Grăsimile

Grăsimile După studierea acestui subcapitol, veţi fi capabili: • să explicaţi noţiunile de grăsimi, acizi carboxilici graşi, săpunuri, detergenţi sintetici, ---------- reacţie de hidroliză; • să descrieţi form ula de structură a grăsim ilor, răspândirea lor în natură, să efectuaţi clasificarea şi să determ inaţi rolul vital al grăsim ilor; • să caracterizaţi proprietăţile grăsim ilor luând ca exem plu tristearina; • să com paraţi experim ental proprietăţile săpunului şi ale detergenţilor; • să estim aţi im pactul detergenţilor asupra m ediului. Noţiuni-clieie • Gliceride • Tristearat de gliceril • Acizi graşi • Grăsimi, uleiuri • Hidroliză • Oxidare • Râncezire 2.1.1. Structura şi proprietăţile grăsim ilor Structura şi răspândirea în natură. Anterior, studiind esterii, am înţeles că la formarea lor pot participa reprezentanţi ai diverselor serii de acizi carboxilici şi de alcooli. Există însă un grup numeros şi foarte variat de compuşi esterici naturali, formaţi din anumiţi acizi monocarboxilici superiori şi un singur alcool - glicerolul. Aceşti compuşi se numesc gliceride. În formă generală, ecuaţia reacţiei de obţinere a esterilor glicerici este următoarea: 0 ----- , II C H 2- 0 - ; H + H O ; —C —R 0 0 T X 1 o i + H O l - C - R 1 0 ----- , II , C H 2—0 — H + H O :—C - R 2 glicerol acizi superiori O II c h 2- o - c - r o II , C H —O - C - R 1 + 3 H20 O II 2 c h 2- o - c - r 2 gliceridă 3 o Qro U Grăsimile, hidraţii de carbon şi proteinele sunt componentele de bază ale celulelor, fiind responsabile de schimbul de substanţe în celule şi de protecţia organismului. Astfel, o moleculă de glicerol interacţionează cu trei molecule (diferite sau identice) de acizi carboxilici superiori. Pentru simplitate vom admite că R=R1=R2=C17H35. Acidul respectiv C17H35—COOH se numeşte acid stearic (vezi tabelul 1.2, pag. 21). Gliceridele naturale au mai fost numite grăsimi, deoarece sunt componenta lor de bază. Grăsimile sunt bine cunoscute şi folosite pe larg. Untul, grăsimile de vită, de porc sau de pasăre, uleiul de floarea-soarelui, de măsline şi altele - toate intră în raţia noastră zilnică. După provenienţa lor, grăsimile se împart în animale (de porc, de vită, de pasăre) şi vegetale (de floarea-soarelui, de porumb, de soia etc.). De unde apar grăsimile în natură? Cele animale apar în urma prelucrării grăsimilor vegetale. Acestea, la rândul lor, sunt produse din dioxid de carbon şi apă prin fotosinteză. Grăsimile, de rând cu hidraţii de carbon şi proteinele, constituie sursa energetică a organismului. În plante ele se depun, de obicei, în fructe şi seminţe (tabelul 2.1), iar în organismele umane şi animale - în straturile de sub piele, în ţesuturile ce învelesc organele interne. Tabelul 2 .1. Conţinutul grăsimilor în fructele şi în seminţele plantelor Planta Conţinutul, % Planta Conţinutul, % Planta Conţinutul, % Cacao (boabe) 52 Cânepă 33 Porumb 5,6 Floarea-soarelui 51 Pepene verde (seminţe) 30 Orez 2,9 Arahide 50 Soia 20 Grâu 2,7 Măsline 50 Ovăz 7,2 Secară 2,5 n Ştiaţi că...| Laptele de vacă conţine cca 3,6% de grăsimi, iar cel de capră - 4,8%. 31 Diversitatea grăsimilor. Cercetările au demonstrat că în componenţa grăsimilor intră resturile a peste 200 de acizi carboxilici saturaţi şi nesaturaţi, cu catena neramificată. Asemenea compuşi au fost numiţi acizi graşi. Un anumit fel de grăsime (de exemplu, untul de vacă, uleiul de porumb, grăsimea de porc sau cea de vită etc.) constituie un amestec de anumite gliceride, aflate într-un anumit raport. Cea mai mare pondere în componenţa grăsimilor o au resturile a 3-5 acizi graşi cu 16-18 atomi de carbon în moleculă (inclusiv acidul stearic Q 7H35—CooH ). Proprietăţile fizice. Grăsimile sunt substanţe lichide sau solide, fără miros, mai uşoare decât apa şi insolubile în aceasta. Grăsimile se dizolvă în solvenţi organici nepolari. Gliceridele în care prevalează resturi de acizi nesaturaţi sunt lichide; grăsimile ce le alcătuiesc sunt, de asemenea, lichide (uleiurile). Gliceridele preponderent saturate sunt solide (grăsimile solide). De obicei, grăsimile animale sunt solide, iar cele vegetale - lichide. Gliceridele individuale solide au puncte fixe de topire, iar grăsimile solide se topesc în intervale mari de temperaturi, deoarece sunt formate din amestecuri de diferite gliceride. Proprietăţile chimice. Hidroliza. Gliceridele, la fel ca esterii, participă la reacţia de hidroliză. Această reacţie este catalizată de acizi minerali sau de baze. Reacţia de hidroliză a grăsimilor în prezenţa acizilor, la fel ca în cazul esterilor, este reversibilă. Hidroliza bazică este un proces ireversibil, deoarece în urma reacţiei se formează săruri ale acizilor graşi. De exemplu, tristearatul de gliceril (numit şi tristearină) se hidrolizează conform ecuaţiei: MARCELIN PIERRE BERTHELOT (1827-1907) Unul dintre cei mai de vază chimişti din secolul al XlX-lea. A elaborat mai multe tipuri de sinteze organice, printre care sinteza alcanilor (din iodoalcani, din alchene), a benzenului (prin trimerizarea acetilenei), a metanolului, a formiatului de sodiu, a grăsimilor (din glicerol şi acizii graşi). Compuşi organici de importanţă vitală şi industrială 32 O o ■I—' Q_ ro U ch2- o - c - c17h35 ch2—oh o CH—o —c —C17H35 + 3 NaOH ------► CH-OH + 3C17H35COONa stearat de sodiu ch2- o - c - c17h35 ch2—oh tristearat de gliceril (tristearină) glicerol Sărurile de sodiu sau de potasiu ale acizilor graşi saturaţi au acţiune detergentă (proprietatea de a spăla) şi sunt utilizate drept componente de bază la producerea săpunurilor. Oxidarea. Grăsimile, prin analogie cu alţi compuşi organici, se pot supune oxidării parţiale sau totale. De exemplu, tristearina (C57H110O6) arde conform ecuaţiei: O ch2- o - c - c17h35 o II CH—O—C—C17H35 + 81,5 0 2 ------► 57CO2 + 55 H2O + Q O CH2- 0 - C - C i 7H35 tristearină Râncezirea. Cu timpul, grăsimile solide, dar mai ales cele lichide, îşi pierd calitatea, capătă gust şi miros neplăcut (râncezesc sau se alterează). Râncezirea grăsimilor este cauzată de unele procese chimice: a) hidroliza enzimatică cu formarea acizilor carboxilici; b) oxidarea şi scindarea ulterioară cu obţinerea unor aldehide cu miros neplăcut; c) polimerizarea. Aerul, lumina şi umezeala grăbesc procesul de râncezire, de aceea se recomandă păstrarea grăsimilor la întuneric, ferindu-le de aer şi de umezeală. Polimerizarea grăsimilor nesaturate este însoţită de scindarea legăturilor mai slabe *(n) din resturile de acizi nesaturaţi ale moleculelor de gliceride. EVALUARE 1. Efectuaţi o caracterizare comparativă a esterilor şi a gliceridelor. 2. Arătaţi deosebirea dintre gliceride şi grăsimi. 3. Daţi exemple de grăsimi: a) vegetale; b) animale. 4. Caracterizaţi gliceridele, indicând clasa în care sunt încadrate şi răspândirea lor în natură. 5. Explicaţi proprietăţile fizice ale grăsimilor. Din ce cauză grăsimile solide se topesc în intervale mari de temperaturi? 6. Indicaţi factorii ce cauzează râncezirea grăsimilor şi specificaţi măsurile de prevenire. 7. Descrieţi domeniile de utilizare a grăsimilor şi proprietăţile ce le caracterizează. 8. Calculaţi orientativ volumul minim de lapte de vacă (concentraţia grăsimii 3,6%) necesar pentru producerea unui calup de unt cu masa de 10 kg. *9. Stabiliţi formula de structură a gliceridei cu compoziţia C57H104O6. 33 2.1.2. Importanţa grăsimilor. Săpunurile şi detergenţii Utilizarea. Grăsimile sunt una dintre sursele de alimentare a organismului, fiind de două ori mai calorice decât proteinele şi decât hidraţii de carbon. Ele au, de asemenea, o largă utilizare în industria săpunurilor şi lumânărilor, a preparatelor medicinale şi cosmetice. Grăsimile au rol de solvent în cazul unor vitamine, al produselor ce dau gust şi culoare alimentelor. Capacitatea grăsimilor de a se polimeriza are, de asemenea, o aplicare practică. Fiind depuse în strat subţire, uleiurile de floareasoarelui, de porumb, cânepă, in ş.a. cu timpul se usucă, formând în aer pelicule transparente, elastice şi stabile la acţiunea factorilor externi (uleiuri sicative). Această proprietate a uleiurilor stă la baza întrebuinţării lor pentru producerea industrială de vopsele, uleiuri de firnis, lacuri, linoleumuri. Rolul biologic al grăsimilor. În calitate de sursă energetică, grăsimile întreţin procesele ce stau la baza funcţionării întregului organism. Depunerile de grăsime în organism sunt straturi termoizolatoare. Ajungând cu hrana în organism, grăsimile se supun hidrolizei sub acţiunea enzimelor (lipazelor) din sucul gastric şi din cel intestinal. În stomac are loc hidroliza acidă, iar în intestine - hidroliza bazică. Produşii de hidroliză se consumă parţial la procesul de „ardere“ (oxidare eşalonată până la CO2 şi H2O), soldat cu eliminarea energiei necesare organismului. Restul neconsumat se recombină, formând grăsimea proprie organismului dat. Aceasta este purtată prin sânge spre ţesutul de grăsime, unde se depune ca rezervă energetică. Astfel, în organism se realizează schema: Utilizarea uleiurilor sicative la pregătirea vopselelor a jucat un rol important în dezvoltarea picturii. Descoperite în epoca Renaşterii, culorile în ulei au revoluţionat în mod decisiv arta, tablourile lucrate în această tehnică păstrând prospeţimea cromatică un timp îndelungat. 0 X CM 1 0 X - 1 acizi CH—OH + 1 graşi 0 X CM 1 X - 0 [O ] „ardere" CO2 + H2O + Q recombinare grăsime -► proprie organismului dat După cum rezultă din această schemă, în organism au loc trei procese de importanţă vitală: - hidroliza enzimatică a grăsimilor cu formare de glicerol şi acizi graşi; - oxidarea (arderea) unei părţi a produşilor de hidroliză; - recombinarea (esterificarea) restului produşilor de hidroliză. Este foarte important să conştientizăm că ambele procese (de oxidare şi de recombinare) formează un tot întreg; dacă, folosind o cantitate moderată de grăsime în raţia noastră zilnică, vom depune mai mult efort fizic, rezultă că în organism se va obţine şi se va acumula mai puţină grăsime, şi invers. Importanţa grăsimilor în alimentaţia noastră. Deseori auzim îndemnul că trebuie să excludem grăsimile din alimentaţie, deoarece sunt dăunătoare, sporesc conţinutul colesterolului, Compuşi organici de importanţă vitală şi industrială duc la obezitate etc. Există şi alte afirmaţii cu privire la acţiunea lor vitală, precum că grăsimile sunt o sursă de producere a energiei de care are nevoie organismul, asigură componenţa necesară a membranelor celulare, reglează presiunea osmotică a sângelui, contribuie la transmiterea impulsurilor nervoase, la producerea unor hormoni de bază şi la asimilarea vitaminelor. Care informaţie este cea adevărată? Ambele. După rolul lor vital, grăsimile se împart în relativ dăunătoare şi foarte folositoare. La cele dăunătoare se referă grăsimile saturate (solide), care se conţin în carne, unt, lapte, gălbenuş de ou ş.a. Aceste produse nu pot fi totuşi excluse din alimentaţie, dat fiind că ele conţin şi componenţi utili (proteine, vitamine, elemente vitale). În acest scop, industria alimentară propune şi produse degresate. Grăsimile folositoare conţin gliceride nesaturate. Acestea sunt uleiurile naturale de măsline, arahide, avocado, nuci, seminţe. Foarte util este uleiul de peşte. Acesta se produce şi ca medicament (cu denumirea Omega 3 Plus) care previne ateroscleroza, afecţiunile cardio-vasculare, normalizând procesele metabolice. Astfel, este recomandabil să reducem din alimentaţie cantitatea de produse ce conţin grăsimi saturate şi să utilizăm zilnic cantităţi moderate de produse ce conţin uleiuri naturale folositoare. Săpunurile şi detergenţii sintetici. Componentele de bază ale săpunurilor sunt sărurile de sodiu sau de potasiu ale acizilor carboxilici superiori. Aceştia se obţin fie prin hidroliza bazică a grăsimilor saturate, fie prin oxidarea unor hidrocarburi ce se conţin în fracţiile petroliere superioare, de exemplu, C28— C36. În ultimul caz, acizii carboxilici superiori se obţin conform schemei: C H 3— ( C H 2 ) 16- C H 2 } C H 2 — ( C H 2 ) 16- C H 3 + 2 , 5 0 2 — 2 C H 3 — ( C H 2 ) 16— C O O H + H 20 parafină acid stearic Asemenea acizi sunt trataţi ulterior cu hidroxizi de sodiu sau de potasiu. Sărurile de sodiu sunt solide, iar cele de potasiu - lichide. C^Has-COOH + NaOH ------ C17H35-COO-Na+ + H2O acid stearic stearat de sodiu Acţiunea detergentă (de spălare) a săpunului este determinată de structura sărurilor din care este constituit. În ce mod trece grăsimea în apă în timpul spălării ţesăturilor? Soluţia apoasă de săpun conţine anioni (de exemplu, C17H35COO-), care sunt formaţi din două părţi: una polară C o o -, solubilă în apă (hidrofilă), şi alta nepolară C17H35, solubilă în grăsime (hidrofobă). Asemenea substanţe se numesc tensioactive. 3 o Qro U Structura şi acţiunea anionului stearat C i 7H35COO" Solubilă în grăsime Solubilă în apă 34 În timpul spălării, picăturile de grăsime de pe ţesătură sunt pătrunse de capetele nepolare din săpun, acoperindu-se cu grupe încărcate negativ COO-. Are loc respingerea, adică dispersarea petei de ulei şi formarea unei emulsii alcalino-apoase. Astfel, grăsimea de pe ţesătură trece în soluţie (fig. 2.1, a, b, c). a) grăsime ţesătură apă b) ţesătură apă c) Fig. 2.1 Mecanismul spălării grăsimii de pe ţesătură: a ^ b ^ c n Ştiaţi că... | i Istoricul, filozoful şi omul de i ştiinţă roman Pliniu cel Bătrân, 1 unul dintre cei mai mari înţei lepţi ai Antichităţii, a descris [ procesul de obţinere a săpunului prin tratarea cu cenuşă a grăsimilor animale încă din ' sec. I d.H. 35 Săpunurile au o capacitate redusă de spălare în apa dură, deoarece formează săruri insolubile cu ionii Ca2+, Mg2+: 2C17H35 - COO' + Mg2+----- (C17H35 - COO)2Mg i Detergenţii sintetici, spre deosebire de săpunuri, sunt mai eficienţi la spălare. Componentele de bază ale detergenţilor sunt sărurile acizilor superiori alchilsulfatici. Acestea au structură similară hidrofilo-hidrofobă şi manifestă aceeaşi capacitate de spălare ca şi componentele săpunurilor, dar nu formează precipitate în apa dură. Sărurile acizilor alchilsulfatici se obţin din alcooli superiori (C12—C18) conform schemei: *C„HarHl-f OH + H - 0 - S 0 3H ^ CnH2n. - 0 - S 0 3H 5 Ş -C nH2ntl- 0 - S 0 3Na alcool superior alchilsulfat de sodiu Detergenţii au anumite avantaje faţă de săpunuri: soluţiile lor apoase sunt neutre; au capacitate mare de spălare şi în apă rece, şi în apă dură. Protecţia mediului ambiant contra poluării cu detergenţi. Utilizarea zilnică şi în cantităţi mari a detergenţilor în industrie şi în gospodăria casnică a creat pericolul poluării mediului înconjurător. Apele reziduale (provenite în urma diverselor activităţi ale omului, legate de utilizarea detergenţilor) se scurg în râuri, în bazine acvatice, poluând solul şi apele şi sporind, în mod indirect, riscul intoxicării organismelor vii. De menţionat că detergenţii, alături de substanţele tensioactive, conţin şi alte componente (aromatizanţi, emulgatori, înălbitori) care, în cantităţi mari, acţionează asupra organelor olfactive ale omului şi animalelor, contribuind la apariţia bolilor de astm, a alergiilor cronice, tratarea cărora este dificilă. Iată de ce este important să fie asigurate condiţiile de menţinere a mediului ecologic pur: - apele de spălare trebuie să fie acumulate în bazine cu destinaţie specială; - trebuie să fie create noi tipuri de detergenţi cu o capacitate pronunţată de biodegradare (descompunere în condiţii naturale sub acţiunea microorganismelor). Unul dintre detergenţii moderni biodegradabili are formula: CH3-(CH2)6-C H -C H 2-C H 3 0 S 0 3Na Compuşi organici de importanţă vitală şi industrială 36 EVALUARE 1. Explicaţi rolul biologic al grăsimilor. Care este sensul expresiei: „Valoarea calorică a grăsimii"? 2. Folosind ca exemplu tristearina, scrieţi ecuaţiile reacţiilor de hidroliză, de oxidare şi de esterificare (recombinare) care decurg în organism. Descrieţi importanţa fiecărui proces. 3. Ce sunt substanţele tensioactive? Explicaţi mecanismul acţiunii lor asupra grăsimilor în timpul spălării. 4. Studiaţi marcajul de pe ambalajul de săpun şi de detergent pe care le folosiţi acasă. Cum se numesc, ce conţin şi în ce scopuri se recomandă? Care sunt măsurile de precauţie? 5. Se ştie că 1 g de grăsime furnizează energie în valoare de cca 40 kJ. Cea mai înaltă este valoarea calorică (în kJ) furnizată de: a) 50 g de arahide; b) 75 g de grâu; c) 40 g de seminţe de floarea-soarelui. Datele necesare le găsiţi în tabelul 2.1. 6. Care dintre produsele propuse pun la dispoziţia organismului mai multă energie: a) 4 g de soia sau 40 g de secară; b) 50 g de arahide sau 300 g de grâu; c) 100 g de ovăz sau 450 g de orez? 7. Numiţi reacţiile în urma cărora grăsimea furnizează energie. Calculaţi norma zilnică de grăsime pentru un elev, dacă acesta necesită 3 800 kJ (1 g de grăsime furnizează 40 kJ). ^ Să reţinem! i 1 Grăsimile: I | • sunt esteri ai glicerolului şi ai acizilor superiori; i • cele solide conţin preponderent resturi de acizi saturaţi, cele lichide - de acizi nesaturaţi; I • se hidrolizează cu formare de glicerol şi acizi graşi; i • sunt principala sursă energetică a organismului; I Săpunurile şi detergenţii sunt săruri ale acizilor superiori. EXPERIENŢA DE LABORATOR nr. Studierea proprietăţilor săpunului şi ale detergenţilor sintetici (Amintiţi-vă „Normele de lucru cu substanţele chimice", pag. 20) Utilaj: stativ cu clemă şi eprubete, pipetă, spirtieră sau bec de gaz. Reactivi: o bucăţică de săpun (~ 0,2 g), detergent sintetic solid sau lichid (~ 0,2 g), soluţie de sare de calciu, ulei (grăsime), apă distilată, turnesol, apă de la robinet. 1. Pregătirea soluţiei de săpun şi de detergent sintetic Într-o eprubetă introduceţi o bucăţică de săpun, adăugaţi 3 ml de apă distilată, apoi, prin agitare, încălziţi atent conţinutul eprubetei la flacăra spirtierei până la dizolvarea săpunului. În altă eprubetă introduceţi detergent, 3 ml de apă distilată şi agitaţi atent. Examinaţi ambele soluţii. Ce aţi observat? În care eprubetă dizolvarea a avut loc mai uşor? De ce? 37 1) Într-o eprubetă introduceţi două-trei picături de soluţie de săpun şi una de turnesol. Care este mediul de reacţie? 2) Transferaţi soluţia de săpun în trei eprubete (circa 1 ml în fiecare). În eprubeta I adăugaţi câteva picături de sare de calciu, în II adăugaţi cca 2 ml de apă de robinet, în III - o picătură mică de ulei. Agitaţi conţinutul lor. Repetaţi aceleaşi operaţii - 1) şi 2) - cu soluţia de detergent. Comparaţi proprietăţile săpunului cu ale detergentului şi trageţi o concluzie. Transcrieţi şi completaţi în caiete tabelul de mai jos. 2. S tu d ie re a p ro p rie tă ţilo r să p u n u lu i şi a le d e te rg e n tu lu i Utilaj şi reactivi Modul de lucru O