| Главная » Химия |
|
ВВЕДЕНИЕ Для поддержания работоспособности и жизнедеятельности человек нуждается в ежедневном пополнении энергии. В качестве энергии выступает пищевая продукция, которая включат в себя нутриенты, то есть необходимые для жизнедеятельности питательные вещества. Нутриенты в свою очередь делятся на макронутриенты (содержание которых в живых организмах составляет больше 0,001 %) и микронутриенты (содержание менее 0,001 %). Макронутриенты включают в себя углеводы, жиры, белки и воду; микронутриенты - витамины и минералы. Так как пищевая продукция занимает главенствующее положение в жизни человека, то необходим соответствующий контроль её качества. Контроль заключается в оценке внешнего вида продукции и содержания макронутриентов и микронутриентов. В данном курсовом проекте представлена общая характеристика углеводов и их основные химические свойства, а также методы их количественного определения различными методами анализа. 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Углеводы - это органические вещества с общей формулой Сn(H2O)m, то есть многоатомные альдегидо− или кетоспирты (полиоксикарбональные соединения) и их производные. Углеводы широко распространены в природе, являются компонентами продуктов питания. Сахар, мед, крахмал представляют собой чистые углеводы. В организмах растений и животных углеводы выполняют опорную, энергетическую, дыхательную функции. Важную роль играют соединения углеводов с другими классами веществ, такие как гликопротеиды, нуклеотиды. Животные организмы не способны синтезировать углеводы и получают их с продуктами растительного происхождения. Растения и некоторые бактерии образуют углеводы из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, общая схема которого может быть представлена уравнением: hν CO2↑ + 6H2O C6H12O6 + 6O2↑ Ежегодно в результате фотосинтеза образуется около 100 млрд т органического вещества (более 15 т на каждого жителя планеты). Классификация углеводов Углеводы делятся на две большие группы простые (моносахариды) и сложные (полисахариды). Моносахариды - простые углеводы, которые в растворе не гидролизируют, кроме гидроксильных и карбонильных групп, они могут содержать тиольные, карбоксильные и аминогруппы. К моносахаридам принято относить также продукты их окисления или восстановления, лишенные карбонильной группы. Олигосахариды составляют промежуточный класс между моносахаридами и полисахаридами и содержат от двух до десяти моносахаридных остатков, соединенных гликозидными связями. Дисахариды разделяют на восстанавливающие и невосстанавливающие дисахариды. К восстанавливающим относят дисахариды, имеющие свободный полуацетальный гидроксил, это мальтоза, целлобиоза, лактоза. К невосстаннавливающим относят дисахариды, у которых в образовании гликозидной связи участвует два полуацетальных гидроксила, это дисахариды сахароза и трегалоза. В состав мальтозы входит α-D-глюкопираноза связь 1,4. Мальтоза образуется в качестве промежуточного продукта гидролиза крахмала или гликогена. В состав лактозы входит ß-D-галактопираноза и α-D-глюкопираноза связь 1,4. В состав сахарозы входит ß -D- фруктофураноза и α -D-глюкопираноза связь 1,2. Полисахариды представляют собой продукты поликонденсации моносахаридов. Это типичные полимеры, часто построенные из тысяч моносахаридных остатков, причем молекулярная масса отдельных молекул, входящих в состав образца, может существенно различаться. К полисахаридам относят: крахмал, гликоген, целлюлоза. Крахмал состоит из остатков α -D-глюкопиранозы. Связь 1,4 у линейной структуры крахмала, которая называется амилоза и связи 1,4 и 1,6 у разветвленной структуры крахмала, которая называется амилопектин. Гликоген состоит из остатков α-D-глюкопиранозы, связь 1,4 и 1.6, разветвление у гликогена находятся через каждые 3-4 звена глюкозы. Целлюлоза или клетчатка состоит из остатков ß-D-глюкопиранозы связь 1,4. В свою очередь моносахариды классифициются: а) по наличию альдегидной или кетонной группы моносахариды делят на альдозы и кетозы; б) по числу углеродных атомов различают триозы (n = 3), тетрозы (n = 4), пентозы (n = 5), гексозы (n = 6). К пентозам относят: арабинозу, ксилозу, рибозу. К гексозам: глюкозу, фруктозу, галактозу; в) по химической природе различают: ) нейтральные сахара, содержащие только карбонильные и спиртовые группы; ) аминосахара, обладающие помимо карбонильных и спиртовых групп еще и аминогруппой, обусловливающей основные свойства этих соединений; ) кислые сахара, содержащие помимо обычных для этих соединений карбонильных и спиртовых групп еще карбоксильные группы. Номенклатура моносахаридов Номенклатура моносахаридов основывается на соединениях с не разветвленной цепью атомов углерода. Углеродные атомы нумеруют таким образом, чтобы карбонильный углерод имел наименьший номер. Заместители (атомы, функциональные группы) получают тот же номер, что и углеродный атом, с которым они соединены. Если в молекуле имеется более одной функциональной группы, они перечисляются в алфавитном порядке. Отсутствие ОН - группы отражается префиксом «дезокси». Н - C = O H - C = O H NH2 H OAc HO H AcO H H OH AcO H H OH H OH CH2 -OH CH2 -OTr - амино - 2 - дезокси - D - глюкоза 2, 3, 4 - три - О - ацетил - (D - глюкоэамин) 6 - О - тритил - D - глюкоза Нередко при написании моносахаридных звеньев (прежде всего в олиго- и полисахаридах) используют буквенные обозначения: Ага − Арабиноза GlcA - Глюкуроновая кислота GalNAc - N - Ацетилгалактозамин Xyl - Ксилоза GlcNAc - N - Ацетилглюкозамин Man - Манноза ManNAc - N - Ацетилманнозамин Rha - Рамноза MurNAc - N - Ацетилмурамовая кислота Rib - Рибоза NeuNAc - N - Ацетилнейраминовая кислота Fru - Фруктоза Fuc - Фукоза Gal - Галактоза Glc - Глюкоза Стереоизомерия углеводов Стереоизомерия или оптическая изомерия является одним из видов пространственной изомерии. Она обусловлена наличием хиральных центров и проявляется в способности некоторых соединений вращать плоскость поляризованного луча света в разные стороны. Наиболее распространенным хиральным центром является асимметрический атом углерода, т. е. углеродный атом, связанный с четырьмя различными заместителями. При наличии одного асимметрического атома углерода молекула может существовать в виде двух изомеров, относящихся друг к другу как несимметричный предмет к своему отражению Такие изомеры называются оптическими антиподами или энантиомерами. Один из них вращает плоскость поляризованного луча влево (L- или (-)−форма), другой на такой же угол вправо (D− или (+)−форма). Принадлежность моносахарида к тому или иному генетическому ряду определяется по конфигурации его наиболее удаленного от альдегидной группы асимметрического углеродного атома. Если она соответствует конфигурации D−глицеринового альдегида, то моноза относится к D−ряду, если L−глицеринового альдегида - к L−ряду. Н - С = О Н - С = О СН2−ОН СН2−ОН D - глицериновый альдегид L - глицериновый альдегид Энантиомеры одинаковы по всем физическим и химическим свойствам и отличаются только отношением к плоскополяризованному свету. Смесь энантиомеров в соотношении 1:1 оптической активностью не обладает и называется рацемической. Общее число оптических изомеров можно определить по формуле Фишера: N = 2n , где n - число оптических изомеров. Н - С = О Н - С = О Н * ОН Н - С = О Н * ОН Н * ОН Н - C = О Н * ОН Н * ОН Н * ОН Н * OH Н * ОН Н * ОН Н * ОН CH2−OH CH2−OH CH2−OH CH2−OH альдотриозы альдотетрозы альдопентозы альдогексозы N = 2 N = 22 = 4 N = 23 = 8 N = 24 = 16 Знак вращения или абсолютная конфигурация определяется методом рентеноструктурного анализа и помимо природы самого хирального соединения может зависеть от природы растворителя, температуры и др. Пространственные изомеры с несколькими хиральными центрами, часть которых имеет одинаковую конфигурацию, называют диастереомерами. Пары диастеремеров, отличающиеся конфигурацией только асимметрического атома, называют эпимерами. Асимметрия молекул приводит к тому, что низшие моносахариды трудно кристаллизуются. Действительно, для включения молекулы в кристаллическую решетку требуется ее единственная конфигурация, а в рацемической смеси присутствует набор по-разному ориентированных молекул. Ниже приведен генетический D − ряд альдоз, родоначальником которых является D-глицериновый альдегид (данное деление генетического ряда можно осуществить экспериментально с помощью реакции Килиани−Фишера). Простейшей кетозой, обладающей асимметрическим атомом углерода, является тетроза - D - тетрулоза Ниже приведен генетический D - ряд кетоз. Циклические формы и таутомерия моносахаридов. Альдозы проявляют далеко не все свойства, характерные для альдегидов. Так, они не дают реакции с фуксинсернистой кислотой и очень медленно реагируют с гидросульфитом натрия. В то же время наблюдается повышенная активность одной из гидроксильных групп, количество изомеров альдоз в два раза больше, чем предсказывает формула Фишера, кроме того, для альдоз характерно явление мутаротации - изменение угла вращения свежеприготовленных растворов. Для объяснения этих противоречий в конце XIX в. была высказана мысль, что моносахариды могут существовать не только в линейной форме, но и в форме циклических внутренних полуацеталей, не содержащих карбонильной группы. В дальнейшем было доказано, что для моносахаридов характерна циклоцепная таутомерия: в кристаллическом состоянии они имеют циклическое строение, а в растворах существуют в виде циклических и открытоцепных форм, находящихся в динамическом равновесии. Образование циклических форм моносахаридов происходит в результате реакции внутримолекулярного присоединения одной из гидроксильных групп по карбонильной группе. Наиболее устойчивыми являются пяти − и шестичленные циклы. Поэтому при образовании циклических форм углеводов образуются фуранозные (пятичленный) и пиранозные (шестичленный) циклы. Рассмотрим образование циклических форм на примерах глюкозы и рибозы. Глюкоза при циклизации образует преимущественно пиранозный цикл. Пиранозный цикл состоит из 5 атомов углерода и 1 атома кислорода. При его образовании в присоединении участвует гидроксильная группа пятого (С5) атома углерода. Образование циклических форм моносахаридов обусловлено взаимодействием альдегидной группы с гидроксилом, находящимся у С5, реже у С4 − атома: Образовавшееся соединение внутренний циклический полуацеталь. Поэтому циклические формы моноз называют полуацетальными. В результате замыкания цикла в молекуле появляется новый асимметрический центр - это приводит к удвоению числа изомеров Более наглядно строение циклических форм моносахаридов можно представить с помощью «перспективных» формул Хеуорса Группа −ОН при первом углеродном атоме в циклических формах называетя гликозидным гидроксилом. Он гораздо реакционноспособнее остальных гидроксильных групп, легко реагирует со спиртами или со второй молекулой моносахарида с образованием гликозидов. Переход от проекционных формул Фишера к формулам Хеуорса осуществляется по следующим правилам: ) В формуле Фишера производится четное число перестановок заместителей у атома углерода, чья гидроксильная группа участвует в образовании циклического полуацеталя. Перестановка осуществляется таким образом, чтобы данная OH−группа располагалась на одной вертикали с карбонильной группой и находилась внизу. Например, в образовании пиранозного цикла D−глюкозы участвует OH−группа при С5. Осуществляем две перестановки и записываем циклическую форму в проекции Фишера Аналогичным образом поступаем в случае образования фуранозного цикла. Теперь в образовании цикла участвует OH−группа при С4 ) В зависимости от структуры цикла берется соответствующая «заготовка»
для пиранозного цикла для фуранозного цикла Все заместители, находящиеся в фишеровской проекции справа от линии углеродной цепи, располагаются под плоскостью цикла; соответственно заместители, находящиеся слева - над плоскостью. Отметим, что у пиранозных форм моносахаридов D−ряда группа-CH2OH всегда располагается над плоскостью цикла. У a−аномеров гликозидная OH−группа располагается под плоскостью цикла, а у Названия циклических форм строятся следующим образом: сначала указывают положение гликозидной группы (a− или b−), затем принадлежность сахарида к стереохимическому ряду (D− или L−), далее в корень тривиального названия сахарида вставляют смысловую часть названия цикла (−фуран− или −пиран−), заканчивая название суффиксом − оза. В случаях, когда аномеризация не уточняется или речь идет о равновесной смеси аномеров, положение гликозидной группы обозначается волнистой линией Мутаротация. Фуранозные и пиранозные циклы, а также a− и b−аномеры обладают различной термодинамической устойчивостью. Однако в растворе моносахариды существуют как в открытой форме, так и во всех возможных циклических формах. Соотношение этих форм зависит от строения открытой формы моносахарида, природы растворителя и других факторов. В целом пиранозные циклы более устойчивы, чем фуранозные, а в полярных растворителях более устойчивы b−аномеры благодаря экваториальной конформации заместителей. В водном растворе возможны взаимные превращения фуранозных циклов в пиранозные, а a−аномеров в b−аномеры и наоборот. Такое динамическое равновесие между открытой и циклическими формами моносахарида называется цикло−оксо−таутомерией. Взаимопревращение a− и b−аномеров называется аномеризацией. Изменение угла вращения свежеприготовленных растворов сахаров, связанное с переходом одних таутомерных форм в другие до наступления состояния равновесия, называется мутаротацией. Моносахариды - бифункциональные соединения, поэтому их химические свойства обусловлены наличием в молекулах как карбонильных (в линейной форме), так и гидроксильных групп. ) Реакции карбонильной группы а) Удлинение и укорачивание цепи моносарида Несмотря на то, что в смеси таутомерных форм равновесие сдвинуто в сторону образования циклических форм, в растворе моносахарида присутствует некоторое количество ациклической (открытой) формы, что позволяет ему вступать в реакции, характерные для альдегидов и кетонов. Так, при взаимодействии сахаридов с гидроксиламином образуется смесь оксимов циклических и ациклических форм. При действии на них уксусного ангидрида одновременно происходят ацетилирование и дегидратация с образованием нитрила. Обработка полученного нитрила метилатом натрия приводит к дезацетилированию и отщеплению молекулы HCN Таким путем углеродная цепь альдозы укорачивается на один атом углерода. Удлинение углеродной цепи можно осуществить циангидринным методом. Взаимодействие альдозы с цианидом натрия приводит к образованию смеси двух изомерных нитрилов, которые легко гидро−лизуются в альдоновые кислоты. Последние при восстановлении амальгамой натрия дают альдозы б) Реакции окисления - восстановления При восстановлении альдегидной или кето−группы моносахаридов образуются многоатомные спирты. Восстановление проводят водородом в присутствии металлического катализатора (Ni, Pd) Альдозы образуют один полиол, кетозы дают смесь двух стереоизомеров. Так, из D−фруктозы образуются D−сорбит и D−маннит В щелочной среде моносахариды окисляются реактивами Толленса, Бенедикта и Фелинга. Окисление в щелочной среде, как правило, приводит к разрушению молекулы моносахарида, поэтому эти реакции используются для качественного обнаружения углеводов. Реакция Фелинга Реактив Фелинга - это смесь раствора №1 - сульфата меди и раствора №2 - щелочного раствора сегнетовой соли. Растворы хранятся отдельно друг от друга, а при использовании смешиваются в соотношении 1:1. При добавлении небольшого количества реактива Фелинга раствор глюкозы дает ярко-синее окрашивание. В данном случае глюкоза растворяет Сu(ОН)2 и ведет себя как многоатомный спирт. При дальнейшем нагревании цвет раствора меняется до желтой окраски, что свидетельствует об образовании CuOH, с последующим переходом в осадок краснокирпичного цвета-образование закиси меди Cu2O. Глюкоза при этом окисляется до глюконовой кислоты. Избыток Сu(ОН)2 при нагревании приводит к образованию окиси меди-осадок черного цвета. Реакция Бенедикта Реактив Бенедикта - это смесь сульфата меди, раствора карбоната натрия и цитрата натрия. Реакция Толленса (реакция серебряного зеркала). Реактив Толленса - смесь растворов нитрата серебра, щелочи и аммиака. Растворы готовятся непосредственно перед определением углеводов и смешиваются в соотношении 1:1. Раствор аммиачного серебра при взаимодействии с глюкозой дает зеркальный налет металлического серебра. Окисление в нейтральной или кислой среде позволяет сохранить углеродный скелет. Окисление в мягких условиях, например, бромной водой, позволяет окислить карбонильную группу до карбоксильной, не затрагивая гидроксильные группы. Образующиеся при этом кислоты называют альдоновыми. Использование сильного окислителя, например, разбавленной азотной кислоты, позволяет окислить обе концевые группы - карбонильную и первичную спиртовую до карбоксильных. Образующиеся при этом кислоты называют альдаровыми. Продукт такого окисления D−глюкозы называется D−глюкаровой кислотой: При окислении D−галактозы азотной кислотой образуется Окисление моносахаридов в биологических системах носит более сложный характер. Так, при аэробном окислении D−глюкозы, катализируемом ферментом глюкозооксидазой, окислению подвергается не открытая, а циклическая форма. Глюкозооксидаза специфична к b−D−глюкопиранозе, которая вначале окисляется до d−лактона. В кислой среде d−лактон легко превращается в g−лактон. Взаимные превращения лактонов приводят к мутаротации раствора глюконовой кислоты. При окислении первичной спиртовой группы без затрагивания альдегидной образуются гликуроновые (уроновые) кислоты. Ввиду более легкой окисляемости альдегидной группы получение уроновых кислот представляет собой довольно сложную задачу. В этой связи окислению подвергают моносахарид с защищенной альдегидной группой, например, в виде гликозида Уроновые кислоты имеют большое значение. Они входят в состав различных полисахаридов. Так, глюкуроновая кислота является структурной единицей гепарина, гиалуроновой кислоты и др. Пектиновые вещества плодов и ягод являются полиуронидами. В организме уроновые кислоты выполняют важную функцию: они связывают посторонние и токсические вещества и в виде глюкуронидов выводят их из организма вместе с мочой ) Реакции гидроксильных групп а) Углеродная цепь любого моносахарида содержит большое число OH−групп, обладающих электроноакцепторными свойствами. По этой причине гидроксильные группы в молекулах моносахаридов обладают большей кислотностью по сравнению со спиртами. В результате моносахариды могут образовывать алкоголяты (сахараты) не только с щелочными и щелочноземельными металлами, но и с их гидроксидами б) Образование простых эфиров Образование простых эфиров в первую очередь происходит по гидроксилу, связанному с С1 (гликозидный, или полуацетальный гидроксил); такие эфиры носят название гликозидов. Гликозиды - широко распространенные природные соединения. В более жестких условиях в реакцию вступают все гидроксильные группы углевода Простые эфиры не гидролизуются в слабокислой и щелочной средах. В то же время ацетали легко гидролизуются при кипячении с кислотой В результате кислотного гидролиза образуется полуацеталь, способный к аномеризации, и раствор такого сахарида мутаротирует. в) Образование сложных эфиров При действии на глюкозу ангидридов кислот образуются сложные эфиры Сложные эфиры моносахаридов легко гидролизуются и в кислой, и в щелочной средах. Это объясняется меньшей прочностью сложноэфирной связи по сравнению с простой эфирной связью. Среди сложноэфирных производных моносахаридов наибольшее значение имеют фосфаты (сложные эфиры фосфорной кислоты) ) Кето - енольная таутомерия В разбавленных щелочных растворах при комнатной температуре моносахариды способны к кето - енольной таутомерии, обусловленной миграцией двойной связи. При переходе от ендиольной формы в кето - форму возможна перегруппировка заместителей у аномерного и соседнего с ним атомов углерода Следствием этого процесса является появление в растворе равновесной смеси эпимеров данного моносахарида. При высоких температурах и высоких концентрациях щелочей моносахариды подвергаются расщеплению и полимеризации с образованием различных продуктов, в том числе молочной и муравьиной кислот. ) Реакция Молиша Реакция Молиша является качественной реакцией на углеводы. В концентрированных растворах кислот при нагревании моносахариды подвергаются дегидратации. Отщепляя по три молекулы воды, альдопентозы образуют фурфурол, а альдо- и кетогексозы - 5-гидроксиметилфурфурол Фурфурол и 5−гидроксиметилфурфурол вступают в характерные реакции с замещенными бензолами с образованием окрашенных продуктов. С двумя молекулами фенола или α-нафтола, резорцина или тимола - образуются соединения фиолетового и красного окрашивания соответственно. ) Реакция Селиванова Обнаружение фруктозы в растворе по методу Селиванова проводят следующим образом. Сначала фруктозу переводят в 5-гидроксиметилфурфурол нагреванием с концентрированной HCl, затем добавляют резорцин (1,3-дигидроксибензол). Образующееся конденсированное соединение в кислой среде отщепляет воду, переходя в структуру с большим числом сопряженных двойных связей. Подобное строение имеют многие индикаторы кислотно-основного типа (фенолфталеин, метилоранж и др.). Присоединяя или отщепляя протон H+, они меняют свою окраску в зависимости от активной реакции среды. Реакция Селеванова является качественной реакцией на фруктозу, которая при нагревании смеси дает красное окрашивание раствора. ) Реакции брожения Важным свойством моносахаридов является их ферментативное брожение. Брожению подвергаются в основном гексозы. Молекулы глюкозы способны к расщеплению под действием различных микроорганизмов. Основные виды брожения: а) спиртовое брожение Спиртовое брожение протекает под влиянием различных микроорганизмов или фермента зимазы, который содержится, например, в кожуре винограда. В результате спиртового брожения гексоз (для пентоз эта реакция не характерна) образуется этиловый спирт: С6Н12О6 2С2Н5ОН + 2СО2 этиловый спирт б) молочнокислое брожение Молочнокислое брожение протекает при выработке различных молочнокислых продуктов, при солении огурцов, квашеной капусты и силосовании кормов: С6Н12О6 2СН3−СН(ОН)−СООН молочная кислота в) маслянокислое брожение С6Н12О6 С3Н7−СООН + 2СО2 + 2Н2 масляная кислота г) лимоннокислое брожение Лимоннокислое брожение протекает в присутствии особых плесневых грибков. Этот процесс используют для получения лимонной кислоты. ) Важные производные моносахаридов К производным моносахаридов относятся соединения, имеющие близкую природу, но содержащие вместо карбонильной или гидроксильной групп или в дополнение к ним другие функциональные группы. Наиболее известными производными являются дезокси− и аминосахара. Дезоксисахара - это моносахариды, у которых одна или две гидроксильные группы замещены на атом(ы) водорода. Из дезоксисахаров наиболее известны 2−дезокси−D−рибоза, 6−дезокси−L−манноза (L−рамноза) и 6−дезокси−L−галактоза (L−фукоза) −дезокси−D−рибоза входит в состав дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК), концевые остатки L−фукозы служат маркировкой поверхности клеток, определяющих групповую принадлежность крови человека. 6−дезоксисахара, называемые также метилпентозами, входят в состав природных соединений, применяемых в кардиологии. Некоторые из них одновременно являются 2−дезоксисахарами. Примером 2,6−дидезоксимоносахарида является D−дигитоксоза (2,6−дидезокси−D−аллоза), содержащаяся в сердечных гликозидах наперстянки. Из аминосахаров в природе широко распространены два - 2−амино−2−дезокси−D−глюкоза (D−глюкозамин, хитозамин) и 2−амино−2−дезокси−D−галактоза (D−галактозамин, хондрозамин), в которых гидроксильная группа при С2 замещена на аминогруппу Первый входит в состав многих полисахаридов, содержащихся в тканях позвоночных, второй является компонентом гликолипидов и входит в состав главного полисахарида хрящей - хондроитинсульфата. Часто аминогруппа бывает ацетилирована или метилирована. Так, N−ацетил−D−глюкозамин является главным компонентом хитина - структурного полисахарида, образующего наружный скелет насеко−мых и ракообразных. В состав действующего начала препарата стрептомицин, обладающего антибактериальным действием, входит N−метилированный L−глюкозамин. Помимо N−метил−L−глюкозамина в состав препарата входит стрептоза - 5−дезокси−3−формил−L−ликсоза, содержащая дополнительную альдегидную группу Особое место среди производных моносахаридов занимают нейраминовая и мурамовая кислоты. Структуру этих кислот легче понять, если мысленно разбить их на два фрагмента Действительно, N−ацетилнейраминовая кислота получается в результате альдольной конденсации N−ацетил−D−маннозамина и пировиноградной кислоты, протекающей под действием ферментов. Эти кислоты играют важную роль в качестве строительных блоков полисахаридов, содержащихся в клеточных стенках бактерий и в клеточных оболочках высших животных. N−ацетилмурамовая кислота - главный структурный элемент полисахаридного остова бактериальных клеточных стенок. Она также является главным строительным блоком полисахаридных цепей, входящих в состав гликопротеидов и гликолипидов клеточных оболочек животных тканей. N−ацильные производные нейраминовой кислоты называют сиаловыми кислотами. Сиаловые кислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и мало растворимые в неполярных органических растворителях. Они являются компонентами специфических веществ крови и тканей, входят в состав ганглиозидов мозга, участвующих в проведении нервных импульсов. В спинномозговой жидкости они содержатся в свободном состоянии. Наконец, структурную связь с моносахаридами имеет хорошо известная аскорбиновая кислота (витамин С). В природных условиях она образуется из D−глюкозы и содержится в овощах (картофель, томаты), ягодах (черная смородина) и фруктах, особенно цитрусовых. Аскорбиновая кислота представляет собой g−лактон, содержащий ендиольный фрагмент. Как кислота аскорбиновая сильнее уксусной: ее кислотность обусловлена диссоциацией одной из ендиольных групп. Интересно, что при образовании солей лактонное кольцо не размыкается. Аскорбиновая кислота обладает восстановительными свойствами: при ее окислении образуется дикетонная форма, называемая дегидро−аскорбиновой кислотой Эти превращения протекают в мягких условиях и обеспечивают протекание некоторых окислительно−восстановительных реакций в клетке. Например, аскорбиновая кислота участвует в окислении пролина. Суточная потребность в аскорбиновой кислоте для человека составляет 30 мг и более. Недостаток аскорбиновой кислоты вызывает различные заболевания, в частности, цингу. ) Реакция Майяра Реакция Майяра - химическая реакция между аминокислотой и сахаром, которая, как правило, происходит при нагревании. При взаимодействии аминогрупп белков и аминокислот с карбонильными группами углеводов происходит реакция меланоидинообразования. Это окислительно - восстановительный процесс с образованием различных промежуточных продуктов, конечные продукты реакции - меланоидины имеют коричневый цвет, влияют на цвет и вкус готовых продуктов. Реакция Майяра происходит при сушке солода, при кипячении сусла с хмелем, при выпечке хлеба, при варке сахарных сиропов, при переработке овощей и фруктов. Скорость и глубина реакции меланоидинообразования зависит от состава продукта, уровня рН среды (более благоприятна слабощелочная среда), температура, влажность. Меланоидинообразование снижает активность витаминов и ферментов, что приводит к снижению пищевой ценности продуктов. Начальная стадия реакции Майяра: Н - C = O H - C = NR H - C = NNR H2 - C - NNR H OH +H2NR HO H H OH = O H -H2O HO H HO H HO H H OH H OH HO H H OH H OH H OH H OH H OH CH2 - OH CH2 - OH CH2 - OH CH2 - OH глюкоза основание Шиффа енаминол соединение Амадори ) Ферментативный гидролиз полисахаридов Гидролиз крахмала осуществляют амилолитические ферменты. Фермент α - амилаза гидролизует крахмал действуя хаотично, разрывает 1,4 связь с образованием декстринов и небольшого количества мальтозы. Фермент α - амилаза действуя на крахмальное зерно образует каналы, раскалывая полисахарид на части. колоночный хроматография крахмал сахар 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Общая характеристика метода Определение состава вещества и контроль его чистоты являются важнейшими факторами при производстве пищевых продуктов. Наряду с химическими методами анализа в настоящее время широко применяются физические методы. Они позволяют осуществлять как быстрый контроль (в течении нескольких минут) больших партий продукции, так и специфический анализ продуктов, витаминов, упаковочных материалов, лекарств и т.д. Одним из таких физических методов является спектральный анализ, основанный на взаимодействии лучистой энергии с исследуемым образцом - метод абсорбционной спектрофотоколориметрии. Методы абсорбционной спектроскопии имеют высокую чувствительность (низкий предел обнаружения), они избирательны и точны. Методы могут быть применены для анализа больших и малых содержаний, но особенно ценной особенностью является возможность определения примесей (до 10−5 - 10−6 %). Важное значение имеет избирательность многих фотометрических методов, позволяющая проводить определения элементов в сложных пробах без химического разделения компонентов. Погрешность фотометрических методов обычно составляет 3 - 5%, уменьшаясь в благоприятных случаях до 1 - 2% и нередко до 0,5 - 1,0%. Основной закон светопоглощения Атом, ион или молекула, поглощая квант света, переходит в более высокое энергетическое состояние. Обычно это бывает переход с основного, невозбужденного уровня на один и более высокий, чаще всего на первый возбужденный уровень. Вследствие поглощения излучения при прохождении его через слой вещества интенсивность излучения уменьшается и тем больше, чем выше концентрация светопоглощающего вещества. Закон Бугера - Ламберта - Бера (основной закон светопоглощения) связывает уменьшение интенсивности света, прошедшего через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией вещества и толщиной слоя. Закон Бугера - Ламберта - Бера можно представить в виде графической зависимости оптической плотности от концентрации (см. рисунок 2.1). Рисунок 2.1 - Графическое изображение зависимости оптической плотности от концентрации Чтобы учесть потери света на отражение и рассеяние, сравнивают интенсивности света, прошедшего через исследуемый раствор и растворитель (см. рисунок 2.2). При одинаковой толщине слоя в кюветах из одинакового материала, содержащих один и тот же растворитель, потери на отражение и рассеяние света будут примерно одинаковы у обоих пучков и уменьшение интенсивности света, будет зависеть от концентрации вещества. Рисунок 2.2 - Прохождение света через окрашенный раствор и растворитель Уменьшение интенсивности света, прошедшего через раствор, характеризуется коэффициентом пропускания (или просто пропусканием) Т: (2.1) где I и I0 - соответственно интенсивности света, прошедшего через раствор и растворитель. Взятый с обратным знаком логарифм Т называется оптической плотностью А (2.2) Уменьшение интенсивности света при прохождении его через раствор подчиняется закону Бугера - Ламберта - Бера: , (2.3) где ξ - молярный коэффициент поглощения (коэффициент экстинкции);- толщина светопоглощающего слоя; С - концентрация раствора. Физический смысл ε становится ясным, если принять l = 1 см и С = 1 моль/л, тогда А = ξ. Следовательно, молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщине слоя 1 см. Оптическая плотность раствора, содержащего несколько окрашенных веществ, обладает свойством аддитивности, которое иногда называют законом аддитивности светопоглощения. В соответствии с этим законом поглощение света, каким - либо веществом не зависит от присутствия в растворе других веществ. При наличии в растворе нескольких окрашенных веществ каждое из них будет давать свой аддитивный вклад в экспериментально определяемую оптическую плотность А: A = A1 +A2 + A3 +…+ An, (2.4) где А1, А2, А3, …, An - оптическая плотность вещества 1, вещества 2 и т.д. При учете уравнения (2.3) получаем: A = l · (ξ1C1 + ξ 2C2 + ξ 3C3 + … + ξ nCn) (2.5) Оптимальные условия фотометрических определений Выбор светофильтра Для того, чтобы выделить лучи определенной длины волны, на пути светового потока помещают светофильтры. Светофильтры пропускают лучи лишь в определенном интервале длин волн и практически полностью поглощают лучи других длин волн. В качестве светофильтров применяют цветные стекла, пленки, окрашенные растворы. Для каждого конкретного анализа светофильтр выбирают, исходя из спектра поглощения, таким образом, чтобы область максимального поглощения лучей исследуемым раствором и область максимального пропускания лучей светофильтром были одинаковы. При проведении анализа светофильтр подбирают экспериментально. Для этого приготавливают две пробы исследуемого раствора различной концентрации и измеряют их оптические плотности со всеми имеющимися светофильтрами. Затем для каждого светофильтра находят разность оптической плотности ∆А, соответствующую разности концентраций ∆С исследуемых проб. Тот светофильтр, для которого ∆А получается максимальной, выбирают для фотометрирования данного окрашенного раствора. Иногда используют менее точный, но более быстрый прием: выбирают светофильтр по цвету исследуемого раствора. Таблица 2.1 - Выбор светофильтра по цвету исследуемого раствора Цвет раствора Область максимального поглощения лучей раствором, нм Цвет светофильтра Желто − зеленый 400 - 450 Фиолетовый Желтый 450 - 480 Синий Оранжевый 480 - 490 Зелено − синий Красный 490 - 500 Сине − зеленый Пурпурный 500 - 560 Зеленый Фиолетовый 560 - 575 Желто − зеленый Синий 575 - 590 Желтый Зелено − синий 590 - 625 Оранжевый Сине − зеленый 625 − 700 Красный Выбор длины волны поглощаемого излучения Окрашенные соединения обладают избирательным поглощением света, т.е. А окрашенного раствора (а следовательно, и ελ) различна для различных длин волн падающего света. Изучая поглощение данным окрашенным раствором монохроматических излучений различных длин волн, получают спектр поглощения (см. рисунок 2.3). Рисунок 2.3 - Графическое изображение оптической плотности от длины волны λmax представляет собой длину волны падающего света, при которой наблюдается максимальное поглощение света Измерения оптической плотности окрашенных растворов обычно производят в области максимального поглощения, т.е. при длине волны падающего света близкой к λmax , при этом точность фотометрического определения увеличивается (см. рисунок 2.4). Рисунок 2.4 - Сравнение точности измерения оптической плотности раствора при различных длинах волн поглощаемого света Скачать архив (1.56 Mb) Схожие материалы: |
| Всего комментариев: 0 | |