Chương 4 Gluxit

CHƯƠNG IV GLUCID (CARBOHYDRATE) KHÁI NIỆM CHUNG Thành phần cấu tạo • Các nguyên tố chính: C, H, O • Tỷ lệ H : O = : carbohydrate, glucid • Công thức chung: (CH2O)n • Ngoại lệ: đường desoxyribose, C5H10O4 ; Acid lactic (CH2O)3 Nguồn gốc Động vật: Tập trung gan; mô ĐV chứa 2% glucid Máu phải chứa lượng đường cố đònh Người ĐV chlorophyll nên không tự tổng hợp glucid Thực vật: Chiếm tỷ lệ lớn, thay đổi khoảng rộng; Tập trung tế bào, mô nâng đỡ, mô dự trữ Glucose sản phẩm trình quang hợp TV nhờ sắc tố chlorophyll Thành phần carbohydrate nguyên liệu thực vật Nguyên liệu Carbohydrate %CK Nguyên liệu Carbohydrate %CK Cà chua 3,7 Khoai mì 36,4 Cà rốt 8,0 Đậu phộng 27,5 Khoai tây 20 Đậu nành 24,6 Ngũ cốc 70 –80 Đậu đen, trắng, xanh 50 - 53 Khoai lang 28,5 Chức Vai trò sinh học, dinh dưỡng: • Nguồn dinh dưỡng dự trữ, cung cấp chất trao đổi trung gian lượng tế bào • Tham gia cấu trúc thành tế bào thực vật (cellulose), hình thành khung bảo vệ (chitin) • Là thành phần cấu tạo hợp phần quan trọng tế bào AND, ARN, glicoprotein… • Glucid cung cấp cung cấp 50% số calo ngày cần thiết cho hoạt động sống thể 1g glucid cung cấp 4,1 cal Glucid dư chuyển hóa thành lipid dự trữ mô mỡ Vai trò công nghệ thực phẩm: − Glucid nguyên liệu trình lên men: rượu, bia, nước giải khát, bột ngọt,… − Tạo kết cấu, cấu trúc cho sản phẩm thực phẩm: tạo sợi, tạo màng (miến, mì, bánh tráng), tạo độ đặc, độ cứng, độ đàn hồi (giò lụa, mứt đông), tạo độ phồng nở (bánh phồng tôm), tạo bọt cho bia, tạo độ xốp cho bánh mì, tạo vò chua cho sữa (lên men đường thành acid lactic) − Tạo chất lượng sản phẩm thực phẩm: tạo vò ngọt, tạo màu sắc, mùi thơm (phản ứng Maillard), cố đònh mùi, tạo ẩm Phân loại glucid Theo cấu tạo hóa học: - Glucid đơn giản: monosaccharide (1 gốc đường) - Glucid phức tạp: oligosaccharide (2 -10 gốc đường ) - Polysaccharide (nhiều gốc đường) Theo tính hoà tan : • Glucid hòa tan (glucose, fructose, saccarose): Hòa tan tốt nước, dễ đồng hóa, dễ tạo glucogen • Glucid không tan (tinh bột, cellulose, pectin) MONO SACCHARIDE (MS) Cấu tạo hóa học – cách gọi tên • MS dẫn xuất aldehyd (aldose) ceton (cetose) polyalcohol • Công thức chung (CH2O)n với n ≥ • Chỉ tham gia phản ứng oxy hóa khử, không tham gia phản ứng thủy phân Cách gọi tên: loại nhóm chức + số carbon CHO CHOH CHOH Aldosehexose CH2OH C=O CHOH CHOH CH2OH CHOH CHOH Cetosepentose CH2OH Các dạng tồn MonoSaccharide (MS) Cấu tạo mạch thẳng Có C* bất đối nên có đồng phân quang học D : -OH nhóm C* xa gốc aldehyd hay ceton phía bên phải L : -OH nhóm C* xa gốc aldehyd hay ceton phía bên trái (+) : độ quay cực bên phải; (-) : độ quay cực bên trái CHO CHO H *C OH H *C OH H *C HO *C H HO *C H H *C H *C OH H *C OH H *C H *C OH HO *C H H *C CH2OH D (+) glucose CHO CHO CH2OH L (-) glucose H *C OH HO *C H OH H *C OH OH HO *C H OH OH CH2OH D - allose CH2OH L - allose Cấu tạo mạch vòng • Vòng cạnh : piranose Vòng cạnh : furanose • Hợp chất aldose thường tạo vòng cạnh (C1 – C5), tạo vòng cạnh • Hợp chất cetose : (C1 – C5) thường tạo vòng cạnh (C2 – C5), tạo vòng cạnh (C2 – C6) • Nhóm –OH có tính chất đặc biệt : nhóm –OH glucoside Đồng phân vò trí nhóm –OH glucoside: β -OH mặt phẳng phân tử (trái); α -OH mặt phẳng phân tử (phải) Trong dung dòch đường tồn hai dạng mạch thẳng mạch vòng, dạng chuyển hóa lẫn có điểm cân Tính chất MS Tính chất vật lý Tinh thể không màu trắng Hòa tan tốt nước, không hòa tan dung môi hữu Có vò ngọt, độ khác : fructose Tính chất hóa học: MS tham gia phản ứng nhóm chức –CHO/-CO [1] Phản ứng oxy hóa COOH HCOH HOCH H+ loãng, Cu2+ (Acid gluconic) HCOH COOH CHO HCOH HCOH HOCH HNO3đđ HOCH HCOH HCOH HCOH HCOH CH2OH (Glucose) HCOH CH2OH (Acid glucaric) CH2OH COOH Methyl hóa COOH O Br2 OH HO OH OCH3 O OH OCH3 OH (Acid glucuronic) HO [2] Phản ứng khử [3] Phản ứng Tạo osazone cho MS phản ứng với phân tử phenylhydrazine Ứng dụng để đònh tính MS xác đònh cấu trúc chúng osazone loại đường khác có hình dạng tinh thể, nhiệt độ nóng chảy khác Hạn chế : đường dễ hút ẩm, hòa tan nước, gây khó khăn cho phản ứng tạo osazone phản ứng phải xảy dạng rắn tinh thể; Các loại đường có phần đuôi giống tạo loại osazone (glucose; fructose; mannose – osazone) H C CHO H HO C C OH +C6H5NHNH2 C H - H2O C HO H N H NH C6H5 C +C6H5NHNH2 OH -(NH3 + C6H5NH2) H N H C O HO C H H NH C6H5 +C6H5NHNH2 - H2O C N NH C6H5 H C N NH C6H5 HO C (Hydrazone) (Glucose) H (Osazone) Các phản ứng sau thể cấu tạo vòng MS [4] Phản ứng tạo ester : Ester acid phosphoric vò trí C4 C6, hợp chất tích lũy lượng cao CH2OH O OH OH HO OH (Glucose) +H3PO4 -H2O CH2OH O OH OH O HO P O OH (Glucose-1-phosphate) +H3PO4 -H2O CH2O P O OH OP HO OH OH (Glucose-1,6-diphosphate) P [5] Phản ứng tạo liên kết glucoside Diễn nhóm –OH glucoside Nhóm aglucon : R – C – O – R’ : O-glucoside (aglucon gốc đường) R – C – N – R’ : N-glucoside R – C – S – R’ : S-glucoside R – C – C – R’ : C-glucoside • Nếu tác nhân phản ứng methanol xúc tác HCL, ta có phản ứng methyl hóa CH2OH O OH OH +CH3OH NaOH HO (beta-D-Glucose) Tiếp tục phản ứng với methyl sulfate, xúc tác NaOH, ta có phản ứng ether hóa CH2OH O OCH3 OH +(CH3)2SO4 NaOH HO OH (Methyl-beta-D-Glucoside) • H3CO CH2OCH3 O OCH3 OCH3 OCH3 (Methyl-beta-2,3,4,6 tetra-o-methyl-D-Glucoside) Nếu nhóm ngoại gốc đường khác, ta có hợp chất disaccharide CH2OH O OH O HO CH2OH O OH (Maltose) OH OH • HO OH (Methyl-beta-D-Glucoside) OH • CH2OH O OCH3 OH OH Tiếp tục gắn gốc đường liên tiếp liên kết glucoside, ta tạo mạch polysaccharide CH2OH O OH O CH2OH O OH O CH2OH O OH O OH OH CH2OH O OH OH OH [6] Phản ứng dehydrat hóa OH H H C C H C CH OH H CHO CHO H+đđ -3H2O OH OH O (Fufural) (Pentose) OH H H H C C C C OH H [7] Phản ứng kiềm CHO OH OH CH2OH (Hexose) H+đđ -3H2O CHO O (Hydroxy methyl fufural - táo) CH2OH môi trường Môi trường kiềm gây phản ứng đồng phân hóa • Trong môi trường kiềm MS chất khử mạnh [8] Phản ứng caramel hóa • Phản ứng caramel phản ứng dehydrat hóa (tách nước) đường xảy làm nóng chảy tinh thể đường hay đun nóng dung dòch đường có xúc tác acid hay kiềm • Sản phẩm phản ứng có màu nâu đến đen, mùi caramel đặc trưng, dễ tan nước [9] Phản ứng với hợp chất nitơ • Phản ứng Maillard, tạo sản phẩm N-glucoside : Melanoidine o • Phản ứng xảy có đường, a.amin, peptid, protein, lượng nhỏ, nhiệt độ lớn C Đường : Glucose, fructose, maltose, lactose,… Hợp chất Nitơ : amin bậc chiếm ưu thế, proline, lysine, … o o • Sản phẩm có màu nâu, mùi nướng, vò đắng, chất lượng tốt T pu 90% AP); lúa mì, bắp (AM/AP = 1/3) Cấu tạo hóa học : glucan (α-D-glucose) Amilose • Mạch thẳng, không phân nhánh, liên kết 1,4-glucoside • Mpt = 20.000 – 30.000 • Không tan nước lạnh Trong nước nóng tạo thành dung dòch keo (hồ hóa) • Ở trạng thái keo, AM tồn trạng thái xoắn, ổn đònh nhờ liên kết Hydro Mỗi vòng xoắn chứa gốc glucose I2 hấp phụ vào vòng xoắn tạo màu xanh đặc trưng Màu tạo với I thay đổi theo độ dài mạch mức độ phân nhánh Amilopectin • Mạch thẳng, phân nhánh, liên kết 1,4 (thẳng) 1,6-glucoside (nhánh) • Chứa > 20 – 30 gốc glucose; Mpt = 200.000 – 1.000.000 • Mức độ phân nhánh quy đònh độ dẻo tinh bột, tùy thuộc nguồn nguyên liệu • Nhiệt độ hồ hóa cao AM, tạo dung dòch keo có độ nhớt cao AM • Cho màu tím với I2 Hạt tinh bột: cấu tạo từ AM AP, xung quanh hạt lớp vỏ cấu tạo AM, AP Các hạt xếp thành lớp Hạt tinh bột từ nguyên liệu khác có hình dạng kích thước khác Quá trình trương nở – hồ hóa – thoái hóa • Trạng thái khô: sợi AM AP xếp xen kẻ, tạo liên kết H2 nội, bột rít tay • Khi có nước: liên kết hydro sợi tinh bột với nước làm cho hạt tinh bột trương lên • Nếu nhiệt độ nước thấp, tinh bột trương nở đến mức dừng lại • Nếu gia nhiệt khuấy trộn, lớp vỏ bò phá vỡ, AM AP thoát ra, khả hút nước tăng tối đa • Nước xâm nhập ngày nhiều đến sợi AM AP trượt lên nhau, phân tán nước tạo nên dung dòch tinh bột Dung dòch hồ tinh bột có độ nhớt cao • Nếu tiếp tục gia nhiệt khuấy trộn xảy đứt mạch, giảm độ nhớt • Nhiệt độ tượng hồ hóa xảy gọi nhiệt độ hồ hóa (T hh), phụ thuộc loại tinh bột, độ phân nhánh, cấu trúc loại hạt • O H O H H H +H2O O H O H H TO O O H H O O H H H O 10 Hiện tượng thoái hóa: cất giữ dung dòch hồ tinh bột thời gian lâu, sợi tinh bột tiến đến gần nhau, tạo lại liên kết Hydro nội, giảm liên kết với nước, tách với nước, tượng hồ bò ứa nước AP tạo dung dòch hồ tinh bột bền so với AM Sự thủy phân tinh bột Khi bò thủy phân, tinh bột bò cắt mạch từ từ thành dextrin cuối maltose glucose +H2O; H+/E − − − − Tinh bột Dextrin (Mpt khác nhau) Maltose, Glucose [1] Dextrin α dextrin : – gốc glucose liên kết 1,6-glucoside β dextrin : có Mpt lớn Amilosedextrin Mpt = 500.000 xanh I2 tủa rượu 40o Erithrodextrin Mpt = 10.000 tím I2 tủa rượu 65o Achrodextrin Mpt = 4-6.000 nâu đỏ I2 tủa rượu 70o Maltodextrin Mpt < 4.000 cam I2 không tủa [2] Enzym: Amylase α -amilase: − Endoenzym thủy phân 1,4-glucoside vò trí − Sản phẩm: dextrin mạch ngắn glucose maltose, độ nhớt dòch giảm nhanh − Có nhiều dòch tụy, nước bọt động vật, mầm thực vật Ở vsv, α-amilase có loài vi khuẩn, nấm mốc Aspergillus orizae, Bacillus subtilis, Bacillus licheniformic − T0opt = 60-700C β -amilase: − Exoenzym, thuỷ phân liên kết 1,4-glucoside từ đầu không khử − sản phẩm: β-dextrin (dextrin mạch dài), maltose − Có thực vật, hạt mầm, đặc biệt mầm khoai lang − pHopt = – 5; Topt = 50-620C tùy nguồn gốc γ -amilase (glucoamilase): Exoenzym, thủy phân liên kết 1,4;1,6 glucoside, hiệu suất cao 98-99%, cắt đứt gốc glucose Sản phẩm: chủ yếu glucose (nên gọi glucoamylase – GAM) pHopt = 3,5 – ; T0opt =600C tùy nguồn gốc Có vi sinh vật nấm mốc, vi khuẩn Aspergillus niger, Rhizopus sp E alpha-amylase (Termamyl) alpha-dextrin + Maltose + Glucose Tinh bột (endo, lk 1,4; bất kỳ) Tinh bột Tinh bột E beta-amylase (Fungamyl) (exo, lk 1,4; cắt gốc từ đầu không khử) beta-dextrin + Maltose E gama-amylase (GAM-Glucoamylase) (exo, lk 1,4 1,6; cắt gốc từ đầu không khử) Glucose Đánh giá chất lượng thủy phân dựa vào số DE DE cao mức độ thủy phân sâu Đường khử (≡ glucose) DE = Tinh bột (ban đầu) 11 Cellulose • Glucan, từ β-D-glucose, 1,4-glucoside Chuỗi polyme chứa hàng chục nghìn gốc MS, dạng thẳng không xoắn • Các chuỗi cellulose xếp song song thành sợi có φ 3,5 nm Các sợi cellulose lại tạo thành bó sợi φ 20 nm Giữa chuỗi cellulose có nhiều gốc –OH tạo nhiều liên kết hydro giúp ổn đònh sợi cellulose, làm cho bền, khó thủy phân (bã mía, cỏ, tre nứa, …) Điều kiện thủy phân nghiêm ngặt • Người, ĐV thường không tiêu hóa cellulose ĐV nhai lại tiêu hóa cellulose nhờ hệ enzyme cellulase dòch vò Hemicellulose • PS dò thể gồm pentose hexose mạch • Không tan nước, tan dung dòch kiềm • Giữ nhiệm vụ làm chất kết dính tế bào (cùng với pectin) • Có nhiều vỏ hạt, bẹ ngô, rơm, cám, trấu,… Pectin • Là PS dò thể: dẫn xuất methyl acid pectic (α-D-1,4-polygalacturonic acid) • MS: galactose, liên kết 1,4-glucoside • Mpt = 10.000 – 100.000 Phân loại pectin [1] Theo % nhóm methylen phân tử pectin + HMP : High Methoxyl Pectin; DE > 50% + LMP : Low Methoxyl Pectin ; DE ≤ 50% [2] Theo khả hòa tan nước + Pectin hoà tan: Methoxyl polygalacturonic + Pectin không hòa tan: Protopectin = Pectin + Araban (PS thành tế bào) Glycogen Cấu tạo giống tinh bột, PS động vật, sinh tổng hợp gan ĐV Mức độ phân nhánh dày đặc (10 lk 1,4 có lk 1,6- glucoside) Amilopectin glycogen Dextran: PS vsv, cấu tạo giống tinh bột; liên kết 1,4; 1,6 có liên kết 1,3 –glucoside Agar / Carragenan / Alginate: Từ rong biển; không tan nước lạnh,đun nóng hòa tan, để nguội tạo thành khối gel đông 12 TRAO ĐỔI GLUCID Sự thủy phân glucid: Sự thủy phân glucid (đường oligo polysaccharide) diễn với tác dụng loại E thủy phân Amilase, maltase amilase Tinh bột dextrin, maltose C6H12O6 (glucose) Invertase Saccharose glucose + fructose − Hệ tiêu hóa: Nước bọt: chứa α-amilase, thủy phân sơ tinh bột có thức ăn Dạ dày: pH = 1,5-2,0 nên E amylase không hoạt động − Ruột non: E amilase, saccarase, maltase, lactase,… Maltose Saccarose Lactose Maltase Saccharase lactase glucose glucose + fructose glucose + galactose Quá trình phosphoryl hóa (sự lân phân): − H3PO4 thay vò trí H2O trình thủy phân − Quá trình lân phân diễn chủ yếu glycogen gan động vật − Enzym: phosphatase − H3PO3- gắn vào vò trí C1 tạo thành glucose-1-phosphat, chuẩn bò tham gia trình oxhk sinh học CH2OH CH2OH CH2OH O O H O OH H H OH O OH H H OH O H3PO4 H glucotransferaza (phosphorylase) n OH H H OH O P n Glycogen glucose-1-phosphat Chu trình đường phân (Glycolyse) Oligosaccharide – Polysaccharide Glucose ĐƯỜNG PHÂN Acid piruvic CO2 + H2O Hô hấp + O2 - O2 Lên men Rượu, acid 13 CHU TRÌNH ĐƯỜNG PHÂN – GLYCOLYSE − Chu trình đường phân xảy tất thể sinh vật sống − Chu trình gồm có giai đoạn, 10 phản ứng − Qua chu trình đường phân: phân tử glucose acid pyruvic + ATP 14 Acid piruvic sản phẩm trung gian trình trao đổi chất • Tùy nhu cầu thể điều kiện môi trường (+O , -O2), acid piruvic chuyển hóa theo hướng khác nhau: tổng hợp acid amin , acid béo hay tham gia phản ứng oxy hóa khử Chuyển hoá acid pyruvic điều kiện yếm khí (anaerobic = lên men) Trong điều kiện yếm khí có trình lên men: lên men lactic, ethylic, butyric Lên men lactic: COOH COOH • C O lactat dehydrogenase CH3 a.piruvic CHOH CH3 a.lactic − Vi khuẩn lactic − Trong muối chua thực phẩm trình chế biến sản xuất yaourt, chao,… Lên men ethylic: COOH C O CH3 alcoholdecarboxylase acid piruvic HC O H dehydrogenase acetaldehyd CH3CH2OH rượu etylic − Kiểu lên men nấm men Saccharomyces − Trong trình chế biến rượu, cồn, nước giải khát lên men, sản xuất bánh bao, bánh mì,… c Lên men butyric: − Đây kiểu lên men điều kiện kỵ khí − Gồm nhiều phản ứng tạo thành CH3CH2CH2COOH (acid butyric) Chuyển hóa pyruvic điều kiện hiếu khí: (aerobic) CHU TRÌNH CREBS Tổng hợp acetyl CoA: COOH O CH3C ~OCoA C O pyruvatdecarboxylase Acetyl CoA Synthetase Dehydrogenase CH3 Acid pyruvic acetyl Co A Chu trình Crebs: • Chu trình Crebs giai đoạn cuối trình oxy hóa khử sinh học chất, protein, glucid, lipid Chu trình Crebs trung tâm trình trao đổi chất • Gồm đoạn , 10 phản ứng • Xét mặt lượng: glucose 38 ATP (năng lượng tích lũy dạng ATP) ATP có lượng 7-10 kcal/mol Q = 38 x = 266 kcal/mol (hình trang sau) Chu trình pentozophosphat: − Oxy hóa trực tiếp glucose − Thực vật: ; động vật: gan, mô mỡ − Tích lũy 35 ATP 15 16 CHUYỂN HÓA GLUCID TRONG CHẾ BIẾN VÀ BẢO QUẢN: Các nguyên liệu chứa carbohydrate Rau quả: đường, pectin, protopectin, tinh bột, cellulose, hemicellulose,… Lương thực: tinh bột, đường, cellulose, hemicellulose,… Phản ứng thủy phân Tinh bột đường, dextrin Protopectin pectin Hemicellulose đường Phản ứng oxy hóa Quá trình hô hấp hiếu khí : C6H12O6 + O2 CO2 + H2O Quá trình hô hấp yếm khí : trình lên men C6H12O6 C2H5OH + CO2 Phản ứng tạo màu Đường Sản phẩm phản ứng caramel Đường + acid amin hợp chất melanoidine TỔNG HP GLUCID: Quá trình quang hợp: − Quang hợp trình xanh số vi sinh vật có chlorophyl hấp thụ quang chuyển thành hóa khử khí CO2 thành loại glucid (CH2O)n Phương trình tổng quát: CO2 + H2O (CH2O)n + O2 + H2O − Quá trình quang hợp xảy nhiều trình phức tạp, gồm có hai pha: pha sáng pha tối − Phương trình lượng tổng quát: 6CO2 + 23H2O + 18ATP 1fructo-6phosphate + 18ADP + 17H3PO4 + 6O2 Fructose-6P Glucose 6P polime hóa Tổng hợp polysaccarid: Tổng hợp saccarose Tổng hợp tinh bột Tổng hợp glicogen ĐỊNH TÍNH ĐỊNH LƯNG GLUCID Đường khử • Phản ứng với thuốc thử Benedict: tạo tủa Cu 2O môi trường kiềm mạnh • Phản ứng với thuốc thử Fehling: tạo tủa Cu2O môi trường kiềm mạnh • Phản ứng với thuốc thử acetate đồng: tạo tủa Cu 2O môi trường acid • Phản ứng với thuốc thử pheninhydrazine: tạo tinh thể osazone – kính hiển vi • Phản ứng với ferrycyanua màu vàng đậm: tạo ferrocyanua màu vàng nhạt – chuẩn độ hóa học • Phản ứng với thuốc thử DNS (DiNitro Salicilic acid): tạo phức màu – máy so màu quang phổ Tinh bột • Thuốc thử Liugon: tạo màu xanh tím với hồ tinh bột • Tách tinh bột, sấy, cân • Thủy phân thành đường khử đònh lượng 17