Glukos

Glukos [1]
Allmän
Systematiskt
namn		 ​(2R,3S,4R,5R)​-​2,3,4,5,6-pentahydroxihexanal​(D-glukos)​,
​(2S,3R,4S,5S)​-​2.3 ,4,5 ,6-pentahydroxihexanal (L-glukos).
Traditionella namn Glukos, dextros
Chem. formel C6H12O6 _ _ _ _ _
Fysikaliska egenskaper
stat färglösa kristaller
Molar massa 180,16 g/ mol
Densitet 1,5620 g/cm³
Termiska egenskaper
Temperatur
 •  smältning α - D -glukos: 146°C
(monohydrat: 83°C)
β - D -glukos: 148–150°C
Kemiska egenskaper
Löslighet
 • i vatten

32,3 g/100 ml (0°C) 82 g/100 ml (25°C)

562 g/100 ml (90,8 °C)
 • i 80 % etanol 2 g/100 ml
Rotation α - D -glukos: +112,2°
β - D -glukos: +18,7°
Strukturera
Dipolmoment 14.1  D
Klassificering
Reg. CAS-nummer 50-99-7 ( D- glukos )
921-60-8 ( L - glukos)
PubChem 5793
Reg. EINECS-nummer 200-075-1
RTECS LZ6600000
CHEBI 17234
Data baseras på standardförhållanden (25 °C, 100 kPa) om inget annat anges.
 Mediafiler på Wikimedia Commons

Glukos , eller druvsocker , eller dextros (D-glukos), C 6 H 12 O 6  är en organisk förening , en monosackarid (sexatomär hydroxialdehyd, hexos ), en av de vanligaste energikällorna i levande organismer [2] . Det finns i juicen från många frukter och bär , inklusive vindruvor , varifrån namnet på denna typ av socker kommer från . Glukosbindningen är en del av polysackarider (cellulosa, stärkelse, glykogen ) och ett antal disackarider ( maltos , laktos och sackaros ), som snabbt spjälkas till monomerer i matsmältningskanalen : till exempel sackaros - till glukos och fruktos , laktos - till glukos och galaktos, och etc.

Etymologi

Namnet "glukos" gavs 1838 av Jean-Baptiste Dumas , baserat på det grekiska ordet "gleukos", som betyder "söt"[ specificera ] . Friedrich August Kekule myntade termen "dextros" eftersom i en vattenhaltig lösning av glukos vänds planet av linjärt polariserat ljus åt höger, och "dexter" på latin betyder "rätt" [3] .

Historik

Förmodligen har glukos varit känt för människan sedan urminnes tider, eftersom det kristalliseras från honung. Den isolerades dock i sin rena form långt senare: den tyske kemisten Andreas Marggraf fick den 1747 från druvjuice. Joseph Louis Proust fällde 1801 ut kristaller av α -D- glukos från samma druvjuice. Tack vare dessa experiment kopplades namnet druvsocker till glukos [4] .

Användningen av glukos som sötningsmedel beror på att tillgången på rörsocker från Västindien blockerades under Napoleonkrigen . Tillbaka år 1000 f.Kr. e. I Kina erhölls ett konstgjort sötningsmedel, disackariden maltos , från stärkelse ( risjäsning ) . I slutet av XVIII-talet. i Europa var det känt att stärkelse kunde behandlas med syra för att producera ett sött ämne. Detta är vad som tillät K. S. Kirchhoff att få en söt sirapsliknande substans genom att värma potatisstärkelse med svavelsyra . Genom att optimera processen fick han en sirap som kristalliserade när den fick stå. Dessutom gjordes ett försök att pressa den resulterande massan till en fast produkt och sälja den i denna form. Det var dock inte möjligt att organisera produktionen, eftersom Napoleon besegrades och sockertillförseln återställdes [4] .

Processen att erhålla glukos undersöktes av den franske kemisten Saussure . Han fann att stärkelse genomgår hydrolys , där bindningar mellan kolhydratfragment bryts, och en molekyl vatten förbrukas för varje paus. Det har också visat sig att godis gjorda av glukossirap inte är lika söta som de gjorda av sackaros. Därför organiserades produktionen av glukos i Tyskland och andra europeiska länder [4] .

På den tiden var industriell glukos inte tillräckligt ren och erhölls i form av sirap. Det var tvungen att upprepade gånger kristallisera från vatten eller organiska lösningsmedel användes. Den enda fasta formen som producerades i stora mängder var gjuten glukos: sirapen hälldes i formar där den stelnade [4] .

År 1923 patenterade William B. Newkirk en industriell process för att producera glukos i USA .  Denna metod kännetecknades av noggrann kontroll av kristallisationsförhållandena, på grund av vilka glukos föll ur lösningen i form av rena, stora kristaller [4] .

Molekylens struktur

Glukos tillhör aldohexosklassen, det vill säga det är en polyhydroxialdehyd som innehåller sex kolatomer, en aldehydgrupp och fem hydroxylgrupper . De fyra kolatomerna i dess struktur är kirala , så det finns 16 stereoisomera aldohexoser: vissa förekommer naturligt, andra är syntetiskt framställda. Den specifika konfigurationen av de kirala centran för glukos i slutet av 1800-talet. etablerad av den tyske kemisten Emil Fischer . Han gjorde detta med hjälp av kolkedjeförlängning och nedbrytningsreaktioner av sockerarter. Tillsammans med den vanligaste monosackariden i naturen, D-glukos, finns även dess enantiomer L-glukos, som praktiskt taget inte förekommer i naturen [5] [6] .

D-glukos avbildas ofta i linjär form, men i verkligheten existerar D-glukos i en cyklisk form, bildad genom tillsats av en OH-grupp vid kol C-5 till en aldehydgrupp. Den resulterande cykliska hemiacetalen är stabil: i lösningar och i kristallin form är D-glukos mer än 99% i form av en hemiacetal. I allmänhet kallas denna form pyranos (från namnet pyran  - en sexledad heterocykel med en syreatom), och cyklisk D-glukos kallas D-glukopyranos [7] .

Med den beskrivna cykliseringen uppstår ett nytt stereocentrum vid hemiacetalkolatomen, så D-glukopyranos kan existera som två diastereomerer , kallade anomerer : α-D-glukopyranos och β-D-glukopyranos (eller kortfattat: α-D-glukos och β -D-glukos, α-anomer och β-anomer). Det är bekvämt att avbilda de cykliska formerna av kolhydrater med hjälp av Haworth-projektioner  - idealiserade sexledade ringar med substituenter ovanför och under ringplanet [7] [6] .

Närmast sanningen kan strukturen av glukosmolekylen avbildas med hjälp av "stol"-konformationen. I denna representation är alla hydroxylgrupper av D-glukopyranos i ekvatoriska positioner (förutom den anomera, som kan vara i ekvatorial eller axiell position beroende på anomeren). Ekvatorialpositioner är mer gynnsamma än axiella: detta förklarar varför glukos är den vanligaste monosackariden [7] .

I lösningar existerar a-D-glukopyranos och β-D-glukopyranos i jämvikt och omvandlas till varandra genom bildandet av en öppen kedja. Jämviktsfraktionen av α-anomeren vid 31°C är 38 % och den mer stabila β-anomeren är 62 % [8] . Rena anomerer kan erhållas i kristallin form: α-anomeren kristalliserar från vatten som ett monohydrat, och β-anomeren kristalliserar från pyridin [9] .

Fysiska egenskaper

Glukos är ett färglöst, luktfritt kristallint ämne. Har en söt smak. D-glukos finns i tre kristallina former: vattenfri a-D-glukospyranos, a-D-glukospyranosmonohydrat och vattenfri β-D-glukospyranos (även om β-D-glukopyranosmonohydrat också har beskrivits). Vattenfria former har ortorombiska kristaller och hydrat- monokliniska [8] . Alla tre former skiljer sig åt i smältpunkt : α-anomer smälter vid 146°C, dess monohydrat vid 83°C, β-anomer vid 148-150°C [9] .

Anomererna av D-glukopyranos är optiskt aktiva : den specifika rotationen av α-anomeren är +112,2°, β-anomeren är +18,9° [9] . Båda anomererna genomgår mutarotation vid upplösning , det vill säga de förvandlas till en jämviktsblandning bestående av 62 % β-anomer och 38 % α-anomer [8] . Den specifika rotationen för denna blandning är +52,7° [9] .

Får

Tillverkning av glukossirap

Sur hydrolys av stärkelse

Den enda råvaran för produktion av glukos är stärkelse , även om man försöker använda en annan naturlig glukospolymer, cellulosa . Den huvudsakliga källan till stärkelse är majs : 100 % av glukossötningsmedel i USA och 84 % i Japan är gjorda av majsstärkelse. Dessutom går 70% av majsen som produceras i världen till produktion av glukos. I Europa ökar användningen av vetestärkelse gradvis, även om majsstärkelse också huvudsakligen används. I Australien erhålls glukos endast från vetestärkelse. I Asien används stärkelse från sago , tapioka och majs [10] .

För att erhålla glukos hydrolyseras stärkelse i närvaro av syror eller enzymer . I det här fallet bryts bindningarna mellan glukosenheterna i den polymera amylosen och amylopektin  , komponenterna i stärkelse, och en monomer (D-glukos) bildas med ett visst innehåll av dimerer: maltos och isomaltos . För sur hydrolys bered en suspension av stärkelse i vatten (30-40 vikt%) och höj pH till 2 eller lägre. Vid atmosfärstryck pågår sur hydrolys i 6 timmar, men moderna installationer gör att processen kan utföras vid förhöjt tryck och följaktligen högre temperatur. Vid ett tryck på 415-620 kPa och en temperatur på upp till 160 ° C hydrolyseras stärkelse inom några minuter. Stoppa reaktionen genom att tillsätta ett neutraliseringsmedel (vanligen natriumkarbonat ) och pH stiger till 4-5,5 [11] .

Efter hydrolys separeras olösliga föroreningar som ursprungligen fanns i stärkelsen genom centrifugering eller filtrering , och lösliga föroreningar avlägsnas med aktivt kol och jonbytarhartser . Hartser gör det också möjligt att avfärga den resulterande glukosen. Den slutliga lösningen indunstas. De flesta glukossiraper säljs som 70-85 % lösningar, även om de också kan indunstas till fast tillstånd [11] .

Glukossirap skiljer sig åt i graden av stärkelsehydrolys: den uppskattas av mängden reducerande sockerarter som finns i slutprodukten och uttryckt i dextrosekvivalenter (DE). Intressant nog är syrahydrolys i allmänhet en slumpmässig process, men i det här fallet, med samma omvandlingsgrad, erhålls en mycket reproducerbar kolhydratsammansättning av slutprodukten. I vissa fall är detta faktum en oönskad begränsning, eftersom tillverkaren kan behöva reglera kolhydratsammansättningen mer flexibelt. På grund av detta började industrin använda den enzymatiska hydrolysen av stärkelse [11] .

Enzymatisk hydrolys av stärkelse

Enzymatisk hydrolys används som ett komplement till sur hydrolys. Inledningsvis försökte man på detta sätt öka omvandlingsgraden och få en sötare och mindre trögflytande sirap med hög glukoshalt. Enzymatisk hydrolys gör det dock möjligt för dig att kontrollera förhållandet mellan glukos och maltos i produkten. För att utföra enzymatisk hydrolys höjs pH till 4-6, och temperaturen sänks till 60-70 ° C, sedan tillsätts de nödvändiga enzymerna, som väljs baserat på kompositionens behov. Bakteriella α - amylaser klyver slumpmässigt α-1,4-glykosidbindningar i stärkelse. β-amylaser och svamp-a-amylaser klyver samma bindningar, men ger övervägande maltos. Glukoamylas klyver en glukosmolekyl från den icke-reducerande änden, men kan även klyva α-1,6-bindningar. Pullulanas klyver α-1,6-bindningar. I slutet av processen deaktiveras enzymerna genom uppvärmning eller genom att pH ändras [11] .

Upptäckten av värmebeständiga a-amylaser möjliggjorde utvecklingen av helt enzymatiska processer och ännu mer exakt kontroll av omvandlingsgraden och kolhydratsammansättningen av produkten. Enzymer införs i stärkelsesuspensionen vid pH 6-6,5, varefter suspensionen värms upp med ånga till 103-107 °C och hålls i 5-10 minuter, och sedan 1-2 timmar vid 95 °C. Därefter genomförs en sekundär enzymatisk hydrolys, som vid sur hydrolys [11] .

Allmän sockerproduktion

Det mesta glukos säljs i form av sirap, men det finns ett litet behov av fast glukos också. Det produceras både i ren form och i form av totala sockerarter ( engelska  total sugars ) - härdat stärkelsehydrolysat. Totalt socker kan innehålla en betydande mängd maltos (DE<20), vara nästan ren glukos (95-99%) och även innehålla en viss andel fruktos [12] .

Produktion av kristallint glukos

Ursprungligen framställdes ren kristallin glukos från stärkelse hydrolyserad i ett surt medium. Under sådana förhållanden kunde endast 88 % av glukoshalten uppnås, eftersom under hydrolysförhållandena biprodukter associerade med mutarotation och isomerisering bildades . Sedan 1938 började enzymatisk hydrolys användas, vilket gjorde det möjligt att få mer ren glukos [13] .

a-D-glukosmonohydrat erhålls genom kristallisation från övermättade siraper med en torrsubstanshalt på 74-79%, varav glukos är 95-96%. Sådana siraper framställs genom enzymatisk hydrolys som syftar till maximal omvandling. Sirapen kyls till 46-50°C och blandas med frökristaller från föregående sats. Sirapen kyls långsamt till 20-40°C under 2-5 dagar: medan cirka 60 % kristalliserar som a-D-glukosmonohydrat. Moderluten separeras i centrifuger, glukoskristallerna tvättas med vatten och torkas där till maximalt torrt tillstånd (14 % fuktighet). Sedan torkas de med en ström av varmluft till 8,5-9% fukt (den teoretiska vattenhalten i monohydratet är 9,08%). Kristallisering stör inte närvaron av föroreningar, så moderluten koncentreras och en andra portion kristaller erhålls eller kombineras med nästa sats sirap. Extraktion av glukosmonohydrat från sirap når 87,5%. Vid upprepade kristallisationer från moderluten ökar isoleringsgraden till 100 % [13] .

Vattenfri a-D-glukos kristalliseras vid 60-65 °C under vakuum och lösningsmedelsavdunstning. De initiala siraperna måste vara tillräckligt rena. Kristallisationscykeln är mycket kortare än för monohydratet och är 6-8 h. Kristallerna isoleras och torkas på ungefär samma sätt som beskrivits ovan. Vattenhalten i slutprodukten överstiger inte 0,1 % [13] .

Vattenfri β-D-glukos erhålls genom kristallisation över 100 °C. Ytterligare svårigheter är förknippade med det faktum att β-D-glukos är mycket mer lösligt i vatten än α-D-glukos (72% mot 30% vid 25°C) [13] .

Kemiska egenskaper

Glukos kan reduceras till en hexatomisk alkohol ( sorbitol ). Oxidation av glukos, beroende på oxidationsmetod, kan leda till tre produkter: glukonsyra (oxidation av aldehydgruppen ), glukarsyra (den primära OH-gruppen oxideras dessutom) eller glukuronsyra (oxidation av endast den primära OH-gruppen) [9] .

Som reducerande socker uppvisar glukos reducerande egenskaper. Detta visar sig i reaktioner med Tollens reagens ( ammoniaklösning av silveroxid ) , Benedicts reagens och Fehlings reagens (kopparbaserade reagenser) .

Glukos har också vissa specifika egenskaper, såsom jäsning  - destruktiv nedbrytning under inverkan av enzymer. Flera typer av jäsning är möjliga: alkohol ( etanol och koldioxid bildas), mjölksyra ( mjölksyra bildas ), smörsyra (smörsyra , väte, koldioxid bildas). aceton ( butanol , aceton , väte, koldioxid bildas), citrat-sur ( citronsyra bildas ) .

Biologisk roll

Glukos är huvudprodukten av fotosyntesen , bildad i Calvincykeln .

Hos människor och djur är glukos den främsta och mest mångsidiga energikällan för metaboliska processer . Glukos är ett substrat för glykolys, under vilket det kan oxideras till antingen pyruvat under aeroba förhållanden eller laktat under anaeroba förhållanden. Pyruvatet som sålunda produceras vid glykolys dekarboxyleras ytterligare för att bli acetyl-CoA (acetylkoenzym A). Vidare, under den oxidativa dekarboxyleringen av pyruvat, återställs koenzymet NAD + . Acetyl-CoA används vidare i Krebs-cykeln , och det reducerade koenzymet används i andningskedjan.

Glukos deponeras i djur i form av glykogen , i växter - i form av stärkelse , glukospolymeren - cellulosa är huvudkomponenten i cellmembranen hos alla högre växter . Hos djur hjälper glukos till att överleva frost. Så hos vissa arter av grodor stiger blodsockernivåerna före vintern, vilket gör att deras kroppar kan motstå frysning i is.

Applikation

I medicin

Glukos används för förgiftning (till exempel med matförgiftning och infektioner), administreras intravenöst genom ström och dropp, eftersom det är ett universellt antitoxiskt medel.

Glukos används i syfte att återfukta kroppen, som en källa till kolhydrater, inklusive parenteral näring .

Dessutom används glukosbaserade läkemedel och själva glukosen av endokrinologer för att bestämma förekomsten och typen av diabetes mellitus hos en person (i form av ett stresstest för att införa en ökad mängd glukos i kroppen).

Glukos används inom medicinen som ett näringsämne och en komponent i blodersättningsvätskor mot stötar. Dessutom används kalciumsaltet av glukonsyra ( kalciumglukonat ) flitigt inom medicin.

För medicinska ändamål används glukos vanligtvis som en injektions- eller infusionslösning , och även som en tablett.

I livsmedelsindustrin

Inom livsmedelsindustrin används glukos i att baka bröd, i konfektyr samt vid produktion av kondenserad mjölk , glass, yoghurt , kefir . Även för framställning av alkohol, vin, öl.

Inom jordbruket

Inom jordbruket används glukos ofta för att mata bin .

I den kemiska industrin

Glukos används för att göra vitamin C ( askorbinsyra ), sorbitol och biopolymerer .

Anteckningar

  1. ↑ Rabinovich V. A., Khavin Z. Ya. Kort kemisk referensbok. — 2:a upplagan. - Kemi, 1978.
  2. ↑ Stepanenko B. N., Gorodetsky V. K.; Kovalev G. V. (gård.). Glukos // Big Medical Encyclopedia  : i 30 volymer  / kap. ed. B.V. Petrovsky . - 3:e uppl. - M  .: Soviet Encyclopedia , 1977. - T. 6: Hypotyreos - Degeneration. - S. 197-199. — 632 sid. : sjuk.
  3. ↑ Sami Dridi. Näringsbiokemi: från klassrummet till forskningsbänken . - Bentham Science Publishers, 2022. - S. 208-209. — 287 sid. — ISBN 978-981-5051-58-2 . Arkiverad 15 maj 2022 på Wayback Machine
  4. ↑ 1 2 3 4 5 Ullmann, 2006 , sid. 45–48.
  5. ↑ Terney, 1981 , sid. 444–447.
  6. ↑ 1 2 Roberts J., Caserio M. Fundamentals of organic chemistry / Per. från engelska. Yu. G. Bundel, red. A. N. Nesmeyanov. — M  .: Mir, 1978. — S. 10–27.
  7. ↑ 1 2 3 Terney, 1981 , sid. 424–429.
  8. ↑ 1 2 3 Ullmann, 2006 , sid. 48.
  9. ↑ 1 2 3 4 5 Chemical Encyclopedia, 1988 .
  10. ↑ Ullmann, 2006 , sid. 49–51.
  11. ↑ 1 2 3 4 5 Ullmann, 2006 , sid. 51–56.
  12. ↑ Ullmann, 2006 , sid. 56.
  13. ↑ 1 2 3 4 Ullmann, 2006 , sid. 56–58.

Litteratur

  • Linevich L. I. Glucose // Chemical Encyclopedia  : i 5 volymer / Kap. ed. I. L. Knunyants . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: A - Darzana. — S. 589–590. — 623 sid. — 100 000 exemplar.  - ISBN 5-85270-008-8 .
  • Terney A. Modern organisk kemi: i 2 volymer . - M .  : Mir, 1981. - T. 2.
  • Schenck FW Glucose and Glucose-Containing Siraps  (engelska)  // Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry. - Wiley, 2006. - doi : 10.1002/14356007.a12_457.pub2 .
  • Elnitsky A.P. Kemi: lärobok. för 11:e klass. allmänna institutioner snitt utbildning från ryska. utbildning / A. P. Elnitsky, E. I. Sharapa. - 3:e uppl., revision. och ytterligare - Minsk: Nar. asveta, 2013. - 318 sid. : sjuk. ISBN 978-985-03-1960-9

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Tematiska platser
Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger