ประเภทกับประโยชน์ของคาร์โบไฮเดรตในอุตสาหกรรม

คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrates) หรือคาร์บ (Carbs) หนึ่งในสารอาหารหลักที่มนุษย์ต้องการในชีวิต พบมากในอาหารและเครื่องดื่ม แต่รู้หรือไม่ว่าคาร์โบไฮเดรตที่ทุกคนรู้จัก มีการใช้งานในอุตสาหกรรม และมีประโยชน์อย่างมากให้กับนักวิจัย อีกทั้งยังสามารถนำมาสร้างผลิตภัณฑ์ และนวัตกรรมอีกมากมาย 

บทความนี้ Apex Chemicals จะพาไปรู้จักคาร์โบไฮเดรตให้ลึกยิ่งขึ้น ตั้งแต่ประเภทของคาร์โบไฮเดรต ความ แตกต่างของแต่ละชนิด ไปจนถึงการประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เพื่อให้เห็นถึงคุณค่าและศักยภาพของคาร์โบไฮเดรตที่มากกว่าที่หลายคนเคยรู้จัก

คาร์โบไฮเดรตคืออะไร ? และแบ่งออกเป็นกี่ประเภท ?

คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrates) คือ สารชีวโมเลกุลที่เป็นองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด อีกทั้งยังเป็นสารอาหารหลักที่จำเป็น และเป็นแหล่งพลังงานของร่างกายอีกด้วย โดยโครงสร้างอย่างง่ายที่สุดของคาร์โบไฮเดรตคือ น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว (monosaccharide) ซึ่งประกอบด้วย หมู่คาร์บอนิล (Carbonyl) และ หมู่ไฮดรอกซิล (Hydroxyl) อย่างน้อยสองหมู่

เราสามารถแบ่งคาร์โบไฮเดรตตามขนาดและโครงสร้างโมเลกุลได้เป็น 3 ประเภทหลัก ดังนี้

1. มอโนแซ็กคาไรด์ (Monosaccharide)

มอโนแซ็กคาไรด์ หรือน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว เป็นคาร์โบไฮเดรตที่มีขนาดโมเลกุลเล็กที่สุด หรือเรียกได้ว่าเป็นมอนอเมอร์ของคาร์โบไฮเดรต โดยประกอบไปด้วย โมเลกุลของน้ำตาล มีรสหวาน ละลายน้ำได้ดี และน้ำตาลที่พบมากในธรรมชาติจะมีอะตอมของธาตุคาร์บอน 5 และ 6 อะตอม

โดยมอโนแซ็กคาไรด์ยังสามารถแบ่งประเภทได้อีก ได้แก่

• แบ่งตามหมู่ฟังก์ชัน (Function group) โดยภายในน้ำตาลจะมีหมู่ไฮดรอกซี (–OH group) เป็นองค์ประกอบ จึงสามารถแบ่งตามหมู่ฟังก์ชันสามารถแบ่งออกเป็น 2 ฟังก์ชันใหญ่ ๆ ได้แก่
  • หมู่อัลดีไฮด์ (R-COH group) หรือเรียกว่า น้ำตาลอัลโดส (Aldoses)
    เช่น น้ำตาลกลีเซอรอลดีไฮด์ (C3) น้ำตาลไรโบส (C5) น้ำตาลกลูโคส (C6)
  • หมู่คีโตน (R-CO-R’) หรือเรียกน้ำตาลที่มีหมู่ฟังก์ชันคีโตนว่า น้ำตาลคีโตส (Ketoses)
    เช่น น้ำตาลไดไฮดรอกซีอะซีโตน (C3) น้ำตาลไรโบส (C5) น้ำตาลฟรักโทส (C6)

• แบ่งตามจำนวนอะตอมคาร์บอน (Carbon atom)
  โมเลกุลของน้ำตาลจะประกอบไปด้วยอะตอมคาร์บอน ตั้งแต่ 3-7 อะตอม โดยจะมีชื่อเรียกต่างกันออกไปตามจำนวนของคาร์บอนอีกด้วย
  • คาร์บอน 3 อะตอม เรียกว่า น้ำตาลไตรโอส (Trioses) เช่น Glyceraldehyde
  • คาร์บอน 4 อะตอม เรียกว่า น้ำตาลเทโทรส (Tetroses) เช่น Erythrose และ Threose
  • คาร์บอน 5 อะตอม เรียกว่า น้ำตาลเพนโทส (Pentoses) เช่น Ribose, Arabinose, Xylose และ Lyxose
  • คาร์บอน 6 อะตอม เรียกว่า น้ำตาลเฮกโซส (Hexoses) เช่น Allose, Altrose, Glucose, Mannose, Gulose, Idose, Galactose, Fructose และ Talose

Tips : น้ำตาลที่พบมากที่สุดในธรรมชาติ ได้แก่ น้ำตาลกลูโคส ฟรักโทส และกาแล็กโทส ที่สามารถพบได้ในพืชหลายชนิด

2. โอลิโกแซ็กคาไรด์ (Oligosaccharide)

โอลิโกแซ็กคาไรด์ คือกลุ่มของน้ำตาลที่ประกอบมอโนแซ็กคาไรด์ตั้งแต่ 2 ถึง 10 โมเลกุล โดยเชื่อมต่อกันด้วยพันธะพันธะไกลโคซิดิก (glycosidic bond) โดยที่มากในธรรมชาติจะมีหลัก ๆ อยู่ 2 ชนิด ได้แก่

• ไดแซ็กคาไรด์ (Disaccharide) หรือน้ำตาลโมเลกุลคู่
  ที่ประกอบไปด้วยมอโนแซ็กคาไรด์จำนวน 2 โมเลกุล เช่น
  • Maltose : glucose + glucose เชื่อมต่อกันด้วยพันธะไกลโคซิดิก ชนิด a-1,4
  • Lactose : galactose + glucose จับกันด้วยพันธะไกลโคซิดิก ชนิด b-1,4
  • Sucrose : glucose + fructose จับกันด้วยพันธะไกลโคซิดิก ชนิด a-1,2
  • Cellobiose : glucose + glucose เชื่อมต่อด้วยพันธะไกลโคซิดิก ชนิด b-1,4
• ไตรแซ็กคาไรด์ (Trisaccharide)
  ประกอบไปด้วยมอโนแซ็กคาไรด์จำนวน 3 โมเลกุล เช่น
  
  • Raffinose : galactose + sucrose (glucose + fructose)
  • Ketose : fructose +sucrose (glucose + fructose)

3. พอลิแซ็กคาไรด์ (Polysaccharide)

พอลิแซ็กคาไรด์ เป็นคาร์โบไฮเดรตโมเลกุลใหญ่ ที่เกิดจากมอโนแซ็กคาไรด์มากกว่า 10 โมเลกุลขึ้นไปต่อกันเป็นสายยาว เชื่อมต่อกันด้วยพันธะไกลโคซิดิก (Glycosidic bond) โดยจะแตกต่างกันออกไปตามชนิดมอโนแซ็กคาไรด์ จำนวน และรูปแบบการเชื่อมต่อของมอโนแซ็กคาไรด์

โดยพอลิแซ็กคาไรด์สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ด้วยกัน

• ฮอโมพอลิแซ็กคาไรด์ (Homopolysaccharides)
  เป็นพอลิแซ็กคาไรด์ที่ใช้มอโนเมอร์ชนิดเดียวกันทั้งหมด เช่น แป้ง (Starch) ไกลโคเจน (Glycogen) และเซลลูโลส (Cellulose) ที่ใช้มอโนแซ็กคาไรด์เป็นกลูโคสทั้งหมด เป็นต้น
• เฮเทอโรพอลิแซ็กคาไรด์ (Heteropolysaccharides)
  คือพอลิแซ็กคาไรด์ที่ประกอบไปด้วยมอโนแซ็กคาไรด์มากกว่า 1 ชนิด เช่น เฮมิเซลลูโลส (Hemicellulose) หรือ คาร์ราจีแนน (Carrageenan) เป็นต้น

ประโยชน์และการใช้งานคาร์โบไฮเดรตในอุตสาหกรรม

ด้วยคุณสมบัติทางโครงสร้างและการทำปฏิกิริยาที่หลากหลาย คาร์โบไฮเดรตจึงไม่ได้จำกัดบทบาทเพียงการเป็นแหล่งพลังงานเท่านั้น แต่ยังถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในหลายอุตสาหกรรม ตั้งแต่งานวิจัยพื้นฐานไปจนถึงการพัฒนาผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์

อุตสาหกรรมยา อาหารเสริม การแพทย์ และเภสัชกรรม

• ใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์ และสารออกฤทธิ์สำคัญทางยา รวมถึงใช้เป็นสารช่วยเติมแต่งทางเภสัชกรรม เพื่อนำไปผลิตเป็นยารักษาโรคและอาหารเสริม
• ใช้เป็นสารสำคัญในงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับโรคทางการแพทย์ เพื่อศึกษากลไกของระบบการทำงานในร่างกาย

อุตสาหกรรมอาหาร และเครื่องดื่ม

• ใช้เป็นสารบริสุทธิ์ สำหรับตรวจวิเคราะห์ปริมาณ และคุณภาพของสารสำคัญที่เป็นแหล่งให้พลังงานหลัก พบได้ในพืช และสมุนไพร รวมถึงสามารถใช้ในการวิจัยและพัฒนา เพื่อปรับปรุงผลิตภัณฑ์ หรือคิดค้นผลิตภัณฑ์ใหม่อีกด้วย

อุตสาหกรรมทางวิทยาศาสตร์ชีวภาพ

• ใช้คาร์โบไฮเดรตในงานวิจัยทางวิศวกรรมเคมีชีวภาพ และวิศวกรรมกระบวนการชีวภาพ ที่ศึกษาเกี่ยวกับ เอนไซม์ สารชีวโมเลกุลในพืช และสัตว์ รวมถึงจุลินทรีย์
• ใช้ในงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีทางชีวภาพ เพื่อสร้างเครื่องมือ หรือผลิตภัณฑ์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่

อุตสาหกรรมทางสิ่งแวดล้อม

• ใช้ในการผลิตปุ๋ยผ่านกระบวนการหมักของจุลินทรีย์ โดยมีสารกลุ่มคาร์โบไฮเดรตเป็นองค์ประกอบสำคัญ
• ใช้ในงานวิจัยเส้นใยธรรมชาติที่มีคาร์โบไฮเดรตเป็นองค์ประกอบหลัก โดยสกัดจากพืชท้องถิ่น นำมาพัฒนาแปรรูปเพื่อเพิ่มมูลค่า

ขอขอบคุณข้อมูลดี ๆ จาก

• Monosaccharides Toolbox, Biosynth
  /media/Brochures/E-Books/Monosaccharides%20Toolbox.pdf
• Polysaccharides Toolbox, Biosynth
  /media/Brochures/E-Books/Polysaccharides%20Toolbox.pdf
• Oligosaccharides Toolbox, Biosynth
  /media/Brochures/E-Books/Oligosaccharides%20Toolbox.pdf
• สมาคมเทคโนโลยีชีวภาพแห่งประเทศไทย
  https://www.biotec.or.th/tsb/images/stories/journal/E-magazine_March_2012_(updated).pdf