stringtranslate.com

Снижение сахара

Восстановительная форма глюкозы ( альдегидная группа находится справа)

Восстанавливающий сахар — это любой сахар , способный действовать как восстановитель . [1] В щелочном растворе восстанавливающий сахар образует некоторое количество альдегида или кетона , что позволяет ему действовать как восстановитель, например, в реагенте Бенедикта . В такой реакции сахар становится карбоновой кислотой .

Все моносахариды являются восстанавливающими сахарами, наряду с некоторыми дисахаридами , некоторыми олигосахаридами и некоторыми полисахаридами . Моносахариды можно разделить на две группы: альдозы , которые имеют альдегидную группу, и кетозы , которые имеют кетонную группу. Кетозы должны сначала таутомеризоваться в альдозы, прежде чем они смогут действовать как восстанавливающие сахара. Обычные пищевые моносахариды галактоза , глюкоза и фруктоза являются восстанавливающими 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 преобразоваться в форму с открытой цепью с альдегидной группой; они застревают в циклической форме. Восстанавливающие дисахариды, такие как лактоза и мальтоза, имеют только один из двух своих аномерных атомов углерода, вовлеченных в гликозидную связь, в то время как другой свободен и может преобразоваться в форму с открытой цепью с альдегидной группой.

Альдегидная функциональная группа позволяет сахару действовать как восстановитель, например, в тесте Толленса или тесте Бенедикта . Циклические полуацетальные формы альдоз могут раскрываться, чтобы выявить альдегид, а некоторые кетозы могут подвергаться таутомеризации, чтобы стать альдозами. Однако ацетали , включая те, которые находятся в полисахаридных связях, не могут легко стать свободными альдегидами.

Восстанавливающие сахара реагируют с аминокислотами в реакции Майяра , серии реакций, которые происходят во время приготовления пищи при высоких температурах и которые важны для определения вкуса пищи. Кроме того, уровни восстанавливающих сахаров в вине, соке и сахарном тростнике являются показателями качества этих пищевых продуктов.

Терминология

Окислительно-восстановительный

Восстанавливающий сахар – это тот, который восстанавливает другое соединение и сам окисляется ; то есть карбонильный углерод сахара окисляется до карбоксильной группы. [2]

Сахар классифицируется как восстанавливающий сахар только в том случае, если он имеет форму с открытой цепью с альдегидной группой или свободной полуацетальной группой. [3]

Альдозы и кетозы

Моносахариды , содержащие альдегидную группу, называются альдозами , а моносахариды с кетонной группой называются кетозами . Альдегид может окисляться посредством окислительно-восстановительной реакции , в которой восстанавливается другое соединение. Таким образом, альдозы являются восстанавливающими сахарами. Сахара с кетонными группами в форме открытой цепи способны изомеризоваться посредством серии таутомерных сдвигов с образованием альдегидной группы в растворе. Поэтому кетоны, такие как фруктоза, считаются восстанавливающими сахарами, но именно изомер, содержащий альдегидную группу, является восстанавливающим, поскольку кетоны не могут окисляться без разложения сахара. Этот тип изомеризации катализируется основанием, присутствующим в растворах, которые проверяют на наличие восстанавливающих сахаров. [3]

Редукционный конец

Дисахариды состоят из двух моносахаридов и могут быть как восстанавливающими, так и невосстанавливающими. Даже восстанавливающий дисахарид будет иметь только один восстанавливающий конец, так как дисахариды удерживаются вместе гликозидными связями , которые состоят по крайней мере из одного аномерного углерода . При одном аномерном углероде, неспособном преобразоваться в форму с открытой цепью, только свободный аномерный углерод доступен для восстановления другого соединения, и он называется восстанавливающим концом дисахарида. Невосстанавливающий дисахарид — это тот, в котором оба аномерных углерода связаны гликозидной связью. [4]

Аналогично, большинство полисахаридов имеют только один восстанавливающий конец.

Примеры

Все моносахариды являются восстанавливающими сахарами, поскольку они либо имеют альдегидную группу (если они являются альдозами), либо могут таутомеризоваться в растворе с образованием альдегидной группы (если они являются кетозами). [5] Сюда входят такие распространенные моносахариды, как галактоза , глюкоза , глицеральдегид , фруктоза , рибоза и ксилоза .

Многие дисахариды , такие как целлобиоза , лактоза и мальтоза , также имеют восстанавливающую форму, поскольку одна из двух единиц может иметь форму с открытой цепью с альдегидной группой. [6] Однако сахароза и трегалоза , в которых аномерные атомы углерода двух единиц связаны вместе, являются невосстанавливающими дисахаридами, поскольку ни одно из колец не способно раскрываться. [5]

Равновесие между циклической и открытой цепочкой в ​​одном кольце мальтозы

В полимерах глюкозы, таких как крахмал и производные крахмала , такие как сироп глюкозы , мальтодекстрин и декстрин, макромолекула начинается с восстанавливающего сахара, свободного альдегида. Когда крахмал частично гидролизуется, цепи расщепляются, и, следовательно, он содержит больше восстанавливающих сахаров на грамм. Процент восстанавливающих 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 восстанавливающий сахар с одним восстанавливающим концом, независимо от размера молекулы гликогена или количества ее ответвлений (однако следует отметить, что уникальный восстанавливающий конец обычно ковалентно связан с гликогенином и, следовательно, не будет восстанавливающим). Каждое ответвление заканчивается невосстанавливающим остатком сахара. Когда гликоген расщепляется для использования в качестве источника энергии, единицы глюкозы удаляются по одной с невосстанавливающих концов ферментами. [2]

Характеристика

Для обнаружения присутствия восстанавливающих сахаров используется несколько качественных тестов . Два из них используют растворы ионов меди(II) : реагент Бенедикта (Cu2 + в водном растворе цитрата натрия) и раствор Фелинга (Cu2 + в водном растворе тартрата натрия). [7] Восстанавливающий сахар восстанавливает ионы меди(II) в этих тестовых растворах до меди(I), которая затем образует кирпично-красный осадок оксида меди(I) . Восстанавливающие сахара также можно обнаружить с помощью добавления реагента Толлена , который состоит из ионов серебра (Ag + ) в водном растворе аммиака. [7] Когда реагент Толлена добавляется к альдегиду, он осаждает металлическое серебро, часто образуя серебряное зеркало на чистой стеклянной посуде. [3]

3,5-динитросалициловая кислота — еще один тестовый реагент, который позволяет проводить количественное обнаружение. Он реагирует с восстанавливающим сахаром, образуя 3-амино-5-нитросалициловую кислоту , которую можно измерить спектрофотометрией , чтобы определить количество присутствующего восстанавливающего сахара. [8]

Некоторые сахара, такие как сахароза, не реагируют ни с одним из восстанавливающих сахарных тестовых растворов. Однако невосстанавливающий сахар можно гидролизовать с помощью разбавленной соляной кислоты . После гидролиза и нейтрализации кислоты продуктом может быть восстанавливающий сахар, который дает нормальные реакции с тестовыми растворами.

Все углеводы преобразуются в альдегиды и дают положительный ответ в тесте Молиша . Но тест имеет более высокую скорость, когда дело касается моносахаридов.

Значение в медицине

Раствор Фелинга использовался в течение многих лет в качестве диагностического теста на диабет , заболевание, при котором уровень глюкозы в крови опасно повышается из-за неспособности вырабатывать 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. Это затем позволяет ввести правильное количество инсулина, чтобы вернуть уровень глюкозы в крови в нормальный диапазон. [2]

Значение в пищевой химии

реакция Майяра

Карбонильные группы восстанавливающих сахаров реагируют с аминогруппами аминокислот в реакции Майяра , сложной серии реакций, происходящих при приготовлении пищи. [9] Продукты реакции Майяра (ПРМ) разнообразны; некоторые из них полезны для здоровья человека, а другие токсичны. Однако общий эффект реакции Майяра заключается в снижении пищевой ценности пищи. [10] Одним из примеров токсичного продукта реакции Майяра является акриламид , нейротоксин и возможный канцероген , который образуется из свободного аспарагина и восстанавливающих сахаров при приготовлении крахмалистых продуктов при высоких температурах (выше 120 °C). [11] Однако данные эпидемиологических исследований показывают, что пищевой акриламид вряд ли повышает риск развития рака у людей. [12]

Качество еды

Уровень восстанавливающих сахаров в вине, соке и сахарном тростнике является показателем качества этих пищевых продуктов, а мониторинг уровней восстанавливающих сахаров во время производства продуктов питания улучшил качество рынка. Обычным методом для этого является метод Лейна-Эйнона, который включает титрование восстанавливающего сахара медью(II) в растворе Фелинга в присутствии метиленового синего , распространенного окислительно-восстановительного индикатора . Однако он неточен, дорог и чувствителен к примесям. [13]

Ссылки

  1. ^ Пратт, Шарлотта В.; Корнели, Кэтлин (2013). Essential Biochemistry (Третье изд.). Wiley. стр. 626. ISBN 978-1118083505.
  2. ^ abc Нельсон, Дэвид Л.; Кокс, Майкл М. (2008). Lehnniger: Principles of Biochemistry (Пятое изд.). WH Freeman and Company. стр. 241. ISBN 978-0716771081.
  3. ^ abc Кэмпбелл, Мэри К.; Фаррелл, Шон О. (2012). Биохимия . Cengage Learning. стр. 459. ISBN 978-0840068583.
  4. ^ Нельсон, Дэвид Л.; Кокс, Майкл М. (2008). Lehnniger: Principles of Biochemistry (Пятое изд.). WH Freeman and Company. стр. 243. ISBN 978-0716771081.
  5. ^ ab Дэвидсон, Юджин А. (2015). «Углеводы». Encyclopaedia Britannica .
  6. ^ Кляйн, Дэвид. (2012). Органическая химия (первое издание). John Wiley & Sons. стр. 1162–1165. ISBN 978-0471756149.
  7. ^ ab Klein, David. (2012). Органическая химия (первое издание). John Wiley & Sons. стр. 1159. ISBN 978-0471756149.
  8. ^ Leung, David WM; Thorpe, Trevor A. (апрель 1984 г.). «Влияние edta и ионов кальция на анализ восстанавливающего сахара 3,5-динитросалицилата». Фитохимия . 23 (12). Pergamon Press: 2949–2950. doi :10.1016/0031-9422(84)83048-4. ISSN  0031-9422.
  9. ^ Диллс, Уильям Л. младший (ноябрь 1993 г.). «Фруктозилирование белков: фруктоза и реакция Майяра». Американский журнал клинического питания . 58 (5). Американское общество питания: 779S–87. doi : 10.1093/ajcn/58.5.779s . ISSN  0002-9165. PMID  8213610.
  10. ^ Цзян, Чжаньмэй; Ван, Личжэ; У, Вэй; Ван, Юй (июнь 2013 г.). «Биологическая активность и физико-химические свойства продуктов реакции Майяра в модельных системах сахар–бычий казеиновый пептид». Пищевая химия . 141 (4). Elsevier: 3837–3845. doi :10.1016/j.foodchem.2013.06.041. ISSN  0308-8146. PMID  23993556.
  11. ^ Педрески, Франко; Мариотти, Мария Саломе; Грэнби, Кит (август 2013 г.). «Текущие проблемы пищевого акриламида: образование, смягчение и оценка риска». Журнал науки о продуктах питания и сельском хозяйстве . 94 (1). Общество химической промышленности: 9–20. doi : 10.1002/jsfa.6349. hdl : 10533/127076 . ISSN  0022-5142. PMID  23939985.
  12. ^ «Акриламид и риск рака». Американское онкологическое общество . 11 февраля 2019 г.
  13. ^ Leotério, Dilmo MS; Silva, Paulo; Souza, Gustavo; Alves, Aline de A.; Belian, Mônica; Galembeck, André; Lavorante, André F. (ноябрь 2015 г.). «Copper–4,4′-dipyridylordinate connection as solid react for spectrophotometric definition of reducer sugar using a multicommutation approach». Food Control . 57. Европейская федерация пищевой науки и технологии; Международный союз пищевой науки и технологии: 225–231. doi :10.1016/j.foodcont.2015.04.017. ISSN  0956-7135.