糖類（重要的有機化合物）

糖類簡介

糖類

碳水化合物

carbohydrate

saccharide

糖類既是生物體重要的機構(gòu)物質(zhì)，也是生物體維持生命活動的主要來源。此外，糖類能與蛋白質(zhì)結(jié)合形成糖蛋白，在生命活動中發(fā)揮重要作用。

糖類的另一個名稱“碳水化合物”的由來是生物化學家在先前發(fā)現(xiàn)某些糖類的分子式可寫成C(HO)，故以為糖類是碳和水的化合物，但是后來的發(fā)現(xiàn)證明了許多糖類并不合乎其上述分子式，如：鼠李糖（CHO）。而有些物質(zhì)符合上述分子式但不是糖類，如甲醛（CHO）等。

糖類為人體之重要的營養(yǎng)素，主要分成四大類：單糖、雙糖、低聚糖和多糖，他們在生活上扮演著很重要的角色，像多糖可以被拿來當作儲存養(yǎng)分的物質(zhì)（如淀粉和糖原）或當作動物外骨骼和植物細胞的細胞壁（如：甲殼素和纖維素）；另外像是為五碳醛糖的核糖是構(gòu)成各種輔因子不可或缺的物質(zhì)（如ATP、FAD和NAD）也是一些遺傳物質(zhì)分子的骨干（如RNA）。糖類的眾多衍生物同時也與免疫系統(tǒng)、受精、預防疾病、血液凝固和生長等有極大的關(guān)聯(lián)。在食品科學和其他非正式的場合中，碳水化合物通常指富有淀粉（如谷物、面包或面食）或簡單的糖類的食物（如食糖）。

糖類主要包括沒甜味的淀粉和有甜味的麥芽糖等，是人體最主要的能源物質(zhì)。例如肌肉收縮、神經(jīng)傳導，體內(nèi)物質(zhì)運輸所需能量的70%都來自糖類。糖類主要從谷類和薯類食物中獲得。

發(fā)展歷史

中國最早有飴、餳、糖等字，都是以糯米為原料，稀的叫飴，干的叫餳、糖。在六朝時才出現(xiàn)“糖”字。李時珍《本草綱目》載：“糖法出西域，唐太宗始遣人傳其法入中國，以蔗準過漳木槽取而分成清者，為蔗餳。凝結(jié)有沙者為沙糖，漆甕造成如石如霜如冰者為石蜜、為糖霜、為冰糖。

糖類

結(jié)構(gòu)通式

以前所有

自然界的糖類通常都由一種簡單的碳水化合物：單糖所構(gòu)成，通式為（CHO）n，(n≥3)。一個典型的單糖具有H-(CHOH)x(C=O)-(CHOH)y-H結(jié)構(gòu)，也就是多羥基醛或多羥基酮。像：葡萄糖、果糖、甘油醛皆是單糖。然而有些生物物質(zhì)像糖醛酸和脫氧糖就不符合此通式，另外還有許多物質(zhì)的分子式符合這個通式但它并不是糖類（如：甲醛（CHO）和肌醇（CHO））。

直鏈形式的單糖通常與關(guān)環(huán)形式的單糖同時存在，這種環(huán)狀分子是由醛/酮上的羰基（C=O）與羥基（-OH）反應形成半縮醛，并形成一個新的C-O-C鍵橋。單糖可以各種方式互相連接在一起形成多糖（或寡糖，又稱低聚糖）。許多糖類含有一個或多個修飾的單糖單元，這種修飾方法可以是一個或多個基團被取代或移除。例如，DNA的一個組分脫氧核糖，就是被核糖所修飾的糖；幾丁質(zhì)是一種被重復的N-乙酰氨基葡萄糖（一種含氮原子的葡萄糖）片段所組成的糖類。

構(gòu)成

主要由碳、氫、氧三種元素組成，是多羥基醛或多羥基酮及其縮聚物和某些衍生物的總稱。

糖類化合物包括單糖、單糖的聚合物及衍生物。葡萄糖是單糖。麥芽糖、蔗糖、乳糖是二糖。

單糖是多羥醛或多羥酮及他們的環(huán)狀半縮醛或衍生物，帶有多個羥基的醛類或者酮類。多糖則是單糖縮合的多聚物。

分類

生物體內(nèi)的單糖有多種，如核糖和脫氧核糖是含有5個碳原子的單糖，葡萄糖、果糖和半乳糖是含有6個碳原子的單糖。

單糖由于無法水解成為更小的碳水化合物，因此它是此類中最小的分子。它們是一些具有兩個或者更多羥基的醛或酮類。未修飾過的單糖化學式可表達為：(CHO)n，因其都是碳和水分子的倍數(shù)而稱為：“碳水化合物”。單糖是一種重要的燃料分子，也是核酸的結(jié)構(gòu)片段。最小的單糖中的n=3，即：二羥基丙酮或D-和L-甘油醛。

丙糖例如：甘油醛

戊糖，五碳糖例如：核糖，脫氧核糖

己糖例如：葡萄糖，果糖（化學式都是CHO）

單糖分類

單糖可由三種不同的特征片段來分類：羰基的位置；分子內(nèi)的碳原子數(shù)以及其手性構(gòu)型。如果羰基在碳鏈末端分子屬醛類，則單糖稱：醛糖；若羰基在碳鏈中間分子屬酮類，則單糖稱為：酮糖。含有三個碳原子的單糖稱為：丙糖；四個碳原子的稱為丁糖；五個稱為戊糖；六個稱為己糖，以此類推。

除在糖分子碳鏈第一個與最末端的碳原子，每個碳原子都帶有一個羥基（-OH）并具有不對稱性，使它們的手性中心可以是R或S兩種構(gòu)型。因為這種不對稱性，一個確定的糖的分子式可以多種異構(gòu)體存在。例如：醛糖D-葡萄糖具有分子式(C·HO)，其中有六個碳原子是具有手性的，因此D-葡萄糖是2 = 16個可能的立體異構(gòu)體中的一個。又例如：甘油醛是一種丙醛糖，有一種可能的立體異構(gòu)體，同時也是對映體和差向異構(gòu)體。1,3-二羥基丙酮，醛糖丙醛糖所對應的酮糖分子，是一種沒有手性中心的對稱分子。D或L構(gòu)型由離羰基最遠的不對稱碳原子的取向所決定：標準的費歇爾投影式里，若羥基在右側(cè)則分子為D型糖，左側(cè)則為L型糖。這里要注意：“D-”和“L-”前綴不可與“d-”和“l(fā)-”相混淆，后者指的是偏振光在糖分子平面下的旋轉(zhuǎn)?！癲-”和“l(fā)-”在糖化學中現(xiàn)已不太使用。

半縮醛異構(gòu)化

直鏈單糖的醛基或者酮基會不可逆的與另外一個碳原子作用形成半縮醛或半縮酮，得到一個帶有氧橋連接雙碳原子的雜環(huán)。由五個或六個原子組成環(huán)的分別稱為呋喃糖與吡喃糖，這些環(huán)狀糖與直鏈形式的糖存在化學平衡。由直鏈糖形成環(huán)狀糖的過程中，含有羰基氧原子的碳原子稱為：異頭碳。這個碳原子在成環(huán)后便成為分子內(nèi)的手性中心，具有兩種可能的構(gòu)型：若氧原子可在平面的上方或下方，這樣得到的一對手性異構(gòu)體稱之為：異頭物。若在異頭碳上的-OH取代基與環(huán)外CHOH基團成反式構(gòu)型（即不在環(huán)一側(cè)）時，則稱為：α異頭物；另外一種情況兩者在環(huán)的同一側(cè)，呈現(xiàn)順式構(gòu)型，則稱為：β異頭物。由于環(huán)狀糖與直鏈糖本身會互相轉(zhuǎn)化，因此兩種異頭物存在著平衡。費歇爾投影式中，α異頭物被表達為：異頭羥基與CHOH呈現(xiàn)反式，而β異頭物則為順式。

由兩個連接成一起的單糖組成的糖類，稱為二糖。

二糖是由兩個單糖單元通過脫水反應，形成一種稱為糖苷鍵的共價鍵連接而成。在脫水過程中，一分子單糖脫除氫原子，而另一分子單糖脫除羥基。未經(jīng)修飾的二糖化學式可表達為：CHO。雖然雙糖種類繁多，但大多數(shù)并不常見。

麥芽糖、蔗糖、乳糖等是常見的二糖。1分子麥芽糖水解產(chǎn)生2分子葡萄糖；1分子蔗糖水解產(chǎn)生1分子葡萄糖和1分子果糖；1分子乳糖水解產(chǎn)生1分子葡萄糖和1分子半乳糖?？梢?，二糖是由兩分子單糖組成。

蔗糖是存量最為豐富的二糖，它們是植物體內(nèi)存在最主要的糖類。紅糖，白糖，冰糖等都是由蔗糖加工制成的。蔗糖由一個D-葡萄糖分子與一個D-果糖分子所組成，其系統(tǒng)命名為：O-α-D-葡萄吡喃糖基-(1→2)-D-果糖呋喃糖苷，它由葡萄糖與果糖組成。葡萄糖為吡喃糖；果糖為呋喃糖。兩種單糖的連接方式：在D-葡萄糖的一號碳（C1）上的氧原子連接D-呋喃糖的二號碳（C2）。后綴-糖苷表明了：兩個單糖異頭碳參與了糖苷鍵的形成。

乳糖廣泛的存在于天然產(chǎn)物中，如：哺乳動物的母乳。

麥芽糖（兩個D-葡萄糖通過1，4碳原子連接為α糖）與纖維糖（兩個D-葡萄糖通過1，4碳原子連接為β糖）。

二糖還可分類為還原二糖與非還原性二糖，通過兩個單糖分子的半縮醛（酮）羥基脫去一分子水而相互連接。這樣二糖分子中已沒有半縮醛（酮）羥基存在，因此其中任何一個單糖部分都不能再由環(huán)式轉(zhuǎn)變成醛（酮）式。這種二糖就沒有變旋現(xiàn)象和還原性，也不能生成糖脎，因此稱為非還原性二糖。

淀粉、纖維素、糖原和木糖他們化學式是（CHO)

復合糖

（complex carbohydrate，glycoconjugate）

糖類的還原端和蛋白質(zhì)或脂質(zhì)結(jié)合的產(chǎn)物。在生物中分布廣泛，有多種重要功能，細胞的識別、定性以及免疫等無不與之有關(guān)。糖類和蛋白質(zhì)結(jié)合有以蛋白質(zhì)為主的稱糖蛋白，如血液中的大部分蛋白質(zhì)；也有以糖為主的，如蛋白聚糖是動物結(jié)締組織的重要成分。和脂質(zhì)結(jié)合的，如脂多糖存在于細菌的外膜，成分以多糖為主；另外有稱為糖脂的，組成以脂質(zhì)為主，大多和細胞的膜連系在一起。糖脂可由鞘氨醇，也可由甘油等衍生，但在自然界分布最廣，迄今研究得最多的是鞘糖脂（見鞘脂）。

復合糖的不對稱：糖脂和糖蛋白只分布于細胞的外表面。

低聚糖和多糖

低聚糖和多糖都是由單糖單元通過糖苷鍵組成的長鏈分子。兩者的區(qū)別在于單糖單元在鏈上的數(shù)量：低聚糖通常含有3－10個單糖單元，而多糖則超過10個單糖單元。實際應用中，糖的分類更傾向于個人的判斷，如通常上述的雙糖可以算為低聚糖，也包括了：三糖－棉子糖和四糖－水蘇糖。

分類：

糖類化合物的生物學作用主要是：

1 作為生物能源；

2 作為其他物質(zhì)生物合成的碳源；

3 作為生物體的結(jié)構(gòu)物質(zhì)；

4糖蛋白、糖脂等具有細胞識別、免疫活性等多種生理活性功能。

單糖－糖類種結(jié)構(gòu)最簡單的一類，單糖分子含有許多親水基團，易溶于水，不溶于乙醚、丙酮等有機溶劑，簡單的單糖一般是含有3-7個碳原子的多羥基醛或多羥基酮，其組成元素是C,H,O葡萄糖、果糖、半乳糖等。葡萄糖是生命活動的主要能源物質(zhì)，核糖是RNA的組成物質(zhì)，脫氧核糖是DNA的組成物質(zhì)。葡萄糖、果糖的分子式都是：CHO。他們是同分異構(gòu)體。

低聚糖（寡糖）－由2-10個單糖分子聚合而成，水解后可生成單糖，包括二糖、三糖、四糖等。

二糖－二糖是由兩分子單糖脫水而成的糖苷，苷元是另一分子的單糖。二糖水解后生成兩分子的單糖。如乳糖、蔗糖、麥芽糖。蔗糖和麥芽糖是能水解成單糖供能。它們的分子式都是：CHO。也屬于同分異構(gòu)體。

三糖－水解后生成三分子的單糖。如棉子糖。淀粉是儲蓄物質(zhì)，纖維素是組成細胞壁，糖元是儲能物質(zhì)。

多聚糖－由10個以上單糖分子聚合而成。經(jīng)水解后可生成多個單糖或低聚糖。根據(jù)水解后生成單糖的組成是否相同，可以分為：

同聚多糖－同聚多糖由一種單糖組成，水解后生成同種單糖。如阿拉伯膠、糖元、淀粉、纖維素等。淀粉和纖維素的表達式都是（CHO）。但他們不是同分異構(gòu)體，因為他們的n數(shù)量不同。其中淀粉n<纖維素n。

雜聚多糖－雜聚多糖由多種單糖組成，水解后生成不同種類的單糖。如粘多糖、半纖維素等。

復合糖（complex carbohydrate，glycoconjugate）。糖類的還原端和蛋白質(zhì)或脂質(zhì)結(jié)合的產(chǎn)物。

相關(guān)知識

果糖175 （最甜的糖）

蔗糖100

葡萄糖 74

麥芽糖32

大部分糖，如單糖，二糖，應定量攝取，不宜過量，尤其是糖尿病人，有可能會獲得反效果。

而纖維素，相對與其他糖類，可以大量食用，其在人體內(nèi)無法水解，但可以有助消化，預防便秘，痔瘡和直腸癌，降低膽固醇，預防和治療糖尿病等。

糖類是人體所需能量的主要來源，當人體糖分不足，才會消耗脂肪，所以不建議不合理的節(jié)食減肥。

化學性質(zhì)

1.取2支潔凈的試管，用記號筆在試管上部編號（如A和B）備用。

2.用天平稱取蔗糖和淀粉各2g，分別放入100ml的清水中，溶解后備用。

3.用量筒量取蔗糖溶液和淀粉溶液各3ml，分別滴入等量的稀碘液，觀察并記錄溶液顏色變化情況。

根據(jù)是否具有還原性，將糖類分為還原性糖和非還原性糖。單糖、麥芽糖、乳糖等還原性糖與斐林試劑反應，可以產(chǎn)生磚紅色沉淀。因此，實驗中常用斐林試劑來檢測還原性糖的存在。

1.取3支潔凈的試管，編號備用。

2.用量筒量取蔗糖溶液和淀粉溶液各3ml，分別注入其中的2支試管，再滴加1ml清水。

3.向第3支試管加入淀粉溶液3ml，再滴入1ml稀釋的唾液。

4.向3支試管內(nèi)分別加入2ml斐林試劑，隔水加熱2min，觀察并記錄溶液顏色變化情況。

建議考慮：斐林試劑主要是由質(zhì)量濃度為0.1g/ml的NaOH溶液和質(zhì)量濃度為0.05g/ml的CuSO溶液混合配制而成。

蒽酮

的試驗

糖類在濃硫酸的作用下，可經(jīng)脫水反應生成糠醛或羥甲基糠醛，他們可與蒽酮反應生成藍綠色糠醛衍生物。用上述反應鑒定試樣為糖類后，再進行單糖、雙糖、醛糖或酮糖的區(qū)別試驗。

單糖與多糖的鑒定

巴弗試驗

酸性溶液中，單糖和還原二糖的還原速率有明顯的差異。巴弗試劑（含5%乙酸銅的1%稀乙酸溶液）為弱酸性，能在2分鐘內(nèi)氧化單糖生成磚紅色的氧化亞銅，有橘黃色或橘紅色沉淀生成，示有單糖存在。由于橘黃色的沉淀懸浮在藍色的乙酸銅溶液中，故有時出現(xiàn)綠色。

酮糖的鑒定

Seliwanoff試驗

本試驗原理是將酮糖用濃鹽酸轉(zhuǎn)化為羥甲基糠醛，再與間苯二酚（Seliwanoff試驗）縮合，形成紅色產(chǎn)物。

向溶于水的試樣中加入等體積的濃鹽酸與數(shù)滴Seliwanoff試劑，將所得混合物加熱剛好至沸。若溶液在2分鐘內(nèi)即有紅色顯現(xiàn)，還有暗黑色沉淀生成，說明酮糖存在。長時間放置或延長加熱時間，醛糖也會發(fā)生顏色反應，但顏色稍淡且一般無沉淀生成。

營養(yǎng)學

多種食物皆含有豐富的糖類，包括水果、汽水、面包、意式面食、豆類、馬鈴薯、米糠、稻米及麥類。糖類是生物中的常見能量來源，卻不是人類的必須營養(yǎng)。糖類也不是任何其他分子的必須組成部份，而人體也可以從蛋白及脂肪獲取能量。腦部及腦神經(jīng)一般不能燃燒脂肪以獲取能量，但可以使用葡萄糖或酮糖代替。人體能從糖異生過程中，利用特定的氨基酸、甘油三酸酯中的甘油骨架，或是脂肪酸中的合成某些葡萄糖。糖類每克含有15.8千焦耳（即3.75千卡路里）而每克蛋白質(zhì)則能提供16.8千焦耳（4千卡路里），而每克脂肪則能提供37.8千焦耳（9千卡路里）。

生物一般不能利用所有糖類轉(zhuǎn)換成能量，其中葡萄糖是最普遍的能量來源，尤其是大腦只能由葡萄糖供能（由于血腦屏障的低通過性）。許多生物都有能力把其他單糖及雙糖代謝成能量，但以葡萄糖為首選，也最易消化。例如，在大腸桿菌中，當遇到乳糖，乳糖操縱子會釋出酶，以消化乳糖，但如果乳糖和葡萄糖都存在乳糖操縱子會受到壓抑的，葡萄糖會首先被消化。多糖也是常見的能量來源，許多生物皆能分解淀粉成葡萄糖，但大部份生物都不能消化纖維素、甲殼素等其他多糖。這些糖只能由某些細菌及原生生物消化。例如，反芻動物和白蟻會利用微生物來處理纖維素。雖然這些復雜的糖不能輕易消化，但它們卻是人類營養(yǎng)的重要部份，稱為食用纖維，他們也可以通過工業(yè)手段制成其他類別的糖，如殼聚糖（由甲殼素加工而來）。食用纖維對人類的最大益處，在于它能促進腸胃蠕動，使消化系統(tǒng)更好地工作。美國藥物組織建議，每名美國及加拿大人的食物熱量需有45–65%來自糖類，以減低心臟病及肥胖癥的風險。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織與世界衛(wèi)生組織也聯(lián)合建議每個國家制定營養(yǎng)指引，訂立每人的總食物能量中的55–75%來自糖類，最多90%直接來自糖份。

分類法

歷史上，營養(yǎng)學家曾經(jīng)只把糖類分為簡單與復雜，但這種分類法難免存在歧義問題?，F(xiàn)今的“簡單糖類”一般指單糖與雙糖，而“復雜糖類”指多糖（包括低聚糖）。可是，“復雜糖類”最先見于美國參議院人類營養(yǎng)需求委員會出版物《美國營養(yǎng)目標》（1977），該詞語的意思卻不相同，指的是"“水果、蔬菜及全谷物”。部份營養(yǎng)學者以“復雜糖類”一詞指任何在含有纖維、維他命及礦物質(zhì)的食物中，可消化的糖類，以相對于提供較少其他營養(yǎng)的已消化糖類。

許多人（甚至有營養(yǎng)學家）相信，復雜的糖類（多糖，例如淀粉）比簡單的糖類（例如單糖）消化得較慢，因此較健康。

實際上，簡單糖類與復雜糖類對血糖水平的影響大同小異。一些簡單的碳水化合物消化得非常緩慢（例如果糖），而一些復雜的碳水化合物，特別經(jīng)過處理后的，卻能迅速提高血糖水平（如淀粉）。從此可知，消化的速度取決于多種因素，包括連帶進食的其他營養(yǎng)物、食物準備方法、在個人代謝的速度差異，以及該碳水化合物的化學結(jié)構(gòu)。

營養(yǎng)學上，以升糖指數(shù) (GI)及血糖負荷（GL）的概念，來反映食物于消化后對人體的影響。升糖指數(shù)衡量人體吸收該食物中葡萄糖的速度，而血糖負荷則衡量食物中可吸收葡萄糖的總量。兩種指數(shù)中，最高則代表糖類含量最高、血糖水平最大影響的食物。胰島素指數(shù)是一個類似的、更新式的計算法，衡量食品對血腋胰島素水平的影響，主要考量食物中的葡萄糖（或淀粉）和某些氨基酸的份量。

膳食指南一般建議食用復雜碳水化合物（淀粉）和營養(yǎng)豐富的簡單碳水化合物，如水果、蔬菜及奶制品，以彌補大量碳水化合物的消耗。過量食用高度加工的碳水化合物來源，如玉米或土豆片，糖果，含糖飲料，糕點和白米，一般認為是不健康的。美國農(nóng)業(yè)部的《2005年美國膳食指南》不再使用簡單/復雜的分類法，改為推薦含豐富纖維素的食物和全谷物。

糖代謝

糖代謝可分為分解與合成兩方面，分解包括酵解與三羧酸循環(huán)，合成包括糖的異生、糖原與結(jié)構(gòu)多糖的合成等，中間代謝還有磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑等。

糖代謝受神經(jīng)、激素和酶的調(diào)節(jié)。同一生物體內(nèi)的不同組織，其代謝情況有很大差異。腦組織始終以同一速度分解糖，心肌和骨骼肌在正常情況下降解速度較低，但當心肌缺氧和骨骼肌痙攣時可達到很高的速度。葡萄糖的合成主要在肝臟進行。不同組織的糖代謝情況反映了它們的不同功能。

（一）消化

生物所需的能量，主要由糖的分解代謝所提供。生物要利用糖類作能源，首先須將比較復雜的糖分子經(jīng)酵解作用（即消化作用）變成單糖后才能被吸收，進行代謝。生物水解糖類的酶為糖酶。糖酶分多糖酶和糖苷酶兩類。多糖酶可水解多糖類，糖苷酶可催化簡單核苷及二糖的水解。多糖酶的種類很多，如淀粉酶、纖維素酶、木聚糖酶、果膠酶等。

人類食物中的糖類一般以淀粉為主。水解淀粉和糖原的酶稱為淀粉酶。淀粉酶有α-淀粉酶和β-淀粉酶兩種。

（二）吸收

人和動物小腸能直接吸收單糖，通過毛細血管進入血液循環(huán)。不能消化的二糖、寡糖及多糖不能吸收，由腸細菌分解，以CO、甲烷、酸及H形式放出或參加代謝。各種單糖的吸收率不同，D-半乳糖>D-葡萄糖>D-果糖>D-甘露糖>D-木糖>阿拉伯糖。單糖的吸收機制包括被動轉(zhuǎn)運和主動轉(zhuǎn)運，兩種轉(zhuǎn)運都由專一的蛋白質(zhì)與之結(jié)合而跨膜轉(zhuǎn)運。被動轉(zhuǎn)運即溶質(zhì)順濃度梯度轉(zhuǎn)運，吸收慢，不耗能；主動轉(zhuǎn)運即溶質(zhì)逆濃度梯度轉(zhuǎn)運，吸收快，耗能。