3.2 Превращения моно и дисахаридов

Дыхание это экзотермический процесс ферментативного окисления моносахаридов до воды и диоксида углерода:

С₆ Н₁₂ О₆ + 6О₂ → 6СО₂ ↑ + 6Н₂ О + 672 ккал

глюкоза (фруктоза)

Дыхание является важнейшим источником энергии для человека. Для осуществления процесса дыхания необходимо большое количество кислорода.

При недостатке кислорода или его отсутствии происходит процесс брожения моносахаридов. Существует несколько видов брожения, в которых принимают участие различные микроорганизмы.

Спиртовое брожение осуществляется при участии ферментов дрожжей по следующей схеме:

Дрожжи (ферменты)

С₆ Н₁₂ О₆ → 2СО₂ ↑ + 2С₂ Н₅ ОН+ 57 ккал

глюкоза (фруктоза)

В результате реакции спиртового брожения, под действием комплекса ферментов дрожжей, образуется две молекулы этилового спирта и две молекулы диоксида углерода. Моносахариды сбраживаются дрожжами с различной скоростью. Наиболее легко сбраживается глюкоза и фруктоза, труднее манноза, практически не сбраживается галактоза – основной углевод молока. Пентозы дрожжами не сбраживаются. Наряду с моносахаридами глюкоза и фруктоза, дрожжи могут сбраживать дисахариды мальтоза исахароза, так как дрожжи обладают ферментами, способными разложить молекулы этих двух дисахаридов до глюкозы и фруктозы (ά -гликозидаза и β-фруктофуранозидаза). Спиртовое брожение играет важную роль в процессе производства пива, спирта, вина, кваса, в хлебопечении. Наряду с главными продуктами брожения – этиловым спиртом и диоксидом углерода, при спиртовом брожении образуются побочные и вторичные продукты брожения: глицерин, уксусный альдегид, уксусная кислота, изоамиловый и другие высшие спирты. Эти продукты влияют на органолептические свойства продуктов, часто ухудшают их качество.

Молочнокислое брожение осуществляется при участии ферментов молочнокислых бактерий:

молочнокислые

бактерии (ферменты)

С₆ Н₁₂ О₆ → 2СН₃ − СН (ОН) − СООН +52 ккал

глюкоза (фруктоза)

В результате реакции молочнокислого брожения под действием комплекса ферментов образуется две молекулы молочной кислоты. Молочнокислое брожение играет важную роль в процессе производства кисломолочных продуктов, кваса, квашении капусты.

Маслянокислое брожение осуществляется при участии ферментов маслянокислых бактерий:

маслянокислые

бактерии (ферменты)

С₆Н₁₂О₆ → СН₃ − СН₂ − СН₂ − СООН + 2СО₂ ↑ +2 Н₂ ↑

Моносахариды

В результате реакции маслянокислого брожения образуется молекула масляной кислоты две молекулы диоксида углерода и водород. Этот процесс происходит на дне болот при разложении растительных остатков, а также при возникновении инфекции маслянокислыми микроорганизмами в процессе производства продуктов питания.

Лимоннокислое брожение осуществляется при участии ферментов плесневого гриба Aspergillus niger:

ОН

плесневый гриб (ферменты) |

С₆ Н₁₂ О₆ + [О] → СООН − СН₂ − С − СН₂ − СООН

глюкоза (фруктоза) ‌‌ |

СООН

В результате реакции лимоннокислого брожения образуется молекула лимонной кислоты. В основе этой реакции лежит процесс получения лимонной кислоты.

Карамелизация. Реакция карамелизации осуществляется при нагреве свыше 100 °С растворов глюкозы, фруктозы, сахарозы. При этом происходят различные превращения углеводов. При нагревании сахарозы в слабокислой среде происходит частичный гидролиз (инверсия) с образованием глюкозы и фруктозы. От молекул глюкозы и фруктозы при нагревании может отщепляться три молекулы воды, происходит дегидратация с образованием оксиметилфурфурола, дальнейшее разрушение которого приводит к разрушению углеродного скелета и образованию муравьиной и левулиновой кислот. Оксиметилфурфурол образуется при нагревании растворов углеводов низкой концентрации – 10 - 30 %, это вещество имеет коричневый цвет и специфический запах пропеченной корочки хлеба.

На первом этапе реакции карамелизации от молекулы сахарозы отщепляется две молекулы воды. Образуется карамелан, состоящий из ангидроколец, содержащих в кольце двойные связи (дигидрофуран, циклогексанолон и другие соединения), которые имеют коричневый цвет. На втором этапе отщепляется три молекулы воды и образуется карамелен, имеющий темнокоричневый цвет. На третьем этапе происходит конденсация молекул сахарозы и образуется карамелин, имеющий темнокоричневый цвет, плохо растворимый в воде. Карамелизация сахарозы осуществляется при содержании сахарозы 70 - 80 %.

Схема превращения дисахаридов при нагревании:

70-80 %

ДИСАХАРИДЫ → КАРАМЕЛАН → КАРАМЕЛЕН → КАРАМЕЛИН

Схема превращения моносахаридов при нагревании:

10-30 %

ГЛЮКОЗА, ФРУКТОЗА → АНГИДРИДЫ → ОКСИМЕТИЛФУРФУРОЛ

↓

МУРАВЬИНАЯ КИСЛОТА,

ЛЕВУЛИНОВАЯ КИСЛОТА

Меланоидинообразование или реакция Майяра. Реакция взаимодействия восстанавливающих дисахаридов и моносахаридов с аминокислотами, пептидами, белками. В результате взаимодействия карбонильной (альдегидной или кетонной) группы углеводов и аминогруппы белков и аминокислот происходят многостадийные превращения продуктов реакции с образованием глюкозоамина, который подвергается перегруппировке по Амадори и Хейтсу, затем образуются меланоидиновые пигменты, имеющие темно-коричневый цвет, специфический вкус и запах. Реакция меланоидинообразования является основной причиной неферментативного потемнения пищевых продуктов. Такое потемнение происходит при выпечке хлеба, при сушке солода, при кипячении сусла с хмелем в производстве пива, при сушке фруктов. Скорость реакции зависит от состава взаимодействующих продуктов, рН среды, температуры, влажности. В результате реакции меланоидинообразования снижается содержание углеводов и аминокислот, в том числе и незаманимых, на 25 %, что приводит и к изменению качества готового продукта, снижению его пищевой и энергетической ценности. Имеются сведения, что продукты реакции меланоидинообразования обладают андиоксидантными свойствами, снижают усвоение белков.

Схема взаимодействия восстанавливающих дисахаридов и моносахаридов с аминокислотами в упрощенном виде:

УГЛЕВОД + АМИНОКИСЛОТА → ГЛЮКОЗОАМИН →

→ МЕЛАНОИДИНЫ