碳水化合物

碳水化合物(carbohydrates) 碳水化合物是自然界中最丰富的有机物，自然界的生物物质中，碳水化合物约占3/4，从细菌到高等动物都含有糖类化合物，植物体中含量最丰富，约占其干重的85%～90%，其中又以纤维素最为丰富，其次是节肢动物，如昆虫、蟹和虾外壳中的壳多糖（甲壳质）。

碳水化合物是生物体维持生命活动所需能量的主要来源，是合成其它化合物的基本原料，同时也是生物体的主要结构成分。人类摄取食物的总能量中大约80%由碳水化合物提供，因此，它是人类及动物的生命源泉。我国传统膳食习惯是以富含碳水化合物的食物为主食，但近十几年来随着动物蛋白质食物产量的逐年增加和食品工业的发展，膳食的结构也在逐渐发生变化。

碳水化合物这一名词来源于此类物质由C、H、O三种元素组成，而且它们的经验式都符合通式C n H2n O n即C m(H2O)n，其中氢和氧的比例与水分子中氢和氧的比例相同，就好象是碳同水的化合物，因而得名。后来发现一些不属于碳水化合物的分子也有同样的元素组成比例, 如乙酸C2H4O2，而一些碳水化合物如脱氧核糖（C5H10O4）则又不符合这一比例，因而碳水化合物这一名词并不确切，根2据糖类的化学结构特征，糖类的定义应是多羟基醛或酮及其衍生物和缩合物，但由于沿用习惯，碳水化合物一词仍被广为使用。

碳水化合物可分为三类：

单糖：不能被水解的简单碳水化合物，如葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖。

寡糖：单糖聚合度≤10的碳水化合物（以双糖最为多见）：蔗糖、麦芽糖、乳糖、纤维二糖。

多糖：单糖聚合度>10的碳水化合物：淀粉、糊精、糖原、纤维素、半纤维素及果胶等。

碳水化合物与食品的加工、烹调和保藏有密切的关系，例如，食品的褐变就与还原糖有关，食品的粘性及弹性也与淀粉和果胶等多糖分不开。至于蔗糖，果糖等作为甜味剂，更是人类饮食中不可缺少的物质。

一、单糖(monosaccharides)及糖苷(glycosides)

1、结构

单糖根据羰基类型可分为醛糖和酮糖两大类。

单糖的衍生物有糖醇、醇糖酸、糖醛酸及糖酸等。

根据所含糖原子的数目，单糖有可分为丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖。

最简单的醛糖为甘油醛，它具有一个不对称碳原子（四个取代基不同），因而有两个对映异构体，以D及L来区别。

由D-甘油醛衍生出来的四、五、六碳糖，都称为D-XX糖，而与其对应，由L-甘油醛衍生出来的糖，则为L系列，天然存在的糖多为D-系列的。普通的醛会形成半缩醛、缩醛：

单糖分子内含有-CHO 及 -OH ，所以也会在分子内发生此种反应，以己糖为例，若-CHO和第五碳上的-OH反应，则生成六元环的半缩醛，称为吡喃糖。

果糖的 >C=O 与第五碳上的-OH反应，生成五元环的半缩醛，称为呋喃糖。

这种环状结构，称为Haworth结构式，糖一般以环状形式存在。

环的生成使羰基变为手性碳，因而产生了两个异构体，它们的差别只在于链端手性碳构型的不同，分别称为α-和β-型。如：

这是由变旋光现象而发现的。新配制的单糖溶液在放置时，其比旋光度会逐渐增加或减少，最后达到一个恒定的数值。如，葡萄糖配成水溶液，其比旋光度是+112.2°，但放置若干天后就降低至+52.7°，这是因为普通葡萄糖晶体为α-D-吡喃葡萄糖，当它溶解于水时，一部分分子通过开链结构逐渐变为β-D-葡萄糖，最后达到动态平衡。由于α-和β-异构体的比旋光度不一样，所以溶液的旋光度逐渐减小，

最后达到相当于平衡混合物的恒定数值。

新形成的-OH称为半缩醛-OH，具有强的反应性，它易与其它羟基化合物反应，形成缩醛，称为苷。

吡喃型葡萄糖具有椅式构象，体积大的-OH尽量处于平伏键上，如：

β-D-葡萄糖

2、反应

(1)酸：稀酸无影响，而和强酸共热则会生成糠醛，糠醛和各种酚有显色反应，这可用于糖的定性和定量检测。

(2)碱：在弱碱环境，糖会发生异构化，例：葡萄糖在弱碱性环境变为葡萄糖、果糖与甘露糖的混合物。在强碱性环境下，糖会被空气中的O2氧化生成其它复杂的混合物。

(3)氧化

①醛或酮糖与Tollens试剂（AgNO

3-NH

3

）作用会产生银镜；与Benedict试剂（CuSO

4

、

柠檬酸和Na

2CO

3

）或Fehling试剂（CuSO

4

，酒石酸钾钠、NaOH）一起加热时，溶液的蓝色消

失，同时生成Cu

2

O的砖红色沉淀。

能与这些试剂发生反应的糖叫还原糖，还原糖分子中必定有半缩醛羟基，它能变为链状结构，即有-CHO或>C=O，而不与这些试剂反应的糖为非还原糖，其分子中无半缩醛羟基。如苷中就没有半缩醛-OH，所以它在碱性不能被氧化。

Tollens试剂、Fehling试剂和Benedict试剂通常用于糖的检验测定，由于这些反应的产物很复杂，它们无合成价值。

②醛糖与弱氧化剂（碱性溴水）反应生成醇糖酸，与强氧化剂（热HNO3）反应得糖酸。

(4)成脎反应

单糖与苯肼（C6H5NHNH2）作用生成脎

糖脎都是不溶于水的黄色晶体，不同的糖所生成的脎晶形不同，在反应中生成的速度也不同，据此可鉴定糖的种类。

(5)作为醇的反应

除进行醚化生成苷外，单糖能与酸反应生成酯，己糖和戊糖的磷酸酯是生物体中糖代谢的中间体。

3、天然存在的主要单糖

天然存在的主要单糖有戊糖及己糖

[1]戊糖

戊糖多作为多糖成分或核酸成分存在，游离状态甚少。如D-木糖，L-阿拉伯糖是大豆脂多糖的主要构成糖。

（A）D-木糖:存在于木材、稻草杆等的半纤维素中。

（B）L-阿拉伯糖:多在果汁和胶质的半纤维素中与果胶质共存。

（C) D-核糖和D-脱氧核糖: D-核糖和D-脱氧核糖分别为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）的成分。

[2]己糖