Введение
Сахара, содержащие свободную OH-группу в аномерном атоме углерода, являются сахарами, способными выступать в качестве восстановителей. В щелочном растворе восстанавливающий сахар образует альдегид или кетон, что позволяет ему действовать как восстановитель, например, в реактиве Бенедикта. В такой реакции сахар превращается в карбоновую кислоту. Все моносахариды являются восстанавливающими сахарами, наряду с некоторыми дисахаридами, олигосахаридами и полисахаридами. Моносахариды можно разделить на две группы: альдозы, содержащие альдегидную группу, и кетозы, содержащие кетоновую группу. Кетозы должны сначала таутомеризоваться в альдозы, прежде чем они смогут выступать в качестве восстановителей. Обычные пищевые моносахариды – галактоза, глюкоза и фруктоза – все являются восстанавливающими сахарами. Дисахариды образуются из двух моносахаридов и могут быть классифицированы как восстанавливающие или невосстанавливающие. Невосстанавливающие дисахариды, такие как сахароза и трегалоза, имеют гликозидные связи между своими аномерными атомами углерода и, следовательно, не могут переходить в цепную форму с альдегидной группой; они остаются в циклической форме. Восстанавливающие дисахариды, такие как лактоза и мальтоза, имеют только один из двух аномерных атомов углерода, участвующий в гликозидной связи, в то время как другой свободен и может переходить в цепную форму с альдегидной группой. Альдегидная функциональная группа позволяет сахару выступать в качестве восстановителя, например, в пробе Толленса или реактиве Бенедикта. Циклические гемиацетальные формы альдоз могут раскрываться, образуя альдегид, а некоторые кетозы могут таутомеризоваться в альдозы. Однако ацетали, включая те, что содержатся в полисахаридных связях, не могут легко превращаться в свободные альдегиды. Восстанавливающие сахара реагируют с аминокислотами в реакции Майяра, серии реакций, происходящих при приготовлении пищи при высоких температурах и важных для определения вкуса пищи. Кроме того, содержание восстанавливающих сахаров в вине, соке и сахарном тростнике является показателем качества этих продуктов.
A reducing sugar is any sugar that is capable of acting as a reducing agent. In an alkaline solution, a reducing sugar forms some aldehyde or ketone, which allows it to act as a reducing agent, for example in Benedict's reagent. In such a reaction, the sugar becomes a carboxylic acid. All monosaccharides are reducing sugars, along with some disaccharides, some oligosaccharides, and some polysaccharides. The monosaccharides can be divided into two groups: the aldoses, which have an aldehyde group, and the ketoses, which have a ketone group. Ketoses must first tautomerize to aldoses before they can act as reducing sugars. The common dietary monosaccharides galactose, glucose and fructose are all reducing sugars. Disaccharides are formed from two monosaccharides and can be classified as either reducing or nonreducing. Nonreducing disaccharides like sucrose and trehalose have glycosidic bonds between their anomeric carbons and thus cannot convert to an open chain form with an aldehyde group; they are stuck in the cyclic form. Reducing disaccharides like lactose and maltose have only one of their two anomeric carbons involved in the glycosidic bond, while the other is free and can convert to an open chain form with an aldehyde group. The aldehyde functional group allows the sugar to act as a reducing agent, for example, in the Tollens' test or Benedict's test. The cyclic hemiacetal forms of aldoses can open to reveal an aldehyde, and certain ketoses can undergo tautomerization to become aldoses. However, acetals, including those found in polysaccharide linkages, cannot easily become free aldehydes. Reducing sugars react with amino acids in the Maillard reaction, a series of reactions that occurs while cooking food at high temperatures and that is important in determining the flavor of food. Also, the levels of reducing sugars in wine, juice, and sugarcane are indicative of the quality of these food products.
Окисление-снижение
Редуцирующий сахар – это сахар, который восстанавливает другое соединение, при этом сам окисляясь; то есть карбонильный углерод сахара окисляется до карбоксильной группы. Сахар классифицируется как редуцирующий только в том случае, если он способен существовать в открытой цепной форме с альдегидной группой или свободной гемиацетальной группой.
Альдозы и кетозы
Моносахариды, содержащие альдегидную группу, известны как альдозы, а моносахариды с кетоновой группой – как кетозы. Альдегид может быть окислен посредством окислительно-восстановительной реакции, в которой другое соединение восстанавливается. Таким образом, альдозы являются восстанавливающими сахарами. Сахара с кетоновыми группами в открытой цепной форме способны изомеризироваться посредством серии таутомерных переходов с образованием альдегидной группы в растворе. Следовательно, кетоны, такие как фруктоза, считаются восстанавливающими сахарами, но именно изомер, содержащий альдегидную группу, обладает восстанавливающими свойствами, поскольку кетоны не могут быть окислены без разложения сахара. Этот тип изомеризации катализируется основанием, присутствующим в растворах, используемых для определения наличия восстанавливающих сахаров. Аналогично, большинство полисахаридов имеют только один восстанавливающий конец.
Примеры
Все моносахариды являются восстанавливающими сахарами, поскольку они либо содержат альдегидную группу (если это альдозы), либо могут таутомеризоваться в растворе с образованием альдегидной группы (если это кетозы). Это относится к распространенным моносахаридам, таким как галактоза, глюкоза, глицеральдегид, фруктоза, рибоза и ксилоза. Многие дисахариды, такие как целлобиоза, лактоза и мальтоза, также обладают восстанавливающими свойствами, поскольку одна из двух составляющих может находиться в открытой цепной форме с альдегидной группой. Однако сахароза и трегалоза, в которых аномерные атомы углерода двух составляющих связаны между собой, являются невосстанавливающими дисахаридами, поскольку ни одно из колец не способно раскрываться. Восстанавливающий сахар восстанавливает ионы меди(II) в этих тестовых растворах до меди(I), которая затем образует кирпично-красный осадок оксида меди(I). Восстанавливающие сахара также можно обнаружить с помощью реактива Толлена, состоящего из ионов серебра (Ag+) в водном аммиаке. Некоторые сахара, такие как сахароза, не реагируют ни с одним из растворов для определения восстанавливающих сахаров. Однако невосстанавливающий сахар можно гидролизовать с использованием разбавленной соляной кислоты. После гидролиза и нейтрализации кислоты продукт может оказаться восстанавливающим сахаром, дающим нормальную реакцию с тестовыми растворами. Все углеводы превращаются в альдегиды и дают положительный результат в тесте Молиша, но скорость реакции выше для моносахаридов.
Значение в медицине
Раствор Фелинга на протяжении многих лет использовался в качестве диагностического теста для диабета – заболевания, при котором уровень глюкозы в крови опасно повышается из-за недостаточной выработки инсулина (диабет 1 типа) или неспособности организма реагировать на инсулин (диабет 2 типа). Определение количества окислителя (в данном случае раствора Фелинга), восстановленного глюкозой, позволяет установить концентрацию глюкозы в крови или моче. Это, в свою очередь, позволяет ввести необходимое количество инсулина для возвращения уровня глюкозы в крови в нормальный диапазон. Продукты реакции Майяра (ПРМ) весьма разнообразны: некоторые из них полезны для здоровья человека, а другие – токсичны. Однако в целом реакция Майяра приводит к снижению питательной ценности продуктов питания. Примером токсичного продукта реакции Майяра является акриламид – нейротоксин и потенциальный канцероген, образующийся из свободного аспарагина и восстанавливающих сахаров при термической обработке крахмалосодержащих продуктов при высоких температурах (выше 120 °C). Тем не менее, данные эпидемиологических исследований свидетельствуют о том, что потребление акриламида с пищей вряд ли увеличивает риск развития рака у людей.
Качество пищевых продуктов
Уровень восстанавливающих сахаров в вине, соке и сахарном тростнике служит показателем качества этих продуктов питания, а мониторинг содержания восстанавливающих сахаров в процессе производства улучшает качество продукции на рынке. Традиционным методом определения является метод Лейна-Эйнона, заключающийся в титровании восстанавливающих сахаров раствором Фелинга, содержащим медь(II) и метиленовый синий – распространенный окислительно-восстановительный индикатор. Однако этот метод неточен, дорог и чувствителен к примесям.