Крахмал: формула, строение, химические и физические свойства крахмала

Что такое крахмал: формула

Крахмал (C 6 H 10 O 5 ) n — аморфный порошок белого цвета, без вкуса и запаха, плохо растворим в воде, в горячей воде образует коллоидный раствор (клейстер).

Макромолекулы крахмала построены из большого числа остатков α-глюкозы.

Крахмал состоит из двух фракций: амилозы и амилопектина. Амилоза имеет линейные молекулы, амилопектин – разветвлённые.

Биологическая роль крахмала

Крахмал – один из продуктов фотосинтеза, главное питательное запасное вещество растений.

Крахмал – основной углевод в пище человека.

Получение крахмала

Крахмал получают чаще всего из картофеля.

Для этого картофель измельчают, промывают водой и перекачивают в большие сосуды, где происходит отстаивание. Полученный крахмал ещё раз промывают водой, отстаивают и сушат в струе теплого воздуха.

Химические свойства крахмала

• 1. С иодом крахмал даёт фиолетовое окрашивание.
• 2. Крахмал – многоатомный спирт.
• 3. Крахмал сравнительно легко подвергается гидролизу в кислой среде и под действием ферментов:

(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6

В зависимости от условий гидролиз крахмала может протекать ступенчато, с образованием различных промежуточных продуктов:

(С6H10O5)n → (C6H1005)x → (C6H1005)y→ C12H22O11  → nC6H12O6

крахмал  растворимый   декстрины   мальтоза глюкоза   крахмал

Происходит постепенное расщепление макромолекул.

Применение крахмала

Крахмал применяется в кондитерском производстве (получение глюкозы и патоки), является сырьём для производства этилового, н -бутилового спиртов, ацетона, лимонной кислоты, глицерина и так далее.

Он используется в медицине в качестве наполнителей (в мазях и присыпках), как  клеящее вещество.

Крахмал является ценным питательным продуктом. Чтобы облегчить его усвоение, содержащие крахмал продукты подвергают действию высокой температуры, то есть картофель варят, хлеб пекут.

В этих условиях происходит частичный гидролиз крахмала и образуются декстрины, растворимые в воде. Декстрины в пищеварительном тракте подвергаются дальнейшему гидролизу до глюкозы, которая усваивается организмом. Избыток глюкозы превращается в гликоген (животный крахмал).

Состав гликогена такой же, как у крахмала, – (C6H10O5)n, но его молекулы более разветвлённые.

Крахмал как питательное вещество.

• 1.Крахмал является основным углеводом нашей пищи, но он не может самостоятельно усваиваться организмом.
• 2. Подобно жирам, крахмал сначала подвергается гидролизу.
• 3. Этот процесс начинается уже при пережевывании пищи во рту под действием фермента, содержащегося в слюне.
• 4. Далее гидролиз крахмала продолжается в кишечнике.
• 5. Образующаяся глюкоза всасывается через стенки кишечника в кровь и поступает в печень, а оттуда – во все ткани организма.
• 6.Избыток глюкозы отлагается в печени в виде высокомолекулярного углевода – гликогена.

Особенности гликогена: а) по строению гликоген отличается от крахмала большей разветвленностью своих молекул; б) этот запасный гликоген между приемами пищи снова превращается в глюкозу по мере расходования ее в клетках организма.

• 7.Промежуточные продукты гидролиза крахмала (декстрины) легче усваиваются организмом, чем сам крахмал, так как состоят из меньших по размерам молекул и лучше растворяются в воде.
• 8. Приготовление пищи часто связано именно с превращением крахмала в декстрины.

Применение крахмала и получение его из крахмалсодержащих продуктов.

• 1.Крахмал используется не только как продукт питания.
• 2. В пищевой промышленности из него готовят глюкозу и патоку.
• 3. Для получения глюкозы крахмал нагревают с разбавленной серной кислотой в течение нескольких часов.
• 4. Когда процесс гидролиза закончится, кислоту нейтрализуют мелом, образующийся осадок сульфата кальция отфильтровывается и раствор упаривается.
• 5.Если процесс гидролиза не доводить до конца, то в результате получается густая сладкая масса – смесь декстринов и глюкозы – патока.

Особенности патоки: а) она применяется в кондитерском деле для приготовления некоторых сортов конфет, мармелада, пряников и т. п.; б) с патокой кондитерские изделия не кажутся приторно-сладкими, как приготовленные на чистом сахаре, и долго остаются мягкими.

• 6. Декстрины, получаемые из крахмала, используются в качестве клея. Крахмал применяется для крахмаления белья: под действием нагревания горячим утюгом он превращается в декстрины, которые склеивают волокна ткани и образуют плотную пленку, предохраняющую ткань от быстрого загрязнения.
• 7.Крахмал получается чаще всего из картофеля. Картофель моется, затем измельчается на механических терках, измельченная масса промывается на ситах водой.
• 8. Освободившиеся из клеток клубня мелкие зерна крахмала проходят с водой через сито и оседают на дне чана. Крахмал тщательно промывается, отделяется от воды и сушится.

Гомополисахариды: крахмал (амилоза и амилопектин), гликоген, целлюлоза — строение и свойства

Крахмал

Этот полисахарид состоит из полимеров двух типов, построенных из D-глюкопиранозы: амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%). Крахмал образуется в растениях в процессе фотосинтеза и «запасается» в клубнях, корнях, семенах.

Крахмал — белое аморфное вещество.

В холодной воде нерастворим, в горячей набухает и некоторая часть его постепенно растворяется. При быстром нагревании крахмала из-за содержащейся в нем влаги (10-20%) происходит гидролитическое расщепление макромолекулярной цепи на более мелкие осколки и образуется смесь полисахаридов, называемых декстринами. Декстрины лучше растворяются в воде, чем крахмал.

Такой процесс расщепления крахмала, или декстринизация, осуществляется при хлебопечении.

Крахмал муки, превращенный в декстрины, легче усваивается вследствие большей растворимости.

Амилоза

Амилоза — полисахарид, в котором остатки D-глюкопиранозы связаны α(1,4)-гликозидными связями, т. е. дисахаридным фрагментом амилозы является мальтоза.

Цепь амилозы неразветвленная, включает до тысячи глюкозных остатков, молекулярная масса до 160 тыс.

По данным рентгеноструктурного анализа, макромолекула амилозы свернута в спираль. На каждый виток спирали приходится шесть моносахаридных звеньев. Во внутренний канал спирали могут входить соответствующие по размеру молекулы, например молекулы йода, образуя комплексы, называемые соединениями включения.

Комплекс амилозы с йодом имеет синий цвет. Это используется в аналитических целях для открытия как крахмала, так и йода (йодкрахмальная проба).

Рис. 1. Спиралевидная структура амилозы (вид вдоль оси спирали)

Амилопектин

Амилопектин в отличие от амилозы имеет разветвленное строение (рис.2). Е

го молекулярная масса достигает 1-6 млн.

Рис. 2. Разветвленная макромолекула амилопектина (цветные кружки — места ответвления боковых цепей)

Амилопектин — разветвленный полисахарид, в цепях которого остатки D-глюкопиранозы связаны α(1,4)-гликозидными связями, а в точках разветвления — α(1,6)-связями.

Между точками разветвления располагаются 20-25 глюкозных остатков.

Гидролиз крахмала в желудочно-кишечном тракте происходит под действием ферментов, расщепляющих α(1,4)- и α(1,6)-гликозидные связи. Конечными продуктами гидролиза являются глюкоза и мальтоза.

Гликоген

В животных организмах этот полисахарид является структурным и функциональным аналогом растительного крахмала.

По строению он подобен амилопектину, но имеет еще большее разветвление цепей. Обычно между точками разветвления содержатся 10-12, иногда даже 6 глюкозных звеньев. Условно можно сказать, что разветвленность макромолекулы гликогена вдвое больше, чем амилопектина.

Сильное разветвление способствует выполнению гликогеном энергетической функции, так как только при множестве концевых остатков можно обеспечить быстрое отщепление нужного количества молекул глюкозы.

Молекулярная масса гликогена необычайно велика и достигает 100 млн. Такой размер макромолекул содействует выполнению функции резервного углевода.

Так, макромолекула гликогена из-за большого размера не проходит через мембрану и остается внутри клетки, пока не возникнет потребность в энергии.

Гидролиз гликогена в кислой среде протекает очень легко с количественным выходом глюкозы.

Это используют в анализе тканей на содержание гликогена по количеству образовавшейся глюкозы.

Аналогично гликогену в животных организмах такую же роль резервного полисахарида в растениях выполняет амилопектин, имеющий менее разветвленное строение. Это связано с тем, что в растениях значительно медленнее протекают метаболические процессы и не требуется быстрого притока энергии, как иногда необходимо животному организму (стрессовые ситуации, физическое или умственное напряжение).

Целлюлоза

Этот полисахарид, называемый также клетчаткой, является наиболее распространенным растительным полисахаридом.

Целлюлоза обладает большой механической прочностью и выполняет функцию опорного материала растений. Древесина содержит 50-70% целлюлозы; хлопок представляет собой почти чистую целлюлозу. Целлюлоза является важным сырьем для ряда отраслей промышленности (целлюлозно-бумажной, текстильной и т. п.).

Целлюлоза — линейный полисахарид, в котором остатки D-глюкопиранозы связаны β(1,4)-гликозидными связями.

Дисахаридный фрагмент целлюлозы представляет собой целлобиозу.

Макромолекулярная цепь не имеет разветвлений, в ней содержится 2,5-12 тыс. глюкозных остатков, что соответствует молекулярной массе от 400 тыс. до 1-2 млн.

β-Конфигурация аномерного атома углерода приводит к тому, что макромолекула целлюллозы имеет строго линейное строение.

Этому способствует образование водородных связей внутри цепи, а также между соседними цепями.

Такая упаковка цепей обеспечивает высокую механическую прочность, волокнистость, нерастворимость в воде и химическую инертность, что делает целлюлозу прекрасным материалом для построения клеточных стенок растений.

Целлюлоза не расщепляется обычными ферментами желудочно-кишечного тракта, но необходима для нормального питания как балластное вещество.

Большое практическое значение имеют эфирные производные целлюлозы: ацетаты (искусственный шелк), нитраты (взрывчатые вещества, коллоксилин) и другие (вискозное волокно, целлофан).

Крахмал: свойства и функции

Крахмал — растительный полисахарид со сложным строением. Он состоит из амилозы и амилопектина; их соотношение различно в раз­личных крахмалах (амилозы 13-30%; амилопектина 70—85%).

Амилоза и амилопектин в расте­ниях формируются в виде крахмальных зерен.

Роль:

1 Загуститель.

2. Связывающий агент в продуктах.

3. Присутствует в сырье или добавляют.

Клейстеризацияи другие свойства. Неповрежденные крахмальные зерна нера­створимы в холодной воде, но могут обратимо впитывать влагу и легко набухают. Увеличение диаметра зерен при набухании зависит от вида крахмала. Например, для обычного кукурузного крахмала — 9,1%, для восковидного — 22,7%.

По мере повышения температуры увеличивается колебание крахмаль­ных молекул, разрушаются межмолекулярные связи, что приводит к ос­вобождению мест связывания для взаимодействия с молекулами воды через водородные связи.

Это проникновение воды и увеличивающееся разделение больших и длинных сегментов крахмальных цепей увеличи­вает неупорядоченность в общей структуре и уменьшает число и размер кристаллических областей. При дальнейшем нагреве в присутствии боль­шого количества воды происходит полная потеря кристалличности, со­провождающаяся потерей очертания крахмальных зерен. Температуру, соответствующую разрушению внут­ренней структуры крахмальных зерен, называют температурой клейстеризации. Она зависит от источника получения крахмала.

Во время клейстеризации зерна крахмала набухают очень сильно, сначала увеличение температуры ведет к крутому подъему вяз­кости, что связано с набуханием крахмальных зерен.

Затем набухшие крахмальные зерна разрываются и дезинтегрируют, вызывая падение вяз­кости.

Факторы, влияющие напроцесс клейстеризации крахмала:

1. Температура.

2. Активность воды (чем выше, тем быстрее процесс, на активность воды влияют связывающие воду компоненты).

3. Высокие содержания сахара уменьшают скорость клейстеризации крахмала, снижают пик вязкости.

Дисахариды являются более эффек­тивными с точки зрения замедления клейстеризации и снижения пика вязкости, чем моносахариды. Кроме того, сахара уменьшают силу крахмальных гелей, играя роль пластификатора и вмешиваясь в об­разование зон связывания.

4. На клейстеризацию крахмала при производстве пищевых продуктов оказывают влияние липиды — триглицериды (жиры, масла), моно- и диацилглицериды. Жиры, которые могут давать комплексы с амилозой, тормозят набухание крахмальных зерен. Вследствие этого в белом хлебе, в котором мало жира, 96% крахмала обычно полностью клейстеризовано.

При производстве пекарских изделий эти два фактора (большие кон­центрации жира и низкая aw) вносят большой вклад в неклеистеризацию крахмала.

Моноацилглицериды жирных кислот (С|6—С18) приводят к увеличе­нию температуры клейстеризации, увеличению температуры, соответ­ствующей пику вязкости, уменьшению силы геля.

Это связано с тем, что компоненты жирных кислот в моноацилглицеридах могут образовывать соединения включения с амилозой, а, возможно, и с длинными внешни­ми цепями амилопектина. Липид-амилозные комплексы вмешиваются также и в обра­зование зон связывания.

5. Низкие концентрация солей, как правило, не оказывают влияния на клейстеризацию или образование геля.

Исключение составляет картофельный амилопектин,ко­торый содержит фосфатные группы. В этом случае соли могут, в зависи­мостиот условий, либо увеличивать, либо уменьшать набухание.

6. Кислоты присутствуют во многих продуктах, где используется крахмалв качестве загустителя. Однако большинство пищевых продуктов имеет рНв области 4—7, и эти концентрации ионов Н+ не оказывают большого вли­яния на набухание крахмала или его клейстеризацию.

При низких рН (салатные приправы, фруктовые на­чинки) имеет место заметное снижение пика вязкости крахмальных клейстеров и быстрое снижение вязкости при нагревании. При низких рН имеет место интенсивный гидролиз соб­разованием незагустевающих декстринов, необходимо, чтобы избежать кислотного разжижения, использовать в качестве загустителя в кислых продуктах модифицированные поперечно-сшитые крахмалы.

Присутствие белков. Это в пер­вую очередь важно с точки зрения формирования структуры хлеба, кото­рая связана с образованием клейковины (при перемешивании в процес­се тестоприготовления), клейстеризацией крахмала и денатурацией бел­ка, благодаря нагреванию в присутствии воды. Однако точная природа взаимодействия между крахмалом и белком в пищевых системах остает­ся неясной.

8. При производстве замороженных пищевых продуктов, в которых крахмал выполняет роль загустителя, необходимо считаться с возмож­ностью ретроградации амилозы в процессе оттаивания. Если в этом слу­чае используется обычный крахмал, то при оттаивании изделия приоб­ретают волокнистую или зерноподобную структуру.

Предпочтительнее для таких изделий использовать восковидный кукурузный крахмал, ко­торый практически не содержит амилозы, или фосфатные поперечно-сшитые крахмалы.

9. У многих крахмалсодержащих пищевых продуктов (в первую очередь, хлебобулочных) при хранении наблюдается черствение, связанное с ассоциацией амилозных молекул. Для предотвращения черствения в таких изделиях целесообразно использовать в качестве добавок жиры, которые образуют комплексы с амилозой, прогрев, смачивание водой.

Полисахариды

Полисахариды —это природные высокомолекулярные углеводы, макромолекулы которых состоят из остатков моносахаридов.

Основные представители — крахмал и целлюлоза — построены из остатков одного моносахарида — глюкозы.

Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу: (C6H10O5)n, но совершенно различные свойства. Это объясняется особенностями их пространственного строения.

Крахмал состоит из остатков α-глюкозы, а целлюлоза – из β-глюкозы, которые являются пространственными изомерами и отличаются лишь положением одной гидроксильной группы (выделена цветом):

Крахмалом называется смесь двух полисахаридов, построенных из остатков циклической α-глюкозы.

В его состав входят:

• амилоза (внутренняя часть крахмального зерна) – 10-20%
• амилопектин (оболочка крахмального зерна) – 80-90%

Цепь амилозы включает 200 — 1000 остатков α-глюкозы (средняя мол.масса 160 000) и имеет неразветвленное строение.

Макромолекула амилозы представляет собой спираль, каждый виток которой состоит из 6 звеньев α-глюкозы.

Свойства крахмала:

1.Гидролиз крахмала: при кипячении в кислой среде крахмал последовательно гидролизуется.

2. Крахмал не дает реакцию “серебряного зеркала” и не восстанавливает гидроксид меди (II).

3. Качественная реакция на крахмал: синее окрашивание с раствором йода.