營養學/碳水化物的分類、結構和性質
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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。糖的結合物有糖脂、糖蛋白、蛋白多糖三類。
（1）單糖不能水 解成更簡單的糖的碳水化物叫單糖。單糖有3到7個碳原子，依碳原子數的多少，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。營養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個分子單糖的碳水化物稱低聚糖，也有人把水解成3～10個，甚至20個分子單糖的碳水化物歸入這一類。可再分兩類：水解產生的所有糖分子都是葡萄糖的稱麥芽糖低聚糖，由3個葡萄糖分子組成的叫麥芽三糖，四個葡萄糖分子組成的叫麥芽四糖等等。另一類水解時產生不止一種單糖，稱雜低聚糖。如大豆中的雜低聚糖水解產生棉子糖和木蘇糖等，人不易消化，無法利用。但機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。可再分α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，但聯結的方式不同，前者是以α-糖苷鍵聯結的，後者則用β-糖苷鍵。α-葡聚糖有澱粉、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、木質素。
（5）糖脂糖和脂質的結合物稱糖脂。簡單可分兩類：腦苷脂和神經節苷脂。
（6）糖蛋白和蛋白多糖廣義講，碳水化物和蛋白質結合後的化合物都是糖蛋白。糖蛋白的種類很多，並有廣泛的生理功用。30年代以來，好幾個科學家提出了不同的分類方法。
1946年Stacey把蛋白質含量低，以碳水化物的化學反應為主的稱粘多糖；蛋白含量高，化學反應以蛋白質為主的稱粘蛋白。
1962年Gottschalk根據碳水化合的結構分成兩大類。簡言之，有重複出現的雙糖單位的低聚糖鏈或多糖鏈，與蛋白質結合者稱多糖蛋白，後人把它叫做Protegolycans,這個名字一直沿用至今，譯作蛋白多糖。以沒有重複出現雙糖單位的低聚糖單位的低聚糖鏈與蛋白質相結合的稱糖蛋白。
80年代以來的分類，從化學結構出發，分得很細，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，現在營養學書上仍有出現，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。有時把糖脂、糖蛋白和蛋白多糖一起，統稱糖結合物（Glycoconjugates）。
4.1.2 碳水化物的化學組成和結構
（1）單糖單糖中的最重要的是葡萄糖，它的結構式有五種表示方法，見圖4-1。
葡萄糖有六個碳原子，以阿拉伯數字計數如圖。在圖4-1（A）中可看出第2、3、4、5個碳原子所連的四個基都不相同，是不對稱碳原子。每個不對稱碳原子有兩個異構體，羥基在左面或右面代表兩個不同的化合物。習慣上把與伯醇基［圖4-1（A）中第6個碳原子］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系糖必備的結構。所以，圖4-1（A）代表的是D-葡萄糖。
圖4-1（A）所示的開鏈式結構可以環合起來，即第5個原子上羥基的氫移到第1個碳原子的羥基氧上，然後連成環，見圖4-1（B）。這樣，第1個碳原子也變成不對稱的的。羥基在右面的稱α，D-葡萄糖，羥基在左面的稱β，D-葡萄糖。
但是六個碳原子是不在一條直線上的，六個碳原子的環是六角形的。為了區別不對稱碳原子的構型，可把這個環表示如圖4-1（C）。環的平面垂直紙面，粗線表示在環平面前面的鏈，細線代表的鏈在環平面的後面。圖4-1（B）中右側的
圖4-1 葡萄糖的結構式
羥基寫在環的平面之下，左側的羥基寫在環的平面之上。這樣表示的結構式叫做Haworth投影式。
事實上，環的六個碳原子並不在一個面上，X線衍射的結果說明它們是以椅形存在的，如圖4-1（D）。但這樣的表示方法書寫困難，所以一般採用Haworth投影式。並且常簡化如圖4-1（E），這裡把碳和氫都省了，僅用一條垂線表示羥基。現在國際上有一種通用的符號來代表糖及其衍生物，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%以開鏈的形式存在。
糖有旋光性。在旋光計中，有的能使偏振光的平面右旋，有的使之左旋。命名時，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異構體、左旋的，全名是β，D（-）果糖。它的環由五個碳原子組成，在同一平面上。
圖4-2 β，D（-）果糖
半乳糖是葡萄糖的異構體，所不同的是第4個碳原子上的羥基在環的上面，而葡萄糖的在環的下面。符號Gal。
（2）雙糖在葡萄糖的環狀結構中，第一個碳原子上有一個羥基。它可和另一個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是一個單糖分子，這樣結合的就成為雙糖。如兩個單糖分子都是葡萄糖，以α-1，4糖甘鍵（即第一個葡萄糖分子的第1個碳原子上的羥基和第二個葡萄分子的第4個碳原子上的羥基脫水相結合而形成的鍵，亦寫作α1→4）結合後得到的是麥芽糖。
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糖苷鍵結合的。雜低聚糖匠結構比較複雜，將於糖蛋白中加以介紹。
（4）多糖
①澱粉澱粉是由許多葡萄糖分子組成的。與水調成糊狀並加熱到60～80℃後，可分成直鏈澱粉和支鏈澱粉兩部分。前者約佔15%，後者約佔85%。
直鏈澱粉也由葡萄糖分子，以α-1→4苷鍵連成一條直鏈，並蜷曲如圖4-3。
支鏈澱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糖苷鍵結合的。每一支有20～30個葡萄糖分子。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結方式。
圖4-3 直鏈澱粉示意圖
圖4-4 支鏈澱粉示意圖
圖4-5 葡萄糖分子在支鏈澱粉中的結合方式
②糖原糖原由6000～3000個葡萄糖分子組成，結構式和支鏈澱粉相似，不過分支更多。每一分支約有11～18個葡萄糖分子。分支處是α1→6糖苷鍵，其餘是α1→4糖苷鍵。
③糊精和麥芽低聚糖二者都是澱粉水解的中間產物。結構中有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個葡萄糖分子。結構如圖4-6，圖中葡萄糖分子的環，是前、後交替地與紙的平面垂直的。
圖4-6 纖維素的結構式
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，側鏈上有鼠李糖、阿拉伯糖、岩藻糖、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，側鏈有半乳糖。
木質素木質不是碳水化物，是苯丙烷的聚合物。由於和其餘膳食纖維同時存在，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，統稱膳食纖維；食物用酸鹼處理後的不溶物稱為粗纖維。經過這一處理，大部分膳食纖維都丟失，測得的數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，每類舉一例表示結構式及其名稱和符號。
表4-1 單糖的衍生物
| 類別 | 結構式 | 名稱 | 符號 |
| 氨基糖 |
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β-D氨基葡萄糖 | ΒDGlen |
| 乙醯氨基糖 | N-乙醯氨基-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，除有乙醯氨基和羥基外，還和甘油連在一起。結構式見圖4-7，符號NeuAc。
糖的醛基被氧化後，得糖酸如D-葡萄酸（圖4-8）。醛基被還原成羥基後，得糖醇如山梨醇（圖4-9）。
⑦糖脂糖脂的基本結構是鞘氨醇（圖4-10），它的氨基與脂肪酸（含14～16個碳原子）醯化後得脂醯鞘氨醇，符號為Cer。再與葡萄糖或半乳糖相連成腦苷脂。和低聚糖（由幾個或多至30多個單糖或其衍生物組成）相連後成神經節苷脂。已確定結構式的有數十種，區別在於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糖脂的化學結構
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：岩藻糖（Fuc）；
已糖：葡萄糖、半乳糖、甘露糖（Man）；
乙醯氨基已糖：乙醯氨基葡糖（GlcNAc）、乙醯氨基半乳糖（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15個單體的低聚糖鏈，再和蛋白質結合而成。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醯化產物）。習慣上說成有交替出現的雙糖單位。共分類，見表4-2。
在這七類中，透明質酸有羧基，其它六類都有硫酸基，因此聚氨基糖都是多價的陰離子。
究竟有多少單糖分子聚合成聚氨基糖？根據來源而不同，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氨基乙醯化或硫酸化； 部分GlcN6位硫酸化； 部分IdU2位硫酸化 | |
| 肝素 | βDGal `αLIdU | αDGlcN | GlcN氨基乙醯化或硫酸化； 部分GlcN3或6位硫酸化； 部分IdU2位硫酸化 | Gal;Xyl |
| 硫酸角質素 | βDGal | βDGlcNAc | 部分GleNAc6 |
GalN;Man; Fuc;NeuAc |
透明質酸單獨存在，一般都是單獨的一條多糖鏈。其它六類中，除硫酸角質素外，都通過半乳糖-木糖和蛋白質的絲氨酸相連結的，一條肽鏈上可連幾條糖鏈。
4.1.3 碳水化物的物理性質
（1）溶解度單糖、雙糖、低聚糖、糊精都溶於水。澱粉不溶，與水加熱後可吸水膨脹，變成糊狀。澱粉經酸處理生成可溶澱粉。糖原能分散在水中得乳白色膠態「溶液」。纖維素不溶。果膠能溶於水。其餘膳食纖維可吸水膨脹，吸水量依來源、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。吸水後膳食纖維呈海綿狀，細菌和一些分子能穿插進去。糖脂糖的一端親水，脂質的一端疏水。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表4-3。其中轉化糖是蔗糖的水解產物，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 |
 碳水化物 | 碳水化物的生化代謝  |
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