2015環(huán)科有機化學教學-14碳水化合物

碳水化合物

碳水化合物是C、H、O三元素組成一類多羥基醛或多羥基酮化合物，而且絕大多數(shù)氫原子是氧原子的兩倍。即氫與氧為2：1。它們的比例與水分的組成相同（水分子H2O）。因此被人們稱為“碳水化合物”即寫成CH2O。它們可用通式Cn(H2O)m表示，好像碳的水化物。但是籠統(tǒng)地說糖類稱為CH2O是不太確切的。比如，我們熟悉的甲醛，它的分子式為CH2O，醋酸C2H4O2，乳酸C3H6O3，從它們的結(jié)構(gòu)上講都類似于H與O＝2：1的關(guān)系。按照這個比例它們都應屬于碳水化合物，但是以上幾個物質(zhì)都沒有糖類的特性，所以它們不是碳水化合物。又比如，Ｃ5Ｈ10Ｏ4去氧核糖，還有鼠李糖Ｃ6Ｈ12Ｏ5。這些屬于糖類，但不符合上面的比例。因此稱碳水化合物是C、H、O組成，通式為Cn(H2O)m是不確切的，但是歷史上一直沿用下來，而且人們也習慣了，所以至今仍然采用。

我們都知道人的一切生命活動都離不開能量，而碳水化合物是三大產(chǎn)能營養(yǎng)素中最主要最經(jīng)濟的能量來源。更為重要的是，大腦工作時所需的唯一直接來源，是一種叫“葡萄糖(碳水化合物中的一種)”的物質(zhì)，這是其他營養(yǎng)素無法替代的.化學分類：

1、單糖

2、低聚糖（蔗糖、乳糖、麥芽糖）-------有效碳水化合物3、多糖

營養(yǎng)性多糖（淀粉、糖原）構(gòu)造性多糖（纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠）-------無效碳水化合物營養(yǎng)角度分：有效碳水化合物、無效碳水化合物（膳食纖維）有效碳水化合物：對人體有營養(yǎng)（提供能量）性的稱做有效碳水化合物，它分為糖、低聚糖、多糖。

單糖碳原子數(shù)為C2-7的糖類，不因水解作用而生成糖單糖根據(jù)其羰基所在位置分為2類。羰基在分子末端的為醛糖；羰基在其他位置的稱酮糖。又可根據(jù)所含碳原子的數(shù)目分為丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖.目前已知的天然單糖超過百種，可以游離形式或結(jié)合形式存在。特別重要的單糖是戊糖和己糖單糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)有α-和β-兩種構(gòu)型，因此由α型的半縮醛羥基形成的苷鍵，稱為α-苷鍵；由β型半縮醛羥基形成的苷鍵，稱為β-苷鍵。麥芽糖和纖維二糖就是由兩個葡萄糖分子通過不同的苷鍵組成的二糖。重要的單糖

葡萄糖（glucose）

是最重要的動物單糖，也是最豐富的天然有機化合物。是淀粉、糖原、纖維素等多糖物質(zhì)的基本單位，血液中的正常成分。在許多甜果、蜜和血中有游離形式的葡萄糖，它也是許多寡糖和多糖的組分。葡萄糖是一種己醛糖；用于復合詞中簡稱葡糖。在工業(yè)上，用酸或酶水解土豆或玉米淀粉來制造葡萄糖。從葡萄糖經(jīng)不同形式的發(fā)酵可生成酒精，乳酸、醋酸或檸檬酸。葡萄糖用作營養(yǎng)劑或調(diào)味劑。吡喃糖大于99%，其中α式占36.4%，β式占63.7%。α呋喃糖存在小于1%，幾種形式共同存在，為一個動態(tài)的平衡體系。2、雙糖雙糖是由兩分子單糖經(jīng)苷鍵連接而成的化合物。在結(jié)構(gòu)上也可看成是苷，不過苷元部分不是醇或酚，而是另一分子的單糖，即其中一個單糖分子的半縮醛羥基與另一單糖分子的醇羥基或半縮醛羥基脫去一分子水而構(gòu)成的苷。經(jīng)過水解后可產(chǎn)生二分子相同或不同單糖者，例如蔗糖(sucrose)、乳糖(lactose)及麥芽糖(maltose)。還原性二糖與非還原性二糖

二糖是兩分子單糖失水生成的糖苷。失水的方式有兩種：一分子單糖的半縮醛羥基與另一單糖的醇羥基失水，生成的二糖仍保留一個半縮醛羥基，其水溶液具有還原性和變旋光現(xiàn)象，稱為還原性二糖，如麥芽糖、乳糖等。若兩分子單糖的半縮醛羥基之間失水，生成的二糖結(jié)構(gòu)中無半縮醛羥基，因而無還原性和變旋光現(xiàn)象，稱為非還原性二糖，如蔗糖等。常見二糖的存在：

A：蔗糖——由一分子葡萄糖和一分子果糖以α糖苷鍵連接而成。日常食用白糖即蔗糖，是由甘蔗或甜菜提取而來。

B：麥芽糖——由兩分子葡萄糖以α糖苷鍵連接而成。是淀粉的水分解產(chǎn)物，存在于麥芽中。

C：乳糖——有一分子葡萄糖與一分子半乳糖以β糖苷鍵連接而成。存在于乳中。

D：海藻糖——由兩分子葡萄糖組成，存在于真菌及細菌中。蔗糖

非還原性二糖主要是蔗糖，是廣泛存在于植物中的二糖，利用光合作用合成的植物的各個部分都含有蔗糖。例如，甘蔗含蔗糖14%以上，北方甜菜含蔗糖16-20%（因此也稱為甜菜糖），但蔗糖一般不存在于動物體內(nèi)。市場上賣的白糖、紅糖都是來源于甘蔗或甜菜。自然界分布最廣的非還原性二糖，分子式C12H22O11，存在于許多植物中，以甘蔗和甜萊中含量最高，因此得名。純凈的蔗糖是無色晶體易溶于水，比葡萄糖、麥芽糖甜，但不如果糖甜。蔗糖是由一分子葡萄糖和一分子果糖縮合失去一分子水而成，葡萄糖分子中的醛基和果糖分子中的酮基都被破環(huán)，因此沒有還原性，屬非還原性二糖。蔗糖在酸或蔗糖酶的作用下，水解生成等量的葡萄糖和果糖。因此其水解產(chǎn)物有還原性。蔗糖的性質(zhì)：

為無色晶體，熔點186℃，易溶于水，水溶液的比旋光度為+66.7o。無還原性。（1）

不能與土倫試劑和費林試劑反應（無游離的醛基）。（2）不能與苯肼反應生成糖脎。（3）

無變旋光現(xiàn)象。（4）

蔗糖水解后，旋光度發(fā)生改變。麥芽糖是一種還原性二糖，分子式C12H22O11，與蔗糖互為同分異構(gòu)體，它由兩個葡萄糖分子失去一分子水縮合而成，分子中保留一個醛基，因此具有還原性。麥芽糖在稀酸中水解得到兩分子葡萄糖.

麥芽糖是淀粉的基本組成單位，可以說淀粉是麥芽糖的高聚物。用淀粉酶水解淀粉可以得到麥芽糖(參看淀粉的性質(zhì))。麥芽糖的甜度低于蔗糖，是飴糖的主要成分。食品中重要糖質(zhì)原料。乳糖

1、來源：存在于哺乳動物的乳汁中，人乳中含乳糖5-8%，牛乳中含乳糖4~6%。乳糖的甜味只有蔗糖的70%。有些水果中也含有乳糖。

2、

結(jié)構(gòu)：由β-D-吡喃半乳糖的苷羥基與D-吡喃葡萄糖C4上的羥基縮合而成的半乳糖苷。由一分子葡萄糖和一分子半乳糖所構(gòu)成。

乳糖

3、物理性質(zhì)：不甜，其它與單糖相同，一般為含一結(jié)晶水的白色結(jié)晶性粉末，溶點202℃，易溶于水，比旋度為+53.5o。

4、化學性質(zhì)：具有還原糖的通性、還原性、成脎，與HNO3共煮可產(chǎn)生粘度。

5、代謝：乳糖被人體小腸中乳糖酶，一種能水解β-半乳糖苷的酶）水解生成半乳糖和葡萄糖。海藻糖纖維二糖3、糖醇

有木糖醇、山梨醇和麥芽糖醇等。

山梨醇：在很多水果中都存在，其甜度只有蔗糖的一半，熱能稍低于葡萄糖，食用后在血液中不會轉(zhuǎn)化為葡萄糖，代謝不受胰島素的支配，是糖尿病并發(fā)肝臟病、膽囊炎等患者適宜的甜味劑。

麥芽糖醇：其甜度和蔗糖接近，攝入后不產(chǎn)生熱能，不引起血糖升高，也不會合成脂肪和刺激膽固醇的形成。它是糖尿病、冠心病、肥胖病患者較理想的甜味劑。蔗糖素

(sucralose

三氯蔗糖)蔗糖素是繼阿斯巴甜（Aspartame）、AK糖（Acesulfame-k）之后開發(fā)的新一代甜味劑.蔗糖素的特性

化學名稱為１,４,６－三氯蔗糖TGS，是蔗糖分子中的三個羥基被氯原子選擇性地取代而得到的高甜度甜味劑，１９９１年加拿大首先批準用于食品，甜度為蔗糖的６００－６５０倍。

◆甜度高，甜味純正。其甜度大約是蔗糖的600倍，是阿斯巴甜的3倍，而且甜味純正，與蔗糖極其相似。

◆絕對安全性，沒有任何安全毒理方面的疑問，ADI值為15mg/kg。

◆性質(zhì)穩(wěn)定，蔗糖素具有很好的溶解性和穩(wěn)定性，其結(jié)晶產(chǎn)品在20℃的干燥條件下可貯藏4年，在水溶液和飲料中（PH值為3～5）和通常溫度下，可以貯藏1年以上而不發(fā)生任何變化。蔗糖素沒有化學活潑基團，它與其他食品組分發(fā)生反應的可能性很小，因此可在任何食品配料系統(tǒng)和加工過程中使用。

◆在保健方面，由于其熱值為零，不會引起肥胖，可供肥胖病人、心血管病患者與老年人以及渴望控制體重的人士食用；攝入后不會引起血糖波動，可供糖尿病人食用；在口腔不被微生物代謝，也不會酶解，故不會引起齲齒，對牙齒健康十分有利。二、低聚糖低聚糖又稱寡糖，主要包括：低聚乳糖、低聚半乳糖、低聚果糖、低聚異麥芽糖、大豆低聚糖、棉籽糖等。主要存在于人乳、大豆、棉籽、桉樹、甜菜、龍膽屬植物根及淀粉的酶水解物中。保健作用主要有：(l)改善人體內(nèi)微生態(tài)環(huán)境，有利于雙歧桿菌和其它有益菌的增殖，經(jīng)代謝產(chǎn)生有機酸使腸內(nèi)pH值降低，抑制腸內(nèi)沙門氏菌和腐敗菌的生長，調(diào)節(jié)胃腸功能，并增加維生素合成，提高人體免疫功能；(2)低聚糖類似水溶性植物纖維，能改善血脂代謝，降低血液中膽固醇和甘油三酯的含量；(3)低聚糖屬非胰島素所依賴，不會使血糖升高，適合于高血糖人群和糖尿病人食用；因此，低聚糖作為一種食物配料被廣泛應用于乳制品、乳酸菌飲料、雙歧桿菌酸奶、谷物食品和保健食品中。三、多糖多糖分淀粉多糖和非淀粉多糖。淀粉分支鏈淀粉，直鏈淀粉和改性淀粉。淀粉是植物界中存在的極為豐富的有機化合物。淀粉以球狀顆粒貯藏在植物中，顆粒的直徑為3～100μm，是植物貯存營養(yǎng)的一種形式。天然的淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，大多數(shù)淀粉含直鏈淀粉10％～12％，含支鏈淀粉80％～90％。玉米淀粉含27％直鏈淀粉；馬鈴薯淀粉含20％直鏈淀粉；糯米淀粉幾乎全部是支鏈淀粉；有些豆類的淀粉則全是直鏈淀粉。直鏈與支鏈淀粉直鏈淀粉又稱可溶性淀粉，溶于熱水后成膠體溶液，容易被人體消化。分子量約1萬-200萬，250-260個葡萄糖分子，以α（1->4）糖苷鍵聚合而成。呈螺旋結(jié)構(gòu)，遇碘顯紫藍色。支鏈淀粉是一種具有支鏈結(jié)構(gòu)的多糖，它不溶于熱水中。支鏈淀粉中除了α（1-4）糖苷鍵構(gòu)成糖鏈以外，在支點處存在α（1-6）糖苷鍵，分子量較高。遇碘顯紫紅色。淀粉可供食用。在人體內(nèi)，它首先在淀粉轉(zhuǎn)化酶作用下發(fā)生水解反應，生成糊精。糊精進一步水解，生成麥芽糖。最后，麥芽糖可以水解為葡萄糖。因此，淀粉在人體內(nèi)最終轉(zhuǎn)化為葡萄糖，便于人體很好地吸收。改性淀粉原淀粉受天然物理化學性質(zhì)的限制，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展和食品生產(chǎn)的要求，必須對淀粉進行處理，改變其結(jié)構(gòu)最終改變其物化性質(zhì)，由此產(chǎn)生出變性淀粉。常用的變性處理方法有化學法、物理法和酶法三種。目前市場上使用的變性淀粉大多數(shù)是由化學法生產(chǎn)的。當變性淀粉應用于食品工業(yè)時，人們考慮到自身的安全而對該化學方法處理的變性淀粉有所顧忌。常用的物理方法包括擠壓、微波、超聲波等方法，由于物理法在生產(chǎn)過程中不使用化學試劑，不存在化學變性淀粉的弊端，在食品等要求安全性較高的行業(yè)有著得天獨厚的優(yōu)勢。抗性淀粉（ResistantStarch）“抗性淀粉”是近年來興起的一個新概念，1992年世界糧農(nóng)組織根據(jù)專家建議，將其定義為“健康者小腸中不吸收的淀粉及其降解產(chǎn)物”。近年的研究已經(jīng)初步證明，“抗性淀粉”不能被小腸消化吸收和提供葡萄糖，它在結(jié)腸中可被生理性細菌發(fā)酵，產(chǎn)生短鏈脂肪酸和氣體，刺激有益菌群生長，其有益作用與膳食纖維相似，被認為屬于膳食纖維的一種?！翱剐缘矸邸蹦壳耙殉蔀闅W美國家食品、營養(yǎng)研究的熱點。食物中存在的抗性淀粉分三類：（1）物理包埋淀粉、如部分碾磨過的谷類、種子或外皮破裂后，淀粉才溢出；（2）抗性淀粉顆粒，如青香蕉、未煮過的土豆、豌豆等；（3）已老化的淀粉。食物中抗性淀粉含量最高的是工業(yè)制造純抗性淀粉（含量72．6％）、高直鏈玉米淀粉（含68．8％）、生土豆淀粉（含量64．9％）、青香蕉（含量57％），含量大于15％的還有生豆、直鏈玉米淀粉、老化后的直鏈淀粉等，未經(jīng)加工過的小麥粒等。

比如生土豆抗性淀粉含量高達７５％，而煮熟了的土豆僅含３％，一旦冷卻又增加到１２％。再如薯類，生薯內(nèi)含抗性淀粉５０％～６０％，而熟薯類降至７％。

一、淀粉水解

許多用酸或堿的水解反應，可用酶水解法代替，如蛋白質(zhì)，多糖的水解，還能防止殘基的構(gòu)型變化。由淀粉制造葡萄糖，過去是用鹽酸在高溫高壓下水解的，在水解的過程中，同時產(chǎn)生褐色的羥甲基糖醛及龍膽二糖。為了精制葡萄糖，必須反復結(jié)晶，因而收率不高。用酶法水解淀粉，在常溫常壓下進行，副產(chǎn)物少，容易精制，收率高，成本低，現(xiàn)在已被廣泛地運用。根據(jù)淀粉酶對淀粉的不同催化水解方式，可以將它們分為α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和異淀粉酶4種。

α-淀粉酶：只催化水解α-1，4糖苷鍵，只能催化水解直鏈淀粉，生成物是α-麥芽糖和少量的葡萄糖。

β-淀粉酶：只能催化水解α-1,4糖苷鍵，可以將直鏈淀粉全部水解為麥芽糖。葡萄糖淀粉酶：既可以催化α-1,4糖苷鍵水解，又可以催化水解β-1,4糖苷鍵，催化水解產(chǎn)物為全部是葡萄糖。異淀粉酶：只能催化水解α-1,6糖苷鍵，使支鏈淀粉形成直鏈糊精。二、淀粉糊化

淀粉糊化又稱為淀粉α－化，是指淀粉在水中加熱，淀粉粒吸水膨脹，如果繼續(xù)加熱至60℃～80℃時，淀粉粒破壞而形成半透明的膠體溶液。糊化后的淀粉，由于多糖分子吸水膨脹以及氫鍵斷裂，使之容易被淀粉酶水解，易于消化。糊化的淀粉因破壞了天然淀粉的束狀結(jié)構(gòu)而變得松弛、有利于淀粉酶的作用，因而可提高它在人體中的消化吸收率。一般含有淀粉的食物原料，在烹飪中都要使淀粉糊化后才能食用。許多方便食品，如方便米飯、方便粥、方便面就是利用淀粉糊化，使生淀粉變成。α－淀粉，以改善口感和提高消化率。

第三節(jié)糖的化學性質(zhì)一、氧化反應單糖分子中有醛（酮）基、伯醇基、仲醇基和鄰二醇基結(jié)構(gòu)，其易氧化程度為醛（酮）基＞伯醇基＞仲醇基Ag+、Cu2+、Br2/H2O可將醛基氧化成羧基Ag+、Cu2+、Br2/H2O硝基可使醛糖氧化成糖二酸

稀HNO3過碘酸氧化反應：反應特點：1.主要作用于鄰二醇羥基、α-氨基醇、α-羥基醛（酮）、α-羥基酸、鄰二酮和某些活性次甲基結(jié)構(gòu)。2.反應速度：順式鄰二醇羥基＞反式（中性或弱酸性）；順式≌反式（弱堿性）。3.對固定在環(huán)的異邊并無扭曲余地的鄰二醇羥基不反應。4.反應定量進行。5.反應在水溶液或含水溶劑中進行。應用：該反應可用來推測糖的種類、糖的氧環(huán)的大小、糖與糖的連接位置、分子中鄰二醇羥基的數(shù)目以及碳的構(gòu)型等。

過碘酸氧化反應：酯鍵開裂二、糠醛形成反應糠醛及衍生物與α-萘酚縮合物Molish反應紫色