糖類

糖類 圖片來自小紅書

糖類（carbohydrate）是多羥基醛、多羥基酮以及能水解而生成多羥基醛或多羥基酮的有機化合物，可分為單糖、二糖和多糖等。

糖類是自然界中廣泛分布的一類重要的有機化合物。日常食用的蔗糖、糧食中的澱粉、植物體中的纖維素、人體血液中的葡萄糖等均屬糖類。糖類在生命活動過程中起着重要的作用，是一切生命體維持生命活動所需能量的主要來源。植物中最重要的糖是澱粉和纖維素，動物細胞中最重要的多糖是糖原。

目錄

發展歷史

糖類

中國最早有飴、餳、糖等字，都是以糯米為原料，稀的叫飴，乾的叫餳、糖。在六朝時才出現「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，以蔗准過漳木槽取而分成清者，為蔗餳。凝結有沙者為沙糖，漆瓮造成如石如霜如冰者為石蜜、為糖霜、為冰糖。」「糖」與一般所稱的「糖」不同，「糖」是指食糖，泛指一切具有甜味的糖類，如葡萄糖、麥芽糖及最主要的蔗糖，而糖類包括所有單糖、雙糖及多糖，並不僅指含有甜味的物質。

結構

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。

結構通式

以前所有分子式可寫成Cx(H2O)x的化學物質皆被稱為「碳水化合物」，根據這個定義，有些科學家認為甲醛（CH2O）為最簡單的糖類，但是也有其他人認為是乙醇醛（C2H4O2）。但是除了碳數不為一和二的糖類皆被生物化學理解。

自然界的糖類通常都由一種簡單的碳水化合物：單糖所構成，通式為（CH2O）n，(n≥3)。一個典型的單糖具有H-(CHOH)x(C=O)-(CHOH)y-H結構，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。然而有些生物物質像糖醛酸和脫氧糖就不符合此通式，另外還有許多物質的分子式符合這個通式但它並不是糖類（如：甲醛（CH2O）和肌醇（CH2O）6）。

直鏈形式的單糖通常與關環形式的單糖同時存在，這種環狀分子是由醛/酮上的羰基（C=O）與羥基（-OH）反應形成半縮醛，並形成一個新的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；幾丁質是一種被重複的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。

化學性質

澱粉的鑑定

1. 取2支潔淨的試管，用記號筆在試管上部編號（如A和B）備用。

2. 用天平稱取蔗糖和澱粉各2g，分別放入100ml的清水中，溶解後備用。

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

糖類的鑑定

檢驗還原性糖

根據是否具有還原性，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，可以產生磚紅色沉澱。因此，實驗中常用斐林試劑來檢測還原性糖的存在。

1. 取3支潔淨的試管，編號備用。

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

3. 向第3支試管加入澱粉溶液3ml，再滴入1ml稀釋的唾液。

4. 向3支試管內分別加入2ml斐林試劑，隔水加熱2min，觀察並記錄溶液顏色變化情況。

建議考慮：斐林試劑主要是由質量濃度為0.1g/ml的NaOH溶液和質量濃度為0.05g/ml的CuSO4溶液混合配製而成。

蒽酮的試驗

糖類在濃硫酸的作用下，可經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。用上述反應鑑定試樣為糖類後，再進行單糖、雙糖、醛糖或酮糖的區別試驗。

單糖與多糖的鑑定：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分鐘內氧化單糖生成磚紅色的氧化亞銅，有橘黃色或橘紅色沉澱生成，示有單糖存在。由於橘黃色的沉澱懸浮在藍色的乙酸銅溶液中，故有時出現綠色。

酮糖的鑑定：Seliwanoff試驗

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

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

分類

單糖

單糖－糖類種結構最簡單的一類，單糖分子含有許多親水基團，易溶於水，不溶於乙醚、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，核糖是RNA的組成物質，脫氧核糖是DNA的組成物質。葡萄糖、果糖的分子式都是：C6H12O6。他們是同分異構體。

生物體內的單糖有多種，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。

單糖由於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：(CH2O)n，因其都是碳和水分子的倍數而稱為：「碳水化合物」。單糖是一種重要的燃料分子，也是核酸的結構片段。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C6H12O6）

單糖可由三種不同的特徵片段來分類：羰基的位置；分子內的碳原子數以及其手性構型。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）並具有不對稱性，使它們的手性中心可以是R或S兩種構型。因為這種不對稱性，一個確定的糖的分子式可以多種異構體存在。例如：醛糖D-葡萄糖具有分子式(C·H2O)6，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體，同時也是對映體和差向異構體。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，若羥基在右側則分子為D型糖，左側則為L型糖。這裡要注意：「D-」和「L-」前綴不可與「d-」和「l-」相混淆，後者指的是偏振光在糖分子平面下的旋轉。「d-」和「l-」在糖化學中現已不太使用。

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。由五個或六個原子組成環的分別稱為呋喃糖與吡喃糖，這些環狀糖與直鏈形式的糖存在化學平衡。由直鏈糖形成環狀糖的過程中，含有羰基氧原子的碳原子稱為：異頭碳。這個碳原子在成環後便成為分子內的手性中心，具有兩種可能的構型：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體稱之為：異頭物。若在異頭碳上的-OH取代基與環外CH2OH基團成反式構型（即不在環一側）時，則稱為：α異頭物；另外一種情況兩者在環的同一側，呈現順式構型，則稱為：β異頭物。由於環狀糖與直鏈糖本身會互相轉化，因此兩種異頭物存在着平衡。費歇爾投影式中，α異頭物被表達為：異頭羥基與CH2OH呈現反式，而β異頭物則為順式。

二糖

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。未經修飾的二糖化學式可表達為：C12H22O11。雖然雙糖種類繁多，但大多數並不常見。

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

蔗糖是存量最為豐富的二糖，它們是植物體內存在最主要的糖類。紅糖，白糖，冰糖等都是由蔗糖加工製成的。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）。後綴-糖苷表明了：兩個單糖異頭碳參與了糖苷鍵的形成。

乳糖廣泛的存在於天然產物中，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式轉變成醛（酮）式。這種二糖就沒有變旋現象和還原性，也不能生成糖脎，因此稱為非還原性二糖。

此外，三糖是水解後生成三分子的單糖。如棉子糖。澱粉是儲蓄物質，纖維素是組成細胞壁，糖原是儲能物質。

多糖

化學式為（C6H10O5)n，包括澱粉、纖維素、糖原和木糖。

複合糖

糖類的還原端和蛋白質或脂質結合的產物。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。糖類和蛋白質結合有以蛋白質為主的稱糖蛋白，如血液中的大部分蛋白質；也有以糖為主的，如蛋白聚糖是動物結締組織的重要成分。和脂質結合的，如脂多糖存在於細菌的外膜，成分以多糖為主；另外有稱為糖脂的，組成以脂質為主，大多和細胞的膜連繫在一起。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）。

複合糖的不對稱：糖脂和糖蛋白只分布於細胞的外表面。

低聚糖和多聚糖

低聚糖和多聚糖都是由單糖單元通過糖苷鍵組成的長鏈分子。兩者的區別在於單糖單元在鏈上的數量：低聚糖通常含有3－10個單糖單元，而多聚糖則超過10個單糖單元。實際應用中，糖的分類更傾向於個人的判斷，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。

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

多聚糖－由10個以上單糖分子聚合而成。經水解後可生成多個單糖或低聚糖。根據水解後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，水解後生成同種單糖。如阿拉伯膠、糖原、澱粉、纖維素等。澱粉和纖維素的表達式都是（C6H10O5）n。但他們不是同分異構體，因為他們的n數量不同。其中澱粉n<纖維素n。

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