Снижения сахара - Reducing sugar
Восстанавливающий сахар является любым сахаром , который способен действовать в качестве восстанавливающего агента . В щелочном растворе редуцирующий сахар образует некоторое количество альдегида или кетона , что позволяет ему действовать как восстанавливающий агент, например, в реактиве Бенедикта . В такой реакции сахар превращается в карбоновую кислоту .
Все моносахариды представляют собой восстанавливающие сахара, а также некоторые дисахариды , некоторые олигосахариды и некоторые полисахариды . Моносахариды можно разделить на две группы: альдозы с альдегидной группой и кетозы с кетонной группой. Кетозы должны сначала таутомеризоваться до альдоз, прежде чем они смогут действовать как редуцирующие сахара. Обычные диетические моносахариды галактоза , глюкоза и фруктоза являются редуцирующими сахарами.
Дисахариды образуются из двух моносахаридов и могут быть классифицированы как восстанавливающие или невосстанавливающие. Невосстанавливающие дисахариды, такие как сахароза и трегалоза, имеют гликозидные связи между своими аномерными атомами углерода и, таким образом, не могут преобразовываться в форму с открытой цепью с альдегидной группой; они застряли в циклической форме. Восстанавливающие дисахариды, такие как лактоза и мальтоза, имеют только один из двух аномерных атомов углерода, участвующих в гликозидной связи, в то время как другой является свободным и может превращаться в форму с открытой цепью с альдегидной группой.
Функциональная альдегидная группа позволяет сахару действовать как восстанавливающий агент, например, в тесте Толленса или тесте Бенедикта . Циклические полуацетальные формы альдоз могут открываться с образованием альдегида, а некоторые кетозы могут подвергаться таутомеризации с образованием альдоз. Однако ацетали , в том числе содержащиеся в полисахаридных связях, не могут легко превратиться в свободные альдегиды.
Восстанавливающие сахара вступают в реакцию с аминокислотами в реакции Майяра - серии реакций, которые происходят при приготовлении пищи при высоких температурах и которые важны для определения вкуса пищи. Кроме того, уровни редуцирующих сахаров в вине, соке и сахарном тростнике указывают на качество этих пищевых продуктов.
Терминология
Снижение окисления
Восстанавливающий сахар является тот , который уменьшает другое соединение и сам окисляется ; то есть карбонильный углерод сахара окисляется до карбоксильной группы.
Сахар классифицируется как редуцирующий сахар, только если он имеет форму с открытой цепью с альдегидной группой или свободной полуацетальной группой.
Альдозы и кетозы
Моносахариды, содержащие альдегидную группу, известны как альдозы , а те, которые имеют кетоновую группу, известны как кетозы . Альдегид может быть окислен посредством окислительно-восстановительной реакции, в которой восстанавливается другое соединение. Таким образом, альдозы восстанавливают сахар. Сахара с кетоновыми группами в форме их открытой цепи способны изомеризоваться посредством серии таутомерных сдвигов с образованием альдегидной группы в растворе. Следовательно, кетоны, такие как фруктоза , считаются восстанавливающими сахарами, но восстанавливающими являются изомер, содержащий альдегидную группу, поскольку кетоны не могут быть окислены без разложения сахара. Этот тип изомеризации катализируется основанием, присутствующим в растворах, которые проверяют наличие восстанавливающих сахаров.
Снижение конца
Дисахариды состоят из двух моносахаридов и могут быть восстанавливающими или невосстанавливающими. Даже восстанавливающий дисахарид будет иметь только один восстанавливающий конец, поскольку дисахариды удерживаются вместе гликозидными связями, которые состоят по крайней мере из одного аномерного углерода . Поскольку один аномерный углерод не может преобразоваться в форму с открытой цепью, только свободный аномерный углерод доступен для восстановления другого соединения, и его называют восстанавливающим концом дисахарида. Невосстанавливающий дисахарид - это тот, у которого оба аномерных атома углерода связаны гликозидной связью.
Точно так же у большинства полисахаридов есть только один восстанавливающий конец.
Примеры
Все моносахариды являются восстанавливающими сахарами, потому что они либо имеют альдегидную группу (если они являются альдозами), либо могут таутомеризоваться в растворе с образованием альдегидной группы (если они являются кетозами). Это включает обычные моносахариды, такие как галактоза , глюкоза , глицеральдегид , фруктоза , рибоза и ксилоза .
Многие дисахариды , такие как целлобиоза , лактоза и мальтоза , также имеют восстанавливающую форму, поскольку одно из двух звеньев может иметь форму с открытой цепью с альдегидной группой. Однако сахароза и трегалоза , в которых аномерные атомы углерода двух звеньев связаны вместе, являются невосстанавливающими дисахаридами, поскольку ни одно из колец не способно к раскрытию.
В глюкозных полимерах , такие как крахмал и крахмало производные , такой как сироп глюкозы , мальтодекстрин и декстрина в макромолекуле начинается с восстанавливающим сахаром, свободным альдегидом. Когда крахмал частично гидролизован, цепи расщепляются, и, следовательно, он содержит больше восстанавливающих сахаров на грамм. Процент редуцирующих сахаров, присутствующих в этих производных крахмала, называется эквивалентом декстрозы (DE).
Гликоген - это сильно разветвленный полимер глюкозы, который служит основной формой хранения углеводов у животных. Это редуцирующий сахар только с одним восстанавливающим концом, независимо от того, насколько велика молекула гликогена или сколько у нее разветвлений (обратите внимание, однако, что уникальный восстанавливающий конец обычно ковалентно связан с гликогенином и, следовательно, не будет восстанавливать). Каждая ветвь заканчивается остатком невосстанавливающего сахара. Когда гликоген расщепляется для использования в качестве источника энергии, единицы глюкозы удаляются по одной с невосстанавливающих концов ферментами.
Характеристика
Несколько качественных тестов используются для определения присутствия редуцирующих сахаров. В двух из них используются растворы ионов меди (II) : реактив Бенедикта (Cu 2+ в водном цитрате натрия) и раствор Фелинга (Cu 2+ в водном тартрате натрия). Восстановительный сахар восстанавливает ионы меди (II) в этих испытательных растворах до меди (I), которая затем образует осадок оксида меди (I) кирпично-красного цвета . Восстановительные сахара также можно обнаружить при добавлении реагента Толлена , который состоит из ионов серебра (Ag + ) в водном растворе аммиака. Когда реагент Толлена добавляется к альдегиду, он осаждает металлическое серебро, часто образуя серебряное зеркало на чистой стеклянной посуде.
3,5-динитросалициловая кислота - еще один тестовый реагент, позволяющий проводить количественное определение. Он реагирует с редуцирующим сахаром с образованием 3-амино-5-нитросалициловой кислоты , которую можно измерить спектрофотометрией, чтобы определить количество присутствующего редуцирующего сахара.
Некоторые сахара, такие как сахароза, не вступают в реакцию ни с одним из тестовых растворов восстанавливающего сахара. Однако невосстанавливающий сахар можно гидролизовать с помощью разбавленной соляной кислоты . После гидролиза и нейтрализации кислоты продукт может быть редуцирующим сахаром, который нормально реагирует с исследуемыми растворами.
Все углеводы превращаются в альдегиды и положительно реагируют на тест Молиша . Но тест на моносахариды проходит быстрее.
Значение в медицине
Раствор Фелинга много лет использовался в качестве диагностического теста на диабет , заболевание, при котором уровень глюкозы в крови опасно повышается из-за неспособности производить достаточное количество инсулина (диабет 1 типа) или из-за неспособности реагировать на инсулин (диабет 2 типа). Измерение количества окислителя (в данном случае раствора Фелинга), восстановленного глюкозой, позволяет определить концентрацию глюкозы в крови или моче. Затем это позволяет ввести нужное количество инсулина, чтобы вернуть уровень глюкозы в крови в нормальный диапазон.
Важность пищевой химии
Реакция Майяра
Карбонильные группы восстанавливающих сахаров реагируют с аминогруппами аминокислот в реакции Майяра - сложной серии реакций, происходящих при приготовлении пищи. Продукты реакции Майяра (MRP) разнообразны; некоторые из них полезны для здоровья человека, а другие токсичны. Однако общий эффект реакции Майяра заключается в снижении питательной ценности пищи. Одним из примеров токсичного продукта реакции Майяра является акриламид , нейротоксин и возможный канцероген, который образуется из свободного аспарагина и редуцирующих сахаров при приготовлении крахмалистых продуктов при высоких температурах (выше 120 ° C). Но данные эпидемиологических исследований показывают, что диетический акриламид вряд ли повысит риск развития рака у людей.
Качество питания
Уровень редуцирующих сахаров в вине, соке и сахарном тростнике свидетельствует о качестве этих пищевых продуктов, а мониторинг уровней редуцирующих сахаров во время производства продуктов питания улучшил рыночное качество. Традиционным методом для этого является метод Лейна-Эйнона, который включает титрование редуцирующего сахара медью (II) в растворе Фелинга в присутствии метиленового синего , обычного индикатора окислительно-восстановительного потенциала . Однако это неточно, дорого и чувствительно к примесям.