Химический анализ углеводов

«Фруктовые воды несут нам углеводы» — это шутливое изречение И. Ильфа и Е. Петрова недалеко от истины. Действительно, во фруктовых водах можно обнаружить органические соединения, состав которых отвечает общей формуле С_n(Н₂0)_m; поэтому они получили название «углеводы».

Данной формуле отвечают альдегидоспирты или кетоспирты. Но конечно, к углеводам не относятся имеющие то же соотношение элементов общеизвестная уксусная кислота СН₃СООН, муравьиный альдегид НСОН и некоторые другие. Соединения с относительно небольшой молекулярной массой обычно называют сахарами, упрощая химический термин «сахариды».

Углеводов человек должен получать не менее 500 г в сутки — примерно в 5 раз больше, чем жиров. Именно жиры и углеводы — наш основной источник энергии.

Углеводы примерно вдвое менее калорийны, чем жиры. В то же время при определенных условиях эти вещества в организме могут взаимопревращаться.

Когда глюкоза С₆Н₁₂О₆ поступает на «химический комбинат», ее энергетический погонциал реализуется с помощью аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Полученная анергия используется при мышечных сокращениях, обеспечивает биосинтез и иные процессы, без которых немыслим живой организм.

Углеводы могут откладываться в печени или в мышцах в виде гликогена (С₆Н₁₀0₅)Ш а в растениях — в виде крахмальных зерен. Отличие между этими веществами есть: первое хорошо растворимо в воде, а второе — практически нет.

Когда мы выполняем интенсивную физическую работу, гликоген подвергается гидролизу: он деполимеризуется под действием воды, образуя молекулы глюкозы, распространяющиеся по всему организму потоком крови. При этом у нас появляется жажда не только из-за потери влаги с потом, но и из-за частичного расходования ее на гидролиз гликогена. Поэтому, если на лыжной базе есть буфет, предпочтите всем остальным напиткам виноградный сок: два стакана сока утолят жажду и восполнят расход глюкозы.

Читатель, по-видимому, ждет ответа на вопрос: а откуда все-таки человек в сутки набирает необходимые 500 г углеводов? (Доля сахара и крахмала в общей массе получаемых нами углеводов меньше 40%.)

Давайте остановимся на «крупнотоннажных» углеводах и проследим, как они попадали в наш организм, что там с ними происходит и чем все эти превращения заканчиваются.

Глюкоза. Ее большие таблетки с витамином С известны всем детям. Когда такую таблетку отправляют в рот, не стоит забывать, что это в первую очередь медицинский препарат, а уж потом средство удовлетворения потребности в сладком. Глюкоза легко проникает в кровь, не задерживаясь в пищеварительной системе; она поддерживает ослабленный организм, нормализует расстроенное пищеварение, поэтому очень часто входит в состав лекарств.

Этот моносахарид извлекают из свекольной, картофельной, кукурузной патоки и даже из древесных опилок. Правда, в последнем случае глюкозу используют как промежуточный продукт: при дальнейшем ее биохимическом превращении получают технический (гидролизный) этиловый спирт.

Фруктоза. Эго тоже моносахарид, полностью сходный с глюкозой по составу, но отличный по строению.

У фруктозы есть иное название — плодовый или фруктовый сахар. Ее можно назвать и цветочным сахаром: из нектара пчелы переносят этот углевод в мед (там ее массовая доля достигает 50%). Конечно, из меда фруктозу извлекать невыгодно, гораздо проще и дешевле подвергать соответствующей переработке обычный свекловичный или тростниковый сахар. Поскольку фруктоза примерно вдвое слаще сахарозы, ее использование в пищу желательно тем людям, у кого обмен веществ несколько нарушен. В лекарственные свойства меда вносит свою лепту и фруктоза.

Сахароза. Ее общая формула С₁₂Н₂₂О₁₁, она образуется из глюкозы и фруктозы «за вычетом» одной молекулы воды.

С незапамятных времен знакомо человечество с сахарозой. Еще Александр Македонский знал, что в Индии есть тростник, из которого можно получить мед без помощи пчел. Жители Африканского континента извлекали сахарозу из пальмового сока, североамериканские индейцы — из кленового. Сахароза, по существу, и есть, тот сахар (песок, рафинад), который является общеизвестным продуктом питания. Массовое производство сахарозы из свеклы началось полтора века тому назад во Франции.

В нашем организме в результате гидролиза из сахарозы (дисахарида) образуются оба упомянутых выше моносахарида в равных количествах:

Катализаторами гидролиза в организме служат ферменты, однако и нагревание может вызвать гидролиз. Поэтому, когда сиропы долго кипятят, они становятся слаще — образуется фруктоза.

Лактоза. Этот углевод называют еще молочным сахаром, так как он преимущественно содержится в молоке животных. Лактоза, как и сахароза,—дисахарид, только в ее молекуле вместо фруктозы с глюкозой связана галактоза. Глюкоза и галактоза отличаются лишь взаимным расположением атома водорода и гидроксильной группы при одном из атомов углерода. Однако в сложных биохимических превращениях пищи такое различие имеет огромное значение. С лактозой человек знакомится с первых дней жизни, так как в материнском молоке нет других углеводов, кроме лактозы.

Так же, как и глюкоза, лактоза может «бродить», только ей нужны для этого свои, лактозные дрожжи. Тогда в продуктах брожения накапливаются соединения, придающие молочным напиткам особый вкус.

Возьмем, например, кефир. Даже самый свежий, с клеймом на пробке, соответствующим завтрашнему числу, он уже пробыл на молокозаводе не менее четырех суток. За это время в свежее пастеризованное молоко добавляют кефирную закваску (до 50 кг/т молока), герметично закрывают его и выдерживают при комнатной температуре около суток. Молоко свертывается, его охлаждают и выдерживают еще трое суток. Смена температур ведет к изменению типа брожения - молочнокислое переходит в спиртовое:

При пониженной температуре процесс спиртового брожения идет очень медленно, но все-таки в готовом продукте появляется углекислый газ и незначительное количество спирта. Дело в том, что кислота в составе кефира подавляет жизнедеятельность грибков и даже в несвежем продукте массовая доля этанола не превышает 0,6%.

Другой молочный продукт такого же «комбинированного» брожения готовят из кобыльего молока и называют кумысом. Поскольку температурный режим в походах (кумыс национальный напиток многих кочевых племен) соблюдать было затруднительно, то сложилась технология производства напита с массовой долей спирта до 2,5%, что вполне сопоставимо с некоторыми сортами пива. Коран был против использования спиртного, но не запрещал употребление кумыса. Быть может, поэтому для кумыса продолжительность спиртового брожения стали удлинять... Оба продукт (кефир и кумыс) обладают бактерицидным действием.

Можно долго перечислять достоинства лактозы, но пора переходить к рассказу о полимерных углеводородах.

Крахмал. Степень полимеризации этого вещества чрезвычайно велика: его молекулярная масса исчисляется миллионами у. е.! Для растительных организмов крахмал играет ту же роль, что и для животных гликоген: он подвергается гидролизу, и в итоге снова образуется глюкоза.

Процесс гидролиза крахмала в организме человека сложный, но технологически отработанный — крахмал уже на языке начинает свой ферментативный гидролиз:

Мальтоза не успевает превратиться в моносахариды за то время, которое мы обычно затрачиваем на пережевывание, и процесс образования глюкозы из крахмала заканчивается уже в пищеварительном тракте. Однако если содержащую крахмал пищу (например, хлеб) пожевать, скажем, минуту или полторы, появляется отчетливый сладкий вкус.

Наш организм получает крахмал в основном с картофелем, однако массовая доля этого углевода в клубнях не превышает 20%. Гораздо богаче крахмалом зерновые: рис — 80%, кукуруза — 74%, пшеница —74%.

Целлюлоза (клетчатка). Наконец речь пойдет о растительном полисахариде сложного строения с такой же общей формулой, как и крахмал (С₆Н₁₀О₅)_n

Отличие крахмала от целлюлозы — в характере сочленений циклических фрагментов глюкозы, из которых образованы оба полисахарида. В целом же в гигантских молекулах целлюлозы (клетчатки) больше линейных, а в крахмале больше разветвленных участков.

Примером чистой целлюлозы может послужить промокательная бумага или куски ваты. В растениях целлюлоза чаще всего соединена с другими органическими веществами.

Поступая в наш организм с растительной пищей, клетчатка проходит желудок, практически не изменяясь. Только травоядные животные и такие насекомые, как термиты, способны активно осваивать этот полимер: в их желудках находится особый род бактерий, вырабатывающий фермент целлюлазу. Этим «ключом» легко размыкаются связи между мономерами глюкозы.

Однако и в кишечнике человека в зависимости от состава пищи переваривается лишь незначительная часть поступающей туда клетчатки. Остальная ее масса так и выводится из организма непереваренной, но при этом целлюлоза способствует повышенному выделению пищеварительных соков на всем своем пути, нормализуя работу кишечника.