Cukry proste i złożone – budowa i właściwości.
Cukry (sacharydy, węglowodany) są materiałem energetycznym i strukturalnym żywego organizmu. Biorąc pod uwagę budowę oraz wielkość cząsteczek cukry można podzielić na: cukry proste, do których należy na przykład glukoza, fruktoza; dwucukry (inaczej disacharydy), do tej grupy zaliczamy między innymi sacharozę oraz wielocukry (polisacharydy), wśród których znajdują się skrobia, chityna, glikogen.
• Własności wybranych przedstawicieli cukrów:
Glukoza, zwana inaczej cukrem gronowym jest podstawowym węglowodanem znajdującym się we krwi. Zaliczana jest do cukrów prostych. Glukoza dobrze rozpuszcza się w wodzie, ma słodki smak i występuje na przykład w miodzie oraz owocach. Wykazuje ona właściwości redukujące, które znalazły zastosowanie w oznaczaniu tego cukru w badaniach klinicznych. Tworzy się ona w organizmach zwierząt na skutek rozkładu cukrów złożonych, takich jak glikogen zawarty w wątrobie oraz skrobia i sacharoza. Cukier ten może powstawać także z aminokwasów w wyniku procesu zwanego glukoneogenezą. Zawartość glukozy we krwi jest utrzymywana przez hormony na stałym poziomie, a jej stężenie waha się w granicach 80-120 mg/100 ml. Stały poziom glukozy we krwi utrzymują hormony, takie jak glukagon, kortyzol, adrenalina, insulina. W wyniku spalania glukozy w procesie glikolizy powstają duże ilości energii, która jest zmagazynowana w postaci kwasu adenozynotrójfosforowego. Roztwory glukozy charakteryzuje czynność optyczna, czyli powodują one skręcenie płaszczyzny światła spolaryzowanego w prawo.
Laktoza nazywana również cukrem mlekowym to disacharyd, który składa się z jednej cząsteczki glukozy i jednej cząsteczki galaktozy. Wchodzi on w skład mleka ssaków. Laktoza jest cukrem przyjmowanym przez niemowlęta, który całkowicie pokrywa ich zapotrzebowanie na cukry. Laktoza na skutek działania enzymu - laktazy, ulega w przewodzie pokarmowym rozkładowi tworząc glukozę i galaktozę, które są wchłaniane do krwi.
Sacharoza, czyli cukier trzcinowy lub cukier buraczany, jest dwucukrem, w skład którego wchodzi fruktoza i glukoza. Jego źródłem otrzymywania na skalę przemysłową są buraki cukrowe i trzcina cukrowa, stad wynikają dwie pozostałe nazwy sacharozy. Cukier ten rozkłada się w przewodzie pokarmowym do glukozy i fruktozy, które są wchłaniane do krwi. Jest ona bezbarwnym ciałem stałym, które ma sodki smak. Sacharoza nie ma właściwości redukujących.
Fruktoza, zwana także cukrem owocowym, to inny bardzo rozpowszechniony cukier prosty. Fruktoza jest ketozą. Ma taki sam wzór sumaryczny jak glukoza, ale inne wzajemne ułożenie atomów w cząsteczce. Fruktoza ma bardzo słodki smak. Stosuje się je jako środek słodzący w cukrzycy oraz w leczeniu niedomogów mięśnia sercowego. Fruktoza, podobnie jak glukoza, występuje w dwóch formach: łańcuchowej i pierścieniowej. Wodne roztwory fruktozy skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego w lewo.
Skrobia jest substancją niejednorodną. Składa się z amylozy (stanowi około 20%) oraz amylopektyny (80%). Amyloza jest lepiej rozpuszczalna w wodzie. Jej cząsteczki składają się z łańcuchów prostych. Amylopektyna słabiej rozpuszcza się w wodzie. Jej cząsteczki zbudowane są z łańcuchów rozgałęzionych. Pomimo wyraźnych różnic w masie cząsteczkowej, wyższej w przypadku amylopektyny, oba sacharydy opisuje się tym samym wzorem sumarycznym (C6H10O5)n. Skrobia ulega reakcji hydrolizy, rozpadając się kolejno na dekstryny, maltozę i ostatecznie na D-glukozę.
Skrobia powstaje w roślinach w wyniku fotosyntezy i jest ona gromadzona w tkankach jako materiał zapasowy, na przykład w bulwach ziemniakach i w nasionach zbóż. Jest to jeden z najbardziej rozpowszechnionych polisacharydów w roślinach i najważniejszą substancją zapasową wśród roślin. Cukier ten odkłada się w komórkach roślinnych w postaci granulek albo ziaren. Kształt oraz rozmiary tych ziaren są charakterystyczne dla poszczególnych gatunków roślin. Ziarna skrobi pod wpływem kontaktu z wodą ulegają pęcznieniu, a pewna część skrobi ulega peptyzacji i przechodzi ona do roztworu.
Ten polisacharyd w stanie czystym jest białym proszkiem bez zapachu i smaku, który nie ulega rozpuszczeniu w zimnej wodzie. Nierozpuszczalna w zimnej wodzie, w gorącej tworzy roztwór koloidalny zwany kleikiem skrobiowym, który po ochłodzeniu ulega zgęstnieniu. Zjawisko to wykorzystuje się w przygotowaniu kisieli i budyniów. Cecha charakterystyczną dla skrobi jest jej zdolność do tworzenia fioletowo granatowego zabarwienia z jodem. Tworzy ona roztwory koloidalne. Skrobia jest podstawowym składnikiem pożywienia człowieka. Cukier ten oraz jego pochodne znalazły zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym, włókienniczym, papierniczym, tekstylnym. Stosuje się ją również do produkowania klejów, syropów i glukozy.
Glikogen to wielocukier, który stanowi materiał zapasowy u zwierząt. Składa się on z cząsteczek glukozy połączonych ze sobą w silnie rozgałęzione łańcuchy. Masa cząsteczkowa glikogenu wynosi około 105-107. Jest on spotykany przede wszystkim w wątrobie oraz mięśniach. Glikogeny pochodzące od różnych zwierząt i z różnych narządów tego samego zwierzęcia wykazują pewne różnice. Jeśli zaistnieje taka potrzeba (wynikająca na przykład z niedożywienia lub wzmożonego wysiłku) glikogen w organizmie człowieka pod wpływem enzymów, które pełnią rolę katalityczną, przechodzi w glukozę, która jest wchłaniana do krwioobiegu i spalana. Organizm człowieka zawiera przeciętnie około 300 gramów glikogenu. Występuje on również w drożdżach, grzybach, bakteriach, a także niektórych roślinach wyższych. Glikogen zawarty w wątrobie umożliwia utrzymanie stałego poziomu glukozy we krwi, a zawarty w mięśniach odgrywa istotną rolę w ich pracy (rozkłada się do glukozo-6-fosforanu, zużywanego w glikolizie, czyli procesie dostarczającym energii). Glikogen jest białym proszkiem, tworzącym koloid w wodzie, nierozpuszczalnym w alkoholu. Zaliczany jest do cukrów hydrolizujących. Może on być otrzymany z mięśni lub wątroby poprzez destrukcję tkanek za pomocą wodorotlenku sodu i wytraceniu alkoholem etylowym.
Celuloza to pospolity polisacharyd składający się z długich łańcuchów reszt glukozowych połączonych mostkami tlenowymi. Jest to wielocukier stanowiący substancję szkieletową w świecie roślin. Celuloza ma włóknistą strukturę. Włókna roślinne zawierają ponad 90% czystek celulozy, drewno, które jest głównym źródłem przemysłowego pozyskiwania tego związku - około 50%. Żaden z ssaków nie produkuje enzymu celulazy, który jest niezbędny do trawienia celulozy. Zatem w przewodzie pokarmowym człowieka i zwierząt mięsożernych celuloza nie ulega rozkładowi. Natomiast zwierzęta roślinożerne mogą ją trawić, ponieważ w ich przewodzie pokarmowym znajdują się bakterie i pierwotniaki wytwarzające potrzebny enzym. W reakcji z mocnymi zasadami celuloza daje sole. Pochodne celulozy znalazły wiele zastosowań, na przykład jako włókna, folie, lakiery, materiały miotające. Największe ilości celulozy czystej zużywa przemysł papierniczy.
• Syntetyczne środki słodzące:
Dawniej stosowana jako słodzik sacharyna obecnie jest w Polsce zakazana. Sacharyna, czyli cykliczny imid kwasu o-sulfobenzoesowego to biała, drobnokrystaliczna, bez zapachu i wartości odżywczych substancja, która posiada bardzo słodki smak. Sacharyna jest blisko 700 razy słodsza od cukru, ale pozostawia w ustach posmak. Nie ulega metabolizmowi w organizmie. Średnio ludzie spożywają 50 mg sacharyny dziennie.
Sacharyna znajdowała dawniej zastosowanie w diecie dla cukrzyków, gdy trzeba było obniżyć ilość spożywanego cukru. Od 1981 roku sacharyna znajduje się na liście FDA jako potencjalny związek kancerogenny. Oznacza to, że u niektórych osób może ona zwiększać ryzyko powstania nowotworów.
Kolejnym środkiem słodzącym jest aspartam. Jego nazwa systematyczna to ester metylowy N-[amino(carboksyamino)acetylo]fenylalaniny. Ten organiczny związek chemiczny, który zaliczany jest do peptydowych estrów jest masowo używany jako środek słodzący. Aspartam znajduje się w dietetycznych napojach, gumach do żucia, galaretkach, napojach owocowych i mlecznych, rozpuszczalnej kawie i herbacie, środkach przeczyszczających, mrożonych deserach, napojach kawowych, miętowych odświeżaczach oddechu, często słodzimy nim kawę i herbatę. Pojawił się w USA prawie ćwierć wieku temu. Jego oznaczenie na produktach spożywczych to E951, natomiast wzór sumaryczny tego związku ma postać: C14H18O5N2. Ten związek organiczny jest dostępny w formie tabletek pod różnymi nazwami handlowymi (na przykład NutraSweet, Equal, Canderel). Tabletki te mogą być stosowane zamiast cukru. Aspartam znalazł również zastosowanie w diecie osób chorych na cukrzycę. Zaleta aspartamu jest to, ze jest on około 200 razy słodszy od cukru, natomiast jego kaloryczność jest prawie równa zeru. Ponieważ substancja ta rozkłada się do aminokwasów w podwyższonej temperaturze, nie może ona być stosowana do sporządzania wypieków. Najnowsze włoskie badania, przeprowadzone na zwierzętach wskazują, że aspartam sprzyja nowotworom krwi, tj. białaczkom i chłoniakom. Okazało się, że w porównaniu ze szczurami, które nie dostawały słodziku, wiele karmionych nim samic zaczęło chorować na białaczki lub chłoniaki, tj. nowotwory układu odporności. Ryzyko zachorowania było tym wyższe, im wyższe były stężenia aspartamu.
Kolejnym środkiem słodzącym jest Acesulfame-K. Został on zatwierdzony do spożycia w 1988 roku, słodzik jest 200 razy słodszy od cukru, jednakże posiada gorzkawy smak. Litera K w nazwie oznacza potas. Związek ten nie ulega metabolizmowi w organizmie. Można używać go do pieczenia i gotowania. Słodzik ten był badany przez 15 lat i nie zanotowano żadnych skutków ubocznych. Grupy konsumenckie zarzucają mu powstawanie nowotworów u zwierząt. Inne badania wydają się wskazywać, że może zwiększać wydzielanie insuliny. Jeżeli podobne objawy występują u ludzi, słodzik ten może okazać się niebezpieczny dla cukrzyków.