скачать книгу бесплатно
Сахара и сахарозаменители
Вадим Валерьевич Корпачев
В книге представлены сведения о положительных и отрицательных свойствах сахаров (углеводов) и сахарозамениетелей, описаны молекулярные механизмы действия данных веществ, так как эти вопросы носят специфический характер и могут представлять интерес для специалистов. Книга предназначена для врачей, сталкивающихся с проблемами нарушения обмена веществ у больных, врачей-диетологов, разрабатывающих основы рационального питания, врачей-эндокринологов, которые постоянно должны давать диетические рекомендации больным сахарным диабетом и ожирением, а также для круга читателей, интересующихся проблемами полноценного здорового питания и желающих внедрить полученные знания в систему собственного образа жизни.
Вадим Корпачев
Сахара и сахарозаменители
Если бы мы захотели с точки зрения последних познаний описать причины заболеваний, то мы нашли бы только одну-единственную причину – неповиновение закону.
Парацельс
Введение
Настоящая работа подготовлена в рамках комплексной программы «Сахарный диабет», в которой одним из пунктов предусмотрено «Усовершенствовать имеющиеся, разработать и освоить новые технологии производства сахарозаменителей и других пищевых добавок, а также рецептуры продуктов диетического питания для больных сахарным диабетом».
В основу этого материала положены современные сведения по проблеме глюкозотоксичности и разработке безвредных сахарозаменителей. Наряду с анализом литературных данных в работе представлены результаты наших собственных исследований по фармакологической регуляции уровня глюкозы в крови у больных сахарным диабетом.
Известно, что среди причин смертности на первом месте стоят сердечно-сосудистые, на втором – онкологические заболевания, а на третьем – сахарный диабет. Если учесть, что основное место в показателях смертности от сердечно-сосудистых заболеваний занимают больные сахарным диабетом и «метаболическим синдромом», то статистические показатели будут выглядеть несколько иначе, и первое место займет патология углеводного обмена как первичная причина всех последующих нарушений. Поэтому сахарный диабет называют эпидемией XXI века. Сегодня во всем мире сахарным диабетом болеют около 180 млн человек и, по прогнозам, к 2010 г. их количество увеличится до 240 млн. Примерно каждые 10–15 лет их численность удваивается. Распространенность этого заболевания в развитых странах достигает 8-10 % населения. В Украине насчитывается 1 млн больных сахарным диабетом (2 % населения), т. е. каждый пятидесятый житель. Специалисты считают, что эти цифры значительно занижены из-за отсутствия эффективной системы ранней диагностики. Установлено, что у 70–80 % больных сахарным диабетом имеется избыточная масса тела, а у 40–60 % людей с ожирением развивается сахарный диабет, что диктует необходимость разработки лечебных и профилактических мероприятий, способствующих ее снижению.
Кроме того, в последние годы прошлого столетия было установлено, что одним из основных факторов риска развития сердечно-сосудистых заболеваний и преждевременной смертности является нарушение регуляции уровня сахара крови после еды. Такое состояние наблюдается у значительной части населения, когда еще не предъявляются серьезные жалобы на ухудшение здоровья. Оно получило название «метаболический синдром», внешним проявлением которого является «мужской» тип ожирения (живот в виде яблока). Описанный синдром является фактором риска развития гипертонической болезни, заканчивающейся инсультом, или ишемической болезни сердца, исходом которой является инфаркт миокарда. Выявлено, что распространенность метаболического синдрома в США составляет 20–25 % среди взрослого населения, а в старших возрастных группах его частота достигает 50 %, что связывают с увеличением количества лиц, страдающих ожирением. При сочетании такого состояния с другими, часто встречающимися факторами риска (например, курение, привычка употреблять жирную пищу, частые стрессовые ситуации, сопровождающиеся повышением артериального давления), продолжительность жизни сокращается еще более значительно.
Многие люди, не испытывающие проблемы со здоровьем, не задумываются над этими вопросами, надеясь, что наука предоставит им гарантированные средства, которые позволят излечить возникшие заболевания и продлить годы жизни. Однако такое средство – не фармацевтический препарат, а четкое соблюдение здорового образа жизни.
Одна из проблем современного общества заключается в том, что человек, вооружившись научными и техническими знаниями, пытается исправить или улучшить природу, зачастую получая при этом результаты, наносящие ему вред. В настоящее время доступна любая пища, даже та, которая раньше потреблялась только состоятельными людьми. Но это не означает, что наш современник питается так же правильно, как наши предки, которые употребляли еду в соответствии с возможностями своей пищеварительной системы и потребностями организма. На протяжении тысячелетий люди, как и другие представители животного мира, питались природными продуктами, не используя рафинированные сахара и жиры.
Избыточное потребление очищенных легкоусваиваемых сахаров требует выделения большого количества инсулина. Поджелудочной железе наших предков не приходилось ежедневно работать с таким напряжением, как это наблюдается у представителей современного общества. Рафинированная пища берет с людей дань, награждая их ожирением, подагрой, сахарным диабетом и другими заболеваниями, связанными с неправильным питанием и нарушением обмена веществ. Минимум три раза в день на протяжении всей жизни происходит отрицательное ее воздействие на организм, что значительно сокращает годы жизни. Перефразируя японскую поговорку о сакэ, можно сказать, что «вначале люди едят сладкое, а затем сладкое ест человека».
Отношение людей к питанию и эволюцию их взглядов можно продемонстрировать на примере, который привел в разговоре с нами один из немецких диетологов. Если после войны изголодавшиеся люди стремились утолить голод и потребляли любую пищу, лишь бы насытиться, то по мере улучшения экономического положения они переключались на избыточный прием вкусной, изысканной пищи. После того, как эта потребность была удовлетворена и прием любой пищи уже не являлся проблемой, они начали задумываться о здоровом питании – как не нанести вред организму и продлить годы жизни.
В настоящее время большинство людей цивилизованных стран предпринимают попытки решить проблему, как избежать грядущих последствий избыточного потребления рафинированных сахаров. Однако не всем удается решить возникшую проблему. Причиной этого являются субъективные и объективные факторы. Субъективный фактор связан с неумеренным и неразумным построением собственного рациона питания. Объективный фактор обусловлен изменением особенностей питания в обществе по мере возрастания употребления продуктов, производимых промышленностью. Осознав, что такое здоровая пища, люди часто не могут добровольно отказаться от укоренившихся привычек. Для этого необходимо иметь силу воли. И вот диетологи пошли другим путем – «обмануть» вкусовые ощущения, применяя безвредные сладкие вещества. Так появились сахарозаменители, которые позволяют человеку наслаждаться привычным сладким вкусом пищи, не опасаясь последствий. Однако во многих странах люди не могут купить необходимую еду в близлежащем магазине, заходя в который после рабочего дня, они видят мясные жирные продукты, мучные изделия и сладости. Готовить самому здоровую пищу современному занятому человеку некогда, а не найдя ее в магазине, он покупает то, к чему привык, чтобы утолить голод. И так каждый день. Поэтому в цивилизованных странах в настоящее время интенсивно развивается промышленное производство «здоровых» пищевых продуктов. К сожалению, в Украине этот процесс идет очень медленно, а пропаганда рационального питания проводится недостаточно. Учитывая особое значение пищевых сахаров в развитии сахарного диабета и сердечно-сосудистых заболеваний, в первую очередь необходимо наладить выпуск продуктов, изготовленных на основе сахарозаменителей, чтобы каждый человек после трудового дня мог приобрести в магазине вкусные продукты и полезные для организма. Решить проблему возможно при объединении усилий врачей, гигиенистов, производителей, дестрибьюторов и продавцов пищевых продуктов. Выпадение одного из звеньев цепи делает работу другого звена малоэффективной.
Сами сахарозаменители не обладают лечебными свойствами, но их применение стимулирует такое явление, которое называют «аутофармакологией организма», когда происходит нормализация нарушенного дисбаланса в обмене веществ и улучшение состояния больного. Кроме того, сахарозаменители можно также отнести к средствам «профилактической фармакологии», так как систематическое их употребление вместо сахара снижает риск возникновения сахарного диабета, метаболического синдрома и сердечно-сосудистых заболеваний.
В настоящее время в мире производится довольно большое количество сахарозаменителей и подсластителей, в свойствах которых трудно разобраться как врачу, дающему диетические рекомендации больному, так и потребителям, желающим ограничить прием углеводов, заменив их другими продуктами. Поэтому цель настоящей книги – восполнить имеющийся информационный пробел и представить основные сведения о сахарозаменителях, предварительно осветив современные данные о вредных последствиях избыточного применения пищевых рафинированных сахаров.
Часть I. Сахара
Глава 1
Особенности восприятия сладкого вкуса
Под вкусовым ощущением понимают то представление, которое возникает в психике человека после взаимодействия определенных химических веществ со специфическими рецепторными структурами периферического вкусового анализатора. Эволюционно чувство вкуса развилось как вспомогательная реакция, позволяющая оценить качество пищи. При этом проявляется положительная или отрицательная реакция, которая определяется образом жизни животного и характером питания. Положительная реакция на сладкое свойственна травоядным животным, поедающим растительную и смешанную пищу. Реакция хищников на сладкое обычно нейтральная или даже отрицательная. У большинства животных наблюдается отрицательная реакция на продукты с горьким вкусом. В то же время у некоторых птиц, питающихся насекомыми, имеющими горький вкус, она положительная. Однако такие птицы, как попугаи и колибри, которые питаются нектаром и фруктами, реагируют, положительно на сладкое.
Реакция на различные вкусовые вещества меняется в процессе индивидуального развития. Так, грудные дети положительно реагируют на сладкое и кислое, отрицательно – на горькое и соленое. В более позднем возрасте реакция на солёное часто становится положительной. Наибольшего развития органы вкуса достигают у животных, медленно жующих и переваривающих пищу. Животные, быстро поглощающие пищу, обладают слабо развитыми органами вкуса (например, киты).
У большинства беспозвоночных животных, особенно живущих в водной среде, органы вкуса и обоняния недостаточно резко разграничены, вследствие чего обладают общим химическим чувством. Такая связь между вкусом и обонянием характерна и для млекопитающих. Например, разнообразие ощущений, связанных с фруктами, обусловлено их запахами, и при сильном насморке блюда из фруктов становятся безвкусными (Я. А. Винников, 1976).
Для позвоночных животных характерна зависимость между способом питания и распределением рецепторов, а также их числом. У большинства животных органы вкуса расположены в полости рта – у рыб 20 тыс. вкусовых луковиц, у пресмыкающихся – около 200 тыс., у птиц – от 50 до 400 тыс., у млекопитающих – до 2 тыс. Вкусовые луковицы, или почки у всех позвоночных построены практически одинаково и сосредоточены во вкусовых сосочках языка, которые у всех млекопитающих бывают трех видов: грибовидные сосочки, чувствительные к сладкому и соленому, расположены ближе к кончику языка; вальковатые или желебоватые сосочки, преимущественно воспринимающие горький вкус, расположены у корня языка; листовидные сосочки, расположенные по краю языка, чувствительны к кислому и соленому. Зоны, воспринимающие вкусовые ощущения, перекрываются, поэтому, воздействуя на любую область, можно получить соответствующее восприятие, но при этом требуется значительно большая концентрация. Например, для ощущения сладкого вкуса с корня языка требуется воздействие на него раствором большей концентрации, чем для кончика языка. Средняя часть языка вообще лишена вкусовой чувствительности (рис. 1).
У рыб, которым вкус позволяет не только определять качество пищи, но также отыскивать ее, органы вкуса могут располагаться не только в ротовой полости, но также по всему телу, особенно на жабрах и усиках.
Необходимо отметить, что вкусовые ощущения возникают только после воздействия на органы вкуса химических веществ в растворенном виде.
Исследование вкусовых особенностей различных веществ у человека проводится путем нанесения на поверхность языка из пипетки исследуемого раствора. При этом испытуемый должен передавать свои ощущения знаками или путем выбора специально заготовленных бумажек с обозначением необходимых показателей, так как при разговоре он может сделать глотательное движение, при котором исследуемый раствор может расплыться по языку и ротовой полости. Перед каждым последующим исследованием необходимо тщательно прополоскать рот и сделать кратковременную экспозицию. Одна из первых классификаций вкусовых ощущений была дана М. В. Ломоносовым: «Главные из более отчетливых вкусовых ощущений такие: 1) вкус кислый, как в уксусе; 2) едкий, как в винном спирте; 3) сладкий, как в меде; 4) горький, как в смоле; 5) соленый, как в соли; 6) острый, как в дикой редьке; 7) кисловатый, как в незрелых плодах. Которые из них простые, которые сложные, можно будет объяснить не раньше, чем когда известна будет природа начал». В тибетской медицине выделяют шесть вкусовых ощущений: сладкое, кислое, вяжущее, горькое, жгучее и соленое.
В настоящее время установлено, что вкус представлен четырьмя видами ощущений – ккислому, сладкому, соленому и горькому. Самый тщательный анализ не позволяет каждое из них разложить на более простые составляющие. Исключение – пчелы, которые в отличие от человека горькие вещества воспринимают в виде двух компонентов. Все остальные виды вкусовых ощущений представляют собой комбинацию основных четырех составляющих. Воздействуя смесями растворов с различными концентрациями кислого, соленого, горького и сладкого, можно получить вкусовые ощущения яблока, груши, пива, кваса, чая и других продуктов.
Установлено, что большинство животных (рыбы, млекопитающие, птицы) способны различать все перечисленные вкусовые качества пищи. Доказательством самостоятельности каждого из перечисленных видов вкусовых ощущений является возможность их изолированного выключения. Так, слабые растворы кокаина сначала снижают чувствительность к горьким веществам, а гимнемовая кислота приводит к выпадению ощущения сладкого.
Ранее пытались выделить еще три вида вкусовых ощущений – «металлический», «щелочной» и «терпкий» вкус, но в последующем пришли к заключению, что они являются результатом комплексного воздействия на разные органы чувств.
При изучении органов вкуса выделяют такие понятия, как вкусовая чувствительность, порог различия, скрытый период вкусового ощущения, вкусовая адаптация и вкусовой контраст. Вкусовая чувствительность характеризуется той минимальной концентрацией вещества, которая вызывает вкусовые ощущения. Она различна для разных веществ. Наибольшая относительная чувствительность проявляется к горьким веществам. Для сахара пороговая концентрация равна приблизительно 0,4 г в 100 мл воды (или 0,01 молярного раствора); для поваренной соли – 0,05 г. в 100 мл воды (или 0,01 молярного раствора); для соляной кислоты – 0,003 г. в 100 мл воды (0,0007 молярного раствора); для солянокислого хинина – 0,000008 г. в 100 мл воды (0,0000001 молярного раствора).
Порог различия определяется величиной минимально ощутимой разницы в концентрации растворов вкусовых веществ. Порог различия снижается при переходе от слабых концентраций к более высоким. Однако после достижения определенной величины концентрации порог различия повышается, что не позволяет уловить разницы после повышения содержания вещества в растворе. Например, известно, что максимально сладким вкусом обладает 20 % раствор сахара и дальнейшее увеличение его концентрации не вызывает нарастания вкусовых ощущений.
Скрытым периодом вкусового ощущения является время, которое необходимо для проявления соответствующего ощущения после нанесения вкусового раздражения. Скрытый период соленого вкуса является самым коротким (0,12-0,5 с), а горького – самым длинным (0,22-2,2 с).
Вкусовая адаптация характеризуется тем, что при длительном воздействии на орган вкуса происходит уменьшение восприятия, вплоть до полной его потери. Адаптация к различным веществам происходит с различной скоростью: медленнее всего – к кислому и горькому, а быстрее всего – к сладкому и соленому. Уменьшение чувствительности и ее восстановление для каждого вещества происходит независимо от других вкусовых ощущений. Так, при снижении чувствительности к горькому ощущение сладкого вкуса не изменяется и наоборот. Это явление подтверждает тот факт, что в основе каждого из вкусовых ощущений лежат различные нервно-рецепторные образования. Вкусовой контраст проявляется в усилении одного из вкусовых ощущений после воздействия на вкусовой анализатор другого вкусового раздражителя. Так, известно, что после прополаскивания рта соленой водой пресная вода приобретает сладковатый вкус. На этом эффекте основано применение горьких препаратов для повышения вкусового восприятия. Подобное явление сенсибилизации к какому-либо вкусовому веществу происходит после многократного его воздействии на вкусовой анализатор в пороговых концентрациях. Вкусовая чувствительность при этом может возрастать на 30-110 %. Известно, что сладкие вещества уменьшают горечь или же, наоборот, усиливают, если используются соединения со смешанным вкусом. Однако если вкусовые ощущения следуют одно за другим, то после воздействия сладкого вещества вкус горького усиливается. Общий эффект зависит от того, какой вкус доминирует, т. е. от концентрации соответствующих компонентов.
Как же работает орган вкуса? Как он различает вкусовые вещества? Главный структурный элемент вкусового анализатора – вкусовой рецептор, который обладает свойством связывать молекулы с определенной конфигурацией и вызывать соответствующее ощущение.
Вкусовой анализатор является сложной морфофункциональной системой, обеспечивающей тонкий анализ химических раздражителей, действующих на органы вкуса животных. Анализатор состоит из собственного органа вкуса, проводниковых структур и центрального отдела в структурах продолговатого мозга, зрительных бугров и коры больших полушарий. Первичное распознавание вкусовых сигналов происходит на уровне хеморецепторов, а анализ вкусовых ощущений – в центральной нервной системе.
Установлено, что строгого соответствия между химическим строением молекулы вкусовых веществ и взаимодействием с вкусовым рецептором не существует. Только соленый и кислый вкус свойствен веществам определенных химических типов. Кислый вкус определяется концентрацией водородных ионов. При одинаковых рН слабая кислота – более эффективный раздражитель, чем сильная. Соленым вкусом обладают различные соли, но только хлористый натрий имеет чистый соленый вкус без привкуса горечи или кислоты. При возрастании молекулярной массы неорганических солей их вкус меняется от соленого к горькому.
Наиболее выраженное несоответствие между строением и вкусом проявляется у сладких и горьких веществ. Ощущение горького определяется содержанием в молекуле парных группировок – NO
, N, – SH, – CS и др. Сладкий вкус вызывают различные вещества – сахара, спирты, аминокислоты, белки и др.
Ранее было высказано предположение, что вкус ациклических полиолов (этандиола, глицерина и др.), которые по своей структуре сходны с сахарами, обусловлен числом гидроксильных групп в молекуле. Однако это мнение оказалось ошибочным. Так, полиолы с пятью гидроксильными группами (например, ксилит) оказались слаще, чем молекулы с шестью группами (например, сорбит), а вещества с одинаковым количеством групп (галактоза и глюкоза) значительно отличаются друг от друга по интенсивности вкуса.
Согласно гипотезе Шелленберга, которую он высказал в 1963 г., взаимодействие между вкусовым веществом и рецептором осуществляется за счет образования водородной связи, что обусловливает восприятие, а прочность связи ответственна за интенсивность ответа. Он пришел к выводу, что геометрическое расположение молекулы сладкого вещества, его конфигурация и конформация имеют важное значение для взаимодействия с рецептором и прочности образующегося комплекса. В дальнейшем было показано, что появление сладкого и горького вкусового ощущения определяется стереохимией молекулы вещества, вызывающего вкус. Удалось доказать, что сладкие вещества легко превратить в соединения, обладающие горьким вкусом. Эти данные позволили предположить, что вкусовые рецепторы имеют зоны для сладких и для горьких веществ, а молекулы сладких или горьких соединений могут взаимодействовать с каждой из них. Доказательством этому служил тот факт, что ощущение горького вкуса снижается после насыщения рецептора языка сахарозой. Аналогично сладкий вкус уменьшался после насыщения рецепторов хинином. На основании этого высказано предположение, что центры рецепторов, отвечающих за сладкий и горький вкус, должны находиться на расстоянии не более 0,3–0,4 нм друг от друга.
В настоящее время окончательно доказано, что сладкий вкус обусловлен формой и размерами вещества его молекулы, и от этих свойств зависит ее взаимодействие с рецепторами вкусовых сосочков в полости рта («Scientific American», 1990, № 1). У многих искусственных сладких веществ в молекуле две кольцевые структуры, соединенные короткой цепочкой атомов, угол изгиба которой равен 90
. Кольца лежат в одной плоскости, и молекула напоминает букву L. Если такую сладкую молекулу химически модифицировать, чтобы ее два кольца не находились в одной плоскости, то вещество становится безвкусным или горьким.
Было синтезировано несколько веществ с гибкой цепочкой, соединяющей кольцевые структуры так, чтобы они могли вращаться относительно друг друга. При этом они вначале ощущались как горькие, а потом как сладкие. Эти данные позволяют предсказывать вкусовые свойства вещества еще до того, как оно будет синтезировано.
Результат последних исследований в области молекулярной биологии и биохимии вкуса свидетельствуют, что для молекул каждого вкуса существует индивидуальный механизм контакта с рецепторной клеткой. В основном передача горького и сладкого вкуса осуществляется путем контакта с рецепторами ассоциированными с G-белком, в то время как передача соленого и кислого вкуса зависит от ионных каналов. Специфический G-белок трансдуцин, открытый профессором Робертом Маргольски, запускает в действие сложные механизмы биохимических реакций и усиливает сигналы, генерируемые клеткой для передачи в ЦНС. Однако не все виды горького вкуса передаются посредством зтого механизма. Горечь кофеина, например, передается посредством ингибирования фосфодиэстеразы рецепторной вкусовой клетки.
Временная блокада рецепторов горького вкуса даст возможность обманывать вкусовые ощущения, Разработкой веществ, обладающих такими свойствами, занимается биотехнологическая компания Linguagen Corporation из города Кренбери (штат Нью-Джерси), производя молекулярные соединения, способные блокировать горький вкус в пище, напитках и лекарствах. Роберт Маргольски, профессор физиологии, биофизики и фармакологии медицинского колледжа Mount Sinai в Нью-Йорке (США), а также один из основателей компании «Linguagen», провел несколько исследований, доказывающих возможность «блокировки горького вкуса при помощи таких специфических веществ, которые могут нарушать передачу информации о горьком вкусе на различных уровнях восприятия. Оказалось, что подобные вещества встречаются в естественных условиях, например, в грудном молоке матери. При добавлении в некоторые продукты так называемых «блокаторов горечи» последние избавляют их от неприятных оттенков вкуса. Предполагают, что это позволит в будущем наслаждаться мягким, некрепким вкусом кофе, не добавляя в него сливки, а грейпфрутовый сок станет сладким даже без сахара.
Вкусовой анализатор начинает функционировать с первых дней жизни ребенка. Уже в этот ранний период происходит дифференцированное восприятие различных вкусовых ощущений. И. П. Павлов считал, что химический вкусовой анализатор ротовой полости, расположенный на границе соприкосновения внутренней среды с внешней, является первым регулятором состава внутренней среды и, вероятно, значение вкусового анализатора в развитии метаболических нарушений многие годы недооценивалось, в частности при возникновении заболеваний, связанных с нарушением питания. Кроме того, доказано, что вкусовой анализатор может влиять на другие жизненно важные системы организма. После введения вкусовых веществ в ротовую полость наблюдается изменение ритма сердечных сокращений, величины кровяного давления, температуры кожных покровов, кровенаполнения сосудов головного мозга и конечностей. При этом установлено, что разные вкусовые вещества имеют свои особенности. Так, сладкие продукты вызывают рефлекторное расширение кровеносных сосудов и увеличивают кровенаполнение конечностей, снижают внутричерепное давление и повышают кожную температуру. С другой стороны, кислые вещества оказывают сосудосуживающее действие, снижают температуру тела, уменьшают кровенаполнение конечностей, повышают частоту пульса и величину кровяного давления. Это явление, вероятно, послужило основой для создания учения о «холодных» и «горячих» свойствах пищи в Восточной медицине.
Исходя из этих данных, можно сделать вывод, что постоянное избыточное воздействие на анализатор, который является важной частью нервной системы, может приводить к нарушению функционирования других систем организма. Привычка получать определенные вкусовые ощущения, удовлетворение этой привычки, могущей превратиться в потребность, является началом, первоисточником, ведущим к поступлению в организм тех пищевых продуктов, которые вызывают в последующем заболевание. Поэтому лечение подобных заболеваний и их профилактику необходимо проводить на уровне вкусового анализатора. Основная цель любого живого существа, предначертанная природой, – это продление вида, размножение. Осуществляют эту цель три основных рефлекса – пищевой, половой и самосохранения. Основой для пищевого рефлекса, его формирования и развития являются вкусовые ощущения.
Если мы выделяем заболевания, связанные с нарушением питания, если пищевой рефлекс – один из основных стимулов, определяющих жизнедеятельность организма, то в основе этих явлений лежат вкусовые ощущения, которые влекут живой организм к осуществлению соответствующих действий, определяют его поведение и, часто, возникновение болезней питания.
Глава 2. Сахара – их структура и свойства
Сахара широко распространены в животном и растительном мире. В химическом отношении эти вещества объединяет общая суммарная формула C
H
O
(H
O)
. Первый относительно успешный элементный анализ сахаров был проведен Ж. Л. Гей-Люссаком и Л. Ж. Тенаром. В 1810 г. они провели органические анализы 19 веществ, среди которых были пищевой сахар и белки. В 1814–1815 гг. Й. Я. Берцелиус, улучшив методику элементного анализа, сравнивал состав молочного сахара и «слизевой кислоты». Дальнейшее уточнение формул было связано с деятельностью Ю. Либиха и его учеников, много сделавших для развития органического анализа и получивших данные, еще более приближенные к точным.
В 1840–1841 гг. Ю. Либих определил сахара как сочетания радикалов этила и ацетила, но отнес их к ряду веществ, которые не поддаются дальнейшей классификации. Одновременно было обращено внимание на то, что в сахарах кислород и водород содержатся в таких же соотношениях, в каких эти элементы входят в состав воды. Это явилось причиной введения нового термина «углевод» для обозначения сахаров. Термин был предложен профессором Дерптского (Тартуского) университета Карлом Шмидтом (1822–1894 гг.) в 1844 г. в статье «О растительных слизях и бассорине». Название возникло в связи с тем, что сначала были известны лишь те представители этого класса веществ, которые по составу как бы являются соединениями углерода с водой. Однако оно не полностью отражает сущность этих соединений, так как атомы водорода и кислорода не входят в состав молекул в качестве воды, а представлены главным образом в виде гидроксильных, альдегидных и кетоновых групп. Поэтому были предложены другие названия: глюциды, сахариды, сахара. Эти термины основаны на том факте, что большинство сахаров (за исключением полисахаридов) имеют сладкий вкус.
Сахара, или углеводы, разделяются на три группы:
1. Моносахариды (монозы) – это сахара, неспособные к гидролитическому расщеплению. По числу углеродных атомов моносахариды делятся на: тетрозы, содержащие 4 углеродных атома; пентозы, содержащие 5 углеродных атомов; гексозы, содержащие 6 углеродных атомов; гептозы, содержащие 7 углеродных атомов, и т. д.
2. Олигосахариды – вещества, гидролизующиеся на небольшое количество молекул (2–6) моносахаридов. Олигосахариды разделяются на:
1) голозиды – соединения, состоящие исключительно из моносахаридов;
2) гетерозиды – вещества, которые при гидролизе, кроме моносахаридов, образуют также другие молекулы – агликоны.
3. Полисахариды – состоят из значительного количества молекул моносахаридов, связанных между собой.
М. Рубнер определил среднюю величину теплоты сгорания сахаров – 4,1 ккал/г. Величины теплоты сгорания отдельных сахаров составляют (ккал/г): глюкоза – 3,75, фруктоза – 3,76, лактоза – 3,95, сахароза – 3,96, гликоген – 4,19, крахмал – 4,20. У. Этуотер обнаружил, что в организме сахара усваиваются не полностью, и предложил поправки, позволяющие вычислить так называемую метаболизируемую энергию. При гидролизе гликозидных связей полисахаридов в процессе пищеварения теряется около 0,6 % энергии, заключенной в этих углеводах; в форме макроэргических связей АТФ аккумулируется только около 39 % энергии глюкозы.
Молекулы моносахаридов содержат атомы асимметрического углерода. Это атомы углерода, четыре валентности которых насыщены разными радикалами (атомами или группами атомов). Наличие таких атомов в молекуле создает возможность существования двух видов изомеров каждого соединения, причем одно является зеркальным отражением другого. Символы D и L указывают на положение групп Н и ОН при предпоследнем углероде, независимо от того, в какую сторону раствор данного вещества вращает плоскость поляризации. Растворы веществ, содержащих в молекуле асимметрический углерод, обладают свойством вращать плоскость поляризованного света, они оптически активны. Поляризованным светом называется свет, в котором колебания, перпендикулярные ходу светового луча, происходят в одной плоскости. Изомеры, вращающие плоскость поляризации вправо, называются правовращающими (символ +), поворачивающие влево – левовращающими (-). Направление поворота определяется наблюдателем, на которого падает луч. Смесь изомеров L и D равной концентрации растворов дает оптически пассивный раствор (рацемат). Если в молекуле находятся два асимметрических углерода (один правовращающий, а другой левовращающий), связанные с одинаковыми радикалами, соединение будет оптически пассивно. При наличии нескольких асимметрических атомов в молекуле знак вращения плоскости поляризованного света может не совпадать с названием ряда; например, природная ?-фруктоза принадлежит к D-ряду, но ей присуще левое вращение, поэтому ее называют еще левулезой (А. Т. Пилипенко и соавт., 1985).
Кроме того, переход альдегидной формы глюкозы в циклическую полуацетальную сопровождается появлением пятого асимметрического атома углерода и двух оптических изомеров: (полуацетальный, гликозидный, гидроксил справа, а атом водорода слева) и (гликозидный гидроксил слева, а атом водорода справа):
Н. Хоуорс предложил новую номенклатуру углеводов, в которой полуацетальные формы моносахаридов с шестичленным кольцом назывались пиранозными формами (пиранозами), а с пятичленным – фуранозными (фуранозами). Эти названия были образованы от соответствующих кислородсодержащих гетероциклических соединений – фурана и пирана. Согласно этой номенклатуре, полуацетальная форма глюкозы с шестичленным кольцом называется глюкопиранозой, а полуацетальная форма фруктозы с пятичленным кольцом – фруктофуранозой.
Установлено, что в кристаллическом состоянии моносахариды находятся в полуацетальной форме, а в растворах образуют равновесную смесь полуацетальной и альдегидной форм.
Моносахариды в природе представлены преимущественно пентозами и гексозами. Четырехатомные сахара встречаются реже. Пентозы существуют в природных условиях главным образом как составные части молекул более сложно построенных веществ, например, сложных полисахаридов, носящих название пентозанов (С
Н
О
)
, а также растительных камедей. Пентозы в значительном количестве (10–25 %) содержатся в древесине и соломе. Одним из представителей пентоз является L-арабиноза, которая входит в состав гуммиарабика, или аравийской камеди, из которой ее обычно и получают.
Наиболее распространены в природе пентозы D-ксилоза, Dрибоза и D-дезоксирибоза: D-ксилоза образуется при гидролизе ксиланов, входящих в состав древесины, соломы, мякины или подсолнечной лузги. Остатки D-рибозы и D-дезоксирибозы входят в состав нуклеиновых кислот ядерных белков – нуклеопротеидов и некоторых других веществ, играющих огромную биологическую роль.
Наиболее распространенной гексозой является глюкоза, или виноградный сахар. Пространственный изомер глюкозы – гексоза галактоза, которая (одновременно с глюкозой) входит с пентозами и другими веществами в состав некоторых гликозидов, полисахаридов, а также в состав некоторых сложно построенных веществ мозга.
Производными моносахаридов, также обладающими сладким вкусом, являются четырех-, пятии шестиатомные спирты. Как и сахара, они существуют в виде нескольких пространственных изомеров. Наиболее известны пятиатомные спирты арабит и ксилит, а также шестиатомные – сорбит, маннит и дульцит. Среди природных сахароспиртов в заметном количестве встречается глицерин, являющийся важным компонентом липидов, и инозит, существующий в нескольких стереоизомерных формах (наиболее распространенной является миоинозит). Инозит обнаружен не только в составе липида фосфатидилинозита, но и в составе фитиновой кислоты.
Следует указать, что некоторые моносахариды образуют сахарные кислоты, имеющие важное значение в жизнедеятельности организма. Наиболее известны уроновые кислоты – продукты окисления моносахаридов путем превращения первичной спиртовой группы в карбоксил (при сохранении альдегидной группы). Названия уроновых кислот производятся от названий моносахаридов с прибавлением слова уроновая, например: глюкуроновая, галактуроновая и т. д.
Уроновые кислоты, подобно моносахаридам, существуют в растворах в виде нескольких таутомерных форм: циклической и ациклической. Глюкуроновая кислота принимает участие в обезвреживании токсических продуктов путем образования глюкуронидов. Одной из наиболее важных сахарных кислот является аскорбиновая кислота (витамин С), которая существует в природе в двух формах. В растениях до 70–80 % сухой массы приходится на углеводы. В органах и тканях человека и животных содержится не более 2 % углеводов на сухую массу ткани, в основном это гликоген печени и мышц. В крови человека наряду с глюкозой выявлены фруктоза (0,5–5 мг/100 мл), пентозы (1,8–3,3 мг/100 мл), следы галактозы, маннозы, лактозы, мальтозы, сахарозы и гликоген в концентрации 7-15 мг/100 мл. У детей содержание гликогена в крови достигает 20 мг/100 мл. Схема строения углеводов представлен на рис. 2.
Углеводы – основные поставщики энергии в питании человека. Как правило, на их долю приходится более 50 % калорийности и почти 3/4 массы суточного рациона. Углеводы пищи – сахароза, лактоза, крахмал, декстрин – подвергаются в организме различным превращениям с образованием глюкозы, являющейся основным сахаром крови и участвующей в образовании гликогена тканей и, наряду с галактозой, глюкозамином и галактозамином, входит в состав гликоконъюгантов.
В природе роль углеводов не ограничивается резервными функциями, заключающимися в покрытии непрерывного расхода энергии в процессе жизнедеятельности, или структурноопорной функцией, характерной, например, для целлюлозы или хитина. Глюкоза также необходима в организме как предшественник пентоз, уроновых кислот и фосфорных эфиров гексоз. В процессах обмена углеводов возникают промежуточные продукты, которые используются для синтеза различных неуглеводных соединений. У растений таким путем синтезируются фенолы, органические кислоты, дубильные вещества, аминокислоты, белки, жиры и др.; у человека и животных при гликолизе образуются биосинтетические предшественники липидов, а в пентозофосфатном пути – предшественники нуклеиновых кислот. Было доказано, что фотосинтез, обеспечивающий синтез органических веществ на Земле, является в основном процессом превращения фосфорилированных сахаров.
При исключении углеводов из диеты возникает тенденция к алиментарной гипогликемии, которая компенсируется усилением глюконеогенеза. Это может приводить к кетозу и ускоренному расходованию белка. При этом ослабляется образование печенью парных соединений с участием глюкуроновой кислоты, что снижает антитоксическую резистентность. В тоже время, введение углеводов в организм неспецифически улучшает детоксикационную функцию печени. Стресс как процесс, обеспечивающий повышение устойчивости жизненно важных органов и тканей к острой гипоксии, в значительной мере основан на мобилизации и ускоренном транспорте в эти ткани и органы глюкозы.
Рис. 2. Схема строения углеводов (H. Andersson, N. G. Asp, S. Hallman, 1986)
Таблица 1. Сладость различных сахаров относительно сладости сахарозы, принятой за 1
Известно, что сладким вкусом обладают моносахариды, дисахариды и многоатомные спирты. Полисахариды не имеют сладкого вкуса. Наибольшей сладостью, по сравнению с тростниковым сахаром, обладает фруктоза. Сладость в основном определяется путем органолептического сравнения различных моносахаридов со сладостью сахарозы; при этом определяется наименьшая концентрация вещества, способная вызвать ощущение сладости. Ниже приводятся сведения о сравнительной сладости различных сахаров (табл. 1).
В следующих главах мы остановимся более подробно на свойствах некоторых из перечисленных выше веществ.
Глава 3. Дисахариды
3.1. Пищевой сахар – его вред и польза
Сахар в Европе известен с IV в. до н. э., когда воины Александра Македонского пришли в Индию и увидели белое сладкое вещество, которое местные жители называли «саккара». Это слово сохранилось во многих языках, конечно, трансформировавшись. В Индии сахар производили из сахарного тростника, который отсюда и вывезли в Африку, Европу и Америку. С давних времен жители Азии умели не только культивировать сахарный тростник, но очищать и отбеливать извлеченный из тростника продукт. Сахарный тростник относится к крупным злаковым растениям, близким к бамбуку и камышу. Его суставчатые стебли с обхватывающими листьями могут достигать от 2 до 4 м в высоту; они содержат сердцевину белого цвета, заполненную сахарным сиропом, который выжимается из тростника. Сбор урожая тростника производится через три месяца после цветения.
Арабам рафинированный сахар был известен задолго до средневековой Европы, куда он попал в эпоху крестовых походов. Этот сладкий продукт следовал из Индии через Александрию, а затем транспортировался венецианцами и португальцами, которым принадлежала монополия, отвоеванная позже благодаря открытию морского пути в Восточную Индию. Сахар долгие годы оставался редким и дорогим продуктом. В конце ХIII в. культура сахарного тростника распространилась из Индии в Аравию, а оттуда – в Египет; в ХIV в. она достигла Сицилии; в XV в. португальцы начали выращивать сахарный тростник в принадлежавшей им Мадере, а испанцы стали культивировать его не только на Канарских островах, но и на юге собственной страны, что дало прекрасные результаты. В Провансе, напротив, попытки акклиматизации не удались.
Новый этап был преодолен, когда наследники Христофора Колумба в 1506 г. ввезли сахарный тростник в Сан-Доминго, откуда он распространился на Кубу, в Мексику и Бразилию.
В 1596 г. Андреа Чезальпино впервые описал кристаллизацию сахара, что укрепило представление о нем как об опреде-ленном веществе, а не смеси. Большой вклад в очистку сахаров внес А. Сала (1576–1637), автор «Сахарологии» – первого трактата, полностью посвященного тростниковому сахару, его производству, очистке и применению. Первую попытку получить свекловичный сахар предпринял Оливье де Серр в 1590 г., однако он получил неочищенный продукт. В 1747 г. Андрес Сигизмунд Маргроф также выделил сахар из свеклы, а в 1786 г. немецкий физик-химик Франц Карл Ахард изобрел метод, дающий возможность извлекать сахар из отличавшихся сахаристостью сортов свеклы. С начала ХIХ в. стало постепенно развиваться свекловодство. Открытие производства сахара из свеклы явилось важнейшим средством решения проблемы импорта сахарного тростника, приобретя особую актуальность в период правления Наполеона. Во время континентальной блокады и прекращения торговли морским путем французская Империя неожиданно оказалась лишенной американского сахара. Наполеон принудил химиков усовершенствовать методы выделения сахара из сахарной свеклы, которую к тому времени начали уже серьезно культивировать.
Первый в России сахарный завод был построен в начале XVIII в. по приказу Петра I в Петербурге. «Сахарную палату» открыли и в Московском Кремле. Но сахар вырабатывался из сырья, привозимого из-за границы. С конца XVIII в. соперницей сахарного тростника в России стала сахарная свекла, оказавшаяся менее прихотливым растением. В 1802 г. в селе Алябьево под Тулой было впервые налажено производство сахара из отечественного сырья. С этого времени в центральной России, в Украине и других регионах начинается строительство сахарных заводов.
В настоящее время сахар производится из сахарной свеклы (содержит 16–20 % сахарозы) или сахарного тростника (содержит 14–26 % сахарозы). В процессе их переработки образуются кристаллы сахарозы, имеющие температуру плавления 184–185
С. По химическому составу сахароза классифицируется как углеводдисахарид, состоящий из глюкозы и фруктозы. Она легко растворима в воде (при 20
С – 67 %) и легко дает перенасыщенные растворы (сиропы). При нагревании выше температуры плавления сахароза буреет, разлагается (с выделением воды) и превращается в карамель – сложную смесь продуктов разложения.
В 1818 г. Жаном Био было открыто явление оптического вращения тростникового и свекловичного сахаров в водных растворах. Он же определил величину этого вращения. В «Приложении» к своему «мемуару» Био говорил и об инверсии тростникового сахара под действием кислот. Дюбранфо принадлежит факт открытия самих индивидуальных сахаров, образующихся при гидролизе. При этом правовращающий сахар оказался виноградным сахаром, а вновь открытый сахар (левулоза) впоследствии был назван плодовым сахаром, или фруктозой.
Кроме сахарного тростника и свеклы сахароза также содержится в сахарном клене (Acer saccharum Marsh), который растет в лесах на востоке Канады и главным образом в США. Пробуравливая весной стволы сахарного клена, добывают сок, содержащий 3–5% сахарозы, который используют для получения сахара и сахарного сиропа. Его продают в виде «кленового сиропа» или в высушенном виде. Одно дерево дает в год от 2 до 15 кг сахара. Годны к засечке только 25-40-летние деревья.
В южных странах используется сладкий продукт, который получают из «винной пальмы». Автору этих строк довелось увидеть, как его продают торговцы в бутылках на дорогах Цейлона. Он имеет темно-коричневый цвет и густую консистенцию. Местные жители называют его медом (хани), в отличие от пчелиного меда (бихани).
Сегодня всемирное производство сахара распределяется приблизительно в равных долях между сахарным тростникоми сахарной свеклой с незначительным преимуществом в пользу сахарного тростника, который ценится, как правило, несколько выше.
