郭祀遠(yuǎn)，鄭必勝，林慶生，王兆梅

（華南理工大學(xué)，廣東廣州510640）

糖資源的生態(tài)循環(huán)與糖業(yè)持續(xù)發(fā)展

郭祀遠(yuǎn)，鄭必勝，林慶生，王兆梅

（華南理工大學(xué)，廣東廣州510640）

從糖類在自然界的存在切入主題，論述糖類是取之不盡的天然資源，以及糖類與生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。糖類除了作為人們的生活資料被消費外，還是輕工、食品、化工、醫(yī)藥、能源等工業(yè)的生產(chǎn)資料。指出糖類雖是可再生的資源，但必須對其合理利用，充分發(fā)揮其效能，這對制糖工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)保都有重大的現(xiàn)實意義。此外，糖生物科學(xué)在人類生命活動中也起著舉足輕重的作用。

糖類；自然循環(huán)；糖業(yè)可持續(xù)發(fā)展

0 引言

糖料作物為太陽能轉(zhuǎn)化為生物能提供儲備平臺，糖乃天然的豐富資源，取之不盡，用之不竭。糖為人體必需的營養(yǎng)要素，它給人類補充最廉價、最安全之優(yōu)質(zhì)能量。糖不但給人們以生活的甜蜜，也使飲食品種更加豐富多采。糖被列為國際貿(mào)易的最大農(nóng)產(chǎn)制品之一，能為國民經(jīng)濟的發(fā)展積金聚財。糖還是典型的有機結(jié)晶，是相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究素材。

我國古代就有取飲蔗漿的文字記載，經(jīng)歷世世代代的桑田滄海，跨進(jìn)當(dāng)今突飛猛進(jìn)的工業(yè)時代，目前我國食糖的年產(chǎn)量已位居世界第3，但現(xiàn)有傳統(tǒng)糖業(yè)經(jīng)濟仍在全球的嚴(yán)峻環(huán)境下徘徊。世界科技在不斷進(jìn)步，要求加工技術(shù)日趨綠色環(huán)保、平衡生態(tài)，國際糖業(yè)界正高度關(guān)注如何呵護自然、節(jié)能減排，使糖業(yè)發(fā)展步伐能穩(wěn)定持續(xù)往前邁進(jìn)。

1 自然界的糖類

1.1何謂糖

中國古代通稱糖為“石蜜”。從先秦時代至南北朝時期出現(xiàn)“飴”、“ 飠埸 ” 、“餳”、“餹”。據(jù)季羨林大師考證[1]，用米、麥淀粉類制成的軟、濕、稀一點的甜東西用前兩個字表示，同讀yi；“餳”、“餹”指稠、干、硬一點的甜品，同讀tang。三國時代的《江表傳》中使用了“甘蔗餳”三字。查東漢許慎撰《說文解字》時，未收入“糖”字，至宋代徐鉉的校定版中才以新附字出現(xiàn)。在這部世界最古老的字典《說文解字》中給糖字的解釋是：糖，飴也。從米，唐聲?！掇o海》對糖（餹）字的注釋是：食用糖及糖制食品的統(tǒng)稱。如：白糖；冰糖；酥糖；花生糖。人們?nèi)粘Ｊ秤玫陌咨疤?、綿糖、冰糖，方糖、紅糖粉和片糖等，雖然形態(tài)不同，但其主要化學(xué)成分都是蔗糖。

蔗糖因其最先由甘蔗汁液提取而得名，蔗糖是糖類（碳水化合物）大家族中最為人熟悉的最主要的成員。以致人們通常所說的糖就是指蔗糖。對于糖類的其他糖則須加上定語，如：葡萄糖，果糖，麥芽糖，蜜糖等。對糖制食品也冠以其主要配料名稱來區(qū)別，如：牛奶糖，芝麻糖，薄荷糖，巧克力糖等；或以其性狀加以說明，如硬糖，軟糖，棉花糖，棒棒糖等。

糖，人體必需的營養(yǎng)要素之一，為人體提供廉價安全的能量源泉；糖，味居食物五味甘、咸、酸、辛、苦之首，給人以甜蜜美好的精神享受；糖，使飲食更加豐富多彩，其人均消費量是國民生活水平的寫照；糖，國際貿(mào)易額最大的農(nóng)產(chǎn)制品之一，能推動國民經(jīng)濟的發(fā)展，也推動世界的文化交流；糖，典型的有機結(jié)晶，對糖的研究將促進(jìn)晶體科學(xué)的進(jìn)步；糖，具有豐富的種類和深奧的內(nèi)涵，在生命科學(xué)的探索中將有驚人的發(fā)現(xiàn)！

1.2糖類家族

糖類（Sugars，Carbohydrate，舊稱醣）是一大類天然產(chǎn)物的總稱，包括單糖、低聚糖和淀粉與纖維素等植物多糖[2]。糖類是植物通過光合作用天然合成的一類重要的有機化合物。這類化合物最早被研究的有葡萄糖、果糖、蔗糖、乳糖、淀粉、纖維素等。它們都是由碳、氫和氧3種元素組成的，且其中氫和氧的比例都是與水分子中氫和氧的比例相同，因而被片面認(rèn)為這類化合物是由若干個碳和若干個水分子結(jié)合而成的，并用分子式Cx(H2O)y表示，便習(xí)慣上稱之為碳水化合物(carbohydrate)。后來，發(fā)現(xiàn)并不是所有符合此分子通式的化合物都屬糖類，如甲醛C2H4O2、乙酸C4H8O4。而有一些糖類和糖類衍生物并不符合這種分子式，例如脫氧糖（鼠李糖）、氨基糖（氨基葡萄糖）、甲基糖、糖苷、糖醇、糖酸等。事實上，糖類中的氫和氧并不是化合成水分子存在，而是以羥基-OH和氫原子-H的形式存在，并與碳原子-C連結(jié)。所以，糖類或碳水化合物實際上是多元羥基的醛或酮化合物及其聚合物與衍生物。通常所謂碳水化合物可依分子的大小分為單糖、低聚糖和多糖。

單糖(Monosaccharide)是最簡單的碳水化合物。一般按其所含的碳原子數(shù)分別稱為二碳糖、三碳糖、四碳糖、五碳糖、六碳糖、七碳糖等，或叫乙糖、丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖等。如木糖和阿拉伯糖分子中含5個碳原子，屬五碳糖或戊糖；葡萄糖和果糖分子中含6個碳原子，屬于六碳糖或己糖。

低聚糖也稱寡糖(Oligosaccharide)，是由2個至10個以下分子的單糖經(jīng)糖苷鍵結(jié)合而成。低聚糖水解后又能生成若干個單糖，按其水解后所生成的單糖數(shù)目分為二糖、三糖、四糖等；又可按其組分的異同分為均低聚糖和雜低聚糖；或按其還原性質(zhì)分為還原性低聚糖和非還原性低聚糖。如蔗糖水解后生成葡萄糖和果糖，屬非還原性雜二糖；麥芽糖水解得2個葡萄糖，屬還原性均二糖。

多糖(Polysaccharide)也為單糖經(jīng)糖苷鍵結(jié)合組成，結(jié)構(gòu)與低聚糖相似，但所含單糖分子數(shù)目較多，屬高分子化合物。自然界存在的多糖一般為100個以上的單糖組成，淀粉和纖維素中的單糖數(shù)量高達(dá)幾千個。人體和動物細(xì)胞中存在的糖原也是由D-葡萄糖組成的多糖，其化學(xué)結(jié)構(gòu)與支淀粉相似，它們都是由己糖組成的多糖，故也稱己聚糖。糖料植物中的半纖維素是由含5個碳原子的木糖所組成的多糖，故也稱戊聚糖。單糖的衍生物氨基糖和糖醛酸也組成多糖。如甲殼質(zhì)是氨基葡萄糖組成的天然多糖；阿拉伯樹膠為D-半乳糖、L-鼠李糖、L-阿拉伯糖和D-葡萄糖醛酸組成的多糖；果膠的化學(xué)組成包括多聚D-半乳糖醛酸、多聚D-半乳糖和多聚L-阿拉伯糖等3種多糖。

從廣義來說，除了單糖、低聚糖和多糖等通常的碳水化合物外，在糖的家族中還有糖脂、糖蛋白、糖核苷酸等復(fù)合糖化物(Complex Carbohydrates)，這類化合物也稱糖復(fù)合物、糖結(jié)合物或糖綴合物(Glycoconjugate)。此外，還有糖醇、糖酮、糖酸、糖胺以及糖苷等糖的衍生物(Sugar Derivative)也屬糖類家族的成員[3]。這些物質(zhì)都存在于生物組織中或存在于其體內(nèi)的代謝過程。

1.3糖存在于自然界

糖廣泛存在于自然界，是人類和動物的重要食物，人體的主要營養(yǎng)要素。大部分植物都含有普通意義的食用蔗糖(Sucrose)，如在花蕾、果實中，有一些植物的糖儲存在根部或莖部。甘蔗和甜菜是主要的糖料作物，它們每年在單位耕地上能生產(chǎn)足夠多的糖，具有商業(yè)規(guī)模制取食糖的價值。目前，全世界由甘蔗和甜菜生產(chǎn)的蔗糖年產(chǎn)量超1.6億t，是工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)數(shù)量最多的有機化合物和貿(mào)易量最大的工業(yè)結(jié)晶產(chǎn)品。

淀粉則存在于玉米、大米、小麥、高粱、薯類、豆類等農(nóng)作物中，有的農(nóng)作物含淀粉量高達(dá)干物質(zhì)的80%。這些含高量淀粉的農(nóng)產(chǎn)品是人類的主要食糧，也是工業(yè)上制造淀粉和淀粉糖的原料。

蜂蜜是動物生產(chǎn)的天然糖。蜂蜜中的糖為等量的葡萄糖和果糖，它是人類很早以前食用的甜味劑。各種水果和蔬菜甚至樹木的汁液中都含有不同分量的糖，雖然有的含量不多，但所含糖的種類卻不少，常見的有葡萄糖、果糖、蔗糖、木糖、甘露糖、麥芽糖等。如在葡萄汁中糖約占干固物重量的97%，其中葡萄糖約36%，果糖約41%、蔗糖約12%、麥芽糖約8%。

糖類以游離狀態(tài)和化合狀態(tài)2種形式存在于自然中。甘蔗中的蔗糖、水果中的葡萄糖都以游離狀態(tài)存在。葡萄糖又是淀粉、纖維素等多糖的組成單元，在這里葡萄糖則是以化合狀態(tài)存在的。作為聚合葡萄糖的纖維素是存在于自然界最多的碳水化合物，約占植物干重量的3/4。甲殼素是地球上第二大天然可再生資源，半纖維素、果膠質(zhì)、糖原等有機物也都是廣泛存在于動植物中的數(shù)量巨大的天然糖類產(chǎn)物。

1.4糖類資源利用

地球上的農(nóng)作物、樹木和其他植物每年合成數(shù)以千億噸計的各種糖類產(chǎn)品，為人類提供豐富的糖品資源。碳水化合物是人們吃、穿、用的生活資料。蔗糖以其清純的甜味及其營養(yǎng)價值為特征并因而被消費利用；糧食作物以其豐富的淀粉含量而被用作維生的食糧；棉花以其優(yōu)質(zhì)的纖維為紡織工業(yè)供應(yīng)織布的原料；木材是建造房屋和家具的基本材料；書本和報紙的紙張得靠植物纖維來制造；碳水化合物本身還是重要的能源原材料。

糖類除了作為人們的生活資料被消費外，還是輕工、食品、化工、醫(yī)藥、能源等工業(yè)的生產(chǎn)資料。蔗糖和淀粉是食品工業(yè)的重要原材料，碳水化合物是輕工業(yè)和化學(xué)工業(yè)原材料的重要來源，糖、淀粉、纖維素及其多種衍生物早已被用于生產(chǎn)輕工產(chǎn)品、化工產(chǎn)品和醫(yī)藥產(chǎn)品。由碳水化合物發(fā)酵可生產(chǎn)許多化工產(chǎn)品，再經(jīng)化學(xué)反應(yīng)能制造更多的化學(xué)產(chǎn)品?，F(xiàn)時由碳?xì)浠衔锷a(chǎn)的化工產(chǎn)品基本都能利用碳水化合物為原材料生產(chǎn)。

在地球的煤、石油、天然氣等礦物能源日趨枯竭的形勢下，大力發(fā)展生物能源成為各國重視的發(fā)展方向。利用甘蔗、蔗渣和薯類、玉米中的糖和淀粉生產(chǎn)燃料酒精已成為解決能源危機的一條有效途徑，這方面巴西已有成功的經(jīng)驗。巴西以其國土2%的面積種植甘蔗和木薯，在1990年就已達(dá)到能源自給的狀況。酒精是良好的汽車燃料，燃燒較完全，排出的溫室氣體較少，對大氣的污染較少，為清凈的燃料。美國也在大力發(fā)展玉米生產(chǎn)酒精。目前，美國每年的生物燃料產(chǎn)量約為120億加侖（約545 億L），大部分為利用玉米生產(chǎn)的乙醇燃料。美國環(huán)保署已出臺規(guī)定，確保實現(xiàn)國會設(shè)定的2022年美國生物燃料年產(chǎn)量達(dá)到360億加侖的目標(biāo)，美國農(nóng)業(yè)部也將出臺措施，為開發(fā)生物燃料提供融資。美國還成立了由能源部領(lǐng)導(dǎo)的專門結(jié)構(gòu)，推進(jìn)生物燃料的開發(fā)與應(yīng)用。

據(jù)美國農(nóng)業(yè)部發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2009年全美生產(chǎn)的玉米等谷類作物中，有1/4用于制造生物燃料，為汽車供能。按全球平均糧食消費水平計算，這些谷物足以為3.3億人口提供1年的糧食。糧食型生物燃料曾引起國際爭議，聯(lián)合國在2008年曾呼吁進(jìn)行調(diào)查，我國也已叫停以糧食制造生物燃料。但是以蔗渣、廢蜜等可再生資源的“廢棄物”生產(chǎn)生物燃料是一個值得提倡的方向。誠然，糖類雖是可再生的資源，但對其合理利用，充分發(fā)揮其效能，對生態(tài)環(huán)保都有重大的現(xiàn)實意義。這也是擺在人類面前的偉大歷史任務(wù)。

2 糖與碳的自然循環(huán)

2.1糖是植物光合作用的產(chǎn)物

糖料植物在陽光的作用下，通過葉綠素進(jìn)行光合反應(yīng)，能把大氣中的無機二氧化碳和水合成為有機的碳水化合物（式1）。

從反應(yīng)式⑴可知，在光合反應(yīng)中二氧化碳將等摩爾的水氧化，每還原1摩爾二氧化碳就需要吸收468.6 kJ的太陽熱能，并將其轉(zhuǎn)化成以糖形式存在的化學(xué)能。自然界就是這樣，以植物的生長為媒介來利用和貯存太陽能。所以，糖類是植物光合作用的產(chǎn)物，是太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而貯存于植物中的一種形式?，F(xiàn)在開采的煤炭、石油、天然氣、油葉巖等礦物燃料也是由億萬年前的植物光合作用的產(chǎn)物埋藏于地下，在地層高溫高壓的環(huán)境下轉(zhuǎn)變而成的。

甘蔗是一種高光效的高等植物，其光合作用固定二氧化碳的效率相當(dāng)高。甘蔗光合作用生成蔗糖大致經(jīng)過如下的過程：蔗葉通過光合作用，在羧基化酶和氧合酶的作用下，有選擇性地光合固定CO2，使之形成葡萄糖和果糖，并進(jìn)而縮合成蔗糖。在蔗葉尖端的光合作用最強，蔗葉中蔗糖、葡萄糖和果糖三者的比例為4：2：1。這一過程較為復(fù)雜，其具體機制尚有待進(jìn)一步深入研究。

2.2碳-糖在自然界的循環(huán)

通過糖類的合成，自然界保持空氣中二氧化碳和氧氣的平衡。植物通過光合作用利用了二氧化碳與水合成糖類等有機物并放出氧氣；人與動物以糖類為食物，經(jīng)過消化，吸收、利用其貯存的能量，并吸入氧氣，在生存活動的過程排出代謝產(chǎn)物二氧化碳和水。此外，來自植物的燃料（包括煤炭、燃油、天然氣等）的燃燒也需要氧氣和產(chǎn)生二氧化碳。這些二氧化碳和水又為植物的光合作用提供了原料。這樣，使地球上空氣中的二氧化碳含量能保持約0.03%，加上自然界水的平衡與循環(huán)利用，以及充沛的陽光能源，從而提供了保證植物生長產(chǎn)糖的必要條件。這個過程周而復(fù)始，生生不息，維持自然界的蓬勃生機。

2.3糖是取之不盡的天然資源

糖類廣泛存在于自然界的各種植物中，植物本身就是天然合成糖的場所。遼闊原野中的農(nóng)作物和無邊茂密的森林時刻在陽光的普照下不斷地合成無數(shù)的各種碳水化合物。農(nóng)作物可每年種植，樹木會逐年生長，世界上的碳水化合物可得到源源不斷的補充。因此，糖是一種可再生資源，大自然是取之不盡用之不竭的糖的天然寶庫。人們每年向大自然索取的糖量主要決定于種植糖料作物的種植面積和糖廠的生產(chǎn)能力，糖料植物的單位面積產(chǎn)量則因新品種和新技術(shù)的采用而不斷提高。

蔗糖是自然界存在的天然植物成分．至今尚未有人工合成的蔗糖產(chǎn)物。糖料作物，如甘蔗、甜菜等，在其葉綠素催化下，通過光合作用，其根系和綠葉吸收土壤中的水分和大氣中的二氧化碳，合成包括蔗糖在內(nèi)的各種碳水化合物。蔗糖實際上是太陽能作為化學(xué)能的一種儲備形式，它一般被貯藏在植物細(xì)胞的汁液中。甘蔗糖廠和甜菜糖廠就是將這些含糖的汁液提取出來，經(jīng)過提純、分離等加工過程將其制成市售的純凈潔白的結(jié)晶蔗糖產(chǎn)品，產(chǎn)品通過市場而到達(dá)消費者手中。蔗糖被食用后，在人體內(nèi)被消化吸收，它在腸腔內(nèi)被蔗糖酶水解成葡萄糖和果糖，并以不同的途徑在體內(nèi)進(jìn)行新陳代謝，其代謝的主要機制和產(chǎn)物最后被氧化成二氧化碳和水，并釋放出熱能。人體借此獲取維持生命活動的能量，并排出二氧化碳和水分，這些排泄物在自然界又為糖料作物隨時提供合成蔗糖的原料。這樣周而復(fù)始，形成蔗糖在自然界的循環(huán)，蔗糖被不斷食用消費的同時又通過糖料植物的種植而不斷再生，因而蔗糖是一種取之不盡，用之不竭的可再生資源。所以，只要合理規(guī)劃種植，應(yīng)用先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，注意生態(tài)平衡和環(huán)境保護，便可獲得豐富的制糖原料，使糖業(yè)得到可持續(xù)發(fā)展。

2.4糖與生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)

為了保證糖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，我國正在不斷探索糖業(yè)生產(chǎn)新體系。如把單純的糖廠擴展成為糖料綜合利用的甘蔗化工廠，由農(nóng)場辦糖廠形成農(nóng)-工-牧（漁）聯(lián)合企業(yè)，建立良性生態(tài)循環(huán)的生產(chǎn)環(huán)境。就主種甘蔗的農(nóng)場來說，可用糖廠的副產(chǎn)品濾坭來補充調(diào)節(jié)土壤的肥力，能使甘蔗增加產(chǎn)量并能保持高產(chǎn)。同時，如農(nóng)場還再辦起畜牧業(yè)和漁業(yè)，以蔗梢、蔗葉、蔗渣糠、廢糖蜜、酒精廢液等作為牛、羊、豬等牲畜的飼料，將糖蜜和濾坭摻拌谷物制成顆粒魚飼料，牲畜與魚的排泄物以及糖廠的有機廢渣、廢液又是農(nóng)田的肥料，可促進(jìn)甘蔗的生長。從而形成蔗多-糖多-肥多的良性生態(tài)循環(huán)，促進(jìn)糖業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。

甘蔗渾身是寶。開發(fā)糖料的綜合利用，不但擴大了糖廠的產(chǎn)業(yè)面，使產(chǎn)品多樣化，提高了經(jīng)濟效益，而且可減少三廢的排放量，降低對環(huán)境的污染，產(chǎn)生良好的社會效益。甘蔗綜合利用的內(nèi)容包括甘蔗本身和制糖過程的副產(chǎn)品，即蔗糖、蔗渣、糖蜜、濾坭、碳酸氣等5種產(chǎn)物的利用加工。對其多層次的加工和深加工可得到成千上萬種新產(chǎn)品[4]。

3 糖在人體中的代謝

3.1糖的消化途徑

人們吃入糧食和食糖，經(jīng)消化后都轉(zhuǎn)化為葡萄糖，由腸道吸收進(jìn)入血液中，輸送到全身各部位，在代謝過程放出熱量，提供人體活動所需的能量和保持體溫，并排出二氧化碳和水。生物機體跟外界環(huán)境不斷地進(jìn)行物質(zhì)及能量交換的過程，就是新陳代謝[5]。它一般可分4個階段：消化、吸收、中間代謝和排泄。

在我國，人們的膳食成分迄今仍多以糧食為主。糧食中的糖，最常見的是淀粉和纖維素等多糖。當(dāng)食物進(jìn)入體內(nèi)，其中的多糖在各種酶的作用下，經(jīng)過一系列的水解，最后轉(zhuǎn)化為能被人體吸收的營養(yǎng)物質(zhì)——單糖（如葡萄糖）。其中，淀粉的主要水解過程是淀粉經(jīng)過淀粉酶的水解，生成糊精，在腸胃中通過淀粉酶的消化被降解成麥芽糖，在麥芽糖酶的作用下生成葡萄糖。

3.2糖的吸收輸送

蔗糖在食用后經(jīng)消化轉(zhuǎn)化成葡萄糖和果糖，果糖進(jìn)一步代謝也按葡萄糖的代謝途徑。嬰兒吃乳汁或喝牛奶后奶中的乳糖消化成葡萄糖和半乳糖，半乳糖在人體內(nèi)會轉(zhuǎn)變?yōu)槟X神經(jīng)組織中的半乳糖苷，是小孩腦神經(jīng)發(fā)育必不可少的營養(yǎng)成分。然而，在消化時人體如果缺乏某種酶，比如乳糖酶，那么乳糖將不能被水解，而乳糖就難以被小腸吸收，就會導(dǎo)致不耐乳糖癥這一消化障礙。發(fā)生這種疾病的，成人多于兒童。

人和哺乳動物對糖的吸收，都是在小腸中進(jìn)行的。葡萄糖在小腸中被吸收后，一部分進(jìn)入血液，成為血糖，被運送到身體的各個組織和器官中，其燃燒發(fā)出的熱能為人體提供保持體溫和運動所需的能量，剩余部分的葡萄糖則被合成為糖原，作為能量儲存在肝和肌肉中。

糖約占人體干重的2%，一般人體血液中葡萄糖的含量保持在0.1%±0.03%之間。糖是組成人和動物組織結(jié)構(gòu)如DNA、RNA、抗體（糖蛋白）等的重要成分。糖的磷酸衍生物可以形成重要的生物活性物質(zhì)，如NAD+、FAD、ATP等。糖雖可經(jīng)代謝轉(zhuǎn)變?yōu)橹?、氨基酸等化合物，但糖和脂肪都是人體熱量的供應(yīng)者，而糖的熱值不如脂肪高，且糖會被優(yōu)先消化，即使是過多的葡萄糖也會先轉(zhuǎn)變成糖原儲存于肝臟內(nèi)和肌肉中，一般不會以脂肪的形式積存在體內(nèi)。肝臟中的糖原可根據(jù)代謝的需要轉(zhuǎn)變成葡萄糖再進(jìn)入血液中，而肌肉中的糖原則不能轉(zhuǎn)變回葡萄糖進(jìn)入血液，只能通過代謝反應(yīng)產(chǎn)生供肌肉運動所需的熱能。故適量吃糖難以使人發(fā)胖，而多余脂肪的積聚才是導(dǎo)致人體肥胖的主要原因。

3.3糖的有氧分解代謝

糖類的代謝包括消化、吸收后的外界營養(yǎng)物質(zhì)和體內(nèi)原有的物質(zhì)，在體內(nèi)各種組織和細(xì)胞中所進(jìn)行的多種化學(xué)變化，必然伴隨著能量的轉(zhuǎn)換。因此，代謝過程包含物質(zhì)代謝和能量代謝。糖類的代謝過程是由復(fù)雜的大分子分解成簡單的小分子的過程，屬分解代謝。糖的分解代謝伴隨著能量的釋放、轉(zhuǎn)移和利用。在體內(nèi)，糖的分解代謝主要是有氧代謝和無氧代謝。

糖的有氧分解代謝，指的是糖在體內(nèi)被氧化成二氧化碳和水的過程。它一般分成糖酵解和三羧酸循環(huán)2個階段。葡萄糖的有氧完全分解，總反應(yīng)的化學(xué)方程式見⑵式。

分解過程中，不但產(chǎn)生能量，而且生成多種構(gòu)成體內(nèi)某些物質(zhì)的中間產(chǎn)物，如氨基酸、脂肪酸、核酸的原料?？梢?，糖的有氧分解是包括人類在內(nèi)的各種需氧生物獲取能量的一種有效途徑。

糖的有氧分解代謝的第一階段是糖酵解途徑(EMP)。EMP的整個過程，可以分為3個步驟：磷酸己糖的生成，磷酸丙糖的生成和丙酮酸的生成。其反應(yīng)的化學(xué)方程式見⑶式。

式中的NAD+是維生素PP在體內(nèi)的一種活性形式，是生物氧化中的遞氫體。而ATP（三磷酸腺苷）是一種高能焦磷酸酯，相應(yīng)的產(chǎn)物是ADP（二磷酸腺苷）。

糖有氧分解代謝的第2階段是三羧酸(TCA)循環(huán)。TCA循環(huán)可以分為2個步驟：乙酰輔酶A的生成和乙酰輔酶A進(jìn)入循環(huán)。其反應(yīng)的化學(xué)方程式見⑷、⑸式。

式中的CoA為輔酶A，CoASH為乙酰輔酶A。其中間產(chǎn)物GTP也是一種高能焦磷酸酯，相應(yīng)的產(chǎn)物是GDP。而FAD（次黃嘌呤二核苷酸）是維生素B2在體內(nèi)的一種活性形式，也是生物氧化中的遞氫體。三羧酸循環(huán)是從草酰乙酸和乙酰輔酶A開始的。經(jīng)過一系列變化，最終又生成草酰乙酸。這表明，乙酰輔酶A在氧化分解中，放出能量及生成CO2和H2O，而草酰乙酸本身并無消耗。

3.4糖的無氧分解代謝

另一種糖的分解代謝形式是無氧分解代謝。但它僅僅作為體內(nèi)獲取能量的補充手段，是合成少量ATP的一種低效代謝途徑。在缺氧的情況下，人和高等動物的肌肉就是進(jìn)行無氧分解代謝。糖的無氧分解代謝的第一種方式為乙醇發(fā)酵。變化的主要過程見⑹式，反應(yīng)的化學(xué)方程式見⑺式。

糖的無氧分解代謝的第二種方式：乳酸發(fā)酵。變化的主要過程見⑻式，生成乳酸過程的化學(xué)方程式見⑼式。

人在劇烈運動時，肌肉常常暫時缺氧。此時無氧分解代謝反應(yīng)的結(jié)果便生成多量的乳酸，因而感到肌肉酸痛。適當(dāng)休息后，血中的乳酸流入肝臟，生成丙酮酸，再經(jīng)過糖異生作用而轉(zhuǎn)變成葡萄糖。其中的糖異生作用的化學(xué)方程式見⑽式。

通過這種乳酸-葡萄糖的循環(huán)（Cori循環(huán)），回收了乳酸中的能量，又重新積累、儲存了糖原。這對人體的能量的利用很有意義。

通過上述對糖類物質(zhì)在人體內(nèi)的消化吸收途徑的分析，可知食糖經(jīng)快速吸收、消化之后，最后能干凈地排出，沒有像攝入過多蛋白質(zhì)、脂肪之后有殘留物，故不會對肝臟造成負(fù)擔(dān)。在甜味食品譜中，食糖是一種非常容易吸收的營養(yǎng)成份，它轉(zhuǎn)化極快，產(chǎn)生的能量也極快，是體力勞動人群的最便捷的能量補給源，是運動型快速見效的營養(yǎng)食品。糖是人體三大營養(yǎng)源之一，是人類食譜中一種美味廉價的能量來源。

4 糖類在生命活動中的角色

4.1糖類與遺傳密碼信息

糖類在遺傳學(xué)上是一種非常重要的物質(zhì)，過去人們并沒有給予足夠的重視和評價。例如，DNA與RNA的區(qū)別，既不在堿基上、也不在磷酸上，其唯一差別是在核糖(RNA)或脫氧核糖(DNA)上：RNA的核糖上2位有羥基，DNA的核糖上2位無羥基。核糖的2位羥基對于RNA來說，不僅是折疊成固有三維結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，也是RNA具有催化作用的重要組成部分。因此，核糖2位羥基是DNA和RNA在遺傳學(xué)上的本質(zhì)差別?？梢娞穷愒谶z傳學(xué)上扮演著核心、關(guān)鍵角色。根據(jù)糖類在生命過程中的重要作用，人們推測糖類應(yīng)該有自己的遺傳密碼。

4.2糖類遺傳密碼與糖尿病

II型糖尿病的病因目前還不清楚，從糖類遺傳學(xué)角度分析認(rèn)為，II型糖尿病的主要病因可能是糖類遺傳密碼出了問題。如果從糖類遺傳密碼假說角度研究II型糖尿病，有可能獲得新結(jié)構(gòu)類型的治療藥物。因此，II型糖尿病的病因?qū)W研究可能有利于糖類遺傳密碼的破譯。對出問題的糖類遺傳密碼進(jìn)行部分修復(fù)或彌補其不足，需要使用對血糖具有雙向調(diào)節(jié)功能的藥物，而不是現(xiàn)在臨床上所采用的單純降低血糖藥物。膳食不均衡，就會出現(xiàn)某些營養(yǎng)不良或某些營養(yǎng)過剩等問題，時間長了就會損傷調(diào)控糖類吸收和代謝的遺傳系統(tǒng)。這可能是發(fā)生II型糖尿病的根本原因。

4.3糖類遺傳密碼與疫苗

許多疾病的發(fā)生和治療都與糖類密切相關(guān)。例如，細(xì)菌和病毒的抗原部分早已為人們所認(rèn)識，疫苗的應(yīng)用實際上是糖類的貢獻(xiàn)。從糖碼假說角度分析，癌癥和病毒都可能是由于糖碼畸變造成的惡果（包括自身變異和外來物質(zhì)誘導(dǎo)發(fā)生的異變）。例如艾滋病毒潛入人體細(xì)胞后，不能被防御體系識別，其關(guān)鍵原因可能就在其糖類部分?，F(xiàn)在的許多研究方法都是基于蛋白質(zhì)或核酸的結(jié)構(gòu)方面，忽視了糖類的作用，所得到的某些抗HIV-I抑制劑治標(biāo)不治本，這可能是忽略糖類作用的結(jié)果。幾千年來，中醫(yī)藥所積累的豐富經(jīng)驗告訴我們，中醫(yī)對糖類藥物是非常重視的，扶正固本的藥物被列為上品。例如，人參、黃芪、靈芝、茯苓、地黃、枸杞子等，其中的活性成分大多數(shù)是皂苷、多糖或寡糖類，等糖類或糖類衍生物。某些寡糖、雜糖（除葡萄糖以外的單糖）分子和皂苷都可能具有雙向調(diào)節(jié)作用。如果把現(xiàn)代科學(xué)理論、方法與豐富的中醫(yī)藥理論、實踐密切結(jié)合進(jìn)行研究，可能會取得令人矚目的新進(jìn)展。

4.4糖類受體與糖類酶

最近科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，采用糖的馬來酸酐衍生物聚合法合成的糖類聚合物單體具有催化RNA和DNA的水解作用。其中的4個聚合物含有呋喃核糖，1個聚合物含吡喃糖。它們的平均分子量為80 kDa～170 kDa。3個聚合物中的呋喃核糖環(huán)存在30個順式構(gòu)型的鄰位二醇羥基，既能催化對2-硝基苯基磷酸乙酯的水解，也能催化含有30個堿基的單股DNA水解。DNA是難于水解的，一般情況下只有核酸水解酶才能將其水解。該發(fā)現(xiàn)表明糖類聚合物能有效地水解磷酸二酯鍵。雖然該新發(fā)現(xiàn)還沒有涉及到是否存在天然的含有糖類的受體或含有糖類的酶，但糖類聚合物單體能夠水解RNA和DNA的發(fā)現(xiàn)，是對糖碼存在可能性的間接支持，它對生命科學(xué)理論的影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它本身的實用價值。

20世紀(jì)70年代后，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，人們逐步認(rèn)識到，糖類是涉及生命活動本質(zhì)的重要生物大分子之一。糖類還有其他的一些特殊功能：碳水化合物中的糖蛋白和蛋白多糖有潤滑作用，它可控制細(xì)胞膜的通透性，可作為細(xì)胞識別的信息分子。

大量的研究已表明，各種錯綜復(fù)雜的生命現(xiàn)象的產(chǎn)生與疾病的形成過程均包含了許多分子變化和復(fù)雜的代謝過程，其中糖蛋白的糖鏈在受精、發(fā)生、發(fā)育、分化、炎癥與自身免疫疾病，以及在癌細(xì)胞異常增殖及轉(zhuǎn)移，病原體感染，植物與病原體相互作用，豆科植物與根瘤菌的共生過程中，都起著重要作用[6]。

[1] 季羨林. 蔗糖史[M]. 北京：中國海關(guān)出版社，2007.

[2] 張力田. 碳水化合物化學(xué)[M]. 北京：輕工業(yè)出版社，1988.

[3] 張惟杰. 糖復(fù)合物生化研究技術(shù)[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版社，1999.

[4] 陳樹功. 蔗糖工業(yè)化學(xué)[M]. 廣州：華南理工大學(xué)出版社，1994.

[5] 吳東儒. 糖類的生物化學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1987.

[6] 焦克芳，陳望忠. 糖類與生命科學(xué)研究進(jìn)展[J]. 大學(xué)化學(xué)，1999(1):28-31.

(本篇責(zé)任編校：朱滌荃)

Ecological Cycle of Sugars Resources and the Sustainable Development of Sugar Industry

GUO Si-yuan, ZHENG Bi-sheng, LIN Qing-sheng, WANG Zhao-mei
(South China University of Technology, Guangzhou 510640)

The topic is introduced from the presence of sugars in nature. Sugars are inexhaustible natural resources as well as playing important roles in the cycle of ecological environment. In addition to consumption for people’s livelihood, sugars are also the raw material of light industry, food, chemical, pharmaceutical, energy and other industrial production. It is pointed out that sugars are renewable resources, but must be reasonable used, give full play to its wholesome effect; it is of great realistic meaning to the sustainable development of sugar industry and ecological environmental protection. Meanwhile, sugars also play an important role in the life activities of mankind.

Sugars; Natural circulation; Sugar industry sustainable development.

TS24

A

1005-9695(2016)02-0054-07

2016-02-23；修回日期：2016-04-08

引文格式：郭祀遠(yuǎn)，鄭必勝，林慶生，等. 糖資源的生態(tài)循環(huán)與糖業(yè)持續(xù)發(fā)展[J]. 甘蔗糖業(yè)，2016(2)：54-60.