赵世民

（韶关学院 英东食品科学与工程学院，广东 韶关 512005）

瓜尔胶多糖分子结构的教学方法探讨

赵世民

（韶关学院 英东食品科学与工程学院，广东 韶关 512005）

瓜尔胶是一种分子结构较为复杂的多糖大分子物质，学生学起来较为吃力，为了在食品化学教学中给学生更好的讲授瓜尔胶的分子结构，要从半乳糖和甘露糖这两种单糖的分子结构入手，让学生逐一理解D-构型、α-异构体与β-异构体及其形成的原因、单糖分子中碳原子的编号方法及意义、单糖分子的构象式、糖苷键的概念等.在此基础上，再讲解半乳糖与甘露糖分子是在什么位置，按照什么方式相互连接起来，从而形成瓜尔胶大分子，学生才能更好的理解瓜尔胶多糖的分子结构.

食品化学；分子结构；瓜尔胶；教学

瓜尔胶是一种分子结构较为复杂的多糖大分子物质，是食品化学的教学内容之一.瓜尔胶具有增稠和形成凝胶等重要性质，在食品加工中有广泛用途.在教学过程中，学生往往感到困惑的是瓜尔胶的分子结构，为了帮助学生掌握瓜尔胶的分子结构，要首先从甘露糖和半乳糖这两种单糖的结构讲起，说明单糖为什么会有D-和L-异构体，为什么会形成环状结构，为什么有些羟基在环的上方，有些羟基在环的下方，为什么会有α和β异构体出现，单糖环状结构上的碳原子是如何编号，以及编号对于弄明白多糖分子结构的意义，以及单糖环状结构上的羟基活性的差异.

1 甘露糖的分子结构

D-甘露糖的Fisher投影结构式［1］如图1所示.

首先给分子中的碳原子编号，目的是为了确定碳链上羟基（OH）等取代基的位置.编号是从醛基上的碳原子开始，从上到下，依次编号.醛基（CHO）所在的碳原子是第1个碳原子，羟甲基（CH2OH）所在的碳原子是第6个碳原子.甘露糖名称前的D表示从正前方看，甘露糖分子中的第5个碳原子（不对称碳原子）上的羟基（OH）在碳链的右侧.如果第5个碳原子（不对称碳原子）上的羟基（OH）在碳链的左侧，就在甘露糖名称前冠以L，D-甘露糖和L-甘露糖是一对对映异构体，在甘露糖名称前分别冠以D-和L-，以区别这两种不同的分子结构.

在此基础上，进一步指出，由于D-甘露糖属于醛类物质，而分子中的醛基是一种非常活泼的基团，具有很强的反应活性，很容易与含有羟基的物质，比如醇类物质发生羟醛缩合反应.即醛分子中的羰基与醇分子中的羟基发生加成反应，羰基中的碳氧双键打开，羟基中的氢氧单键打开，然后羟基中的氧原子和氢原子分别与羰基中的碳原子和氧原子结合.又由于D-甘露糖分子内即含有醛基又含有羟基，所以，只要两个基团之间的空间位置合适，就会发生分子内羟醛缩合反应.那么D-甘露糖分子内的醛基究竟会与哪一个位置上的羟基发生分子内羟醛缩合反应呢？从几何学的角度分析，如果形成六元环，则各个化学键之间的张力最小，于是可以将上面D-甘露糖分子的开链结构式在纸平面内沿顺时针方向旋转90度，然后按图2的方式弯折成环状［2］.

图2 环状D-甘露糖分子的开链结构式

此时可以发现，第2个碳原子和第3个碳原子上的羟基（OH）自然就处在了环的上方，而第4个碳原子和第5个碳原子上的羟基（OH）自然就处在了环的下方.将第4个碳原子与第5个碳原子之间的碳碳单键（C4—C5）沿逆时针方向旋转120度，这样第5个碳原子上的羟基（OH）与第1个碳原子所在的羰基就比较靠近，容易接触，然后它们之间发生羟醛缩合反应，形成六元环状半缩醛结构.又由于形成六元环后，第1个碳原子变成了不对称碳原子，那么就会出现对映异构现象，第1个碳原子上新形成的半缩醛羟基（OH）会有两种取向，一种情况是半缩醛羟基（OH）在六元环的下方，另一种情况是半缩醛羟基（OH）在六元环的上方，如图3所示.

图3 两种环状D-甘露糖的结构式

为了区分这两种不同的对映异构体，分别在其名称前加上α-和β-，以示区别.又由于x-射线衍射证明，以上六元环上的五个碳原子和一个氧原子并不在一个平面上，真实的结构是第2、3、5个碳原子及氧原子在一个平面上，第1个碳原子在该平面的下方，第4个碳原子在该平面的上方，于是有图4所示的结构式.

图4 两种环状D-甘露糖的构象式

把图4的结构叫做甘露糖分子的构象式，构象式反映了甘露糖分子中各个原子的真实空间排布.又由于甘露糖分子中的六元环结构与吡喃的分子骨架相似，所以甘露糖的名称又分别叫α-D-吡喃甘露糖和β-D-吡喃甘露糖.进一步指出，为了使吡喃甘露糖的分子结构更加清晰明了，有时候将吡喃甘露糖构象式中的氢原子和碳原子省略，如图5所示.

图5 两种环状D-甘露糖的简化构象式

在吡喃甘露糖的环状分子结构中，与环上的碳原子相连的羟基（OH）或者羟甲基（CH2OH），与环上的碳原子之间的化学单键，有两种空间状态，一种是直立键，比如在β-D-吡喃甘露糖分子中与第2个碳原子相连的羟基（OH）.另一种是平伏键，比如在β-D-吡喃甘露糖分子中与第3、4个碳原子相连的羟基（OH），以及与第5个碳原子相连的羟甲基（CH2OH）.此外，在α-D-吡喃甘露糖分子中，半缩醛羟基（OH）也是直立键，在β-D-吡喃甘露糖的分子中，半缩醛羟基（OH）是平伏键.因为平伏键与其它相邻的化学键相距较远一些，相互之间的排斥作用会小一些，所以在分子中，羟基（OH）和羟甲基（CH2OH）都尽可能采取平伏键，这样以来整个分子的稳定性高，尤其是，在各种单糖分子中，羟甲基（CH2OH）这一大基团总是采取平伏键.自此我们基本讲清楚了α-D-吡喃甘露糖和β-D-吡喃甘露糖的分子结构.

2 D-半乳糖的分子结构

同样，根据图6的D-半乳糖的开链结构［3］，运用与吡喃甘露糖类似的分析方法，得出α-D-吡喃半乳糖的构象式，如图7所示.

图6 D-半乳糖

图7 α-D-吡喃半乳糖

3 瓜尔胶多糖的分子结构

在弄清楚了β-D-吡喃甘露糖和α-D-吡喃半乳糖的构象式后，结合六元环上原子的编号，就比较容易顺理成章地弄明白瓜尔胶多糖的分子结构.瓜尔胶多糖是一种由许多β-D-吡喃甘露糖和α-D-吡喃半乳糖形成的半乳甘露聚糖，分子主链是由许多β-D-吡喃甘露糖相互之间通过1→4糖苷键连接而成，在分子主链上，部分β-D-吡喃甘露糖的第6个碳原子处，通过糖苷键连接了一个α-D-吡喃半乳糖，此α-D-吡喃半乳糖构成瓜尔胶多糖的支链［3］.为了清晰地表述以上瓜尔胶多糖的分子结构，让一分子β-D-吡喃甘露糖（A）保持以上结构，而让另一分子β-D-吡喃甘露糖(B)以穿过分子的一条水平线为轴，旋转180度，然后让前一分子（A）中第1个碳原子上的半缩醛羟基与后一分子(B)中第4个碳原子上的羟基，通过糖苷键连接在一起，这就构成了瓜尔胶多糖分子主链的基本结构单元，如图8所示.

图8 瓜尔胶多糖的分子主链

在瓜尔胶多糖分子主链上，β-D-吡喃甘露糖（A）的第6个碳原子上的羟基（OH），与α-D-吡喃半乳糖的半缩醛羟基，通过糖苷键连接在一起，就构成了瓜尔胶多糖的分子支链，如图9所示.

图9 瓜尔胶多糖分子结构单元

4 结语

大量的瓜尔胶多糖分子的结构单元连接在一起，就构成了瓜尔胶多糖大分子.通过以上由简到繁，循序渐进的推导，学生很容易就掌握了瓜尔胶多糖大分子结构.运用同样的方法，学生基本上能够自主学习和掌握黄原胶和卡拉胶等多糖的分子结构.

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［1］沈同，王镜岩.生物化学（上册）［M］.2 版.北京：高等教育出版社，2002:19.

［2］南京大学化学系有机化学教研室.有机化学（下册）［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

赵世民（1956-），男，陕西洛川人，韶关学院英东食品科学与工程学院教授，博士，主要从事食品化学方面的研究.

（E D.:X， J）