高中化学 20 基本营养物质

陈一男学习网站[ ChenYinan.com ] - 中国化学学会 - 中国院士 - GeoGebra - 化学基础

一、基本营养物质概述

定义及种类：基本营养物质是指人类为了维持生命和健康，必须从食物中摄取的营养成分，主要包括糖类、油脂、蛋白质、维生素、无机盐和水六大类。其中，糖类、油脂、蛋白质是动物性和植物性食物中的基本营养物质。

组成元素：糖类、油脂都是由碳、氢、氧三种元素组成；蛋白质除了含有碳、氢、氧元素外，还含有氮元素，有的蛋白质还含有硫、磷等元素。

二、糖类

分类：糖类根据其能否水解以及水解产物的不同，可分为单糖、二糖和多糖。

单糖：不能水解的糖，如葡萄糖、果糖，它们的分子式均为\(C_{6}H_{12}O_{6}\)，但结构不同，互为同分异构体。葡萄糖是一种多羟基醛，结构简式为\(CH_{2}OH(CHOH)_{4}CHO\)；果糖是一种多羟基酮，结构简式为\(CH_{2}OH(CHOH)_{3}COCH_{2}OH\)。

二糖：能水解生成两分子单糖的糖，如蔗糖、麦芽糖，它们的分子式均为\(C_{12}H_{22}O_{11}\)，互为同分异构体。蔗糖水解生成一分子葡萄糖和一分子果糖，化学方程式为\(C_{12}H_{22}O_{11}+H_{2}O\stackrel{催化剂}{\underset{\Delta}{\longrightarrow}}C_{6}H_{12}O_{6}+C_{6}H_{12}O_{6}\)（葡萄糖）（果糖）；麦芽糖水解生成两分子葡萄糖。

多糖：能水解生成多个分子单糖的糖，如淀粉、纤维素，它们的通式均为\((C_{6}H_{10}O_{5})_{n}\)，但由于\(n\)值不同，它们不是同分异构体。淀粉和纤维素都是天然高分子化合物。

性质：

葡萄糖：具有还原性，能与新制氢氧化铜悬浊液反应生成砖红色沉淀，也能与银氨溶液发生银镜反应，这两个反应可用于检验葡萄糖的存在。葡萄糖在人体内缓慢氧化，为人体提供能量，化学方程式为\(C_{6}H_{12}O_{6}+6O_{2}\longrightarrow 6CO_{2}+6H_{2}O\)。

淀粉：淀粉遇碘变蓝色，可用于检验淀粉的存在。在稀硫酸或淀粉酶的催化作用下，淀粉发生水解反应，最终生成葡萄糖。

纤维素：纤维素在一定条件下也能发生水解反应，但比淀粉水解困难，水解的最终产物也是葡萄糖。纤维素常用于制造纤维素硝酸酯、纤维素乙酸酯等化工产品，在造纸、纺织等领域有重要应用。

三、油脂

组成与结构：油脂是高级脂肪酸与甘油形成的酯，其结构简式可表示为\( \)，其中\(R_{1}\)、\(R_{2}\)、\(R_{3}\)可以相同，也可以不同，代表高级脂肪酸的烃基。常见的高级脂肪酸有饱和脂肪酸如硬脂酸\((C_{17}H_{35}COOH)\)、软脂酸\((C_{15}H_{31}COOH)\)，不饱和脂肪酸如油酸\((C_{17}H_{33}COOH)\)、亚油酸\((C_{17}H_{31}COOH)\)等。

物理性质：油脂的密度比水小，黏度较大，不溶于水，易溶于有机溶剂。天然油脂都是混合物，没有固定的熔沸点。

化学性质：

水解反应：油脂在酸性或碱性条件下都能发生水解反应。在酸性条件下，油脂水解生成高级脂肪酸和甘油，如硬脂酸甘油酯在稀硫酸作催化剂的条件下水解生成硬脂酸和甘油，化学方程式为\( + 3H_{2}O\stackrel{H^{+}}{\underset{\Delta}{\longrightarrow}}3C_{17}H_{35}COOH + \)。在碱性条件下，油脂水解生成高级脂肪酸盐和甘油，这个反应也称为皂化反应，如硬脂酸甘油酯在氢氧化钠溶液中水解生成硬脂酸钠和甘油，化学方程式为\( + 3NaOH\stackrel{\Delta}{\longrightarrow}3C_{17}H_{35}COONa + \)，硬脂酸钠是肥皂的主要成分。

加成反应：不饱和油脂中含有碳碳双键，能与氢气等发生加成反应，使油脂的不饱和度降低，这个过程称为油脂的氢化或硬化。例如，油酸甘油酯与氢气发生加成反应生成硬脂酸甘油酯，化学方程式为\( + 3H_{2}\stackrel{催化剂}{\longrightarrow} \)。

四、蛋白质

组成与结构：蛋白质是由多种氨基酸通过肽键相互连接而成的高分子化合物。氨基酸分子中至少含有一个氨基\((-NH_{2})\)和一个羧基\((-COOH)\)，常见的氨基酸有甘氨酸\((H_{2}NCH_{2}COOH)\)、丙氨酸\((CH_{3}CH(NH_{2})COOH)\)等。氨基酸通过脱水缩合反应形成肽键\((-CO-NH-)\)，进而形成多肽链，多肽链再经过盘曲、折叠等方式形成具有一定空间结构的蛋白质。

性质：

水解反应：蛋白质在酸、碱或酶的作用下能发生水解反应，最终生成氨基酸。

盐析：向蛋白质溶液中加入某些浓的无机盐溶液，如\((NH_{4})_{2}SO_{4}\)、\(Na_{2}SO_{4}\)等，可使蛋白质的溶解度降低而从溶液中析出，这种作用叫做盐析。盐析是一个可逆过程，析出的蛋白质加水后又可重新溶解，盐析可用于分离、提纯蛋白质。

变性：在某些物理因素或化学因素的影响下，蛋白质的理化性质和生理功能发生改变的现象称为蛋白质的变性。能使蛋白质变性的因素有加热、紫外线、\(X\)射线、强酸、强碱、重金属盐、甲醛、酒精等。蛋白质变性后，其空间结构被破坏，失去生理活性，且是不可逆的。

颜色反应：含有苯环结构的蛋白质遇浓硝酸会显黄色，可用于检验蛋白质的存在。

灼烧：蛋白质灼烧时会产生烧焦羽毛的气味，可用于鉴别蛋白质。