瓜爾膠是種分子結(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，說明單糖為 什么會有D-和L-異構(gòu)體，為什么會形成環(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 什么會有a和p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，以及編號對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。

　　

　　1CH0H〇lC-HH0-C-HH-C-0H4|H-C-0HCH20H圖1 D-甘露糖的投影結(jié)構(gòu)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（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(cè)。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(cè)，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(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常活潑的基團(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，只要兩個基 團(tuán)之間的空間位置合適，就會發(fā)生分子內(nèi)羥醛縮合反應(yīng)。那么D-甘露糖分子內(nèi)的醛基究竟會與哪一個位置 上的羥基發(fā)生分子內(nèi)羥醛縮合反應(yīng)昵？從幾何學(xué)的角度分析，如果形成六元環(huán)，則各個化學(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)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)90度，然后按圖2的方 式彎折成環(huán)狀[2].

　　

　　6HA 2A圖2環(huán)狀D-甘露糖分子的開鏈結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(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 碳原子變成了不對稱碳原子，那么就會出現(xiàn)對映異構(gòu)現(xiàn)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(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。

　　

　　a-D-甘露糖|3-D-甘露糖圖3兩種環(huán)狀D-甘露糖的結(jié)構(gòu)式為了區(qū)分這兩種不同的對映異構(gòu)體，分別在其名稱前加上a -和P -，以示區(qū)別。又由于x -射線衍射 證明，以上六元環(huán)上的五個碳原子和一個氧原子并不在一個平面上，真實(shí)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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a-D-吡喃甘露糖和 P-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。

　　

　　H00Ha-D-吡喃甘露糖圖5兩種環(huán)狀D-甘露糖的簡化構(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)，_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（OH).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（OH),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（OH)也是直立 鍵，在P-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(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 a-D-吡喃甘露糖和p-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)叭運(yùn)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(gòu)象式，如圖7所示。

　　

　　1CH0a-D-甘露糖HO-C-HHO-C-H4|H-C-0H CH2OH圖6 D-半乳糖3瓜爾膠多糖的分子結(jié)構(gòu)在弄清楚了 P-D-吡喃甘露糖和a-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，就比較容易 71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http://wwwxnki.net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(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?zhǔn)怯稍S多P-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a-D-吡喃半乳糖，此a-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P-D-吡喃甘露糖 (A)保持以上結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)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 —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。

　　

　　4結(jié)語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。通過以上由簡到繁，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)。