瓜爾膠多糖分子結(jié)構(gòu)的教學(xué)方法探討

趙世民

（韶關(guān)學(xué)院 英東食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

瓜爾膠多糖分子結(jié)構(gòu)的教學(xué)方法探討

趙世民

（韶關(guān)學(xué)院 英東食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

瓜爾膠是一種分子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的多糖大分子物質(zhì)，學(xué)生學(xué)起來(lái)較為吃力，為了在食品化學(xué)教學(xué)中給學(xué)生更好的講授瓜爾膠的分子結(jié)構(gòu)，要從半乳糖和甘露糖這兩種單糖的分子結(jié)構(gòu)入手，讓學(xué)生逐一理解D-構(gòu)型、α-異構(gòu)體與β-異構(gòu)體及其形成的原因、單糖分子中碳原子的編號(hào)方法及意義、單糖分子的構(gòu)象式、糖苷鍵的概念等.在此基礎(chǔ)上，再講解半乳糖與甘露糖分子是在什么位置，按照什么方式相互連接起來(lái)，從而形成瓜爾膠大分子，學(xué)生才能更好的理解瓜爾膠多糖的分子結(jié)構(gòu).

食品化學(xué)；分子結(jié)構(gòu)；瓜爾膠；教學(xué)

瓜爾膠是一種分子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的多糖大分子物質(zhì)，是食品化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容之一.瓜爾膠具有增稠和形成凝膠等重要性質(zhì)，在食品加工中有廣泛用途.在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生往往感到困惑的是瓜爾膠的分子結(jié)構(gòu)，為了幫助學(xué)生掌握瓜爾膠的分子結(jié)構(gòu)，要首先從甘露糖和半乳糖這兩種單糖的結(jié)構(gòu)講起，說(shuō)明單糖為什么會(huì)有D-和L-異構(gòu)體，為什么會(huì)形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，為什么有些羥基在環(huán)的上方，有些羥基在環(huán)的下方，為什么會(huì)有α和β異構(gòu)體出現(xiàn)，單糖環(huán)狀結(jié)構(gòu)上的碳原子是如何編號(hào)，以及編號(hào)對(duì)于弄明白多糖分子結(jié)構(gòu)的意義，以及單糖環(huán)狀結(jié)構(gòu)上的羥基活性的差異.

1 甘露糖的分子結(jié)構(gòu)

D-甘露糖的Fisher投影結(jié)構(gòu)式［1］如圖1所示.

首先給分子中的碳原子編號(hào)，目的是為了確定碳鏈上羥基（OH）等取代基的位置.編號(hào)是從醛基上的碳原子開始，從上到下，依次編號(hào).醛基（CHO）所在的碳原子是第1個(gè)碳原子，羥甲基（CH2OH）所在的碳原子是第6個(gè)碳原子.甘露糖名稱前的D表示從正前方看，甘露糖分子中的第5個(gè)碳原子（不對(duì)稱碳原子）上的羥基（OH）在碳鏈的右側(cè).如果第5個(gè)碳原子（不對(duì)稱碳原子）上的羥基（OH）在碳鏈的左側(cè)，就在甘露糖名稱前冠以L，D-甘露糖和L-甘露糖是一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體，在甘露糖名稱前分別冠以D-和L-，以區(qū)別這兩種不同的分子結(jié)構(gòu).

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步指出，由于D-甘露糖屬于醛類物質(zhì)，而分子中的醛基是一種非?；顫姷幕鶊F(tuán)，具有很強(qiáng)的反應(yīng)活性，很容易與含有羥基的物質(zhì)，比如醇類物質(zhì)發(fā)生羥醛縮合反應(yīng).即醛分子中的羰基與醇分子中的羥基發(fā)生加成反應(yīng)，羰基中的碳氧雙鍵打開，羥基中的氫氧單鍵打開，然后羥基中的氧原子和氫原子分別與羰基中的碳原子和氧原子結(jié)合.又由于D-甘露糖分子內(nèi)即含有醛基又含有羥基，所以，只要兩個(gè)基團(tuán)之間的空間位置合適，就會(huì)發(fā)生分子內(nèi)羥醛縮合反應(yīng).那么D-甘露糖分子內(nèi)的醛基究竟會(huì)與哪一個(gè)位置上的羥基發(fā)生分子內(nèi)羥醛縮合反應(yīng)呢？從幾何學(xué)的角度分析，如果形成六元環(huán)，則各個(gè)化學(xué)鍵之間的張力最小，于是可以將上面D-甘露糖分子的開鏈結(jié)構(gòu)式在紙平面內(nèi)沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90度，然后按圖2的方式彎折成環(huán)狀［2］.

圖2 環(huán)狀D-甘露糖分子的開鏈結(jié)構(gòu)式

此時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，第2個(gè)碳原子和第3個(gè)碳原子上的羥基（OH）自然就處在了環(huán)的上方，而第4個(gè)碳原子和第5個(gè)碳原子上的羥基（OH）自然就處在了環(huán)的下方.將第4個(gè)碳原子與第5個(gè)碳原子之間的碳碳單鍵（C4—C5）沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)120度，這樣第5個(gè)碳原子上的羥基（OH）與第1個(gè)碳原子所在的羰基就比較靠近，容易接觸，然后它們之間發(fā)生羥醛縮合反應(yīng)，形成六元環(huán)狀半縮醛結(jié)構(gòu).又由于形成六元環(huán)后，第1個(gè)碳原子變成了不對(duì)稱碳原子，那么就會(huì)出現(xiàn)對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象，第1個(gè)碳原子上新形成的半縮醛羥基（OH）會(huì)有兩種取向，一種情況是半縮醛羥基（OH）在六元環(huán)的下方，另一種情況是半縮醛羥基（OH）在六元環(huán)的上方，如圖3所示.

圖3 兩種環(huán)狀D-甘露糖的結(jié)構(gòu)式

為了區(qū)分這兩種不同的對(duì)映異構(gòu)體，分別在其名稱前加上α-和β-，以示區(qū)別.又由于x-射線衍射證明，以上六元環(huán)上的五個(gè)碳原子和一個(gè)氧原子并不在一個(gè)平面上，真實(shí)的結(jié)構(gòu)是第2、3、5個(gè)碳原子及氧原子在一個(gè)平面上，第1個(gè)碳原子在該平面的下方，第4個(gè)碳原子在該平面的上方，于是有圖4所示的結(jié)構(gòu)式.

圖4 兩種環(huán)狀D-甘露糖的構(gòu)象式

把圖4的結(jié)構(gòu)叫做甘露糖分子的構(gòu)象式，構(gòu)象式反映了甘露糖分子中各個(gè)原子的真實(shí)空間排布.又由于甘露糖分子中的六元環(huán)結(jié)構(gòu)與吡喃的分子骨架相似，所以甘露糖的名稱又分別叫α-D-吡喃甘露糖和β-D-吡喃甘露糖.進(jìn)一步指出，為了使吡喃甘露糖的分子結(jié)構(gòu)更加清晰明了，有時(shí)候?qū)⑦拎事短菢?gòu)象式中的氫原子和碳原子省略，如圖5所示.

圖5 兩種環(huán)狀D-甘露糖的簡(jiǎn)化構(gòu)象式

在吡喃甘露糖的環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)中，與環(huán)上的碳原子相連的羥基（OH）或者羥甲基（CH2OH），與環(huán)上的碳原子之間的化學(xué)單鍵，有兩種空間狀態(tài)，一種是直立鍵，比如在β-D-吡喃甘露糖分子中與第2個(gè)碳原子相連的羥基（OH）.另一種是平伏鍵，比如在β-D-吡喃甘露糖分子中與第3、4個(gè)碳原子相連的羥基（OH），以及與第5個(gè)碳原子相連的羥甲基（CH2OH）.此外，在α-D-吡喃甘露糖分子中，半縮醛羥基（OH）也是直立鍵，在β-D-吡喃甘露糖的分子中，半縮醛羥基（OH）是平伏鍵.因?yàn)槠椒I與其它相鄰的化學(xué)鍵相距較遠(yuǎn)一些，相互之間的排斥作用會(huì)小一些，所以在分子中，羥基（OH）和羥甲基（CH2OH）都盡可能采取平伏鍵，這樣以來(lái)整個(gè)分子的穩(wěn)定性高，尤其是，在各種單糖分子中，羥甲基（CH2OH）這一大基團(tuán)總是采取平伏鍵.自此我們基本講清楚了α-D-吡喃甘露糖和β-D-吡喃甘露糖的分子結(jié)構(gòu).

2 D-半乳糖的分子結(jié)構(gòu)

同樣，根據(jù)圖6的D-半乳糖的開鏈結(jié)構(gòu)［3］，運(yùn)用與吡喃甘露糖類似的分析方法，得出α-D-吡喃半乳糖的構(gòu)象式，如圖7所示.

圖6 D-半乳糖

圖7 α-D-吡喃半乳糖

3 瓜爾膠多糖的分子結(jié)構(gòu)

在弄清楚了β-D-吡喃甘露糖和α-D-吡喃半乳糖的構(gòu)象式后，結(jié)合六元環(huán)上原子的編號(hào)，就比較容易順理成章地弄明白瓜爾膠多糖的分子結(jié)構(gòu).瓜爾膠多糖是一種由許多β-D-吡喃甘露糖和α-D-吡喃半乳糖形成的半乳甘露聚糖，分子主鏈?zhǔn)怯稍S多β-D-吡喃甘露糖相互之間通過(guò)1→4糖苷鍵連接而成，在分子主鏈上，部分β-D-吡喃甘露糖的第6個(gè)碳原子處，通過(guò)糖苷鍵連接了一個(gè)α-D-吡喃半乳糖，此α-D-吡喃半乳糖構(gòu)成瓜爾膠多糖的支鏈［3］.為了清晰地表述以上瓜爾膠多糖的分子結(jié)構(gòu)，讓一分子β-D-吡喃甘露糖（A）保持以上結(jié)構(gòu)，而讓另一分子β-D-吡喃甘露糖(B)以穿過(guò)分子的一條水平線為軸，旋轉(zhuǎn)180度，然后讓前一分子（A）中第1個(gè)碳原子上的半縮醛羥基與后一分子(B)中第4個(gè)碳原子上的羥基，通過(guò)糖苷鍵連接在一起，這就構(gòu)成了瓜爾膠多糖分子主鏈的基本結(jié)構(gòu)單元，如圖8所示.

圖8 瓜爾膠多糖的分子主鏈

在瓜爾膠多糖分子主鏈上，β-D-吡喃甘露糖（A）的第6個(gè)碳原子上的羥基（OH），與α-D-吡喃半乳糖的半縮醛羥基，通過(guò)糖苷鍵連接在一起，就構(gòu)成了瓜爾膠多糖的分子支鏈，如圖9所示.

圖9 瓜爾膠多糖分子結(jié)構(gòu)單元

4 結(jié)語(yǔ)

大量的瓜爾膠多糖分子的結(jié)構(gòu)單元連接在一起，就構(gòu)成了瓜爾膠多糖大分子.通過(guò)以上由簡(jiǎn)到繁，循序漸進(jìn)的推導(dǎo)，學(xué)生很容易就掌握了瓜爾膠多糖大分子結(jié)構(gòu).運(yùn)用同樣的方法，學(xué)生基本上能夠自主學(xué)習(xí)和掌握黃原膠和卡拉膠等多糖的分子結(jié)構(gòu).

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［1］沈同，王鏡巖.生物化學(xué)（上冊(cè)）［M］.2 版.北京：高等教育出版社，2002:19.

［2］南京大學(xué)化學(xué)系有機(jī)化學(xué)教研室.有機(jī)化學(xué)（下冊(cè)）［M］.北京：人民教育出版社，1979:269.

［3］ Owen R.Fennema Food Chemistry［M］.New York:Marcel Dekker,1996:207.

Discussion on teaching method for the guar gum polysaccharide molecular structure

ZHAO Shi-min
(College of Food Science and Technology,Shaoguan University,Shaoguan 512005,Guangdong,China)

Guar gum is a polysaccharide macromolecule with comparatively complicated molecular structure.In order to explain guar gum molecular structure clearly to the students in the course of the food chemistry teaching,first of all the paper explains molecular structure of two monoses,namely,galactose and mannose,and students are told to understand their D-configuration,the α-isomer and β-isomer as well as the cause of the formation,the numbering regulations of the carbon atoms in the monosaccharide molecules and its significance,conformational formula of the monosaccharide,the concept of the glycosidic linkage one by one,and then,on this basis,the paper explained that with what way and in what position galactose link mutually with mannose,finally,and how the guar gum macromolecule was formed.

food chemistry；guar gum；molecular structure；teaching

G427

1007-5348（2013）08-0095-05

2013-05-23

趙世民（1956-），男，陜西洛川人，韶關(guān)學(xué)院英東食品科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士，主要從事食品化學(xué)方面的研究.

（E D.:X， J）