瓜爾膠多糖分子結構的教學方法探討，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(huán)狀結構，為什么有些羥基在環(huán)的上方，有些羥基在環(huán)的下方，為 什么會有a和P異構體出現(xiàn)，單糖環(huán)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(huán)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?如圖1所示.
1CH0
I
H0-C-H LI
H0-C-H
H-C-0H
4
H-C-0H
CH20H
6
圖1 D-甘露糖的投彩結構式
首先給分子中的碳原子編號，目的是為了確定碳鏈上羥基(0H)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(CH0)所在的碳原子是第1個碳原子,羥甲基(CH20H)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(0H)在碳鏈的右側.如果第5個碳原子(不對稱碳原子)上的羥基(0H)在碳鏈的左側，就在甘露糖名
收稿日期=2013-05-23
作者簡介：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.
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(qū)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?；顫姷幕鶊F，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(fā)生羥醛縮合反應.即醛分子中的羰基與醇分子 中的羥基發(fā)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(fā)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(fā)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(huán)，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(huán)狀u].
圖2環(huán)狀D-甘露糖分子的開鏈結構式
此時可以發(fā)現(xiàn)，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(huán)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(huán)的下方.將第4個碳原子與第5個碳原子之間的碳碳單鍵 (C4一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(fā)生羥醛縮合反應，形成六元環(huán)狀半縮醛結構.又由于形成六元環(huán)后，第1個 碳原子變成了不對稱碳原子,那么就會出現(xiàn)對映異構現(xiàn)象，第1個碳原子上新形成的半縮醛羥基(〇H)會有 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。
為了區(qū)分這兩種不同的對映異構體，分別在其名稱前加上a-和(3-，以示區(qū)別.又由于；c-射線衍射 證明，以上六元環(huán)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(huán)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(huán)結構與吡喃的分子骨架相似，所以甘露糖的名稱又分別叫a-D-吡喃甘露糖和
0H
P-D-吡喃甘露糖 兩種環(huán)狀D-甘*糖的簡化構象式
P-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，瓜爾膠多糖分子結構的教學方法探討，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.
在吡喃甘露糖的環(huán)狀分子結構中，與環(huán)上的碳原子相連的羥基(0H)或者羥甲基(CH2OH)，與環(huán)上的碳 原子之間的化學單鍵，有兩種空間狀態(tài)，一種是直立鍵，比如在P-D-吡喃甘露糖分子中與第2個碳原子相 連的羥基(0H).另一種是平伏鍵，比如在P-D-吡喃甘露糖分子中與第3、4個碳原子相連的羥基(0H)，以 及與第5個碳原子相連的羥甲基(CH2OH).此外，在a-D-吡喃甘露糖分子中，半縮醛羥基(0H)也是直立 鍵，在(i-D-吡喃甘露糖的分子中，半縮醛羥基(0H)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(0H)和羥甲基(CH2OH)都盡可能采取平伏鍵，這樣 以來整個分子的穩(wěn)定性高，尤其是，在各種單糖分子中，羥甲基(CH2OH)這一大基團總是采取平伏鍵.自此 我們基本講清楚了 a-D-吡喃甘露糖和|3-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-半乳糖的開鏈結構氣運用與吡喃甘露糖類似的分析方法，得出a-D-吡喃半乳糖
的構象式，如圖7所示.
iCHO
I
H-C-OH 11
HO-C-H
HO-C-H
4|
H-C-OH
51
CH2OH
6
圖6 D-半乳糖
3瓜爾膠多糖的分子結構
在弄清楚了 P-D-吡喃甘露糖和a-D-吡喃半乳糖的構象式后，結合六元環(huán)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P-D-吡喃甘露糖和a-D-吡喃半乳 糖形成的半乳甘露聚糖，分子主鏈是由許多P-D-吡喃甘露糖相互之間通過1—4糖苷鍵連接而成，瓜爾膠多糖分子結構的教學方法探討，在分子 主鏈上，部分P-D-吡喃甘露糖的第6個碳原子處，通過糖苷鍵連接了一個(X-D-吡喃半乳糖，此a-D-吡喃 半乳糖構成瓜爾膠多糖的支鏈™為了清晰地表述以上瓜爾膠多糖的分子結構，讓一分子(3-D-吡喃甘露糖 (A)保持以上結構，而讓另一分子p-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，P-D-吡喃甘露糖(A)的第6個碳原子上的羥基(OH),與a-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.
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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