Углеводы — состав, свойства и роль в диете

Углеводы — самый важный источник энергии в ежедневном рационе. 1 г моносахаридов и дисахаридов обеспечивает организм 4 ккал.

Виды углеводов

• Моносахариды. Это глюкоза, фруктоза и галактоза, из которых для нас наиболее важна глюкоза. Фрукты и овощи имеют низкий уровень свободной глюкозы. Фруктоза содержится в меде и фруктах. В пищевой промышленности фруктозу добывают из кукурузного сиропа.
• Дисахариды. Состоят из двух моносахаридов, таких, как сахароза, и полисахаридов, состоящих из более чем 10 дисахаридов, включая крахмал. Количество дисахаридов в сахаре составляет 99%. Сахароза. Это наиболее часто используемый дисахарид. Сахароза гидролизуется до глюкозы и фруктозы. Лактоза, также называемая молочным сахаром, содержится в молоке и молочных продуктах. Лактоза придает молоку сладкий вкус.  
• Олигосахариды. Рафиноза — это трисахарид, содержащийся в сахарной свекле. Сахаридный стахиоз встречается в бобовых и семенах. У человека нет ферментов, необходимых для их переваривания, но они могут ферментироваться в толстой кишке. Было показано, что фруктоолигосахариды, инулин, способствуют росту бифидобактерий в толстой кишке.

Углеводы включают сахарные спирты, сорбит и ксилит, 1 г которых выделяет 2,4 ккал. Они используются в качестве подсластителей — заменителей сахара — при производстве жевательной резинки, сухих завтраков, лимонадов. Большие количества сахарных спиртов могут вызвать осмотическую диарею.

Моносахариды

Это простые сахара, одна из важнейших групп углеводов. В зависимости от функциональных групп моносахариды делятся на два класса: 

• альдозы с альдегидной группой;
• кетозы с кетонной группой. 

Углеводородная цепь может иметь 3 или более атомов углерода (триоза, тетроз, пентоза, гексоза, гептоза и т. д.). Существуют ациклические и циклические формы моносахаридов (фуранозы или пиранозы). Наиболее распространенными моносахаридами являются D-глюкоза, D-галактоза, D-фруктоза, D-ксилоза, L-арабиноза. 

• Фруктоза — это изомер глюкозы, также состоящий из 6 атомов углерода, но с другой структурой. Фруктозу также называют фруктовым сахаром, потому что она содержится во фруктах, овощах и меде. Растворим в воде. Слаще глюкозы. Он входит в состав дисахарида сахарозы и многих полисахаридов.
• Галактоза — это альдогексоза, D- и L-анантиомеры которой встречаются в природе. D-галактоза входит в состав дисахаридов лактозы и галактолипидов. Галактоза — это продукт переваривания лактозы в тонком кишечнике. Он классифицируется как быстро метаболизирующийся моносахарид. В тканях человека и других млекопитающих он используется тканями как энергосодержащее соединение или как соединение, необходимое для синтеза гликоконъюгатов (протеогликанов, гликопротеинов, гликолипидов). Как энергетическое соединение, метаболизм галактозы происходит по так называемому пути Лелуара. Превращение галактозы в глюкозо-1-фосфат осуществляется 3 ферментами — галактокиназой, галактозо-1-фосфатуридилтрансферазой и UDP-глюкозо-4-эпимеразой. Снижение активности этих ферментов является причиной патологии, известной как галактоземия.

Помимо карбонильных и гидроксильных моносахаридов, молекула может иметь атом водорода вместо группы -ОН (дезоксисахарид), аминогруппу (аминосахарид), меркаптогруппу -SH (тиосахарид), -COOH. (уроновые кислоты) и др. 

В природе свободные моносахариды редки (за исключением D-глюкозы и D-фруктозы). Они, как мономеры, входят в состав олиго- и полисахаридов, смешанных биополимеров (гликопротеинов, гликолипидов), связываясь друг с другом или с другими молекулами гликозидными связями. 

Природные мукополисахариды активно участвуют в клеточном метаболизме. Моносахариды, участвуя в различных биохимических превращениях, снабжают клетки высокоэнергетическими соединениями, участвуют в процессах детоксикации и высвобождения токсичных веществ, в синтезе аминокислот и сложных биополимеров. 

В живых клетках центральным путем биосинтеза моносахаридов является глюконеогенез. В гетеротрофных клетках источником глюкозы могут быть продукты превращения аминокислот, молочной кислоты и других соединений. При нарушении метаболизма определенного моносахарида его концентрация увеличивается в биологических жидкостях организма. Это важный диагностический признак для определения галактоземии, диабета, мелитурии, фруктоземии.

Полисахариды

Распространенное название углеводов с более чем 10 моносахаридами в структуре. Он присутствует во многих тканях в качестве структурных элементов или является источником энергии, например, крахмалом, гликогеном, целлюлозой и другими.

Олигосахариды

Это сложные углеводы, состоящие из 2-10 молекул моносахаридов. Самые простые сложные углеводы — это дисахариды. Они состоят из двух одинаковых или разных молекул моносахаридов. 

В природе не так много дисахаридов, которые существуют сами по себе. Наиболее распространенные дисахариды: мальтоза (4 – O-α-D-глюкопиранозил-D-глюкоза), целлобиоза (D-глюкозил-β- (1 → 4) -D-глюкоза), лактоза (β-D-галактопиранозил- (1-4) α-D-глюкопираноза), сахароза (β-D-фруктофуранозил- (2 → 1) -α-D-глюкопиранозид), трегалоза (α-D-глюкопиранозил- (1 → 1) -α-D-глюкопиранозид). 

В природе гораздо чаще встречаются фрагменты дисахаридов, входящих в состав многих гликозидов растительного и бактериального происхождения. 

Дисахариды

Дисахариды — это полуацетали, т.е. у. О-гликозиды, в которых остаток второй молекулы моносахарида представляет собой агликон. В зависимости от природы образования гликозидной связи дисахариды делятся на восстанавливающие и невосстанавливающие дисахариды. 

• Восстанавливающие дисахариды (гликозилглюкозы) образуются в результате реакции полуацетального гидроксила одного моносахарида со спиртовым гидроксилом другого моносахарида. Такая молекула дисахарида содержит свободный полуацеталь гидроксил, следовательно, они характеризуются таутомерией оксоцикла и восстанавливающими свойствами.
• Невосстанавливающие дисахариды (гликозилгликозиды) образуются в результате реакции полуацетальных гидроксилов моносахаридов. Эти дисахариды не имеют свободного полуацетального гидроксила, поэтому они не обладают восстанавливающими свойствами, существует только циклическая форма.

Сахароза — это один из наиболее распространенных в природе углеводов растительного происхождения. Содержится в соках и плодах различных растений. Сахароза представляет собой дисахарид, состоящий из α-D-глюкан пиранозы и β-D-фруктофуранозы, связанных 1,2-гликозидной связью, молекулярная формула C 12 H 22 O 11.

Сахароза — сладкий, консервант и стимулирующий нервную систему продукт, который хорошо растворяется в воде, но медленно (быстро при нагревании). Молекула сахарозы образуется в результате реакции двух гликозидных гидроксилов, так что остатки глюкозы и фруктозы в молекуле сахарозы находятся в форме ацеталей. Молекула сахарозы не содержит свободной полуацетальной гидроксигруппы, поэтому имеет только циклическую структуру, не обладает мутаротационным и редуцирующим действием.

Инулин

Инулин — это гомополисахарид (C 6 H 10 O 5)n, который некоторые растения хранят в качестве накопителя энергии. Он состоит из остатков D-фруктопиранозы, связанных β- (2 → 1) связью. Концы полимера, как и сахароза, содержат ά-D-глюкозу. Его молекулярная масса не превышает 6000 D. Он относится к фруктанам – полимерам фруктозы. 

Инулин содержится в корнях и водных растениях. Обычно растения, накапливающие инулин, не накапливают крахмал. Вкус инулина варьируется: от совершенно безвкусного до сладкого. Он в три-четыре раза менее калорийен, чем многие углеводы. Увеличивает всасывание кальция и, возможно, магния, способствует росту микрофлоры кишечника. Подходит для людей с сахарным диабетом. Чрезмерное количество может вызвать вздутие живота. Может производиться этанол, используемый для производства фруктозы.

Крахмал

Крахмал — одно из важнейших питательных веществ. Это резервный полисахарид растений (C6 H10 O6)n. Почти все растительные клетки могут синтезировать крахмал, но в разном количестве и с разной интенсивностью. 

Крахмалом богаты крупы, клубневые овощи — картофель, бобовые. В них он образует зерна различной формы и размера, характерные для каждого вида растений. Самые крупные зерна крахмала есть в картофеле, самые мелкие – в ржи, пшенице, ячмене и рисе. 

Крахмал состоит из двух гомополисахаридов глюкозы: α-амилозы и амилопектина. При длительном гидролизе крахмал разлагается до глюкозы. 

• α-Амилоза представляет собой линейный полимер глюкозы, в котором молекулы глюкозы связаны между собой (1,4) гликозидными связями. Амилоза составляет 15-20% молекулы крахмала. 
• Амилопектин имеет разветвленную цепь. 

В неразветвленных структурах молекулы глюкозы связаны между собой (1,4) гликозидными связями, а в структурах разветвления – α- (1,6) гликозидными связями. Амилопектин составляет 80-85% молекулы крахмала.

Связи между молекулами глюкозы, на которые влияет фермент амилаза, при различных способах приготовления пищи разрушаются, и свойства крахмала меняются, так что один тип крахмала легко переваривается, а другой проходит непереваренным в пищеварительный тракт. 

Быстро и медленно усваиваемые крахмалы перевариваются в тонком кишечнике, а устойчивый крахмал, непереваренный, попадает в толстую кишку, где ферментируется.

Таблица – Углеводы в продуктах питания

Пищевые волокна (полисахариды некрахмального происхождения)

Пищевые волокна классифицируются как растворимые и нерастворимые в воде.

• Нерастворимые волокна состоят в основном из целлюлозы и гемицеллюлозы. Нерастворимая клетчатка связывается с водой в толстой кишке и набухает. Это способствует перистальтике кишечника, снижает риск запоров и вероятность рака толстой кишки.
• Растворимые волокна растворяются и загустевают в воде. Это пектины и слизь. Они обеспечивают чувство сытости, замедляют всасывание желчных кислот за счет увеличения выведения холестерина с калом и регулирования уровня холестерина в крови. 

Источники пищевых волокон: 

• фасоль, горох;
• овсяная мука, овсяные отруби, ячмень;
• фрукты — яблоки, вишня, цитрусовые;
• ягоды — крыжовник, клубника, малина, черная смородина;
• овощи — свёкла, морковь. 

Количество, состав и структура пектина зависят от вида растения и спелости. Пектин обычно добывают из цитрусовых. В слабокислой среде пектины образуют гелевые структуры, поэтому их широко используют в качестве загустителя в кондитерских изделиях, желе, мармеладе, в качестве наполнителя при производстве лекарств, сладостей, а также при производстве соков и молочных напитков.

Кроме того, пектины легко связываются с солями тяжелых металлов и поэтому используются в профилактических целях для предотвращения отравления тяжелыми металлами.

 Рекомендации по потреблению сахара и пищевых волокон:

• Рекомендуется, чтобы количество легко усваиваемых углеводов не превышало 60 г/день или не превышало 10% суточного значения энергии.
• Взрослым рекомендуется употреблять не менее 18 г некрахмальных пищевых волокон 12-34 г/день.