KURZUS: Élelmiszer-kémia

MODUL: II. modul

2. lecke: Szénhidrátok

| Polihidroxi-aldehidek, polihidroxi-ketonok vagy származékaik, általános képletük (CH2O)n, ahol n≥3 . Az oligoszacharidok 2-10 monoszacharid glikozid kötéssel való kapcsolódása során jönnek létre. Ennél jóval nagyobb számú monoszacharid egyenes vagy elágazó láncú kapcsolódása útján keletkeznek a poliszacharidok.
a sejtek üzemanyagai polimer formában tartalék energiahordozók (keményítő, glikogén) támasztó- és vázanyagok, a növényi sejtfalak építőelemei, bakteriális és állati sejthártyák alkotórészei fehérjékkel kapcsolódva glikoproteint képeznek alkotórészei a nukleotidoknak, alkaloidoknak, mukopoliszacharidoknak
A monoszacharidok aszerint, hogy aldehid- vagy ketocsoportot tartalmaznak, lehetnek aldózok vagy ketózok. A cukrok kristályos, édes ízű anyagok, vízben jól, apoláros oldószerekben nem oldódnak. A cukrok optikailag aktívak, azaz a poláros fény síkját jobbra vagy balra forgatják el. A dihidroxi-aceton kivételével minden monoszacharid tartalmaz egy vagy több aszimmetriás szénatomot, ami sztereoizomerek létezését teszi lehetővé. Azokat a cukrokat, amelyek konfigurációja csak egy szénatomban különbözik, epimereknek nevezzük.

| Önellenőrző kérdések I.
1. Melyik a D-fruktóz képlete?
| C6H12O6
| C5H10O5
| C8H16O8
| C6H10O6
2. Melyik a gyümölcscukor?
| glükóz
| szacharóz
| fruktóz
| maltóz

| A D-glükóz (más néven szőlőcukor vagy dextróz) polimer formában a növényi és állati poliszacharidok (glikogén, keményítő, cellulóz) építőeleme. A D-mannóz a mannánok alkotórésze. A D-galaktóz a tejcukor, a glikozidok és a galaktán alkotórésze. Az agyban és az idegsejtekben előforduló szfingolipidek cukorkomponense a D-fruktóz (más néven levulóz vagy gyümölcscukor), a szacharóz egyik komponense. Fruktózegységekből épül fel az inulin, a fészkesvirágzatúak tartaléktápanyaga.
A cukrok redukáló tulajdonságú vegyületek, amelyek alkalmas feltételek mellett képesek redukálni különböző fémvegyületeket, pl. Ag+-ionokat fémezüstté vagy Cu2+-ionokat Cu+-ionokká. Ezen tulajdonságukat széles körben alkalmazzák kimutatásukra, illetve mennyiségi meghatározásukra.
A glikozidképződés során a cukor glikozidos hidroxilcsoportja alkohollal, fenollal, tioalkohollal, tiofenollal vagy aminnal lép kondenzációs reakcióba. Az új molekulában a cukor részt glikonnak, a nem cukor részt aglikonnak hívjuk. Az aglikon típusától függően a glikozidos szénatomhoz kapcsolódó atom lehet oxigén, nitrogén vagy kén, s ettől függően nevezzük a vegyületet glikozidnak, illetve O-glikozidnak, N-glikozidnak vagy tioglikozidnak.
A reverzió a monoszacharidok intermolekuláris vízvesztése, valójában kondenzáció.
A kristályos cukrot vagy vizes oldatát hevítve jellegzetes aromájú, barna színű termék, a karamell keletkezik. A folyamat különösen 130 °C felett intenzív, de már 100 °C alatt is elkezdődik. A folyamat során heteromolekulák keletkeznek, létrejönnek különféle barna színű, telítetlen polimerek, furánszármazékok, kifejezetten karamell aromájú diacetil-formozin és ciklopentenolok.
A monoszacharidok (redukáló szénhidrátok) szabad aminocsoporttal reagálva, megfelelő körülmények között, bonyolult, többirányú reakcióból álló változáson mennek keresztül, amelynek során aromakomponensek és barna színű pigmentek, melanoidinek keletkeznek. A folyamatot nem enzimes barnulásnak (NEB) vagy a reakció első tanulmányozójáról Maillard-reakciónak nevezzük. Sok élelmiszer-technológiai folyamat (kávépörkölés, kenyérsütés) során előnyös, más esetben viszont (szárított, pirított élelmiszerek tárolása) hátrányos a reakció.
Az oligoszacharidok képződéséhez a monoszacharidok kétféleképpen kapcsolódhatnak: diszacharid esetében lehetséges, hogy az egyik molekula glikozidos hidroxilja a másik molekula alkoholos hidroxiljával lép reakcióba. Ilyenkor a diszacharidban marad egy szabad glikozidos hidroxilcsoport, ezért a csoport neve redukáló diszacharid (laktóz, vizes oldatban a maltóz, cellobióz), glikozil-aldóz, illetve glikozil-ketóz. Ha mindkét monoszacharid a glikozidos hidroxilcsoporttal vesz részt a reakcióban, akkor nem redukáló diszacharid (szacharóz), glikozil-aldozid, illetve glikozil-ketozid a reakciótermék.
A poliszacharidok nagy molekulatömegű vegyületek, amelyekben az egyes cukormolekulák glikozidos kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. Savas vagy enzimes hidrolízissel monoszacharidokra bomlanak. Meghatározó, hogy milyen és mennyi monoszacharidból vagy monoszacharidszármazékból épülnek fel, valamint hogy a cukorrészek hogyan kapcsolódnak egymáshoz, azaz elágazások nélkül vagy elágazó szénlánccal. Ha azonos monoszacharidokból áll homopoliszacharidnak, többféle monoszacharid esetén heteropoliszacharidnak nevezzük.
A keményítő nem egységes vegyület, hanem két glükózpolimer, az amilóz és az amilopektin keveréke. Az amilózelágazás nélküli szénláncú, kb. 100-300 glükózmolekulából, α−( 1→4 ) kötéssel kapcsolódó α-D-glükopiranozil egységekből épül fel. Az amilóz a jóddal kék színreakciót ad; a jód a hélix belsejében helyezkedik el, és jellegzetes, alagutas szerkezetű zárványvegyületet alkot. Az amilóz-jódkomplex színe függ az amilózmolekula hosszától, ugyanis 12 glükózegység csak enyhe sárga, 20 körüli vöröses színt, 30 glükózegység bíbor, majd a 45 polimerizációs fok elérésekor kék színt ad a keményítővel. Az amilopektin ugyancsak glükózegységekből épül fel, de elágazó szerkezetű, mert az α−( 1→4 ) kötések mellett α−( 1→6 ) kötéseket is tartalmaz. A keményítő vizes szuszpenzióját melegítve meghatározott hőmérsékletnél a rendszer duzzadása fokozódik, és jelentősen megnő a viszkozitása, a csirizesedésnek nevezett folyamat során pedig a keményítő szerkezete irreverzíbilisen megváltozik, ugyanis a keményítőszuszpenzió pasztaszerű anyaggá változik, amit csiriznek nevezünk. A keményítő csirizesedési hőmérséklete, duzzadásának mértéke élelmiszer-technológiai szempontból nagyon jelentős. Keményítőcsiriznél lehűlés után a retrogradációnak vagy öregedésnek is nevezett folyamat figyelhető meg. A nagy amilopektintartalmú keményítőkből készült gélnél az öregedés nagyon lassú folyamat. A keményítőgél öregedése okozza a sütőipari termékek morzsalékosságát is.
A glikogén. A glikogén fehér, íztelen, szagtalan por, az állati szervezetek tartalék szénhidrátja. A glikogén szerkezete az amilopektinéhez hasonló α-D-glükóz részekből épül fel 1→4 kötéssel, 10-24 glükózrészenként α−( 1→6 ) elágazásokkal.

| Önellenőrző kérdések II.
1. Melyik nem oligoszacharid?
| maltóz
| cellulóz
| cellobióz
| laktóz
2. Melyik reakció során keletkezik diacetil-formozin?
| Maillard-reakció
| karamellizáció

| Elvégzendő gyakorlatok
1. Szénhidrátok kimutatása
Anyagok: szacharóz, desztillált víz, 15%-os α-naftol oldat, cc. H2SO4
Eszközök: kémcső, főzőpohár, vegyszeres kanál, pipetta
Végrehajtás: Készítsen cukoroldatot 5 g szacharóz és 20 ml desztillált víz segítségével. A kémcsőbe tegyen 5 cm3 oldatot, majd adjon hozzá 5 cm3 α-naftol oldatot és 5 cm3 cc. H2SO4-t.
Beadandó: Fényképezze le, és írja le a tapasztaltakat, majd magyarázza!
2. Szénhidrátok redukáló hatásának vizsgálatai
1. Anyagok: 10%-os NaOH, glükóz, 1 m/m%-os metilénkék-oldat, deszt.víz
Szükséges eszközök: kémcső, gumidugó, 2 db főzőpohár
Végrehajtás: 5 cm3deszt.vízbe öntsön 1 cm3 NaOH-oldatot, majd tegyen bele 2 g glükózt, és adjon az oldathoz egy csepp 1 m/m%-os metilénkék-oldatot. Zárja le a kémcsövet gumidugóval, majd erélyesen rázza össze. Ezután hagyja állni, majd ismét rázza össze.
Beadandó: Írja le milyen kémiai folyamatnak köszönhető a színváltozás!
2. Anyagok: glükóz, szacharóz, 1 m/m%-os ezüst-nitrát oldat, 2 mol/dm3 ammóniaoldat, Fehling I.II. oldat
Fehling I: 3,5 g CuSO4, 50 cm3 H2O
Fehling II: 17,5g K-Na-tartarát, 5 g NaOH, 50 cm3 H2O
Szükséges eszközök: 4 kémcső, vízfürdő, kémcsőfogó
Végrehajtás:
a) | Ezüst-tükör próba: Öntsön 5 cm3 1 m/m%-os ezüst-nitrát oldatot a kémcsőbe, adjon hozzá kevés ammónia oldatot, hogy a csapadék éppen feloldódjon. Adjon az oldathoz kevés szőlőcukrot, majd tegye a kémcsövet 70-80 oC-os vízfürdőbe. Végezze el szacharózzal is!
b) | Fehling-reakció: 5 cm3 Fehling I -oldathoz annyi Fehling II. oldatot adjon, hogy a csapadék éppen feloldódjon, majd adjon hozzá kevés szőlőcukrot és forrásig melegítse az oldatot. Végezze el szacharózzal is!
Beadandó: Fényképezze le a kémcsöveket! Kémiai folyamatokkal indokolja az eltérő változásokat!Írja fel a komplexek képződésének egyenletét!
3. Keményítő vizsgálata
Szükséges eszközök: 20 db kémcső, 3 db főzőpohár, vegyszeres kanál, pipetta, Bunsen-égő, stopper
Anyagok: 0,1 mol HCl, desztillált víz, keményítő, jég, Lugol-oldat, Fehling reagensek
Végrehajtás: Helyezzen 10 db kémcsövet egy kémcsőtartóba, és mindegyikbe 10 cm3 0,1 mólos sósavoldatot töltsön. Minden kémcsőhöz adjon olyan keményítőtartalmú oldatot, amelyet 10 g keményítőcsiriz és 50 cm3 desztillált víz elkeverésével állított elő. A keményítőoldatból töltsön 1 cm3-t mindegyik kémcsőbe, tartalmukat rázza jól össze, és helyezze őket forró vizes edénybe. A forrás kezdetétől számított kétpercenként vegyen ki egy-egy kémcsövet a forró vízből, és jeges vízben azonnal hűtse le. A tizedik kémcső kivétele után (20 perc) várja meg, amíg mindegyik kémcső tökéletesen kihűl, tartalmukat felezze meg, és végezze el egyik felével a jód-keményítő, a másik felével pedig a Fehling-reakciót.
Beadandó: Fényképezze le a kémcsöveket egymás mellé állítva időrendben, külön-külön a két reakció eredményét. Magyarázza meg, mi lehet a változás oka!
4. Tejcukor kimutatása
Anyagok: tej, ecetsav, NaOH, Fehling I, II. oldatok
Szükséges eszközök: tölcsér, szűrőpapír, mérőhenger, kémcső
Végrehajtás:
a) | 2 cm3 tejjel végezze el a Fehling-reakciót.
b) | 8 cm3 tejhez adjon 1 cm3 ecetsavat, forralja fel és szűrje meg a folyadékot. A szűrletet lúgosítsa meg, majd végezze el rajta a Fehling-reakciót.
Beadandó: Magyarázza kémiai folyamatokkal a látottakat!
5. Szőlőcukor, karbamid és keményítő megkülönböztetése
Anyagok: szőlőcukor, karbamid, keményítő,
Végrehajtás: A tanultak alapján, a rendelkezésre álló anyagok és eszközök segítségével állapítsa meg melyik az 1. 2. és 3. anyag!
Beadandó: Írja le az ön által tett lépéseket sorban, pontosan (eszközök, vegyszerek, mennyiségek...), majd írja fel mit tartalmaztak a kémcsövek!

| Önellenőrző kérdések III.
1. Mit nem tartalmaz a Fehling-reagens?
| NaOH
| CuSO4
| H2SO4
| Na-K-tartarát