Quá trình tổng hợp, phân giải glucid

LỜI MỞ ĐẦU Hóa sinh thực phẩm nghiên cứu về cấu tạo, tính chất của các chất tạo nên thực phẩm và sự chuyển hóa của các chất, chuyển hóa năng lượng trong quá trình bảo quản, chế biến thực phẩm. Đây là bộ môn quan trọng, giữ vai trò nền tảng, cơ sở cho những môn học chuyên ngành. Cùng với protein và lipid, glicid là một hợp chất hữu cơ giữ vai trò thiết yếu đối với cuộc sống, phổ biến trong các sản phẩm thực phẩm. Trong khẩu phần ăn hằng ngày, glucid chiếm tỷ lệ lớn nhất về khối lượng, cung cấp phần lớn năng lượng giúp chúng ta hoạt động bình thường. Kể cả những loại carbohydrate không tiêu hóa được cũng có vai trò quan trọng trong cân bằng dinh dưỡng. Cơ thể thực vật là một cỗ máy sinh học tuyệt vời tổng hợp nên glucid từ những hợp chất vô cơ ban đầu (CO2 ,H2O và năng lượng ánh sáng mặt trời). Cơ thể người, động vật thì sử dụng nguồn nguyên liệu glucid lấy từ thực vật là chính, qua quá trình phân giải với cơ chế chặt chẽ tạo ra đơn vị cơ bản là glucose – nguyên liệu chủ yếu cho hoạt động sống, trung tâm của sự chuyển hóa. Glucid còn tạo ra nhiều tính chất chức năng quan trọng cho thực phẩm nên tìm hiểu về “QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP, PHÂN GIẢI GLUCID” là việc làm cần thiết đối với sinh viên ngành thực phẩm. Nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế, bản chất của sự chuyển hóa, qua đó có những kiến thức nhất định sẽ giúp ích rất nhiều cho việc học tập, nghiên cứu sau này. Đó chính là mục đích của nhóm khi làm đề tài này. 1. Giới thiệu chung về Glucid 1.1.Khái niệm Glucid là hợp chất hữu cơ khá phổ biến ở cả cơ thể động, thực vật và vi sinh vật. Các nguyên tố cấu tạo nên glucid là C, H, O. Công thức cấu tạo của glucid thường được biểu diễn dưới dạng CmH2nOn (m, n ≥ 3). Trong phân tử glucid có chứa nhóm aldehide (-CHO), cetol (-C=O). Ngoài ra còn có một số loại glucid đặc biệt, trong cấu trúc của chúng còn có thêm S, N, P. 1.2. Vai trò Đối với cơ thể Là sản phẩm trung gian của quá trình trao đổi chất. Nguồn nguyên liệu trực tiếp để hô hấp. Nguồn dự trữ, tạo năng lượng. Tạo cấu trúc trong cơ thể thực vật, tham gia vào thành phần cấu tạo của nhiều chất quan trọng như: AND, ARN… Cung cấp năng lượng chủ yếu ( 4,13 kcal/g) Giúp cho quá trình tiêu hóa. 1.2.2. Trong công nghệ thực phẩm Là chất liệu cơ bản, cần thiết và không thể thiếu của ngành sản xuất lên men. Các sản phẩm như: rượu, bia, nước giải khát, mì chính, acid amin, vitamin… đều được tạo ra từ cội nguồn glucid. Tạo ra cấu trúc, hình thù, trang thái, cũng như chất lượng cho các sản phẩm thực phẩm. Tạo kết cấu: Tạo sợi, tạo màng, tạo gel, tạo độ đặc, độ cứng, độ đàn hồi cho thực phẩm: tinh bột, thạch, pectin trong miến, mứt quả, kem, giò lụa… Tạo kết cấu đặc thù của một số loại thực phẩm: độ phồng nở của bánh phồng tôm, tạo bọt cho bia, độ xốp cho bánh mì, vị chua cho sữa… Tạo chất lượng: tạo ngọt cho thực phẩm (các đường). Tham gia tạo màu sắc và hương thơm cho sản phẩm (đường trong phản ứng caramen hoá, melanoidin…). Các tính chất lưu biến cho sản phẩm thực phẩm: độ dai, độ trong, độ giòn, đ dẻo… Có khả năng giữ được các chất thơm trong sản phẩm thực phẩm; tạo ẩm cũng như làm giảm hoạt độ nước làm thuận lợi cho quá trình gia công cũng như bảo quản. Phân loại Có nhiều cách phân loại. Sau đây là một số cách phân loại: Theo cấu tạo: glucid được chia làm 3 nhóm / Theo mục đích sử dụng (độ ngọt): đường, không đường. Theo mức độ phức tạp của phân tử, lấy đường đơn làm cơ sở: Loại ose: là đường không thủy phân được nữa. Loại osid: là những glucid phức tạp do nhiều monosaccharide ghép lại. Gồm 2 nhóm lớn: holosid( thủy phân cho mono) và heterosid( thủy phân cho mono và nhiều nhóm không phải glucid). Dẫn xuất amin, phospho, dẫn xuất dạng glucocid… Tính chất Nhìn chung, các glucid từ đơn giản đến phức tạp đều có một số tính chất điển hình giống nhau. Ta xét các tính chất của monosaccharide. Tính chất vật lý Không bay hơi, tan trong nước, ít tan trong rượu, không tan trong acid, dung môi hữu cơ. Có hiện tượng solvat hóa làm dung dịch khó kết tinh. Tồn tại ở trạng thái hỗ biến (mạch thẳng và vòng). Có khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực (phụ thuộc vào dạng anomer, tautomer). Khả năng hòa tan phụ thuộc vào từng loại đường. Tính hút ẩm, làm bóng khác nhau ở từng loại đường. 1.4.2. Tính chất hoá học Tính khử mạnh do có nhóm aldehide, cetol tự do: monosaccharide chuyển thành polyol, các nhóm aldehide hoặc cetol chuyển thành các nhóm rượu tương ứng.
Tính oxi hóa theo nhiều mức độ: trong điều kiện oxi hóa nhẹ, các aldose bị oxi hóa thành aldonic acid (xảy ra trong bột nướng bánh, xúc xích lên men, một số sản phẩm sữa). Khi dùng các acid mạnh hơn như HNO3 sẽ tạo thành dicaboxylic acid. Bị oxy hóa nhẹ bởi Br2:
Tác dụng với HNO3:
Khi oxy hóa bằng dung dịch Br2 có bảo vệ nhóm chức CHO bằng metyl hóa
Ví dụ từ axit glucuronic sẽ cho chất xilose là một pentose
Tạo ester với acid. Khi đun sôi các pentose, hexose với các acid có nồng độ cao như HCl 12%, H2SO4 đậm đặc thì các phân tử H2O sẽ bị mất đi và tạo thành các furfurol từ pentose hoặc oxymethylfurfurol từ hexose. Các sản phẩm này được hình thành trong quá trình chế biến các sản phẩm thực phẩm.
Phản ứng trong môi trường kiềm. Trong dung dịch kiềm yếu như Ba(OH)2 , Ca(OH)2 có thể xảy ra sự đồng phân hóa giữa glucose, fructose, mannose. Hiện tượng này có thể xảy ra trong cơ thể. Trong dung dịch kiềm loãng, các monosaccharide mạch thẳng chuyển sang mạch vòng.trong môi trường kiềm loãng ở 370 C các nhóm endiol sẽ chuyển vào giữa mạch. Nồng độ kiềm cao hoặc nhiệt độ cao, các monosaccharide có thể bị phân giải, hiện tượng caramen hình thành, Các mạch cacbon dễ bị đứt.
Phản ứng với các loại thuốc thử (phenylhydrazin) dùng để nhận biết các đường đơn khi phân tích. Phản ứng với phenylhydrazin, gồm 3 giai đoạn: Giai đoạn 1 : sự tạo nên phenyhdrasen:
Giai đoạn 2 : sự oxy hóa ở nguyên tử vị trí cacbon thứ 2 tạo nên nhóm cacbonyl:
Giai đoạn 3: một phân tử phenylhydrazin thứ ba sẽ tham gia phản ứng với nhóm cacbonyl và tạo nên sản phẩm cuối cùng là phenylosasen của glucose:
Tóm tắt phản ứng giữa glucose và phenylhydrazin như sau:
Đồng phân quang học Phản ứng tạo glucozit: là một đặc tính rất quan trọng của monosaccharide. Liên kết glucosid là liên kết cơ bản có ý nghĩa quan trọng tạo nên các oligosaccharide, polysaccharide và nhiều hợp chất phi glucid khác. Phản ứng tạo glucozit
Các dạng Glucozit:



R – phần gluxit của phân tử glucozit , A – aglucon Tất cả các glucosid dễ dàng bị thủy phân, khi đó liên kết glucosid bị cắt đứt và tạo thành monosaccharide tương ứng. phản ứng thủy phân các glucosid được xúc tác bởi acid, chỉ trong một số trường hợp mới do kiềm xúc tác. Đa số glucosid đều bền vững với kiềm. Phản ứng caramen: sản phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ, pH, thời gian, bản chất của đường…w Sacarose, sơ đồ caramen hóa:
Đến 185 – 1900C sẽ tạo thành isesacarosen:
Khi ở nhiệt độ cao hơn sẽ mất đi 10 % nước và tạo thành caramelan có màu vàng:
Khi mất đi 14 % nước sẽ tạo thành caramelen:
Và khi mất đi 25% nước sẽ tạo thành caramelin. Các sản phẩm caramen hóa đều có vị đắng. Phản ứng maillard (phản ứng với các hợp chất chứa gốc amine) Đây là phản ứng nâu hóa phi enzyme, xảy ra giữa đường khử và protein, peptide, acid amin hoặc các amine thông qua phản ứng tạo N- glycoside và một chuỗi các phản ứng kế tiếp khác. Về cơ bản, phản ứng này xảy ra tương tự phản ứng của đường trong môi trường acid hoặc kiềm, tuy nhiên do sự có mặt của các hợp chất nitrogen đóng vai trò xúc tác nên phản ứng xảy ra với tốc độ nhanh hơn trong những điều kiện môi trường đơn giản hơn rất nhiều. Phản ứng này rất thường gặp trong thực phẩm. Glucose phản ứng với acid amin để tạo ra glucosylamine:
Sự tạo thành các hợp chất amadori từ đường glucose và phân huỷ chúng tới 1- và 3-deoxysone:
Phản ứng ngưng tụ andose để tạo ra gốc pyrazine:
Phản ứng oxi hoá các hợp chất amadori:
Tiếp theo là các phản ứng của các hợp chất deoxyosome tạo ra sản phẩm là những hợp chất mạch vòng có chứa hoặc không chứa nitơ góp phần tạo nên màu sắc cũng như mùi vị cho các sản phẩm chiên nướng. 1.4.3 Tính chất cảm quan Các đường đơn, đường oligo và các rượu tương ứng của chúng thường có vị ngọt, đây là tính chất cảm quan quan trọng nhất. Ngoài ra, một vài loại có vị ngọt đắng (β – D Mannose), hoặc vị đắng (gentibiose). Một số đường quan trọng gồm saccharode, các loại xiro từ tinh bột và glucose hay đường đảo, xiro glucose- fructose, đường fructose, lactose, các sugar alcohol như sorbitol, mannitol, xylitol… cũng là những loại đường ngọt quan trọng. Cường độ vị ngọt được đánh giá bằng ngưỡng nồng độ cảm nhận của đường hoặc bằng cách so sánh với một đường chuẩn khác. Chất lượng và cường độ vị ngọt của đường phụ thuộc vào công thức hóa học, cấu trúc của đường và các thông số cảm nhận vị khác như nhiệt độ, pH, sự có mặt của các đường ngọt hoặc các chất không phải đường. Nói chung, trong quá trình chế biến thực phẩm, thành phẩm và nồng độ của các chất tạo ngọt cần được điều chỉnh để đạt được cảm nhận cảm quan tốt nhất. Trong ngành công nghệ thực phẩm chúng ta cần quan tâm tới một số loại monosaccharide quan trọng như: pentose, D- xilose, D- ribose, heose, D- glucose, D- manose, D- galactose, D-fructose ; disaccharide: saccharose, maltose, lactose, xellobiose; trisaccharide: rafinose; polysaccharide: tinh bột, inulin, xellulose, hemixellulose, pectin, aga- aga, dextran, glycogen, kitin. Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm Từ những tính chất nêu trên, chúng ta rút ra được ứng dụng của glucid trong ngành công nghệ thực phẩm. Các đường sau khi bị khử thành rượu, các dẫn xuất rượu này được sử dụng để thay thế đường trong thực phẩm để giảm hoạt độ của nước, chống hiện tượng kết tinh, tăng cường sự tái hấp thụ nước của các sản phẩm bị mất nước… sorbitol có nhiều trong một số loại quả như lê, táo, mận..., maltitol được sử dụng nhiều trong công nghệ thực phẩm. Các phản ứng oxi hóa cho các sản phẩm là thành phần của các loại polysaccharide thực phẩm quan trọng như pectin (chất tạo độ dày, tạo gel cho quá trình chế biến thực phẩm) Trong môi trường acid, các đường đơn dễ tham gia vào phản ứng ngược tạo thành các glucosid. Các sản phẩm tạo ra từ glucose có thể là disaccharide, oligosaccharide nhưng chủ yếu là gentibiose, isomaltose làm giảm hiệu suất của quá trình thủy phân. Trong môi trường kiềm, các aldose và ketose bị enol hóa, tạo thành các endiol, thông qua các endiol này có hiện tượng isomer hóa các đường (một đường này có thể chuyển thành đường khác). Ở các disaccharide, trường hợp chuyển lactose thành lactulose được nghiên cứu sử dụng trong thức ăn của trẻ sơ sinh vì chúng có tác dụng hỗ trợ tiêu hóa và ngăn ngừa hiện tượng táo bón ở trẻ. Khi đun nóng dung dịch đường trong môi trường acid hoặc kiềm, sẽ tạo ra các chất có màu nâu với mùi caramen đặc trưng. Tùy điều kiện mà phản ứng xảy ra theo hướng tạo màu hay tạo mùi nhiều hơn. Trong một số trường hợp, với dung dịch đệm thích hợp sẽ tăng khả năng tạo ra các chất mùi, chủ yếu là dihydrofuranone, cyclopentenolone, cyclohexenolone và pyrone. Ngoài ra, đun nóng xirô glucose với acid sunfuric, có mặt ammonia sẽ tăng cường tạo ra các hợp chất polime có màu nâu. Độ bền và khả năng hòa tan của các hợp chất này sẽ tăng khi có thêm các anion bisulfate. Phản ứng maillard: tùy trường hợp cụ thể mà có lợi hay gây hại. Hiện tượng tạo màu nâu rất cần thiết trong các sản phẩm chiên, nướng nhưng lại có hại trong các sản phẩm như sữa đặc, rau củ sấy, nước sốt cà chua…; tương tự, việc tạo ra nhiều hợp chất bay hơi có mùi cũng rất cần thiết trong quá trình chiên, nướng nhưng lại ảnh hưởng đến quá trình bảo quản, chế biến nhiệt như thanh trùng, tiệt trùng…; vị đắng cần thiết trong chế biến cà phê nhưng lại tạo ra mùi lạ khi quay thịt, cá; tạo ra các hợp chất có tính khử mạnh tham gia vào việc bảo vệ thực phẩm khỏi các phản ứng oxi hóa. Bên cạnh đó, chúng ta cần lưu ý đến khả năng làm mất đi nhiều acid amin thiết yếu (lysine, cystein, methionine), tạo ra một số chất gây ung thư,… Để hạn chế phản ứng này chúng ta có thể giảm độ pH, giữ thực phẩm ở nhiệt độ thấp nhất có thể, tránh vùng hoạt độ nước nguy hiểm trong thời gian bảo quản và chế biến, không sử dụng đường khử và thêm các gốc sulfite vào thực phẩm. Ester của sorbitol và saccharose với các acid béo có nhiều ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến thực phẩm. Cyclodextrin không hút ẩm, ngọt nhẹ, được sử dụng để giữ hương, bảo vệ các vitamin và các chất dễ bị oxi hóa, giấu đi các vị đắng chát hay các mùi không mong muốn. Những điều trên chỉ mang tính chất tổng hợp, khái quát về một số đặc điểm quan trọng của glucid đối với ngành công nghệ thực phẩm. bên cạnh đó, chúng còn có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác mà chúng tôi không đề cập đến. 2. Quá trình tổng hợp gluxid 2.1. Tổng hợp các Gluxid đơn giản (Quang hợp – Chu trình canvil): 2.1.1. Khái niệm: Quang hợp là quá trình cây xanh và một số sinh vật như vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn lam, một vài loài động vật nguyên sinh, hấp thụ năng lượng  của lượng tử ánh sáng biến đổi thành năng lượng hóa học, giải phóng oxy của nước, khử CO2 thành các chất hữu cơ. 2.1.2. Cơ chế quang hợp: gồm 2 pha là pha sáng và pha tối. 2.1.2.1. Pha sáng: Pha sáng quang hợp bao gồm các phản ứng đầu tiên kể từ lúc sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng, sau đó dự trữ nó trong cấu trúc phân tử sắc tố dưới dạng năng lượng điện tử kích thích, đến các quá trình di trú năng lượng vào trung tâm phản ứng và cuối cùng từ đây năng lượng được biến đổi thành thế năng hóa học. Pha sáng quang hợp gồm 2 giai đoạn: - Quang vật lí - Quang hóa học. a/. Giai đoạn quang lí: - Giai đoạn quang lí của quang hợp bao gồm quá trình hấp thụ năng lượng và sự di trú tạm thời năng lượng trong cấu trúc của phân tử chlorophyll. - Cây xanh được chiếu sáng, năng lượng dưới dạng các photon đập vào chlorophyl hay carotenoit, kích hoạt điện tử các sắc tố đến mức năng lượng cao hơn nhưng không bền, các điện tử trở về mức năng lượng ban đầu, đồng thời năng lượng của lượng tử ánh sáng được truyền cho phân tử sắc tố khác. Quá trình truyền photon diễn ra cho đến khi các photon đập vào trung tâm phản ứng có chlorophyll a chuyên biệt, kích hoạt điện tử của trung tâm phản ứng lên mức năng lượng cao trung tâm phản ứng  ở trạng thái kích thích. - Ngoài phân tử chlorophyll, trung tâm phản ứng còn chứa các sắc tố phụ carotenoit…v..v… Các sắc tố khác nhau sẽ hấp thu tốt các bước sóng khác nhau của quang phổ, truyền điện tử và hidro bị kích thích cho diệp lục a trực tiếp tham gia các phản ứng sáng. b/. Giai đoạn quang hóa: - Pha sáng thực hiện nhờ tác động tương hỗ của 2 hệ thống quang hóa I và II (HTQH). HTQH là phức hợp thu nhận ánh sáng vào trung tâm phản ứng gồm các sắc tố chlorophyll a,b,c,d và carotenoit. - Trung tâm phản ứng (TTPƯ) là các phân tử chlorophyll chuyên biệt gồm: Trung tâm phản ứng I có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng ở bước sóng dài (λ > 730nm). Hệ sắc tố I gồm carotenoic, chlorophyll b, chlorophyll a- 660, chlorophyll a-670, chlorophyll a-678, chlorophyll a-683, chlorophyll a-690 tham gia vào hoạt động hấp thụ năng lượng ánh sáng  hệ I và truyền năng lượng đến trung tâm quang hợp I (chlorophyll- P700).  Từ  P700  thực  hiện  chuỗi  vận  chuyển  e-  quang  hợp  nhờ  hệ  quang  hoá  I  để  tạo  ATP  và NADPH2.  Hệ  vận  chuyển  điện  tử  b6, xytocrom F. Trung tâm phản ứng II có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn hệ ánh sáng I (λ < 700nm). Hệ sắc tố II gồm có xantophyll, chlorophyll b, chlorophyll a-680, chlorophyll a-660, chlorophylla-670 ... tiếp nhận ánh sáng hệ II rồi truyền năng lượng cho trung tâm phản ứng II (P680 hay P690). Từ trung tâm quang hợp II điện tử được truyền qua hệ quang hoá II là quinon, plastoquinon, xytocrom b559 để sang tâm quang hợp I (P700). Đặc biệt tham gia vào hoạt động của trung tâm quang hợp II có H2O với sự quang phân ly nước sẽ cung cấp H+  và e- cho quá trình photphoryl hoá và tổng hợp NADPH2. Mối quan hệ giữa 2 tâm quang hợp được thực hiện qua sơ đồ sau:
- Năng lượng điện tử không được truyền tiếp tục như trong phức hợp thu nhận ánh sáng, biến đổi theo con đường quang phosphoryl hóa vòng và không vòng Quang phosphoryl hóa không vòng: Là cơ chế thu nhận truyền năng lượng điện tử từ HTQH II đến HTQH I, kèm theo sự biến đổi năng lượng điện tử thành năng lượng hóa học dưới dạng ATP, tạo NADPH giải phóng oxy. Quang phosphoryl hóa vòng: là quá trình biến đổi năng lượng của lượng tử ánh sáng thành năng lượng hóa học, tích lũy trong liên kết cao năng ATP. Quá trình diễn ra trong chuỗi vận chuyển điện tử. - Năng lượng của lượng tử ánh sáng được truyền trong HTQH II, kích hoạt P680 thành trạng thái kích thích P680*. Cặp điện tử của P680* được nâng lên ở mức năng lượng cao và truyền qua hệ thống pheophytin (ph), plastoquinon (Q) A và B, biến đổi Q thành dạng khử (QH2). P680* trở thành gốc cation, là chất oxy hóa mạnh có ái lực lớn với điện tử, giành điện tử của nước và trở về mức năng lượng ban đầu P680. Phản ứng quang phân ly nước diễn ra cùng với sự giải phóng oxy. Theo phương trình sau:                                Chlorophyll, enzym, hγ 2 H2O  
  4 H+ + O2 +  Năng lượng ánh sáng gây cảm ứng vận chuyển nước đến plastoquinon (Q),  biến đổi thành dạng khử QH2, giải phóng oxy. Chlorophyll, enzym, hγ        2Q + H2O  
 O2 + QH2 + Cặp điện tử của QH2 có thế năng  cao truyền qua phức hợp Cyt b, f plastocyanin đến HTQH I kích hoạt P 700 thành dạng P700* kích thích. Sau đó điện tử được truyền qua chuỗi vận chuyển điện tử đến feredoxin. Feredoxin là chất khử mạnh, dưới tác dụng của feredoxin NADP+ reductase xúc tác cho phản ứng tạo thành NADPH. Quá trình vận chuyển năng lượng điện tử trong hệ thống quang hóa II và tạo nên chênh lệch proton dẫn đến tổng hợp ATP. Kết quả chung của pha sáng là: 12H2O +18ADP +18H3PO4+12NADP + 18ATP + 12NADPH2 + 6O2 + 18H2OPha sáng đã tạo ra ATP và NADPH2 cung cấp cho pha tối quang hợp. 2.1.2.2. Pha tối (chu trình Calvin Benson): - Sau khi pha sáng tạo ra ATP và NADPH2 giai đoạn tiếp theo của quang hợp là sử dụng ATP, NADPH2  để tổng hợp nên các chất hữu cơ từ CO2, đó là quá trình đồng hoá CO2. Quá trình đồng hoá CO2 là một chuỗi các phản ứng hoá sinh nhờ các enzim xúc tác. - Quá trình này chỉ sử dụng sản phẩm của  ánh sáng tạo ra trong pha sáng là ATP, NADPH2  dùng làm năng lượng và lực khử mà không dùng trực tiếp năng lượng ánh sáng nên được gọi là phản ứng tối, pha tối. Các giai đoạn của pha tối gồm: - Giai đoạn 1: Giai đoạn cố định CO2 với ribulose- 1,5 diphosphat tạo thành 1 phân tử đường 6C không bền,  sau đó thủy phân thành 2 phân tử đường 3C. Phản ứng có sự xúc tác của enzym ribulose- 1,5 diphosphat cacboxylase 6C5 + 6CO2 + 6H2O 12C3(APG) - Giai đoạn 2: giai đoạn khử APG 12APG + 12ATP + 12NADPH2 12C3(AlPG) + 12ADP + 12H3PO4 + 12NADP - Giai đoạn 3: tái sinh Ribulose- 1,5 diphosphat   10C3 + 6ATP + 4H2O 6C5 + 6ADP + 6H3PO4 2C3 + 2H2O C6H12O6 + 2H3PO4 - Các phản ứng phụ trong pha tối: Phản ứng thủy phân: phosphatase  Sedoheptulose-1,7-diphosphat
Sedoheptulose-7-diphosphat Phản ứng đồng phân hóa: phosphopentoseepimerase    Xylulose- 5- phosphat
 Ribose- 5 phosphat phosphopentoseisomerase Ribose- 5- phosphat
Ribulose- 5- phosphate - Phản ứng cuối cùng của pha tối: phản ứng phosphoryl hóa. phosphoribulosekinase Ribulose- 5- phosphat
Ribulose-1,5- diphosphat ATP
ADP+ H+ Kết quả chung của chu trình: 6CO2 + 12H2O + 12ATP + 12NADPH2 C6H12O6 + 12NADP + 18ADP + 18H3PO4 Tóm tắt phản ứng của pha tối theo sơ đồ sau:         
                                       Chu trình Calvin Kết hợp với pha sáng ta có: 18ADP + 18H3PO4 + 12NADP 6H2O + 18ATP + 12NADPH2 + CO2 6CO2 + 12H2O + 18ATP + 12NADPH2 C6H12O6 + 12NADP + 18ADP + 18H3PO4 + O2 AS Sắc tố 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + O2 Sản phẩm chu trình Calvin là C6H12O6, từ C6H12O6  sẽ tạo nên tinh bột, các hợp chất hữu cơ khác. Có thể nói mọi chất hữu cơ có trong cây đều được tạo ra từ quang hợp. 2.2. Tổng hợp Oligosaccharide Quá trình tổng hợp saccharose  và lactose : - Tổng hợp saccharose:   Nguyên liệu tổng hợp là glucose ở dạng hoạt hoá là UDP- glucose; fructose -6-P với  sự tham gia của enzym synthetase (E1) và phosphatase  theo phản ứng sau : E1 UDP- glucose + Fructose 
  UDP + saccharose -6-P.                                             Phosphatase Saccha rose -6-P + H2O 
Saccha rose  + H3PO4. - Tổng hợp lactose:   Lactose được tổng hợp  dưới tác dụng xúc tác của lactosesynthetase (E2 ) E2      UDP-galactose + D- glucose
  Lactose +UDP. 2.3. Tổng hợp Polysaccharide: 2.3.1. Tổng hợp tinh bột: - Tổng hợp amylose: + Nguyên liệu tổng hợp là glucose ở dạng hoạt hóa, đó là ADP-glucose và UDP- glucose. + Tổng hợp ADP-glucose từ glucose-1-Phosphat dưới tác dụng của ADP-glucosepyrophosphorylase(E3). + ADP-glucose là hợp chất cao năng, năng lượng của liên kết cao năng cung cấp cho phản ứng kéo dài chuỗi. + Phản ứng cần chất mồi α (1,4)- poliglucose có khoảng 4 gốc glucose. Chất mồi nhận glucose dưới tác dụng xúc tác của amylosesynthetase (E4). E4        Chất mồi + ADP-glucose
(Chất mồi)n+1 + Phản ứng diễn ra liên tục, kéo dài chuỗi amylose theo chiều liên kết α – D-1,4 glycosit. - Tổng hợp amylopectin là quá trình chuyển một mảnh oligosaccarit có 6 hoặc 7 gốc glucosyl đến nhóm OH ở vị trí C-6 trên chuỗi amylose mạch thẳng, dưới tác dụng của amylo (1,4- 1,6)- glucosyl transferase, tạo thành cấu trúc phân nhánh của Amylopectin. 2.3.2. Tổng hợp glycogen - Diễn ra chủ yếu ở gan. Quá trình tương tự như tổng hợp tinh bột nhưng chất cho glucose dưới dạng UDP- glucose,  đôi khi có ADP-glucose tham gia. Chất mồi tổng hợp glycogen là α (1,4)- poliglucose có ít nhất 4 gốc glucose với sự xúc tác của enzym glycogensynthetase. 2.4. Sự chuyển hóa tương hỗ giữa các gluxit: - Trong gluxit , glucose là loại đường quan trọng nhất về mặt sinh lý. - Trong tế bào, glucose có thể biến đổi theo nhiều chiều hướng khác nhau sau đây : + Chuyển thành glucogen dự trữ. + Thoái biến để cung cấp nưng lượng cho cơ thể. + Tổng hợp lipit và protein. + Tổng hợp một số đường cần thiết cho cơ thể (ribose, desoxyribose, vv... ) - Những sự biến đổi kể trên chỉ có thể thực hiện được sau khi gluxit đã vào bên trong tế bào và được photphoryl hoá dưới tác dụng của men hexokinase để trở thành glucose -6- photphat. Do đó glucose -6- photphat là một hợp chất cơ bản trong chuyển hoá của glucose. - Chuyển hoá gluxit : insulin làm cho glucose qua màng tế bào dễ dàng, hoạt hoá men hexokinase (biến glucose thành glucose-6-photphat ) và một số men tiêu đường khác (photphofructokinase, pyruvatkinase,vv... ) ức chế men glucose-6-photphatase (do đó hạn chế glucose-6-photphat biến thành glucose ), hoạt hoá men glycogen synthetase (tăng tổng hợp glycogen). => Tổng hợp gluxid là một quá trình không thể thiếu và có nhiều vai trò quan trọng trong các cơ thể sống như tổng hợp chất hữu cơ; tích trữ, vận chuyển năng lượng (như starch, glycogen) và các thành phần cấu trúc (như cellulose trong thực vật và chitin trong động vật); tương tác gián tiếp giữa các tế bào và giữa các tế bào với các thành phần khác trong môi trường của tế bào, tạo ra năng lượng nuôi sống mọi sinh vật trên Trái Đất; bù đắp lại những chất hữu cơ đã tiêu hao trong quá trình sống. 3. Quá trình phân giải monosaccharide 3.1. Phân giải monosaccacharide Bản chất của sự phân giải monosaccharide trong tế bào là sự bẻ gẫy dần dần mạch cacbon cho tới sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O, đồng thời năng lượng hóa học trong các liên kết của nguyên liệu hô hấp được chuyển thành năng lượng rất dễ sử dụng tích lũy trong các phân tử ATP. 3.1.1. Đường phân Ðường phân là giai đoạn đầu tiên của quá trình phân giải glucose xảy ra không cần sự hiện diện của O2.  Ðường phân xảy ra trong dịch tế bào chất của tất cả tế bào sống, và là chuỗi phản ứng đã xảy ra ở những sinh vật đầu tiên khi mà trái đất còn chưa có O2 Glucose là một hợp chất bền vững, ít có  xu hướng phân cắt ra thành những chất đơn giản hơn, do đó tế bào muốn lấy năng lượng từ glucose trước tiên phải đầu tư cho nó một ít năng lượng để hoạt hóa phân tử.  Do đó, giai đoạn đầu của đường phân là cung cấp ATP cho phân tử glucose (Hình 1). Trong các phản ứng chuẩn bị hai phân tử ATP gắn gốc phosphat cuối cùng của nó vào phân tử.
Hình 1.  Các phản ứng chính của đường phân Trong phản ứng này hexokinase xúc tác chuyển một gốc phosphat vào glucose. Kinase là tên chung được dùng cho các enzyme xúc tác chuyển gốc phosphate từ ATP cho các chất nhận, lớp phụ của transferase . Hexokinase không những xúc tác sự phosphoryl hóa glucose mà còn xúc tác sự phosphoryl hóa các hexose khác như fructose, manose. Phản ứng kế tiếp là phản ứng chuyển đổi glucose-6-phosphat thành fructose-6-phosphat.               
Sau khi tạo ra sản phẩm trong bước (2), một phân tử ATP nữa được tiêu thụ để thêm một gốc phosphat nữa vào phân tử.
            Kế tiếp fructose-1,6-bisphosphat bị cắt đôi ở giữa C thứ ba và C thứ tư tạo ra hai chất 3C tương tự nhau trong bước (4).  Một chất là PGAL (phosphoglyceraldehyd) và một chất trung gian thường chuyển đổi ngay thành PGAL trong bước (5).  PGAL là một đường trung gian 3C, là chìa khóa trung gian trong cả quá trình đường phân và quang hợp.
            Ðến giai đoạn này quá trình đường phân đã sử dụng 2 phân tử ATP.             Phản ứng kế tiếp dẫn đến sự thành lập ATP mới, thật sự là hai phản ứng.  Phản ứng đầu là một phản ứng oxy hóa khử: hai điện tử và một ion H+ được lấy từ mỗi phân tử PGAL (như vậy phân tử này bị oxy hóa) bởi phân tử nhận điện tử NAD+ (nicotinamid adenin dinucleotid), chất này bị khử.  NAD+ rất gần với NADP+ tìm thấy trong lục lạp.  Trong trường hợp này sản phẩm trung gian là NADH thay vì là NADPH.             Phản ứng thứ hai là sự phosphoryl hóa PGAL.  Năng lượng được giải phóng từ sự oxy hóa PGAL được dùng để gắn một gốc phosphat vô cơ P vào PGAL, gốc phosphat được gắn vào bằng một cầu nối giàu năng lượng.                                            
            Trong phản ứng kế tiếp, gốc phosphat mới được chuyển vào ADP để tạo ra ATP.  Trong quá trình này, một gốc phosphat giàu năng lượng được chuyển vào một cơ chất ADP để tạo thành ATP, phản ứng này được gọi là phosphoryl hóa ở mức cơ chất (substrate-level phosphorylation).  Sản phẩm 3C là PGA, một chất trung gian trong chu trình Calvin-Benson, một lần nữa cho thấy sự tương quan giữa hai quá trình:                                              
            Ở giai đoạn này, tế bào thu lại được 2 phân tử ATP đã dùng cho sự phosphoryl hóa glucose trong lúc bắt đầu đường phân.  Năng lượng đầu tư ban đầu đã được trả lại.  Qua phản ứng kế tiếp, cuối cùng là nước được tách ra từ PGA, và sau đó gốc phosphat được chuyển đổi và được gắn lại bởi cầu nối giàu năng lượng:                       
            Sau phản ứng sắp xếp lại trong bước (9) gốc phosphat được chuyển vào ADP theo sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất để thành lập ATP, kết quả tạo ra hai phân tử ATP và hai phân tử acidpyruvic:  
Vì hai phân tử ATP sử dụng trong bước (1 và 3) đã được lấy lại trong bước (7), nên hai phân tử ATP này là được tổng hợp thêm cho tế bào. Các điểm quan trọng cần chú ý trong sự đường phân là: -          Mỗi phân tử glucose (C6H12O6) bị phân tách thành hai phân tử acid pyruvic (C3H4O3). -          Hai phân tử ATP sử dụng trong lúc đầu của quá trình, sau đó có bốn phân tử được tạo ra, như vậy tế bào còn được hai phân tử này. -          Hai phân tử NADH được thành lập. -          Vì không sử dụng oxy, quá trình có thể xảy ra dù có sự hiện diện của O2 hay không. -          Các phản ứng của đường phân xảy ra trong dịch tế bào chất của tế bào, bên ngoài ty thể.  3.1.2. Sự lên men Trong đường phân, hai phân tử NAD+ được khử thành NADH.  Chức năng của phân tử NAD+ trong tế bào là vận chuyển điện tử, trao đổi ion H+ và điện tử giữa chất này và chất khác.  Do đó, NAD+ chỉ là một chất tạm thời tải ion H+ và điện tử, sau khi chuyển ion H+ và điện tử cho chất khác thì nó trở lại làm chất tải tiếp tục.  Nếu NADH được thành lập không nhanh chóng loại bỏ ion H+ và điện tử thì NAD+ trong tế bào sẽ thiếu; khi đó bước (6) trong đường phân không thể xảy ra và quá trình đường phân tạm dừng lại.  Như vậy, sự oxy hóa NADH thành NAD+ là cần thiết cho quá trình đường phân tiếp tục. Trong hầu hết tế bào, nếu có O2, nó sẽ là chất nhận điện tử cuối cùng từ NADH.  Nhưng dưới điều kiện yếm khí, không có O2 để nhận hydro và điện tử thì acid pyruvic được tạo ra trong quá trình đường phân sẽ nhận hydro và điện tử từ NADH, quá trình này được gọi là sự lên men.   
  Hình 2.  Các phản ứng chính của sự lên men   Ở tế bào động vật và nhiều vi sinh vật sự khử acid pyruvic tạo ra acid lactic:                                                                    
Ở hầu hết tế bào thực vật và men (yeast), sản phẩm lên men là rượu ethyl và CO2, quá trình này được áp dụng trong sản xuất                                                            
            Vì vậy, trong điều kiện yếm khí, NAD+ như con thoi đi qua đi lại giữa bước (6) và bước (11), lấy hydro và điện tử để tạo ra NADH trong bước (6) và trả lại hydro và điện tử trong bước (11). Sự lên men là sự nối tiếp của quá trình đường phân, bằng cách này glucose được biến đổi thành rượu hay thành acid lactic dưới điều kiện yếm khí, sự lên men sử dụng một phần năng lượng rất nhỏ từ glucose, sản phẩm là các chất còn chứa rất nhiều năng lượng tự do.             Sự lên men của những tế bào men và những vi sinh vật được ứng dụng trong nhiều kỹ nghệ quan trọng như làm bánh mì, phomat, yogurt, sản xuất rượu và các loại thức uống có rượu; một số sản phẩm khác được tạo ra từ các vi sinh vật khác như mùi đặc trưng của phomat Thụy Sỹ là do sản phẩm lên men là acid proprionic. 3.1.3. Sự oxi hóa acid pyruvic Nếu có sự hiện diện của O2, thì O2 là chất nhận điện tử cuối cùng từ NADH, do đó acid piruvic sẽ được đưa vào ty thể và ở đây sẽ được tiếp tục biến dưỡng và đồng thời tạo ra nhiều ATP mới.  Acid pyruvic trong dịch tế bào chất được chuyển vào ngăn trong của ty thể.  Qua một chuỗi phản ứng phức tạp, acid pyruvic bị oxy hóa thành CO2 và một gốc acetyl 2C, chất này gắn với một coenzym được gọi là coenzym A (CoA) tạo ra chất acetyl-CoA.  Khi acid pyruvic được oxy hóa, điện tử và ion H+ bị lấy đi, và NAD+ lại là chất nhận điện tử và ion H+ để tạo ra NADH.  Chuỗi phản ứng phức tạp này có thể được tóm tắt trong phương trình sau:
            Cuối giai đoạn II, 2 trong 6C của glucose ban đầu được giải phóng ra dưới dạng CO2 3.1.4. Chu trình Krebs Chu trình Krebs là một chuỗi các phản ứng hóa học xúc tác bởi enzym, có vai trò quan trọng bậc nhất trong mọi tế bào sống có dùng ôxy trong hô hấp tế bào. Các thành phần và các phản ứng trong chu trình axit Kreps được Albert Szent-Györgyi và Hans Krebs tìm ra. Chu trình Kreps tạo ra ATP cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sống của tế bào, cũng như cho mọi hoạt động của cơ thể. Nó lấy nguyên liệu từ quá trình đường phân của glucose và diễn ra tại chất nền của ti thể. Nguyên liệu là Acid piruvic ( CH3COCOOH) sẽ sinh ra 2 NADH, 2ATP , 2 Acetyl CoA 2 Acetyl CoA này đi vào chu trình Krebs sẽ sinh ra 4CO2 , 6 NADH, 2 FADH2 Acetyl-CoA cung cấp cho phức hợp của hàng loạt phản ứng hóa học nối tiếp nhau theo vòng tròn khép kín gọi là chu trình citric acid của Krebs Đặc điểm: Còn gọi là chu trình Citric Acid hoặc chu trình Tricarboxylic Acid (TCA) Chu trình có 8 giai đoạn Phương trình tổng quát: Acetyl CoA + 3 H2O + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi
2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + CoASH + ATP + H2O Các giai đoạn của chu trình Kreps: Giai đoạn 1:
Enzym Citrate synthase xúc tác gắn acetyl CoA và oxaloacetate để hình thành citrate. Giai đoạn 2:
Aconitase chuyển 3 alcohol citrate thành 2 alcohol isocitrate tạo điều kiện thuận lợi cho sự oxy hóa nhóm hydroxyl ở giai đoạn kế tiếp. Giai đoạn 3:
Quá trình decacboxy hóa oxy hóa isocitrate được xúc tác bởi enzym isocitrate dehydrogenase. Ketoglutarate có thể được sử dụng để tổng hợp amino acids. - Giai đoạn 4:
Enzym α -ketoglutarate dehydrogenase xúc tác quá trình decacboxy hóa oxy hóa α-ketoglutarate Succinyl-CoA có liên kết thioester năng lượng cao. Giai đoạn 5
Succinyl-CoA synthetase (succinyl thiokinase) xúc tác hình thành succinate từ succinyl-CoA. Ở động vật, năng lượng từ sự thủy phân liên kết thioester được sử dụng để tạo GTP. GTP chuyển nhóm Pi cho ADP để hình thành ATP (Photphoryl hóa cơ chất) Giai đoạn 6
Succinate dehydrogenase xúc tác hình thành fumarate từ succinate. Hình thành liên kết C=C mất nhiều năng lượng hơn C=O; do đó, không đủ năng lượng để tạo ra NAD+. Giai đoạn 7
Hydrat hóa fumarate để hình thành malate được xúc tác bởi enzym fumarate hydratase. Giai đoạn 8
Quá trình oxy hóa malate để hình thành oxaloacetate được xúc tác bởi enzym malate dehydrogenase. OAA được sử dụng để bắt đầu chu trình kế tiếp. Kết quả : 1 phân tử axtyl-coenzym A sẽ bị oxi hoá hoàn hoàn tạo ra 3 phân tử NADH, 1 phân tử ATP, 1 phân tử FADH2 (Flavin ađênin đinuclêôtit), 2 phân tử CO2. So sánh quá trình đường phân và chu trình Kreps
3.1.5. Chu trình pentose phosphate Là sự phân giải trực tiếp glucose 6 Phosphate không qua quá trình đường phân, gồm 2 giai đoạn oxy hóa và tái tạo hexose phosphate. Pentose phosphate (hexose monophosphate) gây ra sự oxy hóa và sự khử carboxyl hóa C1 của glucose 6 Phosphate, khử NADP+ thành NADPH và pentose phosphate. NADPH cần cho các phản ứng sinh tổng hợp và pentose phosphate cần cho sự tổng hợp nucleotid và nucleic acid. Pha thứ nhất của pentose phosphate là qúa trình oxy hóa glucose 6 Phosphate để tạo ribulose 5 phosphate và khử NADP+ thành NADPH. Pha thứ hai (nonoxidative) chuyển hóa pentose phosphate thành glucose 6 Phosphate và bắt đầu chu trình trở lại. 3.2. Phân giải Disaccharide và Polysaccharide 3.2.1. Sự thủy phân Sự thủy phân như phân giải tinh bột thành glucose, maltose hay dextrin tùy thuộc vào tính chất của enzyme: -amylase  -amylase  -amylase   - cắt liên kết -D- glucosidic 1,4 có khả năng cắt khoảng giữa - sản phẩm dextrin là chủ yếu => gọi là enzym dịch hóa  - cắt liên kết 1,4. Bắt đầu từ đầu không khử cắt 2 gốc - sản phẩm chủ yếu là maltose (ngoài ra còn có glucose, dextrin) => gọi là emzym đường hóa  - được tổng hợp từ vi sinh vật - có khả năng cắt liên kết 1,4 và khử sự phân nhánh - cắt dây nối 1,6 trong amylopectin và glycogen, từ đầu không khử cắt 1 gốc 1 - sản phẩm chủ yếu là glucose (ngoài ra còn có mantose, dextrin)   Các polysaccharide bị thủy phân bởi các enzyme tương ứng khác như cellulose là cellulase, pectin là pectinase,... Với các disaccharide sẽ bị phân giải thành các monose nhờ các enzyme tương ứng như sucrose bởi sucrase để tạo thành glucose và fructose, maltose bởi maltase để tạo thành 2 phân tử glucose... 3.2.2. Quá trình phosphoryl- phân (phosphorolysis) Quá trình phosphoryl- phân là quá trình tạo glucose-1-phosphate (G1P) nhờ enzyme phosphorylase (glycogen phosphorylase hay phosphorylase tinh bột) với sự hiện diên của ion phosphate. Phosphoryl- phân khác với sự thủy phân liên kết glucosidic là năng lượng giải phóng được dùng cho sự tạo liên kết ester trong glucose-1-P (Hình 1)
Hình 1. Sự phosphoryl-phân để tạo glucose-1-phosphate Enzyme phosphorylase có coenzyme Pyridoxal phosphate, nhóm phosphate tấn công như chất xúc tác acid, tấn công liên kết glucosidic bằng Pi . Phosphorylase tấn công vào đầu không khử của glycogen (hay amylopectin) đến khi cách chỗ phân nhánh 4 đơn vị glucose thì ngừng lại. Chúng sẽ họat động trở lại sau khi enzyme -amylase thực hiện chức năng transferase và glucosidase.
Hình 2: Sự phân giải glycogen bằng glycogen phosphorylase Các disaccharide cũng có thể bị phosphoryl-phân (phosphorolysis) bởi enzyme tương ứng để tạo ra một dẫn xuất phosphate của monose đồng thời giải phóng monose thứ hai. Ví dụ maltose phosphorylase chuyển hoá maltose thành glucose-1-P và glucose. KẾT LUẬN Qua những điều đã trình bày ở trên, chúng ta nhận thấy vai trò của glucid rất quan trọng đối với ngành công nghệ thực phẩm nói riêng và cuộc sống nói chung, và ngày càng có nhiều ứng dụng hơn nữa. Chúng ta có thể nghĩ tới một ngày không xa, sẽ có những loại thực phẩm mang hương vị, màu sắc hấp dẫn, đảm bảo các tiêu chuẩn về vệ sinh, dinh dưỡng có nguồn gốc từ thực vật. Từ những con đường tổng hợp glucid, tưởng rằng chỉ là sự bí ẩn của tự nhiên nhưng đã được trình bày khá rõ ràng, chi tiết ở các công trình nghiên cứu. Qua tìm hiểu, chúng em đã hiểu hơn về cơ chế của các phản ứng phức tạp, nhưng rất nhịp nhàng này; về vai trò, ảnh hưởng mang tính quyết định của các enzyme tới kết quả của cả quá trình- tạo ra các pentose, polysaccharide đảm bảo cho sinh vật có thể thực hiện trao đổi glucid một cách hoàn hảo. Quá trình phân giải cung cấp năng lượng chủ yếu cho mọi hoạt động sống của cơ thể. Sự phân giải glucid (đường) có thể được tiến hành theo nhiều con đường khác nhau (đường phân, chu trình krebs, chu trình pentosephosphat), các kiểu này bổ sung cho nhau và có thể cùng xảy ra song song, hay một vài kiểu chiếm ưu thế ở những điều kiện nhất định. Tóm lại, tất cả các quá trình phân giải, tổng hợp, chuyển hóa glucid đều có mối quan hệ chặt chẽ và là một phần không thể thiếu trong đời sống của các sinh vật; tạo nên nguồn nguyên liệu phong phú cho ngành công nghệ thực phẩm. TÀI LIỆU THAM KHẢO Hóa sinh công nghiệp_ Lê Ngọc Tú (chủ biên), NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội. Hóa học thực phẩm _ Hoàng Kim Anh, NXB Khoa học kĩ thuật, năm 2008. Hóa học thực phẩm_ Lê Ngọc Tú (chủ biên), NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội, năm 1994. Hóa sinh_ Nguyễn Hữu Chấn (chủ biên), NXB Y học, năm 2001. Website tham khảo: www.tailieu.vn www.baigiang.violet.com www.wikipedia.com www.thuviensinhhoc.com