Углеводы
Углеводы являются самым распространенным компонентом, содержащимся в биомассе. Они представляют собой сахара или сконденсированные полимеры простейших сахаров.
Конденсированный полимер получается путем соединения мономеров с выделением воды, которая образовалась из отделившегося от одного мономера атома водорода и отделившейся от другого мономера гидроксильной группы. Процесс соединения мономеров происходит по тому же принципу, что и образование сложных эфиров (см. рис. 11.2). Обратный процесс — реакция деполимеризации, в которой участвует молекула воды, — называется гидролизом.
Простые сахара, известные как моносахариды, являются соединением углерода, водорода и кислорода. Они содержат от трех до. восьми атомов углерода. Сахар с пятью атомами углерода называется пентозой, с шестью атомами углерода — гексозой и. т. д.
Моно — и дисахариды могут участвовать в реакции ферментации (брожения), т. е. они могут быть биологически преобразованы в этанол. Если растение содержит в себе свободные сахара, как, например, сахарный тростник, то его сок может быть ферментирован напрямую, без дополнительных реакций. В общем случае углеводы перед ферментацией должны быть превращены в простейшие сахара (гидролизованы).
Гидролиз углеводов может происходить под действием кислот или энзимов (ферментов). При использовании недорогих кислот, например серной, выход продуктов гидролиза получается невысоким. Дорогие ферменты добавляются для повышения выхода продуктов. Реакции гидролиза являются довольно энергоемкими.
Использование микроорганизмов позволяет проводить ферментацию в один этап без предварительного процесса гидролиза.
Гексоза имеет эмпирическую формулу (СН20)6. Существует 16 разновидностей гексозы, которые удовлетворяют этой формуле. Для того чтобы отличить одну форму от другой, нужно знать их внутреннюю структуру. Гексоза может существовать в виде линейной цепочки или обладать циклической структурой, последняя более распространена и является единственной, которая может существовать в водных растворах. Для упрощения в последующем будем использовать линейные формулы.
Простейший вариант компоновки атомов, образующих гексозу:
н н н н н н
I I I I I I
-с-с-с-с-с-с-
I I I I I I
0 о о о о о
1 I I I I I
н н н н н н
Приведенная выше структура удовлетворяет эмпирической формуле, но на концах имеет две свободные валентные связи. Для устранения этих вакансий перенесем один атом водорода с левого конца на свободное место в правом конце При этом освободившуюся валентную связь кислорода объединим со свободной валентной связью левого конца. Теперь структура становится завершенной. Полученная структура называется глюкозой:
н н н н н н
I I I I I I
с-с-с-с-с-с-н
II I I I I I
о о о о о о
I I I I I
н н н н н
Заметим, что глюкоза содержит в своем составе альдегидную группу 0=С Н Другая известная разновидность гексозы, фруктоза, является кетоном, посколь* двойная связь кислорода с углеродом находится внутри соединения:
Б Н Н Н Н
I 1111
н-С — С — с-с-с-с — н
I II I I I I
0 о о о о о
1 1111
н н н н н
Сахароза представляет собой димер двух предыдущих сахаров. Она образ» ется путем соединения молекулы глюкозы и фруктозы, при этом выделяет, и молекула воды.