Glucozơ: Khái niệm, điều chế và tính chất

Glucozo, hay đường nho, là một hợp chất hữu cơ đóng vai trò thiết yếu trong quá trình trao đổi chất của sinh vật sống. Nó cung cấp năng lượng cho tế bào, là nguyên liệu cho việc tổng hợp các hợp chất khác và đóng vai trò quan trọng trong nhiều chức năng sinh lý. Bài viết dưới đây yeuhoahoc.edu.vn sẽ đưa các bạn đi tìm hiểu chi tiết về glucozơ từ khái niệm, phương pháp điều chế đến ứng dụng đặc biệt 

Khái niệm Glucozơ

Glucozơ, còn được gọi là đường nho hoặc đường đơn, là một loại monosaccharide (đường đơn) phổ biến nhất trong tự nhiên. Nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của nhiều sinh vật sống, cung cấp năng lượng và là nguyên liệu cho việc tổng hợp các hợp chất khác.

Công thức hóa học

$\mathrm{Công} \mathrm{thức} \mathrm{hóa} \mathrm{học} \mathrm{của} \mathrm{glucozo} \mathrm{là} {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6.$

Cấu tạo phân tử

Phân tử glucozo có thể tồn tại ở hai dạng: mạch hở và mạch vòng.

Dạng mạch hở

Cấu trúc mạch hở của glucozơ có thể được biểu diễn bằng công thức sau:

${\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH} – {\left(\mathrm{CHOH}\right)}_4 – \mathrm{CHO}$

Trong đó:

$$\begin{gathered} {\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH}: \mathrm{Nhóm} \mathrm{ancol} \mathrm{đa} \mathrm{chức} \\ {\left(\mathrm{CHOH}\right)}_4: 4 \mathrm{nhóm} \mathrm{hydroxyl} (–\mathrm{OH}) \\ \mathrm{CHO}: \mathrm{Nhóm} \mathrm{anđehit} \end{gathered}$$

Dạng mạch vòng

Glucozo có thể tạo thành hai dạng cấu trúc mạch vòng: α-glucozo và β-glucozo.

• α-glucozo: Nhóm hydroxyl (-OH) ở C1 nằm ở vị trí trên mặt phẳng so với nhóm anđehit (-CHO).
• β-glucozo: Nhóm hydroxyl (-OH) ở C1 nằm ở vị trí dưới mặt phẳng so với nhóm anđehit (-CHO).

Nguồn gốc và sự hình thành Glucozo

Glucozo, hay đường nho, là một loại đường đơn đóng vai trò thiết yếu trong quá trình trao đổi chất của nhiều sinh vật sống. Nó cung cấp năng lượng cho tế bào và là nguyên liệu cho việc tổng hợp các hợp chất khác. Glucozo có thể được hình thành từ hai nguồn chính:

Nguồn gốc tự nhiên

Quang hợp ở thực vật

Glucozo được tạo ra chủ yếu bởi thực vật trong quá trình quang hợp, sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi carbon dioxide (CO2) và nước (H2O) thành glucozo và oxy (O2). Quá trình này diễn ra trong lục lạp của tế bào thực vật và có thể được tóm tắt bằng phương trình hóa học sau:

$6{\mathrm{CO}}_2 + 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + \mathrm{ánh} \mathrm{sáng} \to {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6 + 6{\mathrm{O}}_2$

Phân hủy tinh bột trong cơ thể động vật

Glucozo cũng được tạo ra trong cơ thể động vật thông qua quá trình phân hủy tinh bột. Tinh bột là một polysaccharide (đường đa) được lưu trữ trong gan và cơ bắp của động vật. Khi cần năng lượng, tinh bột được phân hủy thành các phân tử glucozo nhỏ hơn để cung cấp cho tế bào. Quá trình này được xúc tác bởi các enzym và diễn ra theo nhiều bước phức tạp.

Quá trình khác

Ngoài hai nguồn chính trên, glucozo cũng có thể được hình thành từ một số quá trình khác như:

• Phân hủy glycogen: Glycogen là một polysaccharide khác được lưu trữ trong gan và cơ bắp của động vật. Khi cần năng lượng, glycogen có thể được phân hủy thành glucozo tương tự như tinh bột.
• Gluconeogenesis: Đây là quá trình tổng hợp glucozo từ các hợp chất không phải đường, chẳng hạn như axit amin và glycerol. Quá trình này diễn ra chủ yếu ở gan và giúp duy trì lượng đường huyết trong máu ổn định.

Các phương pháp sản xuất và điều chế Glucozo

Phân hủy tinh bột bằng axit

Đây là phương pháp truyền thống được sử dụng để sản xuất glucozo từ tinh bột. Tinh bột được nấu với axit loãng (như axit sunfuric hoặc axit clohydric) trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Quá trình này phá vỡ các liên kết glycoside trong tinh bột, giải phóng các phân tử glucozo. Sau đó, glucozơ được tách ra khỏi dung dịch bằng cách cô đặc và kết tinh.

Phương trình phản ứng:

${\left({\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5\right)}_{\mathrm{n}} + {\mathrm{nH}}_2\mathrm{O} \to {\mathrm{nC}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$

Ưu điểm:

• Phương pháp đơn giản và dễ thực hiện.
• Chi phí sản xuất tương đối thấp.

Nhược điểm:

• Cần sử dụng axit, có thể gây nguy hiểm nếu không được xử lý cẩn thận.
• Chất lượng glucozo thu được có thể không cao do sự phân hủy một phần của các phân tử glucozo.

Thủy phân xenlulozo

Xenlulozo là một polysaccharide cấu tạo từ các phân tử glucozo liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glycosidic. Xenlulozơ có thể được thủy phân thành glucozơ bằng axit hoặc enzym.

Thủy phân bằng axit:

Xenlulozơ được nấu với axit loãng (như axit sunfuric hoặc axit clohydric) trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Quá trình này phá vỡ các liên kết glycoside trong xenlulozo, giải phóng các phân tử glucozo. Sau đó, glucozơ được tách ra khỏi dung dịch bằng cách cô đặc và kết tinh.

Phương trình phản ứng:

$\left({\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5\right)\mathrm{n} + {\mathrm{nH}}_2\mathrm{O} \to {\mathrm{nC}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$

Thủy phân bằng enzym:

Xenlulozơ có thể được thủy phân thành glucozơ bằng các enzym cellulase được sản xuất bởi một số vi sinh vật. Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ và áp suất thấp hơn so với thủy phân bằng axit, và chất lượng glucozo thu được cao hơn.

Ưu điểm:

• Chất lượng glucozo thu được cao.
• Có thể sử dụng xenlulozơ từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm gỗ, rơm rạ và các phụ phẩm nông nghiệp.

Nhược điểm:

• Chi phí sản xuất cao hơn so với thủy phân bằng axit.
• Quá trình thủy phân bằng enzym diễn ra chậm hơn so với thủy phân bằng axit.

Tổng hợp từ các hợp chất hữu cơ đơn giản

Glucozo cũng có thể được tổng hợp từ các hợp chất hữu cơ đơn giản như formaldehyde và acetaldehyde. Quá trình này được gọi là phản ứng Fischer-Tropsch. Tuy nhiên, phương pháp này không được sử dụng rộng rãi trong sản xuất glucozo do chi phí cao và hiệu suất thấp.

Phương trình phản ứng:

$\mathrm{nHCHO} + {\mathrm{nH}}_2\mathrm{CO} \to {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$

Tính chất của Glucozơ

Tính chất vật lý của Glucozơ

Trạng thái:

• Glucozơ là chất rắn ở điều kiện nhiệt độ phòng.
• Nó có dạng tinh thể màu trắng hoặc không màu.

Độ tan:

• Glucozo rất dễ tan trong nước.
• Nó cũng tan trong một số dung môi hữu cơ khác như ethanol, methanol và axeton.

 Điểm nóng chảy:

• Điểm nóng chảy của glucozơ phụ thuộc vào dạng cấu trúc của nó.
• Dạng α-glucozo có điểm nóng chảy là 146°C.
• Dạng β-glucozo có điểm nóng chảy là 150°C.

Vị ngọt:

• Glucozơ có vị ngọt, nhưng nó ít ngọt hơn so với đường mía (sucrose).

Khả năng xoay phẳng của ánh sáng phân cực.

• Glucozơ là một hợp chất quang học hoạt động, có nghĩa là nó có thể làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực.
• Dạng α-glucozo quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang phải (+).
• Dạng β-glucozo quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang trái (-).

Tỷ trọng:

• Tỷ trọng của glucozơ là 1,54 g/cm³.

Nhiệt độ sôi:

• Glucozo có nhiệt độ sôi cao hơn so với điểm nóng chảy của nó.
• Dạng α-glucozo có nhiệt độ sôi là 175°C.
• Dạng β-glucozo có nhiệt độ sôi là 185°C.

Khả năng lên men:

• Glucozo có thể bị lên men bởi vi sinh vật để tạo ra rượu etylic và khí carbon dioxide.

Tính chất hóa học của Glucozơ

• Phản ứng oxi hóa

Phản ứng cháy hoàn toàn:

Glucozơ cháy hoàn toàn trong khí oxi tạo ra khí carbon dioxide (CO2) và nước (H2O) kèm theo nhiệt lượng.

Phương trình hóa học:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6 + 6{\mathrm{O}}_2 \to 6{\mathrm{CO}}_{2 }+ 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + \mathrm{năng} \mathrm{lượng}$

Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn:

Khi glucozơ bị oxi hóa không hoàn toàn trong điều kiện thiếu oxi, nó có thể tạo ra axit gluconic.

Phương trình hóa học:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6 + {\mathrm{O}}_2 \to {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_7 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

• Phản ứng khử

Phản ứng khử axit:

Glucozo có thể bị khử bởi axit mạnh trong điều kiện có xúc tác tạo ra rượu etylic (C2H5OH) và khí carbon dioxide (CO2).

Phương trình hóa học:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6 + 2\mathrm{H}+ \to 2{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH} + 2{\mathrm{CO}}_2 + {\mathrm{H}}_2$

• Phản ứng khử kiềm:

Glucozơ tác dụng với dung dịch kiềm (NaOH, KOH) tạo ra dung dịch glucozo kiềm.

Phương trình hóa học:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6 + \mathrm{NaOH} \to {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{11}{\mathrm{O}}_6{\mathrm{Na}}^{–} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

• Phản ứng lên men

Lên men rượu etylic:

Glucozo có thể bị lên men bởi vi sinh vật (nấm men) trong điều kiện yếm khí tạo ra rượu etylic (C2H5OH) và khí carbon dioxide (CO2).

Phương trình hóa học:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6 \to 2{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH} + 2{\mathrm{CO}}_2$

Lên men axit lactic:

Glucozo có thể bị lên men bởi vi khuẩn lactic trong điều kiện yếm khí tạo ra axit lactic (C3H6O3) và nước (H2O).

Phương trình hóa học:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6 \to 2{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6{\mathrm{O}}_3 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

• Phản ứng tạo este

Glucozo có thể tác dụng với axit axetic (CH3COOH) trong điều kiện có xúc tác tạo ra este axetat etylic (CH3COOC2H5) và nước (H2O).

Phương trình hóa học:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6 + {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH} \to {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOC}}_2{\mathrm{H}}_5 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

• Phản ứng tạo ete

Glucozo có thể tác dụng với rượu etylic (C2H5OH) trong điều kiện có xúc tác tạo ra ete diethyl ether (C2H5OC2H5) và nước (H2O).

Phương trình hóa học:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6 + 2{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH} \to {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5{\mathrm{OC}}_2{\mathrm{H}}_5 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

• Phản ứng tráng gương

Glucozơ tác dụng với dung dịch Fehling (hỗn hợp dung dịch CuSO4 và NaOH) trong điều kiện có nhiệt độ tạo ra kết tủa bạc dạng gương (Ag) và dung dịch màu xanh lam.

Phương trình hóa học:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6 + 2\mathrm{Cu}{\left(\mathrm{OH}\right)}_{2 }+ 4\mathrm{NaOH} \to {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_6{\mathrm{Na}}_2 + 2\mathrm{Cu}\downarrow + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + 2\mathrm{NaOH}$

• Phản ứng thủy phân

Glucozơ có thể bị thủy phân hoàn toàn trong môi trường axit tạo ra nước (H2O) và axit axetic (CH3COOH).

Phương trình hóa học:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_6 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Ứng dụng của Glucozơ

Trong thực phẩm:

• Nguyên liệu sản xuất bia, rượu, nước giải khát: Glucozơ là nguyên liệu chính để sản xuất bia, rượu và nước giải khát thông qua quá trình lên men.
• Chất tạo ngọt trong bánh kẹo, mứt, nước trái cây: Glucozơ được sử dụng như chất tạo ngọt tự nhiên trong bánh kẹo, mứt, nước trái cây và các sản phẩm thực phẩm khác.
• Chất bảo quản thực phẩm: Glucozơ có khả năng hút ẩm, giúp bảo quản thực phẩm được lâu hơn và ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật.

Trong y học:

• Dung dịch cung cấp năng lượng cho cơ thể: Dung dịch Glucozơ được sử dụng để truyền tĩnh mạch cho người bệnh cần bổ sung năng lượng nhanh chóng, chẳng hạn như người bệnh suy dinh dưỡng, hạ đường huyết hoặc sau phẫu thuật.
• Thuốc tiêm truyền cho người bệnh suy dinh dưỡng, hạ đường huyết: Glucozơ là nguồn cung cấp năng lượng trực tiếp cho cơ thể, giúp cải thiện tình trạng suy dinh dưỡng và hạ đường huyết.
• Nguyên liệu sản xuất thuốc, vitamin: Glucozơ được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất một số loại thuốc và vitamin, chẳng hạn như vitamin C và penicillin.

Trong công nghiệp:

• Nguyên liệu sản xuất axit axetic, etanol: Glucozơ được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất axit axetic và etanol thông qua quá trình lên men.
• Chất tẩy rửa, chất bôi trơn, chất tạo màng: Glucozơ được sử dụng trong sản xuất một số loại chất tẩy rửa, chất bôi trơn và chất tạo màng.
• Nguyên liệu sản xuất nhựa sinh học: Glucozơ có thể được sử dụng để sản xuất một số loại nhựa sinh học, có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường.

Trong nông nghiệp:

• Thức ăn cho gia súc: Glucozơ được sử dụng làm thức ăn bổ sung cho gia súc, giúp tăng năng suất sữa và thịt.
• Chất kích thích sinh trưởng thực vật: Glucozơ có thể được sử dụng làm chất kích thích sinh trưởng thực vật, giúp cây phát triển nhanh hơn và mạnh khỏe hơn.
• Thuốc trừ sâu sinh học: Một số loại thuốc trừ sâu sinh học được sản xuất từ Glucozơ .

Hiểu rõ về glucozơ, cấu trúc, tính chất và vai trò của nó trong cơ thể, giúp chúng ta trân trọng nguồn năng lượng quý giá này và sử dụng nó một cách thông minh, hiệu quả để duy trì sức khỏe và nâng cao chất lượng cuộc sống.