Книга: Удивительный мир органической химии

8.3. Сахар, хлеб и бумага 

8.3. Сахар, хлеб и бумага 

На первый взгляд кажется, что может быть общего между сахаром, хлебом и бумагой! Ведь эти продукты совсем не похожи друг на друга. Но это только кажется. У этих продуктов есть общий «родственник» — глюкоза.

Почти все слышали об этом сладком веществе, которое в виде таблеток продается в любой аптеке. Но не все знают, какую огромную роль играет глюкоза в животном и растительном мире.

Глюкоза принадлежит к обширному классу соединений, которые называют углеводами или сахарами. К углеводам принадлежит не только глюкоза, но и обычный сахар (химики называют его сахарозой), фруктоза, крахмал и целлюлоза (главная составная часть растительных клеток) и многие другие вещества. Углеводы — это природные органические соединения, которые составляют основную массу органического вещества нашей планеты. Ежегодно растения Земли с помощью фотосинтеза создают около 200 миллиардов тонн органического вещества (90% — водоросли и 10% — растения).

Использовать углеводы человек начал очень давно — с тех пор, когда научился перерабатывать дикорастущую флору Земли. Вероятно, еще в палеолите древние люди использовали волокна дикорастущего хлопчатника, который представляет собой почти чистую целлюлозу (полисахарид). Изготовление хлопчатобумажных тканей, переработка древесины, виноделие, изготовление бумаги и бездымного пороха, получение сахара из сахарной свеклы или тростника — все это связано с переработкой углеводсодержащего растительного сырья.

Переработка растительных продуктов начала закладываться еще в середине XVII в. В то время появился и первый научный трактат «Сахарология» итальянского химика и врача Анджело Сала (1576-1637). Однако только в середине XVIII в. начала зарождаться химия углеводов как наука.

Углеводы делят на простые (моносахариды) и сложные (полисахариды). Самым важным и хорошо изученным представителем простых углеводов является глюкоза. Ее эмпирическую формулу (С₆Н₁₂O₆) установил в 1837 г. Й. Берцелиус. Однако только в 1860 г. П. Бертло обнаружил, что в состав молекулы глюкозы входят гидроксильные группы, а через 9 лет русский химик Александр Андреевич Колли (1840-1916) определил их количество. Их оказалось пять. Было также установлено, что молекула глюкозы содержит альдегидную группу. Однако ее свойства были настолько необычными, что это привело к разногласиям среди химиков.

Только в начале XX в. выяснились особенности этой группы. Для глюкозы химики предложили такую структурную формулу.

Как видите, альдегидная группа находится в начале углеродной цепи. Однако в результате многочисленных исследований А. А. Колли пришел к выводу, что молекула глюкозы может находиться не только в линейной (альдегидной) форме, но и в циклической.

Вот схема перехода линейной формы молекулы глюкозы в циклическую форму в водном растворе.

Почему возможен такой переход? Дело в том, что молекула глюкозы в пространстве, находясь в альдегидной форме, изогнута. Ведь каждый ее углеродный атом — центр тетраэдра. В результате гидроксильная группа при пятом углеродном атоме может оказаться рядом с атомом кислорода альдегидной группы. Поскольку карбонильная группа поляризована, то гидроксильный водород способен перейти к атому кислорода.

При этом устанавливается связь между углеродным атомом альдегидной группы и атомом кислорода гидроксильной группы. В результате между первым и пятым углеродными атомами появляется кислородный «мостик». Так как карбонильная группа превращается в гидроксильную, то число этих групп в шестичленной форме остается таким же, как и в альдегидной форме, — пять. Однако образовавшаяся гидроксильная группа (вместо карбонильной группы) — особая, непохожая на другие. Ее часто называют псевдоальдегидной (от греч. pseudos — ложная) группой. Такое название она получила потому, что способна снова превратиться в альдегидную. И так меняется: то альдегидная, то гидроксильная... Поэтому альдегидная и циклическая формы глюкозы — изомеры. Но все же преобладает шестичленная циклическая форма (99%).{Глюкоза может находиться и. в пятичленной циклической форме (1%).} Еще об одной особенности необходимо сказать. Псевдоальдегидная группа может занимать различное положение относительно плоскости цикла. Если она расположена по ту же сторону, что и гидроксильные группы при втором и четвертом углеродных атомах, то такую форму глюкозы называют ?-глюкозой, если по разные стороны — ?-глюкозой. Это очень важно. Вы убедитесь в этом, когда мы будем рассматривать строение молекул крахмала и целлюлозы.

Глюкоза — ценное питательное вещество. В организме она окисляется с выделением энергии:

Эта энергия превращается в тепловую, и главным образом в химическую, энергию, которая идет на синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) — универсального «аккумулятора» энергии в организме. Глюкоза — единственный углевод, который постоянно циркулирует в кровеносной системе в значительных (но постоянных!) количествах (0,08-0,11%).

Глюкозу получают из крахмала при его гидролизе в присутствии разбавленных минеральных кислот:

Глюкозу часто используют в кондитерском производстве. Она идет на изготовление карамели, мармелада, пряников и т. д. Применяют ее в ряде производств в качестве восстановителя. Например, при нагревании раствора глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра образуются металлическое серебро и продукт окисления глюкозы — глюконовая кислота:

Как известно, такую реакцию называют реакцией «серебряного зеркала». Ее используют для серебрения многих изделий, в том числе елочных игрушек. Глюкоза широко используется в медицине. Из нее получают витамин С (аскорбиновую кислоту), отсутствие или недостаток которого вызывает тяжелое заболевание — цингу.

Другим простым углеводом (моносахаридом) является фруктоза (фруктовый сахар). Отличается она от глюкозы тем, что вместо альдегидной группы содержит карбонильную (кетонную) группу. Эта группа занимает второе место от края цепи в молекуле фруктозы.

Молекула фруктозы, как и молекула глюкозы, содержит шесть углеродных атомов и пять гидроксильных групп. Однако если глюкоза — альдегидоспирт, то фруктоза — кетоноспирт.

Глюкоза и фруктоза — изомеры, имеющие одну и ту же эмпирическую формулу С₆Н₁₂O₆, но разное строение. Фруктоза, как и глюкоза, может существовать в двух изомерных формах — кетонной и циклической (пятичленной и шестичленной). При образовании цикла в молекуле фруктозы (как и в случае глюкозы) карбонильная группа переходит в гидроксильную.

Если глюкоза и фруктоза — простые углеводы, то природа богата и сложными углеводами, или полисахаридами. Они могут состоять из двух, трех и множества простых углеводов. Например, обычный сахар (сахароза), с которым мы по утрам пьем чай или кофе, состоит из двух простых углеводов — глюкозы и фруктозы. Поэтому этот углевод назвали дисахаридом. Если сахарозу прокипятить с раствором серной кислоты, то ее молекула распадается на две молекулы — глюкозу и фруктозу. Поэтому эмпирическая формула сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁.

Как соединяются между собой молекулы глюкозы и фруктозы при образовании молекулы сахарозы? Это происходит за счет гидроксилов, но не «обычных», а «особых», которые образовались из альдегидной или кетонной групп (при образовании циклических форм). Группы, которые мы назвали псевдоальдегидными, взаимодействуют между собой с выделением молекулы воды. «Остатки» молекул глюкозы и фруктозы соединяются между собой атомом кислорода. Так образуется молекула сахарозы. Это можно показать с помощью такой упрощенной схемы:

(Остальные гидроксильные группы на схеме не показаны.) Потеря псевдоальдегидных групп при образовании связи между молекулами глюкозы и фруктозы приводит к тому, что сахароза уже не обладает восстанавливающими свойствами.

Итак, при сернокислотном гидролизе сахарозы образуется смесь глюкозы и фруктозы. Эта смесь называется инвертным сахаром или искусственным медом. Конечно, такой мед отличается от натурального, который хотя и состоит из равных частей глюкозы и фруктозы, но «синтезируется» в пищеварительном органе пчелы при ферментативном разложении сахарозы. Поскольку фруктоза намного превосходит по сладости глюкозу и сахар, то мед слаще этих продуктов.

Сахароза (ее еще называют свекловичным или тростниковым сахаром) — кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Если сахарозу нагреть до плавления (184 °С), а затем расплавленную массу охладить, то образуется карамель, которую широко используют кондитеры.

Сахароза — ценный питательный и вкусовой продукт. Ее получают из сахарной свеклы или сахарного тростника. Содержание сахарозы в них почти одинаково (16-20 и 14-26% соответственно). О содержании сахара (сахарозы) в свекловичном соке знали еще в 1747 г. Это установил немецкий химик А. Маргграф (1709-1782), но только в 1800 г. был разработан способ выделения сахара из этого сока. Этот метод усовершенствовал Франц Карл Ахард (1753-1821). Это привело к промышленному производству свекловичного сахара.

Первый завод по производству свекловичного сахара был построен в России в 1802 г. в Тульской губернии. Если в 1830 г. в России насчитывалось 20 сахарных заводов, то в 1914 г. их было уже около 300.

Как получают сахар из сахарной свеклы? Для этого совершим небольшую экскурсию на сахарный завод.

Вначале свеклу хорошо промывают, а потом ее режут на мелкие ломтики или короткую «лапшу». Измельченная свекла загружается в огромные котлы, в которых горячая вода вымывает из нее сахар. Из свеклы вместе с сахаром в водный раствор переходят и другие продукты (органические кислоты, белки, красящие вещества и др.). Чтобы отделить эти вещества от сахара, его водный раствор обрабатывают гидроксидом кальция («известковым молоком»). В результате такой обработки образуются малорастворимые соли органических кислот, выпадающие в осадок. Одновременно сахар образует с Са(ОН)₂ растворимый в воде сахарат кальция (С₁₂Н₂₂O₁₁ • СаО • 2Н₂O), который потом разлагают оксидом углерода (IV). Газ пропускают через раствор сахарата кальция, из которого перед этим удалили осадок солей органических кислот. В результате получается свободный сахар:

Выпавший в осадок карбонат кальция фильтруют, а раствор сахара упаривают в вакууме. Вот тут-то и происходит «рождение» сахара. Из концентрированного раствора начинает кристаллизоваться сахар, который по мере образования отделяют с помощью центрифуги. Оставшийся раствор — меласса (патока) — содержит до 50% сахара. Ее используют, например, для получения лимонной кислоты (ею питаются особые микроорганизмы, вырабатывающие кислоту). Остатки свекловичной «лапши», из которой «вымыли» сахар, тоже не пропадает. Этот продукт (жом) идет на корм скоту.

Если для образования химических связей в молекуле глюкозы будут принимать участие две гидроксильные группы (одна из них псевдоальдегидная, а другая — обычная), то образуются огромные макромолекулы полисахаридов — крахмал или целлюлоза. Почему же из глюкозы получаются два совершенно различных продукта? Глюкоза одна, но формы ее, как мы знаем, могут быть различными. Химики установили, что в состав крахмала входит ?-глюкоза, а в состав целлюлозы — ?-глюкоза. Казалось бы, такое незначительное различие не должно сказываться на свойствах полисахарида. Однако сказывается, да еще как! Сравните между собой щепотку крахмала и лист промокательной бумаги или кусочек ваты (образцы почти чистой целлюлозы).

Но вначале поговорим о крахмале. Итак, крахмал состоит из множества остатков молекул ?-глюкозы. Его молекулярная масса более 200 тыс. Крахмал — самый распространенный в природе полисахарид. Он играет роль резервного вещества многих растений. Особенно много его содержится в картофеле, рисе, пшенице и кукурузе. Образуется крахмал в листьях растений в результате фотосинтеза.

Огромные молекулы крахмала при гидролизе (например, при нагревании с раствором серной кислоты) могут распадаться на более простые углеводы. Вначале образуются продукты с меньшей молекулярной массой, чем крахмал. Это — декстрины. Затем декстрины распадаются до мальтозы (дисахарида), а она, в свою очередь, образует конечный продукт — глюкозу. Впервые гидролиз крахмала под влиянием серной кислоты провел в 1811 г. русский химик Константин Сигизмундович Кирхгоф (1764-1833). Гидролиз крахмала может быть полным (до образования глюкозы) и частичным. Последний наблюдается при варке картофеля и круп. При нагревании сухого крахмала до 200-250 °С также происходит его разложение с образованием декстринов. С этим процессом мы встречаемся при хлебопечении и глажении накрахмаленного белья.

Процесс хлебопечения состоит в превращении нерастворимого крахмала в растворимые и гораздо лучше усвояемые организмом декстрины. Сладковатый вкус хлебной корочки как раз и обусловлен превращением крахмала в декстрины. Под действием горячего утюга слой крахмала на белье также переходит в декстрины. И сладковатая корка хлеба, и плотная блестящая пленка на поверхности белья предохраняют и хлеб, и ткань от загрязнений.

Крахмал — основной углевод нашего питания. Частично гидролизованный крахмал (декстрины) подвергается в организме дальнейшему гидролизу под влиянием фермента — амилазы. Этот процесс начинается уже при пережевывании пищи в полости рта и продолжается в желудке и кишечнике. Образующаяся при этом глюкоза всасывается через стенки тонкого кишечника в кровь и идет на питание всех тканей организма.

Теперь рассмотрим другой полисахарид — целлюлозу (от лат. cellula — клетка). Целлюлозу часто называют также клетчаткой, потому что она является главной составной частью оболочек растительных клеток. Они выполняют роль конструкционного материала, благодаря которому растения выдерживают и собственную тяжесть, и порывы ветра, и даже ураганы.

В состав макромолекулы целлюлозы входит другая разновидность глюкозы — ?-глюкоза. Поэтому в макромолекулах целлюлозы химические связи между остатками глюкозы пространственно отличаются от подобных связей в макромолекулах крахмала. С этим связаны и отличия в химическом поведении крахмала и целлюлозы. Например, целлюлоза труднее подвергается гидролизу, чем крахмал. Для этого нужны более жесткие условия. Человек и многие животные не имеют пищеварительных ферментов, которые бы разрушали химическую связь между остатками глюкозы в целлюлозной макромолекуле (вот они — различия между ?- и ?-глюкозой!). Поэтому они не могут использовать целлюлозу в качестве пищи. Правда, такие ферменты содержатся в желудках некоторых животных (коров, оленей). Они могут переваривать (гидролизовать) пищу, в состав которой входят молодые побеги деревьев, кустарников и т. д.

Целлюлоза — твердое волокнистое вещество белого или серого цвета. Обладает большой механической прочностью. Молекулярная масса целлюлозы значительно выше, чем у крахмала, и составляет несколько миллионов. Целлюлоза, как известно, не растворяется в воде и в других известных растворителях, но есть один растворитель — реактив Швейцера (открыт в 1857 г. Э. Швейцером). Этот реактив представляет собой раствор оксида меди в концентрированном аммиаке.

В присутствии серной кислоты и при нагревании целлюлоза гидролизуется. Этот процесс протекает также ступенчато, как и в случае крахмала. Последним продуктом гидролиза является глюкоза. Еще в 1819 г. А. Браконно получил глюкозу, действуя разбавленной минеральной кислотой на древесные опилки. Прошло более двух столетий, прежде чем промышленность стала использовать этот метод. Так, первый цех по получению глюкозы из древесины был построен в СССР в конце 50-х гг. XX в. Это предприятие вырабатывает не только пищевую, но и медицинскую глюкозу.

Целлюлоза в чистом виде в природе не встречается. Ее выделяют из древесины. В зависимости от породы дерева содержание целлюлозы в древесине колеблется в пределах 50-70%. Для получения целлюлозы из древесины обычно используют сульфитный способ. Для этого древесину измельчают (чем мельче, тем лучше) и нагревают в огромных котлах под давлением с гидросульфитом кальция Ca(HSO₃₎₂. При этом все вещества, сопутствующие целлюлозе, переходят в раствор, а чистую целлюлозу отфильтровывают.

Значение целлюлозы очень велико. Огромное количество хлопкового, льняного волокна идет на выработку хлопчатобумажных тканей, веревок, канатов. Целлюлоза в составе древесины — самый распространенный и древний строительный материал. По самым скромным оценкам, 40% древесины уходит на производство строительных материалов. В то же время 45% древесины используют в качестве отопительного материала. Древесина — это жилище, топливо, одежда и пища. Лес — это чистый воздух, благополучие экологической обстановки, здоровье человека, здоровье нашей планеты. Выдающийся русский писатель Леонид Леонов писал, что «...было бы неблагодарностью не назвать и лес в числе воспитателей и немногочисленных покровителей нашего народа... Складывается образ леса, как живого существа, чрезвычайно благожелательного и деятельного на пользу нашего народа. Он никогда не помнил обиды от русских, даже когда его заставляли потесниться с помощью не слишком деликатных средств... лес встречал русского человека при появлении на свет и безотлучно провожал его через все возрастные этапы...».

Итак, 85% древесины — это строительный и отопительный материал. И только 15% идет на химическую переработку. Из целлюлозы получают искусственную вату, ткани, кожу (кирзу), бумагу и картон. Путем химической переработки целлюлозы можно получать различные химические продукты: глюкозу, метиловый и этиловый спирты, фенолы, уксусную кислоту и многое другое.

Расскажем немного о бумаге — важнейшем элементе человеческой культуры, основе просвещения и воспитания человека. Бумага — материальная основа всего, что создается человеческим разумом. Бумага и культура народа идут рядом.

Интересна история бумаги. Она была получена Цай Лунем во II в. в Китае. Долгое время эта страна была единственным производителем бумаги. Только в VI в. бумага смогла проникнуть в Центральную Азию. В VII в. бумага стала известна в Индии, а в VIII в. — в Западной Азии. До Африканского континента бумага добралась в X в., а в Европе объявилась в XII в. Американского континента бумага достигла только в XVII в.

Первой страной в Европе, которая занялась производством бумаги, была Испания (1150г.), а уже через четыре года ее стала производить Италия. Затем с производством бумаги начали знакомиться другие страны Европы: Венгрия (1300 г.), Германия (1390 г.), Англия (1494 г.), Россия (1565 г.), Голландия (1586 г.), Швеция (1698 г.). Кстати, о России. Следует отметить, что Россия закупала бумагу гораздо раньше, чем начала производить сама. Так, один из документов подтверждает покупку бумаги еще в 1299 г. Если же верить рукописной библии, написанной в 1280 г., то бумага на Руси появилась еще раньше.

Заканчивая наш короткий рассказ об углеводах, мы должны подчеркнуть, что углеводы — это не только глюкоза и фруктоза, крахмал и целлюлоза, бумага и различные изделия из целлюлозы. Углеводы — это вещества, составляющие большую часть органической массы на Земле, которые в огромных количествах синтезируются ежегодно за счет солнечного излучения. Углеводы могут обеспечить человечество всем необходимым до тех пор, пока светит солнце.