Моносахариды
9-05-2017, 14:59
С технологической точки зрения сахарного производства важное значение имеют моносахариды: глюкоза, фруктоза, арабиноза и галактоза.
Физико-химические свойства. Все моносахариды очень гигроскопичны, растворимы в воде. С повышением температуры растворимость в воде повышается. Растворимость фруктозы в воде больше, чем глюкозы. В спирте моносахариды растворяются плохо, в эфире они вообще не растворимы.
Все моносахариды являются оптически активными веществами.
Основные физико-химические свойства ряда моносахаридов приведены в табл. 15.
Химические свойства. Поскольку моносахариды содержатся в перерабатываемом сырье (свекле, сахарном тростнике, сахаре-сырце) и оказывают существенное влияние на качество продуктов и готовой продукции, рассмотрим более подробно их свойства.
Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием в их молекуле карбонильной и гидроксильных групп.
Наличие карбонильной группы (альдегидной или кетонной) вызывает реакции окисления в кислоты, восстановления в многоатомные спирты, осмоления под влиянием щелочей с образованием сложных продуктов.
За счет гидроксильных групп возможно образование эфиров, с ионами металлов - соединений типа алкоголятов.
Моносахариды легко сбраживаются, образуя спирт и кислоты.
Окисление моносахаридов. Моносахариды, содержащие альдегидную или кетонную группу, являются восстанавливающими веществами. Слабые окислители - окись серебра и гидрат окиси меди - при слабом нагревании с моносахаридами восстанавливаются до серебра (реакция серебрянного зеркала) и закиси меди. На окислении моносахаридов в щелочной среде слабыми окислителями основаны методы их определения (метод Мюллера, Бертрана и др.)
Йод, как слабый окислитель, в щелочной среде действует лишь на глюкозу, превращая ее в глюконовую кислоту. На этом свойстве моносахаридов основан йодометрический метод определения сахарозы, разработанный П.М. Силиным.
Разложение моносахаридов в щелочной среде. В кислых и нейтральных средах моносахариды довольно легко подвергаются окислению, но для этого требуется наличие окислителей, а нередко катализаторов или повышения температуры. При отсутствии же этих условий моносахариды ведут себя в нейтральных и слабокислых растворах как достаточно устойчивые соединения.
Поскольку процессы сахарного производства проводятся в щелочной среде, рассмотрим подробнее поведение моносахаридов именно в этих условиях.
Известно, что устойчивость моносахаридов в щелочной среде резко понижается. Даже при комнатной температуре под влиянием разбавленных растворов щелочей простые сахара подвергаются изомерным превращениям и разложению. С повышением температуры эти процессы ускоряются и усложняются. При этом возникают многочисленные продукты распада. Так, гексозы в щелочной среде легко распадаются на триозы (две молекулы глицеринового альдегида). Глицериновый альдегид затем превращается в метилглиоксаль, из которого уже образуются кислоты и красящие вещества.
Схема, поясняющая механизм расщепления гексоз в щелочной среде с образованием красящих веществ и кислот, приведена на рис. 7.
Основными кислотами при щелочном разложении моносахаридов являются молочная, уксусная и муравьиная. Образование этих кислот зависит, в первую очередь, от щелочности раствора. Считается, что при высокой щелочности (рН выше 13) метилглиоксаль превращается главным образом в молочную кислоту, а при низкой щелочности - в уксусную и муравьиную. При определенных условиях выход молочной кислоты может составить 70% и выше по отношению к сахару. В присутствии кислорода воздуха выход молочной кислоты снижается; в этом случае происходят более глубокие процессы окисления.
Известно, что устойчивость моносахаридов в щелочной среде резко понижается. Даже при комнатной температуре под влиянием разбавленных растворов щелочей простые сахара подвергаются изомерным превращениям и разложению.
С повышением температуры эти процессы ускоряются и усложняются. При этом возникают многочисленные продукты распада. Так, гексозы в щелочной среде легко распадаются на триозы (две молекулы глицеринового альдегида). Глицериновый альдегид затем превращается в метилглиоксаль, из которого уже образуются кислоты и красящие вещества.
Основными моносахаридами сахарной свеклы являются глюкоза и фруктоза. Наличие их в сахарной свекле связано, с одной стороны, с синтезом сахарозы, так как из этих моносахаридов состоит молекула сахарозы (в незрелой свекле содержание эти сахаридов всегда выше), и, с другой, за счет инверсии сахарозы. Глюкоза и фруктоза в сахарной свекле содержатся не в равных количествах (глюкозы обычно больше, так как она более устойчива). Поэтому эту смесь в настоящее время называют редуцирующими веществами.
В свекле хорошего качества содержание редуцирующих веществ составляет 0,1...0,2%, в хранившейся - оно выше. В ботве содержание редуцирующих веществ обычно на порядок выше и обычно составляет около 1%.
В отличие от сахарозы, для которой величина минимального ее разложения, как отмечалось выше, составляет около 8,0, моносахариды глюкоза и фруктоза имеют более низкое значение рН минимального их разложения (примерно 3,2...3,5). Это означает, что при поддержании оптимального значения рН с точки зрения минимального разложения сахарозы в технологическом процессе, глюкоза и фруктоза в этих условиях будут разлагаться. Степень разложения редуцирующих веществ зависит от параметров и продолжительности технологического процесса.
Разложение редуцирующих веществ связано с образованием красящих веществ и неокрашенных кислот. При этом интенсивность окраски раствора зависит не только от концентрации разлагаемых редуцирующих веществ, но и от условий их разложения.
Известно, что при щелочно-термическом разложении редуцирующих веществ образуется очень сложная смесь, содержащая более 100 различных соединений, состав которой зависит от условий разложения.
Согласно А.Р. Сапронову, при термохимическом разложении моносахаридов сохраняются те же закономерности, что и при разложении сахарозы, т. е. они, как и сахароза, подчиняются теории кислотно-основного катализа с той лишь разницей, что минимальная величина рН их разложения находится в кислой среде при рН 3,2...3,5. Этим автором предложены уравнения для определения величин констант разложения моносахаридов в зависимости от рН и температуры.
Поскольку разложение моносахаридов (в дальнейшем редуцирующих веществ) в сахарном производстве может происходить на отдельных ступенях процесса при различных параметрах, количественные соотношения их разложения будут рассмотрены при изложении соответствующих разделов.
В сахарном производстве щелочно-термическое разложение моносахаридов протекает в присутствии азотсодержащих соединений, поэтому часть продуктов щелочно-термического разложения участвует в образовании красящих веществ. На механизме образовании красящих веществ более подробно остановимся при изложении отдельных разделов сахарного производства.
Основным компонентом неокрашенных органических кислот является молочная кислота, содержание которой в растворе зависит главным образом от параметров разложения и может составлять 90 %. Механизм образования молочной кислоты при щелочно-термическом разложении гексоз был рассмотрен выше.
Одним из важных факторов, влияющих на разрушение редуцирующих веществ в щелочной среде, в первую очередь на образование красящих веществ и неокрашенных органических кислот, является наличие кислорода в разлагаемом растворе. Экспериментально установлено, что пропускание воздуха через раствор инвертного сахара при щелочно-термическом его разложении приводит к снижению цветности и качественному составу неокрашенных органических кислот. Например, Райнефельдом установлено, что если без продувании воздуха образуются главным образом молочная и уксусная кислоты, то при продувании воздуха молочной кислоты образуется примерно в четыре раза меньше, но зато образуются в значительных количествах гликолиевая, глицериновая, эритроновая. Этот момент важен с технологической точки зрения, так как он позволяет повысить эффективность процесса дефекации.
Физико-химические свойства. Все моносахариды очень гигроскопичны, растворимы в воде. С повышением температуры растворимость в воде повышается. Растворимость фруктозы в воде больше, чем глюкозы. В спирте моносахариды растворяются плохо, в эфире они вообще не растворимы.
Все моносахариды являются оптически активными веществами.
Основные физико-химические свойства ряда моносахаридов приведены в табл. 15.
Химические свойства. Поскольку моносахариды содержатся в перерабатываемом сырье (свекле, сахарном тростнике, сахаре-сырце) и оказывают существенное влияние на качество продуктов и готовой продукции, рассмотрим более подробно их свойства.
Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием в их молекуле карбонильной и гидроксильных групп.
Наличие карбонильной группы (альдегидной или кетонной) вызывает реакции окисления в кислоты, восстановления в многоатомные спирты, осмоления под влиянием щелочей с образованием сложных продуктов.
За счет гидроксильных групп возможно образование эфиров, с ионами металлов - соединений типа алкоголятов.
Моносахариды легко сбраживаются, образуя спирт и кислоты.
Окисление моносахаридов. Моносахариды, содержащие альдегидную или кетонную группу, являются восстанавливающими веществами. Слабые окислители - окись серебра и гидрат окиси меди - при слабом нагревании с моносахаридами восстанавливаются до серебра (реакция серебрянного зеркала) и закиси меди. На окислении моносахаридов в щелочной среде слабыми окислителями основаны методы их определения (метод Мюллера, Бертрана и др.)
Йод, как слабый окислитель, в щелочной среде действует лишь на глюкозу, превращая ее в глюконовую кислоту. На этом свойстве моносахаридов основан йодометрический метод определения сахарозы, разработанный П.М. Силиным.
Разложение моносахаридов в щелочной среде. В кислых и нейтральных средах моносахариды довольно легко подвергаются окислению, но для этого требуется наличие окислителей, а нередко катализаторов или повышения температуры. При отсутствии же этих условий моносахариды ведут себя в нейтральных и слабокислых растворах как достаточно устойчивые соединения.
Поскольку процессы сахарного производства проводятся в щелочной среде, рассмотрим подробнее поведение моносахаридов именно в этих условиях.
Известно, что устойчивость моносахаридов в щелочной среде резко понижается. Даже при комнатной температуре под влиянием разбавленных растворов щелочей простые сахара подвергаются изомерным превращениям и разложению. С повышением температуры эти процессы ускоряются и усложняются. При этом возникают многочисленные продукты распада. Так, гексозы в щелочной среде легко распадаются на триозы (две молекулы глицеринового альдегида). Глицериновый альдегид затем превращается в метилглиоксаль, из которого уже образуются кислоты и красящие вещества.
Схема, поясняющая механизм расщепления гексоз в щелочной среде с образованием красящих веществ и кислот, приведена на рис. 7.
Основными кислотами при щелочном разложении моносахаридов являются молочная, уксусная и муравьиная. Образование этих кислот зависит, в первую очередь, от щелочности раствора. Считается, что при высокой щелочности (рН выше 13) метилглиоксаль превращается главным образом в молочную кислоту, а при низкой щелочности - в уксусную и муравьиную. При определенных условиях выход молочной кислоты может составить 70% и выше по отношению к сахару. В присутствии кислорода воздуха выход молочной кислоты снижается; в этом случае происходят более глубокие процессы окисления.
Известно, что устойчивость моносахаридов в щелочной среде резко понижается. Даже при комнатной температуре под влиянием разбавленных растворов щелочей простые сахара подвергаются изомерным превращениям и разложению.
С повышением температуры эти процессы ускоряются и усложняются. При этом возникают многочисленные продукты распада. Так, гексозы в щелочной среде легко распадаются на триозы (две молекулы глицеринового альдегида). Глицериновый альдегид затем превращается в метилглиоксаль, из которого уже образуются кислоты и красящие вещества.
Основными моносахаридами сахарной свеклы являются глюкоза и фруктоза. Наличие их в сахарной свекле связано, с одной стороны, с синтезом сахарозы, так как из этих моносахаридов состоит молекула сахарозы (в незрелой свекле содержание эти сахаридов всегда выше), и, с другой, за счет инверсии сахарозы. Глюкоза и фруктоза в сахарной свекле содержатся не в равных количествах (глюкозы обычно больше, так как она более устойчива). Поэтому эту смесь в настоящее время называют редуцирующими веществами.
В свекле хорошего качества содержание редуцирующих веществ составляет 0,1...0,2%, в хранившейся - оно выше. В ботве содержание редуцирующих веществ обычно на порядок выше и обычно составляет около 1%.
В отличие от сахарозы, для которой величина минимального ее разложения, как отмечалось выше, составляет около 8,0, моносахариды глюкоза и фруктоза имеют более низкое значение рН минимального их разложения (примерно 3,2...3,5). Это означает, что при поддержании оптимального значения рН с точки зрения минимального разложения сахарозы в технологическом процессе, глюкоза и фруктоза в этих условиях будут разлагаться. Степень разложения редуцирующих веществ зависит от параметров и продолжительности технологического процесса.
Разложение редуцирующих веществ связано с образованием красящих веществ и неокрашенных кислот. При этом интенсивность окраски раствора зависит не только от концентрации разлагаемых редуцирующих веществ, но и от условий их разложения.
Известно, что при щелочно-термическом разложении редуцирующих веществ образуется очень сложная смесь, содержащая более 100 различных соединений, состав которой зависит от условий разложения.
Согласно А.Р. Сапронову, при термохимическом разложении моносахаридов сохраняются те же закономерности, что и при разложении сахарозы, т. е. они, как и сахароза, подчиняются теории кислотно-основного катализа с той лишь разницей, что минимальная величина рН их разложения находится в кислой среде при рН 3,2...3,5. Этим автором предложены уравнения для определения величин констант разложения моносахаридов в зависимости от рН и температуры.
Поскольку разложение моносахаридов (в дальнейшем редуцирующих веществ) в сахарном производстве может происходить на отдельных ступенях процесса при различных параметрах, количественные соотношения их разложения будут рассмотрены при изложении соответствующих разделов.
В сахарном производстве щелочно-термическое разложение моносахаридов протекает в присутствии азотсодержащих соединений, поэтому часть продуктов щелочно-термического разложения участвует в образовании красящих веществ. На механизме образовании красящих веществ более подробно остановимся при изложении отдельных разделов сахарного производства.
Основным компонентом неокрашенных органических кислот является молочная кислота, содержание которой в растворе зависит главным образом от параметров разложения и может составлять 90 %. Механизм образования молочной кислоты при щелочно-термическом разложении гексоз был рассмотрен выше.
Одним из важных факторов, влияющих на разрушение редуцирующих веществ в щелочной среде, в первую очередь на образование красящих веществ и неокрашенных органических кислот, является наличие кислорода в разлагаемом растворе. Экспериментально установлено, что пропускание воздуха через раствор инвертного сахара при щелочно-термическом его разложении приводит к снижению цветности и качественному составу неокрашенных органических кислот. Например, Райнефельдом установлено, что если без продувании воздуха образуются главным образом молочная и уксусная кислоты, то при продувании воздуха молочной кислоты образуется примерно в четыре раза меньше, но зато образуются в значительных количествах гликолиевая, глицериновая, эритроновая. Этот момент важен с технологической точки зрения, так как он позволяет повысить эффективность процесса дефекации.