4.1.2.1 物理性质
单糖都是无色晶体，味甜，有吸湿性，极易溶于水，难溶于乙醇，不溶于乙醚。单糖有甜味，不同的单糖甜度也不同。单糖有旋光性，具有环状结构的单糖有变旋光作用。葡萄糖的熔点146℃，天然的葡萄糖具有右旋性，故又称右旋糖。果糖为无色晶体，易溶于水，熔点为105℃。D-果糖为左旋糖，也有变旋现象，平衡时的比旋光度为-92°。
1.构象和旋光性 常见的单糖是葡萄糖和果糖，它们的分子式相同，都是C6H12O6，但是分子内原子的排列方式有所不同。葡萄糖分子中含5个羟基和1个醛基，是己醛糖。其中，C-2、C-3、C-4和C-5是不同的手性碳原子，有16个（α4=16）具有旋光性的异构体，D-葡萄糖是其中之一。存在于自然界中的葡萄糖其费歇尔投影（Fisher projections）中，4个手性碳原子除C-3上的—OH在左边外，其他的手性碳原子上的—OH都在右边。在含有多个手性碳原子的具有旋光性的异构体之间，凡只有一个手性碳原子的构型不同时，互称为差向异构体。D-葡萄糖和D-甘露糖就是C-2差向异构体。因此，用稀碱处理D-葡萄糖得到D-葡萄糖、D-甘露糖、D-果糖3种物质的平衡混合物的反应叫做差向异构化。单糖构型的确定仍沿用哈沃斯式（Haworth projections）D/L法。这种方法只考虑与羰基相距最远的一个手性碳的构型，此手性碳上的羟基在右边的为D型，在左边的为L型。自然界存在的单糖多属D型糖如图1-4-8。只有在水溶液中，才有约1%以开链的形式存在。
图1-4-8 单糖的构象
糖有旋光性。在旋光计中，有的能使偏振光的平面右旋，有的使之左旋。一般用（+）表示右旋，用（-）表示左旋。不是所有的D系的糖都是右旋的。一般提到的葡萄糖，除特别指出的以外，都是α，D（+）葡萄糖。果糖是D系的β异构体，为左旋，表示为β，D（-）果糖。它的环由5个碳原子组成，在同一平面上。
结晶葡萄糖有两种，一种是从乙醇中结晶出来的，熔点146℃。它的新配溶液的［α］D为+112°，此溶液在放置过程中，比旋光度逐渐下降，达到+52.17°以后维持不变；另一种是从吡啶中结晶出来的，熔点150℃，新配溶液的［α］D为+18.7°，此溶液在放置过程中，比旋光度逐渐上升，也达到+52.7°以后维持不变。糖在溶液中，比旋光度自行转变为定值的现象称为变旋现象。葡萄糖的变旋现象，就是由于开链结构与环状结构在形成平衡体系过程中的比旋光度变化所引起的。在溶液中α-D-葡萄糖可转变为开链式结构，再由开链式结构转变为β-D-葡萄糖；同样β-D-葡萄糖也可转变为开链结构，再转变为α-D-葡萄糖。经过一段时间后，3种异构体达到平衡，形成一个互变异构平衡体系，其比旋光度亦不再改变。不仅葡萄糖有变旋现象，凡能形成环状结构的单糖，都会产生变旋现象。
2.水溶性和水合性 单糖、双糖、低聚糖、糊精、果胶都溶于水。淀粉不溶于水，但与水加热后可吸水膨胀，变成糊状。淀粉经酸处理生成可溶淀粉。糖原能分散在水中得乳白色胶态“溶液”。糖脂的一端亲水，脂质的一端疏水。糖蛋白和蛋白多糖的糖也都亲水。一般而言，碳水化合物的溶解性能与温度、pH值和等电点有关。
大多数不溶于水的糖类都具有与水结合的能力，如膳食纤维、非淀粉多糖、部分寡糖和淀粉，但有些在热水中能溶解或者溶涨，醇类能增加这种溶涨性。琼脂、果胶、海藻酸和黏多糖等都能结合大量的水。如膳食纤维可吸水膨胀，吸水量依据其来源、周围液体的pH值和离子浓度等而不同，吸水后膳食纤维呈海绵状，细菌和一些分子能穿插进去。麦麸可吸收5倍于本身重量的水。利用此性质在食品工业中可以作为增稠剂、凝结剂和湿润剂。水溶性和水合性是碳水化合物的重要参数，此性质在食品工业中的应用比在营养学中的应用更为重要。
3.甜度 所有的碳水化合物都多少有些甜味，特别是单糖和双糖味道较甜，能溶解于水。但是糖的甜味是不同的，国际上常把甜味剂分成3类。食糖如蔗糖、淀粉糖等；食糖的代用品，如糖醇类；高倍甜味剂，如我们熟悉的糖精、甜蜜素、阿斯巴甜等。食物中的碳水化合物的甜味与能量大小有一定的关系，但与食糖代用品则无关。如把蔗糖的甜度定为1.0，主要天然和合成的糖类相对甜度和能量价值见表1-4-3。
表1-4-3 各种糖和甜味剂的相对甜度
4.1.2.2 化学性质
碳水化合物的化学性质复杂，为方便讨论其共性以单糖为例。单糖主要以环状结构形式存在，但在溶液中可与开链结构反应。因此，单糖的化学反应有的以环式结构进行，有的以开链结构进行。
1.氧化作用 单糖无论是醛糖或酮糖都可与弱的氧化剂如托伦试剂、费林试剂和本尼迪特试剂（Benedict）作用，生成金属或金属的低价氧化物。上述3种试剂都是碱性弱氧化剂，能将一般的醛氧化为相应的羧酸。但是，单糖在碱性溶液中加热，生成复杂的混合物，并含有各种醛类化合物，因此，单糖与上述试剂间的作用，实际上是这些醛类与试剂间的作用，其产物也是一个复杂的混合物。单糖易被碱性弱氧化剂氧化，说明它们具有还原性，凡有还原性的糖称为还原糖。利用单糖的还原性可作单糖定性、定量测定。
单糖在酸性条件下氧化时，由于氧化剂强弱不同，氧化产物也不同。例如，葡萄糖被溴水氧化时，生成葡萄糖酸；而用强氧化剂硝酸氧化时，则生成葡萄糖二酸（图1-4-9）。(www.xing528.com)
图1-4-9 D-葡萄糖的氧化作用
溴水氧化能力较弱，它把醛糖的醛基氧化为羧基。当醛糖中加入溴水，稍加热后，溴水的棕色即可褪去，而酮糖则不被氧化，因此可用溴水来区别醛糖和酮糖。
2.成苷作用 单糖环状半缩醛结构中的半缩醛羟基与另一分子醇或羟基作用时，脱去1分子水而生成缩醛。糖的这种缩醛称为糖苷。例如α-和β-D-吡喃葡萄糖的混合物，在氯化氢催化下同甲醇反应，脱水生成α-和β-D-甲基吡喃葡萄糖苷的混合物（图1-4-10）。
图1-4-10 单糖的成苷作用
糖苷一般由糖和非糖部分组成。非糖部分称为糖苷配基或苷元。糖和糖苷配基脱水后通过“氧桥”（键）连接，这种键称为苷键。由于单糖的环式结构有α-和β-两种构型，所以可生成α-和β-两种构型的苷。天然苷多为β-构型，苷的名称是按其组成成分而命名的，并指出苷键和糖的构型。天然苷常按其来源而用俗名。
糖苷结构中已没有半缩醛羟基，不能通过互变异构形成开链结构而产生醛基，因而糖苷无还原性，也没有变旋现象。糖苷在中性或碱性环境中较稳定，但在酸性溶液中或在酶的作用下，则水解生成糖和非糖部分。糖苷也是植物的有效成分之一，多为无色、无臭、有苦涩味的固体，但黄酮苷和蒽醌苷为黄色。苷中含有糖部分，所以在水中有一定的溶解性。苷类都有旋光性，天然苷多为左旋体。
3.成酯作用 单糖分子中含多个羟基，这些羟基能与酸作用生成酯。α-或β-D-吡喃葡萄糖在氯化锌存在下与乙酐作用生成五乙酸酯。五乙酸酯已没有半缩醛羟基，因而没有还原性（图1-4-11）。
图1-4-11 α-或β-D-吡喃葡萄糖的成酯作用
人体内的葡萄糖在酶作用下生成葡萄糖磷酸酯，如1-磷酸吡喃葡萄糖和6-磷酸吡喃葡萄糖等。单糖的磷酸酯在生命过程中具有重要意义，它们是人体内许多代谢的中间产物。
4.成脎反应 单糖分子与3分子苯肼作用，生成的产物称为糖脎。例如，葡萄糖与苯肼作用，生成葡萄糖脎（图1-4-12）；果糖与苯肼作用，生成果糖脎。糖脎是难溶于水的黄色晶体，不同的脎具有特征的结晶形状和一定的熔点，常利用糖脎的这些性质来鉴别不同的糖。
5.美拉德反应 糖和氨基化合物（氨基酸、肽和蛋白质的氨基）的反应称为美拉德反应（Maillard reaction），即褐变反应。这是因为还原糖含有羰基，它是参与该化学反应的活性成分所致。美拉德反应是食品储藏和加工中最常见的一类反应，反应速度和过程复杂，并对食品的色泽、风味、品质均有重要影响。例如，造成食品中赖氨酸营养价值降低或者完全丧失；果糖赖氨酸不易吸收，经尿排出。褐变反应所产生的褐色物质类黑精能与蛋白质结合，因此褐变在消化系统产生的影响值得深入研究。
图1-4-12 单糖的成脎作用
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