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 D- fruktozdur. 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 RNAnın, ATPnin 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 Tatlılık derecesi Sakkaroz 100 Glikoz 74 Fruktoz 174 İnvert şeker 126 Laktoz 16 Maltoz 32 Galaktoz 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