Какие продукты образуются при полном гидролизе крахмала
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 9 октября 2019;
проверки требуют 10 правок.
Крахма́л (C6H10O5)n — смесь полисахаридов амилозы и амилопектина, мономером которых является альфа-глюкоза. Крахмал, синтезируемый разными растениями в хлоропластах (под действием света при фотосинтезе) несколько различается по структуре зёрен, степени полимеризации молекул, строению полимерных цепей и физико-химическим свойствам.
Физические свойства[править | править код]
Безвкусный аморфный порошок белого цвета, нерастворимый в холодной воде. Под микроскопом видны отдельные зёрна; при сжатии порошка крахмала он издаёт характерный скрип, вызванный трением частиц.
Химические свойства[править | править код]
В горячей воде набухает (растворяется), образуя коллоидный раствор — клейстер. 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[2]:
Качественные реакции:
- взаимодействует с йодом (окрашивание в синий цвет), образуется соединение включения. Эту реакцию открыли в 1814 году Жан-Жак Колен (Jean-Jacques Colin) и Анри-Франсуа Готье де Клобри (Henri-François Gaultier de Claubry)[3].
- Крахмал, в отличие от глюкозы, не даёт реакции серебряного зеркала;
- Подобно сахарозе, не восстанавливает гидроксид меди (II);
Биосинтез[править | править код]
Часть глюкозы, образующейся в зелёных растениях при фотосинтезе, превращается в крахмал:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 (суммарная формула)
nC6H12O6(глюкоза) → (C6H10O5)n + nH2O
В общем виде это можно записать как 6nCO2 + 5nH2O → (C6H10O5)n+ 6nO2.
Крахмал в качестве резервного питания накапливается в клубнях, плодах, семенах растений. Так, в наиболее часто используемых для производства крахмала растениях, клубнях картофеля содержится до 24 % крахмала, в зёрнах пшеницы — до 64 %, риса — 75 %, кукурузы — 70 %.
Модификация крахмала[править | править код]
В промышленности превращение крахмала в глюкозу (процесс осахаривания) происходит путём его кипячения на протяжении нескольких часов в разбавленной серной кислоте (каталитическое влияние серной кислоты на осахаривание крахмала было обнаружено в 1811 году К. С. Кирхгофом). Чтобы из полученного раствора удалить серную кислоту, в него добавляют мел, получая из серной кислоты нерастворимый сульфат кальция. Последний отфильтровывают и вещество выпаривают. Получается густая сладкая масса — крахмальная патока, которая содержит, кроме глюкозы, значительное количество остальных продуктов гидролиза крахмала.
Патока используется для приготовления кондитерских изделий и для разнообразных технических целей.
Если нужно получить чистую глюкозу, то кипячение крахмала ведут дольше, чем достигается более полное превращение его в глюкозу. Полученный после нейтрализации и фильтрования раствор сгущают, пока из него не начнут выпадать кристаллы глюкозы.
Также в настоящее время гидролиз крахмала производят ферментативно, с использованием альфа-амилазы для получения декстринов различной длины, и глюкоамилазы − для дальнейшего их гидролиза с получением глюкозы.
При нагревании сухого крахмала до 200—250 °C происходит частичное его разложение и получается смесь менее сложных, чем крахмал, полисахаридов (декстрин и другие).
Физическое изменение позволяет получать крахмал с высокой способностью удерживать влагу, что, в свою очередь, придаёт конечному продукту желаемую консистенцию.
Пищевое значение[править | править код]
В желудочном тракте человека и животного крахмал поддаётся гидролизу и превращается в глюкозу, которая усваивается организмом. Промежуточными продуктами гидролиза крахмала являются декстрины.
Крахмал как пищевая добавка используется для загущения многих пищевых продуктов, приготовления киселей, заправок и соусов.
Крахмал является наиболее распространённым углеводом в рационе человека и содержится во многих основных продуктах питания. Главными источниками крахмала в мире являются зерновые культуры: рис, пшеница, кукуруза; различные корнеплоды, в том числе картофель, а также маниок.[4] Большинство других крахмалистых продуктов произрастают только в местах с определённым климатом, например: рожь, ячмень, гречиха, овёс, пшено, жёлуди, бананы, каштаны, сорго, батат, плоды хлебного дерева, ямс, таро, чилим, маранта, арракача, канна, колоказия, кандык японский, пуэрария дольчатая, маланга, кислица клубненосная, такка перистонадрезанная, саго, и многие виды бобовых — таких, как чечевица, бобы садовые, маш, горох лущильный, нут.
Широко известными блюдами, содержащими крахмал, можно назвать: хлеб, блины, лапшу, макароны, каши, кисели и различные лепёшки, в том числе тортильи.
Для пищеварительных ферментов расщепление кристаллического крахмала (класс РК3) представляет некоторую сложность. Сырой крахмал плохо переваривается в двенадцатиперстной и тонкой кишках, а бактериальное разложение будет проходить в основном в толстой кишке. Продукты с большим количеством амилозы хуже перевариваются, чем с амилопектином. При этом даже резистентный (неперевариваемый) крахмал (классов РК2, РК3, РК4) играет свою физиологическую роль: медленная переработка такого крахмала в кишечнике не вызывает гипергликемии (увеличения концентрации глюкозы в крови, что особенно важно для больных сахарным диабетом), образует органические кислоты — основной источник энергии эпителия толстого кишечника, поддерживает иммунитет кишечного тракта, противовоспалительную защиту организма и другое.[5] В целях повышения усваиваемости крахмала его термически обрабатывают. Поэтому, прежде чем люди начали использовать огонь, зерно и другие высококрахмалосодержащие продукты были не самым лучшим способом получения энергии организмом (в отличие от белковой пищи). Термическая обработка изменила это,но это изменение в поступлении энергии из пищи с быстро легкоусваиваемыми углеводами стало одним из факторов развития метаболических синдром в наше время, включая ожирение и диабет.
Клейстеризация и желатинизация крахмала, например, во время выпечки торта, может быть снижена за счёт сахара, конкурирующего за воду, что улучшает текстуру крахмала, предотвращая «зарезинивание».
Применение в промышленности[править | править код]
В мире наибольшее применение крахмал нашёл в целлюлозно-бумажной промышленности, насчитывая миллионы метрических тонн ежегодно[6].
В пищевой промышленности крахмал используется для получения глюкозы, патоки, этанола, в текстильной — для обработки тканей, в бумажной — в качестве наполнителя. Кроме того, крахмал входит в состав большинства колбас, майонеза, кетчупа и других продуктов.
Модифицированный крахмал является основным компонентом клея для обоев.
Применяется в фармацевтической промышленности в качестве наполнителя таблетированных форм лекарственных препаратов, некоторых лекарственных капсул, декстраны (декстрины) используются для приготовления ряда инфузионных растворов для внутривенных вливаний (гемодез, полиглюкин, реополиглюкин и т. д.).
Применение в быту[править | править код]
Применение крахмала для приклеивания в быту
Крахмал используется для накрахмаливания предметов одежды: воротников, халатов и так далее. Крахмальный клейстер применяется для приклеивания обоев, изготовления папье-маше. Иногда крахмал используется в качестве присыпок.
Биологические свойства[править | править код]
Крахмал, являясь одним из продуктов фотосинтеза, широко распространён в природе. Для растений он является запасом питательных веществ и содержится в основном 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 %).
Для организма человека крахмал наряду с сахарозой служит основным поставщиком углеводов — одного из важнейших компонентов пищи. Под действием собственных ферментов человека крахмал гидролизуется до глюкозы, которая окисляется в клетках до углекислого газа и воды с выделением энергии, необходимой для функционирования живого организма.
Раствор крахмала в воде является неньютоновской жидкостью.
Грязевой крахмал[править | править код]
Грязевой крахмал — побочный продукт при производстве первого сорта крахмала: та его часть, которая отлагается вверху при отмывке в осадочных чанах или чанах с мешалкой. Содержит 90—95 % крахмала, перерабатывается вторично на крахмал.
См. также[править | править код]
- Клейстер
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Крахмал // Краткая энциклопедия домашнего хозяйства / под ред. А. И. Ревина. — М.: Советская энциклопедия, 1960. — Т. 1. — С. 293—294. — 770 с.
Крахмал (С6Н10О5)n – полисахарид, который состоит из двух фракций: 25% линейной амилозы и 75% разветвленного амилопектина. Он образуется на свету в растениях в процессе фотосинтеза.
Это вещество представляет собой белый порошок, который не растворяется в холодной воде, образуя взвесь. После отстаивания взвеси на дне ёмкости откладывается белый осадок, а воду легко можно слить. После высыхания крахмал восстанавливает все свои свойства.
В горячей же воде это вещество образует коллоидный раствор – это такая клейкая жидкость, которую ещё называют крахмальным клейстером и часто используют в быту в качестве склеивающего вещества. А ещё на этом его свойстве основано приготовление киселей и некоторых десертов.
Крахмал — это химически инертное вещество. Для того чтобы оно вступило в реакцию, необходимо участие в этом процессе катализаторов.
На его физических и химических свойствах основано применение этого вещества. Так, крахмал и его производные часто применяются в пищевой, текстильной и бумажной промышленностях. И для живых организмов он играет немаловажную роль.
Для использования этого органического вещества в промышленных целях его подвергают химическому воздейстивию. Гидролиз крахмала – это процесс обмена между ионами вещества и водой, который может быть ферментативным или кислотным.
Химический гидролиз крахмала — реакция каталитическая, так как происходит при нагревании в присутствии неорганических кислот. В ходе данной химической реакции образуется глюкоза, которую можно выразить уравнением:
(С6Н10О5)n + nH2O +(кат. H2SO4+t°) = nC6H12O6.
Но в последнее время большую популярность приобретает ферментативный гидролиз крахмала. Используя специальные технологии, из него получают этиловый спирт, патоку и глюкозу так же, как и при химическом гидролизе.
Преимущество этого процесса в том, что для него в качестве исходного материала берут крахмалосодержащие растения, например, рожь, картофель, кукурузу, рис и некоторые другие. Эти эти исходники, к тому же, содержат в своём составе амилолитические ферменты, которые и используют в процессе гидролиза.
Например, такими ферментами является изоамилазы и пуллуланазы, глюколиназы. Ферменты – природные катализаторы, которые ускоряют ход химических реакций. Схематически процесс расщепления крахмала под действием ферментов выглядит так: крахмал → растворимый крахмал (амилоза) → олигосахариды (декстрины) → дисахарид (мальтоза = солод) → α-глюкоза. Его можно выразить также уравнением:
(C6H10O5)n + nH2O +(кат.- фермент) = nC6H12O6
Наглядно можно увидеть, что произошел химический гидролиз, проведя эксперимент. Кипятим смесь крахмального клейстера с серной кислотой. Проверяем, произошел ли гидролиз — капаем йод. Если реакция отрицательная, то есть нет синего или фиолетового окрашивания, значит, гидролиз произошел.
Теперь доказываем, что продукт гидролиза – глюкоза. Добавляем к полученному раствору щелочь и сульфат меди (II)(CuSO4). Осадок гидроксида меди не выпадает, раствор приобретает ярко-синюю окраску. Нагреваем и видим образование осадка терракотового (кирпичного) цвета – это значит, что в растворе есть глюкоза, которая образовалась в ходе гидролиза.
В организме человека также происходит ферментативный гидролиз крахмала. Этот процесс очень важен, так как при этом образуются углеводы, в частности, глюкоза. Она окисляется в каждой клетке организма, образуя воду и углекислый газ, при этом выделяя энергию, которая необходима для нормального функционирования организма.
Гидролиз крахмала с помощью ферментов начинается в ротовой полости при пережевывании пищи. Слюна человека содержит фермент – амилазу, под действием которой крахмал расщепляется на более простые составляющие – декстрины. Этот процесс человек может даже ощутить. Ведь если долго жевать хлеб, то во рту появляется сладковатый вкус, который и свидетельствует о том, что начался процесс гидролиза крахмала. Избыток глюкозы, которая образуется в ходе гидролиза, откладывается в печени в виде запасного питательного вещества – гликогена.
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