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糖類
碳、氫、氧組成的有機化合物
碳水化合物是多元羥基的醛、酮化合物以及它們的聚合物或衍生物，也稱糖類，一般由碳、氫、氧三種元素組成，其在自然界分布廣泛，主要以游離態(tài)和化合物兩種形式存在。碳水化合物可分為單糖、低聚糖以及多糖，單糖和二糖具有甜味，多聚糖無甜味，所有的碳水化合物都具有旋光性，碳水化合物的結構能被濃的強堿破壞，部分糖能與酸反應發(fā)生脫水或水解，一般具有醛基、酮基或半縮醛的糖有還原性能夠發(fā)生成脎反應。碳水化合物是一種重要的營養(yǎng)物質，具有提供熱量、抗生酮、構成組織、節(jié)省蛋白質、保肝解毒等生理作用，攝入碳水化合物過少和過多均會危害人體健康。
基本信息
中文名
碳水化合物
英文名
Carbohydrate
別名
糖類
歷史
糖類具有人類喜愛的甜味，碳水化合物的歷史可以從食用甜味開始。人類約5000多年前就有使用蜂蜜為甜味料的歷史。古書《詩經》《大雅》中有關于“飴”的記載，證明在公元前約一千年中國人已經開始采用酶水解法制飴糖。1801年，樸羅斯特（Proust）從葡萄汁中提取出了葡萄糖，這也是葡萄糖名稱的由來。1811年，德國化學家柯喬夫（Kirchoff）發(fā)明了用硫酸處理馬鈴薯（酸法水解淀粉）制取糖類的方法。1812年俄羅斯化學家提出植物中碳水化合物主要以淀粉的形式存在，在烯酸中加熱能夠水解得到葡萄糖的觀點。
1844年，施密特（Schmidt）發(fā)現碳水化合物含有的碳、氫、氧三種元素中，氫氧的比例正好與水相同，因而將它們命名為碳水化合物。1900年左右，德國科學家費希爾（E.Fisher）最早測定了單糖的化學結構，奠定了碳水化合物結構和功能研究的化學基礎。后來科學家發(fā)現甲醛（CH2O）等不屬于碳水化合物的分子也有同樣的元素組成比例，而一些碳水化合物如脫氧核糖（C5H10O4）等又不符合這一比例，因而1927年國際化學名詞審查委員會曾建議用“糖質（Glucide）”來代替“碳水化合物（Carbohydrates）”，但由于沿用習慣，碳水化合物一詞仍被廣泛使用。
約1960年，日本開始采用α-淀粉酶液化和糖化酶糖化的方法制備結晶葡萄糖。到1966年，日本使用異構酶生產果葡萄糖漿。到2000年以后，碳水化合物及其衍生物的產品種類有了極大豐富，如傳統(tǒng)的淀粉糖漿、果葡萄糖漿、結晶葡萄糖、蔗糖、全糖、冰糖、各式硬糖、各式軟糖、麥芽糊精、β-環(huán)糊精等，相對較晚開發(fā)出的無糖糖果、乳果低聚糖、海藻糖、麥芽糖醇、木糖醇、山梨糖醇等多種產品。
定義
需要注意的是滿足通式Cn(H2O)m的并非都是碳水化合物，如甲醛（CH2O）、乙酸（C2H4O2）、乳酸（C3H6O3）等；另外也并非所有的碳水化合物及其衍生物都符合此通式，如脫氧核糖（C5H10O4）、鼠李糖（C6H12O5）等。
分類
碳水化合物根據單元結構可分為單糖、低聚糖和多糖三類。
單糖
單糖（Monosaccharide）主要為不能進一步水解的多羥基醛或多羥基酮，是糖類的最小組成單位。根據分子中碳原子數量可分為丙糖（Trios）、丁糖（Tetrose）、戊糖（Pentose）等，根據其中含有羰基的特點可分為醛糖（Aldoses）、酮糖（Ketoses），比較重要的單糖有葡萄糖（己醛糖）、半乳糖、木糖、果糖（己酮糖）、阿拉伯糖等。此外還有單糖衍生物糖酸、糖苷、糖二酸、脫氧糖、糖醇、氨基糖、脫水糖等。
低聚糖
低聚糖（Oligosaccharides）通常由兩個或幾個分子的單糖經由糖苷鍵組成，其水解后能生成2-10個分子的單糖縮合組成的物質，完全水解后會得到相應分子數的單糖。按水解后得到單糖的數目，可分為二糖（Disaccharides）、三糖（Trisaccharides）、四糖（Tetrasaccharides）等，其中最為重要的是乳糖、蔗糖、麥芽糖等二糖。低聚糖又可分為由同一種單糖聚合成的均低聚糖（麥芽糖等）和由不同種單糖聚合成的雜低聚糖（蔗糖、棉籽糖等）。
多糖
多糖（Polysaccharides）是含10個以上單糖的縮合物，結構與低聚糖相似，是高分子聚合物。自然界存在的多糖一般由一百以上的單糖構成，多的可達上千個，如淀粉（Starch）、纖維素（Cellulose）等。多糖分子中，由一種單糖組成的多糖叫做均多糖，如淀粉和纖維素；由兩種或以上單糖組成的多糖叫做雜多糖，最復雜的雜多糖含有四種單糖。
分布
碳水化合物在自然界分布廣泛，在動物、植物、微生物中均有分布，主要以游離和化合兩種形式存在。碳水化合物在植物中的分布最多，經植物光合作用生成，占植物干重的50%-80%。生物細胞以及血液中含有葡萄糖或葡萄糖等單糖組成的多糖，人和動物器官組織中的含糖量小于體內干重的2%，微生物體內含糖量約占菌體干重的10%-30%。
碳水化合物 | 存在形式 | 分布情況 | |
單糖 | D-甘油糖 | 碳水化合物代謝中間產物 | |
D-核糖 | 化合 | 細胞核的核酸中 | |
D-阿拉伯糖 | 化合 | 糖苷中 | |
L-阿拉伯糖 | 化合 | 樹膠、半纖維素、糖苷、果膠、細菌多糖中 | |
D-葡萄糖 | 游離、化合 | 在果汁、蜂蜜、血液、植物汁中以游離形式存在；在低聚糖、多糖、糖苷中以化合形式存在 | |
D-果糖 | 游離、化合 | 在果汁、蜂蜜、植物汁中以游離形式存在；在棉子糖、蔗糖、菊糖中以化合形式存在 | |
D-半乳糖 | 化合 | 乳糖、樹膠、果膠、半纖維素、棉子糖中 | |
L-半乳糖 | 化合 | 樹膠、瓊脂中 | |
低聚糖 | 蔗糖 | 游離 | 甜菜、甘蔗等汁液中 |
乳糖 | 游離 | 乳汁中 | |
麥芽糖 | 化合 | 糖原、淀粉中 | |
纖維二糖 | 化合 | 纖維素中 | |
蜜二糖 | 化合 | 棉子糖中 | |
異麥芽糖 | 化合 | 糖原、支鏈淀粉中 | |
龍膽二糖 | 化合 | 糖苷中 | |
龍膽糖 | 游離 | 龍膽核中 | |
棉子糖 | 游離 | 棉子、甜菜汁中 | |
多糖 | 淀粉 | 植物根、塊莖、籽粒中 | |
纖維素 | 各種植物中 | ||
糖原 | 肝臟、肌肉組織以及多種霉菌中 | ||
甲殼素 | 甲殼動物殼 | ||
半纖維素 | 各種植物中 | ||
果膠 | 各種植物中 | ||
樹膠 | 若干種林木中 | ||
菊糖 | 菊芋中 | ||
理化性質
物理性質
晶形與溶解度
單糖和二糖均能結晶且具有一定的晶形，能溶于水，其中乳糖的溶解度較小。淀粉外觀為無定型粉末，生淀粉顆粒不溶于水，在熱水中會膨脹解體形成膠體溶液，其他多糖在水中也能形成膠體溶液，除了纖維素在水中加熱煮沸也不會溶解。
甜味
單糖、二糖具有甜味，其中乳糖的甜味最小，多糖沒有甜味。
旋光性
化學性質
與堿反應
糖的結構會被濃的強堿破壞，而糖在弱堿或稀的強堿的作用下會先生成烯醇式中間體，該烯醇式中間體能夠轉變成互為同分異構體的葡萄糖、甘露糖、果糖。
與酸反應
2.濃硝酸這類氧化性強酸與醛糖一起加熱，會先生成糖酸，最終得到二元酸。例如將葡萄糖和濃硝酸一同加熱，會先生成葡萄糖酸，再生成葡萄糖二酸；半乳糖與濃硝酸一起加熱會先生成半乳糖酸，最后得到半乳糖二酸（粘酸）。
3.通常二糖以及多糖加稀酸煮沸能夠水解成單糖，例如淀粉、糖原、麥芽糖等能夠水解成葡萄糖，反應方程如下：
其他如乳糖與濃硝酸一起加熱能水解成葡萄糖和半乳糖，而后會繼續(xù)發(fā)生氧化，半乳糖會轉化為粘酸沉淀，可通過此性質鑒別乳糖；纖維素需要用很濃的強酸以及長時間煮沸才能發(fā)生水解。
還原性
通常具有醛基、酮基或半縮醛的糖有還原性，能夠發(fā)生銀鏡反應，也能被斐林試劑氧化，加熱條件下能夠將金屬氫氧化物還原，糖自身則被氧化。需要注意的是多糖分子由于本身分子量很大，雖含有非常少量的醛基以及酮基，但對于多糖分子來說近乎等于無，因而沒有還原作用。
成脎反應
還原糖中的醛基或酮基能與苯肼縮合生成苯腙，而后另一份子苯肼會將苯腙氧化成有酮基（或醛基）的酮腙（醛腙），最后酮腙再與一分子苯肼縮合成脎。各種糖脎均呈黃綠色沉淀，不溶于水，并且各種糖成脎時間以及熔點均不相同，可利用此特性識別各種糖。
生醇發(fā)酵
淀粉、麥芽糖、蔗糖等能在普通酵母的作用下先水解成己糖，而后發(fā)酵生成乙醇。戊糖不能發(fā)酵，乳糖以及半乳糖都難以發(fā)酵，可利用這一點鑒別乳糖。
物質鑒別
斐林試劑
斐林試劑可用于還原糖的鑒別，使用時需現用現配。檢測步驟為向樣品的水溶液中加入斐林試劑，而后水浴加熱數分鐘，若樣品為還原性糖，則會生成磚紅色沉淀。如果檢測的樣品為非還原性低聚糖或多糖，先加稀酸進行水解，然后再與斐林試劑反應，也會產生磚紅色沉淀。
成脎反應
莫立許反應
層析法
消化吸收和代謝
消化
口腔消化
胃內消化
口腔內的碳水化合物被吞咽進入胃后，其中含有的唾液淀粉酶短時間內仍能繼續(xù)使淀粉水解。當胃酸和胃蛋白酶滲入食團后，pH會下降至1-2，此時淀粉酶無法發(fā)揮作用（唾液淀粉酶最適宜的環(huán)境為pH6-7），并且會被胃蛋白酶水解。胃液中的胃酸很強，但胃液中并不含任何能水解碳水化合物的酶，因而碳水化合物在胃中幾乎沒有消化。
腸內消化
腸腔消化過程中主要的水解酶是來自胰液的α-淀粉酶（胰淀粉酶），其性質作用與唾液淀粉酶一致，適宜工作的pH為6.3-7.2。胰淀粉酶對末端α-1,4-糖苷鍵以及鄰近α-1,6-糖苷鍵的α-1,4-糖苷鍵不起作用，但是能夠水解淀粉中的其他α-1,4-糖苷鍵。在腸腔中淀粉會被水解為麥芽三糖（約占65%）、麥芽糖、異麥芽糖、α-臨界糊精以及少量的葡萄糖等。
淀粉在口腔以及腸腔中消化得到的各種中間產物，會在小腸粘膜上皮細胞表面被進一步消化。小腸粘膜上皮細胞刷狀緣上有豐富的糖淀粉酶、α-糊精酶、糖淀粉酶、異麥芽糖酶、麥芽糖酶、蔗糖酶等，它們能夠將可消化的多糖以及寡糖完全消化成葡萄糖以及少量的果糖和半乳糖。
吸收
碳水化合物被消化成單糖后，能在小腸的空腔被細胞吸收。這些單糖首先會進入腸黏膜上皮細胞，而后進入小腸壁的毛細血管，在門靜脈會和并進入肝臟，最后經大循環(huán)輸送到人體的各個器官，少量的單糖可能會經淋巴系統(tǒng)進入大循環(huán)。人體對單糖的吸收是一種耗能的主動吸收，在腸粘膜上皮細胞刷狀緣上有一種特異的運糖載體蛋白，不同的載體與不同單糖結合的能力不同，因而對不同單糖的吸收效率也有差異。食物中的碳水化合物經消化吸收后主要有被直接利用、轉化成糖原和轉化成脂肪這三種結果。
代謝
無氧氧化
碳水化合物在人體內首先經糖酵解途徑降解為丙酮酸，在無氧條件下，丙酮酸在胞漿內會被還原成乳酸，這個過程叫做無氧氧化。此過程中每克葡萄糖能夠產生2分子能量（ATP）。這條途徑雖然產能較少但在體內缺氧時是一條必不可少的補充能量的途徑，例如在人體進行劇烈運動或者患哮喘、肺氣腫等疾病時，碳水化合物無氧酵解產能途徑就會活躍。另外，即便機體處于正常狀態(tài)，部分組織如紅細胞等依舊需要此途徑供給能量，因為它們不能利用有氧氧化產生能量。
有氧氧化
有氧氧化是糖氧化的主要方式，是指葡萄糖在有氧條件下徹底氧化生成ATP以及水和二氧化碳的過程，這一過程主要發(fā)生在線粒體中，分為三個階段：第一階段為糖酵解，葡萄糖在細胞液中轉變?yōu)?分子丙酮酸；第二階段為乙酰輔酶A的生成，丙酮酸在線粒體中被丙酮酸脫氫酶復合體催化，經氧化脫羧基轉化成乙酰CoA；第三階段為三羧酸循環(huán)，包括電子跨膜傳遞生成ATP以底物水平磷酸化成ATP，同時生成二氧化碳和水。
生理作用
提供熱量
碳水化合物是人體最主要也是最經濟的能量來源，1 g碳水化合物能夠提供16.8 kJ（4.2 kcal）能量。相較其他能提供能量的營養(yǎng)元素，碳水化合物在人體內的消化、吸收更加迅速、完全，它是大腦活動時唯一能利用的能量形式、肌肉活動時最有效的燃料、心臟以及紅細胞等不可缺少的能量源。因而碳水化合物對維持神經系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)的功能正常以及增強耐力和機體抵抗力具有相當重要的作用。
抗生酮
碳水化合物攝入量很少時會導致脂肪代謝不完全，進而會產生過多的酮體積聚在體內引發(fā)酮血癥。當碳水化合物充足時，脂肪β-氧化產生的代謝酮體能經三羧酸循環(huán)被徹底氧化，消除了人體中酮體的積累。因而碳水化合物參與脂肪代謝調節(jié)的作用也可稱為抗生酮作用。
構成組織
碳水化合物是構成機體組織的重要成分，如糖和脂類組成的糖脂是細胞膜和神經組織的成分之一；蛋白質和糖結合形成的糖蛋白是抗體、酶、激素以及肝素等具有重要生理功能的物質的組成成分；核糖以及脫氧核糖是核酸的重要組成部分。
節(jié)省蛋白質
一切生命活動都需要能量，而機體能量來源首先是碳水化合物，當碳水化合物供給不足時，則會由脂肪、蛋白質來補充能量缺口。當食物提供的可被機體利用的碳水化合物數量足夠時，機體會優(yōu)先利用碳水化合物作為能源，進而減少蛋白質的消耗。
保肝解毒
提供膳食纖維
生成與制備
自然生成
植物以及某些細菌能夠通過光合作用將二氧化碳轉化成有機物，該過程通?？杀硎緸椋?/span>
人工制備
水解是碳水化合物制備的化學基礎，常用的方法有酸法水解、堿法水解、酶法水解等。因為碳水化合物具體種類較多，下面簡要介紹幾種碳水化合物的制備。
酶法制葡萄糖
現將淀粉加水配置成一定濃度的淀粉漿，調節(jié)pH為6.0-6.5后加入α-淀粉酶，在一定溫度下保溫使得淀粉液化為糊精。液化完成后將液化的淀粉液冷卻至適宜溫度，加入適量的糖化酶，保溫一段時間后糊精基本全部轉化為葡萄糖。
酶法制麥芽糖和高麥芽糖漿
麥芽糖的制備是現將淀粉使用α-淀粉酶輕度液化，而后加熱使α-淀粉酶失活，再加入β-淀粉酶以及脫支酶，在一定的pH、溫度下反應一段時間使得淀粉完全水解。接著進行濃縮，當濃縮到90%以上時能夠析出純度在98%以上的結晶麥芽糖。
高麥芽糖漿的制備是向含有一定量固形物，DE（還原糖占糖漿干物質的百分比，是衡量淀粉液化程度的指標）為10左右的淀粉液化液中加入一定量的霉菌α-淀粉酶，在一定的pH、溫度下進行水解，再加入脫色精制成的。高麥芽糖漿中含有約60%的麥芽糖，2%-7%的葡萄糖以及麥芽三糖等。
酶法制麥芽糊精
將α-淀粉酶加入淀粉中在高溫下進行液化，水解到一定程度后進行脫色過濾、離子交換，而后噴霧干燥即可得到麥芽糊精。
應用領域
醫(yī)療領域
葡萄糖可用于制作注射葡萄糖和口服葡萄糖；碳水化合物還可用于制備醫(yī)用碳水化合物高分子材料，例如纖維素可用于制作適用于人工肝臟的半透膜，甲殼素及其衍生物可用于制備適用于外科手術的人造皮膚，纖維素膠可應用于骨缺損移植、骨塊的粘合固定、肌腱的修復等，殼聚糖纖維以及甲殼素還可用于制作可吸收性手術縫合線。
碳水化合物還可以用于制備藥用碳水化合物高分子材料以及高分子藥物。纖維素及其衍生物可作為藥物的粘合劑、包衣劑、涂膜劑等，纖維素衍生物、聚乳糖等可用于包埋低分子藥物或做成微膠囊，環(huán)糊精、殼聚糖、纖維素等還可在藥物釋放體系中作為載體。生物活性多糖（BAP）一般由7個以上、1種或2種以上的單糖，如葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖等通過特殊的糖苷鍵縮合而成，BAP具有顯著的抗腫瘤作用；甲殼素及其多種衍生物具有抗感染作用，其中甲殼素六聚糖的作用最強，殼聚糖可用于抑制和滅殺臨床上常見的致病金黃色葡萄球菌。
食品領域
蔗糖、低轉化糖漿、麥芽糖漿、果葡萄糖漿等在食品中常用作甜味劑；大米、玉米、土豆等作物中含有淀粉，淀粉在一定工藝的處理下，通過酵母的發(fā)酵能夠變?yōu)榫凭?/span>；淀粉還可用于生產飴糖、麥芽糖、葡萄糖等，還可用于制作糖果、餅干，作為菜和湯品的調料等。
工業(yè)領域
纖維素在工業(yè)上可用于制作紙張、紡織品、玻璃紙、無煙火藥、火棉膠等；葡萄糖在工業(yè)制鏡以及熱水瓶鍍銀是常作為還原劑；淀粉在工業(yè)上可用于鑄造精密機械模型，作為紗漿、紗布、造紙的原料，作為粘合劑以及作為化妝品、盥洗用品的原料等。
安全事宜
攝入不足危害
碳水化合物攝入不足會使得機體使用蛋白質作為能量源且不利于脂肪代謝，脂肪氧化不完全會引發(fā)酮體聚集，導致“酮癥”，癥狀為惡心、嘔吐、疲乏等，嚴重可導致昏迷。碳水化合物長期缺乏會導致生長發(fā)育遲緩，體重輕，易頭暈、疲乏等；缺乏膳食纖維會引發(fā)胃腸道結構的損害以及功能障礙，增加患肥胖、糖尿病、高血脂癥、動脈硬化等疾病的風險。
攝入過多危害
高糖飲食會使得人體胰島素水平升高，導致血管緊張度增加進而引發(fā)高血壓；攝入蔗糖過多會增加罹患糖尿病的風險，還會影響人體脂肪消耗，導致肥胖；糖攝入過多還會增加齲齒以及牙周病出現的概率。
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