sâmbătă, 24 noiembrie 2012

AMIDONUL


Amidonul

 

 

          Hidratii de carbon care alcatuiesc grupa polizaharidelor au structura macromoleculara. Polizaharidele sunt mult raspandite in natura, mai ales in vegetale.

          Prin hidroliza, polizaharidele se transforma in monozaharide. Se gasesc in natura polizaharide compuse din hexose, din pentoze si din derivati ai celor dintai. Cele mai insemnate sunt cele doua polizaharide derivand de la D-glucoza, celuloza si amidonul.

          Nu toate polizaharidele au aceeasi functiune in planta: unele servesc ca  rezerve de hidrati de carbon pentru embrion sau chiar pentru planta insasi. Printre acestea se inumara amidonulk si fructozanii. Alte polizaharide, numite ,,de schelet”, au rolul de a conferi soliditate mecanica organelor in care se gasesc. Cea mai importanta dintre acestea este celuloza.

          Cea de-a doua polizaharida , dupa celuloza, raspandita universal in regnul vegetal este amidonul. Ca si celuloza, amidonul este compus numai din D-glucoza. Plantele isi constituie in fructe, seminte si tubercule, rezerved e amidon, insolubil in apa, dar putand fi usor transformat in glucoza sau in derivati ai acesteia, prin reactii enzimatice.

          Glicogenul (descoperit de Claude Bernard, 1855), mult asemanator amidonului ca structura, indeplineste in organismul animal aceeasi functiune ca acesta in organismul vegetal. Glicogenul este depozitat in ficat (pana la 20%) dar se transforma prin hidroliza enzimatica in glucoza, care este transportata pe calea sangelui in muschi si alte tesuturi. Aici se refac mici rezerve de glicogen, care sunt apoi consumate in cursul activitatii acestor organe.

          Izolare. Aspect. Semintele plantelor contin pana la 70-80% amidon; continutul tuberculelor este, in general mai mic (16-19%, la cartofi cu 25% substanta uscata). Ca materie prima, la fabricarea amidonului servesc de obicei cartofii sau faina de porumb; procedeul consta in framantare in apa curgatoare, care antreneaza mai usor amidonul decat celalalte componente.

          Aspectul amidonului este deosebit de al celulozei. In loc de fibre, amidonul se prezinta sub forma de granule, a caror forma si marime, caracteristica pentru fiecare specie vegetala (grau, porumb, orez, cartofi, tapioca etc.) permite o usoara identificare la microscop. Diametrul granulelor este de 20-100 m , dupa provenienta. Ele sunt construite  din straturi, vizibile la microscop, depuse concentric in jurul unui nucleu de condensare. Granulele de amidon, privite prin microscopul de polarizatie, intre nicoli incrucisati, arata fenomenul birefrigentii (cruce neagra). Cu ajutorul razelor X se constata semne de cristalizare ce dispar insa daca se elimina prin uscare apa absorbita higroscopic.

          In apa rece amidonul este insolubil (cand granulele sale sunt intacte). Apa calda produce o umflare a granulelor care, la temperatura suficient de inalta, se sparg si formeaza solutii vascoase sau geluri. La racire acestea se transforma (la temepraturi fixe, variind intre 57-87°, dupa specia vegetala) intr-un gel rigid, omogen, translucid: coca. Temperatura de fromare a cocai este coborata de prezenta anumitor electroliti, cum sunt: NaOH, CaCl2,KSCN si ZnCl2. Formarea cocai se datoreste pierderii mobilitatii moleculelor dizolvate, un fenomen comparabil cu cristalizarea, avand loc, ca si aceasta, la temperatura fixa. Spre deosebire de o retea cristalina, agregatul de macromolecule rigide, imobile, ce ia nastere este neregulat si inglobeaza mari cantitati de apa.

          Amiloza si amilopectina

          Amidonul nu este o substanta unitara, ci un amestec de doua polizaharide, numite amiloza si amilopectina (L. Maquenne, 1904)

          Separarea, nu tocmai completa, a acestor componente poate fi realizata lasand amidonul sa se umfle in apa de circa 70, astfel incat granulele sale sa nu se sparga. _n aceste conditii amiloza se dizolva si difuzeaza, din interiorul granulelor, in solutie. O metoda moderna mai eficace consta in dizolvarea amidonului integral in apa, la temperatura ridicata, sI adaugarea unu agent de precipitare a amilozei (The J. Schoch). Un asemenea agent este n-butanolul, dar se obtin rezultate bune sI cu n-pentanol, ciclohexanol, timol, acizi grasI sI nitro-alcani. Solutia de amidon, saturata cu agentul de precipitare, se tine 1-2 zile la temperatura camerei, in care timp se precipita complexul uneori microcristalin al amilozei cu alcoolul. Acesta se separa si se descompune prin extragerea agentului de precipitare cu dizolvanti. Amilopectina ramane nedizolvata.

          Amiloza obtinuta pe aceasta cale este pura (sI a fost obtinuta in stare cristalizata)

Structura amidonului Primele cercetari nu au tinut seama de faptul ca amidonul nu este un compus unitar. Vom examina cateva din rezultatele cercetatorilor mai vechi. Formula ruta a amidonului, determinata prin analiza elementara, este (C6H10O5)n, la fel ca a celulozei. Prin hidroanaliza cu acizi, amidonul trece in D-glucoza, cu randament cantitativ.

          Prin hidroliza cu enzime se formeaza dizaharida maltoza, cu un randament ce poate ajunge pana la 80%. Se poate obtine din amidon un derivat al maltozei si pe cale pur chimica: tratand amidon cu bromura de acetil se formeaza acetobrommaltoza (un compus asemanator acetobromoclucozei); acesta a fost transformat prin hidroliza in heptaacetil-maltoza.

          Fiecare rest C6H10O5 din amidon contine ( in prima aproximatie) trei frupe OH, ce se pot metila , acetila etc. tocmai ca la celuloza. Pornindu-se de la un amidon perfect metilat  si hidrolizandu-se  acest compus cu acizi, se formeaza ca produs principal 2,3,6- trimetilglucoza. S-a tras de aici concluzia ca macromoleculele de amidon sunt compuse din resturi de D-glucopiranoza, legate intre ele in pozitiile 1,4, la fel ca in celuloza.

          In maltoza cele doua resturi de glucoza sunt unite printr-o legatura a-glicozidica. Deci cel putin jumatate din legaturile care unesc resturile de glucoza in macromolecula sunt legaturi a-glicozidice. Si celalalte legaturi dintre resturile de glucoza sunt a-glicozidice, caci, dupa cum se stie, celobioza (cu legatura b-glicozidica) se hidrolizeaza mult mai incet decat maltoza; daca in macromolecula amidonului ar exista si legaturi b-glicozidice, ar trebui sa ramana la hidroliza incompleta a amidonului legaturi b-glicozidice nehidrolizate, cu alte cuvinte ar trebui sa se formeze si celobioza, ceea ce nu se intampla.

          La hidroliza blanda cu acizi, a amidonului, se formeaza, in afara de maltoza, o trizaharida, o tetra zaharida si oligo zaharide superioare ( dextrine) in care s-a putut dovedii ca resturile de glucoza sunt legate a-glicozidic.

          Activitatea optica a amidonului, pozitiva, pledeaza de asemenea pentru legaturi a-glicozidice. S-a ajuns astfel ( pe la 1926) la concluzia ca celuloza si amidonul sunt ambele construite din resturi de D-glucopiranoza, unite in pozitiile 1,4, prin legaturi b-glicozidice in prima dintre aceste polizaharide si prin legaturi a-glicozidice, in ceea de a doua. Structura amidonului ar fi astfel reprezentata prin formula:

Macromolecula amidonului (amiloza)


CH2OH

H

H

H

H

H

OH

OH

OH

OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

H

H

H

OH

OH

OH

OH

H

H

H

H

H

H

 
O

H

H

H

HO

OH

 
O

 
O

 
O

 
O

 
O

 
O

H

H

H
 


 

 

 

 

 

 


          Formula aceasta, desi corecta in ce priveste amiloza, nu reda exact structura amilopectinei, dupa cum s-a observat cu ocazia determinarii greutatii moleculare.

Structura amilopectinei. In cursul masuratorilor mai vechi ale greutatii moleculare a amidonului s-au constatat nepotriviri considerabile intre rezultatele metodelor fizice si chimice. In timp ce primele ( metoda presiunii osmotice, a viscozitatii solutiilor si a ultracentifugarii), duceau la valori foarte mari ( de ordinul 1000000), metoda grupelor marignale indica greutati moleculare mici. De fapt, toate aceste determinari se refereau la amilopectina din care erau constituite 4/5 din materialul cercetat.

          Daca moleculele amidonului ar avea grade de polimerizare mici, asa cum rezulta in mod aparent din determinarea grupelor marginale nereductoare, ar trebui sa se poata pune in evidenta si grupa marginala reducatoare (aldehidica) a moleculelor. Incercarile de doza aceasta grupa la amidonul nativ, prin titrare cu iod, prin reducerea solutiei Fehling si prin alte metode au dus la concluzi ca puterea reducatoare a amidonului este foarte mica de peste 1000 de ori mai mica ca a maltozei.

          Singura interepretare a faptelor experimentale este ca macromoleculele amilopectinei sunt ramificate, si anume ca ele sunt compuse din lanturi de 18-26 resturi de glucoza, legate unele de altele prin intermediul grupelor lor aldehidice, in asa fel incat marginile nereducatoare sa ramana libere ( Staudinger , 1936: Haworth si Hirst, 1937).

           Pentru reprezentare structurii macromoleculei de amilopectina au fost propuse trei tipuri de formule.

 

Structura amilozei. Aplicarea metodei metilarii la o amiloza din porumb a dat un randament de 0.3% tetrametil-glucoza, de unde rezulta un grad de polimerizare de circa 330 ( K.H.Meyer, 1940).

          Cercetarile cristalografice cu raze X au aratat ca, in combinarile amidonului cu iodul, moleculele I-I sunt asezate cap la cap in siruri lungi.

          Este probabil ca aceasta orientare a moleculelor de iod se datoreste faptului ca ele se afla in interiorul elicei macromoleculei de amidon ( Rundle, 1943), formand un asa-numit compus de incluziune. Compusii amilozei cu alcoolii superiori sunt probabil tot compusi de incluziune.

Structura glicogenului.  Glicogenul, polizaharida de rezer va din organismele animale, este mult asemanator amilopectinei. Spre deosebire de aceasta este insa usor sulubil in apa si nu formeaza coca. Cu iodul da o coloratie rosie brun, iar unele specii nu se coloreaza de loc.

          Analiza elementara duce la formula C6H10O5 . Prin hidroliza cu acizi se formeaza numai glucoza. Metoda determinarii marginale, prin metilare, da circa 9% tetrametil-glucoza. Aceasta corespunde unor catene de circa 12 resturi de glucoza, mai scurte deci decat acelea din amilopectina.

          Greutatea moleculara a glicogenului este de ordinul 106 . De aceea se admite ca glicogenul are o structura analoaga cu a amilopectinei, dar mai ramificata, fiind alcatuita din catene scurte. Cercetarea enzimatica confirma aceasta structura.

Hidroliza enzimatica a polizaharidelor de tipul amidonului. Existenta unor enzime care transforma amidonul in zahar este cunoscuta de mult. Amilaza (diastaza) din bobul de orez a fost obtinuta sub forma de extract apos, de Kirchhoff (1811) si studiata de Payen si Perzos ( 1833), iar ceea din saliva de Leuchs (1831).

          Amilazele sunt mult raspandite in natura. In regula generala ele apar oriunde se gaseste si amidon, de exemplu in cartofi, in faina cerealelor, in fasolea soia. De asemenea se gasesc amilaze in tesuturi si lichide animale ca ficatul, pancreasul, saliva, sucul intestinal, sangele si urina.

          Actiunea hidrolitica a amilazelor asupra amidonulu se recunoaste prin doua semne exterioare: amidonul se ,,lichefiaza” adica se dizolva in apa, si se ,,zaharifica”, adica se transforma in maltoza, care se recunoaste prin gustul ei dulce, reducerea solutie Fehling si fermentare cu drojdie de bere. Transformarea in maltoza nu este niciodata completa; reziduul de de circa 40% este numit ,,dextrina limita”.

          Exista doua amilaze: a-amilaza care transforma amidonul in dextrine (amilaza dextrinogena) si b-amilaza, care il transforma in maltoza (amilaza zaharogena).  Printre observatiile mai vechi care au condus la descoperirea dualitatii amilazelor vom mentiona inactivarea selectiva a celor doua enzime: la pH acid (circa 3,3) este suprimata actiunea dextinogena ( prin inactivarea a-amilazei); incalzirea la 70 de grade suprima actiunea zaharogena (prin inactivarea b-amilazei).

          Desi in multe cazuri cele doua enzime se gasesc impreuna in natura, unele surse contin o singura amilaza, aproape neamestecata cu cealalta. Astfel, tuberculele de Batatas edulis si soia contin aproape numai b-amilaza, iar sucul pancreatic si saliva aproape numai a-amilaza.

          Stadiul acesta se recunoaste printr-o scadere brusca a viscozitatii si a puterii de colorare cu iod (actiune de dextrinizare). Urmeaza apoi un stadiu lent de hidroliza al a-dextrinelor, in cursul caruia se formeaza maltoza, izomaltoza ( cu legatura 1,6-a) si maltotrioza (actiune de zaharificare); compozitia produsului final variaza cu natura substratului si cu provenienta enzimei. Amiloza se transforma in acest stadiu final aproape complet in maltoza si glucoza; la hidroliza amilopectinei mai raman insa si dextrine ramificate cu 5-8 resturi de glucoza, deoarece a-amilaza nu hidrolizeaza legaturile 1,6-a.

          Aceste legaturi sunt hidrolizate de enzimele specifice de deramificare, cum este enzima R din cartofi, care actioneaza asupra amilopectinei, precum si a b-dextrinei, provenite din ea ( S. Peat, 1951).

          Pentru hidroliza completa a amidonului s-au a glicogenului, pana la maltoza si glucoza, sunt necesare 4 enzime:

 

 

 

 

 

 

 

Enzima:
 
a-amilaza
b-amilaza
enzima Z
enzima R, din vegetale
amilo-1,6-glucozidaza, din muschi
 
Legaturi atacate:
 
1,4-a
1,4-a (marginale)
1,3-b
 
1,6-a
 

 

 

Concluzii privind structura amidonului. Din examinarea celor doua structuri in discutie, pentru amilopectina si glicogen, se vede ca ambele sunt compuse din trei tipuri de catene: catene A, legate de restul moleculei numai printr-o legatura a grupei lor reducatoare : catene B, de care sunt legate si alte catene, si catena C , singura care are o grupa reducatoare R. Este usor de vazut ca structura lamelara I poseda o singura catena de tip A , in macromolecula, in timp ce, din consideratii statistice rezulta ca in molecula arborescenta de tip I-I, numarul catenelor A trebuie sa fie aproximatv egal cu al catenelor B.

          b-amilaza actioneaza asupra amilopectinei, respectiv glicogenului, hidrolizand numai portiunile exterioare ale catenelor, pana la o distanta de doua sau trei resturi de glucoza, de punctele de ramificare (dupa cum aceste portiuni exterioare au un numar par sau impar de resturi de glucoza). b-dextrina reziduala, ce rezulta din aceasta amputare a catenelor exterioare ale macromoleculei, este reprezentata in formule prin portiunea inconjurata de o linie punctata. Daca o asemenea b-dextrina este supusa actiunii enzimei R (enzima de deramificare), catenele A vor da fie o molecula de maltoza, fie una de maltorioza , iar catenele B vor da dextrine liniare cu n>6. O b-destrina cu structura arborescenta va da deci, sub influenta enzimei de deramificare, o proportie mult mai mare de maltoza si maltotrioza decat una cu structura lamelara (Peat, Hirst). Rezulta de aici ca glicogenul are o structura aborescenta, iar amilopectina o structura apropiata de ceea lamelara, dar cu un grad de ramificare mai avansat decat cel corespunzand shemei I simple.

          Hidroliza enzimatica a amidonului din cereale si cartofi are aplicatii intinse in fabricarea alcoolului si berii. In ambele aceste fabricatii se zaharifica inii amidonul din cereale sau cartofi, cu amilaza din orz incoltit (malt). Temperatura optima a acestei operatii este 55-65°, iar durata 20 de minute. Se obtin 70-80% maltoza si 20-30% dextrina. In cazul fabricarii berii, solutia astfel obtinuta se incalzeste (dupa adaugarea hameiului si filtrarea partilor insolubile) la 80° sau mai sus, distrugandu-se astfel amilaza. Dupa racire se fermenteaza cu drojdie. Berea rezultata contine deci dextrinele, care determina in parte gustul acestei bauturi. La fabricarea alcoolului, solutia de maltoza si dextrina, rezultata din operatia de zaharificare, se fermenteaza direct, fara a fi incalzita (si deci amilaza nu se distruge). Drojdia de bere, adaugata pentru producerea fermentatiei, contine si enzime de deramificare, care rup legaturile 1,6 din dextrine, punand la dispozitia amilazei dextrine neramificate, pe care aceasta le hidrolizeaza cantitativ la maltoza; aceasta este apoi hidrolizata, de a-glucozida (maltaza) din drojdie, la glucoza. In modul acesta intregul material este adus intr-o forma fermentabila prin drojdie.

          Experienta: Intr-o eprubeta se dizolva la cald, in 5-6 ml. Apa, un varf de spatula de amidon solubil. Separat se dizolva in 2-3 ml. Apa, tot cald, un cristal de iod. Peste solutia rece de amidon se picura solutia de iod. Apare o coloratie albastra intensa. La incalzire (circa 70°) culoarea dispare complet; prin racire reapare coloratia initiala albastra.

          (In lipsa amidonului solubil, se poate folosi scrobeala de amidon; in acest caz solutia este neclara, dar experienta decurge la fel)

          Amidonul este un amestec de doua substante, numite amiloza si amilopectina. Numai ultima formeaza coca. Unele plante sunt mai bogate in amiloza, altele in amilopectina; de obicei ambelecomponente sunt impreuna. Prin hidroliza cu acizi, atat amiloza cat si amilopectina dau numai glucoza.

 

 

 

Bibliografie:

C.D. Nenitescu-Chimie organica vol. I

C.D. Nenitescu-Chimie organica vol. II

C.D. Nenitescu-Chimie organica (Manual pentru anul II  licee de specialitate)