Związki: glukoza, sacharoza, celuloza i skrobia zależą do jednej grupy związków, zwanych cukrami albo sacharydami.
W skład tych związków wchodzą 3 pierwiastki: węgiel, wodór i tlen, przy czym na ogół stosunek wodoru do tlenu jest taki jak w wodzie 2:1. Stąd pochodzi (niekiedy do dziś stosowana) nazwa węglowodany.
Cukry powstają w zielonych częściach roślin z dwutlenku węgla i wody, jako końcowy produkt fotosyntezy. Stanowią one główne źródło pożywienia dla organizmów zwierzęcych nie mających zdolności wykorzystywania energii słonecznej do syntezy związków chemicznych.
Pod względem składu chemicznego cukry dzielimy na cukry proste, czyli monosacharydy, oraz cukry złożone, do których należą dwucukry, czyli disacharydy, i wielocukry - polisacharydy.
Wielocukry (polisacharydy)
Wielkocząsteczkowe sacharydy, których cząsteczki są zbudowane z wielu cząsteczek cukrów prostych. Są też nazywane polisacharydami. Należą do nich m.in. glikogen, skrobia, chityna i pektyny.
Skrobia
Skrobia, zwana inaczej mączką albo krochmalem, jest substancją białą, niekrystaliczną, bez smaku i zapachu. Nie rozpuszcza się w wodzie ani w żadnym pospolitym rozpuszczalniku. Jest bardzo rozpowszechniona w przyrodzie: znajduje się w komórkach liści, łodyg, pni, a zwłaszcza bulw, kłączy i nasion roślin.
Szczególnie dużo skrobi znajduje się w bulwach ziemniaka i ziarnach zbóż. Skrobia wypełnia komórki roślin w postaci ziarenek wielkości od 0,002 do 0,11 mm. W zależności od rodzaju rośliny ziarna skrobi mają różną wielkość i kształt – dlatego łatwo można rozpoznać pod mikroskopem, z jakiej rośliny pochodzą. (rys)
Ziarno skrobi posiadają charakterystyczną budowę warstwową: naokoło jednego punktu narastają kolejne warstwy mączki. Najzewnętrzniejszą warstwa ziarenek nazywa się otoczką i różni się właściwościami od ich wewnętrznej części. Ziarna skrobi w zimnej wodzie się nie rozpuszczają, zaś w gorącej pęcznieją, tworząc klajster. Wtedy otoczka pęcznieje i pęka, zaś zawartość wnętrza ziarna tworzy w wodzie roztwór zwany koloidowym, przezroczysty przy obserwacji gołym okiem. Po oziębieniu klajstru powstaje z niego galaretowata masa, tzw. Żel (kisiele, budynie, krochmal do bielizny). Skrobia wykazuje bardzo charakterystyczną reakcję z jodem: zarówno ziarna skrobi jak i jej koloidowy roztwór barwią się od jodu na kolor niebieski. Ponieważ reakcja ta jest bardzo czuła, wykorzystana została do wykrywania skrobi i odwrotnie, także do wykrywania jodu.
Niebieskie zabarwienie skrobi znika przy ogrzaniu i pojawia się po ponownym oziębieniu. Podczas ogrzewania skrobia nie topi się, lecz ulega rozkładowi. Wydziela się z niej woda i substancje lotne o nieprzyjemnym zapachu a pozostaje węgiel. Skrobia nie posiada właściwości redukcyjnych. W reakcji z wodą ulega hydrolizie w obecności katalizatorów, którymi mogą być jony H+, a także fermenty, czyli enzymy wytwarzane przez organizmy roślinne lub zwierzęce. Fermenty rozszczepiające skrobię nazywamy amelazami. Podczas gotowania z kwasami, przy katalicznym działaniu jonów H+, skrobia ulega hydrolizie aż do glikozy. Dlatego hydrolizę skrobi nazywamy scukrzeniem. Cząsteczka skrobi jest bardzo wielka: składa się z dużej ilości grup C6H10O5.
Reakcję scukrzenia możemy wyrazić równaniem:
(C6H10O5)n + nH2O Nc6H12O6
Na skalę techniczną otrzymuje się skrobię z ziemniaków lub zbóż: pszenicy, kukurydzy ryżu itp.
Ponieważ skrobia nie rozpuszcza się w zimnej wodzie, przemywa się mąkę lub zmiażdżone ziemniaki, oddzielając w ten sposób skrobię od pozostałych części składowych komórek . Gdy ziarna skrobi osiądą na dnie zbiornika, pozostały roztwór oddziela się przez dekantację. Po przemyciu i oczyszczeniu osadu otrzymuje się skrobię.
Skrobia jest jednym z głównych składników pożywienia człowieka. Jako pokarm łatwo strawny i tani, jest spożywana w dużych ilościach. Posiada dużą wartość kaloryczną i jest głównym źródłem energii dla organizmu.
Mączka ryżowa używana jest do produkcji pudrów i zasypek. W gospodarstwie domowym stosowane są różne gatunki skrobi do przyrządzania krochmalu, zaś klajstru używa się jako kleju. Skrobia ziemniaczana używana jest do apretury tkanin – wykańczania wyrobów włókienniczych.
Ze skrobi otrzymuje się wiele artykułów przemysłowych: syropy, dekstryny, alkohol etylowy .
Celuloza
Celuloza, zwana inaczej błonnikiem lub celulozą szkieletową, jest węglowodanem budującym błony komórkowe roślin ( cellula – łac. Komórka ). Jest ona związkiem najbardziej rozpowszechnionym ze wszystkich substancji organicznych. Włókna niektórych roślin, np. lnu, bawełny, są prawie czystą celulozą. Drewno zawiera bardzo duży procent (do 60%) celulozy z domieszką ligniny (drzewnika) i innych składników. Wiązki naczyniowe roślin posiadają ścianki, których podstawowym materiałem jest celuloza. Szczególnie dużo błonnika posiadają włókna lnu, konopi, juty – dlatego rośliny te są uprawiane dla celów przemysłowych. Ze względu na dużą sprężystość i wytrzymałość włókna te służą do wyrobu nici i tkanin. Celuloza jest substancją bezbarwną, nierozpuszczalną w wodzie i innych rozpuszczalnikach jak eter, benzyna, alkohol, dwusiarczek węgla. Rozpuszcza się tylko w amoniakalnym roztworze wodorotlenku miedziowego, tzw. odczynniku Schweitzera, a z roztworu tego może być wytrącona za pomocą kwasów.
Celuloza jest substancją odporną chemicznie, niełatwo ulega rozkładowi. Pod działaniem kwasów mineralnych przy jednoczesnym ogrzewaniu celuloza ulega hydrolizie, której produktem jest glikoza
Reakcję hydrolizy celulozy możemy wyrazić równaniem:
(C6H10O5) + xH2O katalizator xC6h12O6
Cząsteczka celulozy ma budowę nitkowatą i jest znacznie większa niż cząsteczka skrobi; zbadano, że zawierać może około 200 grup C6H10O5.
Błonnik reaguje ze stężonym kwasem azotowym tworząc estry, azotany celulozy. Azotany celulozy otrzymuje się przez działanie na watę, bawełnę lub włókno drzewne mieszaniną stężonych kwasów: azotowego i siarkowego. W każdej grupie C6H10O5 celuloza posiada trzy grupy wodorotlenowe, które mogą reagować z kwasami. W zależności od stężenia kwasu azotowego otrzymujemy jedno- dwu – lub trójazotany celulozy. Azotany o mniejszej liczbie reszt kwasu azotowego rozpuszczone w mieszaninie alkoholu i eteru tworzą kolodium, substancję lepką, z której po raz pierwszy otrzymano sztuczny jedwab. Kolodium używane jest także do uszczelnień, do wyrobu plastrów itp. Dwuazotan celulozy z kamforą tworzy celuloid, znaną powszechnie masę służącą do wyrobu filmów oraz wielu przedmitów codziennego użytku. Roztwory celuloidu są stosowane jako cenne lakiery. Azotan celulozy w którym na sześć atomów węgla przypadają trzy grupy nitrowe, nazywa się bawełną strzelniczą, która ma właściwości wybuchowe i jest stosowana do wyrobu prochu bezdymnego.
Na skalę przemysłową celulozę otrzymuje się z drewna świerkowego, sosnowego i innych. W stosowanych procesach technologicznych wykorzystuje się chemiczną odporność celulozy. Drewno poddaje się rozdrobnieniu, a następnie działaniu substancji, które rozpuszczają ligninę i inne składniki, nie niszcząc włókna celulozowego. Celuloza w postaci naturalnych włókien roślinnych jest przerabiana na nici oraz tkaniny. Bardzo duże ilości celulozy drzewnej zużywane są do wyrobu papieru. Celulozę poddaje się także przeróbce chemicznej. Po jej scukrzeniu stosuje się ją jako surowiec do produkcji alkoholu etylowego, a także do produkcji sztucznego jedwabiu.
Dwucukry (disacharydy)
Sacharydy, których cząsteczki są złożone z dwóch cząsteczek cukrów prostych.
Sacharoza
Posiada wzór sumaryczny C12H22O11 . Występuje w dużych ilościach w łodygach trzciny cukrowej i korzeniach buraka cukrowego. Stąd pochodzi jej inna nazwa - cukier trzcinowy lub cukier buraczany.
Sacharoza jest bezbarwną substancją krystaliczną, dobrze rozpuszczalną w wodzie. W smaku jest słodsza od glukozy. Ogrzewana przechodzi przez cały szereg przemian. Początkowo topi się, następnie ciemnieje, zamieniając się w substancję o charakterystycznym zapachu, zwaną karmelem, i w końcu ulega zwęgleniu. Stopiona sacharoza oziębiana zastyga na szklistą masę, tzw. lukier, co wykorzystuje się przy wyrobie ciast. Sacharoza reaguje z mlekiem wapiennym, tworząc rozpuszczalne w wodzie cukrzany wapnia. Reakcję tę wykorzystuje się przy produkcji cukru buraczanego.
Reakcja z wodorotlenkiem miedzi(II) dowodzi obecności w cząsteczce sacharozy kilku grup -OH. Sacharoza nie reaguje z amoniakalnym roztworem tlenku srebra, nie wykazuje więc właściwości redukujących, a zatem jej cząstki nie zawierają wolnej grupy _CHO. Jednak podczas hydrolizy sacharozy (proces katalizują jony H+ z kwasu siarkowego) pojawia się związek mający grupę aldehydową, nadającą mu własności redukujące (reakcja lustra srebrowego). Związkiem tym jest glukoza. Drugim produktem hydrolizy saharozy jest fruktoza.
Sacharozę zaliczamy do disacharydów, ponieważ podczas jej hydrolizy powstają dwa cukry proste. Zatem odwrotnie, proces powstawania sacharozy jest reakcją kondensacji cząsteczek glukozy i fruktozy.
Maltoza (cukier słodowy)
Zbudowana jest z dwóch cząsteczek D-glukozy połączonych wiązaniami alfa-l,4-glikozydowymi. Można ja otrzymać z glikogenu lub ze skrobi w wyniku hydrolizy enzymatycznej (enzym diastaza, czyli amylaza). Jest cukrem redukującym. Występuje w trawach. Maltoza jest trawiona w jelicie przez maltazę do dwóch cząsteczek glukozy.
Maltoza jest to biały proszek o temperaturze topnienia 102,5C, rozpuszczalny w wodzie, ulegający fermentacji. Otrzymywany przez hydrolizę skrobi, stosowany jako środek słodzący
Laktoza
Posiada wzór sumaryczny C12H22O11, inaczej zwana cukrem mlekowym. Jest to dwucukier zbudowany z D-galaktozy i D-glukozy.
Bezbarwny lub biały, nieco słodki, rozpuszczalny w wodzie, bezwonny proszek o temperaturze topnienia 225C i skręcalności właściwej.
Występuje w mleku ssaków w stężeniu kilku procent. Otrzymywana z serwatki, nie fermentuje pod wpływem drożdży, bakterie w kwaśnym mleku przemieniają ją w kwas mlekowy.
Stosowana w przemyśle farmaceutycznym (jako wypełniacz), spożywczym (jako składnik mleka i żywności dla niemowląt) i w pirotechnice.