葡萄糖，别名D-葡糖、D-无水葡萄糖、无水葡萄糖、α-D-葡萄糖、右旋糖，化学式为C6H12O6，通常为白色结晶粉末。
葡萄糖最早 [1]是在1747年被发现的，1838年，由法国化学家尚-巴蒂斯特·杜马正式命名为“glucose”，即葡萄糖。如今，将二氧化碳（CO2）高效还原合成高浓度乙酸，并进一步利用微生物发酵生产葡萄糖和长链脂肪酸。为人工和半人工合成“粮食”提供了新技术。
- 中文名
- 葡萄糖
- 外文名
- glucose
- 别 名
- (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-五羟基己醛、玉米葡糖、玉蜀黍糖
- 化学式
- C6H12O6
- 分子量
- 180.16
- CAS登录号
- 50-99-7
- EINECS登录号
- 200-075-1
- 熔 点
- 146 ℃
- 沸 点
- 527.1 ℃
- 水溶性
- 易溶
- 密 度
- 1.581 g/cm3
- 外 观
- 白色无臭结晶性颗粒或晶粒状粉末
- 闪 点
- 286.7 ℃
- 安全性描述
- S26；S36/37；S24/25
- 危险性符号
- R36/37/38
- 危险性描述
- Xi
- 缩 写
- GLC、GLU（血糖）
- 葡萄糖耐量
- 机体对血糖浓度的调节能力
发展历程
播报编辑
葡萄糖最早是在1747年被发现的，德国化学家马格拉夫自葡萄干中分离出少量的葡萄糖。1838年，由法国化学家尚-巴蒂斯特·杜马正式命名为“glucose”，即葡萄糖。1892年德国化学家费歇尔确定了葡萄糖的链状结构及其立体异构体，并因此获得1902年诺贝尔化学奖。如今，通过电催化 [16]将二氧化碳（CO2）高效还原合成高浓度乙酸，并进一步利用微生物发酵生产葡萄糖和长链脂肪酸。这项突破为人工和半人工合成“粮食”提供了新技术，为进一步发展基于清洁电力驱动的新型农业与生物制造业提供了新范例。
理化性质
播报编辑
物理性质
- 外观
白色无臭结晶性颗粒或晶粒状粉末，具有甜味。
葡萄糖外观图片- 旋光性
葡萄糖是一种手性分子，具有旋光性。天然葡萄糖（D-葡萄糖）能使偏振光向右旋转，因此也被称为右旋糖。
化学性质
- 亲水性
由于葡萄糖分子中含有多个羟基（-OH），它具有很强的亲水性，能够与水分子形成氢键，因此葡萄糖在水中具有很高的溶解度。
- 还原性
由于葡萄糖分子中存在醛基（-CHO），它具有还原性。在生物化学反应中，葡萄糖可以作为还原剂参与反应，例如在细胞呼吸作用中，葡萄糖被氧化为二氧化碳和水，同时释放能量。
- 反应活性
葡萄糖的醛基和羟基使其能够参与多种化学反应，例如酯化反应、氧化反应等。在生物体内，葡萄糖可以通过糖酵解、三羧酸循环等代谢途径被分解利用。
与新制氢氧化铜溶液、银氨溶液反应。
C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O
在酒化酶的作用下生成乙醇和二氧化碳 [4]。
化学结构
播报编辑
葡萄糖以一种闭合的吡喃环形式存在于固态，表现为单水合物（α-葡萄吡喃糖单水合物，有时被不太准确地称为脱氧葡萄糖水合物）。另一方面，在水溶液中，葡萄糖在小程度上以开链形式存在，主要以α或β-吡喃糖的形式存在，且这两者可以相互转换。从水溶液中，可以结晶出已知的三种形式：α-葡萄吡喃糖、β-葡萄吡喃糖和α-葡萄吡喃糖单水合物。葡萄糖是二糖乳糖和蔗糖（甘蔗或甜菜糖）、低聚糖如拉非诺糖以及多糖如淀粉、支链淀粉、糖原和纤维素的基本构建块。葡萄糖的玻璃转变温度为31 °C（88 °F），戈登-泰勒常数（用于预测两种物质混合物不同质量分数下玻璃转变温度的实验确定常数）为4.5。其结构形式主要如下图 [5-6]：
葡萄糖的结构形式开链结构
葡萄糖的开链结构是一个含有6个碳原子的多羟基醛。具体来说：
醛基（-CHO）：葡萄糖分子中有一个醛基（-CHO）位于碳链的末端（第1个碳原子），这也是葡萄糖被归类为醛糖的原因。
羟基（-OH）：除了醛基外，葡萄糖分子中还含有5个羟基（-OH），分别连接在第2、3、4、5和6个碳原子上。这些羟基的存在使得葡萄糖具有较强的亲水性。
开链结构环状结构
在水溶液中，葡萄糖的开链结构会通过环化反应形成环状结构。葡萄糖的环状结构主要有两种形式：α-葡萄糖和β-葡萄糖。这种环化反应是通过醛基（-CHO）与第5个碳原子上的羟基（-OH）发生反应形成的。具体过程如下：
半缩醛的形成：醛基（-CHO）与第5个碳原子上的羟基（-OH）发生反应，形成一个半缩醛结构。在这个过程中，醛基的碳原子与羟基的氧原子形成一个新的键，同时释放出一个水分子。
环状结构的形成：半缩醛结构进一步重排，形成一个六元环（吡喃环）。这个环状结构类似于葡萄糖的开链结构，但醛基的碳原子（C1）与第5个碳原子上的氧原子形成一个环状结构。
环状结构的葡萄糖可以表示为：
α-葡萄糖和β-葡萄糖：在环状结构中，第1个碳原子（C1）上的羟基（-OH）有两种不同的空间取向。如果羟基位于环平面的下方，则为α-葡萄糖；如果羟基位于环平面的上方，则为β-葡萄糖。这两种异构体在生物化学反应中具有不同的活性。
异构体
图2葡萄糖的变旋现象
葡萄糖的旋转异构体制备方法
播报编辑
- 玉米制备葡萄糖
以玉米粉为原料，通过高温酶法液化后，添加葡萄糖淀粉酶进行糖化，过滤精制后得到葡萄糖浆。 [7]
- 米糠制备葡萄糖
- 纤维素制备葡萄糖
酸水解： [8]
图4纤维素酸水解机理图 [3]水解过程 [9]主要分为3个步骤：（1）酸溶液电离出H+，随即H+攻击糖苷键上的氧原子，氧原子迅速质子化；（2）C-O键发生断裂，糖苷键上的正电荷转移到葡萄糖单元的C原子上，形成碳正离子（C+）；（3）水分子随即攻击碳正离子，反应后得到游离的残基葡萄糖，并形成水合氢离子（H3O＋）。
生物酶水解：
图5纤维素酶水解机理酶水解的过程中 [10]酶上的一部分羧基对纤维素进行催化，另一部分羧基对纤维素进行定位，这两种羧基协同作用，一方面与β-1，4糖苷键上的氧原子形成氢键，使β-1，4糖苷键变形，另一方面，羧基上的氧负离子攻击显正电性的碳原子，使β-1，4糖苷键发生断裂，最后生成葡萄糖等小分子物质。
- 淀粉制备葡萄糖
淀粉分子是由葡萄糖通过α-1，4糖苷键连接形成主链，以及α-1，6糖苷键连接形成支链而成的，在淀粉分子的水解反应过程中，葡萄糖同时发生复合反应和分解反应，复合反应中游离的葡萄糖分子通过α-1，6糖苷键结合成异麦芽糖、龙胆二糖、潘糖以及其他具有α-1，6糖苷键的低聚糖；分解反应则是葡萄糖被分解成羟甲基糠醛、有机酸以及其他有色物质等非糖类物质。淀粉也可以在酶的作用下先转化为麦芽糖最后转化为葡萄糖。 [11]
图6淀粉在人体内的转化淀粉转化为葡萄糖主要有三种方法：酸解法，酸酶结合法以及双酶法。淀粉的酸法水解制糖工艺最早起源于西方，1811年德国化学家Kirchoff发明了淀粉酸水解法生产葡萄糖。1920年结晶葡萄糖提纯技术的发展，致使酸法生产葡萄糖技术趋向成熟并全面推广应用，酸法淀粉转化制糖工艺随之进入工业化生产阶段。1940年后，美国人开始在酸法制糖工艺中部分使用酶制剂，创立了酸酶结合的淀粉制糖技术。直至上世纪60年代后，随着生物技术的不断发展，酶制剂的研发水平得到显著提高，使得酶制剂可以完全取代强酸作为催化剂，应用于实际工业生产中，促成了双酶法制糖技术的诞生。 [12]
- 二氧化碳制备葡萄糖
应用领域
播报编辑
1.葡萄糖通过细胞有氧呼吸，为人体提供能量。葡萄糖很容易被吸收并进入血液循环，因此医院与运动爱好者常常以其作强而有力的快速能量来源。除此之外，葡萄糖对脑部正常功能极为重要，高循环血糖浓度可产生葡萄糖强记效应（Glucose Memory Facilitation Effect），并促进记忆力和认知表现 [14]。
2.调节卷烟气味
在卷烟生产过程中为了调节气味往往会额外加入葡萄糖等。葡萄糖在175～275 ℃热解产生内酯、酮、环戊烷衍生物，加热到800℃时，裂解产生丙酮、乙醛等，840 ℃时产生芳香烃、呋喃、酚等。 [15]
3.表面活性剂 [17]
葡萄糖及其衍生物与亲油基团连接，所得糖基表面活性剂如烷基聚葡萄糖苷等获得了工业大规模生产及广泛的应用，不仅用于食品行业，而且还用于个人护理，化妆品，纺织和制药行业。
4.功能材料
以葡萄糖为碳源制备空心材料 [18]，负载金属离子，并应用于光催化。
基于葡萄糖等有机物的电氧化方法很有前途，葡萄糖的电氧化反应可以在一个相对低电位条件下进行，降低了能耗。电催化氧化葡萄糖制备高附加值化合物领域中具有潜在的应用价值
双相溶剂体系中葡萄糖制备5-HMF示意图5.工业原料 [20]
葡萄糖酸可以氧化生成葡萄糖醛酸及其衍生物 [13]，这是生产尼龙、塑料和食品添加剂的重要化学品。
葡萄糖是可发酵的糖，容易被微生物所利用，可作为碳底物或营养成分。特别是在发酵工业中，葡萄糖的作用几乎不可替代。如用作生产抗生素、维生素、氨基酸、柠檬酸、酶制剂和酒精等。
(1)抗生素。葡萄糖是抗生素发酵必不可少的原料，抗生素中最主要的2种抗生素青霉素和链霉素的发酵都是以葡萄糖为碳底物；其它如利福平、洁霉素、红霉素、麦迪霉素、卡那霉素和庆大霉素等也需要以葡萄糖为底物。
(2)维生素。维生素中用量最广、产量最大的维生素C就是以葡萄糖为主要原料；维生素B12也需以葡萄糖为主要原料。
(3)氨基酸和有机酸。氨基酸是所有活细胞中蛋白质的基本组成，营养成分极高。多数氨基酸，特别是发酵制得的氨基酸，均是以葡萄糖为碳源生产的。同时，工业上重要的有机酸多数是通过葡萄糖或淀粉水解液发酵生产的，其中包括柠檬酸、醋酸、葡萄糖酸、乳酸、2-古罗酮糖酸和衣康酸,以及马来酸、富马酸和D-酒石酸等。
(4)酶制剂.近年来酶工业发展迅速，由于其有效、专一的催化作用，在医药和食品以及日用化工等方面得以广泛应用。酶的发酵生产绝大多数都是以葡萄糖或淀粉水解为培养基。
(5)微生物多聚糖。如发酵法生产的微生物多聚糖，如普鲁兰、黄原胶等均可以葡萄糖为底物发酵制得，在食品工业上有多种用途。
(6)有机溶剂。葡萄糖是可发酵的糖，最适合于生产各种有机溶剂，最有价值的是酒精，以及甲醇、丙醇、丁醇等。
检测方法
播报编辑
利用物理性质
- 中红外衰减全反射光谱法
葡萄糖在中红外波段具有5个葡萄糖基频特征吸收峰，分别是1152，1108，1080，1035，992 cm-1等，因此，中红外衰减全反射光谱方法能够测量葡萄糖浓度。
- 高效液相法
检测生化分子的通用方法，葡萄糖液可以用此法测定。
- 利用特异性相互作用
利用特定物质对葡萄糖分子的特异性识别，可以结合表面等离子体共振等技术进行测定。当金膜表面配位体与分析物发生相互作用，会导致表面等离子体共振信号变化，从而进行测定。
- 酶法测定
葡萄糖氧化酶法
葡萄糖被葡萄糖氧化酶氧化生成葡萄糖酸和H2O2，H2O2又通过辣根过氧化物酶的作用，分解出氧，将无色的4-氨基安替比林和苯酚偶联氧化，并缩合成红色醌亚胺，其中颜色深浅与葡萄糖浓度呈正比，在530 nm下的吸收峰度值会随葡萄糖浓度的增加而增加。
葡萄糖氧电极法
采用氧消耗速率检测葡萄糖，首先将氧电极置于含有适量葡萄糖氧化酶的溶液中，然后加入待测样品，样品中的葡萄糖被氧化而消耗氧。由于氧消耗量与血糖浓度呈正比，而电极的极限扩散电流又与溶液中的氧含量呈正比。因此，氧电极值即可反映样品中血糖浓度。
纳米材料模拟酶比色法
葡萄糖氧化酶传感器检测葡萄糖浓度，具有专一性高、反应速度快等特点。但酶本身固有的不稳定性，易受温度、湿度以及pH值等环境条件的影响而失去活性，而且葡萄糖氧化酶价格昂贵、制备复杂，这在一定程度上限制了酶传感器的应用。 [2]
利用化学性质
- 氧化还原滴定法
是指将待测样品精密加碘滴定液后，边振摇边滴加NaOH滴定液，在暗处放置30min，加稀硫酸，用硫代硫酸钠滴定液滴定，至近终点时，加淀粉指示液继续滴定至蓝色消失，根据滴定液使用量，计算葡萄糖的含量。该方法在测定右旋糖酐40葡萄糖注射液中葡萄糖的含量中被普遍采用。
- 碘-淀粉体系褪色光度法
原理是利用葡萄糖还原性和碘与淀粉能形成蓝色配合物的性质。待测液中加入适量NaOH后，I2与NaOH生成的NaIO能定量地将葡萄糖氧化成葡萄糖酸，过量的NaIO则歧化生成NaIO3和NaI。然后将体系调至酸性，NaIO3与NaI反应重新生成I2，析出的I2又与淀粉形成蓝色配合物。反应前后的吸光度差与加入的葡萄糖含量呈良好的线性关系，据此可以测定葡萄糖的含量。
- 葡萄糖己糖激酶法
其原理是己糖激酶催化葡萄糖生成葡糖-6-磷酸。之后葡糖-6-磷酸被氧化，同时产生还原型β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。系统将监测340nm的光吸收变化，该变化与样品中的血糖浓度呈正比，依此计算并给出血糖浓度。
