є гумі, що виділяються у вигляді напливів вишневими, сливовими або мигдалевими деревами в місцях ушкодження гілок і стволів. Слиз міститься у великій кількості в льняному насінні і в зерні жита. Саме їх вмістом пояснюється висока в'язкість відвару з льняного насіння або ж водяної бовтанки житнього борошна. 

Вишневий клей складається із залишків галактози, манози, арабінози, n-глікуронової кислоти і незначної кількості ксилози. Слиз житнього зерна майже на 90% складається з пентозанів. Цей слиз надзвичайно сильно набрякає у воді і дає дуже в'язкі розчини. 

Камеді мають такі цінні властивості, як підвищена в'язкість, клейкість, здатність до набрякання і т. д. Камедь (гуміарабінотрагакант) застосовується в якості зв’язуючих речовин і загусників, служить емульгатором, основою для косметичних і фармацевтичних кремів і паст, стабілізатором в харчовій промисловості.

Пектинові речовини – полісахариди, основою яких є полігалактуронова (пектова) кислота. Вони входять до складу рослинних клітин і виконують важливі фізіологічні функції – регулюють водний баланс, приймають участь в утворенні скелету рослини.

Пектинові речовини, що містяться в рослинних соках і плодах, є гетерополісахаридами, побудованими із залишків галактуронової кислоти, з’єднаних α-(1,4)-глікозидними зв'язками. Карбоксильні групи галактуронової кислоти різною мірою естерифіковані метиловим спиртом.

В рослинах пектинові речовини містяться у формі водорозчинного пектину, протопектину, а також у формі кальцієвих і магнієвих солей пектинової кислоти. Розчинна форма пектинових речовин – вільний пектин – знаходиться в клітинному соку рослин.

Протопектин – нерозчинна у воді похідна пектинових речовин (молекулярна маса 20...30 тис), в якій молекули пектину хімічно з’єднані з іншими компонентами клітинної стінки – целюлозою, арабаном, галактаном, геміцелюлозою, структурним білком.

Під час гідролізу протопектину утворюється розчинний пектин. В рослинних тканинах під час дозрівання соковитих плодів пектинові речовини розщеплюються пектолітичними ферментами і протопектин переходить в розчинний пектин, а всі форми пектину розпадаються аж до вільної галактуронової кислоти.

Пектинові кислоти – це полігалактуронові кислоти, в незначній мірі естерифіковані залишками метанолу; 

Пектин – цє майже повністю естерифікована пектинова кислота. Пектини є розчинними у воді, утворюють колоїдні розчини.

Характерною властивістю пектинових речовин є їх гелеутворююча здатність, тобто здатність утворювати желе за певного співвідношення пектину, органічних кислот, цукру. Ця властивість широко використовується в кондитерській промисловості у виробництві мармеладу, пастили, зефіру. В нашій країні пектин отримують із відходів виробництва цукру із цукрового буряка – жому та із яблучних вижимок.

До геміцелюлоз відносяться різноманітні за хімічною структурою гетерополісахариди рослин: глюкоманани, галактоманани і ксилани, що містять у бічних ланцюгах арабінозу, глюкозу і т. д. У рослинах геміцелюлози, як правило, супроводжують целюлозу і лігнін, причому ксилани і глюкоманани міцно адсорбуються на поверхні целюлози. 

Геміцелюлози, що виділяються з різних рослин, відрізняються за структурою. У деревах і насінні вони представлені лінійними глюкомананами, що містять залишки β-D-манози і β-D-глюкози, сполучених β-(1,4)-глікозидними зв'язками. У травах і деревині виявлені геміцелюлози, ланцюги яких побудовані із залишків ксилопіраноз, з’єднаних β-(1,4)-глікозидними зв'язками, причому в основному ланцюзі є різні розгалуження. 

Глікозиди – продукти, що утворюються в результаті реакції етерифікації в кислому середовищі: 

Тільки дуже незначна кількість глікозидів зустрічається в харчуванні людини. Але їх значення пов'язано з фізіологічною функцією – деякі глікозиди є сильними піноутворювачами і стабілізаторами, флавоноїдні глікозиди можуть надавати гіркого смаку і (або) певного аромату і кольору харчовому продукту. S-глікозиди зустрічаються в природі в насінні гірчиці і коренях хріну. Вони називаються глікозинолатами. Аліл-глікозинолат, найбільш відомий з класу S-глікозидів, називається синігрин. Він надає певного аромату їжі, але є роботи, в яких автори вважають, що S- глікозиди і продукти їх розпаду можуть бути віднесені до харчових токсикантів. 

Левоглюкозан – глікозид, невелика кількість якого утворюється в умовах піролізу в процесі обжарювання і випічці борошняних виробів і нагріванні цукрів, цукрових сиропів за високої температури. Великі кількості цієї речовини в їжі є небажаними через гіркий смак.

Ціаногенні глікозиди – це сполуки, в результаті їх природної деградації утворюється синільна кислота; вони досить широко представлені в природі (насіння гіркого мигдалю, маніок, сорго, кісточки персиків, абрикосів та ін.). Ціанід, що утворюється в результаті деградації цих глікозидів, зазвичай детоксикується перетворюючись в тіоціанат. Ця реакція включає СN–-йон, SО3–-йон і фермент S-трансферазу. Проте, за великої кількості глікозиду шлях детоксикації пригнічується і може з'явитися токсичність. Відомі випадки отруєння людей в результаті вживання маніоки, гіркого мигдалю; отруєння великої рогатої худоби – в результаті споживання недозрілого проса або сорго.