Klassificering enligt molekylstorlek eller DP-grupper kolhydrater till monosackarider, disackarider, oligosackarider och polysackarider . Monosackarider är kirala, polyhydroxylerade aldoser eller ketoser som inte kan hydrolyseras till mindre kolhydratenheter ., De kan klassificeras enligt antalet kolatomer i sin struktur, som sträcker sig från tre till nio kolatomer (dvs, triose, tetrose, pentose, hexos, heptose, octose, och nonose), av den typ av carbonyl grupp de innehåller (dvs, aldose eller ketose), och av deras stereokemi (dvs, d eller ʟ), och de har den allmänna kemiska formeln (CH2O)n . Aldoser kallas reducerande sockerarter på grund av deras reducerande effekt på vissa joner eller föreningar, oxiderar deras aldehydgrupp till en karbonylgrupp ., Det enklaste aldossockret med en kiral atom är glyceraldehyd, med sin andra C-molekyl fäst vid fyra olika grupper, vilket ger förmågan för denna c att ha två rumsliga konfigurationer ,och glyceraldehyd finns därför i både D – och D-formerna. Chirala kolatomer har var och en av sina fyra tetraedriska bindningar kopplade till en annan grupp . Chiraliteten av sockerarter och AA är vanligtvis betecknad av D/SIM-systemet och namnges i förhållande till strukturen av glyceraldehyd .,
monosackarider
de vanligaste monosackariderna är 6 – C-aldohexoserna, som inkluderar aldohexos D-glukos, och är vanligtvis närvarande i sina ringstrukturer som kallas en pyranosring snarare än i öppna kedjestrukturer (Fig. 1) . I oligo – och polysackarider kan aldopentoser förekomma som en 5-C ringstruktur som kallas en furanosring . D-glukos, med tanke på alla dess kombinerade former, är den mest rikliga monosackariden som naturligt förekommer i naturen . Den mest rikliga ketosen är d-arabino-hexulos, känd mer allmänt av sitt triviala namn, d-fruktos ., De tre trioserna inkluderar ketosdihydroxiaceton och både enantiomeriska former av glyceraldehyd . Erythrose och Treos är exempel på tetroser, och pentoser inkluderar ribos, arabinos, xylos och apiose .
kemisk struktur av monosackarider som vanligtvis är förknippade med smältbara kolhydrater och fibrer. Anpassad från Albersheim et al.,
sockerarter, såsom glukos, galaktos, mannos och fruktos, som har olika strukturer, men har samma kemiska formel, C6H12O6, kallas isomerer . Sockerarter som skiljer sig i konfiguration runt endast en kolatom kallas epimerer, såsom D-glukos och d-mannos, som varierar i deras strukturer runt C-2 . Ett par enantiomerer är en speciell typ av isomerism där de två medlemmarna i paret är spegelbilder av varandra och betecknas som i d-Or-strukturen (dvs,, D-glukos eller glukos), beroende på positionen för –OH-gruppen kopplad till det asymmetriska kolet längst bort från karbonylgruppen .
andra typer av monosackarider inkluderar alditol eller polyoler, som är aldoser eller ketoser som hade sina karbonylgrupper reducerade till en alkohol . Ett exempel på en naturligt förekommande alditol i växter och andra organismer är D-glucitol, känd som sorbitol, som är produkten av minskningen av D-glukos . Absorption och metabolism av polyoler varierar mellan typer, men de flesta fermenteras i tjocktarmen .,
Deoxisocker saknas en eller flera hydroxylgrupper som är kopplade till deras kolatomer, såsom 6-deoxi-mannos (- rhamnos), som vanligen är associerad med pektin, 2-deoxi – D-ribos, DNA-sockerkomponenten och 6-deoxi-galaktos (- fukos), en komponent av glykoproteiner och glykolipider i cellväggar och däggdjursceller .
Uronsyror är sockersyror i vilka terminal –CH2OH-gruppen genomgår oxidation för att ge en karboxylsyra ., Uronsyror som bidrar till kostfiber innefattar beståndsdelar av icke-smältbara polysackarider av växter och alger, såsom D-glukuronsyra, d-galakturonsyra, d-mannuronsyra och muluronsyror . Socker från den aktiverade formen av glukuronsyra används i syntesen av glykosaminoglykaner hos däggdjur, och iduronsyra syntetiseras från D-glukuronsyra efter att den har införlivats i kolhydratkedjan .
disackarider
två monosackaridenheter förenade med en acetal-eller ketalbindning kallas en disackarid ., En glykosidbindning förenar 2 monosackaridenheter och det kan antingen vara en α-glykosidbindning om den anomeriska hydroxylgruppen av sockret är i α-konfigurationen eller en β-glykosidbindning om den är i β-konfigurationen . En glykosidbindning namnges enligt kolatomens position som är kopplad, till exempel kallas en α-glykosidbindning som förbinder C-1 av en glukosmolekyl och C-4 av en annan glukosmolekyl i maltos En α-(1,4) glykosidbindning (Fig. 2) . De tre vanligaste disackariderna är maltos, laktos och sackaros ., Maltos är ett reducerande socker som är en produkt av hydrolysen av stärkelse av enzymet α-amylas . Laktos är ett reducerande socker som består av en d-glukosyl enhet och en α-d-galaktopyranosyl enhet länkad av en β-(1,4) glykosidbindning och är närvarande i mjölk och mjölkprodukter såsom skummjölk och vassle . Sackaros består av glukos och fruktos förbunden med en α-(1,2) glykosidbindning ., I motsats till den allmänna kopplingen mellan huvud och svans (anomerisk kolatom och kolatom som innehåller en hydroxylgrupp) i strukturen av oligo-och polysackarider, i sackaros är den glykosidiska bindningen som förbinder En α-d – glukopyranosyl-enhet och en β-d-fructofuranosyl-enhet på ett head-to-head-mode (anomerisk kolatom till anomerisk kolatom) vilket gör den till ett icke-reducerande socker . Sackaros syntetiseras genom fotosyntesprocessen för att ge energi och kolatomer för syntes av andra föreningar i växten .
kemisk struktur av di – och oligosackarider. Anpassad från Bach Knudsen et al.
maltos, laktos och sackaros hydrolyseras i sina ingående monosackaridenheter av enzymerna Maltas, laktas respektive sukras ., De α-glukosidaser Maltas-glukoamylas och sukras-isomaltas komplex som är närvarande i borsten gränsen av tunntarmen klyva glykosidbindningar i maltos och sackaros, respektive, med de flesta av Maltas aktivitet kommer från sukras-isomaltas komplex . Monosackariderna som härrör från uppslutning av dessa disackarider absorberas lätt i tunntarmen . Laktas, ett β-galaktosidas, uttrycks också av unga däggdjur som smälter laktos i dess ingående monosackarider som därefter absorberas i tunntarmen .,
andra disackarider som finns i naturen inkluderar trehalose, cellobiose och gentiobiose . Trehalose är en icke-reducerande disackarid bestående av två α-d-glukopyranosyl-enheter sammankopplade med en α – (1,1) glykosidbindning . Trehalos finns i små mängder i svamp, jäst, honung, vissa sjögräs och ryggradslösa djur som insekter, räkor och hummer . Trehalos smälts av A-glukosidasenzymet trehalas, vilket uttrycks i tunntarmen hos människor och de flesta djur ., Två glukosmolekyler är kopplade samman av en β-(1,4) och en β – (1,6) glykosidbindning för att bilda cellobiose respektive gentiobiose, och dessa disackarider kan användas först efter mikrobiell jäsning eftersom grisar saknar enzymerna som kan smälta dessa bindningar . Cellobiose är en produkt av cellulosanedbrytning, medan gentiobiose tros spela en roll i inledningen av mogning av tomatfrukter .,
oligosackarider
oligosackarider består av galaktooligosackarider, fruktooligosackarider och mannanoligosackarider som inte kan smälta av pankreas-eller tarmenzymer, men är lösliga i 80% etanol . Galaktooligosackarider, eller α-galaktosider, som är närvarande i stora mängder i baljväxter, består av raffinos, stachyose och verbascos, som har en struktur bestående av en enhet sackaros kopplad till en, två eller tre enheter D-galaktos, respektive (Fig. 2) ., Dessa oligosackarider orsakar flatulens hos grisar och människor på grund av bristen på ett enzym, α-galaktosidas, som hydrolyserar de glykosidbindningar som förbinder monosackariderna som utgör dessa α-galaktosider och används därför av bakterier i tjocktarmen . I raffinos är d-galaktos kopplat till sackaros genom en α-(1,6) bindning, medan två enheter och tre enheter D-galaktos är kopplade till sackaros, även via α – (1,6) glykosidbindningar, i stachyose respektive verbascos ., Transgalacto-oligosackarider är en annan typ av galaktooligosackarider som kan ha prebiotiska effekter hos unga grisar och syntetiseras kommersiellt från transglykosyleringsåtgärderna hos β-glykosidaser på laktos, vilket skapar β-(1,6) polymerer av galaktos kopplade till en terminal glukosenhet via en α – (1,4) glykosidbindning . Transgalacto-oligosackarider syntetiseras emellertid inte naturligt .
Fructo-oligosackarider eller fruktaner är kedjor av fruktosmonosackarider med en terminal glukosenhet och klassificeras som inuliner eller levans ., Inulin finns oftast i dikotyledoner, medan levans huvudsakligen finns i monokotyledoner . Fructo-oligosackarider hydrolyseras inte i tunntarmen på grund av β-länkarna mellan deras monomerer, men kan fermenteras till mjölksyra och SCFA i tjocktarmen . Inulin förekommer naturligt i lök, vitlök, sparris, bananer, jordärtskocka, vete och cikoria som lagringskolhydrat . Inulin består av β-d-fruktofuranosyl-enheter kopplade med β – (2,1) glykosidbindningar och har en DP som sträcker sig från 2 till 60 ., Polymeren består av fruktosrester som finns i furanosringformen och har ofta en terminal sackarosenhet vid reduktionsänden . Levans är fruktaner som har en genomsnittlig längd av 10 till 12 fruktosenheter kopplade av β – (2,6) kopplingar, men kan ha en DP av mer än 100 000 fruktosenheter och finns i bakteriella fruktaner och i många monokotyledoner ., Levans härrör från transglykosyleringsreaktionerna som katalyseras av enzymet levansukras som utsöndras av vissa bakterier och svampar som företrädesvis använder D-glykosylenheten sackaros och därigenom omvandlar sackaros till levaner med β-(2,1) länkade sidokedjor . Polysackarider som innehåller ett signifikant antal β – (2,1) kopplingar kan också kallas ”levan” . En tredje typ av fruktaner, kallad graminan-typ fruktaner, innehåller en kombination av både β-(2,1) och β – (2,6) kopplingar och är närvarande i vete och korn .,
Mannan-oligosackarider består av polymerer av mannos som härrör från jästcellväggar och är belägna på den yttre ytan av jästcellväggar som är fästa vid β-glukaner i den inre matrisen via β-(1,6) och β-(1,3) glykosidbindningar . Mannan-oligosackarider och fructo-oligosackarider kan uppträda som prebiotika på grund av deras fördelaktiga hälsoeffekter på värden genom att stimulera tillväxten eller aktiviteten hos vissa bakterier i tjocktarmen ., Det har föreslagits att mannan-oligosackarider reglerar svaret på immunologiska utmaningar av grisar och kan förhindra överstimulering av värddjurets immunförsvar efter en infektion .
polysackarider
polysackarider är kolhydrater med hög molekylvikt som är polymerer av monosackarider . Polysackarider består av sockerpolymerer som varierar i storlek och kan antingen vara linjära eller grenade . DP varierar med typen av polysackarid och kan variera från 7 000 till 15 000 i cellulosa och upp till mer än 90 000 i amylopektin ., Polysackarider kan klassificeras som homopolysackarider om de bara innehåller en typ av sockerrester (t. ex. stärkelse, glykogen och cellulosa) eller som heteropolysackarider om de innehåller två eller flera olika typer av sockerrester i sin struktur (t.ex. arabinoxylaner, glukomannaner och hyaluronsyra; 2). Polysackarider är närvarande i stora mängder i grisdieter och är uppdelade i stärkelse-och glykogen-och icke-stärkelsepolysackarider (NSP) .,
stärkelse kan vara linjär eller grenad och är lagringsformen av kolhydrater i växter, medan glykogen är mycket grenad och endast förekommer i djurvävnad, främst i muskler och lever . Stärkelse är en av de mest rikliga kolhydraterna i naturen . Det syntetiseras för att lagra energi för växttillväxt och lagras i frön, knölar, rötter, stjälkar, löv och vissa frukter . Stärkelse är en polymer av D-glukos som består av två typer av molekyler, amylos och amylopektin (Fig. 3) ., Amylos är en kort linjär polymer av glukos med en genomsnittlig DP av 1,000 glukosenheter kopplade via α – (1,4) bindningar. Amylopektin innehåller större kedjor av glukos med DP av 10,000 till 100,000 med grenpunkter vid α – (1,6) kopplingar för varje 20 till 25 glukosenheter . Det totala antalet α – (1,6) kopplingar är endast cirka fyra till fem % av de totala glykosidbindningarna i amylopektin . Native stärkelse innehåller båda formerna som halvkristallina granuler av varierande proportioner av amylos och amylopektin, beroende på växtkällan ., Stärkelsegranuler har varierande strukturella och kemiska kompositioner beroende på växtarterna och den del av växten där den ligger . Storleken på stärkelsegranulerna påverkar förhållandet mellan yta och volym, och ju mindre granulen är, desto större är förhållandet mellan yta och volym vilket resulterar i mer yta för enzymhydrolys i matsmältningsorganet . Uppslutning av stärkelse börjar i munnen där salivary α-amylas utsöndras, som endast verkar på α-(1,4) länkade linjära kedjor av amylos och amylopektin, tills detta enzym avaktiveras av det låga pH-värdet i magen ., Stora mängder pankreas α-amylas specifikt endast för α-(1,4) bindningar utsöndras i duodenal lumen, producerar maltos och maltotriose som produkter av luminal amylos och amylopektin matsmältning, tillsammans med den grenade oligosackariden α-dextrin som härrör från partiell hydrolys av amylopektin på grund av oförmågan hos α-amylas att klyva α-(1,6) bindningar . Stärkelseförtunning kompletteras med oligosackaridaser (dvs α-glukosidaser) uttryckta av körtlar i tunntarmen. Dessa α-glukosidaser innefattar sackaros-isomaltas och Maltas-glukoamylaskomplex ., Båda komplexen har skillnader i deras grad av specificitet för produkterna av a-amylas matsmältning och klyver α-(1,4) och α-(1,6) bindningar i α-dextrin på ett komplementärt sätt, vilket producerar fri glukos som transporteras in i enterocyterna .
kemisk struktur av amylos, amylopektin och cellulosa. Anpassad från Bach Knudsen et al.,
stärkelse kan delas in i tre typer: typ A stärkelse har en öppen struktur och är närvarande i spannmål; typ B stärkelse är närvarande i knölar och verkar vara mer kompakt; och typ C stärkelse är en kombination av typ A och B stärkelse och är närvarande i baljväxter . Stärkelsegranuler i råpotatis och gröna bananer som har hög amylosinnehåll resulterar i mer tätt packade granuler som är mer olösliga och resistenta mot matsmältning jämfört med amylopektinhaltiga granuler som är mer grenade och mindre tätt packade ., I majs, vete och potatis kan stärkelse innehålla cirka 20% amylos och 80% amylopektin . Vaxartad majs kan emellertid ha stärkelse som innehåller nästan 100% amylopektin, medan hög amylosmajs kan innehålla upp till 75% amylos . Stärkelsen får därför inte alltid brytas ned av α-amylas om inte spannmålskorn ändras genom fysisk bearbetning (t .ex. malning eller malning av rullar) och uppvärmning (t. ex. pelletering, expansion eller extrudering).,
en del av stärkelsen smälts inte av a-amylas eller enzymerna i borst gränsen och kan genomgå mikrobiell jäsning i tjocktarmen; detta kallas resistent stärkelse (RS) . Stärkelse kan motstå matsmältningen eftersom den är fysiskt otillgänglig på grund av inneslutning inom hela växtceller eller matriser (dvs RS-1). Native eller okokt stärkelse (RS-2) motstår också matsmältningen på grund av den ungelatiniserade kristallina strukturen hos granulen och retrograderad stärkelse (RS-3) motstår matsmältningen eftersom den snabbt kyls efter att den har gelatinerats via uppvärmning., Om stärkelse är kemiskt modifierad kan den också motstå matsmältning och kallas RS-4 . Resistent stärkelse fungerar som ett substrat för kolonjäsning men oavsett mängden som kommer in i hindgut, är stärkelse vanligtvis helt fermenterad i hindgut . Stärkelsehaltiga ingredienser kommer naturligtvis att innehålla RS, men mängden och typen av stärkelse kommer att påverka andelen total stärkelse som är RS . Bearbetning kan påverka andelen stärkelse som är resistent mot digestion och RS-värden varierar vanligtvis från 0 till 19% i de flesta spannmålskorn och 10% till 20% i baljväxter (Tabell 1) ., Matlagning eller mognad minskar mängden RS i råa eller omogna frukter eller grönsaker som gröna bananer och potatis .
glykogen, en α-(1,4)-d-glukan med α-(1,6) länkade grenar, har en högre grad av förgrening jämfört med amylopektin och förekommer i djurfoder .vävnader, främst i skelettmuskel och lever. Som en konsekvens kommer endast grisar som matas dieter som innehåller animaliska produkter att konsumera glykogen., Grenpunkterna av glykogen uppträder efter i genomsnitt 8 till 10 glykosyl enheter . En polymer av glykogen kan innehålla upp till 100 000 enheter glukos . Digestion av glykogen liknar den hos amylopektin, vilket resulterar i glukosabsorption i tunntarmen . Den omfattande förgreningen av glykogen ökar lösligheten, vilket gör att glukos kan mobiliseras lättare .,
icke -stärkande polysackarider
Icke -stärkande polysackarider förekommer huvudsakligen i primära eller sekundära växtcellväggar och består av både lösliga och olösliga polysackarider som till skillnad från stärkelse inte innehåller α-(1,4) – länkade glykosylenheter . Primära cellväggar som omger växande celler består huvudsakligen av polysackarider och vissa strukturella proteiner, medan mogna celler som redan har differentierat är omgivna av sekundära cellväggar som också innehåller polysackarider och proteiner, tillsammans med lignin och en större mängd cellulosa ., Cellväggspolysackariderna består av pentoser (dvs. arabinos och xylos), hexoser (dvs. glukos, galaktos och mannos), 6-deoxihexoser (dvs. ramnos och fukos) och uronsyror (dvs. glukuronsyra och galakturonsyra). Dessa komponenter kan existera i deras pyranos – och furanosformer och bilda α – Eller β – kopplingar i någon av deras tillgängliga hydroxylgrupper vilket resulterar i ett brett spektrum av funktionella ytor genom att anpassa många tredimensionella former . Fenolrester av lignin eller dess hydroxyl-sidokedjor kan också binda med glykosidbindningar av NSP ., Nonstarch polysackarider kan förvärva hydrofoba egenskaper genom att länka till lignin och suberin, medan graden av förestring av uronic fettsyror kan påverka dess joniska egenskaper . Suberin, en hydrofob komplex blandning av hydroxylerade fettsyror och fettestrar, är närvarande i kärlvävnader som ger en olöslig barriär under normal utveckling och som svar på sår eller svampinfektioner . Icke-stärkelse polysackarider kan också klassificeras som lösliga och olösliga, där termen löslig avser löslighet hos NSP i vatten eller svaga alkalilösningar .,
de vanligaste NSP i cellväggar är cellulosa och icke-cellulosa polysackarider (NCP) . I genomsnitt är cellulosahalten i primära cellväggar 20% till 30%, medan sekundära cellväggar kan innehålla upp till 50% cellulosa . Primära cellväggar deponeras mellan den mellersta lamellen och plasmamembranet under celltillväxt, medan vissa specialiserade celler deponerar ett tjockare inre skikt som kallas den sekundära cellväggen vid början av differentiering . Cellulosa består av linjära β-(1,4)-koppling d-glucopyranosyl enheter med en DP som varierar från 500 till 14 000., De linjära enheterna av cellulosa stabiliseras genom vätebindning mellan intilliggande glukosrester och bildar ett organiserat arrangemang av cellulosamolekyler inom mikrofibrillerna (Fig. 3) . Kristallina regioner bildas när högorganiserade cellulosamikrofibriller är inriktade parallellt med varandra för att möjliggöra maximal vätebindning, medan parakristallina eller amorfa sektioner bildas i regioner som är mindre organiserade ., Den 3-dimensionella gitteret som bildas av den tätt packade linjära och obrancherade strukturen av cellulosa bildar de mikrofibriller som ger strukturen av växtcellväggar . De mindre organiserade amorfa regionerna av cellulosa hydrolyseras av endoglukanaser, som producerar kedjeändar som hydrolyseras av exoglukanaser (dvs cellobiohydrolaser) . Den resulterande disackariden, cellobiose, hydrolyseras av β-glukosidas för att producera två glukosmonomerer .,
Mycket grenade NCP består av heteropolymers av pentoses och hexoses, av vilka de vanligaste är det som kallas en xylan, eller en kedja av β-(1,4) länkade d-xylopyranosyl enheter med sidan-kedjor som är allmänt består av ʟ-arabinofuranosyl, d-galactopyranosyl, d-glucuronopyranosyl, och/eller 4-O-metyl-d-glucuronopyranosyl enheter . Icke-cellulosa polysackarider kan också innehålla uronsyror som härrör från glukos och galaktos, vilket ger förmågan att bilda salter med Ca och Zn ., Icke-cellulosa polysackarider tjänar ofta som strukturella polysackarider i växtvävnader och är nära förknippade med cellulosa och lignin .
Lignin är inte en kolhydrat, men är associerad med cellväggspolysackarider . Den består av polymeriserade fenylpropanenheter (dvs. koniferyl -, p-kumaryl-och sinapylalkoholer) kopplade med eter-och kol-kolbindningar i ett oregelbundet tredimensionellt mönster . En lignifierad cellvägg kan bestå av ett tunt grundskikt, följt av ett tjockt multilamellärt sekundärskikt som är högt i cellulosa och eventuellt ett tredje skikt ., Lignin kan länka till polysackarider genom att bilda kovalenta bindningar med sockerrester eller ferulinsyror som förestras till dessa polysackarider . Lignification sker först efter celldelning, cell expansion och cell töjning har upphört och utgör därför terminal differentiering, som vanligtvis följs av programmerad celldöd . Lignin förhindrar biokemisk nedbrytning och fysisk skada på cellväggar genom cementering och förankring av mikrofibriller av cellulosa och andra matrispolysackarider, vilket säkerställer cellväggens strukturella integritet ., Lignin fungerar också som ett hinder för patogener och skadedjur . Växtvävnader blir lignified eller woody när ligninkoncentrationen är hög . Lignin är mer koncentrerat i det yttre skalskiktet av korn jämfört med endospermcellväggar, vilket framgår av de förhöjda koncentrationerna i ingrediensbiprodukter (Tabell 2).