ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο ΓΕΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ

119 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο ΓΕΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ 5.1. Γενικά περί ιδιοτήτων και σταθερών των υδατανθράκων Για τις ιδιότητες και τις σταθερές ισχύουν οι γενικοί κανόνες και η γενική περιγραφή τους όπως αυτά δόθηκαν στην Εισαγωγή. 5.2. Χημικές ιδιότητες των υδατανθράκων Οι ιδιότητες των υδατανθράκων οφείλονται: 1) Στο ημιακεταλικό υδροξύλιο (-ΟΗ) 2) Στα αλκοολικά υδροξύλια (-ΟΗ) 3) Στις ελεύθερες αλδεϋδικές (-CH=O) ή κετονικές (>C=O) ομάδες Οι ιδιότητες προκύπτουν από τις αντιδράσεις: (1) αιθεροποίησης και εστεροποίησης, οπότε προκύπτουν είτε γλυκοζιτικά (2) παράγωγα είτε εσωτερικά πολυεστερικά παράγωγα ή μίγματα των δύο. (3) οξείδωσης, οπότε προκύπτουν σακχαρικά αλδονικά ή ουρονικά οξέα (4) οξειδωτικής διάσπασης, οπότε διασπάται η ανθρακική αλυσίδα (5) αναγωγής, οπότε προκύπτουν πολυϋδρικές αλκοόλες (6) υδρόλυσης και αφυδάτωσης με ανόργανα οξέα (7) ισομερισμού με αραιά αλκάλια προσθήκης (πχ με HCN) οπότε προκύπτει ανοικοδόμηση της ανθρακικής αλυσίδας κατά ένα άτομο άνθρακα και συμπύκνωσης με αμινοπαράγωγα. (8) Ενζυματικής οξείδωσης ή διάσπασης. 5.2.1. Αντιδράσεις αιθεροποίησης και εστεροποίησης 1) Το ημιακεταλικό -ΟΗ κατά την αντίδρασή του με αλκοόλες δίνει γλυκοζιτικά παράγωγα κατά το γενικό σχήμα: Ημιακεταλικό -ΟΗ + ROH Ημιακεταλικό -OR (Γλυκοζίτης) + Η 2 O Η παρασκευή α-γλυκοζιτών γίνεται κατά την αντίδραση σε μη υδατικά διαλύματα κατά το σχήμα: Γενικά σε υδατικά διαλύματα λαμβάνονται μίγματα α- και β- 2) Κατά την επίδραση ακετυλιωτικών μέσων, π.χ. οξικού ανυδρίτη (Ac 2 Ο) εστεροποιούνται και τα ημιακεταλικά -ΟΗ και τα αλκοολικά -ΟΗ. Στην συνέχεια η

120 ΤΡΟΦΟΓΝΩΣΙΑ: Ν.Κ. ΑΝΔΡΙΚΟΠΟΥΛΟΣ α-θέση βρωμιώνεται και μετατρέπεται σε α-γλυκοζίτη με αιθοξείδιο νατρίου (EtONa) οποίος στην συνέχεια με αλκαλική υδρόλυση (για την δέσμευση των αποδεσμευόμενων AcOH) δίνει με αναστροφή β-γλυκοζίτη. 3) Η κυτταρίνη με Ac 2 Ο δίνει οξικούς εστέρες που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή της τεχνητής μετάξης (rayon) και στην παρασκευή μη αναφλέξιμων πλαστικών. + Με οξύ νίτρωσης (H 2 SO 4 +HNΟ 3 ΝΟ 2 + HSΟ3 + Η2 Ο) δίνει νιτρικούς εστέρες. Με πλήρη νίτρωση λαμβάνεται το εκρηκτικό νιτροκυτταρίνη και με μερική νίτρωση (2/3 της πλήρους) λαμβάνεται ο κολλωδιοβάμβακας ο οποίος χρησιμοποιείται ως ζελατινοδυναμίτιδα. Ο κολλωδιοβάμβακας διαλυόμενος σε μίγμα αιθέρα/αιθανόλης δίνει το στεγανωτικό κολλώδιο ενώ διαλυόμενος σε καμφορά/αιθανόλη δίνει το πρότυπο θερμοπλαστικό κελλουλοΐτη.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΓΕΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ 121 5.2.2. Αντιδράσεις οξείδωσης 1) Τα ημιακεταλικά -ΟΗ μπορούν να οδειδωθούν και έτσι δρουν σαν αναγωγικά μέσα. Με τις αντιδράσεις αυτές (π.χ. αντιδράσεις Fehling και Benedict) γίνεται διάκριση των αναγόντων (π.χ. γλυκόζη) από τα μη ανάγοντα σάκχαρα (π.χ. σακχαρόζη). Η οξείδωση γίνεται με αλκαλικό διάλυμα ιόντων μετάλλων (π.χ. Cu 2+, Ag +, Βi 3+ ). Με CuSO 4 προκύπτει κεραμέρυθρο Cu 2 O. Οι αντιδράσεις αυτές δεν είναι απολύτως στοιχειομετρικές αλλά χρησιμοποιούνται και για ποσοτικό ογκομετρικό προσδιορισμό των αναγόντων σακχάρων (π.χ. μέθοδος Schoorl-Regenbogen, μέθοδος Luff-Schoorl, μέθοδος Lane-Eynon). (1) (2) (3) (4) 2)Τα ημιακεταλικά-οη ελεύθερες καρβονυλικές ομάδες και τα αλκοολικά ΟΗ ανάλογα με τις συνθήκες τις αντίδρασης δίνουν ή αλδονικά ή ουρονικά ή σακχαρικά οξέα. Η οξείδωση γίνεται με ασθενή ή με ισχυρά οξειδωτικά μέσα. (5) (6) Οι αντιδράσεις (5) και (6) με μίγμα (J 2 +NaOH) δηλ. NaOJ χρησιμοποιούνται για την διάκριση γλυκόζης-φρουκτόζης καθώς και για τον ογκομετρικό προσδιορισμό της γλυκόζης (μέθοδος Kolthoff). (7)

122 ΤΡΟΦΟΓΝΩΣΙΑ: Ν.Κ. ΑΝΔΡΙΚΟΠΟΥΛΟΣ Η οξείδωση με το ΗΝΟ 3 χρησιμοποιείται για την διάκριση της γαλακτόζης και ολιγοσακχαριτών που περιέχουν γαλακτόζη από τα άλλα σάκχαρα γιατί δίνει πολύ δυσδιάλυτο ίζημα γαλακτοσακχαρικού οξέος (αντίδραση Mucic acid). Η αντίδραση αυτή χρησιμοποιείται για την πιστοποίηση γαλακτόζης ή/και λακτόζης στο αίμα και τα ούρα σε παθολογικές καταστάσεις. Τα ουρονικά οξέα σχηματίζονται με παρόμοια αντίδραση αλδόζης με ΗΝ03 αλλά με προηγούμενη δέσμευση του ημιακεταλικού -ΟΗ ως γλυκοζίτη με αντίδρασή του με ROH. 5.2.3. Αντιδράσεις οξειδωτικής διάσπασης Το υπεριωδικό οξύ σχάζει εκλεκτικά τον δεσμό μεταξύ γειτονικών ατόμων άνθρακα που φέρουν είτε γειτονικά υδροξύλια, είτε καρβονύλια, είτε αμίνες ή συνδυασμούς αυτών των ομάδων. Τα κοινά σημεία των αντιδράσεων αυτών είναι (1) η σχάση του δεσμού C-C μεταξύ γειτονικών ομάδων, (2) η οξείδωση κάθε ατόμου άνθρακα στην επόμενη βαθμίδα οξείδωσης δηλ. αλκοόλη αλδεύδη καρβοξυλικό οξύ διοξείδιο του άνθρακα και (3) για κάθε δεσμό που σχάζεται ανάγεται 1 mol υπεριωδικού σε ιωδικό. Οι αντιδράσεις που είναι δυνατόν να γίνουν είναι: (8) (1) (2) (3)

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΓΕΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ 123 (4) Ενώ αντίδραση δεν γίνεται στις περιπτώσεις που οποιοδήποτε από τα γειτονικά άτομα άνθρακα είναι δεσμευμένα με άλλη ομάδα π.χ. ακετάλη ή αιθέρα ή καρβοξύλιο: (5) (6) Οι αντιδράσεις με το υπεριωδικό, θετικές ή αρνητικές, χρησιμοποιούνται για τον ογκομετρικό προσδιορισμό των υδατανθράκων καθώς και για την διευκρίνιση της δομής των πολυσακχαριτών. 5.2.4. Αντιδράσεις αναγωγής 1) Τα ημιακεταλικά -ΟΗ καθώς και οι ελεύθερες αλδεϋδικές ομάδες ανάγονται προς ελεύθερα υδροξύλια, οπότε προκύπτουν πολυϋδρικές αλκοόλες. Η αναγωγή μπορεί να γίνει με διάφορα αντιδραστήρια, όπως: (α) αέριο Η 2 καταλυτικά με αμάλγαμα Na (β) ηλεκτρολυτικά, (γ) με νάτριο-βόριο-υδρίδιο, NaBH 4. (1) Με τις μεθόδους (α) ή (β) σε υδατικό διάλυμα προκύπτουν οι δύο ισομερείς πολυϋδρικές αλκοόλες, σορβιτόλη και μαννιτόλη, λόγω ρακεμοποίησης του 2C. 2) Η ρακεμοποίηση αυτή αποφεύγεται με το αντιδραστήριο NaBH 4 με διαλύτη ξηρή πυριδίνη (Pyr) οπότε η σχηματιζόμενηd-γαλακτιτόλη με ακετυλίωση με οξικό ανυδρίτη (AC 2 Ο) δίνει πλήρως ακετυλιωμένη D-γαλακτιτόλη η οποία χρησιμοποιείται για την ανάλυσή της με αέρια-χρωματογραφία GC. (2)

124 ΤΡΟΦΟΓΝΩΣΙΑ: Ν.Κ. ΑΝΔΡΙΚΟΠΟΥΛΟΣ 3) Με την μέθοδο (α) λαμβάνεται γλυκουρονικό οξύ από σακχαρικό οξύ μετά από αφυδάτωσή του προς γ-λακτόνη. (3) 5.2.5. Αντιδράσεις υδρόλυσης και αφυδάτωσης Κατά την επίδραση αραιών ή πυκνών ανόργανων οξέων λαμβάνονται διάφορα προϊόντα, όπως: 1) Κατά την επίδραση αραιών οξέων (0.1 Ν-1 Ν HCI ή H 2 SO 4 ) (α) σε μονοσακχαρίτες, αυτοί δεν επηρεάζονται (β) σε ολιγο- και πολυ-σακχαρίτες, αυτοί υδρολύονται προς μονοσακχαρίτες οι οποίοι διατηρούν την ανωμέρειά τους και έτσι είναι δυνατή η διευκρίνιση της σύνταξης των μακρομορίων (βλ. παρ. 5.5.2). (1) (2) 2) Κατά την επίδραση μετρίως πυκνών οξέων (4Ν-6Ν HCI ή H 2 SΟ 4 ) (α) σε μονοσακχαρίτες, αυτοί αφυδατώνovται προς χαρακτηριστικά προϊόντα ανάλογα εάν είναι πεντόζες ή εξόζες. (3) Οι πεντόζες δίνουν φουρφουράλη η οποία κατά την αντίδρασή της με ορκίνη (ορκινόλη) δίνουν χαρακτηριστικό πράσινο χρώμα το οποίο χρησιμοποιείται για την διάκριση των πεντοζών (αντίδραση Bial).

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΓΕΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ 125 (4) Οι εξόζες (αλδόζες και κετόζες) δίνουν 5-υδροξυ-μεθυλο - φουρφουράλη η οποία κατά την αντίδραση με ρεζορκίνη (ρεσορκινόλη) δίνουν χαρακτηριστικό κόκκινο χρώμα το οποίο χρησιμοποιείται για την διάκριση των εξοζών (αντίδραση Seliwanoff). Με περαιτέρω αφυδάτωση δίνουν λεβουλικό και μυρμηκικό οξύ. (β) σε ολιγο- και πολυσακχαρίτες, αυτοί πρώτα υδρολύονται προς μονοσακχαρίτες και μετά ακολουθεί αφυδάτωση, όπως παραπάνω. 3) Κατά την επίδραση λίαν πυκνών οξέων, όλα τα σάκχαρα αφυδατώνονται τελείως. Σάκχαρο + π. H 2 SO 4 φουρφουράλη & παράγωγα κ.ά. Σχήμα 5.1: Αντίδραση Molisch (α-ναφθόλης) Εάν χρησιμοποιηθεί πυκνό H 2 SO 4 εμπορίου και πριν την προσθήκη του στο δμα των σακχάρων προστεθούν 2-3 σταγόνες α-ναφθόλης τότε σχηματίζονται

126 ΤΡΟΦΟΓΝΩΣΙΑ: Ν.Κ. ΑΝΔΡΙΚΟΠΟΥΛΟΣ χαρακτηριστικοί δακτύλιοι ερυθροί ιώδεις έως πράσινοι για κάθε είδος σακχάρου και έτσι διακρίνονται οι υδατάνθρακες από τους μη υδατάνθρακες οι οποίοι δίνουν αρνητική την αντίδραση αυτή (αντίδραση Molisch). Εάν αντί για α-ναφθόλη χρησιμοποιηθεί θυμόλη τότε λαμβάνεται ερυθρός δακτύλιος (Σχήμα 5.1). 5.2.6. Αντιδράσεις ισομερισμού 1) Η ημιακεταλική ομάδα των μονοσακχαριτών είναι πολύ ευαίσθητη σε αραιά αλκάλια (π.χ. 0.035Ν NaOH ή κεκ. Ca(OH) 2 ) και ακόμα σε ήπιες συνθήκες σε θερμοκρασία δωματίου. Το σάκχαρο στο διάλυμά του υφίσταται ισομερισμό. Ο ισομερισμός π.χ. της γλυκόζης την μετατρέπει σε φρουκτόζη και σε μαννόζη πιθανά μέσω μιας ασταθούς ενολικής μορφής (μετάθεση Lobry de Bruyn-Aeberda van Eckenstern). Κατά την διάρκεια του ισομερισμού οι καρβονυλικοί δεσμοί (δηλ. οι ημιακεταλικοί) είναι πολύ ευαίσθητοι σε οξειδωτικά μέσα όπως το 02. Cu2+, Ag+ κλπ και σ' αυτήν την ιδιότητα στηρίζονται διάφορες ογκομετρικές μέθοδοι ποσοτικού προσδιορισμού (Fehling, Benedict). Οι πολυσακχαρίτες κατά την επίδραση αραιών αλκαλίων όπως και οι μονοσακχαρίτες ισομερίζονται εφ' όσον περιέχουν ελεύθερη καρβονυλική ομάδα ή ημιακεταλικό --ΟΗ 2) Κατά την επίδραση πυκνών αλκαλίων οι μονοσακχαρίτες ισομερίζονται γρήγορα και λαμβάνονται περισσότερα ισομερή απ' ότι κατά την επίδραση των αραιών αλκαλίων γιατί ο διπλός δεσμός της ενολικής μορφής μετατίθεται και προς τα άλλα άτομα άνθρακα με τελικό αποτέλεσμα την διάσπασή τους. Οι ολιγο- και πολυ-σακχαρίτες ισομερίζονται και αυτοί με τα πυκνά αλκάλια, εφ' όσον διαθέτουν ελεύθερο ημιακεταλικό -ΟΗ και μετά διασπώνται αργά σε διάφορα προϊόντα. Στην επίδραση αυτή, των πυκνών αλκαλίων οφείλεται και η διάλυση των βαμβακερών υφασμάτων, που συνίστανται από κυτταρίνη. 5.2.7. Αντιδράσεις προσθήκης 1) Κατά την επίδραση HCN σε αλδόζη (πχ. πεντόζη) παράγεται κυανοπαράγωγοτο οποίο με όξινη υδρόλυση (για την δέσμευση της εκλυόμενης αμμωνίας) δίνει αλδονικό οξύ το οποίο με αφυδάτωση και υδρογόνωση δίνει

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΓΕΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ 127 αλδόζη με ένα άτομο άνθρακα περισσότερο (δηλ. εξόζη). Δηλ. κατά την προσθήκη HCN επέρχεται ανοικοδόμηση της ανθρακικής αλυσίδας κατά ένα άτομο άνθρακα. 2) Κατά την αντίδραση της αμινομάδας των αμινοξέων με τις καρβονυλικές ομάδες (δηλ. τις ημιακεταλικές) των υδατανθράκων σχηματίζεται βάση Schiff στην οποία οφείλεται η μη ενζυματική αμαύρωση κατά την θέρμανση των θρεπτικών υλών, πχ. ο σχηματισμός του καστανού χρώματος του ψωμιού κατά το ψήσιμό του (αντίδραση Maillard). 3) Κατά την επίδραση φαινυλυδραζίνης (Ph-NHNH 2 ) σε αλδόζες ή σε κετόζες σχηματίζονται κατ' αρχάς φαινυλυδραζόνες (1) οι οποίες με περίσσεια αντιδραστηρίου μετατρέπονται σε φαινυλοζαζόνες (2) (Σχήμα 5.2).

128 ΤΡΟΦΟΓΝΩΣΙΑ: Ν.Κ. ΑΝΔΡΙΚΟΠΟΥΛΟΣ Οι φαινυλυδραζόνες (1) και οι φαινυλοζαζόνες (2) με υδρογόνωση δίνουν το ιμινο-παράγωγο (3). Σχήμα 5.2: Αντιδράσεις σχηματισμού φαινυλυδραζονών και φαινυλοζαζονών και παραγώγων τους (1), (2), (3) Οι υδατάνθρακες που διαφέρουν μόνο στα δύο πρώτα άτομα άνθρακα όπως οι αλδόζες και οι κετόζες δίνουν την ίδια φαινυλοζαζόνη. Οι φαινυλοζαζόνες είναι κρυσταλλικά δυσδιάλυτα σώματα και μετά την αντίδραση μπορούν να παραληφθούν με διήθηση και επειδή έχουν χαρακτηριστική οπτική στροφική ικανότητα και φυσικές σταθερές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την απομόνωση και την πιστοποίηση των σακχάρων 5.3. Χρωστικές αντιδράσεις υδατανθράκων (παραπομπές) Μερικοί υδατάνθρακες υπό την επίδραση κατάλληλων αντιδραστηρίων δίνουν έγχρωμα προϊόντα ενός υδατάνθρακα και έτσι γίνεται η ποιοτική πιστοποίησή του. Οι αντιδράσεις αυτές αναφέρθηκαν στην παρ. 5.2 και είναι περιληπτικά οι ακόλουθες: Αντιδράσεις Fehling και Benedid (παρ. 5.2.2) Αντιδράσεις Bial, Selivanoff και Molisch (παρ. 5.2.5) 5.4. Αντιδράσεις ενζυματικής οξείδωσης 5.4.1. Οξειδάση της γλυκόζης Η ενζυματική διάσπαση της γλυκόζης (θετική αντίδραση) την διακρίνει από την γαλακτόζη και από το άλλο σάκχαρο. (αρνητική αντίδραση): Η αντίδραση αυτή εφαρμόζεται και σε ολιγο- και πολυ-σακχαρίτες μετά από κατάλληλη υδρόλυσή τους, προς τα συστατικά τους, μονοσάκχαρο, για την επιβεβαίωση της ύπαρξης σ' αυτά μορίων γλυκόζης.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΓΕΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ 129 Το ένζυμο οξειδάση της γλυκόζης καταλύει την οξείδωση της γλυκόζης προς γλυκονικό οξύ, με την βοήθεια του ατμοσφαιρικού οξυγόνου. Από την οξείδωση αυτή εκλύεται υπεροξείδιο του υδρογόνου το οποίο με την καταλυτική βοήθεια δεύτερου ενζύμου, της υπεροξειδάσης οξειδώνει την ορθο-διανισιδίνη προς κίτρινο χαρακτηριστικό προϊόν. Η πλήρης αντίδραση με ορθο-διανισιδίνη φαίνεται στο Σχήμα 5.3. Σχήμα 5.3: Ενζυματική οξείδωση της γλυκόζης και αντίδραση ορθο-διανισιδίνης Το αναπτυσσόμενο κίτρινο χρώμα χρησιμοποιείται για το φασματοφωτομετικό προσδιορισμό της ελεύθερης γλυκόζης καθώς και για τον προσδιορισμό της συστατικής γλυκόζης πολυσακχαριτών μετά από όξινη υδρόλυσή τους. 5.4.2. Ένζυμα της ζύμης Με τις ζυμώσεις που προκαλούνται από τα ένζυμα της ζύμης διακρίνονται (α) η φρουκτόζη (θετική αντίδραση) από την σορβόζη (αρνητική αντ.) και (β) η μαλτόζη (θετική αντ.) από την κελλοβιόζη (αρνητική αντ.). Τα υπό εξέταση σάκχαρα διαλύονται σε νερό και αναμιγνύονται με την ζύμη σχηματίζοντας έναν χυλό αντίδρασης η οποία εφ όσον είναι θετική έχει σαν αποτέλεσμα της ζύμωσης του σακχάρου την μετατροπή του σε αλκοόλη και διοξείδιο του άνθρακα. Η έκλυση του διοξειδίου του άνθρακα επιβεβαιώνει την παρουσία των ενζύμων και της αντίστοιχης ζύμωσης. Η ζύμη περιέχει ορισμένα μόνον ένζυμα τα οποία καταλύουν αυστηρό καθορισμένες διασπάσεις σακχάρων, όπως: (α) το ένζυμο ιμβερτάση (β-ο-φρουκτοσιδάση) το οποίο διασπά εκτεκτικάτους β-d-γλυκοζιτικούς δεσμούς της φρουκτόζης.

130 ΤΡΟΦΟΓΝΩΣΙΑ: Ν.Κ. ΑΝΔΡΙΚΟΠΟΥΛΟΣ (β) το ένζυμο μαλτάση (α-d-γλυκοσιδάση) το οποίο διασπά εκλεκτικά τους α- D-γλυκοζιτικούς δεσμούς της γλυκόζης. (γ) τα ένζυμα ζυμάσες τα οποία διασπούν την γλυκόζη και φρουκτόζη προς αλκοόλη και διοξείδιο του άνθρακα και έτσι η σακχαρόζη και η μαλτόζη και τα συστατικά τους μόρια φρουκτόζη και γλυκόζη ζυμούνται κανονικά, ενώ η σορβόζη (επιμερής της φρουκτόζης στον 4-C) δεν ζυμώνεται. Όμως η ζύμη δεν περιέχει : (α) το ένζυμο εμουλσίνη (β-d-γλυκοσιδάση) το οποίο διασπά εκλεκτικά τους β-d-γλυκοζιτικούς δεσμούς της γλυκόζης. (β) το ένζυμο λακτάση (β-γαλακτοσιδάση) το οποίο διασπά εκλεκτικά τους β- D-γλυκοζιτικούς δεσμούς της γαλακτόζης και έτσι η κελλοβιόζη και ηλακτόζη δεν ζυμούνται. 5.5. Φυσικές ιδιότητες και σταθερές των υδατανθράκων Οι φυσικές ιδιότητες των υδατανθράκων οφείλονται : 1) στην ιδιάζουσα μοριακή δομή τους 2) στην στερεοχημική διαμόρφωσή τους σε αντίποδες D- και L-και στην ανωμερή δομή τους α- και β- μορφές. 3) την ιδιάζουσα ανώτερη δομή των πολυσακχαριτών και γίνονται εμφανείς με τα φαινόμενα: (1) της εκλεκτικής προσρόφησης ιωδίου, από μερικούς πολυσακχαρίτες (2) από την εμφάνιση της ειδικής στροφής δηλ. της εκλεκτικής στροφής του πολωμένου φωτός καθώς και του πολυστροφισμού. (3) από το σημείο τήξης (Σ.Τ.) των ιδίων και των παραγώγων τους. (4) στην εκλεκτική διαλυτότητα τους σε νερό και σε μίγματα αιθανόλης και νερού. 5.5.1. Επιλεκτική προσρόφηση ιωδίου Οι πολυσακχαρίτες : άμυλο, γλυκογόνο, άγαρ, ξυλάνες και δεξτρίνες έχουν την ιδιότητα να συγκρατούν με προσρόφηση στην πολυμοριακή αλυσίδα τους μόρια ιωδίου με αποτέλεσμα να χρωματίζονται ιώδεις έως ερυθρές και έτσι διακρίνονται από τους άλλους υδατάνθρακες Π.χ.: Δμα αμύλου + δείκτης ιωδίου μελανόμορφο ιώδες Δμα δεξτρίνης + δείκτης ιωδίου ερυθρόμορφο ιώδες Δμα γλυκογόνου + δείκτης ιωδίου καφέ μορφο ερυθρο-ιώδες (το οποίο επιτείνεται με την παρουσία στερεού NaCI) Αιώρημα άγαρ ή ξυλάνης + δείκτης ιωδίου κυανο-πορφυρούν (δεν διαλύονται αλλά το J 2 προσροφάται από το αιώρημα) Το στερεό μοριακό ιώδιο είναι δισδυάλυτο στο νερό γι αυτό τα δματα ιωδίου παρασκευάζονται πάντοτε με προσθήκη και KJ το οποίο με το μοριακό ιώδιο δίνει ευδιάλυτο τριιωδιούχο σύμπλοκο ιωδίου του τύπου [J 3 ]

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΓΕΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ 131 J 2 + KJ Κ + [J 3 ] Το σύμπλοκο αυτό είναι και το πραγματικά προσροφούμενο από τις περιελίξεις της αμυλόζης του αμύλου με έντονο βαθύ κυανούν χρώμα (ενώ η αμυλοπηκτίνη δίνει σύμπλοκα ασθενώς ερυθρά). Γι αυτό το άμυλο που χρησιμοποιείται ως δείκτης στους ιωδιομετρικούς ογκομετρικούς προσδιορισμούς πρέπει να περιέχει μεγάλο ποσοστό αμυλόζης και τέτοιου τύπου άμυλο είναι του ρυζιού και της πατάτας, με περιεκτικότητα σε αμυλόζη 80%, και γι' αυτό καλείται διαλυτό άμυλο. 5.5.2. Οπτικές ιδιότητες (πολωσιμέτρηση) Τα διαλύματα των μονο- και δι-σακχαριτών, είτε της Ο-σειράς, είτε της L- σειράς, όταν φωτιστούν με πολωμένο μονοχρωματικό φως έχουν την ιδιότητα να το στρέφουν είτε προς τα δεξιά είτε προς τα αριστερά, οπότε συμβολίζονται αντίστοιχα σαν (+) ή σαν (-). Έτσι ένα σάκχαρο μπορεί να ανταποκρίνεται σε μια από τις περιπτώσεις D(+), D(-), L(+) και L(-). Η αριθμητική τιμή της στροφής του πολωμένου φωτός μετριέται σε μοίρες με ειδικά όργανα τα πολωσίμετρα και αποτελεί χαρακτηριστική φυσική ιδιότητα κάθε σακχάρου με την ονομασία ειδική στροφή [α] για ορισμένη θερμοκρασία και για ορισμένη πόλωση του φωτός. Όπου: το 20 συμβολίζει τους C και το D την ράβδωση D κιτρίνου (πολωμένου) φωτός της λυχνίας νατρίου του πολωσιμέτρου. Τα διαλύματα της D-γλυκόζης είναι δεξιόστροφα (γι αυτό και η D-γλυκόζη καλείται δεξτρόζη) και της D-φρουκτόζης αριστερόστροφα, ενώ ισομοριακά δείγματα των δυο θα είναι αριστερόστροφα γιατί υπερισχύει η αρνητική τιμή της D- φρουκτόζης. Έτσι ένα δεξιόστροφο διάλυμα σακχαρόζης με (+)66.50 μετά από υδρόλυση με την οποία μετατρέπεται σε ισομοριακό μίγμα γλυκόζης-φρουκτόζης μετατρέπεται σε αριστερόστροφο με τιμή ( ) 20.00, γι αυτό και το προϊόν της υδρόλυσης της σακχαρόζης καλείται ανάστροφο σάκχαρο ή ιμ6ερτοσάκχαρο. Η ιδιότητα αυτή χρησιμοποιείται για την διάκριση των φυσικών μιγμάτων σακχάρων, π.χ. όπως είναι το μέλι μίγμα γλυκόζης - φρουκτόζης, από τα διαλύματα σακχαρόζης, που είναι δεξιόστροφα, όταν η σακχαρόζη (η κοινή ζάχαρη) χρησιμοποιείται για νόθευση του μελιού. Επίσης η ειδική στροφή χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης ενός δτος σακχάρου καθώς και για την ταυτοποίηση του (Πίνακας 5.1).

132 ΤΡΟΦΟΓΝΩΣΙΑ: Ν.Κ. ΑΝΔΡΙΚΟΠΟΥΛΟΣ Πίνακας 5.1: Φυσικές σταθερές υδατανθράκων 5.5.3. Σημείο τήξης Το σημείο τήξης (Σ.Τ.) δεν αποτελεί χαρακτηριστική σταθερά γιατί εμφανίζεται με περιοχή τήξης εκτός από λίγες εξαιρέσεις γι αυτό και βρίσκει περιορισμένη εφαρμογή. Τα σάκχαρα γενικά δεν έχουν σαφές Σ.Τ. γεγονός που επιτείνεται από την τάση τους για εφυδάτωση. Όμως οι αλκοόλες των σακχάρων και οι μεθυλογλυκοζίτες των μονοσακχαριτών παρουσιάζουν σε πολλές περιπτώσεις σαφή Σ.Τ. και έτσι διακρίνονται από τα άλλα σάκχαρα. 5.5.4. Διαλυτότητα Τέλος η διαλυτότητα των υδατανθράκων σε νερό, σε όξινα υδατικά διαλύματα και σε αλκοόλη 75% και 90% χρησιμοποιείται για την διάκριση μονο και πολυσακχαριτών.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΓΕΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ 133 Με την εξέταση της διαλυτότητας στο νερό μπορούν να διακριθούν κατά προσέγγιση οι μονο- και δι-σακχαρίτες από τους πολυσακχαρίτες. Γενικά οι μονοκαι δι-σακχαρίτες διαλύονται εύκολα και γρήγορα και δίνουν διαυγή διαλύματα. Οι πολυσακχαρίτες διαλύονται πολύ λίγο ή και καθόλου με ελάχιστες εξαιρέσεις (κόμμεα, άμυλο). Με την εξέταση της διαλυτότητας στην αιθανόλη 75% διακρίνεται η λακτόζη από την μελιβιόζη γιατί η λακτόζη δίνει κρυσταλλικό ίζημα ενώ η μελιβιόζη ελαφρό θόλωμα. Γενικά οι υδατάνθρακες είναι αδιάλυτοι στην αλκοόλη και την ακετόνη. 5.6. Ογκομετρία υδατανθράκων Η μέθοδος αποτελεί τις γενικές αρχές της ογκομετρίας καθώς και τις αντιδράσεις τους στη παρ. 5.2. Οι προσδιορισμοί των διαφόρων ειδών σακχάρων γίνεται επί διαφορετικών ποσοτήτων του ιδίου δείγματος γλυκαντικής ύλης το οποίο προηγουμένως έχει διαυγασθεί και έχει αραιωθεί κατάλληλα ούτως ώστε τα αποτελέσματα που θα ληφθούν να είναι μέσα στα όρια ανιχνευσιμότητας της μεθόδου. Οι επί μέρους προσδιορισμοί των διαφόρων ειδών σακχάρων γίνονται με τις ακόλουθες μεθόδους (Σχήμα 5.4): (1) των αναγόντων σακχάρων με την μέθοδο Schoorl-Regenboden(S.R) ή με την μέθοδο Lυff-Schoorl (L.S.) (2) των μη αναγόντων σακχάρων πρώτα με ιμβερτοποίηση (υδρόλυση των ημιακεταλικών δεσμών) και μετά με την μέθοδο S.R. (ή L.S.) Εάν τα μη ανάγοντα σάκχαρα περιέχονται σε μίγμα με ανάγοντα σάκχαρα, τότε σε ένα μέρος του δείγματος γίνεται προσδιορισμός των αναγόντων κατά S.R. (ή L.S.) και σε ένα άλλο μέρος του δείγματος γίνεται προσδιορισμός των συνολικών σακχάρων μετά από ιμβερτοποίηση. Από την διαφορά των δύο μετρήσεων προκύπτουν τα μη ανάγοντα σάκχαρα. (3) των αλδοζών με την μέθοδο Kolthoff (4) των κετοζών, σε μίγμα τους με αλδόζες, από την διαφορά δύο διαφορετικών μετρήσεων, πρώτα με την μέθοδο S.R. (ή L.S.) και μετά με την μέθοδο Kolthoff (5) των συνολικών σακχάρων (αναγόντων και μη αναγόντων) πρώτα με ιμβερτοποίησή τους και μετά με την μέθοδο S.R. (ή L.S.) Π.χ. Το μέλι είναι φυσικό μίγμα γλυκόζης και φρουκτόζης (70-80%), με την φρουκτόζη σε λίγο μεγαλύτερη αναλογία, και σακχαρόζης ( ~4%) καθώς και υγρασίας (μέχρι 22%) και άλλων συστατικών (μέχρι 5%). Ο προσδιορισμός των σακχάρων γίνεται σε διαφορετικά διαυγασθέντα δείγματα 1%, δτων μελιού, ως εξής: (α) Της γλυκόζης: Απ' ευθείας με την μέθοδο Kolthoff (β)της φρουκτόζης: Πρώτα προσδιορίζεται το μίγμα γλυκόζης φρουκτόζης (απ' ευθείας ανάγοντα σάκχαρα) με την μέθοδο S.R. (ή L.S.) και από

134 ΤΡΟΦΟΓΝΩΣΙΑ: Ν.Κ. ΑΝΔΡΙΚΟΠΟΥΛΟΣ αυτό αφαιρείται η γλυκόζη που προσδιορίστηκε με την μέθοδο Kolthoff Σχήμα 5.4: Αντιδράσεις προσδιορισμού μίγματος υδατανθράκων 3ον) Της σακχαρόζης (καλαμοσάκχαρου). (α) Πρώτα γίνεται ιμβερτοποίηση για την διάσπαση της σακχαρόζης σε γλυκόζη και φρουκτόζη και μετά στο ίδιο δείγμα γίνεται προσδιορισμός κατά S.R. (ή L.S.) των συνολικών αναγόντων σακχάρων. (β) Σε διαφορετικό δείγμα γίνεται προσδιορισμός του μίγματος γλυκόζηςφρουκτόζης (απ ευθείας ανάγοντα σάκχαρα) με την μέθοδο S.R. (ή L.S.). Η σακχαρόζη βρίσκεται από την διαφορά (α)-(β) των δύο μετρήσεων και πολ/μού της διαφοράς επί 0.95 (γιατί 342 μ.β σακχαρόζης αποδίδουν 360 μ.β ιμβερτοσακχάρου, άρα 342/360=0.95). Η όλη παραπάνω διαδικασία αποδίδεται με το Σχήμα 5.4. 5.7. Φασματοφωτομετρία υδατανθράκων Η μέθοδος ακολουθεί τις γενικές αρχές της φασματοφωτομετρίας Εφαρμόζεται κυρίως σε έγχρωμα παράγωγα χρωστικών και ενζυμικών αντιδράσεων των σακχάρων γιατί οι υδατάνθρακες δεν απορροφούν στο ορατό και στο υπεριώδες. Ο συνδυασμός αυτός ενζυμικών αντιδράσεων και φωτομετρίας βρίσκει ευρεία εφαρμογή στα τρόφιμα. 5.8. Χρωματογραφικές ιδιότητες των υδατανθράκων Οι ιδιότητες αυτές αποζητούν τις γενικές αρχές της χρωματογραφίας. Ανάλογα με την εφαρμοζόμενη μέθοδο GC ή HPLC ακολουθούνται και διαφορετικές τεχνικές προστασίας του δείγματος σακχάρου άλλα πάντοτε όπως επί ενός δείγματος που έχει προηγουμένως καθοριστεί από άλλες συνοδευτικές θρεπτικές ύλες ή άλλες ουσίες. 5.8.1. Ανάλυση GC των σακχαριτών Η ανάλυση αυτή γίνεται επί ενός καθαρού δείγματος (μίγματος σακχαριτών) και πάντοτε μετά από μετατροπή των σακχαριτών σε πτητικά παράγωγα ή ακετυλιωμένα.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΓΕΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ 135 Σχήμα 5.5: Ανάλυση GC/FID προτύπων μονοσακχαριτών Στήλη OV-17/H.P. Chrom.W (Varian Co.) 5.8.2. Ανάλυση HPLC των σακχαριτών Με την μέθοδο HPLC δεν απαιτείται η παρασκευή παραγώγων (με ανιχνευτή RI) όπως στην μέθοδο GC αλλά μόνο προηγουμένως καθαρισμός του δείγματος. Η ανάλυση με HPLC μερικών προϊόντων ολιγοσακχαριτών μπορεί να εφαρμοστεί και στην ανίχνευση και ποσοτικοποίηση των σακχάρων μελιού (10%). Σχήμα 5.6: Ανάλυση HPLC/RI προτύπων μονοσακχαριτών και δισακχαριτών. Στήλη Micropack Si 5 NH 2 (Varian Co.)

136 ΤΡΟΦΟΓΝΩΣΙΑ: Ν.Κ. ΑΝΔΡΙΚΟΠΟΥΛΟΣ 5.9. Μέθοδοι καθαρισμού και προσδιορισμού των υδατανθράκων Οι υδατάνθρακες σαν μίγμα συστατικών μετά την παραλαβή τους από τα φυσικά προϊόντα και τον καθαρισμό τους μπορούν να προσδιοριστούν ποιοτικά και ποσοτικά είτε σαν συνολικό μίγμα είτε σαν μεμονωμένα συστατικά του μίγματος, με διάφορες μεθόδους. Ο ποιοτικός προσδιορισμός γίνεται με τις παρακάτω μεθόδους: Με χρωματογραφία TLC ή χάρτου γίνεται διαχωρισμός μίγματος υδατανθράκων και το Rf του κάθε συστατικού είναι ενδεικτικό της ταυτότητάς του, με σύγκρισή του με τα Rf γνωστών υδατανθράκων. Με διάφορες χρωστικές αντιδράσεις, η κάθε μια από τις οποίες είναι χαρακτηριστική για κάθε είδος υδατάνθρακα, είναι δυνατή η διάκριση του κάθε είδους σε ένα μίγμα υδατανθράκων. Ο ποσοτικός προσδιορισμός γίνεται με τις παρακάτω μεθόδους: Όταν το δείγμα περιέχει έναν μόνο υδατάνθρακα, γνωστής ταυτότητας, σε καθαρή μορφή. 1) Με πυκνομέτρηση, όταν το δείγμα είναι πολύ καθαρό. 2) Με πολωσιμετρία, δηλ. με μέτρηση της ειδικής στροφής ενός διαλύματος του σακχάρου με ειδικό όργανο, το πολωσίμετρο. 3) Με διαθλασιμετρία, δηλ. με μέτρηση του δείκτη διάθλασης ενός διαλύματος του σακχάρου με ειδικό όργανο, το διαθλασίμετρο. 4) Με φασματοφωτομετρία (Φ/Φ), μετά από σχηματισμό εγχρώμων προϊόντων με κατάλληλες αντιδράσεις και μέτρηση της απορρόφησης του προκύπτοντος διαλύματος, με ειδικό όργανο, το φασματοφωτόμετρο. Μετά η εύρεση της συγκέντρωσης του αγνώστου δείγματος γίνεται με σύγκριση της απορρόφησής του με διάγραμμα απορροφήσεων γνωστών συγκεντρώσεων γνωστού δείγματος. Με την Φ/Φ γίνεται και προσδιορισμός ενός μίγματος συνολικά. 5) Με ενζυμικό προσδιορισμό, με φωτομέτρηση των ενζυμικώς παραγομένων προϊόντων των υδατανθράκων (μετά από την ενζυμική διάσπασή τους) και κατάλληλης αντίδρασης φωτομέτρησης. Με την μέθοδο αυτή μπορεί να γίνει προσδιορισμός ενός είδους υδατάνθρακα παρουσία και άλλων σακχάρων. Δεύτερον, όταν το δείγμα περιέχει μίγμα υδατανθράκων, άγνωστης ταυτότητας, σε καθαρή μορφή. 6) Με ογκομετρικές υγροχημικές μεθόδους με κατάλληλες αντιδράσεις. 7) Με αέρια χρωματογραφία (GC) με σχηματισμό κατάλληλων πτητικών παραγώγων μονοσακχαριτών και στην συνέχεια ανάλυσή τους σε ειδικό όργανο, τον αεριοχρωματογράφο. Το GC εφοδιασμένο με ανιχνευτή MSD δίνει την ακριβή ταυτότητα του σακχάρου. 8) Με υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης (HPLC) με απ' ευθείας ανάλυση ενός μίγματος υδατανθράκων, μονο- και δι-σακχαριτών, δηλ. χωρίς σχηματισμό παραγώγων τους, με ειδικό όργανο τον υγροχρωματογράφο.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΓΕΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ 137 5.10. Ερωτήσεις επί του 5ου Κεφαλαίου 1. Πως παραλαμβάνονται τα σάκχαρα από ένα φυσικό προϊόν που περιέχει και άλλες τάξεις θρεπτικών υλών; 2. Ποιές μεθόδους μπορεί να γίνει ο ποιοτικός προσδιορισμός των υδατανθράκων; Με ποιές ο ποσοτικός; 3. Σε ποιές χαρακτηριστικές ομάδες υδατανθράκων οφείλονται οι χημικές ιδιότητές τους; 4. Με ποιές χαρακτηριστικές αντιδράσεις αποδίδονται οι χημικές ιδιότητες των υδατανθράκων; 5. Ποιές αντιδράσεις αιθεροποίησης ή εστεροποίησης χρησιμοποιούνται για τον ποσοτικό προσδιορισμό των υδατανθράκων; Να γραφούν οι αντιδράσεις αυτές. 6. Ποιές αντιδράσεις υδρόλυσης χρησιμοποιούνται για τον ποιοτικό προσδιορισμό των υδατανθράκων; Να γραφούν οι αντιδράσεις αυτές. 7. Τι είναι οι φαινυλοδραζόνες και τι οι φαινυλοζαζόνες και πως προκύπτουν; 8. Ποιές είναι οι φυσικές ιδιότητες των υδατανθράκων; 9. Τι είναι το ιμβερτοσάκχαρο και πως προκύπτει; 10. Πως γίνεται η εξέταση των σακχαριτών με GC και πως με HPLC;