Ugljikohidrati SAŽETAK

Osnove i klasifikacija ugljikohidrata

Ugljikohidrati čine više od $90 \,\%$ suhe tvari biljaka i predstavljaju široko rasprostranjene, ekonomske komponente hrane. Njihova opća formula je $C_x(H_2O)_y$, no većina prirodnih ugljikohidrata u organizmima su složeni oligosaharidi ili polisaharidi. Dijele se na monosaharide, disaharide, oligosaharide i polisaharide, a prema kemijskoj strukturi mogu biti polihidroksialdehidi (aldoze) ili polihidroksiketoni (ketoze). U obliku D-glukoze, D-fruktoze, laktoze, saharoze i škroba služe kao primarni energetski izvori, dok neprobavljivi oblici reguliraju probavu.

Monosaharidi posjeduju kiralne C atome koji omogućuju različite konfiguracije. Klasificiraju se prema broju C atoma od trioza ($3$ C atoma) do nonoza ($9$ C atoma). Najvažniji monosaharid je D-glukoza, aldoza koja u otopinama stvara piranozni prsten. Reaktivne karbonilne skupine omogućuju stvaranje hemiacetala i acetala (glikozida), što je ključno za povezivanje u veće polimere.

Kemijske reakcije i modifikacije monosaharida

Reakcije oksidacije aldoza koriste se za kvantitativno određivanje šećera. Fehlingova otopina (alkalni bakar (II) ioni) oksidira aldoze u aldonat uz nastanak crvenog taloga $Cu_2O$. Benediktov reagens također služi za identifikaciju reducirajućih šećera, dok specifična metoda s enzimom glukoza oksidaza pretvara D-glukozu u D-glukonsku kiselinu. Hidrogenacijom karbonilne skupine nastaju polioli; D-glukoza prelazi u sorbitol (slatkoća $50 \,\%$ saharoze), D-manoza u D-manitol, a D-ksiloza u ksilitol.

Uronske kiseline nastaju oksidacijom krajnjeg C atoma aldoheksoza, poput D-galakturonske kiseline koja izgrađuje pektin. Hidroksilne skupine mogu stvarati estere s masnim kiselinama (laurinska, palmitinska), koji služe kao površinski aktivni agensi, ili etere, iako su oni rjeđi u prirodi. Maillard-ove reakcije predstavljaju neenzimsko posmeđivanje gdje reducirajući šećeri reagiraju s amino skupinama, stvarajući aromu i smeđe pigmente melanoidine tijekom pečenja ili skladištenja.

Karamelizacija i oligosaharidi

Karamelizacija je niz kompleksnih reakcija uzrokovanih toplinom ($110 \,^{\circ}C$ do $180 \,^{\circ}C$) bez prisustva amina. Proces započinje dehidratacijom i termolizom, vodeći do stvaranja furana i obojenih pigmenata. Daljnjim zagrijavanjem saharoze nastaju produkti poput karamelana ($6C_{12}H_{12}O_9$), karamelena ($2C_{36}H_{18}O_{24}$) i karamelina ($3C_{24}H_{26}O_{13}$). Različite arome poput maltola ili diacetila pridonose specifičnim senzorskim svojstvima proizvoda.

Oligosaharidi sadrže $2$ do $20$ jedinica šećera. Saharoza (glukoza + fruktoza) je nereducirajući šećer dobiven iz šećerne trske ili repe, stabilan kao konzervans u visokim koncentracijama. Laktoza (glukoza + galaktoza) nalazi se u mlijeku i ključna je za razvoj sisavaca, dok njezina netolerancija uzrokuje probavne smetnje u debelom crijevu. Maltoza je reducirajući disaharid dobiven hidrolizom škroba pomoću $\beta$-amilaze.

Polisaharidi i struktura škroba

Polisaharidi ili glikani su polimeri s visokim stupnjem polimerizacije (SP), često od $200$ do $300$, dok celuloza doseže do $15000$. Dijele se na homoglikane i heteroglikane. U hrani djeluju kao hidrokoloidi (gume), kontrolirajući viskoznost, teksturu i stabilnost emulzija. Škrob je najvažnija rezerva biljaka, sastavljen od amiloze (linearni $\alpha$-1,4 polimer, SP $500-600$) i amilopektina (razgranati polimer s $\alpha$-1,6 granama, SP do $15900$).

Škrob se prema probavljivosti dijeli na lako probavljivi (RDS), sporo probavljivi (SDS) i rezistentni škrob (RS). Proces želatinizacije je ireverzibilno razaranje kristalne strukture grijanjem u vodi, čime nastaje pasta. Hlađenjem paste dolazi do retrogradacije, gdje se molekule ponovno udružuju, što može uzrokovati sinerezu (izlazak vode). Četiri ključna enzima za hidrolizu škroba su $\alpha$-amilaza, glukoamilaza, $\beta$-amilaza i pululanaza.

Pektini, celuloza i sladila

Pektini su polimeri galakturonske kiseline. Visokoesterificirani pektini (> 50 \,\% esterificiranih grupa) stvaraju gel uz šećer i kiselinu, dok niskoesterificirani zahtijevaju kalcijeve ione ($Ca^{2+}$). Celuloza je netopljivi homopolimer $\beta$-D-glukoze povezan 1,4 vezama, a njezini derivati poput karboksimetilceluloze koriste se za stabilizaciju pjena i mliječnih proizvoda.

Slatkoća ugljikohidrata je subjektivna i opada s porastom stupnja polimerizacije. Relativna slatkoća (RS) mjeri se u odnosu na saharozu ($RS = 1,00$). Fruktoza ima najveću RS među šećerima ($1,2-1,7$), dok umjetna sladila poput saharina ($200-700$), aspartama ($200$) i sukraloze ($600$) imaju drastično veće vrijednosti. Idealno sladilo mora biti stabilno, topljivo i kompatibilno s profilom okusa saharoze.