"Химия. Базовый уровень", Кузнецова Н.Е., Гара Н.Н.
Крахмал — природный полисахарид, образованный остатками глюкозы. Он синтезируется в растениях и накапливается в семенах, клубнях и других органах как запас питательных веществ. Молекулы крахмала включают линейную амилозу и разветвлённый амилопектин, поэтому вещество имеет сложное строение и особые свойства: почти не растворяется в холодной воде, при нагревании образует клейстер, а с йодом даёт синее окрашивание. При полном гидролизе крахмал превращается в глюкозу.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Крахмал — природный полисахарид и биополимер, состоящий из остатков глюкозы. Он служит растениям запасным источником энергии, а человеку знаком как важный компонент хлеба, картофеля и круп.
Полисахарид — углевод, молекулы которого образованы большим числом соединённых остатков моносахаридов. Это понятие помогает отличать крахмал от простых сахаров, например глюкозы: полисахариды имеют крупные цепные молекулы.
Амилоза — линейная составляющая крахмала, построенная из остатков глюкозы. Её цепи позволяют понять, почему часть крахмала имеет относительно упорядоченное строение и иначе взаимодействует с водой.
Амилопектин — разветвлённая составляющая крахмала, также построенная из остатков глюкозы. Разветвления делают молекулу более компактной и во многом определяют набухание крахмала при нагревании.
Молекулы глюкозы соединяются друг с другом гликозидными связями — связями через атом кислорода. При образовании каждой такой связи от одной молекулы отщепляется вода, поэтому к остатку глюкозы относится состав C₆H₁₀O₅, а не C₆H₁₂O₆. Если соединяется много звеньев, состав полимера записывают формулой (C₆H₁₀O₅)ₙ, где n показывает число звеньев.
Амилоза построена в основном как длинная цепь без боковых ответвлений, а амилопектин имеет основную цепь и многочисленные ответвления. Из-за разного расположения связей цепи по-разному укладываются и удерживают воду. Поэтому свойства крахмала определяются сразу двумя его составляющими, а не только общей формулой.
В растениях глюкоза образуется при фотосинтезе, но в растворённом виде неудобна для длительного хранения и сильно влияет на осмотическое давление клеток. Поэтому из неё синтезируется малорастворимый крахмал, который можно накапливать в семенах, клубнях, корнях и плодах. При необходимости растение снова расщепляет его до растворимых сахаров и использует их для получения энергии и построения новых веществ.
В холодной воде крупные частицы крахмала почти не растворяются, потому что их длинные цепи прочно удерживаются друг около друга. При нагревании вода проникает между цепями, частицы поглощают её и увеличиваются в объёме. Такое набухание приводит к образованию вязкой массы — клейстера, поэтому горячая крахмальная суспензия густеет.
Крахмал обнаруживают раствором йода: при контакте появляется синее или сине-фиолетовое окрашивание, связанное с размещением частиц йода в спиральных участках цепей. При гидролизе вода разрывает гликозидные связи, и сначала образуются более короткие декстрины, затем мальтоза, а при полном расщеплении — глюкоза. Полное превращение выражается уравнением (C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆.
Таблица позволяет сравнить сам крахмал с двумя его составляющими. Сначала найдите общую формулу и структурное звено, затем сопоставьте строение с растворимостью и реакциями. Последняя строка показывает, почему крахмал важен и в природе, и в практической деятельности.
| Характеристика | Крахмал | Амилоза | Амилопектин |
|---|---|---|---|
| Класс вещества и общая формула | Природный полисахарид; (C₆H₁₀O₅)ₙ | Составляющая полисахарида; (C₆H₁₀O₅)ₙ | Составляющая полисахарида; (C₆H₁₀O₅)ₙ |
| Структурное звено | Остаток глюкозы C₆H₁₀O₅ | Остаток α-глюкозы | Остаток α-глюкозы |
| Тип строения цепи | Смесь линейных и разветвлённых цепей | Преимущественно линейная цепь | Разветвлённая цепь |
| Растворимость и поведение при нагревании | В холодной воде почти не растворяется; набухает и образует клейстер | Плохо растворяется; способствует образованию клейстера | Плохо растворяется; сильно набухает в горячей воде |
| Реакция с раствором йода | Синее окрашивание | Синее окрашивание | Фиолетово-синее окрашивание |
| Продукты гидролиза | Декстрины, мальтоза, затем глюкоза | В конечном итоге глюкоза | В конечном итоге глюкоза |
| Биологическая роль и применение | Запас питательных веществ; пища, получение клея и сиропов | Часть запасного полисахарида | Основная разветвлённая часть запасного полисахарида |
Определим молярную массу структурного фрагмента крахмала и полимера со степенью полимеризации 1000. В расчёте используем относительные атомные массы: Ar(C) = 12, Ar(H) = 1, Ar(O) = 16. Сначала считаем массу одного звена, затем учитываем число звеньев.
Ответ: молярная масса структурного фрагмента равна 162 г/моль, а полимера — 162 000 г/моль.
Запишем уравнение полного гидролиза и найдём массу глюкозы из 16,2 г крахмала. Одно структурное звено массой 162 г при гидролизе даёт одну молекулу глюкозы массой 180 г, поскольку присоединяется вода. Поэтому сначала вычислим количество вещества звеньев.
Ответ: из 16,2 г крахмала теоретически образуется 18 г глюкозы.
Нужно связать распознавание крахмала с его постепенным расщеплением в организме или при переработке. При каждом этапе цепи становятся короче, поэтому меняются свойства продуктов. Раствор йода применяют до начала гидролиза или пока в смеси ещё сохраняется крахмал.
Ответ: последовательность имеет вид крахмал → декстрины → мальтоза → глюкоза, а йодом обнаруживают именно оставшийся крахмал.
Крахмал считают простым сахаром. Ошибка возникает из-за того, что крахмал относят к углеводам, но он является сложным углеводом и полисахаридом. Проверьте себя: простая глюкоза состоит из одной молекулы, а крахмал — из множества её остатков.
Крахмалу приписывают формулу C₆H₁₂O₆. Так записывается формула глюкозы, из остатков которой построен полимер. В формуле крахмала учитывают отщепление воды, поэтому структурное звено имеет состав C₆H₁₀O₅.
Утверждают, что крахмал растворяется в холодной воде. Обычно путают растворение с образованием мутной взвеси или набуханием при нагревании. Самопроверка проста: холодная вода не даёт клейстера, а горячая крахмальная смесь становится вязкой.
Синее окрашивание йодом принимают за гидролиз. Йод только образует окрашенный комплекс с крахмалом и служит качественным реактивом, но не расщепляет полимер. При настоящем гидролизе появляются декстрины, мальтоза и глюкоза, а исходная синяя реакция исчезает.
До изучения крахмала нужно знать строение и свойства глюкозы, а также понятия мономера, полимера и поликонденсации. Это позволяет понять происхождение структурного звена и роль воды при соединении молекул.
С биологией тема связана с фотосинтезом и запасанием питательных веществ в растениях. В пищеварительной системе крахмал постепенно расщепляется до глюкозы, которая используется клетками для получения энергии.
Дальше знания пригодятся при изучении целлюлозы и других полисахаридов, а также в темах о пищевой промышленности. Формулы гидролиза нужны для расчётов выхода глюкозы и других продуктов переработки.
Почему крахмал считают природным полимером?
Крахмал состоит из большого числа повторяющихся остатков глюкозы, соединённых гликозидными связями. Он образуется в живых растениях, поэтому является природным биополимером.
Чем амилоза отличается от амилопектина?
Амилоза имеет преимущественно линейную цепь остатков глюкозы. Амилопектин содержит разветвления, поэтому его молекулы устроены более сложно.
Почему крахмал образует клейстер при нагревании?
В холодной воде частицы крахмала почти не растворяются. При нагревании они поглощают воду, набухают и образуют вязкую смесь, которую называют клейстером.
Как доказать присутствие крахмала в продукте?
На исследуемый продукт наносят несколько капель раствора йода. Сине-синее или сине-фиолетовое окрашивание указывает на присутствие крахмала.
Во что превращается крахмал при полном гидролизе?
При полном гидролизе разрываются связи между остатками глюкозы. Конечным продуктом реакции становится глюкоза.
§ 32. Крахмал — природный полимер
