ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ Οι υδατάνθρακες έχουν ευρεία διάδοση στη φύση και είναι σημαντικά συστατικά των τροφίμων καθώς αποτελούν πηγή ενέργειας για τον οργανισμό, αλλά και στοιχεία δομής (άμυλο, γλυκογόνο, κυτταρίνη) και παράγοντες γεύσης. Οι υδατάνθρακες σχηματίζονται στα φυτά με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Οι υδατάνθρακες στα φυτά αποτελούν και αποταμιευτικό υλικό στη μορφή αμύλου, ενώ στους ζωικούς οργανισμούς αντίστοιχα στη μορφή γλυκογόνου. Ο όρος «υδατάνθρακας» χρησιμοποιήθηκε αρχικά, επειδή οι γνωστές τότε ενώσεις της κατηγορίας αυτής ανταποκρίνονταν στο γενικό χημικό τύπο Cx(H2O)x, δηλαδή προέρχονταν από ενυδατωμένο άνθρακα με το υδρογόνο και το οξυγόνο να περιέχονται στην ίδια αναλογία όπως και στο νερό.

Ο όρος υδατάνθρακας διατηρείται έως σήμερα παρόλο που γνωστές ενώσεις όπως οξικό οξύ (C2H4O2) ή το γαλακτικό οξύ (C3H6O3) υπακούουν στο γενικό τύπο των υδατανθράκων χωρίς να έχουν τα χαρακτηριστικά τους, όσο και άλλοι γνωστοί υδατάνθρακες οι οποίοι δεν ανταποκρίνονται στον τύπο αυτό. Έτσι η ονομασία «υδατάνθρακας» είναι ένας όρος για μία ολόκληρη τάξη ενώσεων. Οι υδατάνθρακες από χημική άποψη είναι αλδεϋδικά ή κετονικά παράγωγα πολυσθενών αλκοολών ή προϊόντα συμπύκνωσης αυτών. Είναι δηλαδή πολυϋδροξυαλδεΰδες ή πολυϋδροξυκετόνες ή προϊόντα συμπύκνωσής τους.

Η ονομασία σάκχαρα χρησιμοποιείται για τα απλά μέλη της σειράς των ενώσεων αυτών τα οποία είναι συνήθως ευδιάλυτα στο νερό. Τα σάκχαρα παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιότητες από τα ανώτερα μέλη της σειράς, έτσι οι πολύπλοκοι υδατάνθρακες είναι σχετικά αδιάλυτοι στο νερό. Οι υδατάνθρακες διασπώνται προς σάκχαρα με υδρόλυσή τους με οξέα ή ένζυμα.

Χημεία υδατανθράκων - Κατηγορίες και ιδιότητες Οι υδατάνθρακες χωρίζονται σε μονοσακχαρίτες στις ακόλουθες ομάδες: α) Μονοσακχαρίτες ή απλά σάκχαρα τα οποία είναι τα απλούστερα μέλη των υδατανθράκων και δεν επιδέχονται υδρόλυση β) Ολιγοσακχαρίτες που αποτελούνται από μικρό αριθμό, συνήθως από δύο έως δέκα περίπου μόρια, μονοσακχαριτών και γ) Πολυσακχαρίτες οι οποίοι αποτελούνται από μεγάλο αριθμό μονοσακχαριτών, όπως για παράδειγμα η αμυλόζη που περιέχει 100-2000 μονάδες του μονοσακχαρίτη γλυκόζη στο μόριό της. Οι μεγαλομοριακές ενώσεις των πολυσακχαριτών παρουσιάζουν διαφοροποιήσεις στις φυσικές και χημικές ιδιότητές τους, σε σχέση με τους μονοσακχαρίτες από τους οποίους αποτελούνται. Οι σπουδαιότεροι πολυσακχαρίτες στη φύση είναι το άμυλο (αποθηκευτικό υλικό των φυτών), το γλυκογόνο (αποθηκευτικό υλικό των ζώων) και η κυτταρίνη (υποστηρικτικό υλικό και στοιχείο δομής των φυτών).

Μονοσακχαρίτες ή απλά σάκχαρα Οι μονοσακχαρίτες ή απλά σάκχαρα ταξινομούνται ανάλογα με τον αριθμό των ατόμων άνθρακα και την περιεχόμενη αλδεϋδομάδα ή κετονομάδα. Έτσι: α) Αν περιέχουν 3, 4, 5 ή 6 άτομα άνθρακα στο μόριό τους διακρίνονται αντίστοιχα σε: τριόζες, τετρόζες, πεντόζες (φουρανόζες), και εξόζες (πυρανόζες) από τις οποίες μεγαλύτερο ενδιαφέρον για τα τρόφιμα παρουσιάζουν οι εξόζες και σε μικρότερο βαθμό οι πεντόζες και β)  Αν περιέχουν αλδεϋδομάδα ή κετονομάδα στο μόριό τους κατατάσσονται αντίστοιχα σε αλδόζες ή κετόζες. Η αρίθμηση των ατόμων άνθρακα στο μόριο των σακχάρων αρχίζει από το πλησιέστερο προς την ανάγουσα ομάδα ακραίο άτομο άνθρακα. Τα απλούστερα σάκχαρα είναι οι τριόζες και από τις αλδόζες κυριότερη είναι η γλυκεριναλδεΰδη, ενώ από τις κετόζες η διϋδροξυακετόνη.

Από τα απλά σάκχαρα σημαντικότερα για τα τρόφιμα είναι από μεν τις πεντόζες, που δεν είναι ζυμώσιμα σάκχαρα, η ξυλόζη και από δε τις εξόζες που είναι ζυμώσιμα σάκχαρα από τις αλδόζες: η D-γλυκόζη, η D-γαλακτόζη, η D-μαννόζη και από τις κετόζες η D-φρουκτόζη. Σπουδαιότερο από όλα τα σάκχαρα είναι η γλυκόζη η οποία βρίσκεται σε μεγαλύτερη περιεκτικότητα στα τρόφιμα ως ελεύθερη ή ενωμένη (δισακχαρίτες, πολυσακχαρίτες, γλυκοζίτες) και για αυτό έχει μελετηθεί η δομή της και οι ιδιότητες των απλών σακχάρων δίνονται παραδειγματικά με βάση το μόριο αυτής.

Βασικά στοιχεία μονοσακχαριτών Πεντόζες Οι πεντόζες απαντώνται σπάνια ελεύθερες στη φύση, βρίσκονται όμως ενωμένες σε φυτικές πηγές ως συστατικά πολυσακχαριτών, που είναι γνωστοί ως πεντοζάνες. Οι πεντόζες ως υδροξυαλδεΰδες παρουσιάζουν τις τυπικές ιδιότητες των άλλων σακχάρων, δηλαδή έχουν στροφική ικανότητα του πολωμένου φωτός, αναγωγική δράση, δεν ζυμώνονται από τους συνήθεις ζυμομύκητες, ζυμώνονται από πεντοζανάσες. Οι πιο σημαντικές πεντόζες είναι: D-ξυλόζη, L-αραβινόζη και D-ριβόζη. Από αυτές η D-ξυλόζη λαμβάνεται με υδρόλυση του αραβικού κόμμεος, ενώ η D-ριβόζη αποτελεί συστατικό των νουκλεϊκών οξέων.

Εξόζες Οι εξόζες είναι η πιο ενδιαφέρουσα ομάδα μονοσακχαριτών, καθώς σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν τα πιο διαδεδομένα στη φύση σάκχαρα, αλδόζες ή κετόζες. Βρίσκονται είτε ελεύθερες στη φύση, είτε ως συστατικά πολυσακχαριτών και γλυκοζιτών. Οι εξόζες έχουν γλυκειά γεύση, είναι ευδιάλυτες στο νερό και την αιθανόλη, αδιάλυτες στον αιθέρα. Ανάγουν το φελίγγειο υγρό και οι περισσότερες είναι ζυμώσιμες. Οι σπουδαιότερες εξόζες είναι από τις αλδοεξόζες: γλυκόζη, γαλακτόζη και μαννόζη και από τις κετοεξόζες: φρουκτόζη και σορβόζη.

D-γλυκόζη (σταφυλοσάκχαρο, δεξτρόζη): Μαζί με τη φρουκτόζη απαντάται στο χυμό όλων των γλυκών καρπών και στο μέλι, ενώ αποτελεί και συστατικό του αίματος. Η γλυκόζη αποτελεί δομικό συστατικό διαφόρων ολιγοσακχαριτών, όπως της σακχαρόζης, της λακτόζης και της μαλτόζης, καθώς επίσης και πολυσακχαριτών όπως του αμύλου, του γλυκογόνου και της κυτταρίνης και τέλος και συστατικό γλυκοζιτών. Η γλυκόζη παρασκευάζεται βιομηχανικά με όξινη ή ενζυμική υδρόλυση του αμύλου (πατάτας ή καλαμποκιού) και με όξινη υδρόλυση της κυτταρίνης. Η γλυκόζη είναι ζυμώσιμο σάκχαρο τόσο με αερόβιους μικροοργανισμούς όσο και με αναερόβιους (παραγωγή αιθανόλης).

D-γαλακτόζη: Αποτελεί συστατικό πολλών πολυσακχαριτών, όπως του γαλακτοσάκχαρου (λακτόζης), της ραφινόζης καθώς και πολλών πολύπλοκων πολυσακχαριτών, που είναι γνωστοί ως γαλακτάνες. Με οξείδωση μετατρέπεται προς βλεννικό οξύ το οποίο έχει χαρακτηριστικές ιδιότητες που χρησιμεύουν για την ανίχνευση και τον προσδιορισμό της γαλακτόζης. D-μαννόζη: Βρίσκεται σπάνια σε ελεύθερη κατάσταση, περισσότερο βρίσκεται ενωμένη σε γλυκοζίτες ή σε πολυσακχαρίτες. Λαμβάνεται με όξινη υδρόλυση των πολυσακχαριτών, γνωστών ως μαννάνες. D-φρουκτόζη (λαιβουλόζη, οπωροσάκχαρο): Είναι η σπουδαιότερη κετοεξόζη. Βρίσκεται σε ελεύθερη κατάσταση στο χυμό γλυκών καρπών, στο μούστο και στο μέλι μαζί με τη γλυκόζη. Αποτελεί συστατικό της σακχαρόζης, της ραφινόζης και του μη σακχαροειδούς πολυσακχαρίτη ινουλίνη, με υδρόλυση της οποίας λαμβάνεται ένας και μόνο μονοσακχαρίτης η φρουκτόζη.

Παράγωγα μονοσακχαριτών Αλκοολοσάκχαρα Είναι πολυαλκοόλες, προϊόντα αναγωγής των σακχάρων. Από τις πολυαλκοόλες ενδιαφέρον για τα τρόφιμα παρουσιάζουν από τις εξιτόλες η D-σορβιτόλη, η D-μαννιτόλη και από τις πεντιτόλες η ξυλιτόλη

Ξυλιτόλη: Παράγεται με καταλυτική υδρογόνωση της ξυλόζης και είναι μία πεντιτόλη που έχει ισοδύναμη γλυκύτητα και την ίδια θερμιδική αξία με τη σακχαρόζη. Η ξυλιτόλη χρησιμοποιείται όπως και η σορβιτόλη ως γλυκαντικό αντί της ζάχαρης για διαβητικούς, καθώς ο μεταβολισμός της σε ελεγχόμενα ποσά είναι ανεξάρτητος της ινσουλίνης Ουρονικά οξέα: Τα ουρονικά οξέα προέρχονται από τις αντίστοιχες αλδόζες με οξείδωση της ακραίας ομάδας CH2OH προς COOH (με προστασία της αλεδϋδομάδας όπως αναφέρθηκε). Δεν βρίσκονται ελεύθερα στη φύση, αλλά παίζουν σημαντικό ρόλο στη σύνθεση γλυκοζιτών και πολυσακχαριτών όπως οι πηκτίνες, τα αλγινικά οξέα, τα φυτικά κόμμεα και οι βλεννοπολυσακχαρίτες. Τα συχνότερα απαντώμενα ουρονικά οξέα είναι το D-γαλακτουρονικό και το D-μαννουρονικό οξύ.  

Οι δισακχαρίτες διακρίνονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο σύνσης των δύο απλών σακχάρων: α) του τύπου τρεαλόζης ή και σακχαρόζης, όπου οι δύο μονοσακχαρίτες είναι ενωμνοι με αιθερικό δεσμό των υδροξυλίων της αναγωγικής τους ομάδας. Οι δισακχαρίτες αυτοί δεν ανάγουν το φελίγγειο υγρό - είναι μη ανάγοντα σάκχαρα και δεν παρουσιάζουν πολυστροφισμό. Κυριότερος εκπρόσωπος της κατηγορίας αυτής είναι η σακχαρόζη και β) του τύπου μαλτόζης, στους οποίους το ημιακεταλικό υδροξύλιο του ενός μορίου είναι ενωμένο με αιθερικό δεσμό με ένα από τα υπόλοιπα μη ακεταλικά υδροξύλια του άλλου μορίου μονοσακχαρίτη. Οι δισακχαρίτες αυτοί είναι ανάγουν το φελίγγειο υγρό - είναι αναγωγικά σάκχαρα (η αναγωγική ομάδα του ενός μορίου παραμένει ελεύθερη) και παρουσιάζουν πολυστροφισμό. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν η μαλτόζη, η λακτόζη και η κελλοβιόζη.

Σακχαρόζη (καλαμοσάκχαρο, τευτλοσάκχαρο, ζάχαρη) Η σακχαρόζη (ζάχαρη) είναι ευρύτατα διαδεδομένη στη φύση ιδιαίτερα στο σακχαροκάλαμο και τα σακχαρότευτλα (περιέχουν 16-20% σακχαρόζη), που είναι οι δύο κυριότερες πηγές από τις οποίες παραλαμβάνεται βιομηχανικά η σακχαρόζη με την εμπορική ονομασία ζάχαρη. Η σακχαρόζη αποτελείται από μόρια γλυκόζης και φρουκτόζης ενωμένα μεταξύ τους με α-D-γλυκοζιτικό δεσμό. Είναι δεξιόστροφη με ειδική γωνία στροφής =+66.5°. Δεν είναι ζυμώσιμη απ’ ευθείας, αλλά μετά από υδρόλυση αυτής. Είναι πολύ ευδιάλυτη στο νερό και λίγο διαλυτή στην αιθανόλη.

Η υδρόλυση της σακχαρόζης γίνεται με οξέα και με ένζυμα Η υδρόλυση της σακχαρόζης γίνεται με οξέα και με ένζυμα. Το ένζυμο ιμβερτάση δίνει μία τέτοια αντίδραση, για αυτό και η υδρόλυση της σακχαρόζης καλείται ιμβερτοποίηση. Χαρακτηριστικό είναι ότι με την υδρόλυση της σακχαρόζης προκαλείται μεταβολή της στροφικής ικανότητας λόγω επικράτησης της αριστερής στροφικής ικανότητας της φρουκτόζης. Το φαινόμενο καλείται αναστροφή (inversion) ή μετατροπή και το ισομοριακό μίγμα των σακχάρων (γλυκόζη και φρουκτόζη) καλείται ανάστροφο σάκχαρο. Η σακχαρόζη δεν είναι ζυμώσιμο σάκχαρο παρά μόνο μετά από ιμβερτοποίηση. Με θέρμανση της σακχαρόζης σε θερμοκρασία 200°C περίπου λαμβάνεται το σακχαρόχρωμα, το οποίο χρησιμοποιείται σε μεγάλη έκταση στην ποτοποιία και την ζαχαροπλαστική.

Πολυσακχαρίτες  Στην ομάδα αυτή περιλαμβάνονται ενώσεις με πολύ μεγάλη σημασία για την ανθρώπινη διατροφή και ευρύτατη διάδοση στη φύση, όπως το άμυλο, η κυτταρίνη και το γλυκογόνο. Ονομάζονται πολυσακχαρίτες, γιατί στη δομή του μορίου τους περιλαμβάνονται πολλοί μονοσακχαρίτες. Το συστηματικό τους όνομα προκύπτει από το όνομα του μονοσακχαρίτη από τον οποίο προέρχονται με αντικατάσταση της κατάληξης -όζη από την κατάληξη -άνη, π.χ. πεντόζη-πεντοζάνη, μαννόζη-μαννάνη, γλυκόζη-γλυκάνη, αν και ο όρος γλυκάνη χρησιμοποιείται για όλους τους πολυσακχαρίτες.

Οι πολυσακχαρίτες διακρίνονται σε ομοπολυσακχαρίτες, που είναι πολυμερή του ιδίου σακχάρου, όπως είναι το άμυλο, η κυτταρίνη και το γλυκογόνο, και σε ετεροπολυσακχαρίτες, που περιέχουν και δύο ή περισσότερα συστατικά στο μόριό τους εκτός του σακχάρου, όπως είναι οι ημικυτταρίνες και οι πηκτινικές ύλες. Με υδρόλυση όξινη ή ενζυμική οι πολυσακχαρίτες διασπώνται στα δομικά τους συστατικά. Οι πολυσακχαρίτες είναι πολύ διαφορετικοί από τις βασικές μονάδες των μονοσακχαριτών που τους αποτελούν. Μακροσκοπικά και μικροσκοπικά εμφανίζονται άμορφοι, η μελέτη με ακτίνες Χ έχει αποκαλύψει τη μικροκρυσταλλική δομή τους. Οι πολυσακχαρίτες παρουσιάζουν διαφορές από τους μονοσακχαρίτες και ως προς τις ιδιότητές τους. Έτσι δεν έχουν γλυκειά γεύση, δεν ανάγουν το φελίγγειο υγρό και έχουν διαφορετική διαλυτότητα - διαλύονται σχετικά εύκολα (γλυκογόνο) ή σχηματίζουν κολλοειδή διαλύματα (άμυλο) ή είναι αδιάλυτοι σε θερμό νερό (κυτταρίνη).

Ομοπολυσακχαρίτες   Οι κυριότεροι είναι το άμυλο, η κυττρίνη και το γλυκογόνο. Το άμυλο Το άμυλο είναι ένας από τους σπουδαιότερους υδατάνθρακες. Έχει μεγάλη σημασία για τη διατροφή του ανθρώπου και των ζώων. Βρίσκεται στα διάφορα φυτά υπό μορφή κόκκων και χρησιμοποιείται αυτά ως αποθηκευτικό θρεπτικό συστατικό για την κάλυψη των αναγκών τους. Το άμυλο αποτελεί το σημαντικότερο τελικό προϊόν της φωτοσύνθεσης και σε αντίθεση με την κυτταρίνη και, η γλυκόζη που το αποτελεί μπορεί με τη βοήθεια των αμυλασών να επανέλθει στο μεταβολισμό για κάλυψη ενεργειακών αναγκών ή για σύνθεση άλλων υλικών.

Οι κόκκοι του αμύλου διαφέρουν ως προς το μέγεθος και το σχήμα ανάλογα με την προέλευσή τους, γεγονός που επιτρέπει τη μικροσκοπική αναγνώριση του αμύλου. Το άμυλο είναι πολυμερές της γλυκόζης. Αποτελείται από δύο τύπους μορίων: την αμυλόζη και την αμυλοπηκτίνη, η αναλογία των οποίων μεταβάλλεται εξαρτώμενη από την προέλευσή του. Το άμυλο είναι λευκό σώμα, αδιάλυτο σε ψυχρό νερό, ενώ σε θερμό νερό διογκώνεται (αμυλόκολλα). Τα μόρια της αμυλόζης είναι ευθείας αλύσου στα οποία οι μονάδες γλυκόζης ενώνονται με α-D-(1→4) γλυκοζιτικούς δεσμούς. Το μήκος της αλύσου ποικίλλει περιλαμβάνοντας 250-350 μονάδες γλυκόζης (ΜΒ=100-1000). Η αμυλόζη βρίσκεται στο εσωτερικό των κόκκων του αμύλου, διαλύεται στο νερό χωρίς διόγκωση και δίνει μπλε χρώμα με ιώδιο

Τα μόρια της αμυλοπηκτίνης διακλαδίζονται και τα μόρια της γλυκόζης συνδέονται με α-D-(1→4) γλυκοζιτικούς δεσμούς τόσο στα ευθύγραμμα όσο και τα διακλαδισμένα τμήματα, τα οποία ενώνονται με τον κύριο κορμό με α‑D‑(1→6) γλυκοζιτικούς δεσμούς. Το ΜΒ της αμυλοπηκτίνης κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες χιλιάδες έως μερικά εκατομμύρια και στα πλευρικά τμήματα περιλαμβάνει 10-20 μόρια γλυκόζης, ενώ τα γραμμικά τμήματα 25-30 μονάδες γλυκόζης αντίστοιχα. Η αμυλοπηκτίνη βρίσκεται στο εξωτερικό περίβλημα του κόκκου του αμύλου, διογκώνεται στο νερό και με θέρμανση δίνει την αμυλόκολλα.

Κυτταρίνη   Η κυτταρίνη είναι συστατικό των κυτταρικών τοιχωμάτων των φυτικών ιστών, όπου απαντάται μαζί με άλλα συστατικά (ημικυτταρίνες, πηκτινικές ουσίες, λιγνίνη, κ.α.). Η κυτταρίνη σε καθαρή κατάσταση βρίσκεται στις ίνες του βαμβακιού, ενώ σε στο ξύλο των κωνοφόρων και φυλλοβόλων δένδρων βρίσκεται σε συγκεντρώσεις 40-60% από τα οποία παρασκευάζεται βιομηχανικά. Δεν είναι θρεπτική ουσία για τον άνθρωπο, καθώς ο οργανισμός δεν διαθέτει τα κατάλληλα ένζυμα για την πέψη της, αλλά συντελεί στη διαδικασία απομάκρυνσης από τον οργανισμό των υπολειμμάτων των τροφών. Η κυτταρίνη είναι πολυμερές αποτελούμενο από μονάδες γλυκόζης ενωμένες μεταξύ τους με (1,4)-β-D-γλυκοζιτικούς δεσμούς. Κατά την υδρολυτική της διάσπαση σχηματίζεται ο δισακχαρίτης κελλοβιόζη. Ο βαθμός πολυμερισμού της εξαρτάται από τη φύση της (6500-9000 για βαμβάκι, λινάρι) και έχει υπολογιστεί το μέσο ΜΒ της.  

Άλλοι ομοπολυσακχαρίτες   Ινουλίνη Η ινουλίνη είναι φρουκτοζάνη και κατά την υδρολυτική της διάσπαση με οξέα ή ένζυμα δίνει τελικά D-φρουκτόζη. Βρίσκεται ως αποθεματικός υδατάνθρακας στους κονδύλους και τα ριζώματα ορισμένων φυτών (αγκινάρα, ραδίκι), από τα οποία και παραλαμβάνεται. Είναι λευκή σκόνη, διαλύεται σε θερμό νερό χωρίς σχηματισμό πήγματος και δεν παρέχει χρωστική αντίδραση με διάλυμα ιωδίου. Χιτίνη Η χιτίνη είναι ομοπολυσακχαρίτης με διάταξη των δομικών του συστατικών μονάδων γλυκόζης στο μεγαλομόριο όπως στην κυτταρίνη, με τη διαφορά ότι περιέχει στη θέση 2 των μορίων γλυκόζης ως υποκαταστάτη την ομάδα ΝΗCOCH3. Αποτελεί βασικό συστατικό των σκληρών κελυφών των μαλακόστρακων.

Μαννάνες και γαλακτάνες Οι γαλακτάνες είναι ομοπολυμερή της γαλακτόζης και οι μαννάνες της μαννόζης αντίστοιχα και συνήθως απαντώνται μαζί στις πηγές τροφίμων ως γαλακτομαννάνες. Βρίσκονται σε φυτικούς και ζωικούς ιστούς. Γνωστές γαλακτομαννάνες που παρουσιάζουν ενδιαφέρον για τα τρόφιμα είναι οι καραγεννάνες και το άγαρ-άγαρ που βρίσκονται σε φυτικά κόμμεα. 

Ετεροπολυσακχαρίτες Στην ομάδα αυτή υπάγεται ένας σημαντικός αριθμός ουσιών κυρίως φυτικής προέλευσης με πολύπλοκη σύσταση, μερικές από τις οποίες έχουν ενδιαφέρουσες ιδιότητες και αντίστοιχες εφαρμογές στα τρόφιμα. Από τους ετεροπολυσακχαρίτες σημαντικότεροι είναι η ημικυτταρίνη και τα πηκτινικά συστατικά.

Ημικυτταρίνη   Η ημικυτταρίνη είναι πολυσακχαρίτης που αποτελείται κυρίως από μόρια D-ξυλόζης ενωμένα με α-D-(1→4) δεσμούς. Υπάρχει στα κυτταρικά τοιχώματα των φυτών μαζί με άλλα συστατικά. Μετά την απομάκρυνση των ξυλωδών λιγνιτούχων συστατικών απομένει η ολοκυτταρίνη που αποτελείται από κυτταρίνη και ημικυτταρίνες, οι οποίες διαχωρίζονται από την κυτταρίνη ως διαλυτές σε διαλύματα αλκαλίων. Η ακατέργαστη ημικυτταρίνη αποτελείται βασική αλυσίδα ξυλάνης και διαχωρίζεται σε δύο κλάσματα : το Α ουδέτερο (ημικυτταρίνη Α) που περιέχει πλευρικές αλυσίδες από τμήματα αραβινόζης και το Β όξινο (ημικυτταρίνη Β) που περιέχει μόρια 4-Ο-μεθυλο-D-γλυκουρονικού οξέος.

Διαφορές μεταξύ κυτταρίνης - ημικυτταρίνης: α) οι κυτταρίνες έχουν μεγαλύτερο βαθμό πολυμερισμού (περισσότερες μονάδες μονοσακχαριτών) ανά μόριο από ότι οι ημικυτταρίνες, β) οι κυτταρίνες είναι λιγότερο διαλυτές σε άλκαλι και υδρολύονται λιγότερο εύκολα με αραιά οξέα από ότι οι ημικυτταρίνες, γ) οι κυτταρίνες είναι ινώδεις, ενώ οι ημικυτταρίνες μη ινώδεις, δ) οι κυτταρίνες παρέχουν με υδρόλυση D-γλυκόζη, ενώ οι ημικυτταρίνες D-ξυλόζη και άλλους μονοσακχαρίτες και ε) οι κυτταρίνες έχουν υψηλότερη θερμοκρασία ανάφλεξης από ότι οι ημικυτταρίνες.

Πηκτινικά συστατικά/ Πηκτινικές ύλες Τα πηκτινικά συστατικά είναι παράγωγα πολυσακχαριτών και συνιστούν ομάδα υδατανθράκων σπουδαία για τα φυτικά τρόφιμα. Βρίσκονται μεταξύ των κυττάρων και ίσως στα κυτταρικά τοιχώματα, όπου χρησιμεύουν ως υλικό σύνδεσης και συγκράτησης των κυττάρων και η δομή και το ΜΒ αυτών ερευνάται και δεν έχει σαφώς καθοριστεί. Με το γενικό όρο πηκτινικές ύλες περιλαμβάνεται ένας μεγάλος αριθμός ουσιών όχι μόνο εκείνες εκείνες που απαντώνται σε φρούτα και λαχανικά και έχουν την ιδιότητα να σχηματίζουν με σάκχαρα ή οξέα και άλλα συστατικά πήγματα (gels). Τα πηκτινικά συστατικά είναι πολυσακχαρίτες του γαλακτουρονικού οξέος ή του μεθυλεστέρα αυτού. Από την υδρόλυσή τους παράγεται γαλακτουρονικό οξύ και μεθυλική αλκοόλη. Ανάλογα με την προέλευσή τους οι πηκτίνες περιέχουν D-γλυκόζη, L-αραβινόζη και L-ραμνόζη.

Τα πηκτινικά συστατικά που περιλαμβάνουν μεγάλο αριθμό ουσιών κατατάσσονται στις παρακάτω κατηγορίες: α) Πηκτινικές ύλες: Είναι πολύπλοκα κολλοειδή παράγωγα υδατανθράκων που απαντώνται στα φυτά ή παράγονται από αυτά και περιέχουν μεγάλο ποσοστό γαλακτουρονικού οξέος μερικά εστεροποιημένο με μεθυλική αλκοόλη και μερικά ή ολικά εξουδετερωμένο με μία ή περισσότερες βάσεις. β) Πρωτοπηκτίνη: Αναφέρεται στις αδιάλυτες πηκτινικές ύλες που βρίσκονται στα φυτά και με περιορισμένη υδρόλυση δίνουν πηκτινικά οξέα. γ) Πηκτινικά οξέα: Αναφέρεται σε κολλοειδή πολυγαλακτουρονικού οξέος που περιέχουν υπολογίσιμη ποσότητα ομάδων μεθυλεστέρα. Τα πηκτινικά οξέα υπό κατάλληλες συνθήκες μπορούν να δίνουν πηκτές. δ) Πηκτίνη: Ο γενικός όρος πηκτίνη ή πηκτίνες χαρακτηρίζει πηκτινικά οξέα με ποικίλλοντα βαθμό εξουδετέρωσης και ποικίλλουσα περιεκτικότητα μεθυλεστέρων. Υπό κατάλληλες συνθήκες οι πηκτίνες με σάκχαρα και οξέα σχηματίζουν πηκτές.

Πηκτίνες   Οι πηκτίνες που υπάρχουν στα περισσότερα φρούτα παραλαμβάνονται και χρησιμοποιούνται για να σχηματίζουν πήγματα σακχάρου-οξέος. Το μεγαλύτερο μέρος της πηκτίνης του εμπορίου λαμβάνεται με κατεργασία φλοιών εσπεριδοειδών με αραιά οξέα, ενώ μικρά ποσά πηκτίνης παρασκευάζονται από υπολείμματα έκθλιψης μήλων. Η κύρια χρήση της πηκτίνης είναι στη βιομηχανία πηκτών και μαρμελάδων με μεγάλη περιεκτικότητα ζάχαρης. Τα προϊόντα αυτά παρασκευάζονται από πηκτίνες στις οποίες το 50% τουλάχιστον των καρβοξυλομάδων του μορίου τους είναι εστεροποιημένο με μεθυλική αλκοόλη (Βαθμός μεθυλίωσης, D.M. = 50).

Όταν ένα θερμό υδατικό διάλυμα πηκτίνης σακχάρου-οξέος ψυχθεί, σχηματίζεται πήγμα για το σχηματισμό του οποίου έχουν προταθεί διάφορες ερμηνείες. Τα πηκτινικά συστατικά που παράγουν σταθερά πήγματα είναι εκείνα που έχουν μεγάλο ΜΒ με μεγάλο βαθμό μεθυλίωσης (λίγες ελεύθερες ρίζες -COOH). Όσο αυξάνεται ο βαθμός μεθυλίωσης τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία που μπορεί να σχηματιστεί πήγμα. Πηκτίνες με μικρό βαθμό μεθυλίωσης (πολλές ελεύθερες ρίζες -COOH) σχηματίζουν πήγματα με ένωση των μορίων τους (μέσω των καρβοξυλομάδων) με δισθενή κατιόντα, κυρίως ασβεστίου. Οι πηκτίνες με μικρό βαθμό μεθυλίωσης δεν απαιτούν σάκχαρα για το σχηματισμό του πήγματος και δίνουν σταθερά πήγματα σε ευρεία περιοχή τιμών pH.

Ο σχηματισμός του πήγματος εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως: α) η περιεκτικότητα της πηκτίνης % - όσο αυξάνεται η πηκτίνη αυξάνεται και η σταθερότητα του πήγματος, συνήθως χρησιμοποιείται 1%, β)  το ΜΒ των πηκτινικών συστατικών - αυξανομένου του ΜΒ αυξάνεται η δύναμη του πήγματος, γ) η περιεκτικότητα μεθυλεστέρων % - όσοι περισσότεροι μεθυλεστέρες υπάρχουν τόσο ισχυρότερο είναι το πήγμα. Στην πράξη χρησιμοποιείται το πολύ 8% περιεκτικότητα μεθυλεστέρων που αντιστοιχεί σε βαθμό εστεροποίησης 50%, δ) το pH - σταθερότερα πήγματα σχηματίζονται όσο μειώνεται το pH μέχρι 3.2 περίπου και τότε χρησιμοποιείται και λιγότερη πηκτίνη. Συνήθως υπάρχει βέλτιστη τιμή για σταθερότερο πήγμα, με περαιτέρω μείωση προκαλείται συναίρεση και ε) σάκχαρα – είναι απαραίτητα για το σχηματισμό πήγματος, πρέπει να βρίσκονται στην ελάχιστη συγκέντρωση, συνήθως 65%.

Χαρακτηριστικά του πήγματος: Το πήγμα που δίνει μία πηκτίνη χαρακτηρίζεται από: α) βαθμό ζελοποίησης, ο οποίος εκτιμά την ικανότητα μίας πηκτινικής ουσίας να δίνει πήγμα. Είναι δύσκολο να μετρηθεί και προσδιορίζεται με την ποσότητα του σακχάρου που απαιτείται για να σχηματιστεί “ικανοποιητικό πήγμα”, β) χρόνο σχηματισμού πήγματος (setting time), ο οποίος είναι ο χρόνος που περνά μέχρι να σχηματιστεί το πήγμα. Χαρακτηρίζει την ποιότητα του πηκτινικού συστατικού, καθώς γρήγορο πήξιμο δεν συνεπάγεται σταθερό πήγμα.

Λειτουργικές ιδιότητες υδατανθράκων Οι υδατάνθρακες διαθέτουν λειτουργικές ιδιότητες λόγω των οποίων βρίσκουν χρήσιμες εφαρμογές στα τρόφιμα. Τα κυριότερα αποτελέσματα που έχουν οι υδατάνθρακες στα τρόφιμα είναι στα χαρακτηριστικά: α) Γεύση: Οι υδατάνθρακες σχετίζονται με τη γλυκειά γεύση, αν και ορισμένοι από αυτούς δεν διαθέτουν το χαρακτηριστικό αυτό. Κοινώς χρησιμοποιούμενοι υδατάνθρακες ως γλυκαντικά είναι: γλυκόζη, φρουκτόζη, λακτόζη, σακχαρόζη, μαλτόζη, αμυλοσιρόπια κ.α. Η μικρού βαθμού καραμελλοποίηση των σακχάρων συνεισφέρει στη γεύση και το άρωμα των θερμικά κατεργασμένων τροφίμων. β) Χρώμα: Οι υδατάνθρακες συνεισφέρουν στην παραγωγή σκούρου καστανού χρώματος κατά την καραμελλοποίηση και δεξτρινοποίηση των σακχάρων που ευνοούνται σε υψηλές θερμοκρασίες και με την παρουσία διαφόρων προσθέτων. γ) Άρωμα (Flavor): Κατά τη θέρμανση των υδατανθράκων παράγονται ουσίες (παράγωγα υδατανθράκων, όπως π.χ. φουράν-2-αλδεΰδη) που συνεισφέρουν στο άρωμα των τροφίμων.

δ) Υφή: Τα πυκνά διαλύματα των υδατανθράκων εμφανίζουν υψηλά ιξώδη και αλληλεπιδρώντας με τα άλλα συστατικά των τροφίμων συνεισφέρουν στη βελτίωση της υφής των τροφίμων π.χ. αύξηση ιξώδους, πάχυνση, προσκολλησιμότητα κ.α. Επίσης οι υδατάνθρακες αλληλεπιδρούν με άλλα συστατικά όπως με μέταλλα, πρωτεΐνες, λιπαρά που συνεισφέρουν στην υφή και τέλος προσφέρουν κρυοπροστατευτικό ρόλο σε κατεψυγμένα προϊόντα. Ορισμένοι υδατάνθρακες έχουν βρει εφαρμογή ως μιμητικά λιπαρά ή υποκατάστατα λιπαρών λόγω της σχετικής υφής που προσφέρουν στα τρόφιμα στα οποία προστίθενται.

Μεταβολισμός υδατανθράκων - Ανάγκες του οργανισμού σε υδατάνθρακες Μεταβολισμός υδατανθράκων - Ανάγκες του οργανισμού σε υδατάνθρακες   Οι υδατάνθρακες κατά το μεταβολισμό διασπώνται με ένζυμα ή οξέα προς γλυκόζη η οποία χρειάζεται για τις φυσιολογικές δράσεις του οργανισμού. Συγκεκριμένα κατά τη διάρκεια της μάσησης οι τροφές αναμιγνύονται με την αμυλάση του σιέλου, οπότε το άμυλο διασπάται σε μικρή έκταση προς μαλτόζη, φθάνοντας οι τροφές στο στομάχι μετά την κατάποση οξινίζονται σταματά η διάσπαση του αμύλου, συνεχίζεται όμως από τις αμυλάσες των παγκρεατικών υγρών. Μετά την ολοκλήρωση της πέψης τα μεγαλομοριακά συστατικά έχουν διασπαστεί σε μικρά συστατικά που μπορούν να απορροφηθούν από το σώμα διαμέσου των εντερικών τοιχωμάτων, έτσι οι μονοσακχαρίτες περνούν στα αιμοφόρα αγγεία του εντερικού τοιχώματος και οδηγούνται προς το ήπαρ, ενώ τα άπεπτα συστατικά (ίνες) απομακρύνονται από το έντερο.

Οι μη αφομοιώσιμοι υδατάνθρακες (NDCs - Non digestive carbohydrates) αποτελούνται κυρίως από μη αμυλούχους πολυσακχαρίτες, ανθεκτικό άμυλο (resistant starch) και μη αφομοιώσιμους ολιγοσακχαρίτες (NDOs - Non digestive oligosaccharides). Οι υδατάνθρακες αποδίδουν στον οργανισμό χρησιμοποιήσιμη ενέργεια 4 kcal/g. Μαζί με τα λιπαρά καλύπτουν το μεγαλύτερο μέρος των ενεργειακών αναγκών του ανθρώπινου οργανισμού. Μία φυσιολογική δίαιτα πρέπει να περιλαμβάνει 10% υδατάνθρακες. Η ελάχιστη απαιτούμενη ποσότητα υδατανθράκων καθημερινά είναι 40g. Οι θερμίδες που λαμβάνονται από υδατάνθρακες πρέπει να είναι 55-65% και οι ενδεικτικές ημερήσιες ανάγκες είναι 300-400g. Τόσο η έλλειψη όσο και η υπερκατανάλωση υδατανθράκων μπορεί να προκαλέσει δυσμενείς επιδράσεις στον οργανισμό (έλλειψη γλυκόζης, παχυσαρκία).