Усваиваемые и неусваиваемые углеводы. Органические кислоты

Классификация углеводов и их функции в организме

Углеводы являются важными энергетическими компонентами пищи и представляют собой органические соединения, содержащие одновременно альдегидную или кето-группу и несколько спиртовых групп.

По химическому составу углеводы делятся на простые исложные. К простым сахарам относят моносахариды (монозы C_nH_2nO_n,, содержат обычно 3–9 атомов углерода). К простым сахарам относятся глюкоза, фруктоза, ксилоза, арабиноза. Простые сахара не гидролизуются с образованием более простых углеводов. В зависимости от количества атомов углерода простые сахара делят еще на тетрозы, пентозы (C₅H₁₀O₅) и гексозы (C₆H₁₂O₆). Кроме того, все простые сахара разделяются на альдозы (глюкоза) и кетозы (фруктоза). Сложные углеводы гидролизуются с образованием более простых углеводов. Они в свою очередь делятся на олигосахариды (дисахариды (сахароза, мальтоза и лактоза), трисахарид (рафиноза), тетрасахарид (стахиоза)), сахароподобные низкомолекулярные вещества, растворимые в воде и высокомолекулярные несахароподобные полисахариды.

Среди олигосахаридов различают восстанавливающие и невосстанавливающие углеводы, а полисахариды разделяют на монополисахариды (состоят из остатков одного моносахарида) и гетерополисахариды. К полисахаридам относят гемицеллюлозы, крахмал, инулин (полисахарид, построенный из остатков D -фруктофуранозы), гликоген, целлюлозу, пектиновые вещества, декстраны и декстрины, которые состоят из различной длины цепочек тех или иных моносахаридов. С точки зрения функционального назначения полисахариды могут быть разделены на структурные и резервные полисахариды. Важным структурным полисахаридом является целлюлоза, а главные резервные полисахариды – и гликоген и крахмал (у животных и растений соответственно).

В состав олигосахаридов, полисахаридов входят моносахариды в циклической форме. Если связь между кольцами моносахаридов образована двумя гликозидными гидроксилами, то углевод может существовать только в одной форме (циклической), и, следовательно, не проявляет восстановительных свойств –невосстанавливающие сахара(крахмал, сахароза). Если в образовании связи участвует один гликозидный и один спиртовой гидроксилы, то сохраняется один гликозидный гидроксил и сахара являются восстанавливающими (мальтоза, лактоза).

Образование гликозидной связи

Моносахариды в растворе существуют в двух таутомерных формах: цепной и циклической (5-и членные кольца – фуранозы, 6-и членные – пиранозы). Циклические группы не содержат кето- и альдегидных групп. Для углеводов в цепной форме характерны реакции альдегидов (кетонов), в циклической форме – реакции спиртов, причем наиболее реакционноспособным является гликозидный гидроксил.

Пираноза Альдегидная форма Фураноза

b-Гюкопираноза Альдегидная форма a-Гюкопираноза

Циклическая форма, у которой гликозидный гидроксил расположен по одну сторону (относительно плоскости кольца) с гидроксильными группами у атомов углерода С2 и С4 (у глюкозы) или С4 и С5 (у фруктозы), называется a-формой. Если же эти гидроксильные группы расположены по разные стороны, то такая циклическая форма называется b-формой. Принадлежность любой монозы к D - или L -ряду определяется по конфигурации ее последнего (считая от альдегидной группы в альдозах, а в кетозах – от того конца, к которому ближе кетонная группа) ассиметрического атома углерода. Справа – D, слева - L (как у глицеринового альдегида). Циклические a- и b- формы моноз имеют различные углы вращения плоскости поляризации. Водный раствор a- D (+)-глюкоза вращает вправо на 112º, а b- D (+)-глюкоза вращает в ту же сторону, но на 19º. Равновесная же концентрация этих аномеров имеет удельное вращение, равное +52,7º. Это значит, что в растворе происходит одновременное уменьшение величины вращения a- D (+)-глюкозы и увеличение величины вращения b- D (+)-глюкозы. Такое изменение оптической активности раствора моносахаридов во времени называется мутаротацией. Таким образом, в растворе аномеры переходят друг в друга с установлением подвижного равновесия. После установления такого равновесия в растворах D -глюкозы содержится 36% a- D (+)-глюкозы и около 64% b- D (+)-глюкозы (в основном глюкопиранозы).

С точки зрения усвояемости в организме человека углеводы разделяют условно на две группы – усваиваемые организмом человека и неусваиваемые (их называют иногда «пищевые волокна»). К усваиваемым относятся глюкоза, фруктоза, сахароза, мальтоза, галактоза, латкоза и рафиноза, инулин, крахмал и декстрины, как продукты промежуточного гидролиза крахмала. К не усваиваемым углеводам обычно относятся целлюлоза, гемицеллюлозы, лигнин (эти три группы иногда объединяют под названием «грубые пищевые волокна»), пектиновые вещества, декстраны (их называют иногда «мягкие пищевые волокна»). К неусваиваемым углеводам относятся обычно также фитиновая кислота и лигнин – ароматический полимер неуглеводной природы.

Лигнин – природный разветвленный полимер. Молекулы лигнина построены главным образом из остатков замещенных фенолоспиртов. Лигнин скрепляет целлюлозные волокна растений, составляет основу клеточных стенок растений и вместе с целлюлозой определяет механическую прочность стволов и стеблей. Лигнин снижает проницаемость клеточных стенок для воды и питательных веществ; входит в состав почти всех растений (в древесине 20–30%). Лигнин не является полисахаридом, его разветвленные молекулы построены главным образом из остатков замещенных фенолоспиртов.

R: H, OCH3 Лигнин

Усвояемость углеводов зависит от наличия определенных ферментов в желудочно-кишечном тракте человека. Легче всего усваиваются фруктоза, глюкоза, сахароза, а также мальтоза и лактоза; несколько медленнее – крахмал (фермент – амилаза) и декстрины, так как они должны предварительно расщепиться до простых сахаров. Человек в отличие от жвачных животных не может использовать такие полисахариды, как гемицеллюлозы и целлюлозу, пектин. Однако может происходить частичное расщепление этих веществ под действием микроорганизмов в толстой кишке. Но в общем балансе получаемой человеком энергии доля этих веществ ничтожна (менее 1%) и ею обычно пренебрегают. Единственным нерасщепляемым и неусвояемым компонентом клеточных стенок является лигнин.

Углеводы содержатся главным образом в растительных продуктах. Животный полисахарид гликоген содержится в печени (до 10%) и в мышцах (до 1%).

Углеводы в питании человека играют очень важную роль и выполняют ряд функций в организме:

- Углеводы являются главным источником энергии для человеческого организма, необходимой для жизнедеятельности всех клеток, тканей и органов, особенно мозга, сердца, мышц. В результате биологического окисления углеводов (а также жиров и, в меньшей степени, белков) в организме освобождается энергия, которая аккумулируется в виде богатого энергией соединения – аденозинтрифосфорной кислоты. При окислении 1 г углеводов, как уже отмечалось, образуется 4 ккал энергии.

- Углеводы выполняют пластическую функцию. Углеводы и их производные входят в состав разнообразных тканей и биологических жидкостей.

- Для углеводов характерна также регуляторная функция. Так, например, они противодействуют накоплению кетоновых тел при окислении жиров, а ощущение сладкого, воспринимаемого рецепторами языка, тонизирует центральную нервную систему.

- Некоторые углеводы и их производные обладают биологической активностью, выполняя в организме специализированные функции. Например, гепарин предотвращает свертывание крови в сосудах, гиалуроновая кислота препятствует проникновению бактерий через клеточную оболочку.

Запасы углеводов в организме человека очень ограничены: их содержание не превышает 1% массы тела. При интенсивной работе они быстро истощаются, поэтому углеводы должны поступать с пищей ежедневно.

Усваиваемые углеводы. Усваиваемые углеводы являются основным поставщиком энергии. И хотя их энергетический коэффициент меньше, чем у жиров, человек потребляет большое количество углеводов и получает с ними 50–60% требуемых калорий. Хотя усваиваемые углеводы, как поставщики энергии могут быть в значительной мере заменены жирами и белками, полностью исключить их из питания нельзя. В противном случае в крови появятся продукты неполного окисления жиров, так называемые «кетоновые тела», произойдет нарушение функции центральной нервной системы и мышц, ослабление умственной и физической деятельности, сократится продолжительность жизни.

Считается, что взрослый человек при умеренных физических нагрузках должен потреблять 365–400 г (в среднем 382 г) усвояемых углеводов в день, в том числе не более 50–100 г простых сахаров. Такая доза предотвращает кетоз и потерю мышечного белка у человека. Удовлетворение потребности организма в углеводах осуществляется за счет растительных источников. В растительных продуктах углеводы составляют не менее 75% сухого вещества. Значение животных продуктов, как источников углеводов невелико.

Усваиваемость углеводов достаточно высока: в зависимости от пищевого продукта и характера углевода она колеблется от 85 до 99%. Систематический избыток углеводов в питании может способствовать возникновению ряда болезней (ожирение, диабет, атеросклероз).

Моносахариды. Глюкоза. Глюкоза является основной формой, в виде которой углеводы циркулируют в крови, обеспечивая энергетические нужды организма. Именно в форме глюкозы поступает в кровь основная масса углеводов из пищи; в глюкозу же превращаются углеводы в печени и из глюкозы могут образовываться все остальные углеводы в организме. Глюкоза используется как основной вид топлива в тканях млекопитающих, исключение составляют жвачные животные, и служит универсальным топливом в период эмбрионального развития. Глюкоза превращается в другие углеводы, выполняющие высокоспецифичные функции – в гликоген, являющийся формой хранения энергии, в рибозу, содержащуюся в нуклеиновых кислотах, в галактозу, которая входит в состав лактозы молока.

Особое место в ряду монополисахаридов занимает D -рибоза. Она служит универсальным компонентом главных биологически активных молекул, ответственных за передачу наследственной информации, – рибонуклеиновой кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот; входит в состав АТФ и АДФ, с помощью которых в любом живом организме запасается и переносится химическая энергия.

Определенное содержание глюкозы в крови (натощак 80–100 мг/100 мл) совершенно необходимо для нормальной жизнедеятельности человека. Глюкоза в крови – важный энергетический материал, доступный любой клетке организма. Избыток сахара превращается в первую очередь в животный полисахарид – гликоген. При недостатке усвояемых углеводов в пище глюкоза образуется из этих запасных полисахаридов.

Важная роль в регулировании обмена глюкозы принадлежит гормону поджелудочной железы – инсулину. Если организм вырабатывает его в недостаточном количестве, то процессы использования глюкозы замедляются. Уровень глюкозы в крови повышается до 200–400 мг/100 мл. Почки перестают задерживать такие высокие концентрации сахара в крови и появляется сахар в моче, возникает сахарный диабет.

Быстрый рост уровня глюкозы в крови вызывают моносахариды и дисахариды, особенно сахароза. При потреблении фруктозы уровень глюкозы в крови увеличивается менее резко. У фруктозы, в отличие от глюкозы, несколько иной путь превращений в организме. Она в большей степени задерживается печенью и поэтому меньше поступает в кровь, а поступив в кровь, скорее вступает в различные обменные реакции. Фруктоза переходит в глюкозу в процессах обмена веществ, но увеличение концентрации глюкозы в крови происходит при этом более плавно и постепенно, не вызывая обострения диабета. Важно и то, что утилизация фруктозы в организме не требует инсулина. Наименьший рост содержания глюкозы в крови вызывают некоторые крахмалсодержащие продукты, например, картофель и бобовые, которые по этой причине часто используют при лечении диабета.

Глюкоза (виноградный сахар) в свободном виде содержится в ягодах и фруктах (в винограде до 8%; в сливе, черешне 5–6%; в меде 36%). Из молекул глюкозы построены крахмал, гликоген, мальтоза; глюкоза является составной частью сахарозы, лактозы.

Фруктоза. Фруктозой (фруктовым сахаром) богаты мед (37%), виноград (7,2%), груши, яблоки, арбуз. Фруктоза, кроме того, является составной частью сахарозы. Установлено, что фруктоза в значительно меньшей степени, чем сахароза и глюкоза, вызывает кариес. Этот факт, а также большая сладость фруктозы по сравнению с сахарозой, обуславливают и большую целесообразность потребления фруктозы по сравнению с другими сахарами.

Простые сахара, с кулинарной точки зрения, ценятся за их сладость. Однако степень сладости отдельных сахаров весьма различна. Если сладость сахарозы условно принять за 100 единиц, то относительная сладость фруктозы будет равна 173 единицам, глюкозы – 74, сорбита – 48.

Дисахариды. Сахароза. Одним из наиболее распространенных дисахаридов является сахароза – обычный пищевой сахар. Сахарозе принадлежит основное значение в питании. Это основной углеводный компонент конфет, пирожных, тортов. Молекула сахарозы состоит из одного остатка a- D -глюкозы и одного остатка b- D -фруктозы. В отличие от большинства дисахаридов, сахароза не имеет свободного гликозидного гидроксила и не обладает востанавливающими свойствами.

Лактоза. Лактозы (дисахарид, восстанавливающий сахар) много содержится в грудном молоке (7,7%), коровьем молоке (4,8%); содержится в молоке всех млекопитающих. Однако у многих людей в желудочно-кишечном тракте нет фермента лактазы, которая расщепляет лактозу (молочный сахар). Они не переносят коровье молоко, где содержится лактоза, но благополучно потребляют кефир, где этот сахар частично потреблен кефирными дрожжами.

У некоторых людей наблюдается непереносимость бобовых и черного хлеба, содержащих относительно большое количество рафинозы и стахиозы, которые не разлагаются ферментами желудочно-кишечного тракта.

Полисахариды. Крахмал. Из усваиваемых полисахаридов основное значение в питании имеет крахмал, на долю которого приходится до 80% потребляемых углеводов. Крахмал – весьма важный и распространенный в растительном мире полисахарид. Составляет от 50 до 75% сухого вещества зерен злаков и, по меньшей мере, 75% сухого вещества спелого картофеля. Крахмала больше всего содержится в крупах и макаронах (55–70%), бобовых (40–45%), хлебе (30–40%), картофеле (15%). Крахмал гидролизуется через ряд промежуточных продуктов (декстрины) до мальтозы, непосредственно используемой организмом. Схематично кислотный или ферментативный гидролиз крахмала может быть представлен следующим образом:

Крахмал ® растворимый крахмал ® декстрины (С₆Н₁₀О₅)_n ® мальтоза ® глюкоза.

Мальтоза – продукт неполного гидролиза крахмала; восстанавливающий сахар. Декстрины – (С_6­Н₁₀О₅)_n- продукты частичного расщепления крахмала или гликогена при термическом, кислотном и ферментативном гидролизе. Растворимы в воде, но нерастворимы в спирте, что используется для отделения декстринов от сахаров, растворяющихся и в воде и в спирте. О степени гидролиза крахмала можно судить по окраске при добавлении йода: Йод + крахмал – синий; декстрины – n>47 – голубой; 39–46 – сине-фиолетовый; 30–38 – красно-фиолетовый; 25–29 – красный; 21–24 – коричневый; n<20 – не образуют окрашенных комплексов.

Крахмал – резервный полисахарид растений: накапливается в виде зерен в клетках семян, луковиц, клубней, в листьях и стеблях. Крахмал состоит из остатков глюкозы, соединенных гликозид-гликозидной связью и поэтому он – невосстанавливающийсахар, а декстрины – восстанавливающие.

Гликоген. Гликоген – разветвленный полисахарид, в виде которого углеводы запасаются в организме животного. Его часто называют животным крахмалом. Промежуточным продуктом кислотного гидролиза гликогена являются декстрины, а конечным – глюкоза. Гликоген содержится во всех тканях животных и человека и представляет собой резервное вещество (в растениях такие функции выполняет крахмал), легко расщепляющееся под действием ряда ферментов до глюкозы.

Неусваиваемые углеводы. Неусваиваемые углеводы – это компоненты стенки растительных клеток, которые не расщепляются ферментами животного организма (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, смолы, пектины). В медицинской литературе наиболее часто используют термин «клетчатка», считая его синонимом «грубые пищевые волокна». В действительности же клетчатка составляет только часть, хотя и основную, грубых пищевых волокн.

Полисахариды. Целлюлоза. Целлюлоза – один из наиболее распространенных гомополисахаридов. Она выполняет роль опорного материала растений, из него строится жесткий скелет стеблей, листьев. Древесина наполовину состоит из клетчатки и, кроме того, содержит связанный с нею лигнин. Целлюлоза представляет собой полимер, содержащий 600–900 остатков глюкозы (средняя молекулярная масса 1–1,5 млн.). Целлюлоза не расщепляется обычными ферментами желудочно-кишечного тракта, а при действии фермента целлюлазы, выделяемого из кишечной флоры травоядных, распадается на целлодекстрины (олигоцеллосахариды) и целлобиозу.

Несмотря на то, что клетчатка в тонком кишечнике почти не усваивается, нормальное пищеварение без нее практически невозможно. Недостаток клетчатки способствует развитию ожирения, желчно-каменной, сердечно-сосудистых и других заболеваний.

Клетчатка, так же, как и гемицеллюлозы, и в меньшей степени пектин, создают благоприятные условия для нормального продвижения пищи по желудочно-кишечному тракту. Кроме того, клетчатка нормализует деятельность полезной кишечной микрофлоры, способствует (особенно вместе с пектином, который содержится в овощах и фруктах) выведению из организма холестерина, адсорбирует желчные кислоты. Клетчатка в некоторой степени снижает аппетит, создает чувство насыщения. Однако при чрезмерном потреблении клетчатки, усваиваемость почти всех основных пищевых веществ (белков, жиров, витаминов, особенно минеральных веществ) снижается на 5–15%. Клетчатка и пектин, обладают способностью связывать некоторые витамины, кальций, магний, фосфор, железо, цинк, медь и другие микроэлементы. Так, железо из растительных продуктов усваивается в 2–3 раза меньше, чем из животных продуктов.

Гемицеллюлозы. Гемицеллюлозы – разнообразные по химической структуре гетерополисахариды растений с разветвленными молекулами и встречаются в виде ассоциатов с целлюлозой. Молекулярная масса гемицеллюлоз меньше, чем у целлюлозы. Гемицеллюлозы содержатся наряду с целлюлозой и лигнином в клеточной стенке растений; лучше растворяются в растворах щелочей, чем целлюлоза и легче гидролизуются кипящими минеральными кислотами. В шелухе семян содержится до 13–43% гемицеллюлозы.

Пектиновые вещества. Пектиновые вещества – растительные гетерополисахариды, построенные из остатков галактуроновой кислоты, соединенных гликозидными связями. Пектины являются компонентами первичных клеточных стенок растений, где находятся в комплексе с гемицеллюлозами и целлюлозой. В значительных количествах пектины накапливаются в сочных плодах. В растительных тканях пектины могут находиться в виде нерастворимого протопектина. Ценное свойство пектинов – склонность к образованию гелей (межмолекулярная ассоциация цепей), которое используется для производства желе, джемов, фруктовых консервов. Пектин выделяют из лимонной корки и жома яблок.

Пектины и другие компоненты «мягких пищевых волокн», как уже говорилось, тоже не усваиваются человеком. Вместе с тем имеются данные, свидетельствующие о благоприятной роли пектина, например, при отравлениях токсичными металлами, в подавлении деятельности гнилостных микроорганизмов. Пектин, более эффективно, чем клетчатка, способствует снижению холестерина в крови и удалению желчных кислот.

Декстраны. Декстраны (С_6­Н₁₀О₅)_n – группа бактериальных полисахаридов, состоящих из остатков a- D -глюкозы. Декстраны продуцируются различными видами бактерий. Биосинтез осуществляется путем расщепления сахарозы.

Оптимальное содержание пищевых волокн в рационе 20–25 г. Обеспечивается хлебом грубого помола (клетчатка и гемицеллюлозы), овощами и фруктами (пектины, частично клетчатка). Избыток пищевых волокн не желателен.

Органические кислоты. Обычно вместе с углеводами рассматривают органические кислоты. В основном они содержатся в овощах, фруктах и ягодах, где представлены, как правило, яблочной и лимонной кислотами (в сумме 0,3–1%). В винограде много винной кислоты (0,4%). В молочных продуктах основными являются лимонная, а также молочная (до 1% в кефире) кислоты.

Органические кислоты улучшают деятельность пищеварительного тракта, снижая рН среды и способствуя тем самым изменению микрофлоры в благоприятную сторону (уменьшают гниение). Почти все органические кислоты являются источником энергии, при этом яблочная кислота дает 2,4 ккал/г, лимонная – 2,5 ккал/г, молочная – 3,6 ккал/г. Винная кислота организмом не усваивается.

Щавелевая кислота (НООС-СООН), накапливающаяся в некоторых овощах, интенсивно связывает кальций, в больших количествах кислота и ее соли токсичны. ПДК в воде водоемов хозяйственно-бытового пользования 0,2 мг/л.

Винная кислота Молочная кислота Яблочная кислота Лимонная кислота

Дата добавления: 2015-05-29