Glukose

Glukose [1]
Generel
Systematisk
navn		 ​(2R,3S,4R,5R)​-​2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanal​(D-glucose)​,
​(2S,3R,4S,5S)​-​2.3 ,4,5 ,6-pentahydroxyhexanal (L-glucose).
Traditionelle navne Glukose, dextrose
Chem. formel C6H12O6 _ _ _ _ _
Fysiske egenskaber
Stat farveløse krystaller
Molar masse 180,16 g/ mol
Massefylde 1,5620 g/cm³
Termiske egenskaber
Temperatur
 •  smeltning α - D -glukose: 146°C
(monohydrat: 83°C)
β - D -glukose: 148-150°C
Kemiske egenskaber
Opløselighed
 • i vand

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

562 g/100 ml (90,8 °C)
 • i 80 % ethanol 2 g/100 ml
Rotation α - D -glukose: +112,2°
β - D -glukose: +18,7°
Struktur
Dipol moment 14.1  D
Klassifikation
Reg. CAS nummer 50-99-7 ( D -glukose )
921-60-8 ( L - glukose)
PubChem 5793
Reg. EINECS nummer 200-075-1
RTECS LZ6600000
CHEBI 17234
Data er baseret på standardbetingelser (25 °C, 100 kPa), medmindre andet er angivet.
 Mediefiler på Wikimedia Commons

Glucose , eller druesukker , eller dextrose (D-glukose), C 6 H 12 O 6  er en organisk forbindelse , et monosaccharid (seks-atomisk hydroxyaldehyd, hexose ), en af ​​de mest almindelige energikilder i levende organismer [2] . Det findes i saften af ​​mange frugter og bær , inklusive druer , hvorfra navnet på denne type sukker kommer fra . Glucoseforbindelsen er en del af polysaccharider (cellulose, stivelse, glykogen ) og en række disaccharider ( maltose , laktose og saccharose ), som hurtigt spaltes til monomerer i fordøjelseskanalen : for eksempel saccharose - til glucose og fructose , laktose - til glukose og galactose osv.

Etymologi

Navnet "glukose" blev givet i 1838 af Jean-Baptiste Dumas , baseret på det græske ord "gleukos", som betyder "sød"[ angiv ] . Friedrich August Kekule opfandt udtrykket "dextrose", fordi i en vandig opløsning af glukose er planet af lineært polariseret lys vendt mod højre, og "dexter" på latin betyder "højre" [3] .

Historie

Sandsynligvis har glukose været kendt af mennesket siden oldtiden, da det krystalliserer fra honning. Den blev dog isoleret i sin rene form meget senere: Den tyske kemiker Andreas Marggraf opnåede den i 1747 fra druesaft. Joseph Louis Proust udfældede i 1801 krystaller af α -D- glukose fra den samme druesaft. Takket være disse eksperimenter blev navnet druesukker knyttet til glukose [4] .

Brugen af ​​glukose som sødemiddel skyldes, at forsyningen af ​​rørsukker fra Vestindien blev blokeret under Napoleonskrigene . Tilbage i 1000 f.Kr. e. I Kina blev et kunstigt sødemiddel, disaccharidet maltose , opnået fra stivelse ( risgæring ) . Ved slutningen af ​​det XVIII århundrede. i Europa vidste man, at stivelse kunne behandles med syre for at fremstille et sødt stof. Det var det, der tillod K. S. Kirchhoff at opnå et sødt sirupsagtigt stof ved at opvarme kartoffelstivelse med svovlsyre . Ved at optimere processen opnåede han en sirup, der krystalliserede ved henstand. Derudover blev der forsøgt at presse den resulterende masse til et fast produkt og sælge det i denne form. Det var dog ikke muligt at organisere produktionen, da Napoleon blev besejret og sukkerforsyningerne blev genoprettet [4] .

Processen med at opnå glucose blev undersøgt af den franske kemiker Saussure . Han fandt ud af, at stivelse gennemgår hydrolyse , hvor bindinger mellem kulhydratfragmenter brydes, og et molekyle vand forbruges for hver pause. Det har også vist sig, at slik lavet af glukosesirupper ikke er så søde som dem lavet af saccharose. Derfor blev produktionen af ​​glukose i Tyskland og andre europæiske lande organiseret [4] .

På det tidspunkt var industriel glukose ikke ren nok og blev opnået i form af sirupper. Det skulle gentagne gange krystalliseres fra vand, eller der blev brugt organiske opløsningsmidler. Den eneste faste form, der blev fremstillet i store mængder, var støbt glukose: siruppen blev hældt i forme, hvor den størknede [4] .

I 1923 patenterede William B. Newkirk en industriel proces til fremstilling af glukose i USA .  Denne metode var kendetegnet ved omhyggelig kontrol af krystallisationsbetingelser, på grund af hvilke glucose faldt ud af opløsningen i form af rene, store krystaller [4] .

Strukturen af ​​molekylet

Glucose tilhører aldohexose-klassen, det vil sige, det er et polyhydroxyaldehyd, der indeholder seks carbonatomer, en aldehydgruppe og fem hydroxylgrupper . De fire carbonatomer i dens struktur er chirale , så der er 16 stereoisomere aldohexoser: nogle forekommer naturligt, nogle er syntetisk fremstillet. Den specifikke konfiguration af de chirale centre for glucose i slutningen af ​​det 19. århundrede. etableret af den tyske kemiker Emil Fischer . Han gjorde dette ved hjælp af kulstofkædeforlængelse og nedbrydningsreaktioner af sukkerarter. Sammen med det mest almindelige monosaccharid i naturen, D-glucose, er der også dets enantiomer L-glucose, som praktisk talt ikke forekommer i naturen [5] [6] .

D-glucose er ofte afbildet i en lineær form, men i virkeligheden eksisterer D-glucose i en cyklisk form, dannet ved tilsætning af en OH-gruppe ved carbon C-5 til en aldehydgruppe. Den resulterende cykliske hemiacetal er stabil: i opløsninger og i krystallinsk form er D-glucose mere end 99% i form af en hemiacetal. Generelt kaldes denne form pyranose (fra navnet pyran  - en seksleddet heterocyklus med et oxygenatom), og cyklisk D-glucose kaldes D-glucopyranose [7] .

Med den beskrevne ringslutning opstår et nyt stereocenter ved hemiacetal-carbonatomet, så D-glucopyranose kan eksistere som to diastereomerer , kaldet anomerer : α-D-glucopyranose og β-D-glucopyranose (eller kort sagt: α-D-glucose og β -D- glucose, α-anomer og β-anomer). Det er praktisk at afbilde de cykliske former for kulhydrater ved hjælp af Haworth-projektioner  - idealiserede seks-leddede ringe med substituenter over og under ringplanet [7] [6] .

Nærmest sandheden kan strukturen af ​​glukosemolekylet afbildes ved hjælp af "stol"-konformationen. I denne repræsentation er alle hydroxylgrupper af D-glucopyranose i ækvatoriale positioner (undtagen den anomere, som kan være i den ækvatoriale eller aksiale position afhængigt af anomeren). Ækvatorpositioner er mere gunstige end aksiale: dette forklarer, hvorfor glukose er det mest udbredte monosaccharid [7] .

I opløsninger eksisterer α-D-glucopyranose og β-D-glucopyranose i ligevægt og omdannes indbyrdes gennem dannelsen af ​​en åben kædeform. Ligevægtsfraktionen af ​​α-anomeren ved 31°C er 38 %, og den mere stabile β-anomer er 62 % [8] . Rene anomerer kan opnås i krystallinsk form: α-anomeren krystalliserer fra vand som et monohydrat, og β-anomeren krystalliserer fra pyridin [9] .

Fysiske egenskaber

Glukose er et farveløst, lugtløst krystallinsk stof. Har en sød smag. D-glucose er til stede i tre krystallinske former: vandfri α-D-glucopyranose, α-D-glucopyranose monohydrat og vandfri β-D-glucopyranose (selvom β-D-glucopyranose monohydrat også er blevet beskrevet). Vandfrie former har orthorhombiske krystaller og hydrat- monokliniske [8] . Alle tre former adskiller sig i smeltepunkt : α-anomer smelter ved 146°C, dens monohydrat ved 83°C, β-anomer ved 148-150°C [9] .

Anomererne af D-glucopyranose er optisk aktive : den specifikke rotation af α-anomeren er +112,2°, β-anomeren er +18,9° [9] . Begge anomerer undergår mutarotation ved opløsning , det vil sige, at de bliver til en ligevægtsblanding bestående af 62% β-anomer og 38% α-anomer [8] . Den specifikke rotation af denne blanding er +52,7° [9] .

Henter

Fremstilling af glukosesirupper

Syrehydrolyse af stivelse

Det eneste råmateriale til fremstilling af glukose er stivelse , selvom der gøres forsøg på at bruge en anden naturlig glukosepolymer, cellulose . Hovedkilden til stivelse er majs : 100 % af glucosesødestofferne i USA og 84 % i Japan er lavet af majsstivelse. Desuden går 70% af den majs, der produceres i verden, til produktion af glukose. I Europa er brugen af ​​hvedestivelse gradvist stigende, selvom der også hovedsageligt anvendes majsstivelse. I Australien fås glukose kun fra hvedestivelse. I Asien bruges stivelse fra sago , tapioka og majs [10] .

For at opnå glukose hydrolyseres stivelse i nærværelse af syrer eller enzymer . I dette tilfælde brydes bindingerne mellem glucosenhederne af den polymere amylose og amylopectin  , stivelseskomponenterne, og en monomer (D-glukose) dannes med et vist indhold af dimerer: maltose og isomaltose . Til syrehydrolyse fremstilles en suspension af stivelse i vand (30-40 vægt%), og pH bringes til 2 eller derunder. Ved atmosfærisk tryk fortsætter syrehydrolyse i 6 timer, men moderne installationer gør det muligt at udføre processen ved forhøjet tryk og følgelig højere temperatur. Ved et tryk på 415-620 kPa og en temperatur på op til 160 ° C hydrolyseres stivelse inden for få minutter. Stop reaktionen ved at tilsætte et neutraliseringsmiddel (normalt natriumcarbonat ), og pH stiger til 4-5,5 [11] .

Efter hydrolyse adskilles uopløselige urenheder, der oprindeligt var til stede i stivelsen, ved centrifugering eller filtrering , og opløselige urenheder fjernes med aktivt kul og ionbytterharpikser . Harpikser gør det også muligt at affarve den resulterende glukose. Den endelige opløsning inddampes. De fleste glukosesirupper sælges som 70-85% opløsninger, selvom de også kan fordampes til en fast tilstand [11] .

Glukosesirupper adskiller sig i graden af ​​stivelseshydrolyse: den estimeres ved mængden af ​​reducerende sukkerarter til stede i slutproduktet og udtrykt i dextroseækvivalenter (DE). Interessant nok er syrehydrolyse generelt en tilfældig proces, men i dette tilfælde opnås med samme grad af omdannelse en meget reproducerbar kulhydratsammensætning af slutproduktet. I nogle tilfælde er denne kendsgerning en uønsket begrænsning, fordi producenten muligvis skal regulere kulhydratsammensætningen mere fleksibelt. På grund af dette begyndte industrien at bruge den enzymatiske hydrolyse af stivelse [11] .

Enzymatisk hydrolyse af stivelse

Enzymatisk hydrolyse bruges som et supplement til syrehydrolyse. I første omgang forsøgte man på denne måde at øge omdannelsesgraden og få en sødere og mindre tyktflydende sirup med et højt glukoseindhold. Enzymatisk hydrolyse giver dig dog også mulighed for at kontrollere forholdet mellem glukose og maltose i produktet. For at udføre enzymatisk hydrolyse øges pH til 4-6, og temperaturen reduceres til 60-70 ° C, derefter tilsættes de nødvendige enzymer, som vælges baseret på sammensætningens behov. Bakterielle α - amylaser spalter tilfældigt α-1,4-glykosidbindinger i stivelse. β-amylaser og svampe-a-amylaser spalter de samme bindinger, men giver overvejende maltose. Glucoamylase spalter ét glucosemolekyle fra den ikke-reducerende ende, men kan også spalte α-1,6-bindinger. Pullulanase spalter α-1,6-bindinger. Ved slutningen af ​​processen deaktiveres enzymerne ved opvarmning eller ved at ændre pH [11] .

Opdagelsen af ​​varmebestandige α-amylaser tillod udviklingen af ​​fuldt enzymatiske processer og endnu mere præcis kontrol af omdannelsesgraden og kulhydratsammensætningen af ​​produktet. Enzymer indføres i stivelsessuspensionen ved pH 6-6,5, hvorefter suspensionen opvarmes med damp til 103-107 °C og holdes i 5-10 minutter og derefter 1-2 timer ved 95 °C. Derefter udføres en sekundær enzymatisk hydrolyse, som ved sur hydrolyse [11] .

Generel sukkerproduktion

Det meste glukose sælges i form af sirupper, men der er også et lille behov for fast glukose. Det fremstilles både i ren form og i form af total sukker ( engelsk  total sugars ) - hærdet stivelseshydrolysat. Totalsukker kan indeholde en betydelig mængde maltose (DE<20), være næsten ren glukose (95-99%) og også indeholde en vis procentdel af fruktose [12] .

Produktion af krystallinsk glucose

Indledningsvis blev ren krystallinsk glucose fremstillet af stivelse hydrolyseret i et surt medium. Under sådanne forhold kunne kun 88% af glucoseindholdet opnås, da der under hydrolysebetingelserne blev dannet sideprodukter forbundet med mutarotation og isomerisering . Siden 1938 begyndte man at bruge enzymatisk hydrolyse, hvilket gjorde det muligt at opnå mere ren glukose [13] .

α-D-glucosemonohydrat opnås ved krystallisation fra overmættede sirupper med et tørstofindhold på 74-79%, hvoraf glucose er 95-96%. Sådanne sirupper fremstilles ved enzymatisk hydrolyse rettet mod maksimal omdannelse. Siruppen afkøles til 46-50°C og blandes med frøkrystaller fra forrige batch. Siruppen afkøles langsomt til 20-40°C i 2-5 dage: mens omkring 60% krystalliserer som a-D-glucosemonohydrat. Moderluden separeres i centrifuger, glukosekrystallerne vaskes med vand og tørres der til maksimal tør tilstand (14 % fugt). Derefter tørres de med en strøm af varm luft til 8,5-9% fugt (det teoretiske vandindhold i monohydratet er 9,08%). Krystallisation forstyrrer ikke tilstedeværelsen af ​​urenheder, så moderluden koncentreres, og en anden portion krystaller opnås eller kombineres med den næste batch sirup. Ekstraktion af glucosemonohydrat fra sirup når 87,5%. Ved gentagne krystallisationer fra moderluden stiger isolationsgraden til 100 % [13] .

Vandfri a-D-glucose krystalliseres ved 60-65 °C under vakuum og opløsningsmiddelfordampning. De indledende sirupper skal være tilstrækkelig rene. Krystallisationscyklussen er meget kortere end for monohydratet og er 6-8 h. Krystallerne isoleres og tørres på omtrent samme måde som beskrevet ovenfor. Vandindholdet i slutproduktet overstiger ikke 0,1 % [13] .

Vandfri β-D-glucose opnås ved krystallisation over 100 °C. Yderligere vanskeligheder er forbundet med det faktum, at β-D-glucose er meget mere opløseligt i vand end α-D-glucose (72% vs. 30% ved 25°C) [13] .

Kemiske egenskaber

Glucose kan reduceres til en hexatomisk alkohol ( sorbitol ). Oxidation af glucose, afhængigt af oxidationsmetoden, kan føre til tre produkter: gluconsyre (oxidation af aldehydgruppen ), glucarsyre (den primære OH-gruppe er yderligere oxideret) eller glucuronsyre (oxidation af kun den primære OH-gruppe) [9] .

Som reducerende sukker udviser glucose reducerende egenskaber. Dette viser sig i reaktioner med Tollens' reagens ( ammoniakopløsning af sølvoxid ), Benedict 's reagens og Fehlings reagens (kobberbaserede reagenser) .

Glucose har også nogle specifikke egenskaber, såsom fermentering  - destruktiv nedbrydning under påvirkning af enzymer. Flere typer gæring er mulige: alkohol ( dannes ethanol og kuldioxid), mælkesyre ( dannes mælkesyre ), smørsyre ( dannes smørsyre , brint, kuldioxid). acetone ( butanol , acetone , brint, kuldioxid dannes), citrat-sur ( der dannes citronsyre ) .

Biologisk rolle

Glucose er hovedproduktet af fotosyntesen , dannet i Calvin-cyklussen .

Hos mennesker og dyr er glukose den vigtigste og mest alsidige energikilde til metaboliske processer . Glucose er et substrat for glykolyse, hvorunder det kan oxideres til enten pyruvat under aerobe forhold eller lactat under anaerobe forhold. Det således producerede pyruvat i glykolyse decarboxyleres yderligere til acetyl-CoA (acetylcoenzym A). Også under den oxidative decarboxylering af pyruvat genoprettes coenzymet NAD + . Acetyl-CoA bruges yderligere i Krebs-cyklussen , og det reducerede coenzym bruges i åndedrætskæden.

Glucose aflejres i dyr i form af glykogen , i planter - i form af stivelse er glucosepolymeren - cellulose hovedbestanddelen af ​​cellemembranerne i alle højere planter . Hos dyr hjælper glukose med at overleve frost. Så hos nogle frøarter stiger blodsukkerniveauet før vinteren, på grund af hvilket deres kroppe er i stand til at modstå frysning i is.

Ansøgning

I medicin

Glukose bruges til forgiftning (for eksempel med madforgiftning og infektioner), administreret intravenøst ​​ved strøm og dryp, da det er et universelt antitoksisk middel.

Glukose bruges til rehydrering af kroppen, som en kilde til kulhydrater, herunder parenteral ernæring .

Også glukosebaserede lægemidler og selve glukose bruges af endokrinologer til at bestemme tilstedeværelsen og typen af ​​diabetes mellitus hos en person (i form af en stresstest til at indføre en øget mængde glukose i kroppen).

Glukose bruges i medicin som et næringsstof og en komponent i bloderstatningsvæsker mod stød. Derudover er calciumsaltet af gluconsyre ( calciumgluconat ) meget brugt i medicin.

Til medicinske formål bruges glucose almindeligvis som en injektions- eller infusionsopløsning og også som en tablet.

I fødevareindustrien

I fødevareindustrien bruges glukose i bagning af brød, i konfekture såvel som i produktion af kondenseret mælk , is, yoghurt , kefir . Også til fremstilling af alkohol, vin, øl.

I landbruget

I landbruget bruges glukose ofte til at fodre bier .

I den kemiske industri

Glucose bruges til at fremstille C-vitamin ( ascorbinsyre ), sorbitol og biopolymerer .

Noter

  1. ↑ Rabinovich V. A., Khavin Z. Ya. Kort kemisk opslagsbog. — 2. udgave. - Kemi, 1978.
  2. ↑ Stepanenko B. N., Gorodetsky V. K.; Kovalev G. V. (gård.). Glucose // Big Medical Encyclopedia  : i 30 bind  / kap. udg. B.V. Petrovsky . - 3. udg. - M  .: Soviet Encyclopedia , 1977. - T. 6: Hypothyroidisme - Degeneration. - S. 197-199. — 632 s. : syg.
  3. ↑ Sami Dridi. Ernæringsbiokemi: Fra klasseværelset til forskningsbænken . - Bentham Science Publishers, 2022. - S. 208-209. — 287 s. — ISBN 978-981-5051-58-2 . Arkiveret 15. maj 2022 på Wayback Machine
  4. ↑ 1 2 3 4 5 Ullmann, 2006 , s. 45-48.
  5. ↑ Terney, 1981 , s. 444-447.
  6. ↑ 1 2 Roberts J., Caserio M. Fundamentals of Organic Chemistry / Pr. fra engelsk. Yu. G. Bundel, red. A. N. Nesmeyanov. — M  .: Mir, 1978. — S. 10–27.
  7. ↑ 1 2 3 Terney, 1981 , s. 424-429.
  8. ↑ 1 2 3 Ullmann, 2006 , s. 48.
  9. ↑ 1 2 3 4 5 Chemical Encyclopedia, 1988 .
  10. ↑ Ullmann, 2006 , s. 49-51.
  11. ↑ 1 2 3 4 5 Ullmann, 2006 , s. 51-56.
  12. ↑ Ullmann, 2006 , s. 56.
  13. ↑ 1 2 3 4 Ullmann, 2006 , s. 56-58.

Litteratur

  • Linevich L. I. Glucose // Chemical Encyclopedia  : i 5 bind / Kap. udg. I. L. Knunyants . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: A - Darzana. — S. 589–590. — 623 s. — 100.000 eksemplarer.  - ISBN 5-85270-008-8 .
  • Terney A. Moderne organisk kemi: i 2 bind . - M .  : Mir, 1981. - T. 2.
  • Schenck FW Glucose and Glucose-Containing Sirups  (engelsk)  // Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry. - Wiley, 2006. - doi : 10.1002/14356007.a12_457.pub2 .
  • Elnitsky A.P. Kemi: lærebog. for 11. klasse. almene institutioner gns. uddannelse fra russisk. uddannelse / A. P. Elnitsky, E. I. Sharapa. - 3. udg., revision. og yderligere - Minsk: Nar. asveta, 2013. - 318 s. : syg. ISBN 978-985-03-1960-9

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Tematiske steder
Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger