13.6. Применение

Определения и обозначения

Спиртовое брожение — превращение глюкозы микроорганизмами в этиловый спирт и углекислый газ. Оно позволяет получать спирт из растительного сырья, например из сахаристых растворов, а выделяющийся газ разрыхляет тесто при хлебопечении. Процесс используют и в пищевой промышленности, и в биотехнологии.

Молочнокислое брожение — превращение глюкозы в молочную кислоту под действием микроорганизмов. Кислота придаёт продуктам характерный вкус и способствует их сохранению. Благодаря этому процессу производят кисломолочные продукты, а также квасят некоторые овощи.

Нитроцеллюлоза — продукт взаимодействия целлюлозы с азотной кислотой, то есть химически переработанная целлюлоза. В зависимости от состава и обработки её применяют для изготовления материалов и лаков, а также в производстве взрывчатых веществ. Это не обычная целлюлоза, а вещество с изменёнными химическими свойствами.

Искусственное волокно — волокнистый материал, полученный химической переработкой природного полимера целлюлозы. Целлюлозу переводят в форму, из которой можно сформировать тонкие нити, а затем обрабатывают их. Так природное сырьё превращают в материал, пригодный для изготовления тканей и других изделий.

Как это устроено

Применение глюкозы связано с её строением и биологической ролью: это растворимый моносахарид, который клетки могут включать в реакции энергетического обмена. Поэтому в медицине используют её растворы, в том числе для внутривенного питания по медицинским показаниям. В пищевой промышленности глюкоза служит подсластителем и сырьём для брожения, а в биотехнологии микроорганизмы превращают её в нужные продукты. Разные области применения опираются на одно общее свойство — доступность глюкозы для химических и биохимических превращений.

Сахароза хорошо подходит в пищу, потому что сладкая и обеспечивает организм энергией после расщепления до простых сахаров. Её получают из сахарной свёклы и сахарного тростника, поэтому производство может опираться на возобновляемое растительное сырьё. Кроме прямого употребления, сахароза служит исходным веществом для получения сиропов и других продуктов переработки. Значит, её ценность определяется и пищевыми свойствами, и возможностью химически преобразовывать молекулу.

Крахмал состоит из длинных цепей остатков глюкозы и образует в воде характерный клейстер при нагревании. Зёрна крахмала набухают, смесь становится вязкой и может связывать частицы или поверхности. Это используют в пищевых продуктах, при проклейке бумаги и обработке тканей. Крахмал также служит пищевым сырьём: его можно расщепить до глюкозы, а затем направить её на брожение.

Целлюлоза тоже является полисахаридом, но её цепи формируют прочные волокнистые структуры в растениях. Волокна можно разделять и переплетать, поэтому целлюлозное сырьё подходит для бумаги и картона. При химической переработке целлюлозу переводят в состояние, позволяющее сформировать новые нити; так получают искусственные волокна. Прочность исходного материала важна для изделий, которые должны сохранять форму и выдерживать нагрузку.

Брожение позволяет получать вещества из возобновляемого растительного сырья с помощью микроорганизмов и ферментов — биологических катализаторов, ускоряющих реакции. При спиртовом брожении образуются этиловый спирт и углекислый газ, а при молочнокислом — молочная кислота. Для получения спирта из крахмалсодержащего сырья сначала крахмал расщепляют до глюкозы, доступной дрожжам. Подбор микроорганизмов и условий процесса позволяет направлять превращение к нужному продукту.

Применение основных углеводов

Сначала найдите в таблице свойство или процесс, а затем проследите, к какой области применения он приводит. Если вещество указано как продукт переработки, учитывайте не только исходный углевод, но и проведённое химическое или биохимическое превращение. Так можно не смешивать области применения разных углеводов.

Разбор задач

Задача 1. Какое свойство глюкозы позволяет применять её в медицине и почему её раствор используют для внутривенного питания? Разберём вопрос через свойства вещества и его роль в организме. Нужно отделить медицинское применение от бытового представления о глюкозе как просто сладком веществе.

1. Глюкоза растворяется в воде, поэтому из неё можно приготовить водный раствор.
2. Она участвует в энергетическом обмене: клетки используют её как источник энергии.
3. При внутривенном введении раствор становится доступным организму без прохождения через пищеварительный тракт; такое питание назначают медицинские специалисты с учётом состояния пациента.

Ответ: применение объясняется растворимостью глюкозы и её ролью в энергетическом обмене. Растворы используют для внутривенного обеспечения организма глюкозой по медицинским показаниям.

Задача 2. Укажите исходный углевод и продукты брожения при получении этилового спирта из крахмалсодержащего сырья. Важно не переходить сразу от крахмала к спирту: дрожжи используют глюкозу. Поэтому нужно записать последовательность превращений, а затем назвать продукты конечной реакции.

1. Крахмал сначала расщепляют до глюкозы. Это может происходить при обработке ферментами, которые разрывают связи в полисахариде.
2. Глюкоза подвергается спиртовому брожению под действием микроорганизмов.
3. Уравнение процесса: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. Из одной молекулы глюкозы образуются этиловый спирт и углекислый газ.

Ответ: исходное крахмалсодержащее сырьё сначала превращают в глюкозу, а при её спиртовом брожении получают этиловый спирт и углекислый газ.

Задача 3. Составьте схему переработки целлюлозы в бумагу, искусственное волокно или нитроцеллюлозу и укажите используемое свойство на каждом этапе. Три направления различаются тем, что в одном главным образом используют физическое строение волокна, а в двух других проводят химические превращения. Сопоставим исходное сырьё, обработку и результат.

1. Целлюлоза → разделение и формирование волокнистого слоя → бумага или картон. Используется способность волокон переплетаться и образовывать прочный лист.
2. Целлюлоза → химическая переработка в растворимую форму → формирование нитей и их обработка → искусственное волокно. Здесь используют возможность переработать полимер и снова получить волокнистый материал.
3. Целлюлоза → взаимодействие с азотной кислотой → нитроцеллюлоза. Это уже химическое превращение, меняющее свойства исходного полимера.

Ответ: бумагу получают преимущественно благодаря волокнистому строению целлюлозы, а искусственные волокна и нитроцеллюлозу — после химической переработки.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все углеводы применяются одинаково. Её допускают, потому что углеводы объединены общим названием, но оно не означает одинакового строения и свойств. Проверка: назовите характерное свойство каждого вещества и свяжите его с применением — например, клейстеризацию крахмала или волокнистость целлюлозы.

Ошибка — путать спиртовое и молочнокислое брожение. Оба процесса происходят с участием микроорганизмов и начинаются с глюкозы, поэтому их легко смешать. Проверка проста: при спиртовом брожении записывайте этиловый спирт и углекислый газ, при молочнокислом — молочную кислоту.

Ошибка — называть крахмал и целлюлозу одним и тем же веществом. Причина в том, что оба вещества являются полисахаридами, хотя их строение и свойства различаются. Проверяйте себя по применению: крахмал даёт клейстер, а целлюлозные волокна используют для бумаги и получения волокнистых материалов.

Ошибка — связывать применение нитроцеллюлозы с обычной целлюлозой, будто это одно вещество. Так происходит, если не учитывать, что нитроцеллюлоза образуется после химического взаимодействия целлюлозы с азотной кислотой. Проверяйте схему: сначала укажите исходный полимер, затем превращение и только после него — продукт и его применение.

Связь с другими темами

Чтобы понять применение углеводов, нужно знать строение моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов, а также реакции глюкозы. Понимание полимеров помогает объяснить различия между крахмалом и целлюлозой, а сведения о ферментах — роль микроорганизмов в брожении. Эти знания пригодятся при изучении биохимии, пищевой промышленности и материаловедения. Они также помогают оценивать экологические вопросы переработки растительного сырья и получения материалов.

Что запомнить

• Глюкозу применяют в медицине, пищевой промышленности и биотехнологии.
• Сахароза является важным пищевым продуктом и сырьём для химической переработки.
• Крахмал используют как пищевое сырьё, клей и материал для промышленной переработки.
• Целлюлоза служит сырьём для производства бумаги, картона и искусственных волокон.
• Спиртовое брожение глюкозы приводит к образованию этилового спирта и углекислого газа.
• Молочнокислое брожение используют при производстве кисломолочных продуктов.
• Химическая переработка целлюлозы позволяет получать нитроцеллюлозу и другие материалы.