Крахмал называют полисахаридом. Это значит, что он состоит из моносахаридов, связанных в длинные цепочки. На самом деле это смесь двух разных полимерных веществ: крахмал состоит из амилозы и амилопектина. Мономером в обоих цепочках является молекула глюкозы, однако по строению и свойствам они существенно различаются.
Общий состав
Как уже было сказано, и амилоза, и амилопектин - это полимеры альфа-глюкозы. Различие заключается в том, что молекула амилозы имеет линейное строение, а амилопектина - разветвленное. Первая является растворимой фракцией крахмала, амилопектин - нет, и в целом крахмал в воде - коллоидный раствор (золь), в нем растворенная часть вещества находится в равновесии с нерастворенной.
Здесь для сравнения даны общие структурные формулы амилозы и амилопектина.
Амилоза растворима за счет образования мицелл - это несколько молекул, собранных вместе в таком виде, что их гидрофобные концы спрятаны внутрь, а гидрофильные - наружу для контакта с водой. Они находятся в равновесии с молекулами, не собранными в такие агрегаты.
Амилопектин также способен образовывать мицеллярные растворы, однако в гораздо меньшей степени, и поэтому в холодной воде практически нерастворим.
Амилоза и амилопектин в крахмале находятся в соотношении приблизительно 20 % первого на 80 % второго. Этот показатель зависит от того, каким способом он был получен (в разных крахмалсодержащих растениях проценты также разные).
Как уже было сказано, в холодной воде может растворяться только амилоза, да и то частично, но в горячей из крахмала образуется клейстер - более или менее однородная клейкая масса из набухших отдельных крахмальных зерен.
Амилоза
Амилоза состоит из молекул глюкозы, связанных между собой по 1,4-гидроксильным связям. Это длинный неразветвленный полимер, количество отдельных молекул глюкозы в среднем равно 200.
В крахмале цепочка амилозы свернута в спираль: диаметр "окошек" в ней приблизительно 0,5 нанометра. Благодаря им амилоза способна образовывать комплексы, соединения-включения типа "гость-хозяин". К ним принадлежит известная реакция крахмала с йодом: молекула амилозы - "хозяин", молекула йода - "гость", помещающийся внутрь спирали. Комплекс имеет интенсивно синюю окраску и используется для обнаружения как йода, так и крахмала.
В разных растениях процентное содержание амилозы в крахмале может варьироваться. В пшеничном и кукурузном она составляет стандартно 19-24 % по массе. Рисовый крахмал ее содержит 17 %, а в яблочном присутствует только амилоза - 100 % массовая доля.
В клейстере амилоза образует растворимую часть, и это используют в аналитической химии для разделения крахмала на фракции. Другим способом, фракционированием крахмала является осаждение амилозы в виде комплексов с бутанолом или тимолом в кипящих растворах с водой или диметилсульфоксидом. В хроматографии может использоваться свойство амилозы к адсорбции на целлюлозе (в присутствии мочевины и этанола).
Амилопектин
Крахмал имеет разветвленное строение. Это достигается за счет того, что, кроме 1 и 4-гидроксильных связей, молекулы глюкозы в нем образуют еще и связи по 6-й спиртовой группе. Каждая такая "третья" связь в молекуле - новое ответвление в цепи. Общая структура амилопектина по виду напоминает гроздь, макромолекула в целом существует в виде шаровидной структуры. Количество мономеров в ней примерно равно 6000, и молекулярная масса одной молекулы амилопектина значительно больше, чем у амилозы.
Амилопектин также образует с йодом соединение включения (клатрат). Только в этом случае комплекс окрашен в красно-фиолетовый (ближе к красному) цвет.
Химические свойства
Химические свойства амилозы и амилопектина, исключая уже обсужденное взаимодействия с йодом, абсолютно одинаковы. Их можно условно поделить на две части: реакции, характерные для глюкозы, то есть происходящие с каждым мономером по отдельности, и реакции, затрагивающие связи между мономерами, например гидролиз. Поэтому далее мы будем говорить о химических свойствах крахмала как смеси амилозы и амилопектина.
Крахмал относится к невосстанавливающимся сахарам: все гликозидные гидроксилы (гидроксильная группа при 1-м атоме углерода) участвуют в межмолекулярных связях и поэтому не могут присутствовать в реакциях окисления (например, проба Толленса - качественная реакция на альдегидную группу, или взаимодействие с реактивом Феллинга - свежеосажденным гидроксидом меди). Сохранившиеся гликозидные гидроксилы, конечно, есть в наличии (на одном из концов полимерной цепи), но в незначительных количествах и на свойства вещества не влияют.
Однако, также как и отдельные молекулы глюкозы, крахмал способен образовывать эфиры с помощью не участвующих в связях между мономерами гидроксильных групп: на них можно "повесить" метильную группу, остаток уксусной кислоты и так далее.
Также крахмал способен окисляться с помощью йодной (HIO4) кислоты до диальдегида.
Гидролиз крахмала бывает двух видов: ферментный и кислотный. Гидролиз с помощью ферментов относится к разделу биохимии. Фермент амилаза расщепляет крахмал на более короткие полимерные цепочки из глюкозы - декстрины. Кислотный гидролиз крахмала является полным в присутствии, например, серной кислоты: крахмал расщепляется сразу до мономера - глюкозы.
В живой природе
В биологии крахмал - это прежде всего сложный углевод, и поэтому растениями используется как способ хранения питательных веществ. Он образуется при фотосинтезе (сначала в виде отдельных молекул глюкозы) и откладывается в клетках растения в виде зерен - в семенах, клубнях, корневищах и т. д. (чтобы потом использоваться как "продовольственный склад" новыми зародышами). Иногда крахмал содержится в стеблях (например, у саговой пальмы - мучнистая крахмальная сердцевина) или листьях.
В организме человека
Крахмал в составе пищи попадает сначала в ротовую полость. Там фермент, содержащийся в слюне (амилаза), расщепляет полимерные цепи амилозы и амилопектина, превращая молекулы в более короткие - олигосахариды, потом расщепляет и их, и в конце концов остается мальтоза - дисахарид, состоящий из двух молекул глюкозы.
Мальтозу расщепляет мальтаза до глюкозы - моносахарида. И уже глюкоза используется организмом в качестве источника энергии.
