二羟基丙酮还原糖属性的实验确认∗

段双庚 卢 彦 李 俊 丁 智 杨荣武∗

（1 江苏省大港中学 江苏镇江 212028 2 南京大学生命科学学院 江苏南京 210023）

生物化学课程主要是学习生物体内各种组分，例如，糖类、脂类、蛋白质、核酸等生物分子的结构和功能。由于糖类化合物的结构和功能相对简单，概念性定义较多，内容易教易学，并且与有机化学课程有部分重叠，因此，一些教师不重视糖类生物化学。近年，人们逐渐认识到糖类除了作为能源物质，还具有其他一些重要的生物学功能，例如，参与分子识别等。目前，糖链的研究已被公认为是继蛋白质和核酸的研究后，探索生命奥秘的第3 个里程碑[1]。近期，斯坦福大学的科学家在哺乳动物体内，发现寡糖链可与非编码RNA 共价结合在一起形成糖RNA（glycoRNA），且这种带有糖衣的RNA 可定位在细胞表面[2]。由此可见，糖类这一章讲解应是生物化学教师的必备技能。本文对糖的还原性进行深度思考，并设计实验确认酮糖的还原糖属性。

1 糖的还原性和还原糖

据调查，部分学生对还原糖的概念存在错误理解，他们认为：还原糖就是具有还原性的糖。这点比较容易纠正，具有高中化学知识的学生，只要记住糖的基本结构定义，即多羟基醛，或是的聚合物或衍生物，便能很快认识到还原糖和还原性之间无法画等号。还原性是指在化学反应中被氧化的物质失去电子的能力。一种物质失电子能力越强，其还原性就越强；反之，物质失电子能力越弱，其还原性就越弱。物质的还原性是相对的，需要有参照物，这里的参照物就是配套的氧化剂是强还是弱。因此，不能简单地将一种糖类化合物概括为具有还原性或不具有还原性。

还原糖的定义是什么？经查阅生物化学经典教材，将有关还原糖定义和说明内容，分别摘录在表1 中。比较表1 中几种还原糖的定义，不难发现，还原糖都与斐林试剂（Fehling's solution）这种弱氧化剂有关，即能被弱氧化剂（例如，Cu2+和Ag+）氧化或能将弱氧化剂还原的糖。其中，斐林试剂是一种可鉴别还原性物质的试剂，一般由氢氧化钠与硫酸铜溶液配制而成，由德国化学家赫尔曼·冯·斐林在1849 年发明。Fehling 试剂常用于鉴定可溶性还原性糖，可与还原性糖反应生成砖红色沉淀。此处强调弱氧化剂非常关键，若是包括强氧化剂（例如，硝酸），则所有的糖类化合物都是还原性的。朱圣庚等［4］在《生物化学》上册给出的定义是“能使Fehling 试剂还原的糖，称为还原糖”。该教材明确了还原糖的参照物其实是二价的铜离子。而在杨荣武等［3］的《生物化学原理》一书中，明确指出“能被弱氧化剂氧化的糖才是还原性糖”，并总结出“所有的单糖都是还原糖，所有的多糖都不是还原糖，而寡糖有的有、有的没有”的结论，该结论是清晰明确还是略显草率？

表1 经典教材中还原糖的定义

2 单糖还原性的争议

虽然大多数大学生物化学教材对于还原糖的定义非常明确，但在网络上仍有许多争议。其中有部分是对还原性与还原糖的概念模糊造成的。此外，最简单的酮糖，即1，3-二羟基丙酮（以下称二羟基丙酮），是否属于还原糖也令人困惑（图1A和B）。在高中教辅书（图1D）中特别指出：二羟基丙酮是非还原糖。在百度百科的词条上（图1C），二羟基丙酮也被标记了非还原糖属性。还有一些文献也提出了二羟基丙酮是非还原糖的观点，但并没有给出令人信服的理由[6-7]。笔者推断：这可能是由于“所有的醛糖都是还原糖”已是共识，但酮糖的还原糖属性在大部分的教材中并未明确提及。从图1 总结，这些讨论都倾向于认为：二羟基丙酮属于非还原糖。

图1 二羟基丙酮还原糖属性的争议

在体外，由于单糖中的醛糖与2-酮糖可在稀碱溶液中通过烯二醇中间物实现互变，在细胞内，则有专门的异构酶——磷酸丙糖异构酶催化磷酸化的甘油醛（3-磷酸甘油醛）和磷酸化的二羟基丙酮（磷酸二羟丙酮）相互转变，而Fehling 试剂中含有稀碱溶液，故坚持二羟基丙酮是还原糖观点的人认为：既然果糖（六碳酮糖）是还原糖，则二羟基丙酮（三碳酮糖）也应属于还原糖。持反对意见的理由是：二羟基丙酮的2 号位为羰基不易被氧化，1 号位羟基氧化成为羰基，则导致1，2 号位置电子云密度过大，负电荷过于集中，产物不稳定。以上特性造成二羟基丙酮不易被氧化，即不具有明显的还原性。

3 二羟基丙酮的还原糖属性实验

以上正、反观点都有一定道理，是否有实验验证二羟基丙酮为还原性糖？笔者未查到利用实验直接确定二羟基丙酮是否为还原糖的文献。为此，从上海拓旸生物科技有限公司购买了5 g二羟基丙酮，设计并完成以下实验，用以确认二羟基丙酮的还原糖属性。

常见的还原糖定性实验主要是采用Fehling试剂和本尼迪特（Benedict）试剂，其中，本尼迪特试剂，也称班氏试剂、本尼迪克试剂、本尼迪克试液或班乃德试剂，是一种浅蓝色化学试剂，为Fehling 试剂的改良试剂。考虑到Fehling 试剂的常用性，决定使用Fehling 试剂验证实验。

3.1 实验器材及实验试剂

1）试管（10 支）。

2）微量加样器（1 mL）。

3）沸水浴装置。

4）Fehling 试剂A：称取硫酸铜（CuSO4·H2O）3.45 g，溶于蒸馏水并稀释至50 mL。

5）Fehling 试剂B：称取氢氧化钠12.5 g，酒石酸钾钠13.7 g，溶于蒸馏水并稀释至50 mL。

6）2%淀粉溶液：称取0.2 g 淀粉定容在10 mL热的蒸馏水中。

7）2%蔗糖溶液：称取0.2 g 蔗糖定容在10 mL蒸馏水中。

8）2%葡萄糖溶液：称取0.2 g 葡萄糖定容在10 mL 蒸馏水中。

9）2%二羟基丙酮溶液：称取0.2 g 二羟基丙酮定容在10 mL 蒸馏水中。

3.2 实验操作 各取20 mL Fehling 试剂A 和B，混合于烧杯中，即为Fehling 试剂，即混即用。取8只试管，洗净烘干，按表2 操作。

表2 二羟基丙酮还原糖鉴定实验

3.3 实验结果 实验显色结果如图2（见插页2）， 描述性结果如表3。

表3 二羟基丙酮还原糖鉴定实验现象与讨论

3.4 实验结论 二羟基丙酮为还原糖，其与Fehling 试剂可快速反应。

4 二羟基丙酮的还原糖属性实验的反思

根据实验结果，笔者认为二羟基丙酮与Fehling 试剂能反应的原因是（图3）：其2 号位的羰基在碱性条件下生成非常活泼的烯二醇结构，1 号位羰基再与二价铜离子发生氧化还原反应，羰基被氧化成为羧基，二价铜离子被还原成一价铜离子，生成氢氧化亚铜，加热后变成氧化亚铜沉淀，溶液由蓝色变成红棕色，且有沉淀析出。而认为二羟基丙酮不是还原糖的观点则只关注了其1 号位置上的羟基，认为该羟基无法被氧化成羰基，因此，没有还原性。在确认二羟基丙酮属于还原性糖后，从杨荣武主编的《生物化学原理》得出的“所有的单糖都是还原糖，所有的多糖都不是还原糖，而寡糖有的有、有的没有［3］”的结论是完全成立的。

图3 二羟基丙酮在碱性条件下通过烯二醇中间物与甘油醛的互变

糖的Fehling 实验是经典还原糖实验，目前也常用于产物为还原糖的化学反应的定性检测，或鉴定某些催化上述反应的酶的活性，例如，乳糖酶活性检测[8]。Fehling 实验在部分高中生物学实验中已开展，在大学生物化学实验中也属于重要的糖鉴定实验。但实验设计较为简单，一般是对几种经典的还原糖和非还原糖进行测定。笔者认为不妨将其升级，以问题为导向，在讲解完毕糖的化学性质和经典化学反应后，向学生提出：“二羟基丙酮是否为还原糖？”这一问题。同时，引导学生查找资料，进行理论分析，最后进行实验验证。这一过程不仅在课堂上重现了科学研究的经典步骤，即发现问题→提出假设→实验验证，还可加深学生对糖的还原性质的理解。同时在实验结束后，鼓励学生详细记录实验现象，通过查找资料等方法，对几种糖的反应过程的现象差异进行讨论。

教师在授课过程中会接触到各种超出教材内容的问题，这些问题看似简单，但很难找到明确的答案。生物化学是一门实验科学，直接设计实验解决的问题，比通过理论推演更令人信服，教师在教学过程中，不仅要传播理论知识，更要教会学生辩证地思考问题和严谨地验证结论。