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 реактиве Бенедикта . В такой реакции сахар превращается в карбоновую кислоту .
Все моносахариды являются редуцирующими сахарами, а также некоторые дисахариды , некоторые олигосахариды и некоторые полисахариды . Моносахариды можно разделить на две группы: альдозы , содержащие альдегидную группу, и кетозы , имеющие кетоновую группу. Кетозы должны сначала таутомеризоваться в альдозы, прежде чем они смогут действовать как редуцирующие сахара. Распространенные диетические моносахариды галактоза , глюкоза и фруктоза являются редуцирующими сахарами.
Дисахариды образуются из двух моносахаридов и могут быть классифицированы как восстанавливающие и невосстанавливающие. Невосстанавливающие дисахариды, такие как сахароза и трегалоза , имеют гликозидные связи между своими аномерными атомами углерода и, таким образом, не могут перейти 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, тогда как другой свободен и может превращаться в форму с открытой цепью с альдегидной группой.
Функциональная группа альдегида позволяет сахару действовать как восстановитель, 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 обнаруженные в полисахаридных связях, не могут легко стать свободными альдегидами.
Восстанавливающие сахара реагируют с аминокислотами в реакции Майяра — серии реакций, которые происходят при приготовлении пищи при высоких температурах и играют важную роль в определении вкуса пищи. Кроме того, уровень редуцирующих сахаров в вине, соках и сахарном тростнике свидетельствует о качестве этих пищевых продуктов.
Восстанавливающий сахар — это сахар, который восстанавливает другое соединение и сам окисляется ; то есть карбонильный углерод сахара окисляется до карбоксильной группы. [2]
Сахар классифицируется как редуцирующий сахар только в том случае, если он имеет форму с открытой цепью с альдегидной группой или свободной полуацетальной группой. [3]
Моносахариды , содержащие альдегидную группу, называются альдозами , а моносахариды, содержащие кетоновую группу, — кетозами . Альдегид можно окислить посредством окислительно-восстановительной реакции , в ходе которой восстанавливается другое соединение. Таким образом, альдозы восстанавливают сахара. Сахара с кетоновыми группами в форме 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 изомеры, содержащие альдегидную группу, поскольку кетоны не могут быть окислены без разложения сахара. Этот тип изомеризации катализируется основанием, присутствующим в растворах, которые проверяют на наличие редуцирующих сахаров. [3]
Дисахариды состоят из двух моносахаридов и могут быть как восстанавливающими, так и 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 перейти в форму с открытой цепью, для восстановления другого соединения доступен только свободный аномерный углерод, и его называют восстанавливающим концом дисахарида. Невосстанавливающий дисахарид — это тот, у которого оба аномерных атома углерода связаны гликозидной связью. [4]
Точно так же большинство полисахаридов имеют только один восстанавливающий конец.
Все моносахариды являются редуцирующими 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 распространенные моносахариды, такие 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]
В полимерах глюкозы, таких как крахмал и производные крахмала , такие как сироп глюкозы , мальтодекстрин и декстрин , макромолекула начинается с редуцирующего сахара, свободного альдегида. Когда крахмал частично гидролизуется, цепи расщепляются, и, следовательно, он содержит больше редуцирующих 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 восстанавливающий сахар только с одним восстанавливающим концом, независимо от того, насколько велика молекула гликогена или сколько у нее разветвлений (однако обратите внимание, что уникальный восстанавливающий конец обычно ковалентно связан с гликогенином и поэтому не является восстанавливающим). Каждая ветвь заканчивается остатком невосстанавливающего сахара. Когда гликоген расщепляется для использования в качестве источника энергии, единицы глюкозы удаляются по одной с невосстанавливающих концов ферментами. [2]
Для обнаружения присутствия редуцирующих сахаров используется несколько качественных тестов . 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). [7] Восстанавливающий сахар восстанавливает ионы меди(II) в этих тестовых растворах до меди(I), которая затем образует осадок оксида меди(I) кирпично-красного цвета . Восстановительные сахара можно обнаружить также при добавлении реактива Толлена , который состоит из ионов серебра (Ag + ) в водном аммиаке. [7] Когда реактив 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, позволяющий проводить количественное определение. Он реагирует с редуцирующим сахаром с образованием 3-амино-5-нитросалициловой кислоты , которую можно измерить спектрофотометрически , чтобы определить количество присутствующего редуцирующего сахара. [8]
Некоторые сахара, такие как сахароза, не реагируют ни с одним из тестовых растворов редуцирующих сахаров. Однако невосстанавливающий сахар можно гидролизовать разбавленной соляной кислотой . После гидролиза и нейтрализации кислоты продукт может представлять собой редуцирующий сахар, который дает нормальные реакции с тестируемыми растворами.
Все углеводы превращаются в альдегиды и дают положительный результат в пробе Молиша . Но тест имеет более высокую скорость, когда дело касается моносахаридов.
Раствор Фелинга в течение многих лет использовался 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 позволяет ввести необходимое количество инсулина, чтобы вернуть уровень глюкозы в крови в нормальный диапазон. [2]
Карбонильные группы редуцирующих сахаров реагируют с аминогруппами аминокислот в реакции Майяра — сложной серии реакций, происходящих при приготовлении пищи. [9] Продукты реакции Майяра (MRP) 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 редуцирующих сахаров при приготовлении крахмалистых продуктов при высоких температурах (выше 120 °C). [11] Однако данные эпидемиологических исследований показывают, что диетический акриламид вряд ли повысит риск развития рака у людей. [12]
Уровень редуцирующего сахара в вине, соке и сахарном тростнике свидетельствует о качестве этих продуктов питания, а мониторинг уровня редуцирующего сахара в процессе 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 , обычного окислительно-восстановительного индикатора . Однако он неточный, дорогой и чувствителен к примесям. [13]