szénhidrátok 1
A szénhidrát szó eredete, a szénhidrátok definíciója XIX. században az először vizsgált cukrok összegképlete: CnH2mOm, volt, tehát látszólagosan az összetétele: Cn(H2O)m Ebből származik szénhidrát elnevezés: a szén vízzel alkotott vegyülete = a szén hidrátja (egyszerű cukroknál m = n) A szénhidrátok jelenkori definíciója: polihidroxi-oxo vegyületek (polihidroxi-aldehidek és polihidroxiketonok), ezek oxidációs, redukciós termékei, észterei, éterei és polimer vegyületei. 2
A szénhidrátok szerepe a bioszférában A szénhidrátok a bioszféra legnagyobb mennyiségben előforduló szerves vegyületei. Szerepük: • Szénhidrátokban hasznosul elsődlegesen a napfény energiája • Az élő szervezet energiatermelésének döntő komponensei (glikolízis stb.) • Tartalék tápanyagok (keményítő, glikogén) • Szerkezet építés, vázanyag funkció (pl. cellulóz) • Biokémiai „rész” molekulák (pl. glikoproteinek, glikolipidek) • Egyéb funkció (pl. antigén, receptor) A növények szénhidráttartalma 50-80 % a szárazanyagtartalmon belül. Az állatok szénhidráttartala 1-3 % a szárazanyagtartalmon belül. 3
A szénhidrátok élelmiszerkémiai szerepe • Energiaszolgáltatás, energiaforrás (a gabonákban található keményítő az emberiség döntő energiaforrása) • Textúra, konzisztencia, állag kialakítás élelmiszerekben (pl. kenyér, puding) • Az élelmiszerek „érzékletének” kialakítása (az íz és illatanyagok egy része szénhidráthoz kötött) • Édes íz kialakítása 4
A szénhidrátok csoportosítása monomerszám alapján • Monoszacharidok: a szénhidrátok alapegységei, hidrolízissel nem hasíthatóak kisebb molekulatömegű szénhidrátokra. • Oligoszacharidok: cukorszerű szénhidrátok, hidrolízissel 2-10 monoszacharidra hasíthatóak. • Poliszacharidok: nem cukorszerű szénhidrátok, hidrolízissel több, mint 10 monoszacharid egységre bonthatóak (10 és 100 közötti monomerszámú természetes szénhidrát alig ismert, nem tudni a természet miért „hagyta ki” ezt a tartományt). 5
A monoszacharidok csoportosítása • Karbonilcsoport elhelyezkedése és száma alapján: – – – – –
Aldóz Ketóz Dialdóz (2 aldehidcsoport) Osulóz (egy aldehid- és egy ketoncsoport) Diulóz (két ketoncsoport)
• Szénatom szám alapján: – – – – –
Trióz Tetróz Pentóz Hexóz Heptóz
Mindhárom jellemző alapján: pl. ketohexóz, aldopentóz 6
Monoszacharid származékok • Dezoxiszármazékok • Dezoxi-amino származékok • Aldonsavak, glikársavak (cukorsavak), uronsavak (oxidáció) • Cukoralkoholok (redukció) • Cukoranhidridek, anhidro-cukrok (belső éter) • Cukorészterek • Cukoréterek • Glikozidok 7
A monoszacharidok szénláncának számozása A monoszacharidok nem elágazó vegyületek. A szénlánc számozásának szokásos elve, hogy az aldózoknál az aldehid (rejtett aldehid) csoport szénatomjánál kezdjük a számozást. A ketózok számozását azon a láncvégen kezdjük, amelyhez az oxocsoport közelebb esik.
8
A monoszacharidok izoméria viszonyai
R1
A cukormolekulák szerkezetéből látható, hogy a csoportok aszimmetriacentrumot képeznek, emiatt R2 fellép az optikai izoméria. Az aszimmetriacentrum szénatomját királis szénatomnak nevezzük, mely minden vegyértékével más ligandumhoz kapcsolódik. Az optikai izomerek száma 2n, ahol „n” az aszimmetriacentrumok, királis szénatomok száma.
9
Az aldózok és ketózok optikai izomerjeinek száma aldóz szénatom szám
aszimmetriacentrum
ketóz optikai izomer
aszimmetriacentrum
optikai izomer
3 (trióz)
1
2
0
1
4 (tetróz)
2
4
1
2
5 (pentóz)
3
8
2
4
6 (hexóz)
4
16
3
8
összesen
30
15
6 szénatomnál többet tartalmazó monoszacharid a természetben gyakorlatilag elvétve található (pl. avokádó). A lehetséges monoszacharid izomerek száma nagy, azonban a természetben csak 20 félét találunk szabad, vagy kötött formában. 10
D és L cukormolekulák • A „D” cukrok utolsó királis szénatomjának térállása megegyezik a „D” glicerinaldehidével, míg az „L” cukroknál az „L” glicerinaldehidével. • A D és L glicerinaldehid egymás tükörképi másai, enantiomer párjai. • D ~ dexter (latin) jelentése: jobbra, a D-glicerinaldehid jobbra (+) irányba forgatja a poláros fény síkját, míg az L ~ laevus, jelentése balra, az L-glicerinaldehid balra (-) irányban forgatja a poláros fény síkját. • A cukormolekuláknál a D vagy L nem jelenti egyben a forgatási irányt (!!!), a D-fruktóz pl. balra forgat. 11
D és L glicerinaldehid
12
D aldohexózok r
13
Laktolgyűrű, glikozidos hidroxilcsoport, • Az egyszerű cukrok szabad aldehid vagy ketonformája csak csekély arányban van jelen. Az oxocsoporthoz legkedvezőbb térhelyzetű hidroxilcsoport hidrogénje az oxocsoport oxigénjéhez kapcsolódik és a felszabadult két vegyértékkel oxigéntartalmú heterogyűrű képződik, melyet laktolgyűrűnek nevezünk. • Aldehideknél az egyes, ketonoknál a kettes szénatom különleges helyzetű, az itt lévő hidroxilcsoport sokkal reakcióképesebb, mint a többi, ezt a csoportot glikozidos hidroxilcsoportnak nevezzük. A glikozidos hidroxilcsoport éter szerű származékai a glikozidok. 14
A D-glükóz gyűrűvé záródása
15
α és β anomerek • A gyűrűs formával a glikozidos szénatom új asszimetria-centrummá válik, ezért a laktolgyűrűnek két sztereoizomerje lehet, melyet α és β anomernek nevezünk. • A D cukrok esetében az erősen jobbra forgatót (ill. gyengébben balra forgatót) nevezzük α, a gyengén jobbra forgatót (erősebben balra forgatót) β változatnak. Az L cukroknál a jelölésmód fordított.
16
Piranóz és furanóz gyűrűk r
α-D glükopiranóz
α-D glükofuranóz
β-D glükopiranóz
β-D glükofuranóz
17
A ciklofélacetál struktúra ábrázolási lehetőségei hexózoknál r
Projektív ábrázolás
H C OH
Perspektívikus ábrázolás
H C OH HO
C
H
O OH
H C OH H C H C OH
Axiális térállás
H α térállású
Ekvatoriális térállás „Valósághű” ábrázolás
glikozidos hidroxilcsoport
OH
18
Optikai aktivitás, specifikus forgatóképesség Az optikai aktivitás a cukoroldatoknak (egyéb optikailag aktív vegyületek oldatainak) az a tulajdonsága, hogy a poláros fény rezgési síkját elforgatják. Az optikai aktivitás az aszimmetrikus molekulaszerkezetre vezethető vissza, mely az enzimek sztereospecifitásából származik. Az elforgatás mértéke a koncentrációtól, az átvilágított rétegvastagságtól, a molekula térszerkezetétől, az egyes cukormolekulák piranóz, furanóz, α, β változatának eltérő szabadenergiatartalmából adódó egyensúlyi aránytól függ. Specifikus (fajlagos) forgatóképesség:
[α ]λ t
100 × α = l ×C
D-glükóz = + 52,7o t ~ 20-25 oC λ ~ 589 nm (Na D-vonal)
l ~ az átvilágított rétegvastagság (dm) C ~ cukor koncentrációja
(g/100cm3)
α ~ az elforgatás szöge (o)
D-Fruktóz = - 92,0o D-Galaktóz = + 80,2o L-arabinóz = + 105,1o Szacharóz = + 66,5o
19
Polarizált fényhullámok, optikailag aktív oldat
C
α
A fény iránya
l λ
20
Mutarotáció a különböző forgatóképességű anomerek oldatban adott egyensúlyi állapot eléréséig a nyílt láncú alakon keresztül egymásba átalakulnak. Az egyensúlyi állapotig folyamatosan változik a forgatóképesség r
α-D Glü-p (egyensúlyban ~ 36 %) t
(α)λ= + 112,0o
β-D Glü-p (egyensúlyban ~ 64 %) t
(α)λ= + 18,7o
Nyilt láncú alak (0,003 %)
α-D Glü-f (egyensúlyban < 1 %)
β-D Glü-f (egyensúlyban < 1%)
21
Endiol képződés, izomerizáció Enyhén lúgos közegben, melegítés hatására a dienol szerkezeten keresztül cukorizomerek átalakulása megy végbe, így egy cukorból többféle cukorhoz jutunk. H
OH
C
OH
HO C
H
HO
C
H
HO C
H
H C OH H C OH
H
C
OH
H
C
OH
H C OH
H
C
OH
HO C H
H D-glükóz
=
C
H C =O H C OH
H
C=O
H
H C
OH
H
C OH
H C
OH
H
C =O
H C
OH
HO
C H
1,2 dienol
2,3 dienol
H D-mannóz
H
C OH
H
C OH
H
C OH H
D-fruktóz
22
Intramolekuláris vízvesztés Megfelelő feltételek mellett (pl. hőkezelés) a cukormolekulák kedvező térállású hidroxidcsoportjaiból víz lép ki. Ha a glikozidos hidroxilcsoport az egyik reakciópartner cukoranhidrid képződik, két alkoholos hidroxilcsoport közötti vízvesztés esetén anhidrocukor az új termék. O
OH
H2O
O β-glükozán 1,6 anhidro-D-glükopiranóz OH
OH 23
Az egyszerű cukrok oxidációja Az egyszerű cukrok oxidációja során karbonilsavak képződnek. Aldohexózoknál C1-en történő oxidációval aldonsavak képződnek (-onsav); C6-on történő oxidáció esetében uronsavak képződnek (-uronsav), C1 és 6-on történő oxidációval glikársavak, más néven cukorsavak képződnek (-arsav) 6 6
1
5
5 2
4
3
α-D-glükonsav-δ-lakton
4
1 3
2
β-D-galakturonsav
24
Az egyszerű cukrok redukciója • Az egyszerű cukrok, mind az aldózok, mind a ketózok enyhe reduktív hatásra, gyenge savanyú közegben polialkoholokká, cukoralkoholokká redukálódnak. • Az aldózok redukálásakor nem alakul ki új aszimmetria centrum, a ketózoknál igen. Emiatt egy aldóz redukálódásakor csak egyféle, egy ketóznál kétféle cukoralkohol képződik. Aldózoknál ugyanakkor kevesebb a cukoralkoholok sztereoizomer száma, mert az oxocsoport redukálásával szimmetrikussá válik a molekula. • Elnevezés: pl. xilóz xilit 25
D-gulóz
D-szorbit
CHO H H HO H
HO H
CH2OH
OH
H
OH
HO
CH2OH
OH H
D-mannit
HO
CH2OH
O
HO
H
H
HO
H
H
H
OH
H
OH
H
OH
OH
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CHO
O H
D-fruktóz
OH
H HO
OH
H
OH
OH
H
OH
D-szorbóz
CH2OH
A szorbit képződésének lehetőségei hexózokból
H
H
CH2OH
CH2OH
CH2OH D-glükóz
26
Glikozidképződés • A glikozidképződés során a cukor glikozidos hidroxilcsoportja alkohollal, fenollal, tioalkohollal, tiofenollal vagy aminnal kondenzációs reakcióba lép. • A keletkezett új molekula cukorrésze a glikon, a nem cukorrésze az aglikon. • Az aglikon típusától függően a glikozidos szénatomhoz kapcsolódó atom lehet O, N, S atom, ettől függően beszélünk O-, N glikozidról, S vagy másnéven tioglikozidról. • Elnevezés: aglikonrész és cukor-id (pl. galaktóz galaktozid) • Sokféle biokémiai hatás köthető a glikozidokhoz: drog, méreg, gyógyszer, természetes színezék, illat-aroma anyag, cserzőanyag stb. 27
CH2OH OH
O
S (tio) glikozid
heptil-1-tio-β-D-glükozid
S
OH OH
N glikozid adenin-N-1-β-D-ribozid
O glikozid 2 hidroximetil-fenil –β-D-glükozid 28
Reverzió • A reverzió a monoszacharidok intermolekuláris vízvesztése, lényegében kondenzáció. • A reverzió az oligoszacharidok hidrolízisét kíséri. A hidrolízis egyensúlyra vezető folyamat, ha a képződő monoszacharidok koncentrációja elér egy töménységet rekondenzáció következik be. • Aldózoknál csak savas közegben megy végbe a folyamat. Hexózoknál az új termékekre jellemző az 1-6 kötés de előfordul 1-3, 1-2, 1-1 kötés is. • Ketózoknál nem redukáló dianhidridek képződnek, nem szükséges savas kémhatás, melegítésre semleges közegben is végbemegy a folyamat . • A képződő termék általában keserű ízű (előfordulás pl. műméz).
29
α-D-Fruktopiranóz-β-D-fruktopiranóz-1,2':1',2-dianhidrid
30
Cukrok átalakulása savas közegben r
gyengén savas közegben
ásványi savak hatására (melegítve)
Intermolekuláris vízvesztés
Oligoszacharidok, dianhidridek képződése
Intramolekuláris vízvesztés
Tautomer átrendeződés vízvesztés
Cukoranhidridek, anhidrocukrok képződése
Reduktonok, furán, pirán származékok képződése Ciklopentanon 31 származékok képződése
REDUKTON
Diacetilformozin, karamell aromájú, savas közegben redukáló hatású C-vitamin Maltol karamell illatú, ízfokozó, friss kenyérre emlékeztető íz PIRÁN
Hidroxi-metil -furfurol barna színhatás mézhamisítás leleplezése
FURÁN
ciklopentanon
32
Cukrok átalakulása lúgos közegben r
gyengén lúgos közeg
Endiolok képződése, izomerizáció
erősen lúgos közeg
Oxidáló anyag jelenlétében ketózok
Cukorizomerek képződése
Lánchasadás
Tautomer átrendeződés vízvesztés
aldózok Cukorsavak képződése
Karbonsav + hidroxi karbonsav képződése
Reduktonok, reakcióképes hidroxi-oxo vegyületek képződése
Hidroxi-ciklopentanon 33 származékok képződése
Karamellizáció • A kristályos cukrot vagy vizes oldatát melegítve jellegzetes aromájú, barna termék, karamell képződik. A folyamat 100 oC alatt is elkezdődik, de 130oC felett megy végbe gyorsan. • A karamellizáció sebességét, a képződő termék összetételét és aromáját a hőmérséklet a pH, egyéb anyagok (pl bázikus só) jelenléte befolyásolja. • A karamellizáció során lezajló kémiai folyamatok: oxociklo tautoméria, izomerizáció, intramolekuláris vízvesztés, intermolekuláris vízvesztés, dehidratáció, reduktonok képződése (több száz féle molekula képződik). • A karamell felhasználási területe: színezék, aroma. 34
35
Maillard reakció, nem enzimes barnulás • A monoszacharidok és a redukáló szénhidrátok szabad aminocsoporttal reagálva adott körülmények (pl. hőhatás) között bonyolult többirányú reakciókból álló változáson mennek keresztül. • A folyamat során aromakomponensek és színanyagok, melanoidinek képződnek. Több száz reakciótermék ismert. • A nem enzimes barnulás sebessége pH függő,~3,5 pH-n a legkisebb, 3-7 pH között alacsony, 3 alatt és 7 felett exponenciálisan nő. • A maillard reakció pozitív vonatkozásai: pl. kenyér héjának színe, aromája; kávépörkölés szín és aromaanyagok képződése. • A Maillard reakció negatív vonatkozásai: pl. zöldség-, gyümölcs szárítmányok elszíneződése, ízváltozása; fehérjevesztés. 36
Egy kis részlet a Maillard reakcióból
37
38
Néhány monoszacharid előfordulása szabad állapotban élelmi nyersanyagokban • Ribóz: gyümölcsök, zöldségek • Xilóz (fa-cukor): gabonák, sárgarépa • Glükóz (szőlőcukor, dextróz): gyümölcsök, méz egyes gyökerek • Fruktóz (gyümölcscukor, levulóz): gyümölcsök, méz • Mannóz: ananász, spárga, édesburgonya 39
Néhány monoszacharid származék származék típusa dezoxicukrok
dezoxi-aminocukrok
a molekula neve
élettani, élelmiszerkémiai vonatkozás
2-dezoxi-D-ribóz
DNS „rész” molekulája
6-dezoxi-L-mannóz
sok természetes glikozid „rész” molekulája
2-amino-2-dezoxi-D-glükóz
kitin (rovarok, gombák) monomerje
2,6-bisz-amino-D-glükóz
neomicin „rész” molekulája
mono és dizsírsav észterek
felületaktivitás (lágyítók, detergensek)
glükóz galluszsav észterei
tanninok (csersavak) összetevői
D-glükopiranóz-1-foszfát
szénhidrát metabolizmus
kénsav észterek
poliszacharidok monomerjei
cukorészterek szerves savakkal
szervetlen savakkal
40
származék típusa cukoralkoholok
a molekula neve
élettani, élelmiszerkémiai vonatkozás
xilit
diabetikus termékek édesítése
szorbit
diabetikus termékek édesítése, lágyító adalék, C-vitamin gyártás alapanyaga
oxidációs termékek
aldonsavak
D-glükonsav
szénhidrát metabolizmus, elhúzódó savanyításhoz adalékanyag, mézben a legnagyobb koncentrációban előforduló sav
uronsavak
D-galakturonsav
metil-észtere a pektin monomerje
cukorsavak
D-galaktársav
növényi nyálkaanyag
glikozidok
fenolglikozid - vanillin
aroma
D-glükóz +szteránvázas vegyületek
digitáliszfélék - a szívműködést befolyásolják 41
Oligoszacharidok • Az oligoszacharidok lényegében „O” glikozid típusú vegyületek, a szűkebben vett glikozidoktól abban különböznek, hogy az aglikon rész is szénhidrát. • Elnevezés monomerszám alapján: diszacharid, triszacharid, tetraszacharid... dekaszacharid. • Az oligoszacharidok képződéséhez a monoszacharidok kétféle módon kapcsolódhatnak. Diszacharidok esetében lehetséges, hogy az egyik molekula glikozidos hidroxilja a másik molekula alkoholos hidroxiljához kapcsolódik. Ekkor redukáló cukor jön létre, mivel azon monoszacharid egységnél, ahol van szabad glikozidos hidroxilcsoport a laktolgyűrű fel tud nyílni, és az oxocsoport karboxilcsoporttá oxidálódva redukáló hatást fejt ki. Ha mindkét monoszacharid a glikozidos hidroxilcsoportjával köt nem redukáló diszacharid képződik. Nagyobb monomerszám esetében, ha van szabad glikozidos hidroxilcsoport akkor redukáló, ha 42 nincs, nem redukáló cukorról beszélünk.
Redukáló és nem redukáló diszacharid van szabad glikozidos hidroxilcsoport
A redukáló hatásért felelős molekularész
Redukáló diszacharidí: O-α-D-glükopiranozil(1-4) D-glükopiranóz = maltóz
nincs szabad glikozidos hidroxilcsoport
43
Nem redukáló diszacharid: O-β-D-fruktofuranozil(2-1)α-D-glükopiranozid = szacharóz
Fontosabb oligoszacharidok • szacharóz (répacukor, nádcukor) O-β-D-fruktofuranozil(2-1)α-D-glükopiranozid nem redukáló, édes, számos növény tartalmazza, az ivert cukor gyártás alapanyaga, kinyerése melaszból: alkálifém (mésztej) + szacharóz = szacharát + széndioxid = szacharóz + karbonát • maltóz (malátacukor) O-α-D-glükopiranozil(1-4) D-glükopiranóz redukáló, édes ízű, enzimes keményítőbontásból származik, méz tartalmazza kisebb mennyiségben • laktóz (tejcukor) O-β-D-galaktopiranozil(1-4) D-glükopiranóz redukáló, csak kicsit édes ízhatás, lúgokkal szemben nagyon érzékeny savakkal szemben ellenálló • laktulóz O-β-D-galaktopiranozil(1-4) D-fruktofuranóz redukáló, prebiotikus hatású 44
• cellobióz O-β-D-glükopiranozil(1-4) D-glükopiranóz redukáló, a cellulóz monomerje • rutinóz O-β-L-ramnopiranozil(1-6) D-glükopiranóz redukáló, flavon típusú növényi színanyagok alkotója • kojibóz O-α-D-glükopiranozil(1-2) D-glükopiranóz redukáló, a méz tartalmazza, összetett szénhidrátok alkotója • raffinóz O-α-D-galaktopiranozil(1-6)α-D-glükopiranozil(1-2)β-D fruktofuranozid nem redukáló, nem édes, nem emészthető, a növényvilágban nagyon elterjedt • sztachióz O-α-D-galaktopiranozil(1-6)O-α-D-galaktopiranozil(1-6)O-αD-glükopiranozil(1-2)β-D fruktofuranozid nem redukáló, nem emészthető, a növényvilágban nagyon 45 elterjedt
Poliszacharidok (glikánok) • A poliszacharidok monoszacharid monomerekből felépülő, általában nagy molekulatömegű polimer vegyületek. • Az egyes cukormolekulák glikozidos kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. • A poliszacharidok egy részének hidrolízisekor döntő mennyiségben csak egyféle monoszacharid, monoszacharid származék képződik. Ezek a homopoliszacharidok • A poliszacharidok másik részénél többféle termék képződik, ezek a hetero-poliszacharidok 46
Homo- és hetero-poliszacharidok • Homo-poliszacharidok – Glükóz polimerek: keményítő, glikogén, cellulóz, dextrán, (dextrin) – Fruktóz polimerek: inulin, leván – Mannóz polimerek: élesztőmannánok, kődiómannán – Uronsavpolimerek: pektin – Galaktózamin polimerek: kitin
• Hetero-poliszacharidok – Xilán (D-xilóz, L-arabinóz) – Hemicellulóz A és B (D-xilóz, D-glükóz, uronsav, metilhexuronsav) – Pentozán (D-xilóz, L-arabinóz, D-glükóz) (gabonalisztekben) – Adalékanyagként alkalmazott hetero-poliszacharidok 47
A poliszacharidok tulajdonságait meghatározó tényezők • Milyen monoszacharidból, monoszacharidokból épülnek fel. • A glikozidos kötés helye (β-D glükopiranozil, 1-4 nyújtott,1-2 csavart, 1-3 redőzött, 1-6 lazán redőzött térszerkezet, α-D- glükopiranozil 1-4 hélix konformáció). • A molekula elágazó jellegének mértéke (lineáris pl. amilóz, cellulóz; lineáris kis elágazásokkal pl. guaran, dextrán; erősen elágazó pl. amilopektin). • A polimerizáltsági fok azaz a molekula mérete (103-108 dalton, ~10 – 106 monomer).
48
A poliszacharidok általános tulajdonságai • Mikrokristályos szerkezetűek • Többségük nehezen, vagy nem oldódik • Ha oldódik legtöbbször kolloid oldat képződik • Oldataik optikailag aktívak • A Fehling oldatot nem redukálják • Észteresíthetőek, éteresíthetőek, oxidálhatóak, hidrolizálhatóak 49
Natív keményítő • A keményítő a növényi asszimilációs folyamatok terméke, a magasabb rendű növények tartalék tápanyaga, az emberiség legfontosabb szénhidrátforrása. Számos iparág fontos nyersanyaga (pl. szeszgyártás) • A keményítő nem egy vegyület, hanem a nem elágazó, hélix szerkezetű amilóz és az erősen elágazó amilopektin keveréke. 50
• A különböző eredetű keményítőszemcsék szerkezete eltérő, de mindegyikre jellemző a szferoidális (réteges) szemcsés alak. A koncentrikus rétegekben kristályos szerkezetet találunk, kettős törésű gömbkristályok képződnek . A keményítőben az amilopektinlánc végeihez hidrogén híd kötéssel kapcsolódnak az amilózláncok, ez okozza az optikai kettős törést. • A természetes keményítőben nem csak glükóz-monomereket találunk, hanem kísérőanyagokat, elsősorban lipideket (szerkezetstabilizálás), fehérjéket (lipoproteineket), foszfort. 51
Keményítőszemcsék
2-15 0 µm 52
Amilóz • Az amilóz elágazás nélküli D-glükóz polimer, 100-300 monomerből épül fel, melyek α-1 – 4 kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. • Az amilóz hélix szerkezetű. A spirálszerkezetet hidrogén-híd kötések stabilizálják. A natív keményítőnél 3 féle hélixet ismerünk. Az amilóz konformációja függ a polimerizációs foktól, a keményítő eredetétől, és egyéb molekulák jelenlététől. • Az amilóz jóddal kék színreakciót ad (alagutas zárványkristály) (jód + : ~ 12 glükózegység – halvány sárga szín; ~20 glü.e. vörös szín; ~ 30 glü.e. bíbor szín; > = 45 glü.e. kék szín) • Az amilóz forró vízben feloldódik, az oldatot lehűtve irreverzibilisen kicsapódik. 53
Amilóz hélix
54
Amilopektin • Az amilopektin 15-30 α-D-glükopiranozil egység 1-4 kapcsolódása után 6-1 elágazást tartalmaz. A molekulaláncok helyenként hélix szerű és paralel elrendeződésűek. • Molekulatömege igen nagy 107-2*108 dalton (~105-106 monomer). Jóddal vörös színt ad. • Vízzel melegítve duzzad, áttetsző viszkózus oldatot képez. Az oldatot lehűtve nem válik ki, hanem nő a viszkozitás. • A különböző eredetű keményítők amilopektin tartalma 70-80 %. (nemesített kukorica: amilopektin keményítő (99% amilopektin) alkalmas nagy viszkozitású lassan öregedő átlátszó oldat, paszta előállítására; amilóz keményítő (80 % amilóz) alkalmas: kapszulák, környezetbarát csomagolás, védőbevonat készítésére, 55 tapadásgátlásra)
Az amilopektin szerkezete
56
A keményítő csirizesedése • A kereskedelmi keményítő 12-20 % vizet tartalmaz ebbő 8-10 % nagyon erősen kötött keményítő monohidrát. • Hideg vízben helyezve a keményítőport 28 %-ig vizet vesz fel, duzzad. Ez exoterm folyamat. • A keményítő vizes szuszpenzióját melegítve egy meghatározott hőmérsékleten (~60 oC) a duzzadás fokozódik és jelentősen nő a viszkozitás. A csirizesedésnek nevezett folyamat során a keményítő szerkezete irreverzibilisen megváltozik. A keményítőszuszpenzió paszta szerű anyaggá alakul, ez a csiriz. Ha keverés közben hűtjük a csirizt a viszkozitás állandó marad. Keverés nélkül gél képződik. A csirizesedett keményítő könnyebben emészthető mint a natív. • A csirizesedési hőmérséklet függ a keményítő eredetétől (búza ~63 oC, rozs ~55 oC), a sérült keményítőszemcsék mennyiségétől, a részben lebontott keményítő (pl. csírázás) jelenlététől. • A keményítő csirizesedési tulajdonságainak ellenőrzése fontos gyártástechnológiai szempontból. Elterjedt eszköze a 57 Brabender-féle Amylográf.
A keményítőcsiriz retrogradációja • A keményítőcsirizt, ha lehűtve állni hagyjuk, retrogradációnak vagy „öregedésnek” is nevezhető folyamatot figyelhetünk meg. Ez a folyamat a keményítőoldat vagy gél spontán változása. • A keményítőoldat a retrogradáció során zavarossá válik, a gélben szinerézis (vízkiválás) figyelhető meg. • A jelenség oka, hogy a csirizesedés során megbomlik a keményítő szerkezete azáltal, hogy víz „hatol be”, a kristályos szemcsébe, mely amorf szerkezetű lesz. A retrogradáció során a rendszer részben újra kristályosodik, rendezettebbé válik, a szomszédos amilózláncok között hidrogén-híd alakul ki, mely a víz egy részét kiszorítja • A nagy amilopektin tartalmú keményítőcsiriz retrogradációja nagyon lassú folyamat • Az öregedés sebessége függ: a keményítő eredetétől, a hőmérséklettől (+60 - -7 oC), a pH-tól, a jelenlévő felületaktív anyagoktól. (leggyorsabb 0 oC-on semleges pH-n). 58
Módosított keményítők
A keményítő tulajdonságai fizikai és kémiai eljárásokkal változtathatóak, egy –egy technológiai igénynek megfelelően. Natív keményítő
Szubsztituál keményítők
Keményítő észterek
Duzzadókeményítő
Keményítő éterek
Hidrolízissel lebontott keményítők
Hígfolyós keményítők
Oxidációval lebontott keményítők
Lebontott keményítők
Pörk dextrinek
Sárga dextrin
Fehér dextrin 59
Duzzadókeményítő (E 1401) • Előállítása: a natív keményítő szuszpenziójának hőkezelése a csirizesedésnél magasabb hőmérsékleten. • Következmény: a keményítő eredeti, rendezett szerkezetének irreverzibilis felbomlása. • Tulajdonságok: hideg vízzel is jól duzzad, adott koncentrációban gélt képez, kb. 10 szeres mennyiségű vizet köt meg. • Alkalmazási terület: szárazanyag tartalom növelés, gélképzés (pl. instant pudingpor).
60
Szubsztituált keményítők Keményítő észterek (a teljesség igénye nélkül) Keményítő foszforsav-diészter (pl. dikeményítő foszfát, E1412) • Előállítás: a keményítőt vizes szuszpenzióban reagáltatják nátriumorto és trimetafoszfáttal, nátrium klorid-, -karbonát vagy -hidroxid jelenlétében. • Következmény: dikeményítő foszfát képződés. A megkötött foszfor mennyisége 0,03-0,04 %. • Tulajdonságok: ~10 oC-kal magasabb csirizesedési hőmérséklet • Alkalmazási terület: stabilizálás: hosszabb főzés, sterilezés során sem csökken a termék viszkozitása, fagyasztott termékek fázisszétválásának meggátlása. Öregedésgátlás. Acetilezett keményítő (mono-keményítő acetát, E 1420) • Előállítás: a keményítőt vizes szuszpenzióban reagáltatják ecetsavval • Következmény: keményítő ecetsav észter képződés. • Tulajdonságok: alacsonyabb csirizesedési hőmérséklet, viszkozitás növekedés. • Alkalmazási terület: stabilizálószer. 61
Szubsztituált keményítők Keményítő éterek (a teljesség igénye nélkül) Hidroxi alkil éterek (pl. hidroxi-propil keményítő, E 1440) • Előállítás: 30-40 %-os keményítőszuszpenziót alkáli, vagy alkáli földfém jelenlétében pl. propilén vagy etilén-oxiddal reagáltatják. • Következmény: keményítő-hidroxi-alkiléterek képződés. Mindegyik vagy minden 10. glükózmolekula van éteresítve. • Tulajdonságok: csökken a keményítő csirizesedési hőmérséklete; oldhatósága, duzzadóképessége nő, retrogradációja csökken, átlátszóbb kolloid oldatot képez. • Alkalmazási terület: stabilizálás, emulgeálás. OH
O keményítő
O- +
H2C CH
CH3
keményítő
O H2C CH
A keményítő hidroxi-propil-éter képződésének elvi folyamata
CH3 62
Lebontott keményítők A dextrinek fogalma (gyűjtőfogalom): a keményitőbontás különböző lánchosszúságú termékei Hígfolyós keményítők Oxidációval lebontott keményítők (E 1404) • Előállítás: a natív keményítőt oxidálószerrel (pl. kálium-permanganát) reagáltatják. • Következmény: oxidáció, a glikozidos kötések kisebb mértékű bomlása. • Tulajdonságok: alacsonyabb csirizesedési hőmérséklet, átlátszó kolloid oldat, nem képez gélt, nem retrogradál • Alkalmazási terület: töltőanyag (pl. szószok). Hidrolízissel lebontott keményítők • Előállítás: sav jelenlétében csirizesedési hőmérséklet alatti hőkezelés, semlegesítés, szárítás. • Következmény: glikozidos kötések egy részének hidrolízise.. • Tulajdonságok: alacsonyabb csirizesedési hőmérséklet, átlátszó kolloid oldat, nem képez gélt, nagyon lassan retrogradál • Alkalmazási terület: szárazanyag tartalom növelés. 63
Lebontott keményítők Pörk dextrinek • Előállítás: a a keményítőt szárazon kevés sav jelenlétében hevítik. – Fehér dextrin: 95-120 oC – Sárga dextrin: 160-180 oC • Következmény: részleges keményítőbontás, hidrolízis, csökken az oldatainak viszkozitása, reverzió, intramolekuláris vízvesztés, íz és színanyagok képződése. • Tulajdonságok: vízben rosszabbul oldódik, szuszpenziója állás közben sűrűsödik, zavarosodik. • Alkalmazási terület: aroma és színhatás (a rántáshoz hasonló funkció). 64
Ciklodextrinek (Schardinger dextrinek) • A Bacillus macerans baktérium ciklodextrin-glikoziltranszferáz enzimje keményítőből, amilózból, amilopektinből, glikogénből nem redukáló, gyűrűs glükózpolimert termel. Egy-egy gyűrű 6-12 glükózt tartalmaz. • A ciklodextrinek vízben oldódnak, savaknak, lúgoknak ellenállnak. A gyűrű belsejében a funkciós csoportok képesek szerves és szervetlen molekulákat másodlagos kötőerővel (pl. hidrogén-híd kötés) megkötni. • Felhasználási terület: aromakapszulázás. (a „bezárt” aroma csak vizes közegben „szabadul ki” a gyűrűből.)
γ-ciklodextrin 65
Glikogén • Fehér, íztelen, szagtalan por, az állati szervezetek tartalék szénhidrátja. • Az amilopektinhez hasonlóan α-D-glükózból épül fel 1-4 kötéssel, de sűrűbben 10-24 monomerenként 6-1 elágazással. • Molekulatömege 106-107 dalton. • Vízben nem oldódik, nem csirizesedik, jóddal vörös színt ad. • Előfordulási helye a máj, az izmok. • Jelentős szerepe van hidrolízist követően tejsavas erjedése kapcsán a tőkehúsok eltarthatóságában.
66 A glikogén struktúrája
Dextrán • Mikrobiális eredetű: Leuconostoc mesenteroidae, dextranicum baktériumok termelik szacharóz táptalajon. • -α-D-glükózból épül fel 1-6 kötésekkel 4-1 és 3-1 elágazásokkal, közepesen elágazó makromolekula. • Molekulatömege 5*104-2*105 dalton • Vízben jól oldódik, magasabb rendű állatok számára nem emészthető • Élelmiszeripari felhasználás: sűrítő, stabilizátor (pl. fagylaltokhoz) • Egyéb felhasználás: széleskörű (pl. szintetikus vérplazma, ragasztóanyagok alapanyaga, talajjavító szerek) 67
Cellulóz • A legnagyobb mennyiségben megtalálható szerves vegyület a Földön, a magasabb rendű növények szerkezetépítő poliszacharidja. • A fatörzs 50 %-a cellulóz, a levelek 10-20 % cellulózt tartalmaznak, a gyapot több, mint 90 %-ot. • -β-D-glükopiranózból épül fel 1-4 kötéssel, nem elágazó. • Molekulatömege 103-104 dalton. • Mikrokristályos szerkezetű, rostszerű anyag. Intra- és intermolekuláris hidrogén-híd kötések stabilizálják a szerkezetet. • Vízben nem oldódik, savakkal lúgokkal, enzimekkel szemben nagyon ellenálló. Csak mikrobák által termelt enzimek képesek bontani (pl. a kérődzők gyomrában). • Az ember szempontjából élelmi-rostként jön szóba, és kalóriaszegény termékek előállításánál. 68
Cellulózszármazékok • Élelmiszeripari célokra az alkil, hidroxi-alki és karboxi-alki éterek jönnek szóba. (E 460-E 466). • Előállítás: a cellulózt alkil-oxiddal (propilén-oxiddal), alkil-kloriddal (metil-kloriddal) reagáltatják lúgos közegben. • Az éteresített cellulóz jól duzzadó vegyület, mivel a szubsztituens beépítésével megbomlik a cellulóz mikrokristályos szerkezete és így könnyen tud hidratálódni. • Oldataik viszkozitása a hőmérséklet emelkedésével csökken. Bizonyos koncentráció felett gél képződik. • Felhasználási terület: öregedés gátlás, hidratáció, védőbevonatként, habképző adalékként, emulzió-stabilizátorként, konzisztencia javítóként.
Hidroxipropil-metil-cellulóz (HPMC)
69
Inulin • Fruktózpolimer, mely elsősorban a fészkesvirágzatúak és liliomfélék (pl. csicsóka, dáliagumó) tartaléktápanyaga. • 30-35 D-fruktózegységből épül fel 2-1 kötéssel, 5-25 %ban glükózt is tartalmaz a láncvégen. • Az inulin forró vízben csirizesedés nélkül kolloid oldatot képez. Az oldatot lehűtve finom szemcsék formájában kiválik. • Savval, enzimmel könnyen bontható, a fruktózgyártás alapanyaga.
70
Pektin • A növényvilágban nagyon elterjedt poliszacharid, sok gyümölcsben, zöldségben, ipari növényben (pl. cukorrépa) megtalálható. • Alapvázát pektinsav, azaz α-D-galakturonsav alkotja 1-4 kötéssel. A poligalakturonsav karboxilcsoportjainak egy része metanollal van észteresítve. A pektinsav metilésztere a pektin. • Molekulatömege 104-106 dalton nagyságrendű. • A pektin 3-4 pH mellett a legstabilabb. Erősen savas közegben hidrolizál, bázikus közegben az észterkötések és a glikozidos kötések bomlanak. • A pektin meghatározott körülmények között gélt képez. • Éretlen gyümölcsben vízben oldhatatlan protopektin alakban van jelen, mely sav vagy enzim hatására alakul át vízben oldható pektinné. • Az ipar, élelmiszeripar széles körben felhasználja. Ipari 71 méretekben alma és citrusfélék héjából nyerik ki.
Állományjavítóként alkalmazott heteropoliszacharidok – Xantán (D-glükóz, D-mannóz, D-glükuronsav). Mikrobiális eredetű, konzervek, fagyasztott termékek, szószok állományjavítása. – Karragén (D-galaktóz, anhidro-D galaktóz szulfátészter). Tengeri vörös algákból nyerik. Tejtartalmú élelmiszerek állományjavítása. – Agar (D-galaktóz, 3-6 anhidro-L-galaktóz). Tengeri vörös algákból nyerik. Széleskörű használat, gélképzés, emulzióstabilizálás. – Alginát (D-mannurosnsav, L-guluronsav). Tengeri barna algák sejtfalából nyerhető. Állományjavítóként alkalmazható. 72
Állományjavítóként alkalmazott heteropoliszacharidok – Arab gumi (L-arabinóz, L-ramnóz, D-galaktóz, D-glükuronsav) trópusi akácfélék kérgéből nyerhető. Állományjavítóként, emulzió stabilizálásra, védőbevonatként alkalmazható. – Guaran (D-mannóz, D-glükóz). Guárliszt, jánoskenyérliszt tartalmazza. Jól duzzad, kis koncentrációban is viszkozitásnövelő hatású, sűrítő élelmiszeripari adalékként alkalmazható. – Targatgumi (L-arabinóz, D-galaktóz, L-fruktóz, glükuronsav) sűrűn folyó ragadós gélt képez, sűrítőanyagként, stabilizáló adalékként alkalmazható. 73
Néhány oligoszaharidáz • Alfa-glükozidáz (maltáz): az alfa térállású glikozidos hidroxilt tartalmazó glükóz glikozidjait hidrolizálja (maltózból két D-glükóz képződik). • Béta-glükozidáz (cellobiáz):a béta térállású glikozidos hidroxilt tartalmazó glükóz glikozidjait hidrolizálja (cellobiózból két D-glükóz képződik). Nincs ilyen humán emésztőenzim. • Béta-galaktozidáz (laktáz): a galaktóznak azokat a glikozidjait hidrolizálja, melyek béta térállásúak. (tejcukorból galaktóz és glükóz képződik). Laktóz intoleráns személyek kevés vagy semennyi ilyen típusú emésztőenzimet termelnek. 74
Néhány oligoszaharidáz • Alfa-galaktozidáz:a galaktóznak azokat a glikozidjait hidrolizálja, melyek alfa térállásúak. Nincs ilyen humán emésztőenzim. A vastagbélbaktériumok egy részének van. • Béta fruktozidáz (szacharáz, invertáz): a fruktóznak azokat a glikozidjait hidrolizálja, melyek béta térállásúak. (szacharózból Dfruktóz és D-glükóz képződik).
75
Néhány poliszacharidáz • Alfa-amiláz (elfolyósító amiláz) az amilózt a polimerlánc közepén egyszerre több helyen bontja, az α 1-4 kötéseket képes bontani (endoamiláz). • Béta-amiláz (cukrosító amiláz): az amilóz nem redukáló vége felől maltózegységeket hasít le, az α 1-4 kötéseket képes bontani (exoamiláz). • Amilo-glükozidáz: az amilóz nem redukáló vége felől glükózegységeket hasít le, az α 1-4 kötéseket képes bontani (exoamiláz). • Izo-amiláz: képes az elágazó α 1-6 kötések bontására, így a keményítő és glikogén teljes hidrolízisét elősegíteni, hiányában ún. határdextrinek keletkeznek. 76
Néhány poliszacharidáz • Endocelluláz: kisebb láncokra bontja a kristályos cellulózt. Nincs ilyen humán emésztőenzim. • Exocelluláz: a kisebb láncokra bontott cellulóz nem redukáló vége felől cellobióz vagy cellotetralóz egységeket hasít le. Nincs ilyen humán emésztőenzim. • Pektinázok: több ilyen típusú enzim tartozik ide, endo- ill. exo változatok, különböző helyeken hasítják a láncot. Nincs ilyen humán emésztőenzim. Élelmiszeripari szerepük a lékihozatal növelésében van (pl. almalégyártás) 77
Az szénhidrátok táplálkozásélettani, egészségügyi vonatkozásai
78
Szénhidrátszükséglet • A szénhidrátok elsődleges szerepe az emberi szervezet számára az energiaszolgáltatás. • A szénhidrátok fajlagos energiatartalma 4,1 kcal/g. • A felnőtt emberi szervezet szénhidrátszükséglete 55-60 energia %. (állóképességi sportot űzőknél lehet 65 % is) • 3000 kcal napi energiaszükségletre számolva (3000*0,57)/4,1 = 420 g (~70-80 dkg kenyér) (referencia férfi: 70 kg, 170 cm magas, 20-30 éves, egészséges) 79
Szénhidrátszükséglet • A hozzáadott cukor mennyisége lehetőleg ne haladja meg a 10 energia %-ot (~ 75 g/nap). • A napi glükóz igény (mono- , oligo- és poliszacharid formájában összesen) 100-130 g, mivel a többi cukor is végső soron glükózzá alakul a szervezetben. A felszívódott fruktóz kb. 15 %-a a bélhámsejtekben viszonylag gyorsan átalakul glükózzá, a maradékot pedig a máj alakítja át. A szervezet csak azokat a cukrokat „használja” melyek rövid úton enzimatikusan átalakíthatók glükózzá. 80
A glükóz felszívódása, komplex szénhidrátok • A glükóz foszforilálva, a bélből aktív transzporttal szívódik fel. Azaz akkor is felszívódik, ha a bélhámsejtekben, vérben magasabb a koncentrációja. A glükózon kívül a szénhidrátok közül csak a galaktóz szívódik fel aktív transzporttal. Egy felnőtt ember napi „glükóz-felszívó kapacitása” 10 kg (!!!), ami több, mint 40 ezer kcal. • A szénhidrátokat komplex szénhidrát formájában célszerű fogyasztani. • A kompelx szénhidrátok tartalmaznak az ember számára nem emészthető szénhidrátokat is. 81
Néhány élelmiszer emészthető szénhidráttartalma és az abból származó energia élelmiszer
szénhidrát (%)
energia kcal/100g
gabonamagvak, lisztek
60
-
80
246
-
328
cukrászsütik, csokik
45
-
70
185
-
287
szárazbab, borsó, lencse
50
-
60
205
-
246
kenyér, péksüti
45
-
55
185
-
226
banán, szőlő
18
-
24
74
-
98
burgonya
17
-
22
70
-
90
diófélék
5
-
15
21
-
62
cukros üdítők
8
-
13
33
-
53
gyümölcsök
3
-
15
12
-
62
zöldségek
2
-
14
8
-
57
tehéntej
4
-
6
16
-
25
0,1
-
3
0
-
12
hús, hal. Tojás, belsőségek
82
Néhány részlegesen-, vagy nem emészthető szénhidrát élelmi nyersanygokban Inulin (prebiotikum)
Articsóka, hagyma, mustármag, csicsóka
Raffinóz (flatulencia-faktor)
Babfélék, lencse, szója
Sztachióz (flatulencia-faktor)
Babfélék, szója
Cellulóz, hemicellulózok (élelmi rost) Gabonafélék, egyes zöldségek Pektin (élelmi rost)
Gyümölcsök, egyes zöldségek
Prebiotikumok: nem emészthetők, a vastagbél hasznos baktériumainak tápanyagai. Flatulencia faktor: nem emészthető komponensek. A vastagbélben számos baktérium azonban könnyen emészti nagymennyiségű gáz képződése mellett. Óránként akár 1-1,5 dm3 gáz is képződhet.
83
Élelmi rostok (diétás rostok, növényi rostok) • Az élelmi rostok többsége poliszacharid szénhidrát. Nem emészthetőek az ember számára, így nem szolgáltatnak energiát, és nem valamely testszöveti molekula felépítéséhez vagy aktiválásához szükségesek, hanem az emésztőrendszer normális működésében és egészségének megőrzésében játszanak fontos szerepet. • Több kórállapot kialakulásának kockázatát csökkenti a megfelelő rostfogyasztás. Ezek: bélbetegségek (pl. aranyér, vastag és végbél daganatok), energiaháztartás zavarai (pl. elhízás, II. típusú diabétesz), keringési rendszer betegségei (pl. érelmeszesedés), fogszuvasodás. 84
Élelmi rostok fizikokémiai tulajdonságai A több területen tapasztalható betegségmegelőző hatás az élelmi rostok speciális fizikokémiai tulajdonságaiból adódik. Ezek: • stabil, hőnek, savaknak, lúgoknak, enzimeknek ellenálló vegyületek; • nagyfokú duzzadóképesség jellemzi őket; • nagy adszorpciós (felületen történő megkötés) képességűek; • egy részük mechanikai szilárdsága magas. 85
Az élelmi rostok kedvező élettani hatásai A speciális fizikokémiai tulajdonságok eredőjeként az élelmi rostoknak számos kedvező élettani hatása van. Ezek: • energiát nem szolgáltatnak, ugyanakkor teltségérzetet keltenek (étvágycsökkentés kalória nélkül); • a bélrendszert stimulálják, intenzívebb bélmozgás (perisztaltika) jön létre, csökken a táplálék „tranzit” ideje, rendszeres széklet képződik, csökken a toxikus anyagok képződésének ideje; • jelentős mennyiségű vizet vesznek fel így lazítják a székletet; • adszorpció révén toxinokat és koleszterint kötnek meg; • csökkentik a bél felszívó felületét, ezáltal a tápanyagok (pl. glükóz) elnyújtva, fokozatosan szívódnak fel; 86 • intenzív rágásra késztetnek így tisztítják a fogazatot.
Az élelmi rostok típusai, rostszükséglet • Az élelmi rostoknak két típusa van: vízben oldódó (pl. pektin) és nem oldódó (pl. cellulóz) élelmi rostok. A szervezetnek mindkét típusra szüksége van. • A gyümölcsök vízben oldódó, a gabonák vízben nem oldódó rostokat tartalmaznak döntő mértékben, a zöldségeknél nincs általános trend. • Napi szükséglet felnőtt egészséges ember számára: 20-45 g. • Túlzott bevitel: hasmenés, mikroelem hiány az adszorpció miatt, bélgyulladás. 87
Néhány élelmiszer élelmi rost tartalma gabonák, termékeik termék
zöldségek, hüvelyesek
É. rost %
termék
É. rost %
gyümölcsök, diófélék olajosmagvak termék
É. rost %
búzakorpa
46 sz. bab, borsó
24 mák
11
köles
22 lencse
19 mogyoró, dió
10
árpapehely
16 zöldborsó
9 málna
9
korpáskenyér
14 sóska
5 ribizli
8
zabpehely
14 f. káposzta
5 körte
6
barnarizs
10 cs. gomba
4 szilva
6
barnakenyér
10 s. répa
3 szőlő
5
félbarna kenyér
6 burgonya
2 meggy, alma
5
fehérkenyér
3 paprika, par.
2 őszibarack
3
hántolt rizs
2 hagyma
2 banán
2 88
Glikémiás index (GI) • Százalékos arányszám, mely megadja, hogy az adott élelmiszer a glükózoldathoz képest mennyire emeli meg a vércukorszintet. Minél magasabb az értéke annál gyorsabban jut az adott a szénhidrát glükóz formájában a véráramba (annyi élelmiszer elfogyasztása, mely 50 g szénhidrátot tartalmaz ennek vércukorszint emelő hatása (vércukorszint mérés) osztva 50 g glükózt tartalmazó oldat vércukorszint emelő hatásával szorozva 100-zal). • Ajánlás : elsősorban alacsony glikémiás indexű élelmiszert fogyasszunk. A magas glikémiás indexű élelmiszereket feltétlenül kombináljuk alacsony értékűekkel. • A magas élelmi rost tartalmú élelmiszereknek általában alacsonyabb a glikémiás indexe. • A hús, hal, tojás glikémiás index értéke gyakorlatilag nulla. 89
Néhány élelmi anyag glikémiás indexe • Alacsony glikémiás indexű (45 alatt) élelmiszerek pl: alma, cseresznye, mandarin, brokkoli, hagyma, tej és tejtermékek, diófélék, olajosmagvak. • Közepes glikémiás indexű (45-70) élelmiszerek pl: banán, szőlő, görögdinnye, héjában főtt burgonya, főtt sárgarépa, kukorica, barna rizs, teljes kiőrlésű lisztből készült kenyerek, méz, gyümölcslevek. • Magas glikémiás indexű (70 felett) élelmiszerek pl.: burgonyakészítmények (pl. püré), sütemények, kukoricapehely, keksz, fehérkenyér, péksütemény, cukros üdítőitalok. 90
Édes íz - mit válasszunk •
•
A legtöbb felnőtt magyar (és sok gyerek) esetében az energiabevitel csökkentése lenne a cél, hiszen a felnőtt lakosság több mint fele túlsúlyos vagy elhízott. Csökkenteni kell a szénhidrátbevitelt is. Ezt többek közt úgy érhetjük el, hogy olyan édes ízforrást használunk, amely fajlagosan erősebb ízérzetet kelt. Diabétesz esetében, pedig az is cél, hogy kevés inzulin, vagy inzulin nélkül is hasznosuljon az édes ízt okozó molekula (pl. a fruktóz 80 g-ig inzulin nélkül hasznosul). 91
Különböző szénhidrátok édes ízhatása fajlagos édes ízérzet
fajlagos édes ízérzet
Fruktóz
180
glükóz szirup (DE 62)
szacharóz
100
izocukor HFCS F42
100
glükóz
70
izocukor HFCS F90
140
galaktóz
60
szorbit (E 420)
50
maltóz
50
glicerin
80
laktóz
40
maltit (E 965)
90
HFCS = High Fructose Corn Syrup
DE = dextróz egyenérték
62
92
Tejcukor-érzékenység • Oka: a laktáz-enzim hiánya, illetve csökkent termelődése, aminek következtében a tejcukor lebontatlanul kerül tovább a vékonybélből. Az elbontatlan laktózt végül a vastagbél baktériumai bontják el rövid szénláncú zsírsavakká és gázokká. • Tünetek: tejcukor-érzékenység esetén (egy bizonyos mennyiségű) laktóz tartalmú táplálék elfogyasztása után a tünetek fél-két órával jelentkeznek és 24-48 óra után múlnak el. Jellemző tünetek: puffadás, hangos bélhangok, görcsös hasi fájdalom, hasmenés, émelygés, hányinger. • Gyakoriság: általában 5 éves kor után kezdődik a laktázenzim aktivitásának csökkenése. Az Egyesült Államokban a laktáz hiány a fehér lakosság 22 %-át érinti. ÉszakEurópában a felnőttkori intolerancia a populáció 15 %-át, Közép-Európában a lakosság 30 %-át, a mediterrán országokban pedig akár 70 %-át is érinti. Az afrikai és ázsiai lakosság kb. 90 %-a laktóz intoleráns. 93
Veleszületett fruktóz intolerancia • Oka: az örökletes fruktóz intolerancia (HFI Hereditary Fructose Intolerance) ritka autoszomális recesszív genetikai betegség. A szervezet nem termeli a fruktóz lebontásához szükséges fruktóz-1 foszfát aldoláz enzimet , így nem történik meg a fruktóz metabolizáció (a fruktóz glükózzá alakulása) a májban. • Következmény: fruktóz-1-foszfát halmozódik fel a májban, a vesében és a vékonybélben. A felhalmozódott fruktóz-1-foszfát gátolja a glikogén lebontását, és a glükóz szintézisét, ezáltal súlyos hypoglykaemia következik be fruktóz fogyasztásakor. 94
Veleszületett fruktóz intolerancia • Tünetek: rendszerint az anyatejes táplálás után, a hozzátáplálás megkezdésekor jelentkeznek, hányás, alacsony vércukorszint, remegés, általános rossz közérzet, súlyos hasi fájdalom formájában.
• Gyakorisága: 1:20.000 - 1:40.000 (Magyarországon évi ~1-3 újszülött) • Szerencsére: a rendellenesség korán megkezdett fruktózmentes diéta esetén jóindulatú. Ilyen esetekben a tünetek megszűnésére, a gyermek szabályos testiértelmi fejlődésére lehet számítani. 95
Fruktóz felszívódási zavar • Okai: a fruktózt szállító fehérje hiánya; a fehérje csökkent vagy hiányzó aktivitása. A fruktóz malabszorpció (DFI - Dietary Fructose Intolerance ), nagyon hasonlít a laktóz-intoleranciára. A szervezetbe bevitt fruktóz nem szívódik fel teljesen a vékonybélből és továbbszállítódik a vastagbélbe. (A rendellenesség gyakran csak átmeneti jellegű). • Következmény: a belekben lévő, nagy mennyiségű gyümölcscukor gyorsan erjedésnek indul, amelyből a bélbaktériumok hatására savak és gázok, elsősorban a hidrogén és a szén-dioxid szabadul fel. 96
Fruktóz felszívódási zavar • Tünetek: haspuffadás, hasi görcsök. A bélben felszaporodó, bontatlan cukormolekulák vizet kötnek meg, ezáltal a széklet állaga hígabbá válik, mennyisége jelentősen megemelkedik, ami hasmenést eredményez. • Gyakoriság: HFI-nél sokkal gyakoribb • Kimutatás: a DFI kimutatására a hidrogén-kilégzési tesztet alkalmazzák: fruktóz tartalmú oldat elfogyasztása után a kilélegzett levegőben mérik a hidrogén koncentráció növekedését. 97
A fogszuvasodás mechanizmusa caries = fogszuvasodás; cariogén = fogszuvasodást keltő • A fogszuvasodás jellemzően fruktóz és glükóz együttes jelenlétében zajlik ( már Aristoteles megfigyelte a sok mézet fogyasztók körében). • A szájüreg nem steril, több tucat féle mikroba van egyidejűleg jelen. Az alaphelyzetben nem humán patogén Streptococcus sangvis és Str. mutans a fruktózt energia-forrásként hasznosítja, a glükózból térhálós dextránt hoz létre (α 1-6). Ez az anyag vízben oldhatatlan, emberi enzim nem bontja, s a fogon dentális plakként (lerakódásként) jelenik meg. 98
A fogszuvasodás mechanizmusa • A plakk alatt a mikrobák anaerob körülmények közé kerülnek és savakat (pl. tejsav, ecetsav) termelnek. Ezek feloldják a fogzománcot, s amikor a lyuk eléri a foggyökér tokját, mely fehérjében gazdag, „átállnak” fehérje fogyasztásra, s humán patogénné válnak. • A fogkrém fluoridja gátolja a mikrobák enoláz enzimjét, így nem tudják a fruktózt felvenni és „éhen halnak”
99
100
Szénhidrátok analitikája (a teljesség igénye nélkül) Redukáló cukor kimutatása ezüsttükör próbával (csak kvalitatív = minőségi) • AgNO3 + (NH4)OH = AgOH + (NH4)NO3 hevítés • 2AgOH + R-CHO 2Ag + R-COOH + H2O
101
Redukáló cukor meghatározás Fehling-, Schoorl és Bertrand módszerrel (kvalitatív, kvantitatív, de nem szelektív) • CuSO4 + 2NaOH = CuII(OH)2 + Na2SO4 • CuII(OH)2 hevítés CuIIO + H2O • 2CuIIO + R-COH = CuI2O + R-COOH
Fehling reakció
Schoor módszer - közvetett
• CuIIO + H2SO4 = CuSO4 + H2O • 2 CuSO4 + 4KI = 2 K2SO4 + 2CuI+ I2 • I2 + 2Na2S2O3 = 2NaI + Na2S4O6 Bertrand módszer - közvetlen
• CuI2O + FeII2(SO4)3 + H2SO4 = 2CuSO4 + 2FeIIISO4 + H2O • 10FeIIISO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 5Fe2(SO4)3+ 2 K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O 102
Cukor-tartalom mérés fény törés (refrakció) alapján a jelenség
Optikai sűrűség „oka”: más-más közegben a fény sebessége eltérő. Vákuumban 300.000 km/sec v.m. Közegben < 300.000 km/sec
Oldatoknál az optikai sűrűség (a fény sebessége) függ az oldószertől, az oldott anyag minőségétől és koncentrációjától.
optikailag ritkább közeg (a vizsgált oldat)
α>β optikailag sűrűbb közeg (a refraktométer üvegprizmája)
törésmutató (két anyagra állandó érték): n12 = sin α / sin β = n1 / n2
103
Mono- és oligiszacharid meghatározás HPLC-vel (Intenzív /nagynyomású/ folyadékkromatográfia) (kvantitatív, kvalitatív és szelektív) aceto-nitril víz
szemcsenagyság 10-102 µm
max. 400 bar injektor pumpa
oszlop folyadéktárolók
adatfeldolgozás (PC)
detektor
Retenciós idő – minőségi analízis Csúcs alatti terület – mennyiségi analízis
pl. méz vizsgálathoz
törésmutató alapján
104
Lisztek keményítőtartalmának polarimetriás vizsgálata 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
A minta (M ~ 5 g) kimérése analitikai mérlegen főzőpohárba. (50 ml) híg (1,2 %-os) HCl hozzáadása Hőkezelés 100 oC-os vízfürdőn 15 percig Hűtés, átmosás (100 ml-es) mérőlombikba A zavaró fehérjék kicsapatása (foszfor-volfrámsavval) A mérőlombik jelretöltése, a szuszpenzió homogenizálása Szűrés
8.
A polárcső (hossza: l = 2 dm) feltöltése szűrlettel
9.
Az elforgatás szögének (α) meghatározása polariméterrel 100 100 * α Keményítőtartalom (m/m %) = * t M (α) * l λ 105
A polariméter felépítése skálázott tárcsa (a homogén látótér beállítása után a tárcsán lehet leolvasni az elforgatás szögét)
analizátor (forgatható Nikol prizma) polarizátor: poláros fényt állit elő (Nikol prizma) polárcső benne optikailag aktív oldat poláros fény segédprizmák nem poláros fény fényforrás: nátriumlámpa, monokromatikus fény λ = 589 nm
106
A polariméter látótere Optikailag aktív oldattal alaphelyzetben
Túlforgatva a tárcsát megváltozik a hármas osztás színvariációja
A beállítani kívánt látótér 107
Hála Istennek végeztünk a szénhidrátokkal
108
