營(yíng)養(yǎng)學(xué)/碳水化物的分類、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
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4.1.1 碳水化物的分類
碳水化物分單糖、雙糖、低聚糖、多糖四類。糖的結(jié)合物有糖脂、糖蛋白、蛋白多糖三類。
（1）單糖不能水 解成更簡(jiǎn)單的糖的碳水化物叫單糖。單糖有3到7個(gè)碳原子，依碳原子數(shù)的多少，依次稱為丙、丁、戊、已、庚糖。丙糖和丁糖以中間代謝物的形式存在，自然界存在最多是戊糖和已糖。
（2）雙糖每分子能水解成兩分子單糖的碳水化稱雙糖。營(yíng)養(yǎng)上有意義的雙糖有蔗糖、麥芽糖、乳糖三種。
（3）低聚糖每分子水解成3～8個(gè)分子單糖的碳水化物稱低聚糖，也有人把水解成3～10個(gè)，甚至20個(gè)分子單糖的碳水化物歸入這一類?？稍俜謨深悾核猱a(chǎn)生的所有糖分子都是葡萄糖的稱麥芽糖低聚糖，由3個(gè)葡萄糖分子組成的叫麥芽三糖，四個(gè)葡萄糖分子組成的叫麥芽四糖等等。另一類水解時(shí)產(chǎn)生不止一種單糖，稱雜低聚糖。如大豆中的雜低聚糖水解產(chǎn)生棉子糖和木蘇糖等，人不易消化，無(wú)法利用。但機(jī)體自己合成的雜低聚糖，有很重要的生理功用。
（4）多糖每分子更多分子的單糖的碳水化物是多糖?？稍俜枝?a href="/w/%E8%91%A1%E8%81%9A%E7%B3%96" title="葡聚糖">葡聚糖、β-葡聚糖、雜多聚糖三類。α-和β-葡萄聚糖都是葡萄糖分子組成的，但聯(lián)結(jié)的方式不同，前者是以α-糖苷鍵聯(lián)結(jié)的，后者則用β-糖苷鍵。α-葡聚糖有淀粉、糊精、糖原三類。組成雜多聚糖的不止一種單糖，膳食纖維屬這一類，除纖維素外，膳食纖維還包括半纖維素、果膠、藻類、木質(zhì)素。
（5）糖脂糖和脂質(zhì)的結(jié)合物稱糖脂。簡(jiǎn)單可分兩類：腦苷脂和神經(jīng)節(jié)苷脂。
（6）糖蛋白和蛋白多糖廣義講，碳水化物和蛋白質(zhì)結(jié)合后的化合物都是糖蛋白。糖蛋白的種類很多，并有廣泛的生理功用。30年代以來(lái)，好幾個(gè)科學(xué)家提出了不同的分類方法。
1946年Stacey把蛋白質(zhì)含量低，以碳水化物的化學(xué)反應(yīng)為主的稱粘多糖；蛋白含量高，化學(xué)反應(yīng)以蛋白質(zhì)為主的稱粘蛋白。
1962年Gottschalk根據(jù)碳水化合的結(jié)構(gòu)分成兩大類。簡(jiǎn)言之，有重復(fù)出現(xiàn)的雙糖單位的低聚糖鏈或多糖鏈，與蛋白質(zhì)結(jié)合者稱多糖蛋白，后人把它叫做Protegolycans,這個(gè)名字一直沿用至今，譯作蛋白多糖。以沒(méi)有重復(fù)出現(xiàn)雙糖單位的低聚糖單位的低聚糖鏈與蛋白質(zhì)相結(jié)合的稱糖蛋白。
80年代以來(lái)的分類，從化學(xué)結(jié)構(gòu)出發(fā)，分得很細(xì)，不予介紹了。本章的討論，以Gottschalk的分類法為主。
粘多糖和粘蛋白的名字，現(xiàn)在營(yíng)養(yǎng)學(xué)書(shū)上仍有出現(xiàn)，但含義與Stacey提出的略有不同。粘多糖（Mucopolyscaccharides）指Gottschalk分類的蛋白多糖中的碳水化物部分，或稱氨基多糖（Glycosaminoglycans）。粘蛋白指Gotrtschalk分類中的糖蛋白。有時(shí)把糖脂、糖蛋白和蛋白多糖一起，統(tǒng)稱糖結(jié)合物（Glycoconjugates）。
4.1.2 碳水化物的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)
（1）單糖單糖中的最重要的是葡萄糖，它的結(jié)構(gòu)式有五種表示方法，見(jiàn)圖4-1。
葡萄糖有六個(gè)碳原子，以阿拉伯?dāng)?shù)字計(jì)數(shù)如圖。在圖4-1（A）中可看出第2、3、4、5個(gè)碳原子所連的四個(gè)基都不相同，是不對(duì)稱碳原子。每個(gè)不對(duì)稱碳原子有兩個(gè)異構(gòu)體，羥基在左面或右面代表兩個(gè)不同的化合物。習(xí)慣上把與伯醇基［圖4-1（A）中第6個(gè)碳原子］相連的碳原子的羥基在右面的稱D系的糖。圖4-1（A）中用虛線框出的部分是D系糖必備的結(jié)構(gòu)。所以，圖4-1（A）代表的是D-葡萄糖。
圖4-1（A）所示的開(kāi)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)可以環(huán)合起來(lái)，即第5個(gè)原子上羥基的氫移到第1個(gè)碳原子的羥基氧上，然后連成環(huán)，見(jiàn)圖4-1（B）。這樣，第1個(gè)碳原子也變成不對(duì)稱的的。羥基在右面的稱α，D-葡萄糖，羥基在左面的稱β，D-葡萄糖。
但是六個(gè)碳原子是不在一條直線上的，六個(gè)碳原子的環(huán)是六角形的。為了區(qū)別不對(duì)稱碳原子的構(gòu)型，可把這個(gè)環(huán)表示如圖4-1（C）。環(huán)的平面垂直紙面，粗線表示在環(huán)平面前面的鏈，細(xì)線代表的鏈在環(huán)平面的后面。圖4-1（B）中右側(cè)的
圖4-1 葡萄糖的結(jié)構(gòu)式
羥基寫(xiě)在環(huán)的平面之下，左側(cè)的羥基寫(xiě)在環(huán)的平面之上。這樣表示的結(jié)構(gòu)式叫做Haworth投影式。
事實(shí)上，環(huán)的六個(gè)碳原子并不在一個(gè)面上，X線衍射的結(jié)果說(shuō)明它們是以椅形存在的，如圖4-1（D）。但這樣的表示方法書(shū)寫(xiě)困難，所以一般采用Haworth投影式。并且常簡(jiǎn)化如圖4-1（E），這里把碳和氫都省了，僅用一條垂線表示羥基?，F(xiàn)在國(guó)際上有一種通用的符號(hào)來(lái)代表糖及其衍生物，葡萄糖的是Glc。
自然界存在的葡萄糖，不論在單糖、雙糖、低聚糖或多糖中，都以圖4-1（D）的形式存在。只有在水溶液中，才有約1%以開(kāi)鏈的形式存在。
糖有旋光性。在旋光計(jì)中，有的能使偏振光的平面右旋，有的使之左旋。命名時(shí)，右旋用（+）表示，左旋用（-）表示。不是所有的D系的糖都是右旋的。α，D-葡萄糖是右旋的，它的全名是α，D（+）葡萄糖。一般提到的葡萄糖，除特別指出的以外，都是α，D（+）葡萄糖。
果糖是D系的、β異構(gòu)體、左旋的，全名是β，D（-）果糖。它的環(huán)由五個(gè)碳原子組成，在同一平面上。
圖4-2 β，D（-）果糖
半乳糖是葡萄糖的異構(gòu)體，所不同的是第4個(gè)碳原子上的羥基在環(huán)的上面，而葡萄糖的在環(huán)的下面。符號(hào)Gal。
（2）雙糖在葡萄糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中，第一個(gè)碳原子上有一個(gè)羥基。它可和另一個(gè)有羥基的化合物失水而成為糖苷，形成的鍵叫糖苷鍵。
葡萄糖 葡萄糖苷
糖苷是自然界存在的一大類化合物，有些可作為藥物。
如ROH是一個(gè)單糖分子，這樣結(jié)合的就成為雙糖。如兩個(gè)單糖分子都是葡萄糖，以α-1，4糖甘鍵（即第一個(gè)葡萄糖分子的第1個(gè)碳原子上的羥基和第二個(gè)葡萄分子的第4個(gè)碳原子上的羥基脫水相結(jié)合而形成的鍵，亦寫(xiě)作α1→4）結(jié)合后得到的是麥芽糖。
蔗糖是α，D-葡萄糖和β，D-果糖以α-1→2糖苷鍵結(jié)合的。乳糖是β，D-半乳糖以β-1→4糖苷鍵和α，D-葡萄糖相結(jié)合的。
（3）低聚糖 麥芽三糖到麥芽八糖，都是α，D-葡萄糖以α-1→4和α-1→6糖苷鍵結(jié)合的。雜低聚糖匠結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，將于糖蛋白中加以介紹。
（4）多糖
①淀粉淀粉是由許多葡萄糖分子組成的。與水調(diào)成糊狀并加熱到60～80℃后，可分成直鏈淀粉和支鏈淀粉兩部分。前者約占15%，后者約占85%。
直鏈淀粉也由葡萄糖分子，以α-1→4苷鍵連成一條直鏈，并蜷曲如圖4-3。
支鏈淀粉也由葡萄糖分子組成，它們不僅以α-1→4糖苷鍵連成直鏈，還有分支。分支處是以α-1→6糖苷鍵結(jié)合的。每一支有20～30個(gè)葡萄糖分子。圖4-4是它的示意圖。圖4-5是圖4-4中框出部分的放大，用以表示葡萄分子間的聯(lián)結(jié)方式。
圖4-3 直鏈淀粉示意圖
圖4-4 支鏈淀粉示意圖
圖4-5 葡萄糖分子在支鏈淀粉中的結(jié)合方式
②糖原糖原由6000～3000個(gè)葡萄糖分子組成，結(jié)構(gòu)式和支鏈淀粉相似，不過(guò)分支更多。每一分支約有11～18個(gè)葡萄糖分子。分支處是α1→6糖苷鍵，其余是α1→4糖苷鍵。
③糊精和麥芽低聚糖二者都是淀粉水解的中間產(chǎn)物。結(jié)構(gòu)中有α1→4和α1→6糖苷鍵。
④纖維素纖維素是β-葡萄糖以β1→4糖苷鍵連成直鏈，每鏈約有2800個(gè)葡萄糖分子。結(jié)構(gòu)如圖4-6，圖中葡萄糖分子的環(huán)，是前、后交替地與紙的平面垂直的。
圖4-6 纖維素的結(jié)構(gòu)式
⑤膳食纖維
半纖維素是D-甘露糖、D-木糖、D-葡萄糖、D-半乳糖以β1→4糖苷糖連起來(lái)的，分支上有阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖醛酸。
果膠主鏈葡萄糖醛酸連成的，側(cè)鏈上有鼠李糖、阿拉伯糖、巖藻糖、木糖。
藻類多糖主鏈由甘露糖、木糖、葡萄糖醛酸和葡萄糖組成，側(cè)鏈有半乳糖。
木質(zhì)素木質(zhì)不是碳水化物，是苯丙烷的聚合物。由于和其余膳食纖維同時(shí)存在，且有類似的功用，所以把它作為膳食纖維中的一類。
膳食纖維和粗纖維不同。植物性食物中，有胃腸道不能消化的物質(zhì)，統(tǒng)稱膳食纖維；食物用酸堿處理后的不溶物稱為粗纖維。經(jīng)過(guò)這一處理，大部分膳食纖維都丟失，測(cè)得的數(shù)值僅有膳食纖維總量的20～50%。
⑥單糖的衍生物低聚糖和多糖不僅能由單糖組成，還能由單糖的衍生物所組成。表4-1列出了它們的類別，每類舉一例表示結(jié)構(gòu)式及其名稱和符號(hào)。
表4-1 單糖的衍生物
| 類別 | 結(jié)構(gòu)式 | 名稱 | 符號(hào) |
| 氨基糖 |
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β-D氨基葡萄糖 | ΒDGlen |
| 乙酰氨基糖 | N-乙酰氨基-β-D葡萄 | ΒDGlcNAc | |
| 糖醛酸 | α-L-艾杜糖醛酸 | Αltdu | |
| 硫酸酯 | 4-硫酸-β-D-半乳糖 | ΒDGal-6SO3h |
另有一類組成低聚糖和多糖的單糖衍生物，叫做唾液酸，除有乙酰氨基和羥基外，還和甘油連在一起。結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖4-7，符號(hào)NeuAc。
糖的醛基被氧化后，得糖酸如D-葡萄酸（圖4-8）。醛基被還原成羥基后，得糖醇如山梨醇（圖4-9）。
⑦糖脂糖脂的基本結(jié)構(gòu)是鞘氨醇（圖4-10），它的氨基與脂肪酸（含14～16個(gè)碳原子）脂酰鞘氨醇，符號(hào)為Cer。再與葡萄糖或半乳糖相連成腦苷脂。和低聚糖（由幾個(gè)或多至30多個(gè)單糖或其衍生物組成）相連后成神經(jīng)節(jié)苷脂。已確定結(jié)構(gòu)式的有數(shù)十種，區(qū)別在于糖鏈和脂肪酸的不同。
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| 圖4-7 唾液酸 | 圖4-8 D-葡萄酸 | 圖4-9 山梨醇 |
糖脂的糖鏈，和蛋白多糖的糖鏈常有一部分相同。所以它們的生理功用，有不少相似之處。
圖4-10糖脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)
⑧糖蛋白中低聚糖糖蛋白中的單糖或基衍生物有以下種：
戊糖：阿拉伯糖（Ara）、木糖（Xy1）；
甲基戊糖：巖藻糖（Fuc）；
已糖：葡萄糖、半乳糖、甘露糖（Man）；
乙酰氨基已糖：乙酰氨基葡糖（GlcNAc）、乙酰氨基半乳糖（GallNAc）；
唾液酸。
不同的糖蛋白，由這些單糖或其衍生物中的一部分，組成不超過(guò)15個(gè)單體的低聚糖鏈，再和蛋白質(zhì)結(jié)合而成。糖含量為1～85%。
⑨蛋白多糖中的聚氨基糖這一類糖是多糖。糖鏈中有交替出現(xiàn)的糖醛酸（葡萄醛酸或艾杜糖醛酸）和氨基已糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖或基乙?；a(chǎn)物）。習(xí)慣上說(shuō)成有交替出現(xiàn)的雙糖單位。共分類，見(jiàn)表4-2。
在這七類中，透明質(zhì)酸有羧基，其它六類都有硫酸基，因此聚氨基糖都是多價(jià)的陰離子。
究竟有多少單糖分子聚合成聚氨基糖？根據(jù)來(lái)源而不同，分子量自4000到1000000以上。
表4-2 蛋白多糖中的氨基糖的分類和組成
| 聚氨基糖 | 雙糖單位 | 取代基 | 其它單糖 | |
| 糖醛酸 | 氨基已糖 | |||
| 透明質(zhì)酸 | βDGel | βDGleNAc | Gal;Xyl | |
| 4-硫酸軟骨素 | ΒDGel | ΒDGalNAc | GalNAc 6位硫酸化 | Gal;Xyl |
| 6-硫酸軟骨素 | ΒDGel | βDGalNAc | GalNAc 6位硫酸化 | |
| 硫酸皮膚素 | βDGal αLIeU | αDGlcN | 部分IdU2位硫酸化 部分GalNAc4或6位硫酸化； | Gal;Xyl |
| 硫酸類肝素 | ΒDGal αLIdU | αDGlcN | GlcN氨基乙酰化或硫酸化； 部分GlcN6位硫酸化； 部分IdU2位硫酸化 | |
| 肝素 | βDGal `αLIdU | αDGlcN | GlcN氨基乙?；蛄蛩峄?； 部分GlcN3或6位硫酸化； 部分IdU2位硫酸化 | Gal;Xyl |
| 硫酸角質(zhì)素 | βDGal | βDGlcNAc | 部分GleNAc6 |
GalN;Man; Fuc;NeuAc |
透明質(zhì)酸單獨(dú)存在，一般都是單獨(dú)的一條多糖鏈。其它六類中，除硫酸角質(zhì)素外，都通過(guò)半乳糖-木糖和蛋白質(zhì)的絲氨酸相連結(jié)的，一條肽鏈上可連幾條糖鏈。
4.1.3 碳水化物的物理性質(zhì)
（1）溶解度單糖、雙糖、低聚糖、糊精都溶于水。淀粉不溶，與水加熱后可吸水膨脹，變成糊狀。淀粉經(jīng)酸處理生成可溶淀粉。糖原能分散在水中得乳白色膠態(tài)“溶液”。纖維素不溶。果膠能溶于水。其余膳食纖維可吸水膨脹，吸水量依來(lái)源、周圍液體的PH和離子濃度等而不同。如麥麩可吸收5倍生本身重量的水。吸水后膳食纖維呈海綿狀，細(xì)菌和一些分子能穿插進(jìn)去。糖脂糖的一端親水，脂質(zhì)的一端疏水。糖蛋白和蛋白多糖的糖也都親水。
（2）甜度如以蔗糖的甜度作100，一些糖及糖醇的甜度見(jiàn)表4-3。其中轉(zhuǎn)化糖是蔗糖的水解產(chǎn)物，含葡萄糖和果糖各50%。
表4-3 糖的甜度
| 糖或其衍生物 | 甜度 |
| 果糖 | 173 |
| 轉(zhuǎn)化糖 | 130 |
| 蔗糖 | 100 |
| 葡萄糖 | 74 |
| 山梨醇 | 60 |
| 甘露醇 | 50 |
| 半乳糖 | 32 |
| 麥芽糖 | 32 |
| 乳糖 | 16 |
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