瓜爾膠多糖分子結構的教學方法探討

趙世民

（韶關學院 英東食品科學與工程學院，廣東 韶關 512005）

瓜爾膠多糖分子結構的教學方法探討

趙世民

（韶關學院 英東食品科學與工程學院，廣東 韶關 512005）

瓜爾膠是一種分子結構較為復雜的多糖大分子物質，學生學起來較為吃力，為了在食品化學教學中給學生更好的講授瓜爾膠的分子結構，要從半乳糖和甘露糖這兩種單糖的分子結構入手，讓學生逐一理解D-構型、α-異構體與β-異構體及其形成的原因、單糖分子中碳原子的編號方法及意義、單糖分子的構象式、糖苷鍵的概念等.在此基礎上，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，從而形成瓜爾膠大分子，學生才能更好的理解瓜爾膠多糖的分子結構.

食品化學；分子結構；瓜爾膠；教學

瓜爾膠是一種分子結構較為復雜的多糖大分子物質，是食品化學的教學內容之一.瓜爾膠具有增稠和形成凝膠等重要性質，在食品加工中有廣泛用途.在教學過程中，學生往往感到困惑的是瓜爾膠的分子結構，為了幫助學生掌握瓜爾膠的分子結構，要首先從甘露糖和半乳糖這兩種單糖的結構講起，說明單糖為什么會有D-和L-異構體，為什么會形成環狀結構，為什么有些羥基在環的上方，有些羥基在環的下方，為什么會有α和β異構體出現，單糖環狀結構上的碳原子是如何編號，以及編號對于弄明白多糖分子結構的意義，以及單糖環狀結構上的羥基活性的差異.

1 甘露糖的分子結構

D-甘露糖的Fisher投影結構式［1］如圖1所示.

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

在此基礎上，進一步指出，由于D-甘露糖屬于醛類物質，而分子中的醛基是一種非常活潑的基團，具有很強的反應活性，很容易與含有羥基的物質，比如醇類物質發生羥醛縮合反應.即醛分子中的羰基與醇分子中的羥基發生加成反應，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合.又由于D-甘露糖分子內即含有醛基又含有羥基，所以，只要兩個基團之間的空間位置合適，就會發生分子內羥醛縮合反應.那么D-甘露糖分子內的醛基究竟會與哪一個位置上的羥基發生分子內羥醛縮合反應呢？從幾何學的角度分析，如果形成六元環，則各個化學鍵之間的張力最小，于是可以將上面D-甘露糖分子的開鏈結構式在紙平面內沿順時針方向旋轉90度，然后按圖2的方式彎折成環狀［2］.

圖2 環狀D-甘露糖分子的開鏈結構式

此時可以發現，第2個碳原子和第3個碳原子上的羥基（OH）自然就處在了環的上方，而第4個碳原子和第5個碳原子上的羥基（OH）自然就處在了環的下方.將第4個碳原子與第5個碳原子之間的碳碳單鍵（C4—C5）沿逆時針方向旋轉120度，這樣第5個碳原子上的羥基（OH）與第1個碳原子所在的羰基就比較靠近，容易接觸，然后它們之間發生羥醛縮合反應，形成六元環狀半縮醛結構.又由于形成六元環后，第1個碳原子變成了不對稱碳原子，那么就會出現對映異構現象，第1個碳原子上新形成的半縮醛羥基（OH）會有兩種取向，一種情況是半縮醛羥基（OH）在六元環的下方，另一種情況是半縮醛羥基（OH）在六元環的上方，如圖3所示.

圖3 兩種環狀D-甘露糖的結構式

為了區分這兩種不同的對映異構體，分別在其名稱前加上α-和β-，以示區別.又由于x-射線衍射證明，以上六元環上的五個碳原子和一個氧原子并不在一個平面上，真實的結構是第2、3、5個碳原子及氧原子在一個平面上，第1個碳原子在該平面的下方，第4個碳原子在該平面的上方，于是有圖4所示的結構式.

圖4 兩種環狀D-甘露糖的構象式

把圖4的結構叫做甘露糖分子的構象式，構象式反映了甘露糖分子中各個原子的真實空間排布.又由于甘露糖分子中的六元環結構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.進一步指出，為了使吡喃甘露糖的分子結構更加清晰明了，有時候將吡喃甘露糖構象式中的氫原子和碳原子省略，如圖5所示.

圖5 兩種環狀D-甘露糖的簡化構象式

在吡喃甘露糖的環狀分子結構中，與環上的碳原子相連的羥基（OH）或者羥甲基（CH2OH），與環上的碳原子之間的化學單鍵，有兩種空間狀態，一種是直立鍵，比如在β-D-吡喃甘露糖分子中與第2個碳原子相連的羥基（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個碳原子相連的羥基（OH），以及與第5個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.因為平伏鍵與其它相鄰的化學鍵相距較遠一些，相互之間的排斥作用會小一些，所以在分子中，羥基（OH）和羥甲基（CH2OH）都盡可能采取平伏鍵，這樣以來整個分子的穩定性高，尤其是，在各種單糖分子中，羥甲基（CH2OH）這一大基團總是采取平伏鍵.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構.

2 D-半乳糖的分子結構

同樣，根據圖6的D-半乳糖的開鏈結構［3］，運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構

在弄清楚了β-D-吡喃甘露糖和α-D-吡喃半乳糖的構象式后，結合六元環上原子的編號，就比較容易順理成章地弄明白瓜爾膠多糖的分子結構.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，分子主鏈是由許多β-D-吡喃甘露糖相互之間通過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個碳原子處，通過糖苷鍵連接了一個α-D-吡喃半乳糖，此α-D-吡喃半乳糖構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構，讓一分子β-D-吡喃甘露糖（A）保持以上結構，而讓另一分子β-D-吡喃甘露糖(B)以穿過分子的一條水平線為軸，旋轉180度，然后讓前一分子（A）中第1個碳原子上的半縮醛羥基與后一分子(B)中第4個碳原子上的羥基，通過糖苷鍵連接在一起，這就構成了瓜爾膠多糖分子主鏈的基本結構單元，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個碳原子上的羥基（OH），與α-D-吡喃半乳糖的半縮醛羥基，通過糖苷鍵連接在一起，就構成了瓜爾膠多糖的分子支鏈，如圖9所示.

圖9 瓜爾膠多糖分子結構單元

4 結語

大量的瓜爾膠多糖分子的結構單元連接在一起，就構成了瓜爾膠多糖大分子.通過以上由簡到繁，循序漸進的推導，學生很容易就掌握了瓜爾膠多糖大分子結構.運用同樣的方法，學生基本上能夠自主學習和掌握黃原膠和卡拉膠等多糖的分子結構.

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

［2］南京大學化學系有機化學教研室.有機化學（下冊）［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，韶關學院英東食品科學與工程學院教授，博士，主要從事食品化學方面的研究.

（E D.:X， J）