Część teoretyczna

Cukry są wielowodorotlenowymi ketonami lub aldehydami, a także związkami z których hydroksyketony i hydroksyaldehydy można otrzymać na skutek hydrolizy. Węglowodany pełnią różnorodne funkcje w organizmie (zapasowe, transportowe, budulcowe i wchodzą one w skład DNA i RNA). Nie wszystkie z nich są jednak przyswajalne przez organizm człowieka. Do cukrów przyswajalnych należy np. fruktoza i skrobia, a nieprzyswajalnym jest błonnik.

Sacharydy można podzielić na:

• cukry proste (monosacharydy, które nie ulegają hydrolizie)

• cukry złożone (disacharydy i polisacharydy -hydrolizujące).

Monosacharydy dzieli się z kolei na: ketozy i aldozy. Aldozy posiadają grupę aldehydową (np. glukoza), natomiast ketozy - grupę ketonową (np. fruktoza). Cukry proste można podzielić również ze względu na liczbę atomów węgla na: triozy mające trzy atomy węgla (np. aldehyd glicerynowy), tetrozy o czterech atomach węgla, pentozy posiadające pięć atomów węgla w cząsteczce (np. dezoksyryboza i ryboza) oraz heksozy o sześciu atomach (fruktoza i glukoza).

• Ryboza o wzorze sumarycznym C₅H₁₀O₅, jest cukrem zawierającym pięć atomów węgla w cząsteczce. Zaliczana jest do aldoz. Rozpuszcza się w etanolu oraz wodzie i jest ona białym krystalicznym ciałem stałym. Wchodzi w skład wielu ważnych biologicznie związków: witamin (witaminy B₁₂), kwasów nukleinowych (RNA), nukleotydów (ATP, AMP, ADP), dinukleotydów (FAD, NAD, NADP) i niektórych koenzymów.

• Glukoza jest aldoheksozą o wzorze C₆H₁₂O₆. Jest to cukier prosty, który występuje w formie bezbarwnych kryształów. Temperatura topnienia glukozy wynosi 140°C. Glukoza to podstawowy związek energetyczny większości organizmów. U człowieka stężenie glukozy we krwi wynosi 80-120% i jest utrzymywane na stałym poziomie w wyniku działania hormonów (insuliny oraz glukagonu). Rośliny wytwarzają glukozę na drodze fotosyntezy, natomiast zwierzęta sacharydy pobierają wraz z pokarmem. Glukoza w celach przemysłowych otrzymywana jest ze skrobi kukurydzianej i ziemniaczanej. Wykorzystuje się ją w garbarstwie, przemyśle włókienniczym spożywczym i fermentacyjnym.

• Fruktoza (cukier owocowy) zaliczana jest do monosacharydów. Występuje w miodzie, nasionach oraz owocach. Jest składnikiem oligosacharydów (np. sacharozy) i polisacharydów. Tworzy ona bezbarwne kryształy, dobrze rozpuszczalne w wodzie. Jej temperatura topnienia to ok.100°C. Cukier ten nie jest tak dobrze przyswajalny przez organizm jak glukoza czy sacharoza. Jej nadmierne ilości w organizmie mogą powodować bóle żołądka i biegunkę. Fruktozę stosuje się jako środek słodzący u chorych na cukrzycę oraz w przypadku niedomogów mięśnia sercowego.

Do cukrów złożonych zaliczamy dwucukry (disacharydy) i wielocukry (polisacharydy). Najważniejszymi disacharydami są: sacharoza (cukier buraczany, cukier trzcinowy), laktoza (cukier mlekowy) oraz maltoza (cukier słodowy). Wszystkie z wymienionych dwucukrów (oprócz sacharozy) wykazują właściwości redukujące i dają pozytywny efekt próby Trommera i Tollensa. Disacharydy ulegają hydrolizie na cukry proste pod wpływem działania enzymów lub w środowisku kwaśnym i podwyższonej temperaturze. Na skutek ogrzewania dwucukry topią się, a następnie zachodzi ich karmelizacja. Do jednych z najważniejszych disacharydów należą:

• Sacharoza jest bezbarwnym krystalicznym ciałem stałym, o wzorze sumarycznym C₁₂H₂₂O₁₁. Jest to disacharyd, złożony z fruktozy i glukozy, który ma słodki smak i jest dobrze rozpuszczalny w wodzie. Sacharoza nie ma właściwości redukcyjnych. Na skalę przemysłową sacharoza otrzymywana jest z buraków cukrowych i trzciny cukrowej, stąd inne nazwy tego dwucukru (cukier trzcinowy, cukier buraczany).

• Laktoza (cukier mleczny) ma wzór C₁₂H₂₂O₁1 i jest zbudowana z reszt D-galaktozy oraz D-glukozy. Należy do dwucukrów i występuje ona w mleku ssaków (mleko krowy zawiera 4,5% laktozy, natomiast mleko ludzkie ok.5,5-7,5%). Jest ona białą krystaliczną substancją, rozpuszczalną w wodzie i około trzy razy mniej słodszą od sacharozy. Znalazła zastosowanie w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i pirotechnice.

W wyniku połączenia się wielu cząsteczek cukrów prostych powstają polisacharydy (wielocukry). Do najważniejszych wielocukrów zalicza się: glikogen, celulozę i skrobię. Wszystkie polisacharydy ulegają reakcji hydrolizy.

• Skrobia (inaczej krochmal) to polisacharyd o wzorze (C₆H₁₀O₅)_n, składający się z wielu reszt glukozy. Rośliny produkują skrobię podczas fotosyntezy i magazynują ją w nasionach (np. zboża), owocach (chlebowiec), kłączach lub bulwach (ziemniaki). Skrobia jest białą substancją. Nie ma ona smaku i nie rozpuszcza się w alkoholu i zimnej wodzie. W jej skład wchodzi amyloza (20%) i amylopektyna (80%). Skrobia jest podstawowym składnikiem pożywienia człowieka. Ten wielocukier i jego pochodne znalazły zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, papierniczym, kosmetycznym i tekstylnym. Hydrolizę skrobi przedstawia poniższy schemat:

Występowanie cukru w formie łańcuchowej lub pierścieniowej zależy od pH.

 

                                                               pH<7

forma łańcuchowa       →             forma pierścieniowa

                                                ←

                                                                pH>7

 

W środowisku o pH mniejszym od 7 tj. kwaśnym, przeważa forma pierścieniowa, natomiast w środowisku o pH większym od 7, przeważa forma łańcuchowa. Występowanie związku chemicznego w dwóch postaciach izomerycznych, mogących przechodzić samorzutnie jedna

w drugą nosi nazwę desmotropii. Potwierdzeniem występowania cukrów w formach α i β jest zjawisko mutarotacji np. dla glukozy

.    

Właściwości redukujące cukrów.

Zarówno aldozy jak i ketozy w środowisku zasadowym wykazują właściwości redukujące.

Warunkiem występowania właściwości redukujących jest obecność cząsteczce cukru wolnej grupy aldehydowej lub ketonowej, a to możliwe jest w środowisku zasadowym. Grupa aldehydowa w aldozach reaguje bezpośrednio z odczynnikiem, redukując go, sama zaś utlenia się do grupy karboksylowej. Ketozy w środowisku zasadowym ulegają enolizacji, tworząc trzy będące w równowadze epimery- ketozę i dwie aldozy. Aldozy wchodzą w reakcję jako odczynniki redukujące. Polisacharydy nie wykazują właściwości redukujących, natomiast skrobia słabe właściwości redukujące wykazuje. Utlenieniu nie ulegają cukry, których grupy karbonylowe są zablokowane wiązaniem glikozydowym np. sacharoza.

Wpływ stężonych kwasów na sacharydy

Cukry o liczbie atomów węgla większej od 4 w cząsteczce, ogrzewane

z  mocnymi kwasami np. solnym, siarkowym, ulegają odwodnieniu. Z pentoz powstaje furfural, natomiast z heksoz powstaje 5-hydroksymetylofurfural, który dalej ogrzewany przekształca się w kwas mrówkowy i lewulinowy. Ketozy łatwiej ulegają odwodnieniu od aldoz, a pentozy łatwiej od heksoz.

Furfuralowe pochodne dają barwne związki z pochodnymi fenolowymi, pozwalające na odróżnienie pentoz od heksoz i aldoz od ketoz.

Wpływ zasad na cukry

   W środowisku zasadowym cukry redukujące ulegają enolizacji. Jako produkt przejściowy tworzy się bardzo nietrwały enol, i przekształca się w trzy epimery będące w stanie równowagi np. glukoza pozostaje w równowadze z mannozą i fruktozą.

 

Stężone roztwory zasad powodują migrację i rozerwanie wiązania enolowego prowadząc do powstawania różnych pochodnych cukrów, które mogą ulegać polimeryzacji, co można zaobserwować wizualnie. Roztwór cukru przybiera zabarwienie brunatne i wydziela się charakterystyczny zapach przypalonego cukru, czyli karmelu. Cukry nieredukujące, przedstawicielem, których jest sacharoza nie dają reakcji z zasadami. Zatem ogrzewanie cukrów redukujących

i nieredukujących ze stężonymi roztworami zasad, jest reakcją pozwalającą je rozróżniać. Również oligo- i polisacharydy (np. skrobia) nie ulegają reakcji z zasadami, ponieważ wiązania glikozydowe obecne w ich strukturach są trwałe w środowisku zasadowym.

---