糖类化学

第二节二糖二糖是由两分子单糖脱水而成的化合物，也可以看成是苷。

二糖的物理性质类似于单糖。

易溶于水，多数具有甜味。

一、二糖的结构和性质二糖既然是苷，则形成苷键的两个羟基中，必有一个是半缩醛羟基，另一个可以是半缩醛羟基或醇羟基。

这样，两上单糖分子以苷键结合成二糖时，就有两种情况：一种是两个单糖分子都以其半缩醛羟基脱水形成二糖，如蔗糖。

这样的二糖，分子中不再含半缩醛羟基，不能开环再出现醛基，无变旋现象，也无还原性，称为非还原性二糖。

另一种是一个单糖分子以半缩醛羟基和另一个单糖的醇羟基之间脱水形成二糖。

这样的二糖分子中还有一个半缩醛羟基未参与形成苷键，在溶液中可以开环，因此有变旋现象，有还原性，称为还原性二糖。

重要的还原性二糖有麦芽糖、纤维二糖和乳糖。

单糖的环状结构有α-和β-两种构型，因此由α型的半缩醛羟基形成的苷键，称为α-苷键；由β型半缩醛羟基形成的苷键，称为β-苷键。

麦芽糖和纤维二糖就是由两个葡萄糖分子通过不同的苷键组成的二糖。

上二式中，麦芽糖分子中的苷键是α-1，4-苷键（α-1是指糖的部分在C-1上的α-型半缩醛羟基，4是指苷元C-4上的羟基），纤维二糖的苷键是β-1，4-苷键。

α-苷键和β-苷键都可被酸水解，也可被某些有立体特异性的酶水解。

人体内的麦芽糖酶只能水解α-苷键而不能水解β-苷键。

苦杏仁苷酶则只能水解β苷键而不能水解α-苷键。

二、重要的二糖1.蔗糖蔗糖广泛地分布在各种植物中，甘蔗中约含26%，甜菜中含20%，故又称甜菜糖，各种植物的果实中几乎都含有蔗糖。

平时食用的白糖就是蔗糖，是由甘蔗或甜菜提取而来。

我国是世界上用甘蔗制糖最早的国家。

蔗糖为无色晶体，熔点186℃，易溶于水，水溶液的比旋光度为+66.7°。

蔗糖水解后得到等分子的D-葡萄糖和D-果糖的混合物，其比旋光度为-19.65°，与水解前的旋光方向相反，因而把蔗糖的水解过程称为转化，水解后的混合液称为转化糖。

促使蔗糖水解的酶称为转化酶。

蔗糖是α-D-葡萄糖用C-1的半缩醛羟基与β-D-果糖C-2的半缩醛羟基脱水而组成的二糖，故蔗糖分子中的苷键既是α-1，2-苷键，又是β-2，1-苷键。

由于蔗糖分子中已无半缩醛羟基，故蔗糖无变旋现象，也无还原性，是非还原性二糖。

2.麦芽糖麦芽糖因存在于麦芽中而得此俗名。

麦芽中的淀粉酶可将淀粉水解成麦芽糖。

在人体内，摄入食物中的淀粉被淀粉酶水解成麦芽糖，再经麦芽糖酶水解为D-葡萄糖。

所以，麦芽糖是淀粉水解的中间产物。

麦芽糖在酸作用下也能水解。

麦芽糖是由一分子α-D-葡萄糖用其半缩醛羟基与另一分子D-葡萄糖C-4上的醇羟基脱水，通过α-1，4-苷键组成的二糖。

因此，麦芽糖有变旋现象，能还原费林试剂和吐伦试剂，属于还原性二糖。

麦芽糖是无色晶体，通常含一分子结晶水，熔点102℃，易溶于水，比旋光度为+136。

3.蔗糖与麦芽糖的区别(1)蔗糖和麦芽糖的分子组成相同，都是C12H22O11，但分子结构不同，蔗糖分子中不含醛基，是一种非还原性糖，而麦芽糖分子中含有醛基，是一种还原性糖。

所以它们互为同分异构体。

(2)蔗糖和麦芽糖性质上相似之处是都能发生水解反应，且都生成二分子单糖，但产物不同，蔗糖水解生成一分子葡萄糖和一分子果糖，而麦芽糖水解生成二分子葡萄糖。

(3)蔗糖和麦芽糖的性质不同之处是蔗糖不发生银镜反应，而麦芽糖能发生银镜反应。

蔗糖和麦芽糖的水解产物中都有葡萄糖，因此水解后的生成物都能发生银镜反应。

(4)蔗糖和麦芽糖的来源不同。

蔗糖来源于植物体内，而麦芽糖则由淀粉在酶作用下发生水解反应而得到。

4.乳糖乳糖存在于哺乳动物的乳汁中，人乳中含5%-8%，牛乳中含4%-6%，有些水果中也含有乳糖。

乳糖是含一分子结晶水的白色结晶性粉末，熔点202℃，易溶于水，比旋光度为+53.5°。

乳糖是β-D-葡萄糖用半缩醛羟基与α-D-葡萄糖的C-4羟基脱水，通过β-1，4-苷键形成的二糖。

因此，乳糖有变旋现象，有还原性，是还原性二糖。

乳糖被人体小肠中乳糖酶(一种能水解β-半乳糖苷的酶）水解生成半乳糖和葡萄糖。

乳糖有一分子葡萄糖与一分子半乳糖以β糖苷键连接而成。

二糖是最重要也是最简单的一类低聚糖。

二糖可看作是由两分子单糖脱去一分子水形成的化合物，其重要代表物是蔗糖和麦芽糖，两者分子式都是C12H22O11。

海藻糖由两分子葡萄糖组成，存在于真菌及细菌之中。

5.寡糖是由3-10个单糖构成的小分子多糖。

较重要的有：1)棉子糖：由葡萄糖、果糖和半乳糖构成。

2)水苏糖：由组成棉子糖的三糖再加上一个半乳糖组成。

以上两种主存在于豆类食品中，因在肠道中不被消化吸收，产生气体和产物，可造成肠胀气；而有些寡糖可被肠道有益细菌利用，而促进这些菌群的增加而有保健作用。

第三节低聚糖低聚糖一般是指由2～10个单糖以糖苷键连接起来的糖类的总称。

蔗糖、乳糖、麦芽糖等也属于低聚糖,但是与近年来开发的新型低聚糖相比,它们不具备预防龋齿、降低血脂和促进双歧杆菌增殖等生理功能,所以称为普通低聚糖。

以耦合糖、乳酮糖、帕拉金糖、蔗果低聚糖、大豆低聚糖、低聚木糖、低聚乳果糖、低聚龙胆糖等为代表的新型低聚糖一般都具有促进肠道双歧杆菌增殖,难以被人体消化吸收,预防龋齿等一系列的生理功能[1～4],所以又称为功能性低聚糖。

功能性低聚糖对于食品、化工、制药、饲料等行业有重要意义,是国内外食品、生物、化学工业界研究的热门领域。

由于社会老龄化、营养失衡、精神压力、抗生素滥用等原因引起人体菌群失调日益突出,经过多年的应用发现间接利用双岐因子调节肠道平衡比直接移入双岐杆菌更有意义,功能性低聚糖是较为理想的保健品。

随着经济的发展、生活水平的提高,人们对食品已不满足于其营养功能和感官功能,因此世界范围内掀起了一股功能食品的热潮。

功能食品也即保健食品,它强调食品的第三功能,也就是调节人体生理活性,促进机体向健康态转化的功能。

在功能性食品中真正起生理调节作用的成分称为生理活性成分,也称功能因子。

功能性低聚糖就是这样的功能因子。

低聚糖是指由2～10个单糖通过糖苷键连接而构成的低聚合度的糖类,而功能性低聚糖则是具有一种或多种生理调节功能的低聚糖,它们有的难以被人体消化吸收,能选择性地被人体有益菌双歧杆菌所利用,成为双歧杆菌的增殖因子;有的具有防龋齿功能;有的还有抑制肠道腐败菌生长的作用。

功能性低聚糖一般都带有不同程度的甜度,甜度为蔗糖的30%～60%,因此它还是功能性甜味剂的一个组成部分。

功能性低聚糖的研究和开发最早是在日本开始的,己有二十多年的历史。

目前在世界低聚糖市场中,日本也占着绝对的优势。

继日本之后,欧洲各国对功能性低聚糖的开发热情日渐升温。

各种功能性低聚糖在国外已广泛用在不同食品的制造中,包括饮料、酸奶、冷饮、乳品、糖果、糕点等方面。

功能性低聚糖的加入赋予了这些食品不同的保健功能。

使其产品档次和价格都上了一个台阶。

我国在80年代末开始对功能性低聚糖进行研制和应用开发,较早研究开发的是以蔗糖为原料制取低聚果糖和以淀粉为原料制取低聚异麦芽糖,这两种低聚糖现已大量生产,并投放市场,其它功能性低聚糖,如大豆低聚糖,低聚甘露糖,低聚乳果糖等也在研制开发中。

功能性低聚糖可从天然原料中提取,如大豆低聚糖可从大豆中提取,棉子糖可从甜菜中提取。

但大部分功能性低聚糖在天然植物中含量太低或在自然界分布较分散难以收集,现代工业往往采用生物技术的酶法来制取,其原料多为糖类,如蔗糖、淀粉等。

近年来,随着生物技术的进步,新的功能性低聚糖不断出现,同时应用基因工程改造酶类,改善低聚糖生产工艺,造就低聚糖新的生理功能,功能性低聚糖作为高科技含量,高附加值产品正以前所未有的速度在发展。

蔗糖是存在于自然界中最广泛的低聚糖,由于它不具备调节生理活性的功能,因此不属于功能性低聚糖。

但是蔗糖可作为制取功能性低聚糖的原料。

蔗糖分子是由一个葡萄糖残基和一个果糖残基经ａ-1,2糖苷键相连而形成的的二糖,水解酶可破坏ａ-1,2键使蔗糖水解生成葡萄糖分子和果糖分子,再通过转移酶的作用,在特定的羟基上产生新的糖苷键(俗称转苷),从而形成各种各样的新低聚糖。

例如,果糖苷酶催化蔗糖水解生成葡萄糖和果糖,而果糖基转移酶则起果糖基转移反应,使果糖分子转移到另一蔗糖分子的果糖基的Ｃ1-ＯＨ上,形成β-1,2键相接成为低聚果糖。

功能性低聚糖的兴起无疑为蔗糖的深加工开辟了新的途径,这也从一个方面提示我们:利用现代生物技术的方法来处理蔗糖,以获取具有实用价值的生物化工制品已成为蔗糖深加工的发展趋势。

目前已开发出来的以蔗糖为原料的功能性低聚糖品种很多。

低聚果糖是较早开发的功能性低聚糖之一,日本于1983年实现了规模化生产。

它的优良保健功能和生理活性已被广泛认可,成为最具代表性的功能性低聚糖。

一、低聚果糖(Fructooligosaccharide)低聚果糖又称蔗果低聚糖或果寡糖。

其组成主要是蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖的混合糖浆。

是以蔗糖为原料，通过现代生物工程技术———果糖基转移酶转化、精制而成。

低聚果糖以其独特的保健功能和优越的食品配料的双重品格，商品化程度在国内外处于领先地位。

经过美国IFT（美国食品工艺协会）和日本医学院等研究机构应用现代科学研究反复测试得出结论，以果糖基转化酶转化而成的低聚果糖分子结构和保健功能，与天然存在于果蔬植物中的完全相同。

1.分子结构及消化代谢特性低聚果糖又称蔗果三糖族低聚糖,它是在蔗糖分子的果糖基上通过β-1,2糖苷键连接1～3个果糖基而形成的蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖及其混合物。

天然的和微生物酶法得到的低聚糖几乎都是直链的,其结构式如下图所示:低聚果糖经口腔进入人体消化系统后，不能被各种消化酶分解，因而经过胃、小肠不能被吸收，几乎未受影响地进入大肠。

低聚果糖在大肠内可被双歧杆菌、乳杆菌等有益菌选择利用，使它们快速和大量繁殖。

同时双歧杆菌对低聚果糖进行酵解，部分转化为短链脂肪酸和少量气体。

其中，大约40%的低聚果糖被菌体利用排出体外，10%转化为CO2H2CH4等气体，近50%转变为醋酸、丙酸、丁酸和乳酸等。

部分短链脂肪酸经结肠粘膜吸收后，再进入肝脏，进一步代谢而转变为摄食者可吸收的能量，但其能量值很低，仅占蔗糖的1/3。

2.主要生理功能(1)高效的双歧杆菌增殖因子。

低聚果糖不会被人体小肠吸收,能进入大肠被有益菌双歧杆菌选择性地利用,使双歧杆菌数量显著增加,有助于维持肠道正常细菌群的平衡,抑制病原菌和腐败菌的生长,提高机能的免疫功能,低聚果糖的摄入对腹泻及便秘患者均有明显的改善作用。

(2)低热值。

由于低聚果糖不为人体消化系统的酶类所水解,很难被消化吸收,故提供的热值很低,摄入后不会导致肥胖。

(3)低聚果糖是一种水溶性膳食纤维,能降低血清胆固醇和甘油三酯,且摄入后不会引起血糖值和胰岛素水平的升高。