Glucosa
| glucosa [1] | |
|---|---|
| General | |
Nombre sistemático |
(2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-pentahidroxihexanal(D-glucosa), (2S,3R,4S,5S)-2.3 ,4,5 ,6-pentahidroxihexanal (L-glucosa) |
| nombres tradicionales | glucosa, dextrosa |
| química fórmula | C6H12O6 _ _ _ _ _ |
| Propiedades físicas | |
| Estado | cristales incoloros |
| Masa molar | 180,16 g/ mol |
| Densidad | 1,5620 g/cm³ |
| Propiedades termales | |
| La temperatura | |
| • fusión |
α - D -glucosa: 146 °C (monohidrato: 83 °C) β - D -glucosa: 148–150 °C |
| Propiedades químicas | |
| Solubilidad | |
| • en agua |
32,3 g/100 ml (0 °C) 82 g/100 ml (25 °C) 562 g/100 ml (90,8 °C) |
| • en etanol al 80 % | 2g/100ml |
| Rotación |
α - D -glucosa: +112,2° β - D -glucosa: +18,7° |
| Estructura | |
| Momento bipolar | 14.1D _ |
| Clasificación | |
| registro número CAS |
50-99-7 ( D -glucosa ) 921-60-8 ( L - glucosa) |
| PubChem | 5793 |
| registro Número EINECS | 200-075-1 |
| RTECS | LZ6600000 |
| CHEBI | 17234 |
| Los datos se basan en condiciones estándar (25 °C, 100 kPa) a menos que se indique lo contrario. | |
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La glucosa , o azúcar de uva , o dextrosa (D-glucosa), C 6 H 12 O 6 es un compuesto orgánico , un monosacárido (hidroxialdehído de seis átomos, hexosa ), una de las fuentes de energía más comunes en los organismos vivos [2] . Se encuentra en el jugo de muchas frutas y bayas , incluidas las uvas , de donde proviene el nombre de este tipo de azúcar . El enlace de glucosa forma parte de los polisacáridos (celulosa, almidón, glucógeno ) y una serie de disacáridos ( maltosa , lactosa y sacarosa ), que se dividen rápidamente en monómeros en el tracto digestivo : por ejemplo, sacarosa - en glucosa y fructosa , lactosa - en glucosa y galactosa, etc.
Etimología
El nombre "glucosa" fue dado en 1838 por Jean-Baptiste Dumas , basado en la palabra griega "gleukos", que significa "dulce".[ especificar ] . Friedrich August Kekule acuñó el término "dextrosa" porque en una solución acuosa de glucosa el plano de la luz polarizada linealmente se gira hacia la derecha, y "dexter" en latín significa "derecho" [3] .
Historia
Probablemente, la glucosa ha sido conocida por el hombre desde la antigüedad, ya que se cristaliza a partir de la miel. Sin embargo, fue aislado en su forma pura mucho más tarde: el químico alemán Andreas Marggraf lo obtuvo en 1747 a partir de jugo de uva. Joseph Louis Proust en 1801 precipitó cristales de α - D -glucosa del mismo jugo de uva. Gracias a estos experimentos, el nombre de azúcar de uva se adjuntó a la glucosa [4] .
El uso de glucosa como edulcorante se debe a que el suministro de azúcar de caña de las Indias Occidentales fue bloqueado durante las Guerras Napoleónicas . Allá por el año 1000 a.C. mi. En China , se obtuvo un edulcorante artificial, el disacárido maltosa , a partir del almidón ( fermentación del arroz) . A finales del siglo XVIII. en Europa se sabía que el almidón podía tratarse con ácido para producir una sustancia dulce. Esto es lo que le permitió a K. S. Kirchhoff obtener una sustancia dulce almibarada al calentar almidón de patata con ácido sulfúrico . Al optimizar el proceso, obtuvo un jarabe que cristalizó al reposar. Además, se intentó prensar la masa resultante en un producto sólido y venderlo en esta forma. Sin embargo, no fue posible organizar la producción, ya que Napoleón fue derrotado y se restableció el suministro de azúcar [4] .
El proceso de obtención de la glucosa fue investigado por el químico francés Saussure . Descubrió que el almidón sufre hidrólisis , en la que se rompen los enlaces entre los fragmentos de carbohidratos y se consume una molécula de agua por cada ruptura. También se ha encontrado que los dulces elaborados con jarabes de glucosa no son tan dulces como los elaborados con sacarosa. Por lo tanto, en Alemania y otros países europeos, se organizó la producción de glucosa [4] .
En ese momento, la glucosa industrial no era lo suficientemente pura y se obtenía en forma de jarabes. Tuvo que cristalizarse repetidamente en agua o se usaron disolventes orgánicos. La única forma sólida que se producía en grandes cantidades era la glucosa colada: el jarabe se vertía en moldes donde solidificaba [4] .
En 1923, William B. Newkirk patentó un proceso industrial para producir glucosa en los Estados Unidos . Este método se distinguió por el control cuidadoso de las condiciones de cristalización, debido a que la glucosa se desprendió de la solución en forma de cristales grandes y limpios [4] .
La estructura de la molécula
La glucosa pertenece a la clase de las aldohexosas, es decir, es un polihidroxialdehído que contiene seis átomos de carbono, un grupo aldehído y cinco grupos hidroxilo . Los cuatro átomos de carbono en su estructura son quirales , por lo que hay 16 aldohexosas estereoisómeras: algunas ocurren naturalmente, otras se producen sintéticamente. La configuración específica de los centros quirales de la glucosa a fines del siglo XIX. establecida por el químico alemán Emil Fischer . Lo hizo con la ayuda de la extensión de la cadena de carbono y las reacciones de degradación de los azúcares. Junto al monosacárido más común en la naturaleza, la D-glucosa, también existe su enantiómero L-glucosa, que prácticamente no se encuentra en la naturaleza [5] [6] .
La D-glucosa a menudo se representa en forma lineal, pero en realidad la D-glucosa existe en forma cíclica, formada por la adición de un grupo OH en el carbono C-5 a un grupo aldehído. El hemiacetal cíclico resultante es estable: en soluciones y en forma cristalina, la D-glucosa se encuentra en más del 99% en forma de hemiacetal. En general, esta forma se llama piranosa (del nombre de pirano , un heterociclo de seis miembros con un átomo de oxígeno), y la D-glucosa cíclica se llama D-glucopiranosa [7] .
Con la ciclación descrita, surge un nuevo estereocentro en el átomo de carbono hemiacetal, por lo que la D-glucopiranosa puede existir como dos diastereómeros , llamados anómeros : α-D-glucopiranosa y β-D-glucopiranosa (o brevemente: α-D-glucosa y β -D-glucosa, anómero α y anómero β). Es conveniente representar las formas cíclicas de los carbohidratos utilizando proyecciones de Haworth : anillos idealizados de seis miembros con sustituyentes por encima y por debajo del plano del anillo [7] [6] .
Más cerca de la verdad, la estructura de la molécula de glucosa se puede representar utilizando la conformación de "silla". En esta representación, todos los grupos hidroxilo de la D-glucopiranosa están en posiciones ecuatoriales (excepto el anomérico, que puede estar en posición ecuatorial o axial según el anómero). Las posiciones ecuatoriales son más favorables que las axiales: esto explica por qué la glucosa es el monosacárido más abundante [7] .
En soluciones, la α-D-glucopiranosa y la β-D-glucopiranosa existen en equilibrio y se interconvierten mediante la formación de una forma de cadena abierta. La fracción de equilibrio del anómero α a 31 °C es del 38 %, y el anómero β más estable es del 62 % [8] . Los anómeros puros se pueden obtener en forma cristalina: el anómero α cristaliza en agua como monohidrato y el anómero β cristaliza en piridina [9] .
Propiedades físicas
La glucosa es una sustancia cristalina incolora e inodora. Tiene un sabor dulce. La D-glucosa está presente en tres formas cristalinas: α-D-glucopiranosa anhidra, α-D-glucopiranosa monohidrato y β-D-glucopiranosa anhidra (aunque también se ha descrito β-D-glucopiranosa monohidrato). Las formas anhidras tienen cristales ortorrómbicos e hidratos - monoclínicos [8] . Las tres formas difieren en el punto de fusión : el anómero α se funde a 146 °C, su monohidrato a 83 °C, el anómero β a 148-150 °C [9] .
Los anómeros de D-glucopiranosa son ópticamente activos : la rotación específica del anómero α es de +112,2°, el anómero β es de +18,9° [9] . Ambos anómeros experimentan mutarotación al disolverse , es decir, se convierten en una mezcla en equilibrio que consiste en un 62 % de anómero β y un 38 % de anómero α [8] . La rotación específica de esta mezcla es +52.7° [9] .
Conseguir
Fabricación de jarabes de glucosa
Hidrólisis ácida del almidónLa única materia prima para la producción de glucosa es el almidón , aunque se está intentando utilizar otro polímero de glucosa natural, la celulosa . La principal fuente de almidón es el maíz : el 100 % de los edulcorantes de glucosa en los EE . UU . y el 84 % en Japón están hechos de almidón de maíz. Asimismo, el 70% del maíz que se produce en el mundo se destina a la producción de glucosa. En Europa, el uso de almidón de trigo está aumentando gradualmente, aunque también se usa principalmente almidón de maíz. En Australia, la glucosa se obtiene únicamente del almidón de trigo. En Asia, se usa almidón de sagú , tapioca y maíz [10] .
Para obtener glucosa, el almidón se hidroliza en presencia de ácidos o enzimas . En este caso, se rompen los enlaces entre las unidades de glucosa de la amilosa polimérica y la amilopectina , los componentes del almidón, y se forma un monómero (D-glucosa) con cierto contenido de dímeros: maltosa e isomaltosa . Para la hidrólisis ácida, prepare una suspensión de almidón en agua (30-40% en peso) y lleve el pH a 2 o menos. A presión atmosférica, la hidrólisis ácida transcurre durante 6 horas, pero las instalaciones modernas permiten que el proceso se lleve a cabo a presión elevada y, en consecuencia, a temperatura más alta. A una presión de 415-620 kPa y una temperatura de hasta 160 °C, el almidón se hidroliza en pocos minutos. Detenga la reacción agregando un agente neutralizante (generalmente carbonato de sodio ) y el pH sube a 4-5.5 [11] .
Después de la hidrólisis, las impurezas insolubles que originalmente estaban presentes en el almidón se separan mediante centrifugación o filtración , y las impurezas solubles se eliminan con carbón activado y resinas de intercambio iónico . Las resinas también permiten decolorar la glucosa resultante. La solución final se evapora. La mayoría de los jarabes de glucosa se venden como soluciones al 70-85 %, aunque también se pueden evaporar a un estado sólido [11] .
Los jarabes de glucosa difieren en el grado de hidrólisis del almidón: se estima por la cantidad de azúcares reductores presentes en el producto final y se expresa en equivalentes de dextrosa (DE). Curiosamente, la hidrólisis ácida es generalmente un proceso aleatorio, pero en este caso, con el mismo grado de conversión, se obtiene una composición de carbohidratos muy reproducible del producto final. En algunos casos, este hecho es una limitación indeseable, porque el fabricante puede necesitar regular de manera más flexible la composición de carbohidratos. Debido a esto, la industria comenzó a utilizar la hidrólisis enzimática del almidón [11] .
Hidrólisis enzimática del almidónLa hidrólisis enzimática se utiliza como complemento de la hidrólisis ácida. Inicialmente, de esta forma se intentó aumentar el grado de conversión y conseguir un jarabe más dulce, menos viscoso y con un alto contenido en glucosa. Sin embargo, la hidrólisis enzimática también permite controlar la proporción de glucosa y maltosa en el producto. Para llevar a cabo la hidrólisis enzimática, se aumenta el pH a 4-6 y se reduce la temperatura a 60-70 ° C, luego se agregan las enzimas necesarias, que se seleccionan en función de las necesidades de la composición. Las α- amilasas bacterianas escinden al azar los enlaces α-1,4-glicosídicos en el almidón. Las β-amilasas y las α-amilasas fúngicas rompen los mismos enlaces, pero dan predominantemente maltosa. La glucoamilasa escinde una molécula de glucosa del extremo no reductor, pero también puede escindir enlaces α-1,6. La pululanasa escinde los enlaces α-1,6. Al final del proceso, las enzimas se desactivan por calentamiento o por cambio de pH [11] .
El descubrimiento de las α-amilasas resistentes al calor permitió el desarrollo de procesos completamente enzimáticos y un control aún más preciso del grado de conversión y la composición de carbohidratos del producto. Las enzimas se introducen en la suspensión de almidón a pH 6-6,5, después de lo cual la suspensión se calienta con vapor a 103-107 °C y se mantiene durante 5-10 minutos y luego 1-2 horas a 95 °C. Posteriormente se lleva a cabo una hidrólisis enzimática secundaria, como en el caso de la hidrólisis ácida [11] .
Producción general de azúcar
La mayor parte de la glucosa se vende en forma de jarabes, pero también existe una pequeña necesidad de glucosa sólida. Se produce tanto en forma pura como en forma de azúcares totales ( azúcares totales en inglés ) - hidrolizado de almidón endurecido. El azúcar total puede contener una cantidad significativa de maltosa (DE<20), ser glucosa casi pura (95-99%) y también contener un cierto porcentaje de fructosa [12] .
Producción de glucosa cristalina
Inicialmente, la glucosa cristalina pura se producía a partir de almidón hidrolizado en un medio ácido. En tales condiciones, solo se pudo lograr el 88% del contenido de glucosa, ya que en las condiciones de hidrólisis se formaron productos secundarios asociados con la mutarotación y la isomerización . A partir de 1938 se empezó a utilizar la hidrólisis enzimática, lo que permitió obtener glucosa más pura [13] .
El monohidrato de α-D-glucosa se obtiene por cristalización a partir de jarabes sobresaturados con un contenido de sólidos de 74-79%, de los cuales la glucosa es 95-96%. Dichos jarabes se producen por hidrólisis enzimática con el objetivo de lograr la máxima conversión. El jarabe se enfría a 46-50°C y se mezcla con cristales de semillas del lote anterior. El jarabe se enfría lentamente a 20-40 ° C durante 2-5 días: mientras que alrededor del 60% cristaliza como monohidrato de α-D-glucosa. Las aguas madres se separan en centrífugas, los cristales de glucosa se lavan con agua y allí se secan al máximo (14% de humedad). Luego se secan con una corriente de aire caliente al 8,5-9% de humedad (el contenido teórico de agua en el monohidrato es del 9,08%). La cristalización no interfiere con la presencia de impurezas, por lo que las aguas madres se concentran y se obtiene una segunda porción de cristales o se combina con la siguiente tanda de jarabe. La extracción de glucosa monohidrato del jarabe alcanza el 87,5%. Con cristalizaciones repetidas de las aguas madres, el grado de aislamiento aumenta al 100% [13] .
La α-D-glucosa anhidra se cristaliza a 60-65 °C bajo vacío y evaporación del solvente. Los jarabes iniciales deben ser suficientemente puros. El ciclo de cristalización es mucho más corto que para el monohidrato, y es de 6 a 8 horas.Los cristales se aíslan y se secan aproximadamente de la misma manera que se describe anteriormente. El contenido de agua en el producto final no supera el 0,1 % [13] .
La β-D-glucosa anhidra se obtiene por cristalización por encima de 100 °C. Dificultades adicionales están asociadas con el hecho de que la β-D-glucosa es mucho más soluble en agua que la α-D-glucosa (72 % frente a 30 % a 25 °C) [13] .
Propiedades químicas
La glucosa se puede reducir a un alcohol hexatómico ( sorbitol ). La oxidación de la glucosa, según el método de oxidación, puede dar lugar a tres productos: ácido glucónico (oxidación del grupo aldehído ), ácido glucárico (el grupo OH primario se oxida adicionalmente) o ácido glucurónico (oxidación del grupo OH primario únicamente) [9] .
Como azúcar reductor, la glucosa exhibe propiedades reductoras. Esto se manifiesta en reacciones con el reactivo de Tollens ( solución amoniacal de óxido de plata ), el reactivo de Benedict y el reactivo de Fehling (reactivos a base de cobre) .
La glucosa también tiene algunas propiedades específicas, como la fermentación : descomposición destructiva bajo la acción de las enzimas. Son posibles varios tipos de fermentación: alcohol ( se forma etanol y dióxido de carbono), ácido láctico ( se forma ácido láctico ), butírico ( se forma ácido butanoico , hidrógeno, dióxido de carbono). acetona ( butanol , acetona , hidrógeno, se forma dióxido de carbono), citrato agrio ( se forma ácido cítrico ) .
Rol biológico
La glucosa es el principal producto de la fotosíntesis , formada en el ciclo de Calvin .
En humanos y animales, la glucosa es la principal y más versátil fuente de energía para los procesos metabólicos . La glucosa es un sustrato de la glucólisis, durante la cual puede oxidarse a piruvato en condiciones aeróbicas o a lactato en condiciones anaeróbicas. El piruvato así producido en la glucólisis se descarboxila aún más para convertirse en acetil-CoA (acetil coenzima A). Además, durante la descarboxilación oxidativa del piruvato, se restaura la coenzima NAD + . Acetil-CoA se utiliza además en el ciclo de Krebs , y la coenzima reducida se utiliza en la cadena respiratoria.
La glucosa se deposita en los animales en forma de glucógeno , en las plantas, en forma de almidón , el polímero de glucosa, la celulosa es el componente principal de las membranas celulares de todas las plantas superiores . En los animales, la glucosa ayuda a sobrevivir a las heladas. Entonces, en algunas especies de ranas, los niveles de glucosa en sangre aumentan antes del invierno, por lo que sus cuerpos pueden resistir la congelación en el hielo.
Aplicación
En medicina
La glucosa se usa para la intoxicación (por ejemplo, con intoxicación alimentaria e infecciones), administrada por vía intravenosa por chorro y goteo, ya que es un agente antitóxico universal.
La glucosa se utiliza con fines de rehidratación del organismo, como fuente de hidratos de carbono, incluida la nutrición parenteral .
Además, los endocrinólogos utilizan medicamentos a base de glucosa y la glucosa misma para determinar la presencia y el tipo de diabetes mellitus en una persona (en forma de prueba de esfuerzo para introducir una mayor cantidad de glucosa en el cuerpo).
La glucosa se usa en medicina como un nutriente y un componente de los líquidos antichoque que reemplazan la sangre. Además, la sal de calcio del ácido glucónico ( gluconato de calcio ) se usa ampliamente en medicina.
Para fines médicos, la glucosa se usa comúnmente como una solución para inyección o infusión , y también como una tableta.
En la industria alimentaria
En la industria alimentaria, la glucosa se utiliza para hornear pan, en confitería, así como en la producción de leche condensada , helados, yogures , kéfir . También para la producción de alcohol, vinos, cerveza.
En la agricultura
En la agricultura, la glucosa se usa a menudo para alimentar a las abejas .
En la industria química
La glucosa se usa para producir vitamina C ( ácido ascórbico ), sorbitol y biopolímeros .
Notas
- ↑ Rabinovich V. A., Khavin Z. Ya. Breve libro de referencia química. — 2ª edición. - Química, 1978.
- ↑ Stepanenko B. N., Gorodetsky V. K.; Kovalev G. V. (granja). Glucosa // Gran Enciclopedia Médica : en 30 volúmenes / cap. edición B. V. Petrovski . - 3ra ed. - M .: Enciclopedia soviética , 1977. - T. 6: Hipotiroidismo - Degeneración. - S. 197-199. — 632 pág. : enfermo.
- ↑ Sami Dridi. Bioquímica nutricional: del salón de clases al banco de investigación . - Bentham Science Publishers, 2022. - S. 208-209. — 287 pág. — ISBN 978-981-5051-58-2 . Archivado el 15 de mayo de 2022 en Wayback Machine .
- ↑ 1 2 3 4 5 Ullmann, 2006 , pág. 45–48.
- ↑ Terney, 1981 , pág. 444–447.
- ↑ 1 2 Roberts J., Caserio M. Fundamentos de química orgánica / Per. De inglés. Yu. G. Bundel, ed. A. N. Nesmeyanov. — M .: Mir, 1978. — S. 10–27.
- ↑ 1 2 3 Terney, 1981 , pág. 424–429.
- ↑ 1 2 3 Ullmann, 2006 , pág. 48.
- ↑ 1 2 3 4 5 Enciclopedia química, 1988 .
- ↑ Ullmann, 2006 , pág. 49–51.
- ↑ 1 2 3 4 5 Ullmann, 2006 , pág. 51–56.
- ↑ Ullmann, 2006 , pág. 56.
- ↑ 1 2 3 4 Ullmann, 2006 , pág. 56–58.
Literatura
- Linevich L. I. Glucose // Enciclopedia química : en 5 volúmenes / Ch. edición I. L. Knunyants . - M .: Enciclopedia soviética , 1988. - T. 1: A - Darzana. — S. 589–590. — 623 pág. — 100.000 copias. - ISBN 5-85270-008-8 .
- Terney A. Química orgánica moderna: en 2 volúmenes . - M. : Mir, 1981. - T. 2.
- Schenck FW Glucosa y jarabes que contienen glucosa (inglés) // Enciclopedia de química industrial de Ullmann. - Wiley, 2006. - doi : 10.1002/14356007.a12_457.pub2 .
- Elnitsky AP Química: libro de texto. para el grado 11. instituciones de general promedio educación del ruso. educación / A. P. Elnitsky, E. I. Sharapa. - 3ª ed., revisión. y adicional - Minsk: Nar. asveta, 2013. - 318 p. : enfermo. ISBN 978-985-03-1960-9
Enlaces
- Espectros de RMN de 1H y 13C de α-D-glucosa . Sigma Aldrich. Fecha de acceso: 9 de abril de 2019.
- Espectro IR de α-D-glucosa . Sigma Aldrich . Fecha de acceso: 9 de abril de 2019.
- Espectro Raman de α-D-glucosa . Sigma Aldrich . Fecha de acceso: 9 de abril de 2019.
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