KARBONHİDRATLAR

KARBONHİDRATLAR
Karbonhidratlar yeryüzünde en yaygın ve bol olarak bulunan karbon, hidrojen ve
oksijen içeren, basit veya kompleks yapılı organik bileşiklerdir. Hayvanların ve bitkilerin
metabolizmalarında çok önemli rol üstlenirler. Karbonhidratlar yeşil yapraklı bitkilerde güneş
ışığının varlığında CO2 ve sudan sentezlenirler. Bu sentezleme reaksiyonuna fotosentez denir.
Karbonhidratlar sağlıklı beslenmede protein ve yağlara göre daha fazla tüketilmesi gereken
temel besinlerdir. Sindirilemeyen karbonhidratlar bile balast madde görevi gördükleri için
dengeli beslenmede büyük önem taşırlar. Gıdalarda bulunan önemli karbonhidratlar içerisinde
basit şeker, dekstrinler, nişasta, selüloz, hemiselüloz, pektinler ve gumlar bulunmaktadır.
Diyette, enerji kaynağı veya lifli yapılar olarak bulundan karbonhidratlar fonksiyonel
özelliklerinden dolayı önemli yapılardır. Karbonhidratların gıdalarda tatlandırıcı, jel veya
hamur oluşumu, stabilizatör, kıvam arttırıcı gibi önemli fonksiyonlarının yanı sıra gıdaların
işlenmeleri sırasında meydana gelen bir seri reaksiyon sonucu renk ve aroma prekürsörü olma
özellikleri de vardır.
Polihidroksi aldehit ve polihidroksi ketonlarla bunların polimerlerine, indirgeme ve
oksitleme ürünlerine ve esterlerine karbonhidrat denir.
Karbonhidrat “hidrate karbon”
anlamına gelir. Yapısında iki hidrojen molekülüne karşılık bir karbon ve su molekülü vardır.
Genel formülleri (CH2O)n dir. Glikoz ele alındığında C6H12O6 (6 C + 6 H2O) şeklinde formül
ile ifade edilebilir. Karbonhidratlar yapılarına göre monosakkaritler, disakkaritler,
trisakkaritler, oligosakkaritler, polisakkaritler gibi gruplara ayrılırlar. En basit yapılı
karbonhidratlar monosakkarit veya şeker olarak bilinmektedir ve genel kimyasal formülleri
CnH2nOn şeklinde belirtilmektedir. Yaygın olarak bulunan şekerler altı karbon içermektedir.
Disakkaritler yapısında iki, trisakkaritler üç, oligosakkaritler yapısında birçok şeker ünitesi
bulunduran karbonhidratlardır. Polisakkaritler ise yapısında binlerce şeker ünitesi bulunduran
kompleks yapılı polimerlerdir.
Monosakkaritler
Tüm şekerler düz zincir formunda bir C=O grubu içerirler. Eğer çift bağlı O atomu,
zincirin terminal C atomuna bağlı ise kombinasyon aldehit grubu olarak isimlendirilir; eğer
terminal almayan bir C atomuna bağlı ise kombinasyon keton grubu olarak isimlendirilir. Çift
bağlı O atomu içeren C atomları dışındaki tüm C atomlarına bağlı -OH (hidroksil) grupları
polardır. Su, içinde kümeleşme eğilimi gösteren basit non-polar hidrokarbon moleküllerinin
aksine, şekerler su ile hidrojen bağı oluştururlar ve çözünürler. Monosakkaritler, yapılarında 3
1
ile 8 karbon bulunduran, yaygın olarak beş veya altı karbon içeren basit yapılı polihidroksi
aldehit veya polihidroksi ketonlardır. Monosakkaritler daha küçük birimlere ayrılamazlar
çünkü zaten en basit durumdadırlar. Beslenme ve biyolojik açıdan önemli olan
monosakkaritler 5 C’lu pentoz ve 6 C’lu heksozlardır. 5 C’lu şekerler riboz, deoksiriboz, 6
C’lu şekerler glikoz, fruktoz, ve galaktozdur. Kapalı formülleri C6H12O6’dir. Kapalı
formülleri aynı organik moleküllerin atomları ve bağları uzayda çok farklı düzende yerleşmiş
olabilir. Böylece kapalı formülleri aynı uzaysal formülleri farklı bileşikler oluşur.
Karbonhidratlar da bu özelliktedir. Monosakkaritler suda çözünürler ve tatlıdırlar.
Monosakkaritler, disakkarit ve polisakkaritlerin yapı taşıdırlar (monomeri). Canlılarda enerji
eldesi için tüm karbonhidratlar glikoza yıkılır. Beyin yalnız glikoz ile çalışır. Glikoz serbest
olarak bal, üzüm ve incirde bol bulunur. Bütün polisakkaritlerin yapısını oluşturur. Glukozun
birbirinin ayna görüntüsü olan D-glukoz ve L-glukoz olmak üzere iki izomeri bulunmaktadır.
D-glukoz doğal olarak oluşan izomerdir. Glukoz, ilk karbon atomunda içerdiği aldehit
grubundan (CHO) dolayı aldoz şeker olarak bilinmektedir ve en önemli aldoz şekerdir.
Gıdalarda bulunan diğer iki aldoz şeker galaktoz ve mannozdur. Galaktoz süt şekeri olan
laktozun yapısına girdiği için, mannoz ise mannitol gibi tatlandırıcıların yapımında
kullanıldığı için önemlidir.
Fruktoz, bal ve olgun meyvelerde bol bulunur. Bunun için meyve şekeri de denir.
Fruktoz, glukoz gibi 6 karbonlu fakat keton grubu içerdiği için ketoz bir şekerdir. Aldoz
şekerler gibi, ketoz şekerlerin de D ve L-grupları vardır. Gıdalar için önemli olan şeker Dfruktozdur. Bütün ketoz şekerler keton grubu içermektedir.
Ketoz şekerlerdeki keton grupları, aldoz şekerlerdeki aldehit grupları karbonil grubu
olarak adlandırılmaktadır. Karbonil grubu oksijen atomuyla çift bağ oluşturmuş karbon atomu
içermektedir. Aldehit grubu karbon atomuna hem hidrojen hem de oksijen atomu bağlandığı
için spesifik bir karbonil grubudur. Keton grubu ise, hidrokarbon zincirine bağlı bir karbon
atomuna çift bağ ile bağlı oksijen içerdiği için karbonil grubudur.
5 C’lu riboz RNA’nın, ATP’nin ve bazı enzimlerin yapısında, deoksiriboz ise
DNA’nın yapısında bulunur.
Monosakkaritler serbest aldehit veya keton grubu taşıdıkları için alkali ortamda ağır
metalleri indirgeme özellikleri vardır.
Disakkaritler
2
Aynı veya farklı iki monosakkaritin bir molekül su vererek birleşmeleri sonucu
disaakritler oluşur. Genel formülleri ( C12H22O11 ) dir. Küçük moleküllerin birleşip, büyük
molekülleri oluştururken dışarıya su vermesi olayına dehidrasyon ya da kondensasyon denir.
Büyük moleküllerin su alarak küçük moleküllere parçalanması olayına ise hidroliz denir.
C6H12O6 + C6H12O6
------------------------ C12H22O11 + H2O
n molekül karbonhidrat tepkimeye girerse (n-1) molekül su açığa çıkar.
Disakkaritler iki monosakkaritin birbirine glikozit bağı ile bağlanmasıyla oluşur. Bu
nedenle dehidrasyon olayına glikozitleşme de denir. Glikozidik bağ, bir monosakkaritin
karbonil grubu (aldehit veya keton grubu) ile diğer monosakkaritin karbonil grubu veya hidroksil
grubunun birleşerek ortama su çıkmasıyla oluşur. Bu durumda oluşan bağ iki şekilde olur.
1- Maltoz tipi bağ : Bir monosakkaritin aldehit veya keton grubunun diğerinin hidroksil
grubuyla birleşmesi sonucu oluşan bağdır. Bu bağ ile meydana gelen disakkaritin serbest
aldehit veya keton grubu bulunduğundan indirgen özellik gösterir.
a. Glikoz + Glikoz ---------- Maltoz
b. Glikoz + Galaktoz -------- Laktoz
2- Trehaloz tipi bağ : Bir monosakkaritin aldehit veya keton grubunun diğerinin aldehit veya
keton grubu ile birleşmesi sonucu oluyşan bağdır. Bu bağ ile oluşan disakkarit serbest
aldehit veya keton grubu olmadığından indirgeyici değildir.
a. Glikoz + Galaktoz -------- Laktoz
Glikoz ve fruktozdan oluşan sakaroz, bu iki monosakkaritin aldehit ve keton
gruplarının birleşmesiyle meydana geldiği için serbest aldehit veya keton grubu yoktur. Bu
nedenle indirgen şeker değildir. Sıcaklık ve asit ile, invertaz, sükraz gibi enzimlerin etkisiyle
hidrolize edildiğinde invert şeker haline geçerek glikoz ve fruktoza ayrışır ve indirgen özellik
kazanır.
Sakkaroz inversiyon işlemi sonrası invert şeker olarak şekerleme ve jölelerin
içerisine katılarak istanmeyen kristalizasyonun önüne geçilmiş olur. Çay şekeri adıyla da
anılan sakkaroz şeker pancarında % 16-20, mısırda % 8-12 oranında bulunur. 210°C’de
karamelize olur. Doğrudan fermente olmaz, ancak hidrolize edilince fermente olur. Tatlılık
derecesi 100 kabul edilir. Beslenmede başlıca enerji kaynağıdır.
3
Malt şekeri de denilen ve doğada serbest olarak bulunmayan maltoz, iki mol glikozun
birleşmesinden oluşur. Nişastanın enzimatik hidrolizi ile elde edilir. Arpadan bira üretiminde
enzimatik parçalanma ile meydana gelir. İndirgendir. 102-103 °C’de erir. Orta derecede tatlıdır.
Laktoz hayvansal disakkarittir. Süt şekeri olarak da bilinir. Glikoz ve galaktozun
birleşmesinden oluşmuştur. Doğadaki tek laktoz kaynağı süt ve ürünleridir. İnek sütü % 4.5-4.8,
insan sütü % 7 oranında laktoz içerir. İndirgen özellikte olan laktoz, en az tatlı ve az çözülebilir
şekerlerdendir.
Polisakkaritler
Yapılarını oluşturan monosakkaritlerden farklı özellik gösterirler. Suda erimezler veya
güçlükle erirler, amorfturlar, tatlı değildirler. Hidrolize edildiklerinde disakkaritlere ve
monosakkaritlere ayrışırlar.
•
Genel formülleri ;
(C6H10O6)n
--------- (H2O)n +(C6H10O5)n
Bitkilerin yapılarında çok önemli görevler üstlenen polisakkaritler hayvanlar için fizyolojik
olarak nispeten daha az önem taşırlar. Başlıca polisakkaritler glikojen, nişasta ve selülozdur.
Glikojen hayvansal nişasta olarak da bilinir. Organizmada kas dokuda özellikle
karaciğerde depolanır. Postmortem kaslarda bulunan glikojenin tamamı laktik aside
dönüşürken, taze karaciğerde satış esnasında bile % 1-2’si korunur durumdadır. Hücrelerde
granül tarzında bulunur. Yüksek enerji kaynağıdır. İnsulin hormonu karaciğerde ve kaslarda
glikojen
oluşumunu
hızlandırır,
glukagon
ve
adrenalin
hormonlarıysa
glikojenin
yıkımlanmasına ve glikozun açığa çıkmasına neden olur. Glikoz molekülleri çok dallı biçimde
dizilmişlerdir. Yapışkan nitelikte amilopektin içermez. Glikojen 3000-60 000 glikoz
molekülünün birleşmesiyle meydana gelmiştir. Tamamiyle hidrolizde glikoz moleküllerine
ayrışır, α-amilaz ve fosfolilaz ile hidrolize olur. Glikojen iyotla kırmızı-viyole renk verir.
İndirgen özellik gösterir.
Nişasta bitkilerin köklerinde ve tohumların endosperminde bol miktarda bulunur ve
hem yedek besin deposu olarak hem de yapı maddesi olarak büyük önem taşır. Granül
tarzındadır. Buğday % 60-70, mısır % 65-75 oranında nişasta içerir. Tamamen glikozdan
oluşur. Nişastanın yapısında % 20-25 amiloz, %75-80 amilopektin vardır. Amiloz 100-2000
glikoz molekülünün düzgün biçimde dizilmesinden oluşmuştur. Suda erir. İyotla mavi renk
verir. Amilopektinde ise glikoz molekülleri çok dallıdır. Ve 10-20 glikoz molekülünden
oluşur. Suda erimez, şişer ve yapışkan özellik alır. İyotla mavi renk verir.
4
Selüloz
bitkilerde
hücre
membranlarında
bulunan
yapısal
polisakkarittir.
Glukoz
moleküllerinden oluşur. İki glikoz molekülü β-1,4-glikozidik bağ ile bağlanarak selülozun
yapıtaşı bir disakkarit olan sellobiyozu meydana getirir. Fakat glukoz molekülleri birbiriyle
tamamen bağlandığından insanlar tarafından sindirilemez. Selüloz β-bağları içerdiğinden
enzimler ile yıkımlanamaz ve bu yüzden insan vücudunda sindirilemez. Bundan dolayı diyette
lif yapısı olarak bulunmaktadır. Barsak hareketlerini düzenlediğinden günlük diyetle
alınmalıdır. Suda erimez, alkalilere dayanıklıdır. İndirgen değildir. Hidroksi metil selüloz
gıdalara kıvam vermek için kullanılır.
ŞEKERLERİN BAZI ÖZELLİKLERİ
Tatlılık
Şekerlerin en belirgin özellikleri yapılarında bulunan hidroksil grupları nedeniyle tatlı
olmalarıdır. Şekerler farklı tatlılık özelliklerine sahiptir. Çay şekeri olarak bilinen sakarozun
tatlılık derecesi 100 kabul edilir(Tablo 1). Laktoz (süt şekeri) en az tatlı iken fruktoz en tatlı
şekerdir. Şekerler ticari olarak üretilen şekerler ve diğer birçok gıda içerisine tatlandırıcı olarak
katılmaktadır.
Tablo 1 - Bazı şekerlerin tatlılık dereceleri
Şeker
Sakkaroz
Glikoz
Fruktoz
İnvert şeker
Laktoz
Maltoz
Galaktoz
Tatlılık derecesi
100
74
174
126
16
32
32
Solüsyon ve Şurup Oluşturma
Şekerler su içerisinde çözülme ve şurup oluşturma özelliğine sahiptir. Eğer su
uzaklaştırılırsa, kristaller oluşmaktadır. Şekerler hidrojen bağı etkileşimleriyle moleküler
solüsyonlar oluşturmaktadır. Şeker su içerisine katıldığında, su molekülleri ile şeker molekülleri
arasında hidrojen bağları oluşmakta ve şekerleri hidrate ederek şeker kristalinden ayırmaktadır.
Çözünebilirlik sıcaklıkla artmaktadır (sıcak bir sakkaroz çözeltisi soğuk ortamdan daha çok
molekül çözünmesini sağlamaktadır). Eğer sıcak doymuş bir sakkaroz çözeltisi çok soğutulursa
5
aşırı doymuş çözelti elde edilebilir. Aşırı doymuş çözelti aynı sıcaklıkta bulunacak şeker
çözeltisinden daha fazla çözünmüş madde içermektedir. Stabil değildir ve eğer karıştırılır veya
çalkalanırsa, ekstra çözünmüş olan şeker kristalize olarak çökecektir. Aşırı doymuş çözeltiler
şeker yapımı için önemlidir.
Dolgunluk ve Ağız Hissi
Şekerlerin gıdalar için belli bir dolgunluk ve “ağız hissi” özellikleri vardır. Diğer bir
deyişle, gıdalara şeker eklenmesi gıdaların daha visköz veya daha az hareketli bir hale
gelmelerini sağlamaktadır. Eğer şekerler yerine aspartam veya sakarin gibi besleyici olmayan
veya yüksek yoğunlukta tatlandırıcı katılır ise gıdanın kıvamı daha sulu veya seyrek yapılı
olacaktır. Bunu engellemek için, dolgunluğu veya ağız hissini sağlamak için başka bir madde
katılabilmektedir. Modifiye nişasta veya gumlar gibi kıvam arttırıcılar gıdalara genellikle
şeker eklenmeden istenilen kıvamı kazandırmak için katılmaktadır.
Fermentasyon
Şekerler, insan vücudunda sindirilerek ve metabolize edilerek enerji (4 kal/g) elde
etmek amacıyla kullanılmaktadır. Şekerler aynı şekilde mikroorganizmalar tarafından da
metabolize edilebilmektedir. Bu özellik ekmek yapımında mayalar tarafından şekerlerin
fermentasyonunda önem taşımaktadır. Mayalar şeker ile beslenerek, karbondioksit üreterek
hamurun pişirmeden önce ve pişirme sırasında kabarmasını sağlamaktadır. Fermentasyon
sırasında şekerlerden etil alkol ve CO2 oluşmaktadır. Glikoz, fruktoz, mannoz doğrudan,
galaktoz çok yavaş, sakaroz ve maltoz hidrolize edildikten sonra fermente olur.
Koruyucu Etki
Şekerler,
yüksek
konsantrasyonlarda
su
aktivitesini
mikroorganizmaların
gelişemeyeceği seviyelere düşürerek mikroorganizmaların gelişimini baskılamaktadır.
Şekerler bu şekilde koruyucu olarak kullanılabilmektedir. Şekerlerin bu amaç ile
kullanıldıkları gıdalara reçeller ve jöleler örnek olarak verilebilir.
İndirgen Şekerler
Serbest karbonil grubuna sahip şekerler aynı zamanda indirgen şekerler olarak
bilinmektedir. Bütün monosakkaritler indirgen özelliğe sahiptir. Disakkaritler serbest karbonil
grubuna sahip olduklarında indirgen özelliğe sahip olabilmektedir. Sakaroz serbest karbonil
6
grubuna sahip olmadığı için indirgen bir şeker değildir. Çünkü sakarozda, glikoz ve fruktozun
karbonil grupları glikozidik bağ oluşumuna katıldığı için ve diğer reaksiyonlara girebilecek
serbest bir kısım kalmadığı için sakaroz indirgen değildir. Diğer taraftan, maltozda bir
karbonil grubu glikozidik bağ oluşumuna katılırken diğer karbonil grubu serbest kalabildiği
için maltoz indirgen bir şekerdir. İndirgen şekerler pişirilme sırasında proteinlerdeki serbest
amino asit gruplarıyla birleşerek (Maillard reaksiyonu) kahverengi renk vermektedirler.
Karamelizasyon
Şekerler ısıtıldıklarında kahverengi renk vererek karamelize olurlar. Karamelizasyon
şekerlerin aşırı yüksek sıcaklıklarda dekompozisyonudur. Bu reaksiyon sonucunda organik
asitler, aldehitler ve ketonlar gibi birçok bileşik açığa çıkmaktadır. Bu reaksiyonda proteinler
yer almadığından maillard reaksiyonu ile karıştırılmamalıdır.
KARBONHİDRATLARIN SİNDİRİMİ
Diyetle alınan besinlerin % 60’ı karbonhidrattır. Karbonhidratların bağırsak
epitelinden emilebilmesi için monosakkarit formunda olması gerekir. Tükrükte bulunan alfaamilaz (pityalin) amilopektin ve amilozun glikozit bağlarını yıkarak nişastayı dekstin ve
maltoza kadar parçalar. Diyetle alınan disakkaritler ve pityalinin etkisiyle oluşan
disakkaritlerin sindirimi ince bağırsakta tamamlanır. Pankreastan salgılanan pankreatik alfaamilaz, ince bağırsak mukoza hücrelerinden salınan maltaz, sakkaraz, laktaz, alfa-dekstranaz
enzimleri ile tüm karbonhidratlar glikoz, fruktoz ve galaktoza kadar parçalanır.
Monosakkaritlerin çoğu basit difüzyon ile emilerek vena porta ile karaciğere taşınırlar.
Burada glikoz dışındaki monosakkaritler glikoza çevrilir. Glikoz ise ya karaciğerde glikojen
şeklinde depo edilir ya da dokulara taşınır.
Beslenmede karbonhidratlar :
-
Karbonhidratlar beslenme piramidinin altında yer alan ve sıklıkla tüketilmesi
gereken besin grubudur. Organizmada enerji kaynağı olarak kullanılırlar.
-
Doğada en fazla bulunan organik bileşik olan selüloz karbonhidratların temel
yapısını oluşturur. İnsan sindirim sisteminde sindirilemeyen selüloz balast madde
olarak diyetle mutlaka alınması gereken besin unsurudur. Kalın bağırsakta su
tutma özelliği sayesinde bağırsak peristaltiğini düzenleyerek
konstipasyonun
önüne geçer. Günlük alınması gereken miktar 100mg/ kg vücut ağırlığıdır.
7
-
Karbonhidratların sindirimi sırasında bağırsakta asit ortam oluşur (laktoz-----laktik
asit vb). Bu durum kalsiyum emilimini arttırdığı gibi, bağırsaklarda patojen
mikroorganizmaların gelişimini de baskılayabilir.
LAKTOZ İNTOLERANS
Laktoz intolerans ince bağırsaktan salgılanan laktaz enzimi eksikliği veya yokluğu
sonucu laktoz hidrolizinin hiç olmadığı ya da kısmen olduğu durumlarda görülen klinik
tablodur. Laktaz, laktozu glikoz ve galaktoza parçalayarak kolayca absorbe olmasını sağlar.
Laktaz enzimi yetersizliğinde veya yokluğunda laktoz tüketilirse tehlikeli bir durum oluşmaz
ancak rahatsızlık verici semptomlar görülür. Laktoz içeren gıdanın tüketiminden 30 dakika- 2
saat arasında değişen süreler sonunda mide bulantısı, kramplar, şişkinlik, gaz ve diyare
görülür. Semptomların şiddeti alınan laktoz miktarına ve kişisel intolerasyona bağlıdır.
Laktoz ----------------------------------- D-Glikoz + D-Galaktoz
Laktaz (β-galaktosidaz)
Laktoz intolerans genetik olabildiği gibi sonradan sindirim sistemi hastalıklarına bağlı
olarak veya ince bağırsak travmalarından sonra da oluşabilir. Çok nadiren bebeklerde görülür.
Genellikle 2 yaşından sonra laktaz üretimi azalır. 50 milyona yakın Amerikalıda laktoz
intolerans görüldüğü, bunun % 75’inin Afrika kökenli olduğu bildirilmektedir.
8