Возникновение углеводов

1.

Возникновение углеводов
Сахароза (тростниковый сахар) была хорошо известна на Древнем Востоке. Её выделяли из сока сахарного
тростника, который сгущали и с помощью молока осветляли, а затем промывали известковой водой или раствором
золы. Примеси отделялись вместе с образующейся пеной. Сахарный сироп заливали в формы, он медленно
кристаллизовался в них, превращаясь в большие куски сахара — сахарные головы. Родиной сахарного тростника
считается Индия (слово «сахар» тоже «родом» из Индии: «сакхара» на языке одного из древних народов
полуострова означало сначала просто «песок», а затем — «сахарный песок»). Из Индии это растение было вывезено
в Египет и Персию; оттуда через Венецию сахар поступал в европейские страны. Долгое время он стоил очень
дорого и считался роскошью. Поисками более доступных природных источников сахара занимался немецкий химик
Андреас Сигизмунд Маргграф. В трактате, изданном в 1747 г., он описал свои опыты по получению сахара из свёклы.
К концу XVIII в. в Германии вывели сорт свёклы с повышенным содержанием сахара — сахарную свёклу. В 1796—
1802 гг.

2.

Франц Карл Ахард
Андре́ас Сигизму́нд
Ма́ргграф
Фруктоза была впервые выделена из «медовой воды» в 1792
г. русским химиком Товием Егоровичем Ловицем, а глюкоза
открыта в 1802 г. Химия полисахаридов получила развитие
после того, как в 1811 г. русский химик Константин
Сигизмундович Кирхгоф впервые осуществил гидролиз
крахмала.
Ученик Маргграфа Франц Карл Ахард
(1753—1821) разработал способ выделения
сахара из свёклы, положивший начало
производству сахара не из привозного
тростника, а из местного сырья. Постепенно
из дорогого лакомства сахар превратился в
дешёвый и доступный каждому продукт
питания.

3.

Иоганн Тобиас (Товий
Егорович) Ловиц
Р. Фитгиг и А. Байер первыми предложили в 1868
— 1870 гг. правильную формулу глюкозы, однако
оставалось неясным, каким образом
моносахариды, имеющие идентичную формулу,
могут различаться по физико-химическим
свойствам. Это противоречие удалось разрешить Э.
Фишеру с помощью стереохимических
представлений Я. Г. Ваит-Гоффа: он Определил
относительную конфигурацию рода моносахаридов
(глюкозы, фруктозы, маннозы, арабинозы), что
заложило основу современной химии углеводов.
Многие свойства моносахаридов тем не менее
оставались необъясненными. В частности, число
изомерных моносахаридов и их производных было
вдвое больше, чем следовало из положений,
сгереохимической теории, что свидетельствовало о
наличии дополнительного асимметрического атома
углерода. А. А. Колли объяснил этот парадокс
образованием оксидного цикла за счет
альдегидной группы и одного из гидроксилов,
однако размер цикла трехчленный — был
предсказан им неправильно. Экспериментальное
доказательство размера лактольного кольца было
получено лишь в 20 х годах нашего века У.
Хеуорсом, применившим для решения задачи
метод метилирования.

4.

Нахождение углеводов в природе
В зависимости от строения углеводы можно разделить на моносахариды (глюкоза, фруктоза, рибоза,
галактоза, манноза), полисахариды (крахмал, целлюлоза, гликоген, декстрин, галактоманнаны) и дисахариды
(сахароза, мальтоза, лактоза, лактулоза).
Глюкоза образуется растениями в процессе фотосинтеза, а в свободном виде она содержится почти во всех
органах зеленых растений, фруктах, ягодах, нектаров цветов. В организме человека глюкоза встречается в
мышцах и в крови.
Фруктоза в свободном виде встречается почти во всех сладких ягодах и плодах.

5.

Рибоза содержится в организме человека и является компонентом РНК и используется при
генетической транскрипции.
Галактоза содержится в животных и растительных организмах, в том числе в
некоторых микроорганизмах.
Манноза в свободном виде обнаружена в плодах
многих цитрусовых, анакардиевых и коринокарповых. Имеется в некоторых грибах, например
в лисичке обыкновенной и в грибах чайного дерева (золотой гриб).
Крахмал является одним из продуктов фотосинтеза, содержится в плодах, семенах и клубнях.
Наиболее богато крахмалом зерно злаковых растений: риса (до 86 %), пшеницы (до 75 %), кукурузы
(до 72 %), а также клубни картофеля (до 24 %).
Целлюлоза входит в состав клеточных оболочек растений. Чистой целлюлозой являются волокна
хлопчатника, джута и конопли, содержится в древесине (40-50%), соломе (30%).
Гликоген - основной запасной углевод человека и животных, может содержаться в грибах.
Декстрин образуется из крахмала в ротовой полости человека.
Галактоманнаны составляют основную часть эндосперма семян некоторых растений
семейства бобовых.

6.

Сахароза содержится в сахарном
тростнике (14-26%) , сахарной свёкле
(до 28 % ), соках растений и плодах
(берёзы, клёна, дыни и моркови).
Мальтоза содержится в больших
количествах в проросших зёрнах
(солоде) ячменя, ржи и других
зерновых; в томатах, в пыльце
и нектаре растений.
Лактоза содержится в молоке и
молочных продуктах.
Лактулоза в природе не встречается.
Главными источниками углеводов из
пищи
являются:хлеб, картофель, макароны,
крупы, сладости.
Чистым углеводом
является сахар. Мёд, в зависимости
от своего происхождения, содержит
70—80 % глюкозы и фруктозы.
К углеводной группе примыкают и
плохо перевариваемые
человеческим
организмом клетчатка и пектины.

7.

Получение углеводов
В промышленности
Другие способы
Гидролиз дисахаридов:
C12H22O11 + H2O t,H+→ 2 C6H12O6
Гидролиз крахмала:
(C6H10O5)n + nH2O t,H+→ nC6H12O6
крахмал
глюкоза
В лаборатории
Из формальдегида (1861 г А.М. Бутлеров):
6 HCOH
Ca(OH)2→
C6H12O6
формальдегид
В природе
Фотосинтез:
6CO2 + 6H2O
hν, хлорофилл
→
C6H12O6 + 6O2
мальтоза
C12H22O11 + H2O
сахароза
глюкоза
t,H+→
C6H12O6 + C6H12O6
глюкоза
фруктоза

8.

Химические свойства глюкозы
I. Специфические свойства
Важнейшим свойством моносахаридов является их ферментативное брожение, т.е. распад молекул на
осколки под действием различных ферментов. Брожение происходит в присутствии ферментов,
выделяемых дрожжевыми грибками, бактериями или плесневыми грибками. В зависимости от природы
действующего фермента различают реакции следующих видов:
1.Спиртовое брожение:
C6H12O6 → 2C2H5-OH + 2CO2↑
2. Молочнокислое брожение:
C6H12O6 → 2СH3-CH-COOH
│
OH
молочная кислота
3. Маслянокислое брожение:
C6H12O6 → C3H7COOH + 2H2 ↑+ 2CO2↑

9.

II. Свойства альдегидов
1. Реакция серебряного зеркала
СH2OH(CHOH)4-COH + Ag2O t.NH3→ СH2OH(CHOH)4-COOH + 2Ag↓
глюконовая кислота
или
СH2OH(CHOH)4-COH + 2[Ag(NH3)2]OH → СH2OH(CHOH)4-COONH4 + 2Ag↓+ 3NH3 +H2O
2. Окисление гидроксидом меди (II):
СH2OH(CHOH)4-COH + 2Cu(OH)2 t → СH2OH(CHOH)4-COOH + Cu2O + 2H2O
голубой
3. Восстановление:
СH2OH(CHOH)4-COH + H2 t,Ni → СH2OH(CHOH)4-CH2OH
красный

10.

ОПЫТЫ:
Цветная реакция Молиша.
В пробирку налейте примерно 1 мл воды и бросьте несколько крупинок сахара или кусочек фильтровальной бумаги
(клетчатки). Добавьте 2-3 капли спиртового раствора резорцина или тимола (они продаются в аптеке). Наклонив
пробирку, осторожно налейте по стенке 1-2 мл концентрированной серной кислоты и закрепите пробирку
вертикально. Тяжелая кислота опустится на дно, а на границе ее с водой появится яркое розовое или фиолетовое
кольцо. Имейте в виду: реакция Молиша чрезвычайно чувствительна, ее могут вызвать малейшие примеси углеводов,
даже пыль на стенках пробирки. Поэтому посуду перед опытом надо очень тщательно мыть, желательно дистиллированной водой.
Теперь из обычного сахара, а точнее сахарозы, получим смесь двух моносахаридов - глюкозы и фруктозы. (Эту смесь
- инвертный сахар - часто используют в пищевой промышленности, потому что она очень слабо кристаллизуется, а
значит, варенья и сиропы не "засахариваются" при хранении.) В пробирку или стакан налейте 10-20 мл не очень
сладкого сахарного раствора, добавьте несколько капель разбавленной соляной кислоты и нагревайте на кипящей
водяной бане минут 10-15. Кислоту нейтрализуйте карбонатом магния. Когда перестанут выделяться пузырьки газа,
проверьте индикатором, полностью ли нейтрализована кислота, и попробуйте отстоявшуюся жидкость на вкус, если
потребуется. Это и есть инвертный сахар. Пчелиный мед, кстати, на три четверти состоит из тех же углеводов глюкозы и фруктозы.

11.

Опыт с молоком.
В две пробирки налейте 5 мл некипяченого молока, добавьте по 15 капель 0,5%-ного раствора формальдегида (для
этого надо аптечный формалин разбавить водой в 10 раз) и по 5 капель 0,02%-ного раствора красителя
метиленового синего, а можно и просто разбавленных синих чернил. Краситель постепенно бледнеет,
обесцвечивается. Это происходит потому, что к его молекуле присоединяется водород, "отобранный" у
формальдегида при участии фермента.
Обесцвеченный краситель легко окисляется на воздухе. Чтобы этого не случилось, налейте в обе пробирки
вазелинового или растительного масла, изолирующего реакционную смесь от воздуха. Первую пробирку оставьте
при комнатной температуре, вторую нагрейте на водяной бане примерно до 37°С. Заметьте, что особенно быстро
краситель будет обесцвечиваться во второй пробирке, температура в которой близка к температуре тела
теплокровных животных. Это "работает" дегидрогеназа - она переносит атомы водорода от формальдегида к
метиленово-му синему.
А если продуть через реакционную смесь воздух, то краситель вновь восстановит свой цвет. Формальдегид способен
окисляться и без ферментов. Но в присутствии дегидрогеназ этот процесс идет быстрее.

12.

Опыты по экстракции:
Познакомьтесь с экстракцией на опыте. Хотя бы так: измельчите несколько ядрышек ореха или семечек подсолнуха,
положите в пробирку, залейте небольшим количеством бензина и встряхните несколько раз. Дайте пробирке
постоять часа два (конечно, подальше от огня), не забывая время от времени ее встряхивать. Слейте бензин на
блюдце и выставьте на балкон или на улицу. Когда бензин испарится, на дне останется немного масла, которое
растворилось в бензине. Из листьев можно экстрагировать хлорофилл - спиртом, при нагревании на водяной бане.
Листья при этом станут почти бесцветными.
Бензином можно извлечь также иод из аптечной йодной настойки. Для этого налейте в пробирку воды на треть,
добавьте примерно 1 мл йодной настойки и к образовавшемуся буроватому раствору прилейте столько же бензина.
Встряхните пробирку и оставьте ее в покое. А когда смесь расслоится, то верхний, бензиновый, слой станет темнобурым, а нижний, водный, - почти бесцветным: ведь иод в воде растворяется плохо, а в бензине - хорошо.

13.

Удобрение из кости:
Сырьем будут служить кости, ведь их минеральная основа - фосфорит, из которого и на заводе делают фосфорные
удобрения. Итак, приготовим простой суперфосфат.
Прокалите кости на огне, чтобы сгорели органические соединения. Удобнее делать это на костре. После этого
несколько чистых белых кусков кости измельчите в порошок сначала молотком, а потом растирая в ступке. 50 г
костного порошка смешайте с 3-5 г мела, поместите смесь в чистую склянку и влейте 20 г 70%-ной серной кислоты
(при разбавлении лить кислоту в воду!). Кислоту прибавляйте постепенно, энергично перемешивая смесь стеклянной
палочкой. Смесь разогреется и превратится в пасту, а потом в течение часа образуется сухой белый порошок суперфосфат Са (Н2РO4)2 с примесью сульфата кальция, т.е. гипса.
Но почему бы не взять для удобрения просто фосфорит? Немного измельченной кости и полученного суперфосфата
поместите в различные склянки с водой, порошок фосфорита быстро осядет на дно, а суперфосфат подвергнется
гидролизу, намного увеличится в объеме и осядет через много часов. Это свойство помогает ему хорошо
распределяться в почве и долго в ней удерживаться.
Советуем вам использовать самодельное удобрение для подкормки комнатных растений и посмотреть, как они
прибавляют в росте по сравнению с контрольными растениями.

14.

Физические свойства
Моносахариды – твердые вещества, легко растворимые в воде, плохо
– в спирте и совсем нерастворимые в эфире. Водные растворы имеют
нейтральную реакцию на лакмус. Большинство моносахаридов
обладают сладким вкусом, однако меньшим, чем свекловичный
сахар.
Хитин
Полисахариды - аморфные вещества, не растворяются в спирте и
неполярных растворителях; растворимость в воде варьирует:
некоторые растворяются в воде с образованием коллоидных
растворов (амилоза, слизи, пектовые кислоты, арабин), могут
образовывать гели (пектины, альгиновые кислоты, агар-агар) или
вообще не растворяться в воде (клетчатка, хитин).
Глюкоза представляет собой бесцветное кристаллическое вещество
сладкого вкуса, растворимое в воде, так же оно растворимо в
реактиве Швейцера (аммиачном растворе гидроксида меди
Cu(NH3)4(OH)2), в концентрированном растворе хлорида цинка и
концентрированном растворе
Сахароза
Сахароза представляет собой бесцветные кристаллы сладкого вкуса,
хорошо растворима в воде. Температура плавления сахарозы 160
°C. При застывании расплавленной сахарозы образуется аморфная
прозрачная масса – карамель.
Карамель

15.

Целлюлоза
Целлюлоза — белое твердое, стойкое вещество, не разрушается
при нагревании (до 200 °C). Является горючим веществом,
температура воспламенения 275 °С, температура
самовоспламенения 420 °С (хлопковая целлюлоза). Не
растворима в воде и слабых кислотах.
Целлюлоза представляет собой длинные нити, содержащие
300—10 000 остатков глюкозы, без боковых ответвлений. Эти
нити соединены между собой множеством водородных связей,
что придает целлюлозе большую механическую прочность, при
сохранении эластичности.
Крахмал безвкусный, аморфный порошок белого цвета,
нерастворимый в холодной воде. Под микроскопом видно, что
это зернистый порошок; при сжатии порошка крахмала в руке он
издаёт характерный «скрип», вызванный трением частиц.
В горячей воде набухает (растворяется), образуя коллоидный
раствор — клейстер; с раствором йода образует соединениевключение, которое имеет синюю окраску. В воде, при
добавлении кислот (разбавленная H2SO4 и др.) как
катализатора, постепенно гидролизуется с уменьшением
молекулярной массы, с образованием т. н. «растворимого
крахмала», декстринов, вплоть до глюкозы.
Молекулы крахмала неоднородны по размерам. Крахмал
представляет собой смесь линейных и разветвлённых
макромолекул.
При действии ферментов или нагревании с кислотами
подвергается гидролизу. Уравнение: (C6H10O5)n + nH2O—
H2SO4→ nC6H12O6.
Крахмал

16.

Роль и значение углеводов в природе
Формула глюкозы
Роль углеводов в природе и их
значение для жизни человека
чрезвычайно велики. Образуясь в
клетках растений в результате
фотосинтеза, они выступают
источником энергии для клеток
животных. В первую очередь это
относится к глюкозе.
Многие углеводы (крахмал, гликоген, сахароза) выполняют
запасающую функцию, роль резерва питательных веществ.
Кислоты РНК и ДНК, в состав которых входят некоторые
углеводы (пентозы — рибоза и дезоксирибоза), выполняют
функцию передачи наследственной информации.
Целлюлоза
ДНК
Целлюлоза — строительный материал растительных клеток —
играет роль каркаса для оболочек этих клеток. Другой
полисахарид — хитин — выполняет аналогичную роль в клетках
некоторых животных — образует наружный скелет
членистоногих (ракообразных), насекомых, паукообразных.

17.

Углеводы служат в конечном итоге источником
нашего питания: мы потребляем зерно,
содержащее крахмал, или скармливаем его
животным, в организме которых крахмал
превращается в белки и жиры. Самая гигиеничная
наша одежда сделана из целлюлозы или
продуктов на ее основе: хлопка и льна, вискозного
волокна, ацетатного шелка. Деревянные дома и
мебель построены из той же целлюлозы,
образующей древесину. В основе производства
фото- и кинопленки все та же целлюлоза. Книги,
газеты, письма, денежные банкноты — все это
продукция целлюлозно-бумажной
промышленности. Значит, углеводы обеспечивают
нас всем необходимым для жизни: пищей,
одеждой, кровом.
Углеводы выполняют не только питательную
функцию в живых организмах они также
выполняют опорную и структурную функции. Во
всех тканях и органах обнаружены углеводы или
их производные. Они входят в состав оболочек
клеток и субклеточных образований. Принимают
участие в синтезе многих важнейших веществ. В
растениях полисахариды выполняют опорную
функцию. Углеводы в организмах выполняют также
и защитную функцию

18.

Получение глюкозы. Как вам известно, крахмал является полисахаридом с формулой (С6Н10О5)n. Поэтому, чтобы из него получить
моносахарид глюкозу, формула которой С6Н1206 необходимо гидролизовать крахмал.
(С6Н10О5)n + Н2O = nС6Н12O6.
В результате получается n молекул глюкозы.
Гидролиз крахмала происходит только при температуре не ниже 100 °C в присутствии катализатора. Наилучшими катализаторами
являются серная или соляная кислоты.
Процесс гидролиза можно вести при атмосферном давлении в открытых котлах и при увеличенном давлении до 2,5 атмосфер в
автоклавах.
В колбу емкостью 1 л всыпьте 200 г сухого крахмала и
прилейте 400 мл воды. Колбу встряхните несколько раз.
Образуется крахмальное молоко. В эмалированную или
медную кастрюлю или медный котелок налейте 600 мл
воды и нагрейте ее до кипения. В кипящую воду влейте
осторожно тонкой струей 2,2 мл химически чистой
серной кислоты (уд. вес 1,84), затем осторожно из
колбы приливайте крахмальное молоко. Если кипение
жидкости прекратится, приостановите вливание
крахмального молока, иначе начнется клейстеризация.
Если произойдет клейстеризация, нужно прекратить
вливание крахмального молока и продолжать кипятить
массу до тех пор, пока не исчезнет клейстер. Только
после этого постепенно приливайте крахмальное
молоко. Как только жидкость снова закипит, начинайте
медленно вливать крахмальное молоко, все время
помешивая. Крахмальное молоко необходимо
взбалтывать, иначе крахмал осядет на дно колбы.
По окончании вливания крахмального молока заметьте
время и продолжайте кипятить жидкость в течение
полутора часов. В случае выкипания жидкости
прибавляйте воду, сохраняя первоначальный объем.
Через полтора часа возьмите ложкой или пипеткой
немного жидкости и влейте ее в маленькую
фарфоровую чашечку, дайте остыть, а затем прилейте 12 капли раствора йода. Наблюдайте за изменением
цвета жидкости. Если жидкость окрасилась в синий
цвет, нагревание продолжайте не менее получаса, так
как крахмал еще не весь гидролизовался. Если же
жидкость приняла красно-бурую или бурую окраску,
значит, крахмал гидролизовался, но в растворе имеется
декстрин, в этом случае нагревание продолжайте еще
15-20 минут, после чего возьмите пробу в маленький
стаканчик, в котором налито немного чистого этилового
спирта, и наблюдайте. Появление мути указывает на
наличие следов декстрина. Нагревайте раствор еще 5
минут и процесс получения глюкозы на этом
заканчивайте.
Патока готова, но в ней находится свободная серная
кислота, которую необходимо удалить; это достигается
нейтрализацией при помощи карбоната кальция. 2 г
чистого мела и 3 г тонко размолотого мрамора
разболтайте в воде и по ложечке прибавляйте в
раствор патоки, все время размешивая. Происходит
вскипание и шипение раствора. Приливание
продолжайте до тех пор, пока не прекратится шипение
и вскипание. Затем возьмите пробу на лакмус или конго
красное.

19.

По окончании нейтрализации жидкость оставьте отстаиваться. Осветленный раствор осторожно
слейте с осадка на полотняный фильтр. Осадок фильтруйте отдельно. Если жидкость получится
мутная, ее профильтруйте еще раз через полотняный фильтр, предварительно хорошо
промытый в горячей воде.
Прозрачную бесцветную жидкость слейте в какой-либо широкий сосуд (большую фарфоровую
чашку, миску и т. п.) и выпаривайте, подложив под дно чашки асбестированную сетку.
Прокладка необходима для того, чтобы нагревание шло равномерно и патока не подгорала.
Выпаривание проводите до тех пор, пока удельный вес патоки будет равен 1,45. Если не
представляется возможным определить удельный вес патоки при помощи ареометра,
определение ее готовности можно сделать на глаз. После того как жидкость упарится до
половинного объема, возьмите немного патоки на ложечку, дайте ей остыть, затем осторожно
сливайте ее и наблюдайте за падением капель. Если капля падает с ложки и тянет за собой
нить жидкости, которая после падения капли подтягивается вверх к ложечке, то патока готова.
Патока, выпускаемая заводами, должна иметь удельный вес не ниже 1,42