I. Khái niệm polysaccharide

Polysaccharide (đường đa) là loại carbohydrate mà khi thủy phân sinh ra nhiều phân tử monosaccharide.

Công thức phân tử chung: (C₆H₁₀O₅)ₙ

Các polysaccharide tiêu biểu:

• Tinh bột (starch): nguồn dự trữ năng lượng của thực vật
• Cellulose: thành phần cấu tạo màng tế bào thực vật
• Glycogen: nguồn dự trữ năng lượng của động vật (trong gan và cơ)

II. Cấu tạo phân tử

1. Tinh bột

Công thức phân tử: (C₆H₁₀O₅)ₙ

Tinh bột là polymer thiên nhiên, gồm hai thành phần: amylose và amylopectin.

a) Amylose (20-30% khối lượng tinh bột)

Cấu tạo:

• Phân tử amylose cấu tạo từ nhiều đơn vị α-glucose liên kết với nhau qua các liên kết α-1,4-glycoside
• Mạch không phân nhánh
• Hình thành chuỗi xoắn (cấu trúc xoắn lò xo)

Đặc điểm liên kết α-1,4-glycoside:

• α: đơn vị glucose thuộc loại α-glucose (nhóm -OH hemiacetal hướng xuống dưới)
• 1,4: liên kết được tạo thành giữa C₁ của glucose này với C₄ của glucose kế tiếp
• glycoside: loại liên kết giữa hai vòng glucose

b) Amylopectin (70-80% khối lượng tinh bột)

Cấu tạo:

• Phân tử amylopectin có cấu tạo phân nhánh
• Gồm các chuỗi chứa nhiều đơn vị α-glucose liên kết với nhau qua các liên kết α-1,4-glycoside
• Các chuỗi này liên kết với nhau tạo cấu tạo mạch nhánh qua liên kết α-1,6-glycoside

Đặc điểm liên kết α-1,6-glycoside:

• Được tạo thành khi nhóm -OH ở C₆ trong mạch chính tách nước với nhóm -OH hemiacetal ở C₁ của đơn vị glucose khác
• Tạo ra các điểm phân nhánh trong phân tử

c) So sánh amylose và amylopectin

d) Tính khử của tinh bột

Trong phân tử tinh bột, chỉ có một mắt xích cuối cùng còn chứa nhóm -OH hemiacetal tự do. Do hàm lượng nhóm này rất nhỏ so với toàn bộ phân tử → Tinh bột không có tính khử (không phản ứng với thuốc thử Tollens).

2. Cellulose

Công thức phân tử: (C₆H₁₀O₅)ₙ hoặc [C₆H₇O₂(OH)₃]ₙ

Cellulose là polymer thiên nhiên, có công thức phân tử là (C₆H₁₀O₅)ₙ. Phân tử cellulose cấu tạo từ nhiều đơn vị β-glucose qua liên kết β-1,4-glycoside và hình thành chuỗi không nhánh.

Đặc điểm cấu tạo:

• Mắt xích: đơn vị β-glucose (nhóm -OH hemiacetal hướng lên trên)
• Liên kết: β-1,4-glycoside (giữa C₁ và C₄)
• Mạch không phân nhánh, thẳng
• Các mạch cellulose xếp song song, liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen → tạo thành các bó sợi rất bền

Công thức [C₆H₇O₂(OH)₃]ₙ:

• Mỗi mắt xích glucose có 3 nhóm -OH tự do (ở C₂, C₃, C₆)
• Công thức này thể hiện rõ số nhóm -OH có thể tham gia phản ứng

Tính khử của cellulose

Tương tự tinh bột, cellulose không có tính khử vì:

• Hàm lượng nhóm -OH hemiacetal rất nhỏ
• Cellulose không tan trong nước nên không thể thực hiện phản ứng tráng bạc

3. So sánh cấu tạo tinh bột và cellulose

III. Tính chất vật lý

IV. Tính chất hóa học

1. Phản ứng thủy phân (cả tinh bột và cellulose)

Cả tinh bột và cellulose đều bị thủy phân trong môi trường acid hoặc nhờ enzyme, sản phẩm cuối cùng là glucose.

a) Thủy phân tinh bột

Phương trình tổng quát:

$$(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)_n + n\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}^+ \text{ hoặc enzyme}} n\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$$

$$\text{Tinh bột} \xrightarrow{\text{thủy phân}} \text{Glucose}$$

Quá trình thủy phân từng bước:

$$\text{Tinh bột} \xrightarrow{\text{enzyme amylase}} \text{Dextrin} \xrightarrow{} \text{Maltose} \xrightarrow{\text{enzyme maltase}} \text{Glucose}$$

Điều kiện:

• Xúc tác acid (H₂SO₄ loãng, HCl loãng), đun nóng
• Hoặc enzyme amylase (trong nước bọt, dịch tụy)

Thí nghiệm thủy phân tinh bột:

b) Thủy phân cellulose

Phương trình:

$$(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)_n + n\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}^+, t°} n\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$$

$$\text{Cellulose} \xrightarrow{\text{thủy phân}} \text{Glucose}$$

Điều kiện:

• Xúc tác acid đặc (H₂SO₄ đặc), đun nóng
• Hoặc enzyme cellulase (có trong dạ dày động vật nhai lại)

Lưu ý: Cellulose khó thủy phân hơn tinh bột do cấu trúc sợi bền chặt. Cần dùng acid đặc và nhiệt độ cao hơn.

2. Phản ứng màu với iodine (chỉ tinh bột)

Hiện tượng: Hồ tinh bột + dung dịch I₂ → màu xanh tím

Giải thích: Phân tử amylose có cấu trúc xoắn lò xo (dạng helix). Khi tiếp xúc với I₂, các phân tử iodine chui vào bên trong cấu trúc xoắn này và bị giữ lại, tạo ra màu xanh tím đặc trưng.

Đặc điểm:

• Đun nóng → mất màu (I₂ thoát ra khỏi cấu trúc xoắn)
• Để nguội → màu xuất hiện lại (I₂ chui trở lại)

Ứng dụng: Phản ứng này dùng để nhận biết tinh bột (hoặc nhận biết I₂).

Thí nghiệm:

3. Phản ứng với nitric acid (chỉ cellulose)

Mỗi mắt xích cellulose có 3 nhóm -OH tự do, có thể phản ứng với HNO₃ đặc (xúc tác H₂SO₄ đặc) tạo ester.

Phương trình:

$$[\text{C}_6\text{H}_7\text{O}_2(\text{OH})_3]_n + 3n\text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}} [\text{C}_6\text{H}_7\text{O}_2(\text{ONO}_2)_3]_n + 3n\text{H}_2\text{O}$$

$$\text{Cellulose} + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}} \text{Cellulose trinitrate} + \text{H}_2\text{O}$$

Sản phẩm: Cellulose trinitrate (còn gọi là nitrocellulose)

Tính chất của cellulose trinitrate:

• Dễ cháy, cháy nhanh
• Không sinh ra khói khi cháy
• Được dùng chế tạo thuốc súng không khói

Thí nghiệm:

4. Cellulose tan trong nước Schweizer (Svayde)

Nước Schweizer là dung dịch phức Cu(NH₃)₄(OH)₂, được điều chế bằng cách:

$$\text{CuSO}_4 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Cu(OH)}_2 \downarrow + \text{Na}_2\text{SO}_4$$

Cu(OH)₂ + 4NH₃ → Cu(NH₃)₄(OH)₂

Hiện tượng: Cellulose (bông) tan được trong nước Schweizer tạo dung dịch nhớt.

Giải thích: Trong nước Schweizer, các sợi cellulose bị tách khỏi trạng thái tập hợp (bó sợi) và tan vào dung dịch do sự tạo phức giữa hai nhóm -OH liền kề trong mắt xích với ion Cu²⁺.

Ứng dụng: Dùng trong sản xuất tơ nhân tạo (tơ viscose, tơ cellulose acetate).

5. Bảng tổng hợp tính chất hóa học

V. Trạng thái tự nhiên và ứng dụng

1. Tinh bột

2. Cellulose

3. So sánh tinh bột và cellulose

VI. Sự chuyển hóa tinh bột

1. Sự tạo thành tinh bột trong cây xanh (quang hợp) (SGK)

Trong thực vật, tinh bột có chủ yếu trong củ, quả hay hạt. Sự hình thành tinh bột trong thực vật diễn ra qua nhiều giai đoạn, gồm hai quá trình chính:

1. Quá trình quang hợp hình thành glucose
2. Quá trình kết hợp của các đơn vị glucose tạo thành tinh bột

Phương trình tổng quát:

$$6n\text{CO}_2 + 5n\text{H}_2\text{O} \xrightarrow[\text{chất diệp lục}]{\text{ánh sáng}} (\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)_n + 6n\text{O}_2$$

Ý nghĩa của quang hợp:

• Tổng hợp chất hữu cơ từ CO₂ và H₂O
• Giải phóng O₂, điều hòa khí quyển
• Chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học

2. Sự chuyển hóa tinh bột trong cơ thể người

Sơ đồ chuyển hóa:

$$\text{Tinh bột} \xrightarrow{\text{amylase}} \text{Dextrin} \xrightarrow{} \text{Maltose} \xrightarrow{\text{maltase}} \text{Glucose} \xrightarrow{\text{oxi hóa}} \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{Năng lượng}$$

Quá trình chi tiết:

Giải thích:

• Ở miệng: enzyme amylase trong nước bọt bắt đầu thủy phân tinh bột thành dextrin và maltose
• Ở ruột non: phần lớn tinh bột đã được chuyển hóa thành glucose, glucose được hấp thu vào máu
• Ở tế bào: glucose bị oxi hóa giải phóng năng lượng
• Glycogen: glucose dư được chuyển thành glycogen, lưu trữ trong gan và cơ

3. Tại sao con người không tiêu hóa được cellulose?

Con người không có enzyme cellulase để thủy phân liên kết β-1,4-glycoside trong cellulose. Do đó, cellulose đi qua hệ tiêu hóa mà không bị phân giải, đóng vai trò là chất xơ (fiber) giúp:

• Kích thích nhu động ruột
• Ngăn ngừa táo bón
• Hỗ trợ hệ tiêu hóa hoạt động tốt

Một số động vật nhai lại (trâu, bò, dê…) có vi sinh vật trong dạ cỏ tiết enzyme cellulase, nên có thể tiêu hóa được cellulose từ cỏ.

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ