Углеводы являются самым распространенным компонентом, содержащимся в биомассе. Они представляют собой сахара или сконденсированные полимеры простейших сахаров.

Конденсированный полимер получается путем соединения мономеров с выде­лением воды, которая образовалась из отделившегося от одного мономера атома водорода и отделившейся от другого мономера гидроксильной группы. Процесс соединения мономеров происходит по тому же принципу, что и образование сложных эфиров (см. рис. 11.2). Обратный процесс — реакция деполимеризации, в которой участвует молекула воды, — называется гидролизом.

Простые сахара, известные как моносахариды, являются соединением угле­рода, водорода и кислорода. Они содержат от трех до. восьми атомов углерода. Сахар с пятью атомами углерода называется пентозой, с шестью атомами угле­рода — гексозой и. т. д.

Моно - и дисахариды могут участвовать в реакции ферментации (брожения), т. е. они могут быть биологически преобразованы в этанол. Если растение со­держит в себе свободные сахара, как, например, сахарный тростник, то его сок может быть ферментирован напрямую, без дополнительных реакций. В общем случае углеводы перед ферментацией должны быть превращены в простейшие сахара (гидролизованы).

Гидролиз углеводов может происходить под действием кислот или энзимов (фер­ментов). При использовании недорогих кислот, например серной, выход продуктов гидролиза получается невысоким. Дорогие ферменты добавляются для повышения выхода продуктов. Реакции гидролиза являются довольно энергоемкими.

Использование микроорганизмов позволяет проводить ферментацию в один этап без предварительного процесса гидролиза.

Гексоза имеет эмпирическую формулу (СН20)6. Существует 16 разновидно­стей гексозы, которые удовлетворяют этой формуле. Для того чтобы отличить одну форму от другой, нужно знать их внутреннюю структуру. Гексоза может существовать в виде линейной цепочки или обладать циклической структурой, последняя более распространена и является единственной, которая может су­ществовать в водных растворах. Для упрощения в последующем будем исполь­зовать линейные формулы.

Простейший вариант компоновки атомов, образующих гексозу:

н н н н н н

I I I I I I

-с-с-с-с-с-с-

I I I I I I

0 о о о о о

1 I I I I I

н н н н н н

Приведенная выше структура удовлетворяет эмпирической формуле, но на концах имеет две свободные валентные связи. Для устранения этих вакансий пе­ренесем один атом водорода с левого конца на свободное место в правом конце При этом освободившуюся валентную связь кислорода объединим со свободной валентной связью левого конца. Теперь структура становится завершенной. По­лученная структура называется глюкозой:

н н н н н н

I I I I I I

с-с-с-с-с-с-н

II I I I I I

о о о о о о

I I I I I

н н н н н

Заметим, что глюкоза содержит в своем составе альдегидную группу 0=С Н Другая известная разновидность гексозы, фруктоза, является кетоном, посколь* двойная связь кислорода с углеродом находится внутри соединения:

Б Н Н Н Н

I 1111

н-С - С - с-с-с-с - н

I II I I I I

0 о о о о о

1 1111

н н н н н

Сахароза представляет собой димер двух предыдущих сахаров. Она образ» ется путем соединения молекулы глюкозы и фруктозы, при этом выделяет, и молекула воды.