Разное

Значение полисахаридов – Биология для студентов — 14. Полисахариды, классификация и строение, свойство, распространение в природе, народнохозяйственное значение.

Содержание

2.3. Строение, свойства и биологические функции полисахаридов.

Молекулы полисахаридов включают десятки, сотни и даже ты­сячи моносахаридных остатков, соединенных такими же глико­зидными связями, как и в составе олигосахаридов. Большинство из них образуют линейные полимеры, формирующие определённую пространственную структуру, однако некоторые полисахариды имеют разветвлённые молекулы. Моносахаридные остатки в составе полисахаридов находятся в циклической форме в виде α- или b-стереоизомеров.

Большинство полисахаридов представляют собой сложные углеводы, построенные из многократно повторяющихся остатков одного моносахарида. Однако известны полисахариды, молекулы которых состоят из остатков разных моносахаридов.

По выполняемым функциям различают запасные и структурные полисахариды. Запасные - откладываются в клетках листьев или запасающих тканей в виде упорядоченных структур - гранул. Структурные - участвуют в построении клеточных стенок растений.

Крахмал.

Крахмал - основное запасное вещество растений, представляю­щее собой смесь двух полисахаридов - амилозы и амилопектuна, различающихся по строению молекулы и физико-химическим свойствам. Однако молекулы этих полисахаридов построены из одного моносахарида - α-D-глюкозы, находящейся в пиранозной форме.

В молекулах амилозы остатки a-D-глюкозы соединены а(1®4)-связями, образуя спиралевидно закрученные цепо­чечные структуры, включающие от 100 до 1-2 тыс. глюкозных остатков (рис. 1). Молекулярная масса амилозы обычно составляет от 20 до 500 тыс. Спиралевид­ное закручивание молекулы происходит вследствие образования водородных связей между остатками глюкозы, нахо­дящимися в соседних витках. В каждом витке амилозы содержится шесть пира­нозных cтpyктyp, соединённых в цепочку гликозидными связями.

Амилоза растворяется в теплой воде и при добавлении водного раствора йода в йодистом калии окрашивается в синий цвет вследст­вие того, что йод образует комплeксы с остатками глюкозы. Водные растворы амилозы не отличаются высокой вязкостью и при стоянии довольно быстро образуют кристаллический осадок.

Амилопектин имеет разветвлённые молекулы, построенные из α-D-глюкозы. В точках ветвления гликозидные связи образуются между первым и шестым углеродными атомами глюкозных остатков (α(I®6)-связи). Между точками ветвления глюкозные остатки так же, как в амилозе, соединены α(I®4)-связями.

Точки ветвления в молекулах амилопектина имеются через каждые 12-15 остатков глюкозы. Молекулярная масса амилопек­тина значительно больше, чем у амилозы, и может достигать 1 млн. Схема строения молекулы амилопектина показана на рисунке 2.

Амилопектин в тёплой воде не растворяется, а при более силь­ном нагревании с водой образует очень вязкий коллоидный раствор - клейстер. Температура клейстеризации картофельного и ржаного крахмала 55-65°С, пшеничного и кукурузного - 60-70°С, крахмала риса - 70-80°C. Йодом амилопектин окрашивается в красно­-фиолетовый цвет. В амилопектине в небольшом количестве содер­жатся остатки фосфорной кислоты, соединённые эфирной связью с остатками глюкозы.

Соотношение амилозы и амилопектина в различных раститель­ных продуктах изменяется в очень широких пределах. В карто­фельном крахмале на долю амилозы приходится около 20%, пше­ничном и кукурузном - около 25%, рисовом - 15-20%, в крахмале гороха и некоторых сортов кукурузы - 50-80%. Крахмал яблок почти полностью состоит из амилозы, а крахмал восковидных сортов кукурузы - только из амилопектина.

У одного и того же вида растений содержание амилозы и ами­лопектина в крахмале может изменяться в зависимости от фазы развития и условий внешней среды. В разных органах растений синтезируется крахмал совершенно определенного состава. Так, например, в крахмале клубней картофеля обычно содержится 19-22% амилозы, а в молодых побегах в два раза больше.

В растениях крахмал образуется в листьях как продукт фото­синтеза, а также в зерновках и семенах, клубнях, корневищах, утол­щенных частях стеблей как запасное вещество. Фотосинтетический крахмал откладывается в хлоропластах в виде гранул, называемых крахмальными зёрнами, и довольно быстро используется в процессе дыхания и для синтеза других веществ. Значительная его часть превращается в транспортную форму углеводов - сахарозу, которая по флоем­ной системе поступает в нефотосинтезирующие органы, распа­дается там до глюкозы и фруктозы и в виде моносахаридов вклю­чается в различные биосинтетические процессы.

Запасной крахмал также откладывается в виде зёрен и у целого ряда растений накапливается в значительном количестве в запаса­ющих тканях и органах. В зерне злаковых его содержание обычно составляет 50-70%, в рисе -75-80%, в зерне зернобобовых куль­тур - 30-50%, в клубнях картофеля - 12-20%, в клубнях батата, ямса и маниока - 20-30%, в листьях растений - до 1-2%.

Крахмальные зёрна чаще всего имеют вид овальных или сферичес­ких частиц (рис. 3), имеющих разную форму и размеры (2-170 мкм). Под микроскопом можно различить их слоистое строение. Разме­ры и строение крахмальных зёрен у разных видов и даже сортов растений имеют характерную специфику и могут использовать­ся для идентификации генотипов, а также обнаружения примесей одного растительного продукта в другом.

Запасной крахмал вначале откладывается в пластидах, назы­ваемых амилопластами. По мере наполнения происходит посте­пенная деградация их мембранной структуры и они превращаются в крахмальные зерна.

Крахмалоносные растения представляют легковозобновляемое сырье для перерабатывающей промышленности, которое исполь­зуется для получения продовольственного и технического крахма­ла, глюкозы, этилового спирта и даже пластмасс, обладающих высокой прочностью и экологической безопасностью (при сгорании не дают ядовитых выделений).

Полифруктозиды. В растениях семейств лилейные, мятликовые, астровые, коло­кольчиковые синтезируются запасные углеводы, построенные из 4-40 остатков b-D-фруктозы, в связи с чем их называют поли­фруктозидами, или фруктанами. Остатки фруктозы в их молекулах соединены гликозидными связями, образующимися между вторым и первым углеродными атомами (b (1®2)-связи).

Полифрутозиды содержатся в листьях, корнях, семенах ука­занных выше растений, накапливаются в значительном количестве в нижней утолщённой части стеблей мятликовых трав (до 6-8% сухой массы) и в созревающих зерновках злаковых культур (рожь, пшеница, ячмень, овёс). В листьях они являются основными продуктами фотосинтеза, тогда как фотосинтетический крахмал у этих растений не образуется.

Из полифруктозидов наиболее хорошо изучен инулин, содер­жащий в молекуле 37-44 фруктозных остатка. К одному из концов молекулы инулина присоединён остаток α-D-глюкозы. Молекуляр­ная масса инулина 5-6 тыс. Он хорошо растворяется в горячей воде, не обладает восстановительными свойствами, хорошо усваи­вается организмами человека и животных, в связи с чем растения, способные накапливать инулин, используются как кормовые куль­туры и как сырьё для промышленного получения фруктозы. Фруктозу получают из инулина путём его кислотного гидролиза.

Большое количество инулина содер­жится в клубнях георгина и артишо­ка (до 50%), топинамбура (10-12%), корнях цикория (свыше 10%). В чесно­ке общее содержание полифруктозидов достигает 20-30% и половину из них составляет инулин.

Целлюлоза. Целлюлоза, или клетчатка - довольно устойчивое вещество волокнистого строения, не растворяется в воде и органических растворителях, однако хорошо растворимо в аммиачном растворе гидроксида меди (реактив Швейцера). Молекулы целлюлозы состоят из остатков b

-D-глюкозы, соединенных b(1®4)-связями. В каждой молекуле целлюлозы может содержаться 1500-10000 пиранозных остатков b-D-глюкозы, образующих неразветвлённый полимер.

Между линейно вытянутыми молекулами целлюлозы, имею­щими свободные гидроксильные группы, возникают водородные связи, с помощью которых нитевидные полимеры, построенные из остатков глюкозы, объединяются в пучки, включающие несколько десятков молекул. Такие целлюлозные пучки, или фибриллы, обла­дают очень высокой прочностью и служат структурной основой клеточных стенок растений. Как видно на электронной микро­фотографии клеточной оболочки (рис. 4), целлюлозные фибриллы размещаются слоями, образуя сетчатую структуру, сквозь которую свободно проникает вода с растворенными в ней веществами.

Целлюлоза в том или ином количестве содержится во всех растительных тканях. Особенно много целлю­лозы в растительных волокнах (хлопковом, льняном) - 80-95%, древесине и соломе - 40-50%. В других растительных продуктах её значительно меньше: зерно злаковых и зернобобовых культур – 2-6%, зерно пленчатых злаков - 7-14%, семена масличных - 5-25%, клубни картофеля - около 1 %, корнеплоды - 0,5-1,5%, овощи ­0,5-1,2% (томаты - 0,2%), плоды и ягоды - 0,5-2%, вегетативная масса кормовых трав - 20-30% (последний показатель - в расчёте на сухую массу).

Целлюлоза практически не усваивается организмами человека и нежвачных животных, тогда как жвачные животные способны её усваивать с помощью ферментов микроорганизмов, обитаю­щих в преджелудках этих животных и участвующих в процес­сах пищеварения.

При нагревании с раствором кислоты целлюлоза подвергается гидролизу, превращаясь в глюкозу, которая используется как ис­точник углерода для культивирования дрожжевых клеток с целью промышленного получения этилового спирта и кормовых дрож­жей с повышенным содержанием белков и витаминов. При этом в качестве источника целлюлозы служат отходы древесины и целлюлозосодержащие растительные остатки - солома, корзинки подсолнечника, льняная костра, стержни кукурузных початков, свекловичная меласса, картофельная мезга, хлопковая шелуха и др. Большое количество целлюлозы расходуется для химичес­кой переработки.

В построении клеточных стенок растений наряду с целлюло­зой участвуют также другие структурные полисахариды - геми­целлюлозы и пектиновые вещества, которые связаны с молекулами целлюлозы водородными связями.

Гемицеллюлозы. Гемицеллюлозы - это смесь полисахаридов, образу-ющих при гидролизе маннозу, галактозу, ксилозу, арабинозу и уроновые кислоты - глюкуроновую и галактуроновую. Они нерастворимы в воде, но растворяются в щелочных растворах. В клеточных стен­ках растений содержание гемицеллюлоз составляет около 30%. Много их накапливается в древесине и соломе (10-30%), оболочках семян, кукурузных початках, отрубях, вегетативной массе растений. Разные виды растений заметно различаются по составу ге­мицеллюлоз.

ГАЛАКТАНЫ. Их молекулы построены из остатков b-D-­галактозы, соединённых b(1®4)-связями. В каждой молекуле объединяются более 100 остатков галактозы.

Галактаны содержатся в составе клеточных стенок многих растений, особенно много их в семенах люпина.

МАННАНЫ. Остатки маннозы в маннанах соединены b(1®4)-­связями. В каждой молекуле насчитывается от 200 до 400 моно­сахаридных единиц. Много маннанов содержится в древесине хвойных деревьев и в клеточных стенках водорослей.

КСИЛАНЫ. Их молекулы построены из остатков b-D-ксилозы в пиранозной форме, соединённых b(1®4)-связями. В составе полимера могут находиться до 200 ксилозных остатков. В соломе и древесине содержание ксиланов достигает 25-28%.

В молекулах ксиланов обычно имеются ответвления в виде ос­татков арабинозы, а также глюкуроновой и галактуроновой кислот. Ответвления чаще всего образуются за счёт этерификации третьего углеродного атома ксилозы. Карбоксильные группы остатков уро­новых кислот образуют эфиры с метиловым спиртом. Ксиланы раз­ных растений отличаются частотой и моносахаридным набором ответвлений в молекуле.

АРАБАНЫ. Это полисахариды клеточной стенки растений, которые состоят из остатков a-L-арабинозы, соединённых глико­зидной связью между первым и пятым углеродными атомами. При этом к каждому второму остатку арабинозы в линейной струк­туре присоединён в виде ответвления еще один остаток арабинозы. В ответвлениях связь образуется между третьим углеродным атомом арабинозы, находящейся в цепочке, и первым углеродным атомом бокового остатка арабинозы.

Как и целлюлоза, гемицеллюлозы не усваиваются организмом человека, но могут усваиваться жвачными животными с помощью ферментов микроорганизмов, находящихся в преджелудках.

ГЛЮКАНЫ. К глюканам относятся полисахариды, образуемые из b-D-глюкозы, но в их молекулах остатки глюкозы соединяются не только b(1®4) -связями, как в целлюлозе, но также и b(1®3)-­связями или только b(1®3)- связями. К таким полисахаридам относятся каллоза и лихенин. Каллоза - полисахарид, включающий до 100 остатков b-D-глюкозы в молекуле, соединённых b(1®3)-­связями. Она содержится в ситовидных трубках флоэмной систе­мы растений. В молекулах лихенина остатки b-D-глюкозы соеди­нены как b(1®4)-связями, так и b(1®3)-связями (встречаются с частотой около 30%). Лихенин входит в состав клеточных сте­нок растений, особенно много его в лишайниках.

Пектиновые вещества. Пектиновые вещества в растениях представлены двумя груп­пами соединений - пектинами и протопектинами, которые раз­личаются строением и физико-химическими свойствами.

Пектины - водорастворимые полисахариды, построенные из остатков α-D-галактуроновой кислоты, которые соединены α(1®4)-связями. Большая часть карбоксильных групп остатков галакту­роновой кислоты связана эфирными связями с остатками метилового спир­та, а к другим карбоксильным группам присоединены катионы кальция или магния. В каждой молекуле пектина содержится более 100 остатков галактуроновой кислоты.

Основная масса пектиновых веществ растений представлена протопектином, который находится в структуре клеточных стенок. Протопектин образуется в результате связывания эфирными связя­ми пектина с галактанами и арабанами, входящими в состав кле­точной стенки растения. Эфирные связи возникают между карбоксильными группами пектина и гидроксильными группами гемицеллюлоз.

Полисахариды протопектина нерастворимы в воде и имеют более высокую молекулярную массу по сравнению с пектинами. Много протопектина накапливается в формирующихся плодах rpуши, яблони, цитрусовых, айвы, что обусловливает их жёсткую консистенцию. При созревании плодов происходит превращение протопектинов в пектины, вследствие чего их консистенция становится мягкой.

Общее содержание пектиновых веществ в плодах и ягодах составляет 0,3-1,5%, в корнеплодах - 1,5-2,5%, клубнях картофеля ­0,1-0,5%, в томатах - 0,1-0,2%, в капусте - 0,3-2,0%, в кожуре апельсина и лимона - 4-7%.

Характерная особенность пектиновых веществ плодов и ягод - способность образо­вывать желе, или студни, в насыщенном растворе сахара (65-70%) и кислой среде (рН 3,1-3,5). Лучшей желирующей способностью обла­дают более высокомолекулярные полисахариды пектиновых веществ.

В стеблях льна пектиновые вещества скрепляют между собой волокна. Для отделения раcтитeльных волокон производится росяная или водяная мочка льносоломы, при которой происходит гидролиз пекти­новых веществ под действием ферментов микроорганизмов.

Камеди и слизи. Это растворимые в воде полисахариды, образующие очень вяз­кие растворы вследствие их набухания.

Растительные камеди выделяются на стволах и ветвях некото­рых деревьев (вишневых, сливовых, миндальных) в виде клейких наплывов при повреждениях. При гидролизе они дают галактозу, маннозу, рамнозу, арабинозу, ксилозу, а также уроновые кислоты.

Слизи, откладываясь между плазмалеммой и клеточной стенкой, способствуют удерживанию воды в клетках и полостях растения, защищают от проникновения инфекции. При их гидро­лизе в основном образуются пентозы (арабиноза и ксилоза), а также небольшое количество галактозы, глюкозы и фруктозы.

Много слизей содержится в семенах льна, клевера, люцерны, ржи и некоторых других растений. Повышенная вязкость ржи при размоле вызвана наличием именно слизей, вследствие чего зерно ржи размалывается значительно труднее, чем пшеница. Содержащиеся в ржаной муке слизи замедляют гидролитические процессы при формировании теста и тем самым улучшают его формо­удерживающую способность.

Камеди и слизи из различных растительных источников существен­но отличаются набором и удельным соотношением образующих их полисахаридов. Они состоят из молекул разной степени полимериза­ции, многие из которых имеют довольно высокую степень ветвления.

Вопросы для повторения.

1. Каковы структурные особенности стереоизомеров моносахари­дов, относящихся к D- или L-ряду? 2. Как образуются циклические формы моносахаридов и в чём состоят различияа- иb-стереоизоме­ров? 3. Как записывается структура пиранозных и фуранозных форм моносахаридов с помощью формул Хеуорса? 4. Какие образуются кон­формации молекул у гексоз и пентоз? 5. Как образуются окисленные и восстановленные производные, а также фосфорнокислые эфиры мо­носахаридов? 6. В чём состоят особенности образования гликозидов, дезокси- и аминопроизводных моносахаридов? 7. Каковы структур­ные и биологические особенности важнейших альдоз и кетоз? 8. Как об­разуются молекулы сахарозы, мальтозы, целлобиозы,b-левулина и других олигосахаридов? 9. Из каких моносахаридов и по какому принципу строятся молекулы важнейших полисахаридов - крахмала, полифруктозидов, целлюлозы и гемицеллюлоз, пектиновых веществ, камедей и слизей? 10. Какие биологические функции выполняют ука­занные выше олигосахариды и полисахариды? 11. Каково содержа­ние сахаров и различных полисахаридов в растительных продуктах? 12. Какие моносахариды и олигосахариды относятся к редуцирующим сахарам? 13. Какое значение имеют углеводы в фор­мировании качества растительных продуктов? 14. Из каких основных компонентов состоит крахмал и каковы строение и свойства этих компонентов? 15. Какие известны разновидности гемицеллюлоз и пектиновых веществ?

Резюме по модульной единице 2.

Углеводы являются важными компонентами клеток живых организмов. Одни из них служат основным дыхательным материалом организмов (сахара, крахмал, по-лифруктозиды) и откладываются в качестве запасных веществ, другие выполняют структурные (целлюлоза, гемицеллюлозы, протопектин) и защитные (камеди и слизи) функции. Большинство сахаров существуют в форме стереоизомеров и относятся, как правило к D-ряду. Гексозы и пентозы существют в организмах преимущественно в виде циклических форм (пиранозных или фуранозных).

Из моносахаридов образуются восстановленные (многоатомные спирты), окисленные (альдоновые, альдаровые и уроновые кислоты) производные, фосфорнокислые эфиры, амино- и дезоксипроизводные, гликозиды, которые являются продуктами превращения моносахаридов и участвуют в метаболизме. Легкоусвояемые формы углеводов (сахара, крахмал, полифруктозиды, пектиновые вещества) способны накапливаться в значительном количестве в растительных продуктах и поэтому определяют их питательную и техническую ценность.

Олигосахариды образуются из моносахаридов, остатки которых соединяются в молекулах олигосахаридов О-гликозидными связями. Сахароза и олигофрукто-зиды откладываются в запасающих органах растений или используются в качестве транспортных форм углеводов в растительных организмах. Мальтоза – продукт распада крахмала, целлобиоза в свободном виде не накапливается, так как используется в синтезе целлюлозы.

Молекулы полисахаридов построены из остатков моносахаридов, которые соединяются, как и в молекулах олигосахаридов, О-гликозидными связями. Молекулы амилозы, полифруктозидов, пектинов, маннанов, галактанов представляют собой цепочечные полимеры. Молекулы амилопектина, ксиланов, арабанов, камедей и слизей имеют ответвления разной степени сложности. Крахмал, полифруктозиды, пектины откладываются в запасающих органах растений. Целлюлоза, гемицеллюлозы, протопектин участвуют в построении клеточных стенок растений.

Модульная единица 3. Липиды.

Цели и задачи изучения модульной единицы. Изучить строение, свойства и биологические функции основных групп липидов. Научить студентов использовать сведения о липидах при оценке качества растительной продукции.

К липидам относятся вещества, различающиеся по химическому составу, строению и выполняемым функциям, но обладающие близкими фифизико-химическими свойствами. Все они содержат гидрофобные радикалы и группировки, вследствие чего не растворяются в воде, но хорошо растворимы в неполярных органических растворителях - эфире, бензине, бензоле, хлороформе.

В зависимости от химического состава и строения липиды под-разделяют на три класса:  простые, сложные и  стероидные.

Простые липиды представляют собой сложные эфиры спиртов и вы-сокомолекулярных карбоновых кислот, к ним относятся жиры и воски. Сложные липиды содержат в составе молекул, кроме спирта глицерина и карбоновых кислот, остатки других соединений: ортофосфорной кислоты, азотистых оснований, моносахаридов и др. Они образуют две группы веществ - фосфолипиды и гликолипиды.

Стероидные липиды - это циклические соединения, являющиеся про-

изводными циклопентанопергидрофенантрена и представленные как сво-

бодными стероидными веществами, так и связанными формами в виде гли-

гликозидов и эфиров. К липидам очень часто относят также растворимые в жирах витамины и пигменты.

Общее содержание структурных липидов в вегетативных частях растений находится в пределах 0,1-0,5%. Накопление запасных липидов в семенах различных растений достигает следующих величин: зерно злаковых и зернобобовых культур - 1-8%, соя и хлопчатник - 20-30%, подсолнечник, арахис, лен, конопля, рапс, горчица, маслины - 20-50%, мак, клещевина, ядра орехов - 50-60%, в зародышах зерновок пшеницы - 8-14%, кукурузы - 30-40%. Растения с высоким содержанием в семенах запасных липидов выделены в особую группу масличных культур. Известны также растения - накопители воска.

это что? Применение полисахаридов и их значение

Основная классификация полисахаридов

ФункцияПолисахариды (примеры)Особенности
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯКрахмал и гликогенНакопление углеводов, обеспечение организма энергией.
ЗАПАСАЮЩАЯГликоген, крахмалОткладывание углеводов про запас, находится преимущественно в жировой ткани, формируется в клетках мышц, печени и желудка, отчасти в головном мозге.
КОФАКТОРНАЯГепарин и синтетические аналогиЯвляются кофакторами ферментативных соединений, отвечают за снижение свертываемости крови.
ОПОРНАЯЦеллюлоза, хондроитинсульфатЦеллюлоза является стеблеобразующей тканью растений, а хондроитинсульфаты выполняют ту же функцию в костной ткани живых организмов.
ГИДРООСМОТИЧЕСКАЯКислые гетерополисахаридыСпособствуют сохранению влаги и ионов с положительным зарядом в клетках.
СТРУКТУРНАЯКислые гетерополисахаридыВыполняют роль цементирующего состава, дополняют собой межклеточное вещество.
ЗАЩИТНАЯКислые гетерополисахариды (в том числе мукополисахариды)Благодаря образованию особого слоя вокруг клеток защищают ткани от различных механических воздействий, внешних вибраций, трения.

Полисахариды могут разделяться на несколько категорий в зависимости от числа и строения моносахаридов. Их структуру могут составлять минимум 2, максимум 20 моносахаридов.

Группа моносахаровМоносахара
ШестиатомныеГлюкоза, Галактоза, Фруктоза
ПятиатомныеАрабиноза, Ксилоза
Уроновые кислотыГалактуроновая, Глюкуроновая, Маннуроновая

Есть еще 2 категории: гомополисахариды, которые состоят из одинаковых углеводных компонентов, гетерополисахариды, в состав которых входят разные звенья углеводов.

Гомополисахариды:

  • крахмал,
  • гликоген,
  • клетчатка,
  • хитин,
  • декстран

Гетерополисахариды:

  • хондроитин-сульфаты,
  • гепарин,
  • инулин,
  • пектины,
  • камеди,
  • слизи,
  • гиалуроновая кислота

Еще одна классификация по форме и виду цепи: разветвленная и линейная.

ФункцияХарактеристика
ЭнергетическаяОсновной источник энергии. Расщепляются до моносахаридов с последующим окислением до СО2 и Н2О. При расщеплении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.
СтруктурнаяВходят в состав оболочек клеток и некоторых органелл. У растений полисахариды выполняют опорную функцию.
ЗапасающаяНакапливаются в тканях растений (крахмал) и животных (гликоген). Используются при возникновении потребности в энергии.
ЗащитнаяСекреты, выделяющиеся разными железами, обогащены углеводами, например глюкопротеидами, защищающими стенки полых органов (пищевод, желудок, бронхи) от механических повреждений, проникновения вредных бактерий и вирусов.

Свойства

Пищевые полисахариды — основные источники энергии. Многие микроорганизмы легко разлагают до глюкозы крахмал, но большинство микроорганизмов не могут переварить целлюлозу или другие полисахариды, такие как хитин и арабиноксиланы. Эти углеводы могут усваиваться некоторыми бактериями и протистами. Жвачные животные и термиты, к примеру, используют микроорганизмы для переваривания целлюлозы.

Даже при том, что эти сложные углеводы не очень легко усваиваемы, они важны для питания. Их называют пищевыми волокнами, эти углеводы улучшают пищеварение среди прочей пользы. Основная функция пищевых волокон — изменение природного содержимого желудочно-кишечного тракта, и изменение всасывания других нутриентов и химических веществ.

[7][8] Растворимые волокна связываются с жёлчными кислотами в тонком кишечнике, растворяя их для лучшего усвоения; это в свою очередь понижает уровень холестерина в крови.[9] Растворимые волокна также замедляют всасывание сахара и уменьшают ответную реакцию на него после еды, нормализуют уровень содержания липидов в крови, и после ферментации в толстой кишке синтезируются в короткоцепочные жирные кислоты в качестве побочных продуктов с широким спектром физиологической активности (пояснение ниже). Хотя нерастворимые волокна и уменьшают риск диабета, механизм их действия до сих пор не изучен.[10]

Пищевые волокна считаются важными составляющими питания, и во многих развитых странах рекомендуется увеличивать их потребление.[7][8][11][12]

Среди особых химических свойств полисахаридов можно выделить гидролиз и образование производных.

  • Гидролиз – это процесс, который происходит при взаимодействии углевода с водой при участии ферментов или катализаторов, таких как кислоты. Во время такой реакции полисахарид распадается на моносахариды. Таким образом, можно сказать, что гидролиз – процесс, обратный полимеризации.

Гликолиз крахмала можно выразить следующим уравнением:

  • 6Н10О5)n n Н2О = n С6Н12О6

Так, при реакции крахмала с водой под действием катализаторов мы получаем глюкозу. Количество ее молекул будет равно количеству мономеров, образовывавших молекулу крахмала.

  • Образование производных может происходить при реакциях полисахаридов с кислотами. В таком случае углеводы присоединяют к себе остатки кислот, вследствие чего образуются сульфаты, ацетаты, фосфаты и т. д. Кроме того, может происходить присоединение остатков метанола, что приводит к образованию сложных эфиров.

Физические свойства

Полисахариды считают полигликозидами и полиацеталями.

Основные химические свойства полисахаридов:

  • Гликозидная связь позволяет моносахаридам образовывать молекулы с другими элементами цепи.
  • Процесс гидролиза запускается в кислотной среде при повышенной температуре. По его завершении формируются изначальные моносахариды или их производные. При неполном процессе формируются олигосахариды и дисахариды.
  • Обновляющие свойства на низком уровне, стойкость к щелочному воздействию.
  • Используются для добычи сложных эфиров.

Перечисленные свойства позволяют использовать полисахариды в различных видах промышленности, при получении новой продукции.

В зависимости от разновидности веществ их физические свойства могут отличаться. Большая часть имеет белый цвет, порошкообразную консистенцию, молекулярный вес начинается от 2 млн.

Строение преобладающего большинства – это разветвленные молекулы. Именно эти вещества при контакте с водой увеличиваются в объемах, но не растворяются. Другая группа – линейные молекулы, например амилоза, которые легко растворяются в воде.

Большинство полисахаридов нерастворимы или плохо растворимы в воде. Чаще всего они бесцветные или желтоватые. В большинстве своем полисахариды не обладают запахом и вкусом, но иногда он может быть сладковатым.

Резервные полисахариды

Крахмал

Крахмалы — полимеры глюкозы, в которых остатки глюкопиранозы образуют альфа-соединения. Они сделаны из смеси амилозы (15–20 %) и амилопектина (80–85 %). Амилоза состоит из линейной цепочки нескольких сотен глюкозных молекул, а амилопектин — разветвленная молекула, сделанная из нескольких тысяч глюкозных остатков (каждая цепочка из 24–30 глюкозных остатков — одна единица амилопектина).

Крахмалы нерастворимы в воде. Они могут перевариться при разрыве альфа-соединений (гликозидные соединения). И у животных, и людей есть амилазы, поэтому они могут переварить крахмал. Картофель, рис, мука и кукуруза — главные источники крахмала в человеческом питании. Растения запасают глюкозу в виде крахмалов.

Гликоген

Гликоген служит вторым по значению долговременным энергетическим запасом в клетках животных и грибов, который откладывается в виде энергии в жировой ткани. Гликоген в первую очередь образовывается в печени и мышцах, но также может вырабатываться гликогеногенезом в головном мозге и желудке.[13]

Гликоген — аналог крахмала, глюкозный полимер в растениях, иногда его называют «животный крахмал»,[14] имеет схожую структуру с амилопектином, но больше разветвлен и компактен, чем крахмал. Гликоген — полимер, связанный гликозидными связями α(1→4) (в точках разветвления — α(1→6)). Гликоген находится в форме гранул в цитозоли/цитоплазме многих клеток и играет важную роль в глюкозном цикле.

В гепатоцитах вскоре после еды гликоген может составлять до 8 процентов массы (у взрослых — 100—120 г).[15] Только гликоген, запасенный в печени, может быть доступен для других органов. В мышцах гликоген составляет 1-2 % массы. Количество гликогена, отложенного в теле — в особенности в мышцах, печени и эритроцитах[16][17][18] — зависит от физической активности, основного обмена и пищевых привычек, таких как периодическое голодание.

Гликоген состоит из разветвленной цепочки глюкозных остатков. Он находится в печени и мышцах.

  • Это энергетический запас для животных.
  • Это основная форма углевода, отложенного в теле животного.
  • Он нерастворим в воде. Йодом окрашивается в красный цвет.
  • Он превращается в глюкозу в процессе гидролиза.
  • Схема гликогена в двумерном сечении. В сердцевине находится белок гликогенин, окруженный ответвлениями глюкозных остатков. Во всей глобулярной грануле может содержаться примерно 30 000 глюкозных остатков.[19] Схема гликогена в двумерном сечении. В сердцевине находится белок гликогенин, окруженный ответвлениями глюкозных остатков. Во всей глобулярной грануле может содержаться примерно 30 000 глюкозных остатков.[19]

    Схема гликогена в двумерном сечении. В сердцевине находится белок гликогенин, окруженный ответвлениями глюкозных остатков. Во всей глобулярной грануле может содержаться примерно 30 000 глюкозных остатков.[19]

  • Разветвление в гликогеновой молекуле. Разветвление в гликогеновой молекуле.

    Разветвление в гликогеновой молекуле.

Структурные полисахариды

Арабиноксиланы

Арабиноксиланы находятся и в главных, и во второстепенных стенках клеток растений, и они являются сополимерами двух пентозных сахаров: арабиноза и ксилоза.

Целлюлоза

Строительный материал растений формируется в первую очередь из целлюлозы. Дерево содержит, кроме целлюлозы, много лигнина, а бумага и хлопок — почти чистая целлюлоза. Целлюлоза — полимер повторяющихся глюкозных остатков, соединенных вместе бета-связями. У людей и многих животных нет энзимов разорвать бета-связи, поэтому они не переваривают целлюлозу.

Определенные животные, такие как термиты, могут переварить целлюлозу, потому что в их пищеварительной системе присутствуют энзимы, способные переварить её. Целлюлоза нерастворима в воде. Не меняет цвет при смешивании с йодом. При гидролизе переходит в глюкозу. Это самый распространенный углевод в мире.

Хитин — один из самых часто встречающихся натуральных полимеров. Он является строительным компонентом многих животных, к примеру экзоскелетов. Он разлагается микроорганизмами в течение долгого времени в окружающей среде. Его распад могут катализировать ферменты под названием хитиназы, которые секретируют такие микроорганизмы как бактерии и грибы, и производят некоторые растения.

Химически хитин очень близок хитозану (более водорастворимое производное хитина). Он также очень похож на целлюлозу: это тоже длинная неразветвленная цепочка глюкозных остатков, но с добавочными группами. Оба материала придают организмам прочность.

Пектины

Полисахариды это что такое, примеры и химические свойства полисахаридов

Полисахариды это что такое, примеры и химические свойства полисахаридов

Пектины — совокупность полисахаридов, состоящих из а-1,4-связей между остатками D-галактопиранозилуроновой кислоты. Они есть во многих важнейших клеточных стенках и в недревесных частях растений.

Кислотные полисахариды

Кислотные полисахариды — полисахариды, содержащие карбоксильные группы, фосфатные группы и/или группы серныхсложных эфиров.

Существующие виды полисахаридов

Понять, что такое полисахариды, какие функции они выполняют в жизни, можно на примере простых и доступных многим веществ.

Крахмал

Это вещество состоит на 80 % из амилопектина и оставшихся 20 % из амилозы. Добывают его из клубней, зерен, семян, корней. Крахмал – это вещество по типу порошка белого цвета, мягкого и приятного на ощупь, характеризующееся наличием поскрипывания при растирании в руках. При ближайшем рассмотрении можно заметить его зерноподобную структуру, которая при растворении в холодной воде оседает в виде осадков. В теплой воде при монотонном размешивании зерна крахмала увеличиваются в объемах, превращаются в киселеобразный состав.

Бактериальные капсульные полисахариды

Патогенные бактерии обычно вырабатывают вязкий, слизистый слой полисахаридов. Эта «капсула» скрывает антигеновыебелки на поверхности бактерии, которая иначе вызвала бы иммунный ответ и таким образом привела к разрушению бактерии. Капсульные полисахариды водорастворимые, зачастую кислотные, и у них есть молекулярная масса на уровне 100—2000 kDa.

Полисахариды это что такое, примеры и химические свойства полисахаридов

Полисахариды это что такое, примеры и химические свойства полисахаридов

Они линейны и состоят из постоянно повторяющихся субъединиц от одного до шести моносахаридов. Существует огромное структурное многообразие; около двух сотен разных полисахаридов производится только одной кишечной палочкой. Смесь капсульных полисахаридов, либо конъюгируется, либо естественным путем используется как вакцина.

Бактерии и многие другие микробы, включая грибы и водоросли, часто секретируют полисахариды, чтобы прилипнуть к поверхностям для предотвращения пересыхания. Люди научились превращать некоторые такие полисахариды в полезные продукты, включая ксантановую камедь, декстран, гуаровая камедь, велановую камедь, дьютановую камедь и пуллулан.

Большинство из этих полисахаридов выделяют полезные вязкоупругие свойства, когда растворяются в воде на очень низком уровне.[20] Это позволяет использовать различные жидкости в ежедневной жизни, к примеру, в таких продуктах как лосьоны, очищающие средства и краски, вязкие в стабильном состоянии, но становятся намного более жидкие при малейшем движении и используются для размешивания или взбалтывания, чтобы наливать, вытирать или расчесывать. Это свойство называется псевдопластичностью; изучение таких материалов называется реология.

Вязкость велановой камеди
Скорость сдвига (rpm)Вязкость (cP)
0.323330
0.516000
111000
25500
43250
52900
101700
20900
50520
100310

У водного раствора таких полисахаридов есть интересное свойство: если придать ему круговое движение, раствор сначала продолжает кружить по инерции, замедляя движение благодаря вязкости, а потом меняет направление, после чего останавливается. Этот разворот происходит благодаря упругости цепочек полисахаридов, которые после растяжения стремятся возвратиться в расслабленное состояние.

Мембранные полисахариды выполняют другие роли в бактериальной экологии и физиологии. Они служат барьером между клеточной стенкой и окружающим миром, посредником во взаимодействии хозяин-паразит, и образуют строительные компоненты биопленки. Эти полисахариды синтезируются из нуклеотидно-активированных предшественников (их называют нуклеотидные сахара) и, во многих случаях, все ферменты, необходимые для биосинтеза, собрания и транспортировки целого полимера закодированые генами, организованны в специальных группах с геномом организма.

Недавно были найдены энзимы, которые образуют A-группу (гомополимерные) и B-группу (гетерополимерные) O-антигенов и определены их метаболические пути.[21] Экзополисахаридный альгинат — линейный полисахарид, связанный β-1,4-остатками D-маннуроновой и L-гулуроновой кислот, и ответственный за мукоидный фенотип последней стадии муковисцедоза.

Локусы Pel и psl — две недавно обнаруженные генетические группы, которые также закодированы экзополисахаридами, и как выяснилось, являются очень важным составляющим биопленки. Рамнолипиды — биологические поверхностно-активные вещества, производство которых строго регулируется на транскрипционном уровне, но роль, которую они играют во время болезни, пока не изучена.

Использование в различных отраслях

Полисахариды в настоящем XXI веке нашли обширное применение в различных отраслях промышленности, в том числе:

  • в пищевой отрасли;
  • в химической, фармацевтической сфере, медицине;
  • на текстильных фабриках;
  • в металлургии;
  • на предприятиях по добыче и переработке газа и нефти.

Природные полимеры гликаны отличаются несколькими качествами, среди них:

  • повышение защитных сил организма, стойкости к различным инфекциям;
  • активное противостояние образованию опухолей;
  • ускорение процессов регенерации клеток и тканей, ранозаживления;
  • исключение или минимизация побочных воздействий лекарственных препаратов.

В медицинской сфере находят следующее применение:

  • используются как составляющие вещества специальных препаратов, позволяющих определить в организме человека наличие кандидоза или сальмонеллеза;
  • декстраны, которые вырабатываются определенными бактериями, выступают в медицине плазмозаменителями; сульфат декстрана является альтернативой гепарину как антикоагулянт;
  • хитин используется в качестве основного компонента и наполнителя различных медикаментов;
  • используются как ферментативные средства с длительным действием на основе декстрана с низкой аллергичностью;
  • гликаны входят в состав различных паст высокого качества для чистки зубов.

Особую популярность полисахариды, добытые из бактерий, обрели в изготовлении прозрачных защитных пленок. Они используются для защиты продуктов питания от высыхания, заражения их бактериями и попадания грязи.

Ксантин становится основным участником процесса производства кисломолочной продукции. Экзополисахариды используются для улучшения качества мучных и хлебобулочных изделий, они позволяют увеличивать их объемы и уменьшать зачерствение.

Различные примеры полисахаридов можно активно использовать в инновационных и промышленных направлениях:

  • Принимают активное участие вещества в синтезе ядерного топлива.
  • Гликаны, получаемые из определенных видов бактерий, отличаются повышенной степенью вязкости, поэтому часто входят в состав клеящих веществ. Служат прекрасной альтернативой дорогим склеивающим ингредиентам, совершенно не уступая им по качеству.
  • Агаразаменители – это участники синтеза веществ для фотопленок.
  • Часто на нефтегазоперерабатывающих заводах используются такие продукты, как стабилизаторы и жидкость для очистки различных механизмов для бурения скважин. Они производятся на основе молекул гликанов.

Промышленность не стоит на месте, продолжаются научные исследования для поиска, выявления новых качеств, характеристик и свойств молекул моносахаридов с цепи. Они могут быть полезны для развития инновационной отрасли, микробиологической и биологической сферы.

Примечания

  1. ↑Varki A, Cummings R, Esko J, Freeze H, Stanley P, Bertozzi C, Hart G, Etzler M.Essentials of glycobiology. — Cold Spring Harbor Laboratory Press; 2nd edition, 2008. — ISBN 0-87969-770-9.
  2. ↑Varki A, Cummings R, Esko J, Jessica Freeze, Hart G, Marth J.Essentials of glycobiology. — Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1999. — ISBN 0-87969-560-9.
  3. ↑IUPACGold Book internet edition: “homopolysaccharide (homoglycan)“.
  4. ↑IUPACGold Book internet edition: “heteropolysaccharide (heteroglycan)“.
  5. ↑Matthews, C. E.; K. E. Van Holde; K. G. Ahern (1999) Biochemistry. 3rd edition. Benjamin Cummings. ISBN 0-8053-3066-6
  6. ↑N.A.Campbell (1996) Biology (4th edition). Benjamin Cummings NY. p.23 ISBN 0-8053-1957-3
  7. 12Dietary Reference Intakes for Energy, Carbohydrate, fiber, Fat, Fatty Acids, Cholesterol, Protein, and Amino Acids (Macronutrients) (2005), Chapter 7: Dietary, Functional and Total fiber. (неопр.) (недоступная ссылка). US Department of Agriculture, National Agricultural Library and National Academy of Sciences, Institute of Medicine, Food and Nutrition Board. Архивировано 27 октября 2011 года.
  8. 12Eastwood M., Kritchevsky D. Dietary fiber: how did we get where we are? (англ.) // Annu Rev Nutr (англ.)русск. : journal. — 2005. — Vol. 25. — P. 1—8. — DOI:10.1146/annurev.nutr.25.121304.131658. — PMID 16011456.
  9. ↑Anderson JW; Baird P; Davis RH; and others. Health benefits of dietary fiber (англ.) // Nutr Rev (англ.)русск. : journal. — 2009. — Vol. 67, no. 4. — P. 188—205. — DOI:10.1111/j.1753-4887.2009.00189.x. — PMID 19335713.
  10. ↑Weickert M. O., Pfeiffer A. F. Metabolic effects of dietary fiberand any other substance that consume and prevention of diabetes (англ.) // J Nutr (англ.)русск. : journal. — 2008. — Vol. 138, no. 3. — P. 439—442. — PMID 18287346.
  11. ↑Dietary Benefits of Fucoidan from Sulfated Polysaccharides (неопр.).
  12. ↑Jones P. J., Varady K. A.Are functional foods redefining nutritional requirements? (англ.) // Appl Physiol Nutr Metab (англ.)русск. : journal. — 2008. — Vol. 33, no. 1. — P. 118—123. — DOI:10.1139/H07-134. — PMID 18347661. Архивировано 27 февраля 2012 года.
  13. ↑Anatomy and Physiology. Saladin, Kenneth S. McGraw-Hill, 2007.
  14. ↑Animal starch (неопр.). Merriam Webster. Дата обращения 11 мая 2014.
  15. 12Campbell, Neil A.Biology: Exploring Life. — Boston, Massachusetts : Pearson Prentice Hall, 2006. — ISBN 0-13-250882-6.
  16. ↑Moses S. W., Bashan N., Gutman A.Glycogen metabolism in the normal red blood cell (англ.) // Blood (англ.)русск.. — American Society of Hematology (англ.)русск., 1972. — December (vol. 40, no. 6). — P. 836—843. — PMID 5083874.
  17. ↑http://jeb.biologists.org/cgi/reprint/129/1/141.pdf
  18. ↑Miwa I., Suzuki S. An improved quantitative assay of glycogen in erythrocytes (англ.) // Annals of Clinical Biochemistry (англ.)русск. : journal. — 2002. — November (vol. 39, no. Pt 6). — P. 612—613. — DOI:10.1258/000456302760413432. — PMID 12564847.
  19. ↑Page 12 in: Exercise physiology: energy, nutrition, and human performance, By William D. McArdle, Frank I. Katch, Victor L. Katch, Edition: 6, illustrated, Published by Lippincott Williams {amp}amp; Wilkins, 2006, ISBN 0-7817-4990-5, ISBN 978-0-7817-4990-9, 1068 pages
  20. ↑Viscosity of Welan Gum vs. Concentration in Water. Архивированная копия (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 2 октября 2009.Архивировано 18 июля 2011 года.
  21. ↑Guo H., Yi W., Song J. K., Wang P. G. Current understanding on biosynthesis of microbial polysaccharides (англ.) // Curr Top Med Chem (англ.)русск. : journal. — 2008. — Vol. 8, no. 2. — P. 141—151. — DOI:10.2174/156802608783378873. — PMID 18289083.
  22. ↑Cornelis P (editor).Pseudomonas: Genomics and Molecular Biology. — 1st. — Caister Academic Press, 2008. — ISBN [1].

Гидролиз полисахаридов

При химической реакции взаимодействия полисахаридов с водой образуются производные сложные и простые эфиры. Гидролиз полисахаридов – это довольно распространенный процесс, который используется в различных сферах промышленности, таких как:

  • производство этилового спирта;
  • добыча молочной кислоты;
  • образование лимонной и масляной кислот;
  • получение бутанола и других многоатомных спиртов;
  • создание ацетона;
  • выработка крахмала и глюкозы.

При полном гидролизе осуществляется процесс растворения крахмала, находящегося в составе различных культур, на более простые сахара. Аналогичное действие происходит и с целлюлозой. При неполном гидролизе в результате образуются олигосахариды, в том числе и те, которые могут состоять всего из двух моносахаридов.

это что? Применение полисахаридов и их значение

Образование 24 января 2016

Существует четыре основных класса сложных биоорганических веществ: белки, жиры, нуклеиновые кислоты и углеводы. Полисахариды принадлежат к последней группе. Несмотря на "сладкое" название, большинство из них выполняет совсем не кулинарные функции.

Полисахарид – это что?

Вещества группы также называют гликанами. Полисахарид – это сложная полимерная молекула. Она составлена из отдельных мономеров – моносахаридных остатков, которые объединены с помощью гликозидной связи. Проще говоря, полисахарид – это молекула, построенная из объединенных остатков более простых углеводов. Количество мономеров в полисахариде может варьироваться от нескольких десятков до ста и больше. Строение полисахаридов может быть как линейным, так и разветвленным.

Физические свойства

Большинство полисахаридов нерастворимы или плохо растворимы в воде. Чаще всего они бесцветные или желтоватые. В большинстве своем полисахариды не обладают запахом и вкусом, но иногда он может быть сладковатым.

Основные химические свойства

Среди особых химических свойств полисахаридов можно выделить гидролиз и образование производных.

  • Гидролиз – это процесс, который происходит при взаимодействии углевода с водой при участии ферментов или катализаторов, таких как кислоты. Во время такой реакции полисахарид распадается на моносахариды. Таким образом, можно сказать, что гидролиз – процесс, обратный полимеризации.

Гликолиз крахмала можно выразить следующим уравнением:

  • 6Н10О5)n + n Н2О = n С6Н12О6

Так, при реакции крахмала с водой под действием катализаторов мы получаем глюкозу. Количество ее молекул будет равно количеству мономеров, образовывавших молекулу крахмала.

  • Образование производных может происходить при реакциях полисахаридов с кислотами. В таком случае углеводы присоединяют к себе остатки кислот, вследствие чего образуются сульфаты, ацетаты, фосфаты и т. д. Кроме того, может происходить присоединение остатков метанола, что приводит к образованию сложных эфиров.

Биологическая роль

Полисахариды в клетке и организме могут выполнять следующие функции:

  • защитную;
  • структурную;
  • запасающую;
  • энергетическую.

Защитная функция заключается прежде всего в том, что из полисахаридов состоят клеточные стенки живых организмов. Так, клеточная стенка растений состоит из целлюлозы, грибов – из хитина, бактерий – из муреина.

Кроме того, защитная функция полисахаридов в организме человека выражается в том, что железами выделяются секреты, обогащенные этими углеводами, которые защищают стенки таких органов как желудок, кишечник, пищевод, бронхи и т. д. от механических повреждений и проникновения болезнетворных бактерий.

Структурная функция полисахаридов в клетке заключается в том, что они входят в состав плазматической мембраны. Также они являются компонентами мембран органоидов.

Следующая функция заключается в том, что основные запасные вещества организмов являются именно полисахаридами. Для животных и грибов это гликоген. У растений запасным полисахаридом является крахмал.

Последняя функция выражается в том, что полисахарид – это важный источник энергии для клетки. Получить ее из такого углевода клетка может путем его расщепления на моносахариды и дальнейшего окисления до углекислого газа и воды. В среднем при расщеплении одного грамма полисахаридов клетка получает 17,6 кДж энергии.

Применение полисахаридов

Эти вещества широко используются в промышленности и медицине. Большинство из них добываются в лабораториях путем полимеризации простых углеводов.

Наиболее широко используемыми полисахаридами являются крахмал, целлюлоза, декстрин, агар-агар.

Применение полисахаридов в промышленности
Название веществаИспользованиеИсточник
КрахмалНаходит применение в пищевой промышленности. Также служит сырьем для получения глюкозы, спирта. Применяется для изготовления клея, пластмасс. Кроме того, используется и в текстильной промышленностиПолучают из клубней картофеля, а также из семян кукурузы, рисовой сечки, пшеницы и других богатых крахмалом растений
ЦеллюлозаИспользуется в целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности: из нее изготавливают картон, бумагу, вискозу. Производные целлюлозы (нитро-, метил-, ацетилцеллюлоза и др.) находят широкое применение в химической промышленности. Из них же производят синтетические волокна и ткани, искусственную кожу, краски, лаки, пластмассы, взрывчатку и многое другоеДобывают это вещество из древесины, в основном хвойных растений. Также есть возможность получения целлюлозы из конопли и хлопка
ДекстринЯвляется пищевой добавкой Е1400. Также применяется при изготовлении клеящих веществПолучают из крахмала путем термической обработки
Агар-агарЭто вещество и его производные применяют в качестве стабилизаторов при изготовлении продуктов питания (например, мороженого и мармелада), лаков, красокДобывают из бурых водорослей, так как он является одним из компонентов их клеточной оболочки

Теперь вы знаете, что такое полисахариды, для чего они используются, какова их роль в организме, какими физическими и химическими свойствами они обладают.


Источник: fb.ru

Биологическая роль полисахаридов.

Крахмал. На его долю в пищевом рационе прихо­дится около 80% общего количества потребляемых углеводов. Крахмал в организме человека является основным источником глюкозы. Крахмал составляет основную часть углеводов хлеба и хлебобулочных изделий, муки, различных круп, картофеля.

Гликоген является резервным углеводом живот­ных тканей. Избыток углеводов, поступающих с пи­щей, превращается в гликоген, который откладыва­ется в печени, образуя депо углеводов, используемых для различных физиологических функций — важная роль в регуляции уровня сахара в крови. Общее со­держание гликогена около 500 г. Если углеводы с пищей не поступают, то запасы его исчерпываются через 12-18 часов. В связи с истощением резервов углеводов усиливаются процессы окисления жирных кислот. Обеднение печени гликогеном ведет к возник­новению жировой инфильтрации, а далее- к жиро­вой дистрофии печени.

Источники гликогена: печень, мясо, рыба.

Пектиновые вещества. Различают пектины и протопектины.

Протопектин- соединение пектина с целлюло­зой. Он содержится в клеточных стенках растений, в воде нерастворим. Жесткость незрелых плодов объ­ясняется значительным содержанием в них протопек­тина. В процессе созревания протопектин расщепля­ется и плоды становятся мягкими, одновременно они обогащаются пектином.

Пектин является составной частью клеточного сока и отличается хорошей усвояемостью. Пектино­вые вещества обладают свойством тормозить деятель­ность гнилостной микрофлоры кишечника. Пектин используется в лечебно-профилактическом питании для лиц, работающих со свинцом и другими токсичес­кими веществами.

Пектиновые вещества содержатся в абрикосах, апельсинах, вишне, сливе, яблоках, груше, айве, тык­ве, моркови, редисе.

Клетчатка (целлюлоза) образует оболочки кле­ток и является опорным веществом. Важная роль клет­чатки в качестве стимулятора перистальтики кишеч­ника, адсорбента стеринов, в том числе холестерина, препятствует обратному их всасыванию и выведению из организма. Клетчатка играет роль в нормализации состава микрофлоры кишечника, в уменьшении гнилостных процессов, препятствует всасыванию ядови­тых веществ.

Клетчатка содержится: в картофеле (1 %), плодах и фруктах (0,5-1,3%), овощах (0,7-2,8%), гречневой крупе (2%).

Потребность углеводов в среднем равна 400-500 г/сутки, что составляет по отношению к белкам и жирам 1:1:4(для детей) и 1:1,25:5 (для взрослых). При этом в общем количестве углеводов на крахмал должно приходиться 350-400 г, на моно- и дисахари-ды — 50-100 г, на пищевые балластные вещества (цел­люлозу и пектиновые вещества) -25 г.

Неумеренное потребление сахара способствует развитию кариеса зубов, нарушению нормального соотношения возбудительных и тормозных процессов в НС, поддерживает воспалительные процессы, спо­собствует аллергизации организма.

Необходимо ограничивать углеводы при следую­щих заболеваниях: сахарном диабете; ожирении; аллергиях, заболеваниях кожи; воспалительных процессах.

3 Вредные примеси в воздухе корабельных помещений.

4 Г треб-я к палате платной секции.

23.2 Химический контроль и экспертиза воды производится с помощью прибора МПХР (ПХР-МВ), а в санитарно-эпидемиологических учреждениях – с помощью полевой лаборатории МПХЛ. Радиационный контроль осуществляют с помощью прибора ДП-5В, а санитарно-радиологическую экспертизу – с помощью прибора ИМД-12.

Химическое заражение водоисточников возможно с помощью химических средств нападения (бомбы, снаряды, ракеты и т.п.), диверсионным путем, а также за счет попадания в них вод, стекающих с зараженной территории. Не исключено применение противником в целях морального воздействия так называемых денатурирующих веществ, которые в эффективных дозах не ядовиты, но могут делать воду непригодной для питья, придавая ей неприятный вкус и запах.

Степень зараженности воды зависит от ряда факторов, главными из которых являются химическая природа и физическое состояние ОВ, гидролитическая устойчивость, количество яда, попавшего в водоем, характер водоснабжения.

Заражение открытых водоемов отравляющими и высокотоксичными веществами возможно при их применении в капельно-жидком и аэрозольном состоянии. Химическое заражение происходит при непосредственном попадании ОВ в источник воды, а также с дождевыми и талыми водами. Небольшие непроточные водоемы (озера, пруды, особенно колодцы) могут быть заражены ОВ на срок, исчисляемый неделями и месяцами, а заражение крупных и быстротекущих рек опасными концентрациями этих веществ практически не осуществимо. Вода в трубчатых и хорошо закрытых шахтных колодцах глубиной не менее 5-6 м практически остается незараженной, однако при значительных плотностях заражения местности ФОВ, а также при подозрении на диверсионные акции эти источники воды подлежат контролю на зараженность.

Химические вещества, гидролиз которых протекает с образованием нетоксичных продуктов (фосген, дифосген), практически не вызывают заражения воды. Трудно гидролизуемые ОВ, например, вещества типа Vx, дают устойчивое и длительное заражение. Зоман и зарин быстро и полностью растворяются в воде, сохраняясь, как и Vx, в водных растворах летом, весной и осенью неделями, а зимой – месяцами. Сернистый иприт в воде летом сохраняется около 1 ч, весной и осенью – 4-6 ч, зимой – 14-16 ч. Азотистый иприт и его соли могут сохраняться в воде более длительное время.

Плотность заражения пищевых продуктов зависит от физико-химических свойств, агрегатного состояния ОВ в момент контакта с пищевым продуктом, характера упаковки, длительности воздействия токсиканта и свойств конкретного продукта.

Отравляющие и высокотоксичные вещества могут заражать пищевые продукты в капельно-жидком, аэрозольном и парообразном состоянии. Капельно-жидкое заражение продовольствия возможно при разрыве химического боеприпаса вблизи места хранения продуктов, а также при разбрызгивании ОВ с помощью выливных авиационных приборов. Заражение продуктов питания парами и аэрозолями ОВ возможно при хранении их в складских помещениях и упаковках, проницаемых для аэрозолей и паров отравляющих веществ, как вблизи разрыва химического боеприпаса, так и на значительном удалении вследствие движения облака по направлению ветра. Не исключена возможность заражения запасов продовольствия диверсионным путем.

Отравляющие и высокотоксичные вещества хорошо сорбируются пищевыми продуктами и длительное время сохраняются в них. Особенно большую опасность представляют стойкие ОВ (Vx, зоман, иприт), которые могут вызывать опасное заражение пищевых продуктов на несколько суток, недель и даже месяцев. Нестойкие ОВ типа фосгена в силу своей летучести сохраняются в пищевых продуктах недлительное время, однако такие продукты для немедленного использования могут оказаться непригодными. Большую опасность представляют продукты питания, зараженные жидкой синильной кислотой, в связи с образованием нелетучих солей синильной кислоты. Хлорацетофенон, бромбензилцианид и другие раздражающие вещества, включая и мышьяксодержащие, при воздействии на продукты питания долго оставляют в них свой неприятный запах, но не вызывают опасного заражения. Сернистый иприт в парообразном, туманообразном и капельно-жидком виде вызывает весьма устойчивое заражение пищевых продуктов, особенно жиросодержащих. Пары иприта проникают в зерно и крупы на глубину до 10 см, в муку – до 6 см, в твердые продукты (мясо, рыба, хлеб) – на 1-2 см. В жирах и маслах капельно-жидкий иприт, а также его аэрозоли в силу своей липофильности растворяются очень быстро, постепенно распространяясь по всей массе.

Стеклянная и металлическая тара полностью защищает от ОВ продукты, хранящиеся в ней (бидоны, бочки, консервные банки), а также в герметично закрытых емкостях (термосы, бидоны). Упаковка из картона и бумаги, полиэтиленовые мешки, деревянные и фанерные ящики не защищают продукты от ОВ. В незащищенные сыпучие пищевые продукты (крупа, мука, зерно и др.) ОВ в зависимости от агрегатного состояния проникают на глубину 1-7 см, в толщу мяса – на 2-5 см, в овощи – на 0,5-2 см, а в жиросодержащих продуктах очень быстро растворяются и заражают всю их массу. В ранние сроки после воздействия ОВ на незатаренное продовольствие и продукты в наибольшей степени заражаются поверхностные слои. С течением времени зараженность этих слоев снижается, а более глубоких возрастает, в связи с чем, необходимо избегать перемешивания поверхностных слоев с глубокими, так как это ухудшает условия для десорбции отравляющего вещества и увеличивает время сохранения его в продукте.

Заражение воды и продовольствия радиоактивными веществами возможно при выпадении радиоактивных осадков ядерного взрыва и при действиях на радиоактивно-зараженной местности, а также при совершении диверсионных или террористических актов. Наиболее опасно заражение открытых водоемов и незатаренного продовольствия. В воде и жидких пищевых продуктах радиоактивные вещества растворяются, заражая их на всю глубину, а в твердых и сыпучих пищевых продуктах чаще всего происходит заражение лишь поверхностных слоев.

5. Высшие полисахариды и их свойства

Молекулы высших полисахаридов состоят из сотен и тысяч остатков молекул моносахаридов. В группу полисахаридов входят гексозаны (С6Н10О5)n, образованные остатками гексоз, и пентозаны (С5Н8О4)n , образованные остатками пентоз. К гексозанам относятся крахмал, гликоген, инулин, целлюлоза, галактан, маннан, к пектозанам - арабан и ксилан. Полисахариды галактан, маннан, арабан и ксилан объединяются в группу гемицеллюлоз. Эти полисахариды можно рассматривать как ангидриды моносахаридов, построенных из остатков одного какого-либо моносахарида (гомополисахариды), или остатков различных моносахаридов и их производных (гетерополисахариды). Остатки моносахаридов связаны между собой гликозидными связями в длинные разветвленные или неразветвленные цепи. Все несахароподобные полисахариды гидролизуются кислотами до моносахаридов.

Высшие полисахариды, или полисахариды второго порядка встречаются преимущественно в растениях. Некоторые из них (целлюлоза, гемицеллюлозы, протопектин) образуют в растениях опорные ткани, и как правило, являются неусваиваемыми, хотя очень важными, как пищевые волокна, в нормальной жизнедеятельности человеческого организма. Другие полисахариды (крахмал, инулин) служат в растениях запасными веществами. Полисахариды гликоген, называемый животным крахмалом в организме человека и животных является запасным веществом, а хитин у некоторых насекомых служит структурным компонентом. Полисахариды, присутствующие в пищевых продуктах, выполняют важную роль в обеспечении их качества и структуры – твердости, хрупкости, плотности, загустевания, вязкости, липкости, или гелеобразующей способности. Именно благодаря полисахаридам образуется в большинстве случаев структура пищевого продукта – мягкая или хрупкая. Набухшая или гелеобразная.

Крахмал 6Н10О5)n - белый порошок, напоминающий муку. Он является важным компонентом пищевых продуктов, выполняя роль загустителя и связывающего агента. В одних случаях он присутствует в сырье, которое перерабатывают в пищевые продукты (например, в хлебобулочные изделия), в других случаях его добавляют для придания продукту тех или иных свойств. В различных пищевых продуктах крахмал содержится в различных количествах, например, в картофеле - 12-24 %, в горохе - 42-60 %, в муке - 63-68 %, в рисе - 70-76 %, в кукурузе - 75 %, в пшенице - 70 %, ржи – 65 %. Овощи содержат крахмала немного. Крахмал содержится в несозревших плодах, при дозревании плодов он переходит в сахар. В пищевом рационе человека из всех углеводов на долю крахмала приходится 80 %.

Крахмал накапливается в растениях в виде отдельных зерен, и откладывается в качестве запасного питательного вещества в клубнях, корнях, плодах и других частях растений. В клубнях картофеля крахмальные зерна плавают в клеточном соке, в крупах и бобовых они заполняют клетки, располагаясь среди алейроновых зерен и частиц высохшей протоплазмы.

Зерна крахмала, в виде которых он содержится в растениях, имеют своеобразную, характерную для каждого продукта форму. Различные виды крахмала представляют собой смесь крахмальных зерен различной величины, которая колеблется в широких пределах, например, у картофельного крахмала от 3 до 100 мкм - это самый крупный крахмал; самый мелкий - у риса.

У большинства крахмалосодержащих продуктов крахмальные зерна состоят из двух полисахаридов: амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%) и небольшого количества сопутствующих им веществ - фосфорной, кремниевой и жирных кислот. Молекулярная масса амилозы в зависимости от вида растений и находится в пределах от 105 до 106. Амилопектин имеет молекулярную массу обычно выше 107.

Амилоза и амилопектин представляют собой высокомолекулярные соединения, отличающиеся размером и строением молекул. Молекула амилозы состоит из большого числа остатков глюкозы, последовательно соединенных в нераз-ветвленную сеть посредством -1,4-гликозидных связей. Число остатков в зависимости от источника сырья варьирует от 200 до 10 тыс.

Существует два типа амилоз:

а) с относительно низкой степенью полимеризации (порядка 2000), которая полностью расщепляется -амилазой.

б) с большой степенью полимеризации (свыше 6000), расщепляемость которой составляет 60 %.

Амилоза дает с йодом характерную синюю окраску.

Низкополимерная часть амилозы (так называемая легкая амилоза) способна растворяться в холодной воде, а более тяжелая - в горячей с образованием слабовязких растворов. В растворе цепочки амилозы находятся в форме деформированных спиралей с содержанием шести остатков глюкозы в витке. Такая форма соответствует состоянию с наименьшей энергией. Растворимость амилозы небольшая, даже для легкой амилозы трудно получить раствор 1 % концентрации. Растворы амилозы мало устойчивы, при хранении амилоза довольно быстро выпадает в осадок ( явление ретроградации). Явление ретроградации обусловлено тем, что длинные нитевидные молекулы амилозы ориентируются параллельно друг другу и между ними возникают дополнительные водородные связи.

Другая особенность амилозы - это ее способность к повышенной растворимости при смешивании с веществами, состоящими из коротких и разветвленных цепочек. Считается, что в хорошем растворителе цепи амилозы принимают форму неправильной (деформированной) спирали, в плохом - двойной спирали.

Молекула амилопектина имеет вид сильноразветвленной цепи, в которой глюкозные остатки соединены так же, как и в молекуле амилозы, а глюкозные остатки в точках ветвления присоединяются за счет -1,6-гликозидных связей, т.е. первый атом одного глюкозного остатка связан с шестым атомом другого глюкозного остатка с помощью -гликозидной связи. Степень полимеризации составляет примерно 1 млн., длина ответвлений в его молекуле от 20 до 30 глюкозных остатков.

Строение молекул амилозы (А) и амилопектина (Б)

Амилопектин дает с йодом характерную красно-фиолетовую окраску. Коллоидные растворы амилопектина, которые могут образовываться в горячей воде, вязкие и очень устойчивы, тенденция к ретроградации в них отсутствует. Устойчивость проб амилопектина объясняют тем, что разветвленная его молекула создает больше возможностей для образования водородных связей между молекулами растворителя (воды) и группами ОН глюкозных остатков. А в молекулах амилозы группы ОН участвуют в образовании водородных связей преимущественно внутри спирали.

Содержание амилозы и амилопектина в зернах крахмала разного происхождения неодинаково (таблица 2).

Таблица 2

Наименование крахмала

Содержание, %

амилозы

амилопектина

Крахмал картофельный

19-22

78-81

Крахмал пшеницы

22-24

76-78

Крахмал кукурузы

21-22

78-79

Крахмал риса

16-17

83-84

Если рассматривать крахмальные зерна в поляризованном микроскопе, обнаруживается светлые и темные поля в виде «мальтийского креста», что указывает на определенную упорядоченность (кристалличность) структуры. Крахмальное зерно – биологическое образование с хорошо организованной формой и структурой. Обычно крахмальные зерна состоят из примерно одинаковых частей кристаллических и аморфных, или гелеподобных, участков. Оно содержит в центральной части ядро, называемое зародышем или «точкой роста», вокруг которого видны ряды концентрических слоев - «конец роста». Толщина слоев крахмальных зерен составляет приблизительно 0,1 мм. Эти слои включают радиально расположенные кристаллы амилопектина и амилозы. Наружная часть каждого слоя содержит в основном высокомолекулярные амилозу и амилопектин, тогда как внутренняя (центральная) часть – главным образом низкомолекулярную амилозу. В нативных крахмальных зернах полиглюкозидные цепи амилозы и амилопектина образуют спирали или складки с 6-10 глюкозиными остатками на каждом витке спирали. Полисахариды в крахмальном зерне связаны между собой главным образом водородными связями.

При кислотном или ферментативном гидролизе с помощью фермента амилазы, которого много в проросшем зерне и соке поджелудочной железы, а также птиалина слюны крахмал превращается в мальтозу, конечным продуктом гидролиза является глюкоза.

На первом этапе кислотного гидролиза под действием кислот сначала имеет место ослабление и разрыв связей между макромолекулами амилозы и амилопектина. Это сопровождается нарушением структуры крахмальных зерен и образованием гомогенной массы, получается растворимый крахмал, уже не образующий клейстера, но еще дающий синее окрашивание с йодом. Дальнейший гидролиз крахмала за счет разрыва -1,4- и -1,6- связей с присоединением по месту разрыва воды приводит к нарастанию числа свободных альдегидных групп, увеличению восстанавливающих свойств продуктов гидролиза крахмала, и уменьшению степени полимеризации. При этом образуются декстрины, представляющие собой полисахариды с более короткими цепями, чем у крахмала. Декстрины мало отличаются от крахмала. В зависимости от молекулярной массы (от большего к меньшему) и свойств они делятся на амило-, эритро-, ахро- и мальтодекстрин. Амилодекстрин по своим свойствам близок к крахмалу, йодом окрашивается в сине-фиолетовый цвет, растворяется в горячей воде, эритродекстрин дает с йодом красно-бурое окрашивание, растворяется в холодной воде. Ахро- и мальтодекстрины йодом не окрашиваются, растворяются в холодной воде. Мальтодекстрины мало чем отличаются от мальтозы. Декстрины в силу разрыва связей превращаются в мальтозу, а затем в глюкозу.

Ступенчатый гидролиз крахмала модно представить следующей схемой:

6Н10О5)x – (С6Н10О5)y – (С6Н10О5)z – С12Н22О11 – С6Н12О6

крахмал растворимый декстрины мальтоза глюкоза

крахмал

Кислотный гидролиз крахмала лежит в основе производства патоки, которая представляет собой продукт неполного гидролиза крахмала и состоит из декстринов, мальтозы и глюкозы.

В промышленности крахмал получают из картофеля и зерен хлебных злаков. Его используют в производстве патоки, колбасных и кондитерских изделий, спиртов, глицерина, молочной и лимонной кислот, в кулинарии. Из крахмала получают глюкозу, а также глюкозно-фруктозный сироп, содержащий 55 % глюкозы и 42 % фруктозы. Для его производства крахмал ферментативным гидролизом превращают в глюкозу, а затем часть глюкозы во фруктозу. Глюкозно-фруктозный сироп по сладости не уступает инвертному сахару, отличается меньшей стоимостью по сравнению со свекловичным сахаром.

Гликоген6Н10О5)n(животный крахмал) накапливается в животных тканях, особенно в печени (до 10 %) и мышцах (до 4 %), как резервный материал, который используется организмом при работе. Много гликогена в дрожжах, грибах и моллюсках.

Строение молекулы гликогена сходно со строением амилопектина крахмала, но молекула представляет собой более сильно разветвленную цепь, состоящую примерно из 30000 остатков глюкозы, с молекулярной массой от 400000 до 10000000. Гликоген растворим в горячей воде, он образует коллоидный опалесцирующий раствор, йодом окрашивается в буро-коричневый цвет. Под действием ферментов и кислот он превращается в декстрины, затем в мальтозу и, наконец, в глюкозу.

По внешнему виду – белый аморфный порошок, растворяющийся в воде.

Строение молекул гликогена (В)

Ферментативное превращение гликогена в мышцах мяса после убоя животного проходит через стадию образования фосфорсодержащих органических соединений и глюкозы, которая превращается в молочную кислоту. Это, наряду с другими ферментативными процессами, имеет большое значение для созревания мяса: мясо приобретает новые физико-химические свойства и становится пригодным для производства качественной продукции.

Инулин6Н10О5)nнаходится в корнях цикория (до 10 %), топинамбура (до 18 %), молекула состоит из 35-42 остатков фруктозы. Инулин – это бесцветный порошок, с йодом окраски не дает, легко растворяется в теплой воде, образуя коллоидные растворы, не обладает восстанавливающими свойствами, под действием фермента инулазы и кислоты превращается во фруктозу. Инулин легко усваивается организмом человека, в медицине используется как заменитель сахара и крахмала для диабетиков.

Фруктозаны, имеющие строение инулина, содержатся во многих растительных продуктах, в спарже - фруктозан аспарагозин; ржи - граминин, морском луке - синистрин.

Клетчатка (целлюлоза)6Н10О5)n широко распространена в растениях, составляет основную массу органического вещества и является главной структурной частью клеточных стенок растений. Содержание клетчатки в древесине достигает 50-70 %, а в хлопке - 90 %. Пищевые продукты содержат мало клетчатки. В зерне пшеницы и ржи - от 1,7 до 2,5 %, в крупе манной, макаронных изделиях, рисе - 0,2-0,4 %, в плодах - 0,5-1,3 %, в овощах - 0,7-2,8 %, в картофеле - 0,7-1 %.

Молекулы клетчатки состоят из 1800-36000 остатков глюкозы, соединенных -1,4-гликозидной связью, они имеют вытянутую нитевидную форму, обычно располагаются параллельно друг другу. Молекулы клетчатки соединяются в пучки, называемые мицеллами. Мицеллы объединены в волокна большим количеством водородных связей, поэтому клетчатка обладает большой механической прочностью.

Клетчатка не растворяется в воде, органических растворителях, слабых кислотах и щелочах, с раствором йода окрашивания не дает, не обладает восстанавливающими свойствами. При гидролизе клетчатки концентрированными кислотами (при кипячении в течение длительного времени) и ферментом целлюлазой (широко распространенным у микроорганизмов) образуется глюкоза. Этот процесс осахаривания целлюлозы используется при производстве спирта из древесных остатков (гидролизный спирт).

При гидролизе теми же кислотами, но более слабой концентрации продуктом гидролиза оказывается дисахарид целлобиоза.

В пищеварительном тракте человека не вырабатываются ферменты, гидролизующие клетчатку. Однако многие микроорганизмы вырабатывают весьма активные ферменты, расщепляющие клетчатку до простейших составных частей. Такие микроорганизмы широко встречаются в природе, особенно они активны в кишечнике животных. Благодаря этим микроорганизмам многие животные легко усваивают клетчатку. В кишечнике человека также находятся в небольшом количестве бактерии, которые выделяют фермент целлюлазу, частично расщепляющую нежную клетчатку картофеля, капусты, шпината, щавеля, салата и других продуктов до усвояемых организмов соединений. Клетчатка оболочек зерновых культур устойчива против целлюлаз и в желудочно-кишечном тракте человека не подвергается гидролизу.

Клетчатка усиливает перистальтику кишечника и тем самым способствует прохождению пищевых масс через кишечный тракт. Она обладает свойством выводить из организма холестерин, в результате чего у человека задерживается развитие атеросклероза.

Гемицеллюлозы (полуклетчатка) входят в состав растительных клеток и объединяют большую группу высокомолекулярных полисахаридов (маннаны, галактаны, ксиланы, арабаны), содержащие в боковых цепях арабинозу, глюкозу и т.д. В растениях гемицелюзы, как правило, сопутствуют клетчатке и лигнину, причем ксиланы и маннаны прочно адсорбируются на поверхности клетчатки.

Гемицеллюлозы нерастворимы в воде, но растворимы в слабых растворах щелочей и легко гидролизуются под влиянием слабых кислот. В зависимости от входящего в их состав моносахарида гемицеллюлозы называют гексозанами - галактан, маннан - и пентозанами - ксилан и арабан. При гидролизе кислотами маннаны, галактаны, ксиланы, арабаны образуют соответственно галактозу, маннозу, ксилозу и арабинозу.

В растениях гемицеллюлозы выполняют роль строительного материала (пентозаны) и способствуют созданию запаса питательных веществ (гексозаны). Гемицеллюлозы находятся в семенах, орехах, кожице плодов и овощей, оболочках зерна, древесине.

Они находятся в плодах и ягодах (0,5-3,0 %), зерне пшеницы (7-8%), ячмене и просе (10-11%). Пентоназами богаты отруби (16,6%), просо (6,4%), некоторые овощи (до 3,1 %). Пентозаны пищевого значения не имеют, т.к. в кишечнике человека отсутствуют ферменты, катализирующие их гидролиз.

Мукополисахариды образуют стенки клеток тканей животных, соединяют клетки друг с другом, входят в состав межклеточного вещества соединительной ткани. Их молекулы построены из большого числа остатков моносахаридов и азотсодержащих моносахаридов.

Пектиновые вещества. Под термином пектиновые вещества подразумеваются пектовая кислота, пектиновая кислота, пектин и протопектин. Это высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от 10 тысяч до нескольких сотен тысяч, состоят в основном из остатков D-галактуроновой кислоты, связанных -1,4 гликозидными связями. (Галактуроновая кислота С6Н10О7 является продуктом окисления глюкозы).

Пектиновые вещества широко распространены в растениях – плодах, ягодах, овощах, листьях и т.д. общее содержание пектиновых веществ составляет (в %): в абрикосах – 0,5-1,2; в вишне – 0,4-0,8; в крыжовнике - 0,3-1,4; яблоках – 0,3-1,5; в моркови – 0,3-0,5; в тыкве - 0,5-0,6. Пектиновые веществ играют очень важную роль в качестве регулятора водного обмена в растениях. Обладая большой гидрофильностью, способностью к набуханию и образовывая коллоидные растворы, они затрудняют испарение влаги из тканей растений и отдельных их органов. Пектиновым веществам обычно сопутствуют полисахариды: галактаны, построенные из остатков молекул галактозы, и арабаны, построеные из остатков арабинозы.

Макромолекула пектовой кислоты представляет собой остатки галактуроновой кислоты, соединенных между собой -1,4 гликозидными связями. Молекулярная масса - 25000 - 200000. Пектовая кислота и ее Са соль (пектат) нерастворимы в воде, находятся в растительных продуктах в малых количествах.

Пектиновая кислота - полигалактуроновая кислота, часть карбоксильных групп которой этерифицирована метиловым спиртом.

Пектины - пектиновые кислоты, карбоксильные группы которых в различной степени метоксилированы и нейтрализованы. Пектины плодов и овощей различаются количеством остатков галактуроновой кислоты и степенью метоксилирования ее карбоксильных групп (разное количество карбоксильных групп заменено на метильные). Молекулярная масса пектина 20000 - 100000.

В чистом виде пектин представляет собой порошкообразный продукт. от белого до светло-серого цвета Может иметь и другие оттенки. В воде образует коллоидный раствор, из раствора осаждается спиртом, эфиром, бензином, ацетоном в виде студенистой массы. В молекуле пектина есть свободные карбоксильные группы, поэтому он легко образует соли металлов, называемые пектинатами.

Пектины находятся в клеточном соке плодов и овощей. Ценными свойствами пектина является его способность в присутствии определенного количества сахара и кислоты образовывать студни (желе). Желирующая способность пектина зависит от его происхождения, молекулярной массы, степени метоксилирования. С повышением молекулярной массы возрастает желирующая способность пектина. Высокой желирующей способностью обладают пектины абрикосов, яблок, черной смородины. При деполимеризации желирующая способность пектина понижается. Этот процесс происходит при перезревании и гниении плодов.

От степени метоксилирования молекулы пектина зависит количество сахара и кислоты, необходимое для образования желе. Высокометоксилированные пектины (из кожуры цитрусовых, яблочных выжимок, из которых в промышленности получают пектины) обладают свойством образовывать студни при концентрации сахара более 55 %. Низкометоксилированные пектины образуют студни при пониженном содержании сахара в присутствии солей Са.

Свойство пектина образовывать студни широко распространено в кондитерской промышленности для производства желе, варенья, джема, мармелада, пастилы, зефира, карамельных начинок.

Под действием фермента пектаза или слабой щелочи пектин расщепляется на метиловый спирт и пектовую кислоту, которая не способна образовывать студни.

Протопектин - высокомолекулярное нерастворимое в воде соединение, в котором молекулы пектина связаны между собой поперечными связями. Химическое строение протопектина окончательно не установлено из-за трудности его извлечения. Протопектин находится в стенках клеток между фибриллами клетчатки и в срединных пластинках, склеивающих клетки друг с другом. Протопектин связан с гемицеллюлозой и клетчаткой и образует комплексы, он обуславливает твердость тканей плодов и овощей. Протопектин переходит в пектин под действием протопектиназы, а также при нагревании с разбавленными кислотами и щелочами.

Процесс созревания плодов и овощей тесно связан с превращением пектиновых веществ. При переходе протопектина в пектин ткани плодов и овощей становятся мягче и нежнее. Этим же объясняется разваривание плодов и овощей при технологической обработке.

Пектиновые вещества нежелательны при производстве соков, плодово-ягодных вин, ликеров, наливок, т.к. ухудшают фильтруемость, при хранении выпадают в осадок, вызывают помутнение соков и напитков. Для удаления пектиновых веществ, например, из фруктового сока используют пектолитические ферменты. В организме человека пектиновые вещества подавляют гнилостные процессы в кишечнике и активность вредных микроорганизмов, связывают токсичные металлы (свинец, ртуть), образуя нерастворимые соединения, которые удаляются из организма. Продукты, богатые пектином, применяют для профилактики профзаболеваний.

Гликозиды - соединения, в которых моно-, ди-, трисахариды через гликозидный гидроксид соединяются со спиртами, кислотами, фенолами, альдегидами, флавонами, пуриновыми основаниями, другими веществами. Гликозиды - это сложные эфирообразные соединения. Неуглеводная часть гликозида называется агликоном.

Гликозиды в чистом виде - кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и спирте. Большинство их гидролизуется кислотами, а в организме человека - ферментами.

Гликозиды находятся в продуктах растительного и животного происхождения, являются физиологически важными веществами. Некоторые из них участвуют в образовании вкуса, аромата и цвета продуктов или выполняют роль запасных веществ. Ряд гликозидов является сильными пенообразователями или стабилизаторами.

Производные глюкозы называются глюкозидами. К ним относятся амигдалин, который содержится в ядрах горького миндаля, слив, яблок, гесперидин и нарингин, которые содержатся в кожице цитрусовых и придают им горький вкус, соланины, которые содержатся в картофеле, томатах, баклажанах и в больших дозах ядовиты для организма человека, синигрин, который находится в семенах горчицы и хрене и обусловливают их острый вкус и запах, капсаицин, который придает перцу жгучий вкус.

К гликозидам относятся гидролизуемые дубильные вещества, а также красящие вещества группы флавоновых пигментов и антоцианов, в которых сахарным компонентом может быть глюкоза, рамноза, галактоза, иногда пентозы или дисахариды. К глюказидам относятся и нуклеиновые кислоты.

К полисахаридам высшего порядка относятся также:

Декстраны, которые играют роль резервных полисахаридов у дрожжей и бактерий, представляют собой полисахариды с разветвленными цепями, состоящими из остатков глюкопиранозы, связанных -1,6 связями, а в точках ветвлений - 1,2, 1,3 или 1,4 связями.

Хитин, который входит в состав кутикулы или наружного скелета членистоногих , а также клеточных оболочек грибов и выполняет опорную или защитную функцию. Он обычно связан с белками, неорганическими солями, липидами, пигментами. По своей структуре хитин представляет собой линейный полимер, состоящий из остатков ацетилглюкозамина, соединенных 1,4 гликозидными связями.

Лихенин – полисахарид лишайников, состоящий из остатков глюкозы, связанных на 73 % -1,4 гликозидными связями и на 27 % - -1,3 гликозидными связями. Лихнин хорошо усваивается северными оленями.

Агар-агар – высокомолекулярный полисахарид, содержащийся в некоторых морских водорослях. Агар-агар растворяется в воде при нагревании, водные растворы его застывают в виде геля, поэтому он широко используется в микробиологии в качестве питательных сред и в кондитерской промышленности как студнеобразователь.

6.3. Полисахариды

В природе большинство углеводов представляют собой полимеры с высокой молекулярной массой.

Полисахариды биополимеры, молекулы которых состоят из остатков моносахаридов, связанных гликозидными связями.

6.3.1. Классификация полисахаридов

Классификацию полисахаридов проводят:

1) по функциям, которые полисахариды выполняют в организме: различают структурные и резервные полисахариды;

2) по составу мономерных звеньев: различают гомополисахариды и гетерополисахариды.

Гомополисахариды характеризуются наличием в составе молекулы только одного вида моносахарида в качестве мономерного звена, хотя типы связей гликозидной связи между звеньями при этом могут быть различными.

Гетерополисахариды характеризуются наличием двух или более типов мономерных звеньев.

3) В отличие от других классов биополимеров полисахариды могут существовать как в виде линейных, так и разветвлённых структур.

4) Молекулярные массы полисахаридов лежат в пределах от нескольких тыс. до нескольких млн. дальтон и могут быть определены лишь приблизительно.

6.3.2. Структурные полисахариды

Целлюлоза – наиболее распространённый в природе растительный структурный полисахарид. Она обладает большой механической прочностью и исполняет роль опорного материала растений.

Древесина содержит 50-70% целлюлозы, хлопок представляет собой почти чистую целлюлозу.

Структурной единицей целлюлозы является β-D-глюкоза, звенья которой связаны β(1→4)-гликозидными связями:

Рис. 6.11. Остаток β-D-глюкозы - мономерного элемента структурной формулы целлюлозы

Целлюлоза состоит из нитевидных молекул, которые водородными связями гидроксильных групп внутри цепи, а также между соседними цепями собраны в пучки.

Именно такая упаковка цепей обеспечивает высокую механическую прочность, волокнистость, нерастворимость в воде и химическую инертность, что делает целлюлозу идеальным материалом для построения клеточных стенок.

В организме позвоночных нет фермента, способного гидролизовать β(1→4)-гликозидные связи. Следовательно, D-глюкозные остатки целлюлозы не могут служить пищей для большинства высших организмов.

6.3.3. Резервные полисахариды

Основным резервным полисахаридом в клетках растений является крахмал. Крахмал образуется в растениях при фотосинтезе и откладывается в виде "резервного" углевода в корнях, клубнях и семенах.

Например, зерна риса, пшеницы, ржи и других злаков содержат 60-80% крахмала, клубни картофеля15-20%.

Родственную роль в животном мире выполняет полисахарид гликоген, "запасающийся", в основном, в печени.

Крахмал – это белый порошок, состоящий из мелких зерен, не растворимый в холодной воде. При обработке крахмала теплой водой удается выделить две фракции:

- фракцию, растворимую в теплой воде и состоящую из полисахарида амилозы;

- фракцию, лишь набухающую в теплой воде с образованием клейстера и состоящую из полисахарида амилопектина.

Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов, построенных из α-D- глюкозных звеньев:

- амилозы (10-20%)

- амилопектина (80-90%).

Структура молекулы амилозы представляет собой линейную цепь, состоящую из остатков α-D-глюкозы, связанных α(1→4)-гликозидными связями:

Рис. 6.12. Мономерный элемент структурной формулы амилозы

Молекулярная масса a-D-амилозы колеблется от нескольких тысяч до полумиллиона.

Рис. 6.13 Фрагмент структуры амилозы

Молекула амилопектина построена аналогичным образом, однако имеет в цепи разветвления, что обусловливает возникновение пространственной структуры.

В точках разветвления остатки моносахаридов связаны α(1→6)-гликозидными связями.

Рис. 6.14. Структурный элемент молекулы амилопектина в точке ветвления

Между точками разветвления располагаются обычно 20-25 глюкозных остатков.

Рис. 6.15. Фрагмент структуры крахмала

Крахмал является ценным пищевым продуктом. Для облегчения его усвоения продукты, содержащие крахмал, подвергают термообработке, т.е. картофель и крупы варят, хлеб пекут.

Полисахариды что это такое - общая формула, физические и химические свойства

Полисахариды – это полимерные углеводы, молекулы которых построены из моносахаридных остатков, соединенных гликозидными связями. Это отдельная группа сложных высокомолекулярных углеводов, которые состоят из множества моносахаридов. Основными представителями данного класса являются два компонента – крахмал и целлюлоза. Данные вещества встречаются в природе, они входят в состав растений, овощей, фруктов, также их получают химическим путем в результате проведения многочисленных опытов и исследований. Они используются в разных областях промышленности при производстве разных изделий, вещей, одежды, продуктов и многого другого. Но все же стоит рассмотреть полную характеристику, химическое строение и другие важные особенности.

Содержание статьи

Химические свойства

Первым делом стоит рассмотреть химические свойства полисахаридов. Данные компоненты относятся к сложным высокомолекулярным углеводам, они являются полигликозидами, или, другими словами, полиацеталями. Моносахариды связываются в молекулу при помощи гликозидных связей с рядом стоящими структурными элементами цепочки. В кислотной среде под влиянием высокотемпературного режима происходит процесс гидролиза. При полном процессе образуются исходные моносахариды (возможно, их производные). При неполном – олигосахариды, включая дисахариды.

Восстановительные свойства у данного класса углеводов достаточно слабые. Они устойчивы к воздействию щелочей. Вещества обладают уникальной способностью, которую применяют для получения сложных эфиров. Среди основных представителей класса полисахаридов можно выделить крахмал, целлюлозу (клетчатку), гликоген. Общая формула полисахаридов, которая применяется для обозначения данных компонентов – (С6Н10О5)n.

 

Полисахариды являются распространенной группой веществ, которые имеют природное происхождение. Вырабатываются они растениями и в тканях человека, животных. Это указывает на их активное участие в обменных процессах.

Физические свойства

Полисахариды имеют важные физические свойства, которые стоит внимательно изучить. Большинство компонентов, которые относятся к этому классу, имеют форму порошка, окраска у них белая. Они обладают огромной молекулярной массой, которая может составлять от двух и более миллионов.

ВидеоВидео

Крахмал и целлюлоза имеют вид разветвленных молекул. Они набухают, но не способны растворяться в холодной воде. В отличие от них амилозы (молекулы линейного вида) способны легко растворяться в нейтральной водной среде.

Видео

Функции в организме (таблица)

Что такое полисахариды мы рассмотрели, но теперь стоит выяснить, какое значение углеводы имеют для организма человека. Ниже имеется таблица с основными функциями данных элементов.

Основные функцииПримеры полисахаридовОсновные качества
ЭнергетическиеКрахмал и гликогенГлавное назначение данных компонентов состоит в накоплении углеводов, они насыщают организм глюкозой (источником энергии)
ЗапасающиеГликоген, крахмалВещества представляют важное значение для организма, благодаря им создаются длительные энергетические запасы, которые накапливаются в структуре жировых тканей. Формирование происходит в клетках мышц и в печени (частично в головном мозге и желудке)
КофакторныеГепарин и синтетические аналогиУглеводы выполняют функции кофакторов ферментативных соединений в организме. Понижают свертываемость крови
ОпорныеЦеллюлоза, хондроитинсульфатКлетчатка, или целлюлоза, является основой стеблевых образований, а в костных тканях животных содержатся хондроитинсульфаты
ГидроосмотическиеКислые гетерополисахариды (гиалуроновая кислота)Они сдерживают в клеточных структурах воду и положительно заряженные ионы, предотвращают накопление молекул жидкости в области межклеточного пространства
СтруктурныеКислые гетерополисахариды (гиалуроновая кислота)Имеются в составе межклеточного вещества, обладают цементирующими качествами
ЗащитныеКислые гетерополисахариды, (в том числе мукополисахариды)Они формируют «смазочный» слой на поверхности клеточных структур. Образуются на поверхности органов пищеварения, носовой полости, бронхов, содержатся в суставной жидкости. Защищают ткани от повреждения во время трения, сжатия или внешней вибрации

Классификация по числу и строению моносахаридных остатков

В структуре полиозов от двух до двадцати моносахаридов в двух разных формах – пиранозной или фуранозной.

ВидеоВидео

Ниже имеется таблица со структурными единицами полиозов.

Группа моносахаровМоносахара
ШестиатомныеГлюкоза
Галактоза
ПятиатомныеФруктоза
Арабиноза
Ксилоза
Уроновые кислотыГалактуроновая
Глюкуроновая
Маннуроновая

Различаются гомогликаны (они имеют другое название – гомополисахариды), они имеют в составе цепочки идентичные углеводные составляющие. И, соответственно, если звенья углеводов разные, то элемент получает название гетерополисахарида.

Название группыСоставляющие
Гомополисахариды (или гомополимеры)Крахмал
Гликоген
Клетчатка
Хитин
Декстран
Гетерополисахариды (или гетерополимеры)Хондроитин-сульфаты
Гепарин
Инулин
Пектины
Камеди
Слизи
Гиалуроновая кислота

Основные представители полисахаридов

Существуют разнообразные вещества, которые относятся к группе полисахаридов. Многие из них присутствуют в природе (в растениях, фруктах, овощах, плодах), имеются в организме человека, также их получают при проведении различных химических опытов.

Крахмал

В составе этого компонента присутствует примерно 20% амилозы и 80% амилопектина. Он относится к основному продукту жизнедеятельности организмов растительного происхождения. Наибольшее количество данного вещества наблюдается в составе зерен злаков, корней/клубней или семян.

ВидеоВидео

Элемент имеет порошкообразный вид с белой окраской. Он имеет мягкую структуру, во время растирания наблюдается характерное поскрипывание. При исследовании крахмала под микроскопом прослеживается зернообразная структура. При помещении в холодную жидкость образуется осадок. При нагревании воды и равномерном помешивании зерна набухают, затем образуется масса с киселеобразной консистенцией.

Основное качество элемента состоит в том, что он способен хорошо гидролизоваться во время нагревания в растворе h3SO4. В результате образуется α-D-глюкоза. Растительные источники крахмала – картофель (до 20%), пшеница. Для выявления крахмала в области химии применяют реакцию с йодом. Обычно образуется сине-фиолетовая окраска раствора или пятно такого же цвета.

Гликоген

Этот компонент является животным аналогом крахмала. Он имеет разветвленную структуру и похож на амилопектин, но гликоген обладает большим количеством звеньев в цепочке (до 12). Масса молекулы гликогена может быть 100 млн у. е.

ВидеоВидео

Во время проведения исследований гликоген извлекают из живых клеток при помощи горячей щелочи NaOH, а осаждение осуществляют спиртовым раствором. После этого он гидролизуется в растворе разбавленной серной кислотой.

Клетчатка (растительная целлюлоза)

Данный представитель полисахаридов обладает высокой прочностью. Именно клетчатка является основным компонентом «скелета» растений. К промышленным источникам (от 50 до 70%) относятся древесина, кукуруза, сено.  В составе молекулы имеется D-глюкопираноза, которая соединена гликозидными связями. Молекулы имеют линейную структуру, масса одной составляет до 2 млн у. е.

ВидеоВидео

Высокая прочность обеспечивается за счет присутствия водородных связей в цепочках, которые могут объединяться в виде пучка. Именно таким образом происходит формирование волокнистости. Элемент инертный, он не растворяется в нейтральных средах, не поддается влиянию ферментов пищеварительных органов. Целлюлоза применяется для многих домашних животных (коров, коней) в качестве питательного элемента.

Гепарин

Он считается аморфным элементом, который имеет порошкообразную структуру и белую окраску. В составе гепарина содержится D‑глюкозамин и D-глюкуроновая кислота, данные компоненты соединены в цепочку за счет  α-гликозидной связи. Масса молекулы гепарина составляет около 20 млн у. е. Кислый гликозаминогликан имеет в основе серу. В научных целях элемент был введен из печени. Относится к антикоагулянтам.

ВидеоВидео

Способен хорошо растворяться в воде, во время нагревания не распадается. Биологическая функция гепарина в организме человека состоит в регулировании свертываемости крови. Этот элемент снижает содержание холестерина, нормализует давление.

Пектины

Это клейкие вещества, которые активно применяются в области кулинарии в качестве кондитерской добавки. Также они имеют другое название – желирующие. Элементы имеются в составе фруктов, растительного сырья. В основном применяется порошок пектина, в редких случаях может использоваться жидкая форма.

ВидеоВидео

В организм человека пектины поступают вместе с продуктами растительного происхождения. Они производят полное очищение всех систем организма, при этом сохраняя бактериальный баланс. А также оказывают омолаживающее воздействие, нормализуют обмен веществ, улучшают состояние гемодинамики. Врачи утверждают, что использование пектиновых лекарственных средств способствует усиленному оздоровлению организма человека. Норма потребления – около 15 граммов в сутки.

Хитин

Хитин – основа скелета насекомых, представителей ракообразных, он содержится в структуре дрожжевых бактерий, разных типов грибов. Это вещество применяется для усиления вкуса и аромата продуктов, еды.

ВидеоВидео

Хитин имеет разнообразные терапевтические качества:

  • предотвращает развитие опухолевых клеточных структур;
  • защищает ткани от радиоактивного воздействия;
  • усиливает воздействие лекарственных препаратов, которые направлены на снижение свертываемости и разжижение крови;
  • повышает иммунную систему;
  • можно использовать в составе профилактической терапии инфарктов, инсультов;
  • усиливает рост бифидобактерий, запускает процесс регенерации.

Области применения полисахаридов

Еще в середине 20 века полисахариды стали широко производить для пищевой промышленности и производства лекарственных средств. Но постепенно их стали использовать в других не менее важных областях.

ВидеоВидео

Использование в области здравоохранения

Зачастую в медицинской практике полисахариды используются в качестве диагностических препаратов при обнаружении кандидозов и сальмонеллезов. Декстраны, которые вырабатываются некоторыми бактериями, являются плазмозаменителями. Сульфат декстрана заменяет гепарин как антикоагулянт. Особой популярностью пользуются препараты, которые имеют в основе хитин. Также хитин применяется при производстве наполнителей и основ различных лекарственных средств. В последнее время стали изготавливаться ферментативные лекарства с пролонгированным действием, которые имеют в составе декстраны. Гликаны являются активным компонентами, которые используются для изготовления высококачественных зубных паст.

ВидеоВидео

Применение в пищевой промышленности

Полисахариды, которые получают из бактерий, применяются для изготовления пищевых пленок. Они предотвращают высыхание продуктов, противостоят попаданию на них грязи, стабилизируют мороженую массу, соки, заправки, сиропы. Ксантин широко используется при изготовлении кисломолочной продукции. Для повышения качества хлебобулочных изделий на производстве добавляются экзополисахариды, они делают хлеб более пышным и мягким. Полисахариды имеют важное значение для биологии в целом. Они принимают участие в важных процессах, оказывают влияние на работу организмов живых существ, способствуют полноценному синтезу питательных веществ в растениях. Кроме этого, данные элементы активно применяются в разных областях промышленности, из них производят пищевые продукты, препараты, химические вещества и растворы, бумагу и другие элементы.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о