Целлюлоза (клетчатка) (C6H10O5)n (от греч. cellula — клетка) — самый распространенный полисахарид в растительном мире, является структурным компонентом клеточных оболочек высших растений, некоторых водорослей и бактерий. Целлюлоза содержится в растениях в виде сложных смесей с сопутствующими веществами — лигнином, гемицеллюлозами, пентозанами, пектиновыми веществами. Молекулярная масса целлюлозы варьирует от 250 000 до 1 000 000 дальтон. В чистом виде целлюлоза — порошок белого цвета, не растворимый в воде и не образующий клейстер. Также целлюлоза не растворяется в органических растворителях, но растворяется в аммиачном растворе меди(II) гидроксида (реактив Швейцера), концентрированном растворе цинка хлорида, кислотах серной, фосфорной, трифторуксусной.

Целлюлоза имеет линейное строение макромолекул, образует длинные твердые волокна. Такая особенность строения придает определенную прочность и эластичность клеточным оболочкам растений. Молекула целлюлозы у различных растений содержит от 1400 до 10 000 остатков глюкозы, соединенных между собой в-(1—>4)-гликозидными связями. Звено, которое повторяется в цепи клетчатки, называется целлобиоза. В результате кислотного гидролиза (кислота серная) вначале образуется дисахарид целлобиоза, а затем глюкоза. Человек и высшие животные не содержат фермента, который бы мог расщеплять в-гликозидные связи целлюлозы, однако она является необходимым балластным элементом пищи, улучшающим процессы пищеварения, и применяется в диетическом питании.

Примером практически чистой целлюлозы являются волокна ваты — Gossypium и фильтровальная бумага. Вата является источником для получения коллодия и различных производных целлюлозы (метилцеллюлоза и др.), которые находят широкое применение в диетическом питании и как вспомогательные вещества при изготовлении различных лекарственных форм. Основное назначение препаратов на основе целлюлозы — выведение токсических продуктов из организма. В промышленности при гидролитической переработке целлюлозы получают этанол (гидролизный этанол), кормовые дрожжи, лигнин и т. д. Кроме того, целлюлоза широко используется для производства бумаги, искусственных волокон, лаков, красок, пластмасс, сорбентов, взрывчатых веществ и др.

Крахмал (Amylum) — важнейший гомополисахарид растений с общей формулой (C6H10O5)n. Крахмал образуется в процессе фотосинтеза в зеленых листьях растений и откладывается в семенах злаковых, клубнях картофеля, корнях алтея, солодки в виде зерен, являясь главным аккумулятором энергетических ресурсов. В организм человека и животных крахмал попадает с пищей (картофель, хлеб и др.). Крахмальные зерна бесцветные, имеют слоистое строение. По форме, строению и размеру крахмальные зерна различных видов растений очень отличаются. Эти различия являются одним из диагностических признаков, позволяющих определить растительный источник получения крахмала, а также примеси постороннего крахмала. Крахмал — белый порошок без запаха и вкуса; не растворяется в холодной воде, спирте, эфире. При ступенчатом кислотном и ферментативном гидролизе амилоза и амилопектин расщепляются до декстринов (смесь полисахаридов с меньшей молекулярной массой), дальнейший гидролиз которых приводит к образованию мальтозы, а затем — глюкозы. При нагревании в воде крахмал образует густую клейкую жидкость — крахмальный клейстер. Молекулярная масса — 100 000-10 000 000 дальтон.

Крахмал состоит из амилозы (10-30%) и амилопектина (70-90%), которые различаются между собой строением и свойствами.

Амилоза — линейный полисахарид, молекулы которого содержат от 200 до 1000 мономеров (остатков a-D-глюкопиранозы), соединенных а-(1—>4)-гликозидными связями. Молекулярная масса амилозы составляет примерно 150 000-600 000 дальтон. Ее молекулы гибкие и могут принимать различные пространственные формы. Амилоза находится внутри крахмального зерна; растворяется в теплой воде. В присутствии комплексообразователей (йода) может существовать в виде спирали, в каждом витке которой содержится 6 остатков глюкозы. Размер внутренней полости спирали позволяет разместиться в ней молекуле йода, что приводит к образованию окрашенного в синий цвет комплекса. На этом свойстве основано использование крахмала как индикатора в фармацевтическом анализе.

Амилопектин — разветвленный полисахарид, содержащий 600-6000 (до 30 000) мономеров — a-D-глюкопиранозы, соединенных а-(1—>4)-гликозидными и а-(1—>6)-гликозидными связями. Соотношение связей I—>4 к 1—>6 составляет примерно 25:1. Молекулярная масса амилопектина достигает 1-6 млн дальтон. В связи с наличием большого количества ответвлений молекула амилопектина не способна принимать конфигурацию спирали и связывает йод только в незначительном количестве с образованием красно-фиолетового или фиолетового окрашивания. Амилопектин растворяется в горячей воде, образуя вязкий коллоидный раствор.

Содержится в оболочке крахмальных зерен. Чаще всего источниками получения крахмала являются клубни картофеля, зерновки кукурузы, пшеницы, риса.

Крахмал является основным источником углеводов в рационе питания человека. Фермент амилаза, содержащийся в слюне, расщепляет а-гликозидные связи крахмала до декстринов, частично — до мальтозы, дальнейший распад которых до глюкозы происходит в кишечнике.

Крахмал широко применяется в различных отраслях промышленности: в микробиологической и фармацевтической — как микробиологическая среда в процессах получения различных энзимов, антибиотиков, а также как основа искусственных биодеградируемых биополимеров, для производства витаминов и т. д.; в пищевой — как загуститель, в производстве патоки, для получения декстринов, глюкозы, этанола и других продуктов брожения; в текстильной, бумажной — как клей. При изготовлении лекарств, особенно гранул, таблеток, как наполнитель и разрыхлитель чаще всего используют крахмал картофельный. Благодаря сыпучести и способности прилипать к коже, поглощать влагу и кожный жир крахмал применяется в присыпках и пудрах. Кроме того, может использоваться как компонент многих мазей и паст; в хирургии — для приготовления неподвижных повязок; как обволакивающее средство при заболеваниях желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), индикатор в йодометрическом методе анализа (водорастворимый крахмал).

Декстрины (от лат. dexter — правый, растворы декстрина отклоняют луч поляризованного света вправо) — представляют собой низкомолекулярные глюканы, которые образуются в результате частичного расщепления гликогена или крахмала кукурузного или картофельного под действием ферментов (амилаз, фосфорилазы), кислот или термической обработке до 180-200 °С.

Декстрины — это белый или желтоватый порошок, сладковатый на вкус, растворимый в холодной воде, разведенном спирте, не растворимый в абсолютном этаноле, в горячей воде образует коллоид и при добавлении йода синеет. Декстрины растворяются в щелочах при нагревании, при этом приобретают желтую окраску.

Декстрины применяют как адгезив и фиксатор хирургических повязок; наполнитель в таблетках и капсулах; загуститель в эмульсиях; связывающее вещество при гранулировании; при дражжировании таблеток в оболочке выполняют роль пластификатора и адгезива. Также являются источником углеводов для людей, которые придерживаются специальной диеты (не содержащей свободной лактозы и сахарозы).

Преобразованием крахмала в декстрин объясняется образование поджаренной корочки на выпеченном хлебе, а также блеск выглаженного накрахмаленного белья. Декстрины используют при изготовлении клея для пищевой промышленности и как пищевую добавку Е1400.

Декстран — полисахарид бактериального происхождения, состоящий из остатков a-D-глюкозы, соединенных между собой преимущественно а-1—>6-связями. Его молекулярная масса составляет около 10 млн дальтон. Бактерии, синтезирующие декстран, чаще всего относятся к представителям семейства Lactobacillaceae, родов Lactobacillus, Leuconostoc и Streptococcus. Получают декстран путем культивирования микроорганизма рода Leuconostoc на искусственной питательной среде. В виде частично гидролизованного раствора с молекулярной массой около 60 тыс дальтон, декстран применяется в медицине как плазмо-и кровезаменитель с противошоковым действием (Полиглюкин и Реополиглюкин). Препарат Ферролекплюс, кроме декстрана, содержит соли железа и применяется при лечении железодефицитных анемий. Для стимуляции регенерации тканей используется трехмерный декстран (препараты Реоглюма и Реомакро-декс). В химическом анализе используются модифицированные декстраны — так называемые сефадексы.

Фруктаны — полимерные гомополисахариды, построенные из множества молекул в-D-фруктофуранозы, соединенных 2—>1-гликозидными связями. Наиболее изученным фруктаном является инулин.

Все фруктаны легко растворимы в горячей воде. Для их очистки используют повышенную растворимость фруктанов в водно-этанольных смесях по сравнению с другими полисахаридами, осаждение с помощью Ba(OH)2, с которыми фруктаны дают нерастворимые комплексы.

Многие растительные фруктаны проявляют иммуномодулирующую, противоопухолевую и противовоспалительную активность.

Инулин (от лат. Inula — девясил), (C6H10O5)n — распространенный в природе резервный полисахарид, который встречается в растениях некоторых семейств — Астровых, Лилейных, Колокольчиковых, Фиалковых, в некоторых водорослях, бактериях Streptococcus mutans и др. Содержится в клеточном соке растений. В подземных органах топинамбура, гиацинта, нарцисса, цикория, девясила, одуванчика содержание инулина достигает 10-12%. Источником получения инулина являются цикория корни и топинамбура клубни.

Молекула инулина в основном состоит из остатков в-D-фруктозы, а также содержит небольшое количество остатков a-D-глюкозы. Входит в группу фруктозанов. Молекулярная масса — обычно не более 6000 дальтон. Инулин — это белый, аморфный, гранулированный, гигроскопичный порошок, почти без запаха, почти не растворяется в холодной и хорошо — в горячей воде, при 

обработке растительного материала этанолом инулин оседает в виде сферических кристаллов.

Инулин — диетическое волокно, относится к группе пребиотиков. Инулин легко усваивается, не адсорбируется в желудке и тонком кишечнике, ферментируется микрофлорой толстой кишки, устраняет инсулинорезистентность (повышает чувствительность к инсулину, что приводит к снижению уровня сахара в крови). Используется в медицине как заменитель крахмала и сахара в диетическом питании больных с нарушениями обмена веществ. Он также является источником для промышленного получения фруктозы.

Инулин положительно влияет на обмен веществ, регулирует углеводный обмен, нормализует жировой обмен и уровень сахара в крови, улучшает работу печени, предотвращает дисбактериоз. Он выводит из организма вредные вещества (тяжелые металлы, токсины), укрепляет иммунную систему, снижает риск возникновения сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, способствует усвоению витаминов и минеральных веществ в организме.

Гликоген (животный крахмал), (C6H10O5)n — главный резервный полисахарид животных и человека, встречается также в клетках растений, некоторых видов бактерий, дрожжей и грибов. Значительное его количество концентрируется в печени (3-5%), мышцах (0,4-2%). Молекулярная масса гликогена 10в5-10в8 дальтон и более. Его молекула построена из ветвящихся полиглюкозидных цепей, в которых остатки глюкозы соединены а-(1—>4)-гликозидными связями. В точках ветвления имеются а-(1—>6)-гликозидные связи. По строению гликоген близок к амилопектину. Гликоген характеризуется более разветвленной структурой, чем амилопектин; линейные отрезки в молекуле гликогена включают 11-18 остатков a-D-глюкопиранозы. При гидролизе гликоген, подобно крахмалу, расщепляется с образованием сначала декстринов, затем мальтозы и, наконец, глюкозы.

В отличие от большинства других резервных полисахаридов, гликоген хорошо растворим в воде. Раствор гликогена с йодом образует фиолетово-красное окрашивание. Гликоген расщепляется в организме под действием фермента амилазы (происходит гидролитическое расщепление гликогена в процессе пищеварения) или под действием фермента фосфорилазы (происходит внутриклеточное превращение, которое приводит к отщеплению и фосфорилированию глюкозы). Этот полисахарид обеспечивает организм глюкозой при повышенных физических нагрузках и в перерывах между приемами пищи.

Хитин (от греч. chiton — одежда, оболочка), поли-М-ацетил-П-глюкозо-2-амин — природный полимер, построенный из остатков N-ацетилглюкозамина, связанных между собой в-(1—>4)-гликозидными связями, основной компонент наружного скелета членистоногих, входит в состав клеток грибов, бактерий, диатомовых водорослей; выполняет защитную и опорную функции. Хитин ракообразных отличается от хитина насекомых. По строению, физико-химическим свойствам и биологическому действию хитин подобен целлюлозе растений, в природных источниках всегда ассоциирован с белками. Отличие в строении молекул целлюлозы и хитина — наличие в хитине ацетамидных группировок в звеньях полимерной цепи. Молекулярная масса хитина достигает 260 000.

Биологическое расщепление хитина до свободного N-ацетилглюкозамина происходит под действием фермента хитиназы.

При нагревании с концентрированными растворами минеральных кислот (соляной или серной) происходит гидролиз, в результате образуются мономеры N-ацетилглюкозамина. При длительном нагревании хитина с концентрированными растворами щелочей происходит N-деацетилирование и образуется хитозан.

Хитозан используется в медицине для производства противоожоговых препаратов. Хитозан снижает уровень холестерина в крови, из него производят мембраны для аппаратов «искусственная почка», его добавляют в зубную пасту для лечения пародонтоза, хитозана сульфаты препятствуют свертыванию крови. В текстильной промышленности хитозан необходим для производства сверхпрочных нитей, из которых изготавливается спецодежда. В растениеводстве он стимулирует процесс синтеза в растениях защитных соединений и веществ, подавляющих рост и размножение болезнетворных грибов. В биотехнологии хитозан и его производные применяют как флокулянты для концентрирования клеток микроорганизмов, при создании иммобилизованных ферментов и др.