第二章　糖和苷类化合物

第一节　糖类化合物

一、概述

糖类化合物（saccharides）是多羟基醛或多羟基酮及其衍生物、聚合物的总称，因多数具有Cx（H2O）y通式，故又称为碳水化合物（carbohydrates）。

糖类化合物是植物光合作用产生的一次代谢产物，也是多数植物二次代谢产物生物合成的初始原料，在自然界分布十分广泛。在植物的根、茎、叶、花、果实、种子等各个部位中均含有糖类化合物，且常占植物干重的80%以上。

糖类化合物除作为动植物的营养物质和骨架成分外，一般具有独特的生物活性，特别是多糖类化合物，是中药的重要有效成分，如香菇多糖具有抗肿瘤作用，黄芪多糖具有增强免疫功能作用，麻黄多糖具有免疫抑制作用等。一些具有补益功效的中药，如人参、灵芝、枸杞子、刺五加等都含有大量糖类化合物，且均是与临床功效相关的有效成分。

糖类还可和其他非糖物质结合，形成了数目更为庞大的各种苷类化合物（glycosides）而存在于生物体中，这些苷类成分也是中药的重要有效成分。

二、糖的结构与分类

糖类化合物可根据其能否被水解和水解后生成单糖的数目分为单糖（monosaccharides）、低聚糖（oligosaccharides）、多聚糖（polysaccharides）三类。单糖是组成糖类及其衍生物的基本单元，也是不能再水解的最简单的糖，如葡萄糖、鼠李糖等。低聚糖也称为寡糖，由2～9个单糖聚合而成，如蔗糖、芸香糖等。多聚糖是一类由10个以上单糖聚合而成的高分子化合物，通常由几百甚至几千个单糖组成，如淀粉、纤维素等。多糖分子量很大，其性质也明显不同于单糖和低聚糖。

（一）单糖

1.单糖的分类　自然界中已发现的天然单糖有200余种，从三碳糖到八碳糖，其中以五碳（戊）糖、六碳（己）糖为多。中药中常见的单糖及其衍生物类型如下：

（1）五碳醛糖　常见的有D-木糖（D-xylose，Xyl）、L-阿拉伯糖（L-arabinose，Ara）和D-核糖（D-ribose，Rib）等。

（2）甲基五碳糖　亦称为6-去氧糖。常见的有L-夫糖（L-fucose，Fuc）、D-鸡纳糖（Dguinovose，Gui）和L-鼠李糖（L-rhamnose，Rha）等。

（3）六碳醛糖　常见的有D-葡萄糖（D-glucose，Glc）、D-甘露糖（D-mannose，Man）和D-半乳糖（D-galactose，Gal）等。

（4）六碳酮糖　常见的为D-果糖（D-fructose，Fru）。

（5）糖醛酸　单糖中的伯醇羟基被氧化为羧基的化合物称为糖醛酸，主要以多糖及苷类化合物的形式存在于动植物体内。常见的有D-葡萄糖醛酸（D-glucuronic acid）和D-半乳糖醛酸（Dgalacturonic acid）等。

（6）糖醇　单糖的醛或酮基还原成羟基后得到的多元醇称为糖醇，多有甜味。糖醇在自然界分布很广，如L-卫矛醇（L-dulcitol）、D-甘露醇（D-mannitol）、D-山梨醇（D-sorbitol）、D-木糖醇等。

此外，自然界中还存在一些结构较为特殊的单糖及其衍生物。在单糖的2，6位失去氧，就成为2，6-二去氧糖，如D-洋地黄毒糖（D-digitoxose），这类去氧糖主要存在于强心苷等成分中。单糖的伯或仲羟基被置换为氨基，就成为氨基糖，如2-氨基-2-去氧-D-葡萄糖（2-amino-2-deoxy-D-glucose），天然氨基糖主要存在于动物和菌类中。自然界亦发现一些支碳链的糖，如D-芹糖（D-apiose，Api）等。

2.单糖的构型　单糖是组成低聚糖和多聚糖的基本单位。多数单糖可以以开链及环状两种结构形式存在，单糖的环状结构是由单糖分子的一个羟基与其自身羰基发生缩醛或缩酮反应生成的半缩醛或半缩酮结构。如葡萄糖在固体状态时是环状结构，在溶液中则两种形式同时存在并可以互相转化，但主要以环状形式存在。自然界的糖多以五元、六元氧环形式存在，五元氧环的糖称为呋喃型糖（furanose），六元氧环的糖称为吡喃型糖（pyranose）。现常以部分简化的Fischer投影式表示开链结构、Haworth式表示糖的环状结构。

（1）绝对构型　单糖的绝对构型习惯上以D、L表示。在Fischer投影式中根据距离羰基最远的手性碳（如葡萄糖的C5）上的羟基的位置，羟基在右侧的为D型糖，在左侧的为L型糖。在Haworth式中因参与成环的羟基不同，判断方法也不同。六碳吡喃醛糖及甲基五碳吡喃糖看C5（五碳呋喃糖看C4）上取代基的取向，向上的为D型，向下的为L型。

（2）相对构型　单糖从链状结构转化为环状结构后，会形成一个新的手性碳原子，如葡萄糖的C1。这个手性碳原子称为端基碳原子，端基碳原子上的羟基称为半缩醛羟基。由此形成的一对异构体称为差向异构体，它们的相对构型有α、β两种。

在Haworth式中，六碳吡喃醛糖及甲基五碳糖的C5（五碳呋喃糖的C4）上取代基与端基碳上羟基在环同侧的为β型，在环异侧的为α型。由此可以看出，β-D和α-L型、β-L和α-D糖的端基碳原子的手性结构是一致的，故α、β表示的仅是糖端基碳原子的相对构型。

应该注意的是，在Haworth式中五碳吡喃糖构型的判断与六碳吡喃糖不同，绝对构型看C4上的羟基，向下的为D型，向上的为L型；相对构型则是C4上的羟基与端基碳上羟基在环异侧的为β型，在环同侧的为α型。

单糖结构式的另一种表示方法是优势构象式，这种方法更接近糖的真实结构。根据环的无张力学说，呋喃糖的优势构象是平面信封式，吡喃糖的优势构象是椅式，有1C和C1两种形式，除鼠李糖等极少数外，大多数单糖的优势构象是C1式。

（二）低聚糖

低聚糖由2～9个单糖基通过糖苷键聚合而成，天然存在的低聚糖多由2～4个单糖基组成。按组成低聚糖的单糖基数目，低聚糖分为二糖、三糖、四糖等。常见的二糖有芸香糖（rutinose）、蔗糖（sucrose）、龙胆二糖（gentiobiose）、蚕豆糖（vicianose）、槐糖（sophorose）等。

天然存在的三糖多是在蔗糖的基础上再连接一个单糖而成，如棉子糖（raffinose）等。四糖、五糖又多是在棉子糖的结构上延长，如水苏糖（stachyose）等。低聚糖的结构中除了常见的单糖外，还常存在糖的衍生物，如糖醛酸、糖醇、氨基糖等。

根据有无游离的半缩醛羟基，低聚糖可分为还原糖和非还原糖，有游离的半缩醛羟基的糖称为还原糖，如槐糖、芸香糖等；如果单糖都以半缩醛羟基或半缩酮羟基脱水缩合，形成的低聚糖就没有还原性，称为非还原糖，如蔗糖、棉子糖和水苏糖等。

低聚糖的结构通常以单糖的缩写符号表示，如棉子糖可以表示为α-D-Galp-（1→6）-α-D-Glcp（1→2）-β-D-Fruf，其中数字表示糖与糖之间的连接位置，单糖的缩写符号后面的“p”表示吡喃型，“f”表示呋喃型。

（三）多聚糖

多聚糖又称多糖，由10个以上单糖分子通过苷键聚合而成，分子量较大，一般由几百至几千个单糖分子组成。多糖基本没有单糖的性质，一般无甜味，也无还原性。

多糖分为两类。一类为水不溶性多糖，在动植物体内主要起支持组织的作用，如植物中的半纤维素和纤维素，动物甲壳中的甲壳素等，分子呈直糖链型。另一类为水溶性多糖，如菊糖、黏液质、果胶、树胶和动植物体内贮藏的营养物质淀粉等。多糖多为支糖链分子，但也有直糖链分子。由同一种单糖组成的多糖为均多糖（homopolysaccharides），由两种以上单糖组成的称为杂多糖（heteropolysaccharide）。

多糖生物学功能的认识经历了一个较长的反复过程。在过去相当长一段时间，人们普遍认为多糖为无用成分。现在人们认识到多糖是继蛋白质、核酸和脂类之后人类生命中的第四大重要物质，它与机体免疫功能的调节、细胞与细胞之间的识别、细胞间物质的运输、癌症的诊断与治疗有密切关系。从而使多糖类的研究迅速发展。并且，许多中药中的多糖具有较强的药理作用，如人参多糖、黄芪多糖、猪苓多糖等，有些多糖已经开发为临床用药。因此，作为中药主要有效成分之一的多糖，可能为中药研究带来一个全新的时代，即多糖生命科学时代。

1.植物多糖

（1）纤维素（cellulose）　是自然界分布最广、存在最多的多糖，由3000～5000分子的D-葡萄糖通过1β→4苷键聚合而成，分子呈直线结构，是植物细胞壁的主要组成成分。

纤维素是白色高分子化合物，不易被稀酸或稀碱水解，不溶于水，也不溶于乙醇、乙醚、苯等有机溶剂。牛、马、羊等食草动物消化道内能分泌纤维素酶，可将其水解利用。人类及食肉动物体内能水解β-苷键的酶很少，故不能消化纤维素，但食物中的纤维素可促进肠体蠕动，有防止便秘等作用。

（2）淀粉（starch）　广泛存在于植物体，尤以果实或根、茎及种子中含量较高，是植物体中贮存的养分。淀粉通常为白色粉末，是葡萄糖的高聚物，约由27%以下的直链淀粉（糖淀粉）和73%以上的支链淀粉（胶淀粉）组成。糖淀粉为1α→4连接的D-葡聚糖，聚合度一般为300～350，能溶于热水；胶淀粉中的葡聚糖，除1α→4连接之外，还有1α→6支链，支链平均为25个葡萄糖单位，胶淀粉聚合度为3000左右，在热水中呈黏胶状，不溶于冷水。淀粉分子呈螺旋状结构，每一螺旋有六个葡萄糖单位。碘分子或离子可以进入螺旋通道形成有色包结化合物，故淀粉遇碘显色。

淀粉在制剂中常用作赋形剂，在工业上常用作生产葡萄糖的原料。

淀粉和纤维素等为常见的植物多糖，且均为葡萄糖的高聚物，大多无生物活性，通常作为杂质被除去。但是中药中的一些多糖具有重要的生物活性，如地衣类Cetraria植物中的地衣多糖（lichenan）是聚合度为180～200的葡聚糖，其中2/3为1β→4连接，1/3为1β→3连接。黄芪中的黄芪多糖AG-1为1α→4和1α→6葡聚糖，二者糖基组成比例为5∶2，这些葡聚糖具有较强的肿瘤抑制作用。

（3）黏液质（mucilage）　是植物种子、果实、根、茎和海藻中存在的一类多糖，在植物中主要起保持水分作用。从化学结构上看黏液质属于杂多糖类，如从海洋药物昆布或海藻中提取的褐藻酸，是L-古洛糖醛酸与D-甘露糖醛酸聚合而成的多糖。以褐藻酸为原料制成的褐藻酸钠注射液，用来增加血容量和维持血压。在医药上黏液质常做润滑剂、混悬剂及辅助乳化剂。

黏液质可溶于热水，冷后呈胶冻状，不溶于有机溶剂。在用水作溶剂提取中药成分时，黏液质的存在会使其水溶液稠性增大而极难过滤。若黏液质作为杂质，可在水溶液中加入乙醇使其沉淀，或利用分子中的游离羧基加入石灰水使其生成钙盐沉淀，滤过除去。但是，需要注意的是，随着研究的深入和新研究结果不断出现，人们对黏液质已经有了新的认识。据报道，中药车前子和黄柏中的黏液质含量都很高，这些黏液质分别具有与车前子和黄柏临床功效相关的多方面药理作用，表明它们也是这些中药的药效物质基础，而不是杂质。

（4）果聚糖（fructosan）　在高等植物和微生物中均存在。菊糖（inulin）又称菊淀粉，是果聚糖的一种。它由35个D-果糖以2β→1苷键连接而成，最后接上D-葡萄糖基，故其末端为一个蔗糖结构。菊糖在菊科植物中分布较多。此外，中药麦冬内含的麦冬多糖、桔梗中的桔梗多糖都是果聚糖型多糖。

（5）树胶（gum）　树胶是植物在受到伤害或被毒菌类侵袭后分泌的物质，干后呈半透明块状物，遇水能膨胀或成黏稠状的胶体溶液，在乙醇及多数有机溶剂中均不溶解。从化学结构上看树胶属于杂多糖类，如中药没药内含64%树胶，其树胶成分是由D-半乳糖、L-阿拉伯糖和4-甲基-D-葡萄糖醛酸组成的酸性杂多糖。在医药上树胶常做乳化剂、混悬剂等。

2.菌类多糖

（1）猪苓多糖（polyporus polysaccharide）　是从多孔菌科真菌猪苓Polyporus umbellatus（Pers.）Fr.中提得的，是以1β→3、1β→4、1β→6键结合的葡聚糖，支链在C3和C6位上。药理实验证明，猪苓多糖能显著提高荷瘤小鼠巨噬细胞的吞噬能力，促进抗体形成，是良好的免疫调节剂，具有抗肿瘤转移和调节机体细胞免疫功能的作用。此外，对慢性肝炎也有良好的疗效。

（2）茯苓多糖（pachyman）　是多孔菌科真菌茯苓Poria cocos（Schw.）Wolf中提得的一种多糖，为以1β→6吡喃葡萄糖为支链的1β→3葡聚糖。茯苓多糖本身无抗肿瘤活性，若切断其1β→6吡喃葡聚糖支链，成为单纯的1β→3葡聚糖（称为茯苓次聚糖pachymaran），则具有显著的抗肿瘤作用。

（3）灵芝多糖（ganoderma lucidum polysaccharide）　是从多孔菌科真菌赤芝Ganoderma lucidum（Leyss.ex Fr.）Karst中提得的多糖，有20多种，如葡聚糖（1β→6、1β→3等键结合）、杂多糖（1β→6、1β→3键合的阿拉伯糖半乳聚糖等）及肽多糖。这些灵芝多糖间的抗肿瘤活性并无显著差异，但多糖的三维螺旋结构遭破坏则影响其活性。

3.动物多糖

（1）肝素（heparin）　是一种含有硫酸酯的黏多糖，它的组分是氨基葡萄糖、艾杜糖醛酸和葡萄糖醛酸。其分子结构可用一个四糖重复单位表示，在4个糖单位中，有2个氨基葡萄糖含4个硫酸基，硫酸基在氨基葡萄糖的2位氨基和6位羟基上，分别成磺酰胺和酯。艾杜糖醛酸的2位羟基成硫酸酯。肝素的含硫量在9.0%～12.9%。氨基葡萄糖基为α型，葡萄糖醛酸基为β型，分子呈螺旋形纤维状。肝素广泛分布于哺乳动物的内脏、肌肉和血液里，作为天然抗凝血物质受到高度重视，可用于预防血栓等疾病。

（2）透明质酸（hyaluronic acid）　是由D-葡萄糖醛酸1β→4和乙酰D-葡萄糖胺1β→3连接而成的直链酸性黏多糖。透明质酸广泛存在于动物的各种组织中，在哺乳动物体内，以玻璃体、脐带和关节滑液中含量最高，鸡冠中的含量与滑液相似。透明质酸可用于视网膜脱离手术，并作为天然保湿因子，广泛用于化妆品中。

（3）硫酸软骨素（chondroitin sulfate）　是从动物的软骨组织中得到的酸性黏多糖，有A、B、C、D、E、F、H等多种。硫酸软骨素A是由D-葡萄糖醛酸1β→3和乙酰D-半乳糖胺1β→4相间连接而成的直链分子，在半乳糖胺C4-OH上有硫酸酯化。硫酸软骨素A能增强脂肪酶的活性，使乳糜微粒中的甘油三酯分解成脂肪酸，使血液中乳糜微粒减少而澄清，还具有抗凝和抗血栓形成的作用。

（4）甲壳素（chitin）　是组成甲壳类昆虫外壳的多糖，其结构和稳定性与纤维素类似。由N-乙酰葡萄糖胺以1β→4反向连接成直线状结构。不溶于水，对稀酸和碱稳定。甲壳素经浓碱处理，可得脱乙酰甲壳素（chitosan）。甲壳素及脱乙酰甲壳素应用非常广泛，可制成透析膜、超滤膜，也可用作为药物的载体，使药物缓释，还可用于人造皮肤、人造血管和手术缝合线等。

三、糖的理化性质

（一）性状

单糖和分子量较小的低聚糖及大部分糖的衍生物一般为无色或白色晶体，分子量较大的低聚糖较难结晶，常为非结晶性的白色固体。糖类物质常在熔融前炭化分解。分子量较小的糖有甜味。糖的衍生物，如糖醇等，也多为无色或白色的结晶，有甜味。多糖常为无色或白色无定形粉末，基本无甜味。

（二）溶解性

单糖和低聚糖易溶于水，尤其易溶于热水，可溶于稀醇，一般也溶于吡啶和热的醇中，不溶于亲脂性有机溶剂。多聚糖一般难溶于冷水，或溶于热水形成胶体溶液，但随着醇的浓度增加溶解度降低。不溶于有机溶剂。纤维素和甲壳素几乎不溶于任何溶剂。

糖在水溶液中往往会在极度过饱和情况下不析出结晶，浓缩成为糖浆状。

（三）旋光性

单糖均具有旋光性，且多为右旋，个别为左旋。因单糖水溶液一般是环状及开链式结构共存的平衡体系，故单糖多具有变旋现象，如β-D葡萄糖的比旋光度是+113°，α-D葡萄糖是+19°，在水溶液中两种构型通过开链式结构互相转变，达到平衡时葡萄糖水溶液的比旋光度为+52.5°。

（四）化学性质

糖的化学性质在有机化学中已有详细论述，下面仅介绍糖类检识常用的化学反应。

1.糠醛形成反应　单糖在浓酸的作用下，加热脱去三分子水，可生成具有呋喃环结构的糠醛及其衍生物。糠醛衍生物可以和许多芳胺、酚类及具有活性次甲基的化合物缩合生成有色产物，由于不同类型的糖形成糠醛衍生物的难易不同、产物不同，与芳胺、酚类等形成的缩合物颜色也不相同，因此可以利用这一反应区别不同类型的糖，许多糖的显色剂就是根据这一反应配制而成的。如邻苯二甲酸和苯胺是常用的糖的色谱显色剂。

Molish反应是检测糖和苷类化合物常用的反应。Molish试剂由浓硫酸和α-萘酚组成，与单糖发生如下反应，生成物一般呈紫色。

Molish反应中，低聚糖或多糖先水解成单糖，再脱水生成糠醛及其衍生物，后与α-萘酚试剂反应产生有色缩合物。

2.氧化反应　还原糖分子中有醛（酮）基、醇羟基及邻二醇等结构单元，通常醛基最易被氧化，伯醇基次之。在控制反应条件的情况下，不同的氧化剂可选择性地氧化某些特定基团，如Ag+、Cu2+及溴水可将醛基氧化成羧基，硝酸能将伯醇基氧化成羧基，过碘酸不仅能氧化邻二醇，而且能氧化α-羟基醛（酮）、α-羟基酸、α-氨基醇、邻二酮等。过碘酸氧化反应（氧化开裂反应）在糖苷类的结构研究中是一个常用反应，详见本章第二节。

常用于糖类检识的氧化反应还有菲林反应（fehling reaction）和多伦反应（tollen reaction）。

菲林试剂（碱性酒石酸铜试剂）可以将还原糖中游离的醛基氧化成羧基，同时菲林试剂中的铜离子由二价还原成一价，生成氧化亚铜砖红色沉淀，称为菲林反应。

多伦试剂（氨性硝酸银试剂）也能够将还原糖中的醛基氧化成羧基，同时多伦试剂中的银离子被还原成金属银，生成银镜或黑褐色银沉淀，称为多伦反应或银镜反应。

3.碘呈色反应　是碘分子或碘离子排列进入多糖螺旋通道中形成的有色包合物产生的呈色反应，所呈色调与多糖的聚合度有关，随聚合度增高，颜色逐渐加深（红色→紫色→蓝色）。如糖淀粉聚合度为300～350，遇碘呈蓝色；胶淀粉聚合度为3000左右，但螺旋通道在分支处中断，其支链平均聚合度只有20～25，故遇碘呈紫红色。

四、糖的检识

（一）理化检识

1.Molish反应　样品少许溶于水中，加5%α-萘酚乙醇液3滴，摇匀，沿试管壁缓缓加入浓硫酸1mL，若在两液面间有紫色环产生，说明可能含有糖类化合物。

2.菲林反应　样品少许溶于水中，加新配制的菲林试剂5滴，于沸水浴上加热5分钟，若有砖红色的氧化亚铜沉淀生成，说明存在还原糖。

继续加入菲林试剂至不再生成沉淀，滤过，滤液加浓盐酸调至强酸性，沸水浴上水解30分钟。水解液用10%的氢氧化钠中和至中性，再做菲林反应，若有砖红色沉淀生成，说明可能存在非还原性的低聚糖、多糖类化合物。

3.多伦反应　样品少许溶于水中，加新配制的多伦试剂5滴，于沸水浴上加热5分钟，有银镜或黑褐色的银沉淀生成，说明可能存在还原糖。

（二）色谱检识

1.纸色谱　固定相为色谱纸上吸附的水，移动相一般选择水饱和的有机溶剂，常用的如BAW系统［正丁醇-乙酸-水（4∶1∶5，上层）］、乙酸乙酯-吡啶-水（2∶1∶2）及水饱和的苯酚等。因糖的水溶性很大，若展开剂含水太少，会使其Rf值过小，为增大Rf值，需要增加展开剂的含水量，可在其中加入第三组分，如在水饱和的正丁醇中加入乙酸，也可加入吡啶、乙醇等。

2.薄层色谱　可用纤维素薄层色谱或硅胶薄层色谱。纤维素薄层色谱原理与纸色谱相同，属于分配色谱，条件也相似，但所需时间明显缩短。硅胶薄层色谱常用的展开剂也为含水溶剂系统，如BAW系统、三氯甲烷-甲醇-水（65∶35∶10，下层）等三元溶剂系统。反相硅胶薄层色谱常用不同比例的甲醇-水、三氯甲烷-甲醇-水等为展开剂。

3.显色剂　糖显色剂的显色原理主要是利用糖的还原性或形成糠醛后引起的显色反应。常用的有苯胺-邻苯二甲酸试剂、三苯四氮盐试剂（TTC试剂）、间苯二酚-盐酸试剂、蒽酮试剂、双甲酮-磷酸试剂等，这些试剂对不同的糖往往显不同的颜色，因此，有些显色剂不仅可以确定糖斑点的位置，还可帮助区分其类型。

有些显色剂中含有硫酸，只能用于薄层色谱，不适用于纸色谱，如茴香醛-硫酸试剂、间苯二酚-硫酸试剂、α-萘酚-硫酸试剂、酚-硫酸试剂等。喷显色剂后一般要在105℃加热数分钟后才显现斑点。以羧甲基纤维素钠为黏合剂的硅胶薄层，在使用含硫酸的显色剂时应注意加热的温度与时间，以免影响对斑点的观察。