МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
СУМСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БІОХІМІЯ
Методичні вказівки
щодо проведення лабораторно-практичних занять за темою: «Хімія ліпідів 1»
Суми 2017
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
СУМСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра технології молока і м’яса
БІОХІМІЯ
Методичні вказівки
щодо проведення лабораторно-практичних занять за темою: «Хімія ліпідів 1»
для студентів 1 курсу, які навчаються за напрямком підготовки 6.051701 "Харчові технології та інженерія" денної та заочної форми навчання
Суми 2015
УДК 637.1(079)
ББК 36.95
Укладачі: Божко Н.В., к. с.-г. н., доцент кафедри ТМя і МП
Біохімія. Методичні вказівки щодо проведення лабораторно-практичних занять за темою: «Хімія ліпідів 1» для студентів 2 курсу, які навчаються за напрямком підготовки 6.051701 "Харчові технології та інженерія" денної та заочної форми навчання. – Суми, 2015. - 20 с.
Методичні вказівки спрямовані на надання методичної допомоги студентам під час вивчення теми «Хімія ліпідів 1» та проведення практичних занять.
Рецензенти: Василенко О.О., к.т.н., доцент кафедри технологічного обладнання харчових виробництв Сумського національного аграрного університету; Бондарчук В.М., к.с.-г. н., доцент кафедри технології м’яса і м’ясних продуктів, Сумського національного аграрного університету.
Відповідальний за випуск: кандидат с/г. наук, професор, завідувач кафедри технології молока і м’яса М.І. Машкін.
Рекомендовано до видання вченою радою навчально-наукового інженерно-технологічного інституту СНАУ
Протокол №___ від __________ 2015 р.
© Сумський національний аграрний університет, 2015 р.
Тема: «Хімія ліпідів 1» (4 год).
Теоретична частина
Ліпіди (від грец. lіpos - жир) є похідними вищих жирних кислот, спиртів і альдегідів, що відрізняються різним ступенем розчинності в органічних розчинниках.
За хімічним складом ліпіди поділяються на прості і складні. Прості ліпіди - речовини, молекули яких складаються з залишків жирних кислот (або альдегідів) і спиртів. До них відносяться нейтральні жири (триацилгліцероли, інші гліцероли) і воски. У цю групу входять також ефіри вітамінів А і D з вищими жирними кислотами.
Складні ліпіди, крім вищих жирних кислот і спиртів, містять похідні ортофосфорної кислоти (фосфоліпіди), залишки цукрів (гліколіпіди), азотисті сполуки (холін, коламін, серин).
Якщо в гліцеролі (гліцерині) етерифікована жирною кислотою одна гідроксильна група, то утворюється моноацилгліцерол, якщо дві, то диацилгліцерол, якщо три, то триацилгліцерол.
Основна маса природних жирів приходиться на триацилгліцероли. До їхнього складу входять насичені і ненасичені жирні кислоти (найбільш часто зустрічаються пальмітинова, стеаринова і олеїнова кислоти). Якщо триацилгліцерол містить одну жирну кислоту, то він називається простим (наприклад, тристеарин, трипальмітин), якщо ж кислотні радикали належать різним жирним кислотам, то утворюються змішані тригліцероли, їхні назви залежать від вхідних жирних кислот (наприклад, 1-пальміто-2-стеарино-3-олеїн).
Воски являють собою ефіри вищих жирних кислот і вищих одноатомних або двохатомних спиртів, що містять від 20 до 70 карбогенових атомів. Ця група жирів виконує в основному захисну роль. Природні воски (бджолиний, ланолін, спермацет), крім складних ефірів, включають вільні жирні кислоти, спирти та ін. Вони входять до складу сала, що покриває шкіру людини.
Віск захищає листя і плоди від проникнення води і мікробів, він виявлений у складі капсул туберкульозних паличок. Під шаром бджолиного воску зберігається мед.
Найважливішими компонентами жирів, що визначають значною мірою їхні властивості, є жирні кислоти.
Жирні кислоти містять, як правило, парне число карбогенових атомів і нерозгалужений ланцюг. Вони поділяються на дві великі групи: насичені (граничні) і ненасичені (неграничні), що містять подвійні зв'язки. Саме від подвійних зв'язків у молекулі залежать всі основні властивості ненасичених жирних кислот.
У тканинах тварин синтезуються різні кислоти. Насичені жирні кислоти входять до складу тваринних жирів. У тканинах людини присутні ненасичені жирні кислоти, що відносяться до чотирьох сімейств: пальмітоолеїнової, олеїнової, лінолевої і ліноленової кислот.
Разом з тим, тканини людини не здатні синтезувати лінолеву і ліноленову кислоти, а повинні одержувати їх з їжею, у зв'язку з чим їх відносять до ессенціальних факторів харчування. Всі інші поліненасичені жирні кислоти (ПНЖК) утворюються шляхом подовження ланцюга або введення нових подвійних зв'язків.
Найбільше значення за ступенем поширення і властивостями мають наступні жирні кислоти:
насичені:
мононенасичені (з одним подвійним зв’язком):
поліненасичені (с двома і більше подвійними зв’язками):
Ненасичені жирні кислоти поширені в рідких жирах (оліях). У багатьох рослинних оліях вміст їх доходить до 80-90 % (соняшникова, кукурудзяна, льняна, маслинова).Завдяки неміцним подвійним зв'язкам між атомами вуглецю ненасичені жирні кислоти легко вступають у хімічні реакції. Шляхом гідрогенізації рослинних жирів у промисловості одержують маргарини.
Легка окислюваність ненасичених жирних кислот є однією з причин накопичення в жирах продуктів окиснювання і наступного їхнього псування (прогіркання).
Велике значення має арахідонова кислота, що входить до складу деяких тваринних жирів і відсутня у рослинних оліях. В даний час комплекс ессенціальних поліненасичених жирних кислот розглядають як фактор F, біологічну значимість якого дорівнюють до вітамінів.
Біологічна роль ПНЖК досить важлива: вони беруть участь як структурні елементи у фосфатидах, ліпопротеїнах клітинних мембран. А крім того, входять до складу оболонок нервових волокон, сполучної тканини, впливають на обмін холестерину, підвищуючи його окиснювання і сприяючи його перетворенню в лабільну сполуку. ПНЖК також нормалізують стан стінок кровоносних судин. Ці кислоти зв'язані з обміном вітамінів групи В (піридоксину і тіаміну), стимулюють захисні механізми організму, підвищують його стійкість до інфекційних захворювань і дії радіації, впливають на стан шкірного і волосяного покриву. Арахідонова кислота є попередником простагландинів - модуляторів гормональної активності. Добова потреба людини в ПНЖК складає 5-10 г. Джерелами ПНЖК у їжі є рослинні олії, особливо нерафіновані.
РЕАКЦІЇ АЦИЛГЛІЦЕРИНІВ
Гідроліз триацилгліцеринів
Під впливом лугів, кислот, ферменту ліпази триацилгліцерини гідролизуються з утворенням ди-, потім моноацилгліцеринів і, кінець кінцем, жирних кислот і гліцерину.
Результати гідролізу виражаються схемою:
У присутності кислотних каталізаторів (сульфокислоти, H2SO4) процес ведуть при 100°C в надлишку води. У відсутність каталізаторів розщеплювання проводять при температурі 220-225°C під тиском 2-2,5 MПa ("безреактивне" розщеплювання). Гідроліз концентрованими водними розчинами гідроксиду натрію (омилення) є основою процесу отримання ("варіння") мила.
На швидкість гідролізу ацилгліцерину впливають будова і положення ацилів, температура, каталізатори. Із зростанням довжини вуглецевого ланцюга, збільшенням не насиченості (при тій же довжині вуглецевого ланцюга) ацилів швидкість гідролізу знижується. Гідроліз ацилгліцеринів під дією ліпази протікає ступінчасто.
При цьому спостерігається певна селективність: на першій стадії утворюються 1,2-диацилгліцерини, на другій - 2-моноацилгліцерини. Швидкість гідролізу моноацилгліцеринів вища, ніж триацилгліцеринів; діацилгліцерини займають проміжне положення.
Гідроліз триацилгліцеринів широко застосовується в техніці для отримання жирних кислот, гліцерину, моно- і діацилглицеринів.
Гідролітичний розпад жирів, ліпідів зерна, борошна, крупи і інших жировмісних харчових продуктів є однією з причин погіршення їх якості, кінець кінцем - псування. Особливо прискорюється цей процес при підвищенні вологості продуктів, що зберігаються, температури, активності ліпази. Швидкість і глибину гідролізу олій і жирів (у тому числі, що містяться в харчовій сировині і в готових продуктах) можна охарактеризувати за допомогою кислотного числа.
Кислотне число - це кількість міліграм їдкого калію, необхідна для нейтралізації вільних жирних кислот, що містяться в 1 г олії або жиру. Кислотне число для ряду харчових продуктів нормується стандартами і є одним з показників, що характеризують їх якість.
Переетерифікація
Велике практичне значення має група реакцій, при яких йде обмін ацильних груп (ацильна міграція), що призводить до утворення молекул нових ацилгліцеринів. Триацилгліцерини при температурі 80-90°C у присутності каталізаторів (метилат і етилат натрію, натрій і калій, алюмосилікати) здатні обмінюватися ацилами (переетерифікація). При цьому ацильна міграція відбувається як усередині молекули ацилгліцерину (внутрішньомолекулярна переетерифікація), так і між різними молекулами ацилгліцеринів (міжмолекулярна переетерифікація).
При переетерифікації за участю хімічних каталізаторів склад жирних кислот жиру не змінюється, відбувається їх статистичний розподіл в суміші тригліцеридів, що призводить до зміни фізико-хімічних властивостей жирових сумішей в результаті зміни молекулярного складу. Збільшення числа ацилгліцеринових компонентів в жирі призводить до зниження температури плавлення і твердості жиру, підвищення його пластичності.
Істинним каталізатором переетерифікації є гліцерат натрію, що утворюється при взаємодії алкоголяту натрію з триацилгліцерином (чи луги з гліцерином).
Механізм реакції переетерифікації полягає у взаємодії карбонільної групи >C=0 складного ефіру зі спиртовими групами:
Гліцерат, що утворився, взаємодіє з новою молекулою триацилгліцерину. Швидкість переетерифікації залежить від ацилгліцеринового і жирнокислотного складу жиру, кількості і активності каталізатора, температури.
Переетерифікація високоплавких тваринних і рослинних жирів з рідкими рослинними оліями дозволяє отримати харчові пластичні жири з високим вмістом лінолевої кислоти за відсутності транс-ізомерів жирних кислот. Готові переетерифіковані жири, призначені в якості компонентів маргаринової продукції, мають наступні показники: температура плавлення 25-35°C; твердість(при 15°C) 30-130 г/м; масова доля твердих тригліцеридів (при 20°C) 6-20%. Переетерифіковані жири спеціального призначення застосовуються в хлібопеченні, при виробництві аналогів молочного жиру, кондитерського жиру, комбінованих жирів і т. д.
Приєднання водню(гідрування ацилгліцеринів)
Гідрування олій і жирів молекулярним воднем в промисловості проводять при температурах 180-240°C у присутності нікелевих або мідно-нікелевих каталізаторів, при тиску, як правило, близькому до атмосферного. Завдання гідрогенізації олій і жирів - цілеспрямована зміна жирно-кислотного складу початкового жиру в результаті часткового або повного приєднання водню до залишків ненасичених жирних кислот, що входять до складу ацилгліцеринів соняшникового, бавовняного, соєвого, рапсового і інших рідких рослинних олій.
Основна хімічна реакція, що протікає при гідрогенізації, - приєднання водню до подвійних зв'язків залишків неграничних жирних кислот :
Підбираючи відповідні умови реакції, вдається здійснити цей процес селективно (вибірково), гідруючи спочатку, в основному, ацили ліноленової кислоти до лінолевої, потім лінолевої до олеїнової, а вже потім залишки олеїнової (якщо це необхідно) до стеаринової кислоти, і отримати продукт із заздалегідь заданими властивостями, званий саломасом:
Процес гідрування окремих ненасичених триацилгліцеринів може бути представлений наступним рівнянням:
Окислення ацилгліцеринів
Жири і олії, що особливо ті, що містять радикали ненасичених жирних кислот, окислюються киснем повітря. Першими продуктами окислення є різноманітніза будовою гідропероксиди. Вони дістали назву первинних продуктів окислення.
Переважно окислюється група - CH2 -, сусідня з подвійним зв'язком (α-положення), а з найбільшою швидкістю - розташована між двома подвійними зв'язками. Гідропероксиди, що утворилися, нестійкі; в результаті їх складних перетворень утворюються вторинні продукти окислення: окси- і епоксисполуки, спирти, альдегіди, кетони, кислоти і їх похідні з вуглецевим ланцюжком різної довжини.
Окислення ацилгліцеринів киснем повітря - автокаталітичний процес, що йде по ланцюговому шляху з виродженим розгалуженням. Продукти окислення, що утворилися, здатні до полімеризації і поліконденсації :
Напрям і глибина окислення олій і жирів залежать, в першу чергу, від їх ацилгліцеринового складу: зі збільшенням міри неграничності жирних кислот, що входять до складу ацилгліцеринів, швидкість їх окислення зростає. У ряді ефірів олеїнової(C1lg), лінолевої(С218) і ліноленової(С318) кислот співвідношення швидкості окислення 1:27:77. Ацилгліцерини насичених кислот киснем повітря за звичайних умов практично не окислюються. Крім того, на швидкість окислення впливає присутність вологи, металів змінної валентності.
Великий вплив на швидкість окислення роблять антиокисники (інгібітори) - речовини, додавання яких призводить до обриву ланцюгів окислення. При цьому активні радикали, які ініціюють процес окислення, утворюють стабільні радикали, які не беруть участь в цьому процесі :
Серед антиоксидантів найбільше значення мають з'єднання фенольної природи: іонол, БОТ, БОА, пропілгаллати. З природних антиокисників найбільше значення належить токоферолам, сезамову (кунжутна олія), госіполу (бавовняна олія).
При введенні антиоксидантів у кількості 0,01 % стійкість жирів до окислення збільшується в 10-15 разів.
Активність і тривалість дії антиоксидантів збільшується у присутності синергістів (від греч. synergo's - що діє разом). Дія синергістів може бути обумовлена рядом причин, головна з них - здатність дезактивувати іони металів змінної валентності(Pb, Cu, З, Mn, Fe і т. д.), каталізаторів окислення, що грають роль. Активними синергістами є комплексони (оксі- і амінокислоти, похідні фосфорної і фосфонової кислот та ін.). Застосування в якості комплексонів знайшли лимонна і аскорбінова кислоти. Синергістами є фосфоліпіди.
Швидкість окислення жирів зменшується при пониженні вмісту кисню в довкіллі. На цьому заснований спосіб зберігання олій і жирів в середовищі з пониженим вмістом кисню(наприклад, в середовищі з підвищеним вмістом азоту). Окислення жирів прискорюється з підвищенням температури зберігання і під впливом світлової енергії. Іони металів перехідної валентності - заліза, міді, марганцю і інших - можуть робити як каталітичну, так і інгібуючу (що уповільнює) дію на процес автоокислення жирів.
Окислення ліпідів може проходити і під дією біологічних каталізаторів - ліпоксигеназ.
Ферментативне окислювальне згіркнення характерне для ліпідного комплексу олійного насіння, що зберігаються, зерна, продуктів їх переробки (борошно, крупа). Воно протікає за участю ферментів ліпази і ліпоксигенази.
Ліпаза здійснює гідроліз триацилгліцеринів, ліпоксигеназа каталізує утворення гідропероксидів ненасичених жирних кислот (головним чином, лінолевою і ліноленовою). Вільні жирні кислоти окислюються швидше, ніж їх залишки, що входять в молекули жиру.
Згіркнення жирів і жировмісних продуктів - результат складних хімічних і біохімічних процесів, що протікають в ліпідному комплексі. Розрізняються окислювальне і гідролітичне згіркнення. Обидва ці види згіркнення можуть бути розділені залежно від чинників, прискорюючи (що каталізують) їх, на авто каталітичне (неферментативне) і ферментативне(біохімічне). Жири і олії, що особливо містять залишки ненасичених жирних кислот (ліноленової, лінолевої, олеїнової), при контакті з повітрям розчиняють його компоненти, у тому числі кисень, і окислюються.
Харчове псування жиру супроводжується зміною не лише ацилгліцеринів, але і супутніх речовин. Наприклад, знебарвлення рослинних олій при осалюванні пов'язане з окисленням каротиноїдів. Темний колір олій, отриманих з ураженого пліснявою насіння, обумовлений окисленням мікотоксинів. Дуже темне (від коричневої до чорної) забарвлення бавовняної олії обумовлене продуктами окислення госіполу. Псування жиру супроводжується і цілим рядом реакцій деструкції і полімеризації. Деструкція фосфатидилхоліну з утворенням легко летучого триметиламіну (CH3)3N обумовлює оселедцевий запах засалених жирів. Окислення ліпідів призводить не лише до погіршення якості харчових продуктів, зниження їх харчової цінності, але і до їх великих втрат. Тому необхідно застосовувати усі заходи по відвертанню або уповільненню згіркнення жирів і жировмісних харчових продуктів. Жири і харчові продукти, що утримують їх, мають неоднакову стійкість при зберіганні. Вона залежить від їх жирно-кислотного складу, характеру домішок, наявності і активності ферментів, усе це повинно визначати умови їх упаковки, режими і допустимі терміни зберігання. Найменш стойки при зберіганні вершкове масло, маргарин, курячий жир.
Практична частина
Мета заняття. Закріпити і поглибити знання про хімізм перетворень ліпідів, про властивості продуктів розпаду ліпідів. Удосконалити навички техніку лабораторних біохімічних досліджень.
Дослід 1. Реакція стеридів з сірчаною кислотою
Водовідбираючі речовини перетворюють стерини на ненасичені вуглеводи, які утворюють забарвлені комплекси з сірчаною кислотою.
Об’єкт дослідження: 1. Холестерин, 0,3 %-й розчин в хлороформі;
2. Лецитин, 0,3 %-й розчин в хлороформі;
3. Соняшникова олія, 0,3 %-й розчин в хлороформі.
Обладнання та посуд: 1. Штатив з пробірками;
2. Піпетки.
Реактиви: концентрована сірчана кислота.
Техніка виконання роботи
У сухі пробірки наливають по 1 мл хлороформних розчинів, що будуть досліджуватися, і в кожну додають по стінці пробірки 1 мл концентрованої сірчаної кислоти. Вміст пробірок обережно перемішують. У присутності стеринів верхній шар рідини забарвлюється в темно-червоний колір, нижній – у жовто-червоний з зеленою флуоресценцією.
Результати усіх трьох дослідів оформлюють у вигляді таблиці, позначаючи характер реакції знаками „+”, „ – ” (табл.1).
Таблиця 1
| Реактиви | Характер реакції з різними видами ліпідів | ||
| соняшникова олія | лецитин | холестерин | |
| | | | |
Дослід 2. Емульгування жирів
Емульгуванням називають розподіл однієї нерозчинної рідини в інший у вигляді краплин. Таке подріблення на краплини звичайно здійснюється при енергійному перемішуванні двох рідин. Щоб емульсія не розшаровувалася, використовують спеціальні речовини – емульгатори або стабілізатори. Емуль-гатор розподіляється по поверхні краплинок диспергованої рідини у вигляді тонкої плівки і перешкоджає їх злиттю. Стійкість одержаної емульсії в значній мірі залежить від природи емульгатора. Наприклад, молочно-жирова емульсія маргарину має високу стійкість і не розшаровується при механічній і термічній діях. У вітчизняному маргариновому виробництві як емульгатори використовують суміші моно- і дигліцеридів, фосфатиди, сухе молоко. При виготовленні майонезів з цією метою використовують яєчний і гірчичний порошки.
Основними емульгаторами в шлунково-кишковому тракті є солі жовчних кислот, білки, фосфатиди, мила, гідрокарбонати лужних металів. Емульгування жирів сприяє кращому їх розщепленню та всмоктуванню в кишечнику.
Об’єкт дослідження: олія.
Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;
2. Піпетки;
3. Воронки;
4. Фільтри паперові.
Реактиви: 1. Лецитин;
2. Гідрокарбонат натрію, 1 % розчин.
Техніка виконання роботи
У три пробірки наливають по 5 мл дистильованої води. До другої пробірки вносять на кінчику ножа лецитин, до третьої – 1 мл розчину гідрокарбонату натрію. Потім до всіх пробірок додають по 0,2 мл олії. Пробірки енергійно струшують і залишають на 5 хвилин. У першій пробірці емульсія швидко розшаровується на воду і олію. У інших пробірках завдяки присутності лецитину і соди утворюються стійкі емульсії.
Вміст пробірок фільтрують через паперові фільтри у другі пробірки. У першій пробірці через фільтр проходить прозорий розчин, а олія залишається на фільтрі. У інших пробірках фільтрується мутна рідина (емульсія). Отже, стабілізатори сприяють емульгуванню жирів і значно полегшують їхнє проходження через мембрани.
Контрольні завдання й питання:
Що таке ліпіди і які їхні функції в організмі ?
У складі свинячого жиру виявлені трипальмітин, триолеїн, пальмітодиолеїн. Напишіть їхні формули.
У кокосовій і пальмовій оліях знайдені стеародипальмітин, олеодипальмітин. Напишіть їхні формули.
У яєчному жовтку виявлені фосфоліпіди. Напишіть їхні формули і перелічите основні функції.
Який стероїд тваринного походження сприяє розвиткові атеросклерозу кровоносних судин ?
Напишіть формулу холестеролу і вкажіть його значення для організму людини.
Пояність механізм перетворень ацилгліцеринів.
Які продукти є джерелами поліненасичених жирних кислот ?
Результати дослідів запишіть у зошит. Зробіть висновки про вплив жовчі на швидкість розшеплення жиру.
Напишіть реакцію розщеплення триацилгліцеролу під впливом ліпази.
Напишіть реакції переетерифікації ацилгліцеринів.
Божко Наталія Володимирівна
Біохімія
Методичні вказівки
щодо проведення лабораторно-практичних занять за темою: «Хімія ліпідів 1», для студентів 2 курсу, які навчаються за напрямком підготовки 6.051701 "Харчові технології та інженерія" денної та заочної форми навчання.
Суми, РВВ, Сумський національний аграрний університет, вул. Г.Кондратьєва, 160
Підписано до друку 2015 р. Формат А5 Тираж примірників
Гарнітура Times Умовних друкованих аркушів Замовлення №