Уравнение реакции полного окисления лактозы

Химические свойства лактозы

В молоке и молочных продуктах лактоза вместе с другими компонентами молока может подвергаться воздействию различных факторов: температурных, изменений величины рН и др., то есть может участвовать в химических реакциях в результате которых образуются соединения или продукты распада, обусловливающие свойства продуктов или отрицательно влияющие на вкус, окраску молочных продуктов.

Из большого числа возможных химических реакций следует остановиться на тех, которые представляют практический интерес. Одним из основных химических свойств лактозы является гидролиз.

Гидролиз лактозы – это расщепление ее молекул с присоединением воды с образованием глюкозы и галактозы. Гидролиз происходит по месту кислородного мостика между глюкозой и галактозой. Гидролиз лактозы может проходить под действием фермента лактазы (β-галактозидазы), минеральных кислот и ионнообменных смол.

Ферментативный гидролиз лактозы проходит под действием фермента лактазы при оптимальных условиях (рН 6,0-6,5) и создает предпосылки для регулируемого молочнокислого брожения. Молочнокислые бактерии не сбраживают лактозу, а только продукты ее гидролиза. (Различные виды брожения продуктов гидролиза лактозы будут подробно рассмотрены при обсуждении темы 13).

Кислотный гидролиз лактозы происходит под действием крепких растворов минеральных кислот (серной и соляной), так как кислородный мостик лактозы довольно прочный. Кислотный гидролиз проводят при высоких температурах с целью получения глюкозо-галактозного сиропа. Продукты гидролиза – моносахара – слаще на вкус. Лактоза гидролизуется под действием ионообменных смол – катионитов из сульфонированного полистирола. Гидролизующее действие при этом не отличается от гидролитического действия минеральных кислот, так как сульфоновые кислоты относятся к сильнодействующим. Преимущество этого способа гидролиза в том, что устраняются нежелательные побочные реакции.

Наличие свободного полуацетального (гликозидного) гидроксила в глюкозном остатке лактозы обусловливает реакции, характерные для восстанавливающих сахаров. Например, лактоза легко окисляется слабыми окислителями (жидкость Фелинга, йод и др.) с образованием лактобионовой кислоты. Лактоза восстанавливает жидкость Фелинга (раствор сернокислой меди) до закиси меди, которая выпадает в осадок и определяется количественно. Это свойство лактозы используют для количественного определения ее содержания в молоке (методы Бертрана и йодометрический).

При нагревании как в растворе, так и твердом состоянии лактоза претерпевает химические преобразования, которые сопровождаются потемнением цвета, изменениями вкуса и могут привести к ухудшению качества продуктов. При нагревании растворов лактозы в результате дегидратации образуется 5-гидроксиметил-2-фурфурол, обусловливающий потемнение раствора лактозы.

Нагревание твердой лактозы ведет к образованию дегидратированного сахара – глюкозана, обусловливающего типичный вкус и запах жженого молочного сахара. При этом образуются и другие полимерные продукты, состав которых пока неизвестен. Последующее повышение температуры ведет к полному пиролизу, то есть распаду лактозы под действием нагревания. Это явление карамелизации лактозы.

Наступающее иногда явление побурения молочных продуктов (стерилизованный, сгущенных, сухого молока) объясняется не карамелизацией, а реакцией соединения лактозы с белками с образованием окрашенных веществ меланоидинов.

В практике молочной промышленности в настоящее время используют способность трансформации остатка глюкозы в молекуле лактозы во фруктозу (перегруппировка Амадори). Эта реакция протекает в щелочной среде при нагревании водных растворов лактозы. Образовавшийся продукт называется лактулозой. Лактулозу считают наиболее активным бифидогенным фактором. Ее физиологическая роль заключается в том, что она не усваивается в верхнем отделе желудочно-кишечного тракта, проходит в толстый кишечник, где стимулирует развитие бифидобактерий, которые превращают данный изомер лактозы в молочную, уксусную и другие органические кислоты, подавляющие развитие посторонней кишечной микрофлоры. Лактулозу используют в производстве продуктов детского и диетического питания, а также в медицинской практике при лечении различных заболеваний. В настоящее время начато промышленное производство российской пищевой лактулозы «Лактусан».

Биосинтез лактозы

Дисахарид лактоза образуется в клетках молочной железы из D-глюкозы и уридиндифосфатгалактозы (УДФ-галактозы).

Синтенз лактозы происходит под действием лактозосинтетазной системы двух ферментных белков: белка А, катализирующего перенос галактозы от УДФ-галактозы на N-ацетилглюкозамин и белка В (α-лактальбумина). Белок В сам по себе не обладает каталитической актвиностью. Но этот белок изменяет специфичность белка А таким образом, что в качестве акцептора галактозы белок А может использовать не N-ацетилглюкозамин, а D-глюкозу. В результате этого белок А приобретает способность катализировать образование лактозы, а не N-ацетиллактозамина.

Последовательность реакций синтеза лактозы следующая:

Глюкоза + АТФ → Глюкозо-6-фосфат + АДФ,

Глюкозо-1-фосфат + УТФ → УДФ-глюкоза + 2Фн,

УДФ-галактоза + Глюкоза → Лактоза + УДФ.

Все реакции протекают при участии соответствующих ферментов, последнюю стадию катализирует лактозосинтетазная система двух ферментных белков.

Контрольные вопросы

1. Какие углеводные компоненты содержатся в молоке?

2. В чем заключается роль лактозы в молоке, производстве молочных продуктов и для организма человека?

3. Какие свойства лактозы обусловлены наличием в ее молекуле полуацетального (гликрозидного) гидроксила?

4. Каковы отличительные свойства изомерных форм лактозы: α-гидратной и β-лактозы?

5. Какова специфика процесса кристаллизации лактозы в производстве молочного сахара?

6. При каких условиях происходит гидролиз лактозы?

7. На чем основан переход лактозы в лактулозу и какое практическое значение имеет лактулоза?

8. Какие реакции лежат в основе синтеза лактозы?

Углеводы

Теория по теме Углеводы. Краткие конспект по углеводам. Классификация углеводов, химические свойства углеводов, способы получения углеводов. Свойства и получение моносахаридов (глюкоза, фруктоза), олигосахаридов (сахароза и др.), полисахаридов.

Исключение составляет дезоксирибоза, которая имеют формулу С₅Н₁₀O₄ (на один атом кислорода меньше, чем рибоза).

Классификация углеводов

По числу структурных звеньев

• Моносахариды — содержат одно структурное звено.
• Олигосахариды — содержат от 2 до 10 структурных звеньев (дисахариды, трисахариды и др.).
• Полисахариды — содержат n структурных звеньев.

Некоторые важнейшие углеводы:

По числу атомов углерода в молекуле

• Пентозы — содержат 5 атомов углерода.
• Гексозы — содержат 6 атомов углерода.
• И т.д.

По размеру кольца в циклической форме молекулы

• Пиранозы — образуют шестичленное кольцо.
• Фуранозы — содержат пятичленное кольцо.

Химические свойства, общие для всех углеводов

1. Горение

Все углеводы горят до углекислого газа и воды.

2. Взаимодействие с концентрированной серной кислотой

Концентрированная серная кислота отнимает воду от углеводов, при этом образуется углерод С («обугливание») и вода.

Моносахариды

Моносахариды являются структурными звеньями олигосахаридов и полисахаридов.

Важнейшие моносахариды

Название и формула	Глюкоза C6H12O6	Фруктоза C6H12O6	Рибоза C5H10O5
Структурная формула
Классификация	гексоза альдоза в циклической форме – пираноза	гексоза кетоза в циклической форме — фураноза	пентоза альдоза в циклической форме – фураноза

Глюкоза

Глюкоза – это альдегидоспирт (альдоза).

Она содержит шесть атомов углерода, одну альдегидную и пять гидроксогрупп.

Глюкоза существует в растворах не только в виде линейной, но и циклических формах (альфа и бета), которые являются пиранозными (содержат шесть звеньев):

α-глюкоза	β-глюкоза

Химические свойства глюкозы

Водный раствор глюкозы

В водном растворе глюкозы существует динамическое равновесие между двумя циклическими формами — α и β и линейной формой:

Качественная реакция на многоатомные спирты: реакция со свежеосажденным гидроксидом меди (II)

При взаимодействии свежеосажденного гидроксида меди (II) с глюкозой (и другими моносахаридами происходит растворение гидроксида с образованием комплекса синего цвета.

Реакции на карбонильную группу — CH=O

Глюкоза проявляет свойства, характерные для альдегидов.

• Реакция «серебряного зеркала»

• Реакция с гидроксидом меди (II) при нагревании. При взаимодействии глюкозы с гидроксидом меди (II) выпадает красно-кирпичный осадок оксида меди (I):

• Окисление бромной водой. При окислении глюкозы бромной водой образуется глюконовая кислота:

• Также глюкозу можно окислить хлором, бертолетовой солью, азотной кислотой.

• Каталитическое гидрирование. При взаимодействии глюкозы с водородом происходит восстановление карбонильной группы до спиртового гидроксила, образуется шестиатомный спирт – сорбит:

• Брожение глюкозы. Брожение — это биохимический процесс, основанный на окислительно-восстановительных превращениях органических соединений в анаэробных условиях.

Спиртовое брожение. При спиртовом брожении глюкозы образуются спирт и углекислый газ:

Молочнокислое брожение. При молочнокислом брожении глюкозы образуется молочная кислота:

Маслянокислое брожение. При маслянокислом брожении глюкозы образуется масляная кислота (внезапно):

• Образование эфиров глюкозы (характерно для циклической формы глюкозы).

Глюкоза способна образовывать простые и сложные эфиры.

Наиболее легко происходит замещение полуацетального (гликозидного) гидроксила.

Например, α-D-глюкоза взаимодействует с метанолом.

При этом образуется монометиловый эфир глюкозы (α-O-метил-D-глюкозид):

В более жестких условиях (например, с CH₃-I) возможно алкилирование и по другим оставшимся гидроксильным группам.

Моносахариды способны образовывать сложные эфиры как с минеральными, так и с карбоновыми кислотами.

Получение глюкозы

Гидролиз крахмала

В присутствии кислот крахмал гидролизуется:

Синтез из формальдегида

Реакция была впервые изучена А.М. Бутлеровым. Синтез проходит в присутствии гидроксида кальция:

Фотосинтез

В растениях углеводы образуются в результате реакции фотосинтеза из CO₂ и Н₂О:

Фруктоза

Она содержит шесть атомов углерода, одну кетоновую группу и пять гидроксогрупп.

Фруктоза	α-D-фруктоза	β-D-фруктоза

Фруктоза – кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, более сладкое, чем глюкоза.

В свободном виде содержится в мёде и фруктах.

Химические свойства фруктозы связаны с наличием кетонной и пяти гидроксильных групп.

При гидрировании фруктозы также получается сорбит.

Дисахариды

Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁

Молекула сахарозы состоит из остатков α-глюкозы и β-фруктозы, соединенных друг с другом:

В молекуле сахарозы гликозидный атом углерода глюкозы связан из-за образования кислородного мостика с фруктозой, поэтому сахароза не образует открытую (альдегидную) форму.

Сахароза подвергается гидролизу подкисленной водой. При этом образуются глюкоза и фруктоза:

Мальтоза С₁₂Н₂₂О₁₁

Это дисахарид, состоящий из двух остатков α-глюкозы, она является промежуточным веществом при гидролизе крахмала.

При гидролизе мальтозы образуется глюкоза.

Полисахариды

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:

Крахмал

Крахмалом называется полисахарид, построенный 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 молекулярная масса 160 000) и имеет неразветвленное строение.

Амилопектин имеет разветвленное строение и гораздо большую молекулярную массу, чем амилоза.

Свойства крахмала

• Гидролиз крахмала: при кипячении в кислой среде крахмал последовательно гидролизуется:

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

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

Целлюлоза

Целлюлоза (клетчатка) – наиболее распространенный растительный полисахарид. Цепи целлюлозы построены из остатков β-глюкозы и имеют линейное строение.

Свойства целлюлозы

• Образование сложных эфиров с азотной и уксусной кислотами.

Нитрование целлюлозы.

Так как в звене целлюлозы содержится 3 гидроксильные группы, то при нитровании целлюлозы избытком азотной кислоты возможно образование тринитрата целлюлозы, взрывчатого вещества пироксилина:

Ацилирование целлюлозы.

При действии на целлюлозу уксусного ангидрида (упрощённо-уксусной кислоты) происходит реакция этерификации, при этом возможно участие в реакции 1, 2 и 3 групп ОН.

Получается ацетат целлюлозы – ацетатное волокно.

• Гидролиз целлюлозы.

Целлюлоза, подобно крахмалу, в кислой среде может гидролизоваться, в результате тоже получается глюкоза. Но процесс идёт гораздо труднее.

Опыт 8. Окисление дисахаридов

Дисахариды – это углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов, соединенных друг с другом за счёт взаимодействия гидроксильных групп (двух полуацетальных или одной полуацетальной и одной спиртовой).Связи, соединяющие моносахаридные остатки, называются гликозидными.

Примером наиболее распространенных в природе дисахаридов является сахароза (свекловичный или тростниковый сахар). Молекула сахарозы состоит из остатков глюкозы и фруктозы, соединенных друг с другом за счет взаимодействия полуацетальных гидроксилов (1→2)-гликозидной связью:

Сахароза, находясь в растворе, не вступает в реакцию «серебряного зеркала», так как не способна превращаться в открытую форму, содержащую альдегидную группу. Подобные дисахариды не способны окисляться (т.е. быть восстановителями) и называются невосстанавливающими сахарами.

Существуют дисахариды, в молекулах которых имеется свободный полуацетальный гидроксил, в водных растворах таких сахаров существуют равновесие между открытой и циклической формами молекул. Эти дисахариды легко окисляются, т.е. являются восстанавливающими, например, мальтоза.

В мальтозе остатки глюкозы соединены (1→ 4)-гликозидной связью.

Для дисахаридов характерна реакция гидролиза (в кислой среде или под действием ферментов), в результате которой образуются моносахариды:

При гидролизе различные дисахариды расщепляются на составляющие их моносахариды за счёт разрыва связей между ними (гликозидных связей):

Таким образом, реакция гидролиза дисахаридов является обратной процессу их образования из моносахаридов.

Принцип метода. В зависимости от способа связи моносахаридов в молекулах дисахаридов они проявляют разную способность к окислению.

Положительную реакцию с фелинговой жидкостью дают вос­станавливающие дисахариды (мальтоза и лактоза), в водных ра­створах которых вследствие таутомерных переходов имеются сво­бодные альдегидные группы. Раствор, содержащий сахарозу, при нагревании до начинающегося кипения не изменяет своей окрас­ки, так как сахароза относится к невосстанавливающим дисахаридам и не окисляется реактивом Фелинга.

Схема реакции окисления мальтозы реактивом Фелинга:

мальтоза реактивом Фелинга

Уравнение реакций окисления лактозы реактивом Фелинга::

H

C H O O C H

+ Cu

C H O O C H

H

+ 2 + Cu₂O + H₂O

Порядок выполнения работы.

В 3 пробирки наливают по 2 мл. 1%-ного раствора сахарозы, мальтозы и лактозы. В каждую пробирку добавляют столько же фелинговой жидкости (Реактива Фелинга, представляет собой щелочной раствор комплексного соединения сульфата меди (II) с виннокислым калий-натрием в 10%-ном р-ре NaOH. Готовят непосредственно перед употреблением.). Затем все пробирки нагревают до начинающегося кипения. В пробирке с сахарозой восстановления меди не наблюдается, в двух других появляются осадки оксида меди (I).

Оксид меди, химическое соединение меди и кислорода, существующее в двух формах: закиси (Сu ₂О), блестящий красный порошок, встречающийся в природе в виде минерала куприта, и окиси (СuО), черного цвета.

Оформление работы: объясните различное взаимодействие гидроксида меди (II) с дисахаридами. Составьте уравнения реакции окисления мальтозы и лактозы.