Какие химические свойства характерны для крахмала

Крахмал – ценный питательный продукт. Он входит в состав хлеба, картофеля, круп и наряду с сахарозой является важнейшим источником углеводов в человеческом организме.

Химическая формула крахмала (С6(Н2О)5)n.

Строение крахмала

Крахмал состоит из 2 полисахаридов, построенных из остатков циклической a-глюкозы.

Как видно, соединение молекул глюкозы происходит с участием наиболее реакционноспособных гидроксильных групп, а исчезновение последних исключает возможность образования альдегидных групп, и они в молекуле крахмала отсутствуют. Поэтому крахмал не дает реакцию «серебряного зеркала».

Иллюстрация. Фрагмент молекулы крахмала

Крахмал состоит не только из линейных молекул, но и из молекул разветвленной структуры. Этим объясняется зернистое строение крахмала.

В состав крахмала входят:

• амилоза (внутренняя часть крахмального зерна) — 10-20%;
• амилопектин (оболочка крахмального зерна) — 80-90%.

Амилоза

Амилоза растворима в воде и представляет собой линейный полимер, в котором остатки α–глюкозы связаны друг с другом через первый и четвертый атомы углерода (α-1,4-гликозидными связями).

Цепь амилозы включает 200 — 1000 остатков a-глюкозы (средняя мол. масса 160 000) .

Макромолекула амилозы представляет собой спираль, каждый виток которой состоит из 6 звеньев a-глюкозы.

Амилопектин

В отличие от амилозы, амилопектин не растворим в воде, и имеет разветвленное строение.

Подавляющее большинство глюкозных остатков в амилопектине связаны, как и в амилозе α-1,4-гликозидными связями. Однако в точках разветвлений цепи имеются α-1,6-гликозидные связи.

Молекулярная масса амилопектина достигает 1-6 млн.

Молекулы амилопектина также довольно компактны, так как имеют сферическую форму.

Биологическая роль крахмала. Гликоген

Крахмал – главное запасное питательное вещество растений, основной источник резервной энергии в растительных клетках.

Остатки глюкозы в молекулах крахмала соединены достаточно прочно и в то же время под действием ферментов легко могут отщепляться, как только возникает потребность в источнике энергии.

Амилоза и амилопектин гидролизуются под действием кислот или ферментов до глюкозы, которая служит непосредственным источником энергии для клеточных реакций, входит в состав крови и тканей, участвует в обменных процессах.

Гликоген (животный крахмал) – полисахарид, молекулы которого построены из большого числа остатков α–глюкозы. Он имеет сходное строение с амилопектином, но отличается от него большей разветвленностью цепей, а также большей молекулярной массой.

Содержится гликоген главным образом в печени и в мышцах.

Гликоген – белый аморфный порошок, хорошо растворяется даже в холодной воде, легко гидролизуется под действием кислот и ферментов, образуя в качестве промежуточных веществ декстрины, мальтозу и при полном гидролизе – глюкозу.

Превращение крахмала в организме человека и животных

Нахождение в природе

Крахмал широко распространен в природе. Он образуется в растениях в процессе фотосинтезе и накапливается в клубнях, корнях, семенах, а также в листьях и стеблях.

Крахмал содержится в растениях в виде крахмальных зерен. Наиболее богато крахмалом зерно злаков: риса (до 80%), пшеницы (до 70%), кукурузы (до 72%), а также клубни картофеля (до 25%). В клубнях картофеля крахмальные зерна плавают в клеточном соке, в злаках они плотно склеены белковым веществом клейковиной.

Физические свойства 

Крахмал – белое аморфное вещество, без вкуса и запаха, нерастворимое в холодной воде, в горячей воде набухает и частично растворяется, образуя вязкий коллоидный раствор (крахмальный клейстер).

Крахмал существует в двух формах: амилоза – линейный полимер, растворимый в горячей воде, амилопектин – разветвлённый полимер, не растворимый в воде, лишь набухает.

Химические свойства крахмала

Химические свойства крахмала объясняются его строением.

Крахмал не дает реакцию «серебряного зеркала», однако ее дают продукты его гидролиза.

1. Гидролиз крахмала

При нагревании в кислой среде крахмал гидролизуется с разрывом связей между остатками α-глюкозы. При этом образуется ряд промежуточных продуктов, в частности мальтоза. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза:

Процесс гидролиза протекает ступенчато, схематически его можно изобразить так:

Видеоопыт «Кислотный гидролиз крахмала»

Реакцию превращения крахмала в глюкозу при каталитическом действии серной кислоты открыл в 1811 г. русский ученый К.Кирхгоф (реакция Кирхгофа).

2. Качественная реакция на крахмал

Так как молекула амилозы представляет собой спираль, то при взаимодействии амилозы с йодом в водном растворе молекулы йода входят во внутренний канал спирали, образуя так называемое соединение включения.

Раствор иода окрашивает крахмал в синий цвет. При нагревании окрашивание исчезает (комплекс разрушается), при охлаждении появляется вновь.

Крахмал + J2 – синее окрашивание

Видеоопыт «Реакция крахмала с йодом»

Данная реакция используется в аналитических целях для обнаружения, как крахмала, так и йода (йодкрахмальная проба)

3. Большинство глюкозных остатков в молекулах крахмала имеют по 3 свободных гидроксила (у 2,3,6-го атомов углерода), в точках разветвления – у 2-го и 3-го атомов углерода.

Следовательно, для крахмала возможны реакции, характерные для многоатомных спиртов, в частности образование простых и сложных эфиров. Однако эфиры крахмала большого практического значения не имеют.

Качественную реакцию на многоатомные спирты крахмал не дает, так как плохо растворяется в воде.

Получение крахмала

Из растений извлекают крахмал, разрушая клетки и отмывая его водой. В промышленном масштабе его получают главным образом из клубней картофеля (в виде картофельной муки), а также кукурузы, в меньшей степени – из риса, пшеницы и других растений.

Получение крахмала из картофеля

Картофель моют, измельчают и промывают водой и перекачивают в большие сосуды, где происходит отстаивание. Вода извлекает из измельченного сырья крахмальные зерна, образуя так называемое «крахмальное молоко».

Полученный крахмал ещё раз промывают водой, отстаивают и сушат в струе теплого воздуха.

Получение крахмала из кукурузы

Зерна кукурузы замачивают в теплой воде разбавленной сернистой кислоты с целью размягчения зерна и удаления из него основной части растворимых веществ.

Набухшее зерно дробят для удаления ростков.

Ростки, после всплывания на поверхность воды, отделяют и используют в дальнейшем для получения кукурузного масла.

Кукурузную массу повторно измельчают, обрабатывают водой для вымывания крахмала, затем отделяют отстаиванием или с помощью центрифуги.

Применение крахмала

Крахмал широко применяется в различных отраслях промышленности (пищевой, фармацевтической, текстильной, бумажной и т.п.).

Он является основным углеводом пищи человека – хлеба, круп, картофеля.

В значительных количествах перерабатывается на декстрины, патоку и глюкозу, используемые в кондитерском производстве.

Из крахмала, содержащегося в картофеле и зерне злаков, получают этиловый, н-бутиловый спирты, ацетон, лимонную кислоту, глицерин.

Крахмал используется как клеящее средство, применяется для отделки тканей, крахмаления белья.

В медицине на основе крахмала готовятся мази, присыпки и т.д.

Иллюстрация. Применение крахмала

Углеводы

Полисахариды

Крахмал, свойства, получение и применение.

Крахмал – растительный полисахарид со сложным строением, смесь полисахаридов амилозы и амилопектина, мономером которых является α-глюкоза.

Крахмал, формула, молекула, строение, состав, вещество

Крахмал в природе

Физические свойства крахмала

Химический состав крахмала

Химические свойства крахмала. Химические реакции (уравнения) крахмала

Получение и производство крахмала

Применение крахмала

Крахмал, формула, молекула, строение, состав, вещество:

Крахмал – растительный полисахарид со сложным строением, смесь полисахаридов амилозы и амилопектина, мономером которых является α-глюкоза.

Крахмал – смесь макромолекул амилозы и амилопектина, имеющая формулу (C6H10O5)n.

Крахмал – природный углевод, накапливаемый в клетках растений в виде крахмальных зерен и выделяемый из крахмалсодержащего сырья при его переработке.

Таким образом, в состав крахмала входят амилоза и амилопектин. Соотношение амилозы и амилопектина различно в различных крахмалах: амилозы 13-30 %; амилопектина 70-85%. Звенья амилозы и амилопектина соединены между собой в цепочки посредством α-(1→4) гликозидных связей.

Амилоза – полисахарид, образованный линейными или слаборазветвлёнными цепочками остатков α-глюкозы, соединённых α-(1→4) гликозидными связями. Цепочка амилозы состоит из 200-1000 структурных единиц (остатков α-глюкозы) и закручена в спираль. На каждый виток приходится по шесть остатков α-глюкозы. Молекулярная масса амилозы колеблется от 50 000 до 160 000. Благодаря своему строению (цепочки молекулы амилозы закручены в спираль) амилоза растворима в горячей воде.

Амилопектин – полисахарид, образованный разветвлёнными цепочками остатков α-глюкозы, соединённых α-(1→4) и в точках разветвления цепи α-(1→6) гликозидными связями. Цепочка амилопектина состоит из 6000-40000 структурных единиц (остатков α-глюкозы). Цепочка амилопектина имеет разветвленное строение через каждые 20-25 остатков α-глюкозы, в точках разветвления цепи остатки α-глюкозы связаны между собой α-(1→6) гликозидными связями. Структура амилопектина трехмерна, его ветви расположены по всем направлениям и придают молекуле сферическую форму. Молекулярная масса амилопектина достигает 1 000 000. Амилопектин не растворим в холодной воде, в горячей воде образует студенистую часть клейстера.

Помимо полисахаридов (амилозы и амилопектина) в состав крахмала входят неорганические вещества (остатки фосфорной кислоты), липиды, жирные кислоты.

Химическая формула крахмала (C6H10O5)n.

Аналогичную химическую формулу имеет и гликоген (называемый животным крахмалом). Гликоген – это полисахарид состава (C6H10O5)n, образованный остатками глюкозы, соединёнными α-(1→4) и в местах разветвления – α-(1→6) гликозидными связями. В клетках животных гликоген служит основным запасным углеводом и основной формой хранения глюкозы. Откладывается в виде гранул в цитоплазме клеток (главным образом в клетках печени и мышц). Гликоген отличается от крахмала более разветвлённой и компактной структурой, а также физическими и химическими свойствами.

Строение молекулы крахмала, структурная формула крахмала:

По внешнему виду крахмал представляет собой белое аморфное вещество без вкуса и запаха.

Крахмал не растворяется в холодной воде. В горячей воде сначала полностью растворяется амилоза, а амилопектин не растворяется, а разбухает, образуя вязкий коллоидный раствор – крахмальный клейстер. Не растворим в этаноле.

При сжатии порошка крахмала он издаёт характерный скрип, вызванный трением частиц.

Биологическая роль для организма человека крахмала заключается в том, что наряду с сахарозой он служит основным источников углеводов – одного из важнейших компонентов пищи. Крахмал самый распространенный углевод в рационе человека.

Попадая в организм человека или животных в желудок и в кишечник, под действием собственных ферментов крахмал гидролизуется до глюкозы, после чего всасывается и попадает в кровь. Далее в клетках человека или животных глюкоза окисляется до углекислого газа и воды с выделением энергии, необходимой для функционирования живого организма.

Крахмал не имеет температуру плавления. При температуре 410 °C самовозгорается.

Крахмал в природе:

Крахмал является весьма распространённым в природе веществом. Крахмал синтезируется в хлоропластах растений под действием света при фотосинтезе в результате полимеризации глюкозы.

Процесс получения крахмала в клетках растений можно описать следующими химическими уравнениями:

6CO2 + 6H2O  → C6H12O6 + 6O2 (hv, kat = хлорофилл),

nC6H12O6 (глюкоза) → (C6H10O5)n + nH2O.

В общем виде это уравнение можно записать как:

6nCO2 + 5nH2O → (C6H10O5)n+ 6nO2.

Для растений крахмал служит запасом питательных веществ (в качестве резервного источника питания) и накапливается в основном в плодах, семенах и клубнях, а также листьях и стеблях. Наиболее богато крахмалом зерно злаковых растений: риса (до 86 %), пшеницы (до 75 %), кукурузы (до 72 %), а также клубни картофеля (до 24 %). Крахмал, по сути, является главным составляющим семян растений.

Крахмал находится в специальных клетках растений – амилопластах в виде зёрен. Формы зёрен различаются и зависят от вида растений. Крахмальные зёрна представляют собой слоистые крупицы размером от 2 до 100 мкм, внешне напоминающие сферы, овалы, многогранники и пр. Растут крахмальные зёрна слой за слоем. На старый слой наращивается новый и т.д. Крахмальные зёрна в клубнях картофеля плавают в клеточном соке, а в семенах злаков склеены между собой клейковиной.

Крахмал, синтезируемый разными растениями, несколько различается по структуре и размеру зёрен, степени полимеризации молекул, строению полимерных цепей и физико-химическим свойствам.

Крахмал не синтезируется в организмах животных. Аналогичным энергетическим веществом животных клеток является гликоген.

Физические свойства крахмала:

Химический состав крахмала:

(на 100 г. крахмала)

В картофельном крахмале присутствуют витамины B1, B2, B3 (PP), B4, B5, B6, B9, С и E, а также макро- и микроэлементы: кальций, железо, магний, фосфор, калий, натрий, цинк, медь, марганец, селен.

В кукурузном крахмале присутствуют витамин B4, а также макро- и микроэлементы: кальций, железо, магний, фосфор, калий, натрий, цинк, медь, марганец, селен.

Химические свойства крахмала. Химические реакции (уравнения) крахмала:

Основные химические реакции крахмала следующие:

1. 1. реакция крахмала с водой (гидролиз крахмала):

(C6H10O5)n + nН2О → nС6Н12O6 (tо, kat = H2SO4).

Важнейшее свойство крахмала – способность подвергаться гидролизу под действием ферментов или при нагревании с кислотами.

Гидролиз протекает ступенчато. Из крахмала сначала образуется декстрин ((C6H10O5)n), который гидролизуется до мальтозы (C12H22O11). Затем в результате гидролиза мальтозы образуется глюкоза (С6Н12O6).

Аналогичная реакция происходит во рту, желудке и кишечнике у живых организмов при попадании в него крахмала. В желудке и кишечнике крахмал под действием ферментов окончательно гидролизуется на глюкозу.

1. 2. качественная реакция на крахмал (реакция крахмала с йодом):  

(C6H10O5)n + I → комплексное соединение амилозы и амилопектина с йодом.

В результате реакции крахмала с раствором йода образуется комплексное соединение включения. Происходит окрашивание крахмала в синий цвет. При нагревании окрашивание исчезает (комплексное соединение амилозы и амилопектина разрушается), при охлаждении появляется вновь.

В соединении включения частицы одного вещества («молекулы-гости») внедряются в кристаллическую структуру «молекул-хозяев». В роли «молекул-хозяев» выступают молекулы амилозы и амилопектина, а «гостями» являются молекулы йода.

1. 3. не дает реакцию «серебряного зеркала» и не восстанавливает гидроксид меди до оксида меди:

При нагревании с аммиачным раствором оксида серебра крахмал не дает реакцию «серебряного зеркала». Кроме того, при нагревании с гидроксидом меди (II) крахмал не образует красного оксида меди (I).

Реакция «серебряного зеркала» и реакция с гидроксидом меди (II) с образованием красного оксида меди (I) характерны для лактозы и мальтозы. Поэтому крахмал еще именуют невосстанавливающим полисахаридом, т.к. он не восстанавливает Ag2O и Cu(OH)2.

Получение и производство крахмала:

Крахмал накапливается в зернах злаковых растений: рисе (до 86 %), пшенице (до 75 %), кукурузе (до 72 %), а также клубнях картофеля (до 24 %). Поэтому получение крахмала связано с выделением его из его источников. В промышленном масштабе его получают главным образом из клубней картофеля (в виде картофельной муки), а также кукурузы, в меньшей степени – из риса, пшеницы и других растений. Из картофеля и злаков крахмал получают,  разрушая клетки и отмывая его водой, после чего отстаивают и сушат.

Производство кукурузного крахмала:

Кукурузный крахмал получают путем обработки кукурузных зерен. После предварительной очистки кукурузные зёрна замачивают в серной кислоте, благодаря чему связывающий белок и другие вещества растворяется. Размякшие зёрна дробят и получают “крахмальное молоко” (крахмальную суспензию). Затем производят отделение крахмала от белка, не растворившегося в серной кислоте, отстаиванием или с помощью центрифуги. На следующем этапе отделившийся крахмал тщательно промывают и высушивают.

Производство картофельного крахмала:

Клубни картофеля предварительно моют и измельчают на терочных машинах до состояния кашки. Из полученной кашки на центрифугах отделяют клеточный сок и получают “крахмальное молоко”. “Крахмальное молоко” рафинируют и промывают водой. Образуется сгущенная суспензия крахмала, из которой затем осаждают крахмал. На следующем этапе отделившийся крахмал тщательно промывают, отстаивают и высушивают.

Применение крахмала:

– в качестве продукта питания как наиболее распространённый источник углеводов в рационе человека, а также для загущения многих пищевых продуктов и приготовления киселей, заправок, соусов и пр.,

– в пищевой промышленности – для получения глюкозы, патоки, этанола,

– в текстильной промышленности – для обработки тканей,

– в бумажной промышленности – в качестве наполнителя,

– в фармацевтической промышленности – в качестве наполнителя лекарственных препаратов,

– в быту – для накрахмаливания предметов одежды: воротников, халатов и пр.,

– в быту – для приклеивания обоев (крахмальный клейстер).

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com.

карта сайта

Коэффициент востребованности
13 388