Carbohydrate là gì? Chất nào là carbohydrate bạn sẽ học?

Carbohydrate là một trong số chúng, rất bình dị nhưng là nguồn nạp năng lượng cho bộ não và toàn bộ cơ thể bạn.

1. Bạn ăn carbohydrate nào?

Trong cuộc đời, chúng mình ngày nào cũng ăn uống các chất dinh dưỡng quan trọng thuộc loại carbohydrate sau:

#1. ĐƯỜNG khi bạn ăn nho (có nhiều đường Glucose), uống mật ong (có nhiều đường Fructose), gặm mía hoặc ăn đường ăn (nhiều đường Saccharose), thưởng thức kẹo mạch nha (có nhiều đường Maltose) với bánh đa có rắc thêm dừa bào!

#2. TINH BỘT khi bạn ăn cơm (gạo), bắp, khoai lang khoai mì, khoai tây, …

#3. CELLULOSE khi bạn ăn các loại rau củ quả. Cellulose cũng là thành phần chính của lá và thân cây.

---

2. Định nghĩa carbohydrate theo hóa học

[1] Carbohydrate còn được gọi là GLUXIT hoặc SACCHARIDE

[2] Carbohydrate là hợp chất hữu cơ tạp chức – polihidroxicarbonyl – tức

• có nhiều nhóm chức ancol (-OH).
• nhóm carbonyl (-CO-) ở dạng chức andehit (-CH=O) hoặc xeton (-CO-) tùy chất.

[3] Đa số carbohydrate (nhớ không phải tất cả nha !) có công thức chung là C_n(H₂O)_m. Ví dụ

• glucose C₆H₁₂O₆ = C₆(H₂O)₆
• saccharose C₁₂H₂₂O₁₁ = C₁₂(H₂O)₁₁
• tinh bột (C₆H₁₀O₅)_n = [(C₆(H₂O)₅]_n hay C_6n(H₂O)_5n

---

3. Phân loại carbohydrate theo chương trình

Chương trình chia carbohydrate thành 3 nhóm lớn

1. Monosaccarit: học Glucose- Fructose là hai chất đồng phân C₆H₁₂O₆.
2. Đisaccarit: học Saccharose – Maltose là hai chất đồng phân C₁₂H₂₂O₁₁.
3. Polisaccarit: học Tinh bột – Cellulose. Hai chất này chỉ cùng công thức chung là (C₆H₁₀O₅)_n, không phải đồng phân do giá trị n khác nhau.                                                                      

Khi thực hiện phản ứng thủy phân, người ta nhận thấy sự chuyển đổi như sau:

Polysaccharide → Disaccharide → Monosaccharide (Mono không bị thủy phân nữa)

---

4. Một số tính chất vật lý của carbohydrate trong chương trình

4.1. Monosaccharide: hai chất đồng phân C₆H₁₂O₆

Glucose (đường nho)

• Rắn kết tinh, không màu. Vị ngọt.
• Dễ tan trong nước ; trong dung dịch tồn tại chủ yếu ở dạng mạch vòng α (~64%), vòng β (~36%), trong khi dạng mạch hở chỉ 0,003%.
• Có hầu hết ở các bộ phận cây. Có trong máu người với hàm lượng 0,1%.
• Những bệnh nhân yếu sức được truyền trực tiếp dung dịch glucose 5% – 50% (còn gọi là “huyết thanh ngọt”).

Fructose (đường mật ong)

• Rắn kết tinh dạng  vòng 5 cạnh. Vị ngọt hơn đường mía (đường saccharose).
• Dễ tan trong nước ; trong dung dịch tồn tại chủ yếu ở dạng β vòng 5 cạnh, 6 cạnh.
• Có nhiều trong quả ngọt, đặc biệt tới 40% trong mật ong nên làm cho mật ong có vị ngọt gắt – sắt vô cùng đặc biệt.

4.2. Disaccharide: hai chất đồng phân C₁₂H₂₂O₁₁

Saccharose (đường mía)

• Rắn kết tinh, không màu,
• Dễ tan trong nước. Vị ngọt.
• Có nhiều trong cây mía, củ cải đường, hoa thốt nốt. Các dạng sản phẩm của saccharose: đường phèn, đường kính, đường cát, đường thốt nốt, …

Maltose (đường mạch nha)

• Không có sẵn trong tự nhiên, maltose được tạo ra khi thủy phân không hoàn toàn tinh bột.

4.3. Polysaccharide: hai chất cùng công thức chung (C₆H₁₀O₅)_n

Tinh bột

• Rắn dạng bột vô định hình, màu trắng.
• Không tan trong nước nguội ; trong nước nóng 65⁰C trở lên, tinh bột tạo dung dịch keo (gọi là hồ tinh bột).
• Có nhiều trong các loại ngũ cốc, củ (khoai, sắn), quả (chuối còn xanh, táo).

Cellulose

• Rắn hình sợi, màu trắng, không mùi vị.
• Không tan trong nước và trong dung môi hữu cơ thông thường như etanol, ete, benzen.
• Có nhiều trong cây bông, đay, gai, tre, nứa, gỗ. Cellulose là thành phần chính tạo ra lớp màng tế bào thực vật, bộ khung của cây.

---

5. So sánh độ ngọt của vài carbohydrate

Các nhà hóa học qui ước độ ngọt của Saccarozơ – đường mía là 1, rồi tìm ra được độ ngọt của Mantozơ bằng 1/3 ; độ ngọt của Glucozơ bằng 0,6 ; Fructozơ có vị ngọt gấp 1,5 (gấp 2,5 lần glucozơ). Vậy độ ngọt của đường

Maltose < Glucose < Saccharose < Fructose

Bạn không thấy Tinh bột và Cellulose trong dãy so sánh trên vì lí do sau:

• Bản thân Tinh bột và Cellulose không có vị ngọt.
• Khi con người ăn thì
  • Men (chất xúc tác) có trong hệ tiêu hóa sẽ thủy phân Tinh bột thành Glucose luôn (phản ứng học ở các bài sau).
  • Cellulose không bị thủy phân do con người không có men xúc tác cho phản ứng thủy phân Cellulose! Do vậy lúc này, Cellulose có vai trò là chất xơ (chất độn) để tống đẩy các chất cặn ra ngoài, tức chống táo bón.
• Khi động vật nhai lại (trâu, bò, dê, …) ăn thì cả Tinh bột và Cellulose đều được cơ thể chúng thủy phân thành Glucose; do cơ thể chúng được thiên nhiên ưu ái, ban tặng cho các loại men xúc tác tốt cho phản ứng thủy phân Tinh bột và Cellulose.

---

6. Cấu tạo phân tử khủng của carbohydrate, sự diệu kì của tự nhiên

Bạn cần bình tĩnh trước khi tìm hiểu công thức cấu tạo của các carbohydrate trên. Chỉ cần ngắm nhìn và cố hiểu thôi, cuối cùng nếu vẫn chưa hiểu – không sao; bạn chỉ cần nắm công thức phân tử và các loại nhóm chức có trong phân tử carbohydrate là đủ!

Dẫu sao, ấn tượng khó phai về một ai đó, sẽ khiến bạn nhớ mãi rồi… rất khó để quên.

6.1. Glucose

Nhớ như sau đã quá đủ, Glucose có

+Công thức phân tử là C₆H₁₂O₆ (M = 180), ở dạng mạch hở và cả mạch vòng

+CTCT là CH₂(OH)-CH(OH)-CH(OH)-CH(OH)-CH(OH)-CH=O

• có 5 nhóm ancol -OH kế nhau
• có 1 nhóm andehit -CH=O

+Không bị thủy phân, chỉ có phản ứng lên men glucozơ tạo ancol etylic (phản ứng quan trọng để làm rượu vang):

C₆H₁₂O₆ –^{lên men rượu}→ 2C₂H₅-OH + 2CO₂

6.2. Fructose

Nhớ như sau đã quá đủ, Fructose có

+Công thức phân tử là C₆H₁₂O₆ (M = 180), ở dạng mạch hở và cả mạch vòng

+CTCT là CH₂(OH)-CH(OH)-CH(OH)-CH(OH)-CO-CH₂(OH)

• có 5 nhóm ancol -OH, trong đó có 4 nhóm kế nhau
• có 1 nhóm xeton >C=O

+Không bị thủy phân.

6.3. Saccharose

Nhớ như sau đã quá tuyệt vời, Saccharose có

+Công thức phân tử là C₁₂H₂₂O₁₁ (M = 342), chỉ ở dạng mạch vòng

+Cấu tạo từ 1 gốc α-glucose nối với 1 gốc β-fructose

• mỗi gốc còn 4 nhóm ancol -OH
• không có nhóm andehit, cũng không có nhóm xeton

+Vì cấu tạo từ gốc glucose và fructose nên khi thủy phân Saccharose, ta thu lại được hai mono này:

C₁₂H₂₂O₁₁^saccharose + H₂O → C₆H₁₂O₆^glucose + C₆H₁₂O₆^fructose

6.4. Maltose

Nhớ như sau đã quá đỉnh, Maltose có

+Công thức phân tử là C₁₂H₂₂O₁₁ (M = 342), ở dạng mạch hở và cả mạch vòng

+Cấu tạo từ 2 gốc α-glucose nối với nhau bằng liên kết α-1,4

• mỗi gốc còn 4 nhóm ancol -OH
• có 1 nhóm andehit -CH=O

+Vì cấu tạo từ 2 gốc glucose nên khi thủy phân Maltose, ta thu lại được mono này:

C₁₂H₂₂O₁₁^maltose + H₂O → 2C₆H₁₂O₆^glucose

6.5. Tinh bột

Tinh bột tồn tại 2 dạng: Amilose và Amilopectin. Bạn hãy vui xem hình dưới đây.

Tinh bột tạo thành từ n gốc α-glucose

Nhớ như sau đã quá giỏi, Tinh bột tạo từ nhiều gốc α-glucose có

+Công thức phân tử (C₆H₁₀O₅)_n ; M = 162n. Là polime ở hai dạng

• Amilose: polime không nhánh, xoắn lò xo.
• Amilopectin (do các phân tử amilose tiếp tục nối với nhau tạo nhánh): polime có nhánh, xoắn lò xo.

+Các gốc α-glucose nối với nhau

• bằng liên kết α-1,4 nếu là amilose.
• bằng liên kết α-1,4 và thêm α-1,6 nếu là amilopectin.

+Vì cấu tạo từ n gốc glucose nên khi thủy phân Tinh bột, ta thu lại được mono này (dùng xúc tác là dung dịch HCl loãng hoặc enzim):

(C₆H₁₀O₅)_n ^{tinh bột} + nH₂O → nC₆H₁₂O₆^glucose

+Khi bạn ăn, tinh bột sẽ thủy phân thành glucose. Glucose theo đường máu đến các mô rồi xảy ra phản ứng đốt cháy bằng O₂ ( do máu vận chuyển từ không khí) tạo CO₂, H₂O + năng lượng. Nếu không dùng hết, tinh bột sẽ dự trữ lại ở gan-gọi là Glycogen (Tinh bột động vật!).

Cấu trúc của glycogen y chang amilopectin; chỉ khác là số lượng mạch nhánh của glycogen lớn hơn so với amilopectin; bạn hãy suy nghĩ để giải thích điều này nha!

6.6. Cellulose

Cellulose tạo thành từ n gốc β-glucose

Nhớ như sau đã quá giỏi, Cellulose tạo từ nhiều gốc β-glucose có

+Công thức phân tử (C₆H₁₀O₅)_n hoặc [C₆H₇O₂(OH)₃]_n ; M = 162n. Là polime không nhánh, không xoắn lò xo.

+Các gốc β-glucose nối với nhau bằng liên kết β-1,4.

+Vì cấu tạo từ n gốc glucose nên khi thủy phân Cellulose, ta thu lại được mono này (dùng xúc tác là dung dịch HCl đặc 40%):

(C₆H₁₀O₅)_n ^cellulose + nH₂O → nC₆H₁₂O₆^glucose

Khác tinh bột có 2 loại mạch (không nhánh, có nhánh) đều xoắn lò xo; Cellulose chỉ có mạch KHÔNG nhánh, KHÔNG xoắn lò xo. Điều này gây ra bởi liên kết hidro giữa các nhóm -OH trong phân tử; đương nhiên, sự định hướng trong không gian của các nhóm -OH khác nhau ở mỗi phân tử …khiến liên kết hidro tạo ra cũng theo định hướng không gian khác nhau; kết quả Tinh bột, Cellulose tồn tại các dạng mạch như trên.

---

7. Sản xuất và ứng dụng của vài carbohydrate

7.1. Glucose (đường nho)

Trong công  nghiệp,

• thủy phân tinh bột nhờ xúc tác axit clohiđrit loãng hoặc enzim ; thủy phân cellulose (có trong vỏ bào, mùn cưa) nhờ xúc tác axit clohiđrit đặc 40%; thu glucose dùng làm nguyên liệu sản xuất ancol etylic.

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆

• thuỷ phân saccarozơ; thu glucozơ dùng để tráng gương, tráng ruột phích.

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆ (glucozơ) + C₆H₁₂O₆ (frutozơ)

Trong y học, glucozơ được dùng làm chất dinh dưỡng và tăng lực cho người già, trẻ em, người ốm không thể ăn.

Trong sản xuất rượu vang, quá trình lên men glucose tạo ancol etylic là phản ứng quan trọng:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅-OH + 2CO₂

7.2. Saccharose (đường mía, đường thốt nốt)

+Sản xuất đường saccharose chủ yếu từ cây mía qua một số công đoạn chính sau:

Sơ đồ trên và 2 phản ứng sau là không bắt buộc; nhưng rất hoan nghênh nếu bạn vui đọc!

Phản ứng của saccarozơ với vôi sữa Ca(OH)₂ , ứng  dụng để  tinh chế đường mía

• (2) C₁₂H₂₂O₁₁ + Ca(OH)₂ + H₂O → C₁₂H₂₂O₁₁.CaO.2H₂O canxi saccarat tan
• (3) C₁₂H₂₂O₁₁.CaO.2H₂O + CO₂ → C₁₂H_­22O₁₁ + CaCO₃ tủa + 2H₂O

+Trong công nghiệp thực phẩm, saccharose là nguyên liệu để làm bánh kẹo, nước giải khát, đồ hộp.

+Trong công nghiệp dược phẩm, saccharose để pha chế thuốc.

+Trong kĩ thuật, thuỷ phân saccharose thu glucose – fructose dùng để tráng gương, tráng ruột phích nước nóng.

7.3. Maltose (đường mạch nha)

Điều chế maltose bằng cách thuỷ phân tinh bột, xúc tác là men amilaza:

2(C₆H₁₀O₅)_n +  nH₂O → nC₁₂H₂₂O₁₁

Phản ứng này cũng xảy ra trong cơ thể người, động vật biết ăn cơm, gạo, ngô, sắn, khoai, . . . dưới tác dụng của các chất xúc tác sinh học (enzim).

7.4. Tinh bột và Cellulose

7.4.1. Tinh bột và cellulose tạo ra từ phản ứng quang hợp

+Tinh bột và cellulose là sản phẩm phản ứng quang hợp của cây xanh từ khí cacbonic (lá cây thu từ không khí) và nước (rễ cây hút từ đất) nhờ năng lượng từ ánh sáng mặt trời:

• 6CO₂ + 6H₂O + ánh sáng mặt trời → C₆H₁₂O₆^glucose + 6O₂
• nC₆H₁₂O₆ → (C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O [pứ trùng ngưng]
• Phương trình chung của 2 quá trình là

6nCO₂ + 5nH₂O → (C₆H₁₀O₅)_n^{Tinh bột-Cellulose} + 6nO₂

+Kho chứa tinh bột của cây là các loại hạt (gạo, mì, ngô, …), củ (khoai, sắn, …) và quả (táo, chuối, bơ, …). Hàm lượng % khối lượng tinh bột trong gạo là cao nhất (70 – 80%), tiếp đến là hạt bắp (65 – 75%), hạt lúa mì (60 – 70%), hạt lúa mạch (50 – 60%); trong khoai tây và các loại khoai, sắn tươi chỉ khoảng 17 – 24%.

+Xenlulozơ là thành phần chính cấu tạo màng tế bào thực vật, tạo nên bộ khung của cây => kho chứa xenlulozơ (% khối lượng): cây bông (95 – 98 %); đay, gai, tre, nứa (50 – 80 %); gỗ (40 – 50 %).

• Dùng cllulose trực tiếp: kéo sợi dệt vải, trong xây dựng, làm đồ gỗ . . . , làm giấy.
• Sản xuất tơ nhân tạo từ cellulose: xenlulozơ triaxetat [C₆H₇O₂(OCOCH₃)₃]_n khó cháy dùng sản xuất tơ axetat hoặc phim ảnh, tơ visco dài mảnh óng mượt.

7.4.2. Nguồn cung cấp đường glucose cho người là tinh bột

Tinh bột là một trong những thức ăn cơ bản của con người. Khi ăn, tinh bột bị thủy phân nhờ enzim amilaza có trong nước bọt thành đextrin, rồi thành maltose. Ở ruột, enzim mantaza xúc tác phản ứng thủy phân tiếp maltose thành glucose. Glucose được hấp thụ qua  thành mao trạng ruột vào máu đi đến các mô trong cơ thể. Trong máu:

• nồng độ glucose không đổi khoảng 0,1%;
• lượng glucose dư được chuyển về gan rồi tổng hợp lại thành glicogen (còn gọi là tinh bột động vật) dữ trữ cho cơ thể. Khi nồng độ glucose trong máu giảm xuống dưới 0,1%, glicogen ở gan lại bị thủy phân thành glucose và theo đường máu chuyển đến các mô trong cơ thể.

Tại các mô, glucose bị oxi hóa chậm bằng các phản ứng phức tạp nhờ enzim thành CO₂ và H₂O, đồng thời giải phóng năng lượng cho cơ thể hoạt động.

Sơ đồ như sau:

Tinh bột (C₆H₁₀O₅)_n → Đextrin (C₆H₁₀O₅)_x với x < n → Maltose C₁₂H₂₂O₁₁ → Glucose C₆H₁₂O₆*** → CO₂ + H₂O + Năng lượng [***glucose dư về gan tạo Glicogen dự trữ]

7.4.3. Nguồn cung cấp đường glucose cho động vật ăn cỏ là cellulose

Đối với con người, nguồn cung cấp glucose vào máu là đường mía (saccharose thuỷ phân tạo glucose), gạo – bắp – khoai lang – khoai mì (tinh bột thuỷ phân cũng tạo glucose). Nhưng do cơ thể con người không có men thích hợp để thuỷ phân cellulose thành glucozơ nên cellulose chỉ đóng vai trò chất xơ-chất độn chống táo bón.

Chỉ có động vật nhai lại (trâu, bò, bê, nghé, voi, . . .) mới có men thích hợp để thuỷ phân cellulose thành glucose mà thôi !

---

8. Liên kết nhanh

Đọc thêm về Carbohydrate và Hóa lớp 12 tại đây.

Chia sẻ bài viết lên mạng xã hội