ĐẠI CƯƠNG VỀ GLUXIT ( CACRBOHIDRATE)
Khái niệm
Carbohydrat, hay còn gọi là gluxit, là một chất hữu cơ bao gồm ba nguyên tố chính: cacbon (C), oxi (O) và hiđrô (H) với tỷ lệ H:O là 2:1, tương tự như nước (H2O) Công thức phân tử của carbohydrat có thể được biểu diễn dưới dạng Cm(H2O)n hoặc Cn(H2O)m, trong đó m và n là các số tự nhiên khác không Đây là một trong bốn nhóm phân tử sinh học phổ biến nhất.
– Là những polyhydroxy andehyde hay ketone (có hai nhóm OH trở lên) và dẫn xuất của chúng.
– Công thức tổng quát: (CH2O)n- trừ deoxyribose
Các dạng cấu tạo
Cấu tạo mạch thẳng: Đồng phân lập thể L/D
Monosaccharide có cấu tạo với nhiều nguyên tử carbon bất đối, dẫn đến sự tồn tại của nhiều đồng phân lập thể khác nhau Các đồng phân này được phân loại thành dạng D và L dựa trên cấu hình của chúng, và thường được ký hiệu bằng dấu (+) để chỉ sự khác biệt trong cấu trúc.
(-) chỉ sự quay cực trái, phải Sự phân biệt D, L
(trên công thức hình chiếu) dựa vào cấu tạo monosaccharide đơn giản nhất là glyceraldeh yde (so sánh vị trí OH ở C* gần với nhóm CH2OH)
Cấu tạo mạch vòng: Đồng phân lập thể alpha/Beta
Một số phản ứng của aldehyt không xảy ra với một số monosaccharide nhóm –CHO khi chúng tồn tại dưới dạng khác ngoài dạng mạch thẳng Monosaccharide có khả năng tạo hợp chất ester với metanol, dẫn đến sự hình thành hỗn hợp hai đồng phân chứa nhóm OCH3, trong đó monosaccharide có một nhóm OH đặc biệt khác với nhóm OH thông thường Số đồng phân lập thể được tính theo công thức > 2n, cho thấy ngoài dạng mạch thẳng, monosaccharide còn có cấu trúc vòng.
Vai trò
1.3.1 Cung cấp và dự trữ năng lượng
- Khi oxy hoá 1g carbohydrate => 4,1 kcal.
- Cung cấp 60-70% nhu cầu năng lượng của cơ thể.
- Đối với loài nhai lại: carbohydrate là nguồn cung cấp năng lượng chính.
- Ở thành tế bào vi khuẩn, thành tế bào thực vật và tế bào mô liên kết ở động vật, carbohydrate không tan đóng vai trò là yếu tố cấu trúc.
- Vd: glucose => acetyl glucosamine => là chất quan trọng trong cấu trúc màng,tạo ra yếu tố chỉ định tính kháng nguyên của màng.
Phân loại glucid
1.3.1 Phân loại theo tính chất
Glucid tinh chế là những thực phẩm giàu glucid đã trải qua quá trình chế biến làm sạch, dẫn đến việc mất đi nhiều chất dinh dưỡng đi kèm Mức độ tinh chế càng cao, lượng chất dinh dưỡng và chất xơ bị loại bỏ càng lớn, làm tăng hàm lượng glucid và khiến thực phẩm trở nên dễ tiêu hóa hơn.
Glucid tinh chế đóng vai trò quan trọng trong việc gây ra béo phì và rối loạn chuyển hóa mỡ cùng cholesterol, đặc biệt ở người cao tuổi và những người ít vận động.
- Glucid có trong các loại đồ ăn: đường, bánh ngọt, kẹo các loại, các sản phẩm từ bột xay xát kỹ,…
Các loại đồ ngọt thường có lượng đường chiếm hơn 70% năng lượng, hoặc có hàm lượng đường thấp từ 40-50% năng lượng nhưng lại chứa chất béo cao, chiếm từ 30% năng lượng trở lên.
Bột ngũ cốc có tỷ lệ xay xác cao và hàm lượng cellulose thấp (0,3% hoặc thấp hơn) được xem là loại glucid tinh chế Khi tiêu thụ, loại bột này dễ dàng chuyển hóa thành mỡ tích lũy trong cơ thể.
- Là các glucid thực vật dưới dạng tinh bột kèm theo lượng cellulose không ít hơn0.4% hay gọi cách khác là những loại glucid có chứa nhiều chất xơ.
Nhóm glucid này tiêu hóa chậm và ít được chuyển hóa thành mỡ, giúp ngăn ngừa các vấn đề như béo phì, tăng cholesterol trong máu và xơ vữa động mạch.
Hạt cốc chưa xay xát kỹ, như gạo lứt, chứa nhiều chất xơ hòa tan và không hòa tan, giúp liên kết với cholesterol trong hệ tiêu hóa và hỗ trợ quá trình đào thải cholesterol ra ngoài.
Mặc dù đường ruột con người không có men tiêu hóa chất xơ, nhưng chất xơ vẫn đóng vai trò quan trọng trong dinh dưỡng Các loại thực phẩm từ thực vật chứa nhiều loại chất xơ khác nhau, mỗi loại đều mang lại những lợi ích riêng cho sức khỏe.
Glucid tinh chế có giá trị dinh dưỡng thấp hơn glucid bảo vệ Vì được thủy phân và hấp thụ nhanh chóng, glucid tinh chế làm tăng nguy cơ thừa cân, béo phì, và rối loạn chuyển hóa mỡ cũng như cholesterol, đặc biệt ở người cao tuổi và những người ít vận động.
Bệnh nhân đái tháo đường, béo phì và cao huyết áp nên hạn chế tối đa glucid tinh chế trong chế độ ăn hàng ngày Đối với người cao tuổi và những người ít vận động, lượng glucid tinh chế nên được giới hạn dưới 1/3 tổng số glucid trong khẩu phần ăn.
1.3.2 Phân loại theo cấu trúc
- Monosaccharide là các aldehyde hoă ̣c xetone có chứa mô ̣t hoă ̣c nhiều nhóm hydroxyl (OH).
- Số lượng carbon trong phân tử monosaccharide ít nhất là bằng 3 (triose).
Monosaccharid như Glucose, Fructose và Galactose là các phân tử glucid đơn giản nhất, dễ dàng được hấp thu và chuyển hóa Chúng có sự khác biệt về hàm lượng và loại hình, và có mặt trong cả thực phẩm động vật lẫn thực vật, góp phần tạo nên vị ngọt tự nhiên của thực phẩm.
Là cacbohydrate có 2-10 gốc monosaccharide, các gốc này liên kết với nhau bằng liên kết glycoside Oligosaccharide phổ biến nhất là disaccharide (2 gốc monosaccharide).
- Là những đại phân tử glucid có hàng ngàn mắt xích là monosaccarit.
Polysaccharide, bao gồm tinh bột (amilose, amilopectin), glycogen và cellulose, là các dạng phân tử glucid lớn Hàm lượng và chủng loại của các phân tử glucid này có sự khác biệt đáng kể trong các loại thực phẩm, ảnh hưởng lớn đến trạng thái và độ đồng hóa hấp thu của thực phẩm.
CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ GLUCID QUAN TRỌNG
Monosaccharide
- Cùng công thức hóa học nhưng cấu trúc hóa học hoàn toàn khác nhau.
- Carbon bất đối: nguyên tử C liên kết với 4 nhóm (gốc) hóa học khác nhau.
- Là những chất có hoạt quang – có khả năng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực qua trái/phải.
- Số đồng phân quang học là 2n, trong đó n là số lượng C bất đối.
- Tất cả monosaccharide đều có ít nhất 1 nguyên tử C bất đối.
+ Enantiomer: chỉ 2 dạng của đồng phân quang học + Epimer: khi 2 phân tử đường chỉ khác nhau bởi sự sắp xếp của các nhóm –OH hay –H xung quanh nguyên tử C.
- Tên ketose được gọi theo tên của aldose thêm -ul vào trước đuôi –ose
- Trong dung dịch, các đường từ 4C trở lên có khả năng hình thành cấu trúc dạng vòng.
- Nguyên tắc: dựa trên phản ứng giữa nhóm aldehyt (hoặc xeton) và rượu để hình thành dạng hemiacetal (hoặc hemiketal).
- Hòa tan trong nước, không tan trong dung môi hữu cơ.
- Tính hoạt quang: làm lệch mặt phẳng của ánh sáng phân cực khi cho ánh sáng đi qua dung dịch đường.
- Tác nhân oxy hóa yếu (HClO, HBrO, HIO) sẽ oxy hóa nhóm aldehyt tại C1 tạo ra sản phẩm axit aldonic.
- Oxy hóa rượu bậc 1 tại C6 tạo ra sản phẩm axit uronic.
- Tác nhân oxy hóa mạnh (HNO3): Oxy hóa đồng thời cả nhóm aldehyt và rượu tại C6 tạo sản phẩm axit 2 chức aldaric
- Dưới tác dụng của các chất khử (H2 + Hg/Na), nhóm carbonyl của monosaccharide bị khử tạo thành các polyol tương ứng:
2.1.2.2.3 Phản ứng tạo thành este
- Xảy ra với alcol bâ ̣c 1 và –OH glucoside
- Nhóm –OH glucoside phản ứng với rượu khan tạo thành ete tương ứng
2.1.2.2.5 Phản ứng tạo thành các hợp chất glucoside
- Các monosaccharide liên kết với nhau thông qua liên kết glucoside tạo thành các di-, oligo- và polysaccharide.
2.1.2.2.6 Phản ứng với phenyl hydrazin
- Trong điều kiê ̣n xác định, saccharide có tính khử có thể phản ứng với 3 phân tử phenylhydrazin tạo thành tinh thể Osazon
Oligosaccharide
- Oligosaccharide là nhóm gluxit cấu tạo bởi sự liên kết của một số ít monosaccharide (2-10 gốc) bằng liên kết O-glucoside.
Khi thủy phân bằng acid hoặc enzyme, các liên kết glucoside giữa các monosaccharide sẽ bị phá vỡ, giải phóng các monosaccharide, đồng thời vẫn giữ lại một số tính chất đặc trưng của chúng.
- Tùy theo số lượng monosaccharide liên kết với nhau mà người ta phân loại ra: + Disaccharide (2 gốc).
- Là oligosaccharide đơn giản nhất có hai gốc monosaccharide liên kết với nhau bằng liên kết -OH-glucoside Khi kết hơp như vậy sẽ loại một phân tử nước.
- Sự kết hợp có thể giữa hai monosaccharide giống nhau hay khác nhau.
+ Maltose do hai phân tử glucose liên kết với nhau.
+ Saccharose do 1 phân tử glucose liên kết với 1 phân tử fructose.
+ Lactose do 1 phân tử glucose liên kết với 1 phân tử galactose.
- Kiểu liên kết: Tùy kiểu liên kết mà disaccharide còn có tính khử hay không:
+ OH glucoside + -OH thường -> liên kết oside-ose (1,4 hay 1,6) -> còn 1 nhóm
OH glucoside nên tính khử giảm 1 nửa.
+ OH glucoside+ -OH glucoside -> liên kết oside-oside(1,1 hay 1,2) => không còn nhóm –OH glucoside nên không còn tính khử ( tiêu biểu là saccharose).
Saccharose là một loại đường phổ biến trong tự nhiên, chủ yếu có mặt trong mía và củ cải đường, nơi chúng chiếm từ 20-25% trọng lượng Cả hai nguyên liệu này đều được sử dụng rộng rãi để sản xuất đường.
- Trong đời sống saccharose có những tên gọi khác nhau:
+ Đường phèn: Saccharose kết tinh ở 30⁰C dưới dạng những cục lớn.
+ Đường kính: Saccharose có độ tinh khiết khá cao.
+ Đường cát: Saccharose có lẫn tạp chất màu vàng nâu,…
Saccharose là một disaccharide được hình thành từ sự liên kết giữa ∝-glucose ở dạng piranose và β-fructose ở dạng furanose thông qua liên kết glucoside, xảy ra tại C₁ của ∝-glucose và C₂ của β-fructose, đồng thời loại bỏ một phân tử nước Do đó, saccharose còn được gọi là ∝-D-glucopyranoside(1→2)β-D-frucofuranoside, với độ quay cực là +66,5⁰.
Do tại C₁ của gốc ⍺-Glucose hình thành liên kết O-glucoside dẫn đến việc làm cho nhóm aldehyde tại vị trí C₁ bị khóa làm cho saccharose không có tính khử.
- Tan nhiều trong nước nhất là nước nóng.
- Phản ứng thủy phân tạo đường nghịch đảo:
+ Xảy ra do tác dụng enzyme invertase hay HCl, nhiệt độ cao:
Hỗn hợp Glucose và Fructose có tính chất quang học trái ngược với Saccharose, dẫn đến việc phản ứng này được gọi là phản ứng nghịch đảo Kết quả là hỗn hợp đường này được biết đến với tên gọi là đường nghịch đảo.
+Tăng độ hòa tan của đường, tránh hiện tượng kết tinh lại (nhờ tính hòa tan cao của Fructose và tính khó kết tinh của Glucose).
Tính chất của saccharose được ứng dụng trong ngành công nghiệp mứt kẹo, cho phép tạo ra các sản phẩm mà vẫn giữ được độ hòa tan cao mà không xảy ra hiện tượng kết tinh.
- Phản ứng với kiềm tạo Saccharose
- Khi tác dụng với vôi tôi sẽ thu đc các dạng phức Saccharose sau:
- Phản ứng tạo thành Tricalci Saccarose được ứng dụng trong sản xuất Saccharose từ rỉ đường.
- Ngoài ra, ở pH từ 8-9 và đun nóng trong thời gian dài, Saccharose bị phân hủy thành hợp chất có màu vàng nâu.
- Phản ứng như một rượu đa chức:
Tác dụng với Cu(OH)₂ à dung dịch xanh lam.
Phản ứng caramel là quá trình dehydrate hóa xảy ra khi đường được nung chảy, có thể có sự tham gia của acid hoặc kiềm Sản phẩm caramel không chỉ tạo ra màu sắc hấp dẫn mà còn mang đến hương vị và mùi thơm đặc trưng cho thực phẩm.
C12H22O11 → C12H20O10 → C12H18O9 → C36H50O25 →C36H48O24 (caramenlin) saccharose iso sacchaman caramenlan caramenlen
- Chỉ có trong sữa động vật và con người:
Sữa mẹ vượt trội hơn sữa bò nhờ vào β-lactose, giúp duy trì và phát triển vi khuẩn đường ruột có lợi cho sức khỏe tiêu hóa, ức chế vi khuẩn gây bệnh và cung cấp vitamin nhóm B, trong khi α-lactose trong sữa bò không có khả năng này.
Trong quá trình tiêu hóa, lactose được phân hủy thành glucose và galactose Galactose là một thành phần dinh dưỡng quan trọng cho việc tạo màng myelin, giúp bọc các dây thần kinh và tăng cường độ dẫn truyền tín hiệu thần kinh, từ đó hỗ trợ phát triển não bộ, khiến lactose được gọi là “đường thông minh” Đối với trẻ sơ sinh, hệ thần kinh chưa phát triển hoàn chỉnh, do đó sữa mẹ là nguồn cung cấp dưỡng chất tốt nhất với hàm lượng lactose lên tới 7%, cao hơn so với các loại sữa khác.
- Cấu tạo từ 1 phân tử ⍺-glucose và phân tử β-galactose liên kết với nhau bằng liên kết 1,4 –O-glucosie Được gọi là β-D-galactopyranosyl (41)-β-D-glucopyranose.
- Tại C1 của phân tử ⍺-Glucose nhóm andehit bị khóa, nhưng tại C1 của phân tử β-Galactose nhóm andehit lại không bị khóa dẫn đến lactose có tính khử.
- Trong sữa, đường lactose tồn tại ở 2 dạng:
+ Dạng ∝-lactose monohydrate C₁₂H₂₂O₁₁.H₂O (phân tử lactose ngậm 1 phân tử nước).
+ Dạng β-lactose anhydrous C₁₂H₂₂O₁₁ ( phân tử β-lactose khan).
Còn tính khử, ít ngọt. dd NH3, t °
- Cơ thể hấp thụ Lactose nhờ enzyme lactase enzyme H₂O+C₁₂H₂₂O₁₁ → C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆
- Kết tinh chậm, tinh thể cứng, có nhiều dạng tinh thể.
- Tại 100⁰C độ hòa tan xấp xỉ saccharose.
- Ở nhiệt độ thường lactose có độ hòa tan trong nước ít hơn saccharose 10 lần.
- Độ ngọt nhỏ hơn saccharose 6 lần.
- Để thủy phân phải đun sôi với acid.
- Có trong thóc nảy mầm và lúa đại mạch.
- Tên thường gọi là đường mạch nha.
Gồm 2 gốc ∝-Glucopyranose liên kết với nhau nhờ gốc OH-glucoside ở vị trí C₁ và C₄, được gọi là ∝-D-Glucopyranoside (14) D-Glucopyranose.
- Còn tính khử. dd NH3, t °
- Bị oxi hóa bởi brom tạo thành maltobionic acid.
- Khi bị thủy phân bằng acid hoặc enzyme maltase sẽ tạo 2 phân tử ∝-D- Glucose.
Sản xuất rượu từ tinh bột được thực hiện thông qua quá trình thủy phân tinh bột bằng β-Amylase, thường xảy ra ở giai đoạn đầu của quá trình lên men Trong quá trình này, α-amylase và β-amylase đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa tinh bột thành dextrin và mantose.
- Ứng dụng trong công nghệ bánh kẹo, tạo vị ngọt thanh, tránh hiện tượng kết tinh đường, tạo cấu trúc mềm dẻo cho kẹo.
- Là oligosaccharide do 3 mono saccharide tạo nên.
- Tiêu biểu là rafinose có trong rỉ đường, hạt bông và củ cải đường
Giữa galactose và glucose liên kết nhau bằng liên kết 1,6-glucoside, giữa glucose và fructose là liên kết 1,2-glucoside.
- Có thể thu nhận ở dạng tinh thể, độ ngọt thấp, hòa tan được trong nước.
- Khi thủy phân trong thời gian ngắn bằng acid, sẽ tách fructose ra trước tiên, nếu bị thủy phân tiếp tục mới tách ra glucose và galactose ra.
C₁₈H₃₂O₁₆+ 2H₂O C₆H₁₂O₆ +C₆H₁₂O₆ +C₆H₁₂O₆Rafinose kém bền với nhiệt so với saccharose.
Polysaccharide
Tinh bột là polysaccharide chính được dự trữ trong cơ thể thực vật, tích lũy qua quá trình quang hợp, chủ yếu có mặt trong hạt, củ và quả Nó tồn tại dưới dạng bột vô định hình, không tan trong nước lạnh và các dung môi hữu cơ Khi gặp nước nóng, tinh bột sẽ tan một phần và trương phồng, tạo ra dung dịch keo.
Tinh bột là hỗn hợp của hai polysaccharide: amylose và amylopectin, tỷ lệ của amylose và amylopectin phụ thuộc vào từng loại thực vật.
Amylose là một polysaccharide cấu thành từ các đơn vị α-D-glucose liên kết với nhau qua liên kết α (1 → 4), tạo thành mạch thẳng không phân nhánh Trong cấu trúc không gian, amylose cuộn lại thành hình xoắn ốc và được ổn định nhờ các liên kết hydro.
Cấu trúc dạng xoắn của mạch amylose:
Amylose phản ứng với thuốc thử iod để tạo ra màu xanh tím, màu sắc này xuất hiện do iod được hấp phụ vào cấu trúc xoắn ốc của amylose, với mỗi vòng xoắn chứa một phân tử iod.
Amylopectin là một polysaccharide có phân tử lượng lớn, dao động từ 10^6 đến 10^7, bao gồm từ 5.000 đến 50.000 đơn vị glucose Cấu trúc của amylopectin có nhiều nhánh, trong đó các đơn vị α-D-glucose được liên kết theo dây nối (1→4) trong mạch chính và theo dây nối (1→6) tại các vị trí phân nhánh.
* Tính chất hóa học của tinh bột.
+ Thủy phân nhờ xúc tác axit
Dung dịch tinh bột không phản ứng với bạc, nhưng khi đun nóng với axit vô cơ loãng, nó tạo ra dung dịch có khả năng phản ứng tráng bạc Điều này xảy ra do tinh bột được thủy phân hoàn toàn thành glucose.
Enzyme α−amilase và β−amilase, có mặt trong nước bọt và mầm lúa, giúp thủy phân tinh bột thành dextrin (C6H10O5)x (với x