Zucker reduzieren - Reducing sugar
Ein reduzierender Zucker ist jeder Zucker , der als Reduktionsmittel wirken kann . In einer alkalischen Lösung bildet ein reduzierender Zucker einen Aldehyd oder ein Keton , der es ihm ermöglicht, als Reduktionsmittel zu wirken, zum Beispiel in Benedikts Reagenz . Bei einer solchen Reaktion wird der Zucker zu einer Carbonsäure .
Alle Monosaccharide sind reduzierende Zucker, zusammen mit einigen Disacchariden , einigen Oligosacchariden und einigen Polysacchariden . Die Monosaccharide lassen sich in zwei Gruppen einteilen: die Aldosen mit einer Aldehydgruppe und die Ketosen mit einer Ketongruppe. Ketosen müssen zuerst zu Aldosen tautomerisieren , bevor sie als reduzierende Zucker wirken können. Die üblichen diätetischen Monosaccharide Galaktose , Glukose und Fruktose sind alle reduzierende Zucker.
Disaccharide werden aus zwei Monosacchariden gebildet und können entweder als reduzierend oder nicht reduzierend klassifiziert werden. Nicht-reduzierende Disaccharide wie Saccharose und Trehalose haben glykosidische Bindungen zwischen ihren anomeren Kohlenstoffen und können daher nicht in eine offenkettige Form mit einer Aldehydgruppe umgewandelt werden; sie stecken in der zyklischen Form fest. Bei reduzierenden Disacchariden wie Lactose und Maltose ist nur einer ihrer beiden anomeren Kohlenstoffe an der glykosidischen Bindung beteiligt, während der andere frei ist und mit einer Aldehydgruppe in eine offenkettige Form übergehen kann.
Die funktionelle Aldehydgruppe ermöglicht es dem Zucker, als Reduktionsmittel zu wirken, beispielsweise im Tollens-Test oder Benedict-Test . Die zyklischen Halbacetalformen von Aldosen können sich öffnen, um einen Aldehyd freizusetzen, und bestimmte Ketosen können tautomerisiert werden, um Aldosen zu werden. Allerdings Acetale , einschließlich derjenigen Gefunden in Polysaccharid - Verknüpfungen können nicht einfach freie Aldehyde werden.
Reduzierende Zucker reagieren mit Aminosäuren in der Maillard-Reaktion , einer Reihe von Reaktionen, die beim Kochen von Lebensmitteln bei hohen Temperaturen auftritt und die für den Geschmack von Lebensmitteln wichtig sind. Auch der Gehalt an reduzierendem Zucker in Wein, Saft und Zuckerrohr ist ein Hinweis auf die Qualität dieser Lebensmittel.
Terminologie
Oxidation-Reduktion
Ein reduzierender Zucker ist ein Zucker, der eine andere Verbindung reduziert und selbst oxidiert wird ; das heißt, der Carbonylkohlenstoff des Zuckers wird zu einer Carboxylgruppe oxidiert .
Ein Zucker wird nur dann als reduzierender Zucker eingestuft, wenn er eine offenkettige Form mit einer Aldehydgruppe oder einer freien Halbacetalgruppe aufweist .
Aldosen und Ketosen
Monosaccharide , die eine Aldehydgruppe enthalten, werden als Aldosen bezeichnet , solche mit einer Ketongruppe werden als Ketosen bezeichnet . Der Aldehyd kann über eine Redoxreaktion oxidiert werden, bei der eine andere Verbindung reduziert wird. Somit reduzieren Aldosen den Zucker. Zucker mit Ketongruppen in ihrer offenkettigen Form können über eine Reihe von tautomeren Verschiebungen isomerisieren , um in Lösung eine Aldehydgruppe zu erzeugen. Daher werden Ketone wie Fructose als reduzierende Zucker betrachtet, aber es ist das Isomer mit einer Aldehydgruppe, die reduzierend ist, da Ketone nicht ohne Zersetzung des Zuckers oxidiert werden können. Diese Art der Isomerisierung wird durch die Base katalysiert, die in Lösungen vorhanden ist, die auf die Anwesenheit von reduzierenden Zuckern testen.
Reduzierende
Disaccharide bestehen aus zwei Monosacchariden und können entweder reduzierend oder nicht reduzierend sein. Auch ein reduzierendes Disaccharid hat nur ein reduzierendes Ende, da Disaccharide durch glykosidische Bindungen zusammengehalten werden, die aus mindestens einem anomeren Kohlenstoff bestehen . Da ein anomerer Kohlenstoff nicht in die offenkettige Form umgewandelt werden kann, steht nur der freie anomere Kohlenstoff zur Verfügung, um eine andere Verbindung zu reduzieren, und wird als reduzierendes Ende des Disaccharids bezeichnet. Ein nicht-reduzierendes Disaccharid ist dasjenige, bei dem beide anomeren Kohlenstoffe in der glykosidischen Bindung gebunden sind.
Ebenso haben die meisten Polysaccharide nur ein reduzierendes Ende.
Beispiele
Alle Monosaccharide sind reduzierende Zucker, weil sie entweder eine Aldehydgruppe haben (wenn sie Aldosen sind) oder in Lösung tautomerisieren können, um eine Aldehydgruppe zu bilden (wenn sie Ketosen sind). Dazu gehören gängige Monosaccharide wie Galaktose , Glucose , Glyceraldehyd , Fructose , Ribose und Xylose .
Viele Disaccharide , wie Cellobiose , Lactose und Maltose , haben auch eine reduzierende Form, da eine der beiden Einheiten eine offenkettige Form mit einer Aldehydgruppe haben kann. Jedoch Saccharose und Trehalose , wobei die anomere Kohlenstoffatome der beiden Einheiten miteinander verbunden sind, sind nicht - reduzierende Disaccharide , da weder der Ringe der Lage Öffnung.
In Glucose - Polymere , wie Stärke und Stärkederivate wie Glucosesirup , Maltodextrin und Dextrin das Makromolekül beginnt mit einem reduzierenden Zucker, einem freien Aldehyds. Wenn Stärke teilweise hydrolysiert wurde, wurden die Ketten gespalten und enthält daher mehr reduzierende Zucker pro Gramm. Der Prozentsatz an reduzierenden Zuckern in diesen Stärkederivaten wird als Dextroseäquivalent (DE) bezeichnet.
Glykogen ist ein stark verzweigtes Glukosepolymer, das bei Tieren als Hauptform der Kohlenhydratspeicherung dient. Es ist ein reduzierender Zucker mit nur einem reduzierenden Ende, egal wie groß das Glykogenmolekül ist oder wie viele Verzweigungen es hat (beachten Sie jedoch, dass das einzigartige reduzierende Ende normalerweise kovalent an Glykogenin gebunden ist und daher nicht reduzierend ist). Jeder Zweig endet in einem nicht reduzierenden Zuckerrest. Wenn Glykogen abgebaut wird, um als Energiequelle verwendet zu werden, werden Glukoseeinheiten nacheinander von den nichtreduzierenden Enden durch Enzyme entfernt.
Charakterisierung
Mehrere qualitative Tests werden verwendet, um das Vorhandensein von reduzierenden Zuckern nachzuweisen. Zwei von ihnen verwenden Lösungen von Kupfer(II) -Ionen: Benedikt-Reagenz (Cu 2+ in wässrigem Natriumcitrat) und Fehling-Lösung (Cu 2+ in wässrigem Natriumtartrat). Der reduzierende Zucker reduziert die Kupfer(II) -Ionen in diesen Testlösungen zu Kupfer(I), das dann einen ziegelroten Kupfer(I)-Oxid- Niederschlag bildet. Auch reduzierende Zucker können durch Zugabe von Tollens Reagenz nachgewiesen werden , die aus Silberionen (Ag + ) in wässrigem Ammoniak bestehen. Wenn Tollens Reagens einem Aldehyd zugesetzt wird, fällt Silbermetall aus und bildet oft einen Silberspiegel auf sauberen Glaswaren.
3,5-Dinitrosalicylsäure ist ein weiteres Testreagenz, das einen quantitativen Nachweis ermöglicht. Es reagiert mit einem reduzierenden Zucker, um 3-Amino-5-nitrosalicylsäure zu bilden , die durch Spektrophotometrie gemessen werden kann , um die Menge des vorhandenen reduzierenden Zuckers zu bestimmen.
Einige Zucker, wie Saccharose, reagieren mit keiner der reduzierenden Zuckertestlösungen. Allerdings kann ein nicht-reduzierenden Zucker wird hydrolysiert mit verdünnter Salzsäure . Nach Hydrolyse und Neutralisation der Säure kann das Produkt ein reduzierender Zucker sein, der mit den Testlösungen normale Reaktionen zeigt.
Alle Kohlenhydrate werden in Aldehyde umgewandelt und reagieren im Molisch-Test positiv . Aber der Test hat eine schnellere Rate, wenn es um Monosaccharide geht.
Bedeutung in der Medizin
Die Fehling-Lösung wurde viele Jahre lang als diagnostischer Test für Diabetes verwendet , eine Krankheit, bei der der Blutzuckerspiegel durch eine unzureichende Insulinproduktion (Typ-1-Diabetes) oder durch fehlendes Ansprechen auf Insulin (Typ-2-Diabetes) gefährlich erhöht wird. Die Messung der durch Glucose reduzierten Menge an Oxidationsmittel (hier Fehling-Lösung) ermöglicht die Bestimmung der Glucosekonzentration im Blut oder Urin. Dadurch kann dann die richtige Menge Insulin gespritzt werden, um den Blutzuckerspiegel wieder in den Normalbereich zu bringen.
Bedeutung in der Lebensmittelchemie
Maillard-Reaktion
Die Carbonylgruppen von reduzierenden Zuckern reagieren mit den Aminogruppen von Aminosäuren bei der Maillard-Reaktion , einer komplexen Reihe von Reaktionen, die beim Kochen von Speisen auftritt. Maillard-Reaktionsprodukte (MRPs) sind vielfältig; einige sind förderlich für die menschliche Gesundheit, während andere giftig sind. Die Gesamtwirkung der Maillard-Reaktion besteht jedoch darin, den Nährwert von Lebensmitteln zu verringern. Ein Beispiel für ein toxisches Produkt der Mailard-Reaktion ist Acrylamid , ein Neurotoxin und möglicherweise Karzinogen , das beim Kochen von stärkehaltigen Lebensmitteln bei hohen Temperaturen (über 120°C) aus freiem Asparagin und reduzierenden Zuckern gebildet wird . Aber Beweise aus epidemiologischen Studien deuten darauf hin, dass Acrylamid in der Nahrung wahrscheinlich das Krebsrisiko bei Menschen nicht erhöht.
Lebensmittelqualität
Der Gehalt an reduzierendem Zucker in Wein, Saft und Zuckerrohr ist ein Hinweis auf die Qualität dieser Lebensmittel, und die Überwachung des Gehalts an reduzierendem Zucker während der Lebensmittelproduktion hat die Marktqualität verbessert. Die herkömmliche Methode dafür ist die Lane-Eynon-Methode, bei der der reduzierende Zucker mit Kupfer(II) in Fehling-Lösung in Gegenwart von Methylenblau , einem üblichen Redoxindikator, titriert wird . Es ist jedoch ungenau, teuer und empfindlich gegenüber Verunreinigungen.