ساکارز یکی از قندهای گیاهی است که پس از تثبیت دی‌اکسید کربن جو در برگ گیاه تولید و به اندام‌های مختلف منتقل می‌شود. این ترکیب به عنوان شیرین‌کننده و نگهدارنده در صنایع غذایی و دارویی کاربرد دارد. در این مطلب ساختار ساکاروز، روش استخراج آن از گیاهان و کاربردهای آن را توضیح می‌دهیم.

ساکارز چیست ؟

ساکارز، قند گیاهی یا قند نیشکر، کربوهیدراتی ۱۲ کربنه، بی‌رنگ و شیرین است که انحلال‌پذیری بسیار زیادی در آب دارد. این قند در محصولات گیاهی ازجمله میوه‌ها، سبزیجات و غلات وجود دارد و در صنعت، شیرین‌کننده محصولات غذایی است. نیشکر و چغندر قند، دو منبع اصلی ساکارز طبیعی برای شیرین‌کننده‌های مواد غذایی هستند.

مطلب پیشنهادی:
کربوهیدرات ها — به زبان ساده
شروع مطالعه

ساختار ساکارز چیست ؟

ساکاروز ($$C_{12}H_{22}O_{11}$$) کربوهیدراتی از خانواده دی‌ساکاریدها است. این ترکیب از اتصال زیرواحدهای مونوساکاریدی D-گلوکز و D-فروکتوز تشکیل شده است. زیرواحدهای مونوساکاریدی در ساختار ساکاروز به‌وسیله پیوند گلیکوزیدی (کربن-اکسیژن-کربن) کنار هم قرار گرفته‌اند. برای تشکیل این پیوند شیمیایی، گروه OH در مونوساکارید حلقوی با هیدروژن کربن آنومری مونوساکارید دیگر واکنش می‌دهد و پس از تشکیل یک مولکول آب، دی‌ساکارید تولید می‌شود.

ساختار ساکارز
مونوساکاریدهای گلوکز و فروکتوز با پیوند گلیکوزیدی کنار هم قرار می‌گیرند و دی‌ساکارید ساکارز را می‌سازند.

گلوکز

گلوکز مونوساکاریدی ۶ کربنه و قند مصرفی بدن است. این ترکیب در پاسخ به ترشح هورمون انسولین در خون، از بافت پوششی روده جذب خون می‌شود و به بافت‌ها و اندام‌های مختلف بدن می‌رسد. گلوکز پس از ورود به سلول‌ها، برای تولید ATP مصرف می‌شود یا به شکل گلیکوژن در ماهیچه‌ها و کبد ذخیره خواهد شد تا در مواقع لازم منبع انرژی کافی برای انجام فعالیت‌ها در اختیار بدن قرار بگیرد.

فروکتوز

فروکتوز یا قند میوه، یکی دیگر از مونوساکاریدهایی است که بدن برای تولید انرژی لازم خود از آن استفاده می‌کند. این قند برای تولید ATP ابتدا به گلوکز تبدیل می‌شود. علاوه بر تامین انرژی، فروکتوز پیش‌سازی برای مسیرهای سنتزی تری‌گلیسیریدهای بدن است و مصرف زیاد آن سبب افزایش غلظت این ترکیب در خون می‌شود.

اکسایش ساکاروز

دمای بالاتر از ۱۸۶ درجه سانتی‌گراد، انرژی پیوندهای گلیکوزیدی در ساکاروز را تحت تاثیر قرار می‌دهد و منجر به تجزیه گرمایی این مولکول می‌شود. اکسایش ساکاروز مثل سایر کربوهیدرات‌ها در حضور اکسیژن، مولکول‌های آب و دی‌اکسید کربن تولید می‌کند. همچنین، اکسایش ساکاروز با کاهنده بسیار قوی پتاسیم نیترات ($$KNO_3$$) منجر به تولید «سوخت آبنباتی موشک» (Rocket Candy) در معادله زیر می‌شود.

$$C_{12}H_{22}O_{11} + 6KNO_3 → 3K_2CO_3 + 3N_2 + 9CO + 11H_2O$$

کلریک‌اسید، یکی دیگر از ترکیبات کاهنده است که واکنش آن با ساکاروز هیدروکلریک‌اسید، آب و دی‌اکسید کربن تولید می‌کند.

$$C_{12}H_{22}O_{11} + 8HClO_3 → 8HCl + 11H_2O + 12CO_2 $$

واکنش ساکاروز با سولفوریک‌اسید

از سولفوریک‌اسید در حضور گرما، می‌توان در واکنش آبگیری ساکاروز استفاده کرد. معادله زیر این واکنش را نشان می‌دهد که محصولات آن ماده کربنی سیاه و مولکول‌های آب است.

$$C_{12}H_{22}O_{11} + H_2SO_4 → 11H_2O + 12C$$

ساکارز عسل چیست ؟

عسل مایعی با ویسکوزیته بالا، شیرین، با رنگ طلایی و یکی از منابع مواد غذایی مفید است. این ماده به‌طور طبیعی از فراوری شهد گل‌ها به‌وسیله بسیاری از زنبورها تولید می‌شود. هیدرولیز ساکاروز نسبت مساوی ۱ به ۱ از فروکتوز و گلوکز تولید می‌کند. به این ترکیب «شکر معکوس» (Invert Sugar) می‌گویند که ترکیب اصلی در عسل است. دلیل این نامگذاری تغییر زاویه نور قطبیده در اثر حضور دو ایزومر گلوکز و فروکتوز پس از هیدرولیز ساکاروز است.

ساکارز عسل

آیا مصرف ساکارز برای بدن ضرر دارد ؟

گوارش ساکارز در بدن از دهان و به‌وسیله آنزیم‌های موجود در بزاق شروع می‌شود. اما بخش زیادی از گوارش این قند به‌وسیله آنزیم ساکاراز ترشح شده از سلول‌های پوششی روده باریک، انجام می‌گیرد. فروکتوز در بدن همراه با گلوکز جذب می‌شود. به همین دلیل مصرف همزمان این دو ماده سبب افزایش جذب فروکتوز و سنتز بیشتر چربی‌ها خواهد شد. در نتیجه مصرف ساکارز که ترکیب این دو قند است از مصرف گلوکز و فرکتوز، ضرر بیشتری دارد.

مولکول ساکارز

بیماری ساکارز چیست ؟

نقص «آنزیم سوکراز-ایزومالتاز» (Sucrase-Isomaltase) بیماری غیر واگیر و وابسته به ژن است که منجر به اختلال در گوارش و جذب ساکاروز در بدن می‌شود. با نقص این آنزیم، ساکاروز هیدرولیز نشده، به منبع غذایی برای باکتری‌های مفید روده تبدیل خواهد شد. افزایش متابولیسم باکتری‌ها به دلیل افزایش قند در دسترس، منجر به نفخ معده، احساس درد شکم، یبوست و اسهال می‌شود. از طرفی بدن بخشی از منبع گلوکز خود برای تامین انرژی را از دست می‌دهد که ممکن است منجر به اختلال رشد شود.

آنزیم سوکراز ایزومالتاز

پلی‌ساکاریدها و دی‌ساکاریدهایی مثل ساکاروز قبل از جذب در روده پستانداران هیدرولیز می‌شوند. آنزیم سوکراز ایزومالتاز، با تجزیه پیوندهای گلیکوزیدی، این کربوهیدرات‌ها را به زیرواحدهای مونومری تجزیه می‌کند. این آنزیم دو جایگاه فعال با عملکرد متفاوت دارد.

  • بیشتر فعالیت آنزیمی سوکراز ایزومالتاز مربوط به این جایگاه است و با شکستن پیوند $$\alpha-1,\beta-2-$$ گلیکوزیدی در تبدیل ساکاروز به گلوکز و فروکتوز، با شکستن پیوند $$α-(1→4)$$ شاخه‌های کوتاه نشاسته به مونوساکاریدهای گلوکز و دی‌ساکارید مالتوز به دو مولکول گلوکز نقش دارد.
  • جایگاه فعال دوم، آزاد شدن زنجیره‌های گلوکزی از آلفا دکسترین‌ها، پلیمرهای گلوکزی با حداقل یک پیوند $$ α-(1→6)$$ گلیکوزیدی را کاتالیز می‌کند.

تولید شکر خام

ساکارز مصرفی در مواد غذایی از دو منبع طبیعی نیشکر و چغندر قند تامین می‌شود. قبل از ذخیره و نگهداری این محصولات، برای جلوگیری از تجزیه ساکارز، این دی‌ساکارید باید استخراج شود.

تولید شکر خام از نیشکر

روش‌های مختلفی برای فراوری نیشکر و تولید شکر خام وجود دارد اما همه آن‌ها از پنج مرحله اصلی تشکیل شده است.

  • استخراج شیره نیشکر به‌وسیله آسیاب کردن یا انتشار: در استخراج به‌وسیله آسیاب کردن، ساقه نیشکر به قطعات کوچکی بریده می‌شود. سپس، بافت‌های گیاهی آسیاب می‌شوند و در مرحله آخر، شیره حاصل با بخار آب ترکیب و شیره رقیق تولید خواهد شد.
  • تصفیه شیره: شیره حاصل از مرحله قبل به‌وسیله گرما، آهک (ترکیب کلسیم در ساکارز مایع که معمولا کلسیم ساکارات تشکیل می‌دهد) یا «انعقاد» (Flocculation) تصفیه می‌شود و غلظت ساکارز آن افزایش می‌یابد. گرما و کلسیم ساکارات، آنزیم‌های موجود در شیره را دناتوره می‌کنند و pH آن را از اسیدی به خنثی تغییر می‌دهند. تنظیم pH در این مرحله بسیار مهم است. چون ساکارز در pH اسیدی هیدرولیز و به مونوساکاریدهای سازنده آن تبدیل می‌شود. دمای شیره در این مرحله به ۹۹ تا ۱۰۴ درجه‌سانتی‌گراد افزایش می‌یابد و از ترکیبات منعقدکننده ازجمله پلی‌آکریل‌آمیدها برای جداسازی ترکیبات اضافه بهره می‌برند.
  • تبدیل شیره به شربت به‌وسیله تبخیر: در این مرحله از تبخیر چندمرحله‌ای، برای افزایش غلظت ساکارز استفاده می‌شود. تبخیرهای متوالی در پایان این مرحله، غلظت ساکارز را به ۵۵ تا ۵۹٪ در کل شربت افزایش می‌دهد.
  • تشکیل بلور شکر از شربت: برای تشکیل بلور، شربت ساکارز یک مرحله دیگر در شرایط خلا، تبخیر و در فرایندی چندمرحله‌ای به «شیره سیاه» (Blackstrap) تبدیل می‌شود. ترکیب این شیره از ۲۵٪ ساکارز و ۲۰٪ ساکارز هیدرولیز شده (گلوکز و فروکتوز) تشکیل شده است.
  • جداسازی بلور و خشک‌کردن: برای استفاده ساکارز استخراج شده در صنعت، کریستال‌های شکر تشکیل شده به‌وسیله سانتریفیوژ جدا و سپس خشک می‌شود. شکر به دست آمده از این فرایند، ترکیب جامد با رنگ قهوه‌ای یا زرد بسیار روشن است که ۹۷ تا ۹۹٪ وزن آن را ساکارز تشکیل می‌دهد.

شکر خام حاصل از این فرایند، پس از فراوری به شکر سفید، شکر دانه‌دانه و حبه قند تبدیل می‌شود.

تولید ساکاروز از چغندر قند

استخراج ساکارز از چغندر قند، شبیه به استخراج این ماده از نیشکر است. ابتدا چغندر به تکه‌های کوچک‌تر تقسیم و در آبی با دمای ۶۰ تا ۷۰ درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرند تا غشای سلولی آن‌ها از بین برود و ساکاروز آزاد شود. ترکیب مایع حاصل از این فرایند، شیره خامی است که علاوه بر ۱۰ تا ۱۵٪ ساکاروز، ناخالصی‌های آلی و معدنی بسایر زیادی ازجمله پروتئین‌ها، فنول‌ها، اسیدها، پکتین و سایر ترکیبات سلول گیاهی در آن وجود دارد. به همین دلیل رنگ این شیره، قهوه‌ای تا سیاه است. باکتری‌های مقاوم به گرما، با اضافه شدن ترکیبات ضدعفونی کننده ازجمله گوگرد دی‌اکسید ($$SO_2$$) از شیره جدا می‌شوند. در مراحل بعدی کلسیم هیدروکسید برای رسوب دادن ناخالصی‌ها استفاده می‌شود. سپس عبور گاز $$CO_2$$ ناخالاصی‌ها را همراه با کلسیم کربنات ار ترکیب جدا می‌کند. در پایان مراحل تبخیر و تشکیل بلور، ساکارزی با خلوص ۹۹٪ تولید خواهد شد.

تفاوت ساکارز با شکر سفید چیست ؟

ساکارز قند گیاهی است که از چغندر قند یا نیشکر استخراج می‌شود. محصول نهایی این فرایندها، ترکیبی قهوه‌ای یا زرد است که ترکیب شیرین‌کننده در صنایع غذایی است. رنگ این محصول به‌وسیله ترکیباتی مثل دی‌اکسید گوگرد تغییر می‌کند و شکر سفید تولید می‌شود که برای استفاده در صنایع غذایی مناسب نیست.

کاربرد ساکارز در صنایع غذایی

ساکاروز در صنایع غذایی و داروسازی تنها افزودنی شیرین‌کننده نیست. این ترکیب به عنوان نگهدارنده مواد غذایی کنسرو شده، میوه‌ها و گوشت استفاده می‌شود و بر فعالیت‌های آنزیمی، واکنش‌های کربونیل‌آمین و اکسایش چربی‌ها اثر می‌گذارد. اضافه کردن ساکارز به مواد غذایی، آب موجود در آن‌ها را جذب می‌کند و فعالیت آن را کاهش می‌دهد. به همین دلیل آب آزاد کمتری برای رشد و تکثیر در اختیار باکتری‌ها است. همچنین ساکارز یکی از ترکیبات موجود در محیط‌ کشت سلولی و ترکیبی ضدیخ برای نگه‌داری مواد در آزمایشگاه‌های داروسازی است.

سنتز ساکاروز در گیاهان

گیاهان، کربوهیدرات لازم برای رشد و ادامه حیات خود را به‌وسیله مصرف دی‌اکسید کربن و نور خورشید در واکنش های فتوسنتزی می‌سازند و ساکارز یکی از این کربوهیدرات‌های حاصل از واکنش‌های چرخه کالوین است. در هر چرخه کالوین یک کربن برای تشکیل کربوهیدرات‌ها از چرخه خارج می‌شود. این کربن ابتدا در فرایند گلیکوژنز به گلوکز و سپس با مراحل زیر به ساکارز تبدیل می‌شود.

  • گلوکز ۶-فسفات با مصرف ATP به UDP-گلوکز تبدیل می‌شود.
  • UDP-گلوکز به‌وسیله آنزیم ساکارز ۶-فسفات سنتتاز با فروکتوز ۶-فسفات واکنش می‌دهد. در این واکنش، ساکاروز ۶-فسفات و نوکلئوتید UDP تشکیل خواهد شد.
  • در مرحله آخر با هیدرولیز فسفات، ساکاروز تشکیل و آماده انتقال به اندام‌های گیاه می‌شود.

تنظیم سنتز ساکارز

این موضوع که کربن خارج شده از چرخه کالوین پس از تشکیل گلوکوز برای تولید ساکاروز یا نشاسته مصرف شود، به چند آنزیم تنظیمی در مسیر تولید این ترکیبات بستگی دارد. آنزیم ساکارز ۶-فسفات سنتتاز، آنزیم مشترک در مسیرهای سنتز ساکاروز و نشاسته است که به‌وسیله پیوند کووالانسی با مولکول‌های تنظیمی و تغییرات کنفورماسیونی تنظیم می‌شود. همچنین فروکتوز ۱،۶ بیس فسفات، آنزیم مشترک بین مسیرهای سنتز ساکاروز، گلیکولیز و گلیکوژنز، یکی دیگر از آنزیم‌های تنظیم سنتز ساکاروز است. علاوه بر تنظیم آنزیم، افزایش غلظت تره‌هالوز ۶-فسفات در سلول، تولید ساکاروز را کاهش می‌دهد.

نقش ساکاروز در گیاهان

ساکاروز، کربوهیدرات اصلی است که به‌وسیله آوندهای آبکش از برگ گیاهان به ساقه و ریشه انتقال می‌یابد و در فعالیت‌های متفاوتی شرکت می‌کند.

جمع‌بندی

ساکارز قند طبیعی گیاهان است که با پس از تشکیل گلوکز از در فرایند فتوسنتز، تولید می‌شود. این دی‌ساکارید از دو زیرواحد مونوساکاریدی گلوکز و فروکتوز تشکیل می‌شود. در صنعت این ترکیب را از نیشکر و چغندر قند استخراج و شکر سفید تولید می‌کنند. همچنین ساکارز در صنایع غذایی و داروسازی علاوه بر شیرین‌کننده ترکیبات، به عنوان نگهدارنده ترکیبات کاربرد دارد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۱۳ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

مرضیه پیمان فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد نانوفناوری پزشکی است. در زمینه ترجمه متون تخصصی و کاربردهای نانو‌ساختارها در پزشکی فعالیت می‌کند. در حال حاضر در زمینه تولید‌ محتوای زیست‌شناسی با فرادرس همکاری می‌کند.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *