Жиры

Классификация жиров — примеры

Жиры можно разделить в зависимости от их агрегатного состояния, происхождения и химической природы. В агрегатном состоянии жиры могут быть твердыми — например, кокосовое масло, топленый жир или твердый животный жир — и жидкими — например соевое масло, оливковое масло и рыбий жир. Агрегатное состояние предполагает и другую классификацию — твердые жиры имеют в углеводородной части только насыщенные связи, в то время как жидкие жиры имеют в строении и ненасыщенные связи. Наличие двойных связей влияет на изгиб углеродной цепи, что в свою очередь уменьшает упаковку молекул и, следовательно, их плотность. Ненасыщенные жиры, встречающиеся в природе, имеют геометрию структуры -цис, но при термической обработке они преобразуются в изомеры -транс, которые вредны для здоровья.  Химическая природа жиров также может быть двоякой с точки зрения наличия или отсутствия определенных связей в структуре. Насыщенные жиры имеют только насыщенные связи, такие как в топленом жире, твердом животном жире и сливочном масле, в то время как ненасыщенные жиры можно найти в соевом масле, оливковом масле и рыбьем жире. Третья, важная классификация по происхождению: растительные и животные.

Происхождение жиров

Наиболее распространенными липидами являются животные жиры и растительные масла. Несмотря на значительные различия во внешнем виде и агрегатном состоянии, их структуры схожи. Животные жиры — это твердые вещества, такие как сливочное масло и топленый жир, а растительные масла — это жидкости, такие как кукурузное или арахисовое масло. С точки зрения молекулярной структуры и химии, как животные, так и растительные жиры представляют собой триацилглицериды (ТАГ) — триэфиры глицерина (глицерола) с тремя молекулами длинноцепочечных карбоновых кислот. Растительные жиры содержатся в наибольшем количестве в семенах и мякоти фруктов, в то время как животные жиры в основном содержатся в жировых клетках и тканях. Помимо двух основных источников жиров, еще одну группу составляют искусственно синтезированные жиры.  Натуральные жиры в целом представляют собой смесь многих эфиров, а синтетические состоят только из одного химического соединения.

Основные физико-химические свойства жиров

Несмотря на различное строение представителей этой разнообразной группы, ни один из них не растворим в воде. Вместо этого они растворимы в широко применяемых органических растворителях, таких как бензол, диэтиловый эфир, хлороформ или ацетон — благодаря своей неполярной структуре. При соединении с водой жиры образуют эмульсии, то есть гетерогенные смеси, в которых одна жидкость диспергирована в другой. Их плотность меньше, чем у воды, поэтому они плавают на ее поверхности. Удельный вес составляет от 0,910 до 0,996 г/см³. Жиры подвергаются процессу прогоркания, т. е. образованию химических соединений, таких как масляная кислота, которые вредны для организма и имеют неприятный вкус и запах. Трансформация происходит в аэробных условиях, под воздействием температуры и бактерий. В нормальных условиях, независимо от агрегатного состояния, жиры представляют собой вещества без запаха, вкуса и цвета с нейтральной реакцией. Возможный вкус или запах может исходить от используемых примесей или продуктов разложения. Жиры — это нелетучие и горючие вещества с теплотворной способностью около 38 Дж/г. Их энергетическая ценность составляет около 39 кДж/г, поэтому они являются высокоэнергетическими запасными материалами. Получение жиров происходит в результате реакции этерификации, происходящей непосредственно между карбоновой кислотой и спиртом. Это основная реакция для простых и сложных липидов, но не для изопреноидов. Этерификация всегда происходит в кислой среде и является обратимой. Она протекает в соответствии с реакцией:

R¹COOH + R²OH ↔ R¹COOR² + H₂O

Специфические жиры

В связи со структурным строением они представляют собой эфиры тригидроксильных спиртов — глицерина и различных жирных кислот. Молекула глицерина содержит три этерифицируемые гидроксильные группы, поэтому в зависимости от условий происходит реакция между одной, двумя или тремя группами и жирной кислотой. Продуктами таких превращений могут быть моноацилглицерины, диацилглицерины и триацилглицерины, содержащие соответственно один, два, а также три остатка жирной кислоты в молекуле. Все жиры природного происхождения являются триацилглицеринами, в то время как синтетические жиры обычно являются моноацилглицеринами или, возможно, диацилглицеринами. Примером специфического жира является тристеарат глицерина, в молекуле которого все три гидроксильные группы этерифицированы молекулами стеариновой кислоты.

Сложные жиры

Сложные жиры являются компонентами клеточных мембран и обеспечивают их бесперебойное функционирование. Как правило, их роль заключается в амортизации потрясений внутренних органов и теплоизоляции. В основном они состоят из трех групп: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. Они отличаются наличием определенных атомов в молекулах. Фосфолипиды являются производными фосфатидной кислоты, гликолипиды содержат в своей структуре сахара, а стероиды состоят из четырех прилегающих друг к другу соседних ароматических колец.

Простые и смешанные жиры

В связи с возможностью присутствия в триацилглицерине трех кислотных остатков, в структуре может быть три одинаковых или разных остатка жирных кислот. Таким образом, различают простые триацилглицерины, содержащие одинаковые кислотные остатки, и смешанные триацилглицерины с различными кислотными остатками. В большинстве случаев натуральные жиры имеют несколько различных кислотных остатков и поэтому являются смешанными жирами. В связи с этим они имеют свою изомерию — распределение различных групп в разных местах влияет на наличие в природе одновременно трех их изомеров положения. Этот факт делает категорию жиров в природе очень широкой.

Гидролиз жиров

Гидролиз жиров возможен двумя различными способами. Под воздействием воды происходит кислотный гидролиз, а в щелочных условиях — щелочной гидролиз. В случае кислотного гидролиза продуктами являются глицерин и жирные кислоты. Щелочной гидролиз также известен как процесс омыления. В результате реакции образуется глицерин (пропан-1,2,3-триол) и соли жирных кислот, из кислотных остатков которых был построен жир, подвергшийся реакции. С другой стороны, известные нам мыла в химическом отношении являются натриевыми или калиевыми солями высших карбоновых кислот и обычно представляют собой их смесь, откуда и другое название щелочного гидролиза жиров — омыление. Кислотный гидролиз жиров не отличается по механизму от гидролиза эфиров. Процесс начинается с протонирования карбонильного атома кислорода с целью активации молекулы, чтобы затем произошло присоединение нуклеофильной молекулы воды. Следующим шагом является перенос протона и последовательное удаление молекулы спирта с образованием карбоновой кислоты. Кислотный катализатор на последнем этапе восстанавливается.

Омыление жиров

Сам механизм протекает по схеме нуклеофильного замещения, где нуклеофильным реагентом является гидроксид-анион. На первом этапе процесса он присоединяется к атому углерода карбонильной группы жира, изменяя его форму с тригональной (гибридизация sp²) на тетраэдрическую (sp³). Впоследствии от промежуточного продукта отщепляется алкоксильный ион и образуется карбоновая кислота, которая, в свою очередь, теряет протон и образует карбоксилатный анион. Отщепленный протон присоединяется к алкоксильному иону. На последнем этапе, после добавления раствора неорганической кислоты, карбоксилатный ион протонируется или присоединяется катион натрия.

Обнаружение наличия жиров

1. Акролеиновая проба

Позволяет отличить жир от маслянистого вещества, например, минерального масла. При этом происходит нагревание масла в пламени горелки, а результатом трансформации могут стать пары акролеина со специфическим запахом. Акролеин, то есть акриловый альдегид — это летучий ненасыщенный продукт дегидратации глицерина. Помимо раздражающего запаха, альдегид обладает способностью восстановления ионов серебра в щелочной среде. Обычно акролеин обнаруживается в пригоревшем масле, например, при жарке.

Важность жиров в рационе питания

В пищевой, косметической и фармацевтической промышленности жиры находят широкое применение. Как компонент рациона питания, они являются важным элементом, поскольку содержат необходимые организму жирорастворимые витамины, т. е. A, D, E, K. Кроме того, они являются материалом для хранения энергии и необходимым реагентом для многих метаболических процессов. Незаменимые ненасыщенные жирные кислоты, запасы которых требуют пополнения, те, которые организм не синтезирует — это в основном омега-3 и омега-6. Они необходимы для правильного функционирования организма по таким причинам, как транспортировка холестерина или свертывание крови. К ним относятся α-линоленовая кислота (ALA), эйкозапентаеновая кислота (EPA), докозагексаеновая кислота (DHA), линолевая кислота (LA), гаммалиноленовая кислота (GLA) и арахидоновая кислота (AA, ARA). Каждую из них мы можем получить, введя в рацион питания соответствующие жиры.

Затвердевание жидких жиров

Реакция, которая используется, в частности, при производстве маргаринов и фритюрных жиров — это гидрогенизация жиров. Двойные связи между атомами углерода, присутствующие в растительных маслах, могут быть восстановлены каталитическим путем. Чаще всего для получения смешанных жиров нужной консистенции используются жидкие масла, такие как соевое, кокосовое и хлопковое.