Суммарное уравнение фотосинтеза имеет следующий вид:
6СO5 + 12Н2 755 →С6Н12O6 + 6Н2O+ 6O2
Фотосинтез представляет собой сложный сопряженный окислительно-восстановительный процесс.
При участии хлорофилла происходит разложение воды и выделение свободного кислорода, превращение части световой энергии в химическую, запасаемую в макроэргических связях АТФ (аденизинтрифосфата).
С помощью метода меченых атомов установлено, что под действием ферментов углекислый газ присоединяется к рибулозодифосфату (СН2ОР — СО — СНОН — СНОН — СН2ОР) и получаются две молекулы фосфорглицериновой кислоты (СН2ОР —СНОН — СООН), которые восстанавливаются водородом воды до фосфоглицеринового альдегида (СН2ОР— СНОН —СОН).
Последний частично превращается в фосфодиоксиацетон (СН2ОР — СО — СН2ОН). Под действием фермента альдолазы фосфоглицериновый альдегид и фосфодиацетон, соединяясь, образуют молекулу фруктозодифосфата, из которого далее синтезируются сахароза и различные полисахариды. (Рибулозодифс)сфат образуется в результате ряда ферментативных превращений фоcфоглицеринового альдегида, фосфодиоксиацетона и фруктозодифосфата.).
В клетках и тканях животных биосинтез углеводов происходит из глюкозы, которая входит в состав углеводов пищи.
Углеводы являются одним из источников энергии в растительных и животных клетках. Они легко окисляются с выделением энергии, которая используется клетками для биохимических процессов. Так, при окислении граммолекулы глюкозы до углекислого газа и воды выделяется 2705 кДж. Углеводы входят в состав важнейших соединений клеток (нуклеиновых кислот, гликозидов, глюкопротеидов и др.).
Оболочки клеток и опорные ткани растений состоят в основном из углеводов.
Углеводы являются одной из главных составных частей питания людей. Взрослый человек должен получать с пищей ежедневно 430— 630 г углеводов. В пищеварительном тракте человека сложные углеводы под действием ферментов расщепляются до моносахаридов, которые через стенки кишечника всасываются в кровь и разносятся по всему телу. Часть моносахаридов в виде гликогена откладывается в печени как запасный источник энергии.
Свойства углеводов и их превращения имеют большое значение при хранении и производстве пищевых продуктов. Так, во время хранения плодов и овощей происходит потеря массы в результате расхода углеводов на процессы дыхания. Превращения пектиновых веществ обусловливают изменение консистенции плодов и сигнализируют об их зрелости.
Углеводы, которые находятся в пищевых продуктах, в зависимости от строения молекул подразделяют на три класса: моносахариды, или простые сахара (монозы), олигосахариды (сахароподобные сложные углеводы) и полисахариды (несахароподобные сложные углеводы).
Моносахариды — углеводы, в молекулу которых входят три (триозы), четыре (тетрозы), пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов углерода. Моносахариды представляют собой основные структурные единицы, из которых образуются сложные углеводы.
Олигосахариды — углеводы, в молекулы которых входят от двух до шести остатков моносахаридов. Они называются дисахаридами, трисахаридами и т. д.
Полисахариды— углеводы, в состав которых входит значительное количество остатков моносахаридов.
Моносахариды
Из моносахаридов в пищевых продуктах находятся тетрозы (С4Н8О4), пентозы (C5H10O5) и гексозы (C6H12O5).
Тетрозы. Из тетроз обнаружена D-эритрулоза в виде фосфорного эфира, участвующего в процессе обмена углеводов в растениях и животных.
Пентозы. Из альдопентоз распространены D-рибоза, L-apaбиноза и D-ксилоза, из кетопентоз — D-рибулоза. В свободном виде они находятся только в растениях. Пентозы в животных и растительных тканях находятся в составе гликозидов и полисахаридов — пентозанов.
D-рибоза входит в состав нуклеиновых кислот, нуклеотидов, некоторых глнкозндов, витаминов, ферментов и других соединений.
L-арабиноза и D-ксилоза в растительных продуктах находятся главным образом в виде ангидридов.
В чистом виде пентозы представляют собой кристаллическое вещество, растворимое в воде, сладкое на вкус, оптически активное. Они обладают восстанавливающими свойствами, хлебопекарными дрожжами не сбраживаются.
Арабинозу получают при гидролизе арабана, ксилозу — гидролизом ксилана. Арабиноза в виде арабана является составной частью пектиновых веществ и камедей растений; ксилоза в виде ксилана находится в оболочках зерен, косточках плодов, початках кукурузы и др. Пентозанами богаты отруби (16,6%), просо (6,4%), некоторые овощи (до 3,1%). Пентозаны пищевого значения не имеют, так как в кишечнике человека отсутствуют ферменты, катализирующие их гидролиз.
При нагревании пентозанов или пентоз с концентрированными минеральными кислотами образуется альдегид фурфурол. Фурфурол образуется при вышечке в хлебе из обойной муки и придает ему специфический запах. Он находится в спирте и ухудшает его вкус, участвует в образований аромата и букета виски.
D-рибулоза в чистом виде в продуктах не найдена. Дифосфат рибулозы участвует в процессе фотосинтеза.
В растительных продуктах в составе слизей и гликозидов встречается сахар рамноза СН3С5Н9О5 (метилпентоза).
Гексозы. К гексозам относятся: D-глюкоза, D-фруктоза, D-галактоза, D-манноза, D-сарбоза. В пищевых продуктах гек-созы находятся в свободном, (глюкоза, фруктоза и манноза) и в связанном состоянии. Глюкоза и фруктоза образуют сложные эфиры с фосфорной кислотой при дыхании и брожении в растительных и животных тканях.
Гексозы в чистом виде представляют собой кристаллическое вещество, гигроскопичны (особенно фруктоза), легко растворяются в воде, сладкие на вкус. Растворы их имеют нейтральную реакцию и оптически активны, т. е. вращают плоскость поляризованного луча вправо (глюкоза, галактоза, манноза) или влево (фруктоза, сорбоза), сбраживаются дрожжами и молочнокислыми бактериями.
Олигосахариды
Из олигосахаридов в пищевых продуктах находятся дисахариды (С12Н22О11) — сахароза, мяльтоза, лактоза, трегалоза, цедлобиоза, состоящие из двух молекул моносахаридов, и трисахариды (С18H32О16)—рафиноза, трифруктозан. Олигосахариды оптически активны, растворяются в воде и спирте (за исключением рафннозы), сладкие на вкус.
Сахароза (свекловичный, тростниковый сахар) находится во многих пищевых продуктах: сахаре (99,9%), плодах и овощах.
Молекула сахарозы построена из а-глюкопиранозы и p-фруктофуранозы (первый атом углерода глюкозы соединен кислородным мостиком со вторым углеродным атомом фруктозы).
Сахароза не обладает восстанавливающими свойствами, так как у нее отсутствует гликозидный гидроксил. Она сбраживается дрожжами в спирт после расщепления ее ферментом дрожжей до моносахаридов. При нагревании раствора сахарозы с кислотами, а также под действием фермента сахарозы происходит ее расщепление (инверсия).
Образующаяся в результате инверсии смесь глюкозы и фруктозы называется инвертным сахаром. Инвертный сахар более сладкий, чем сахароза, менее способен к кристаллизации, очень гигроскопичен. Он вводится в состав многих кондитерских изделий (варенья, мармелада, повидла, помадной массы) для предупреждения засахаривания, в тесто — для замедления черствения хлеба.
В промышленности сахарозу получают из сахарной свеклы и сахарного тростника.
Мальтоза (солодовый сахар) находится в патоке мальтозной (60%) и крахмальной, проросшем зерне. Она получается при гидролизе крахмала и гликогена ферментом амилапой, находящейся в солоде, слюне и поджелудочном соке. Под действием кислот и ферментов мальтоза расщепляется на две молекулы глюкозы.
Молекула ее состоит из двух остатков молекул глюкопиранозы, соединенных кислородным мостиком первого углеродного атома одной молекулы с четвертым углеродным атомом второго остатка. Мальтоза обладает восстанавливающими свойствами, так как в ее молекуле есть свободный гликозидный гидроксил.
В связи с этим мальтоза может таутомерно переходить в ациклическую форму. При взаимодействии с жидкостью Фелинга из нее образуется в два раза меньше закиси меди, чем при реакции такого же количества глюкозы. Мальтоза сбраживается дрожжами.
Лактоза (молочный сахар) входит в состав молока животных. Ее молекула состоит из остатков глюкопиранозы и галактопиранозы. Она обладает восстанавливающими свойствами, так как в ней сохраняется гликозидный гидроксил. Лактоза сбраживается молочнокислыми бактериями и пивными дрожжами. Это свойство лактозы используется при изготовлении кефира, кумыса.
Трегалоза (грибной сахар, микоза) содержится в грибах, дрожжах, состоит из двух остатков глюкопиранозы, не обладает восстанавливающими свойствами.
Целлобиоза получается при полном гидролизе клетчатки, состоит из двух остатков глюкопиранозы, почти не сладкая, в организме человека не усваивается, дрожжами не сбраживается, обладает восстанавливающими свойствами.
Генциобиоза — изомер целлобнозы, входит в состав гли-козида амигдалина и красящего вещества шафрана.
Рафиноза — трисахарид, находится в небольших количествах в свекле, зерне. Молекула ее состоит из остатков глюкозы, фруктозы и галактозы.
Трифруктозан находится в ржаной муке. Молекула его состоит из трех остатков фруктозы.
Стахиоза — тетрасахарид, молекула его состоит из остатков глюкозы, фруктозы и двух остатков галактозы, находится в семенах бобовых, сахар невосстанавливающий, сладковатый на вкус.
Химическое строение моно- и олигосахаридов определяет их потребительные свойства и в первую очередь такие, как сладость, гигроскопичность, усвояемость и др.
Сахара обладают неодинаковой сладостью. Если сладость сахарозы принять за 100, то сладость фруктозы составит 173, глюкозы —74, мальтозы и галактозы — 32, рафинозы — 23, лактозы — 16. Степень сладости сахаров зависит от температуры раствора и концентрации сахара в нем.
Так, при 18° 5%-ный раствор фруктозы слаще в 1,3 раза такого же раствора сахарозы и в 2,4 раза слаще раствора глюкозы, при 40° сладость растворов фруктозы и сахарозы одинакова, а глюкозы почти в 2 раза меньше и т. д.
Гигроскопичность сахаров различна. Химически чистые глюкоза и сахароза практически негигроскопийны. Большой гигроскопичностью обладают мальтоза, фруктоза, инвертный сахар. Это свойство сахаров учитывается при изготовлении продуктов.
Например, сахаром-песком обсыпают карамель для предохранения ее от увлажнения, так как в состав карамельной массы входит инвертный сахар.
При нагревании сахаров выше температуры плавления они сначала превращаются в ангидриды, а затем в химические вещества темного цвета и горького вкуса — карамелен. Такое изменение сахаров называется карамелизацией. Карамелизация сахаров происходит при обжарке зерен кофе. Пережженный сахар используют для подкрашивания в коричневый цвет ликеров, настоек и др.
Полисахариды
В группу полисахаридов входят гексозаны (C6H10O5)n, образованные остатками гексоз, и пентозаны (C5H8O4)n, образованные остатками пентоз. К гексозанам относятся крахмал, гликоген, инулин, целлюлоза, галактан, маннан, к пентозанам — арабан и ксилан.
Полисахариды галактан, маннан-арабан и ксилан объединяют в группу гемицеллюлоз, так как они сопутствуют целлюлозе. Все несахароподобные полисахариды гидролизуются кислотами до моносахаридов.
Крахмальные зерна растений различаются размером и формой. Они округлой или неправильной овальной формы с концентрическим рисунком па поверхности.
Зерна пшеничного крахмала чечевицеобразной формы меньше размером (5—30 мкм). Самые мелкие, угловатой формы зерна рисового крахмала (2—6 мкм).
По размеру и форме крахмальных зерен можно определить вид муки и крахмала.
Зерна крахмала всех растений построены однотипно и состоят из ряда слоев. Эти слои включают радиально расположенные кристаллы амилопектина и амилозы. Наружная часть каждого слоя содержит в основном высокомолекулярные амилозу и амилопектин, тогда как внутренняя часть — главным образом низкомолекулярную амилозу. Соотношение амилозы и амилопектина в зернах крахмала различных видов растений неодинаково.
В крахмале зерен злаков содержится 17—24% амилозы, в восковидных сортах кукурузы — 5 и в некоторых сортах бобовых и кукурузы 50— 75%. Остальное приходится на амилопектин.
Макромолекула амилозы представляет собой линейную или слабо разветвленную цепь, состоящую из 200—1000 остатков глюкозы. Глюкозные остатки, как и в мальтозе, связаны 1—4 связями. Рентгеноструктурные исследования амилозы доказывают спиралевидное строение ее макромолекулы с содержанием шести остатков глюкозы в витке.
Макромолекула амилопектина отличается от амилозы большей степенью поликонденсации и значительной разветвленностью. В ней содержится 36 000 остатков глюкозы. Молекулярная масса амилопектина находится в пределах 100000— 6 000 000, амилозы — от 36 000 до 180 000.]]>
