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還元糖は還元剤として作用する糖です。[1]アルカリ溶液中では、還元糖はアルデヒドやケトンを形成し、例えばベネディクト試薬のように還元剤として作用します。このような反応では、糖はカルボン酸になります。
すべての単糖類は還元糖であり、一部の二糖類、一部のオリゴ糖類、一部の多糖類も同様です。単糖類は、アルデヒド基を持つアルドースとケトン基を持つケトースという 2 つのグループに分けられます。ケトースは、還元糖として機能する前に、まずアルドースに互変異性化する必要があります。一般的な食物単糖類であるガラクトース、グルコース、フルクトースはすべて還元糖です。
二糖類は 2 つの単糖類から形成され、還元性または非還元性に分類できます。スクロースやトレハロースなどの非還元性二糖類は、アノマー炭素間にグリコシド結合があるため、アルデヒド基を持つ開鎖型に変換できず、環状型のままです。ラクトースやマルトースなどの還元性二糖類は、2 つのアノマー炭素のうち 1 つだけがグリコシド結合に関与し、もう 1 つは自由であるため、アルデヒド基を持つ開鎖型に変換できます。
アルデヒド官能基により、糖は、例えば、トレンス試験やベネディクト試験において還元剤として作用する。アルドースの環状ヘミアセタール型は開環してアルデヒドを露出することができ、特定のケトースは互変異性化を起こしてアルドースになることができる。しかし、多糖類結合に含まれるものを含むアセタールは、容易に遊離アルデヒドになることはできない。
還元糖は、高温で食品を調理する際に起こる一連の反応であるメイラード反応でアミノ酸と反応し、食品の風味を決定する上で重要です。また、ワイン、ジュース、サトウキビに含まれる還元糖のレベルは、これらの食品の品質の指標となります。
用語
酸化還元
還元糖は他の化合物を還元し、それ自体は酸化される糖である。つまり、糖のカルボニル炭素がカルボキシル基に酸化される。[2]
糖は、アルデヒド基または遊離ヘミアセタール基を持つ開鎖型の場合のみ還元糖として分類されます。[3]
アルドースとケトース
アルデヒド基を含む単糖はアルドース、ケトン基を含む単糖はケトースと呼ばれます。アルデヒドは、別の化合物が還元される酸化還元反応によって酸化されます。したがって、アルドースは還元糖です。開鎖形態でケトン基を持つ糖は、一連の互変異性シフトによって異性化して、溶液中にアルデヒド基を生成することができます。したがって、フルクトースなどのケトンは還元糖と見なされますが、ケトンは糖の分解なしには酸化できないため、還元されるのはアルデヒド基を含む異性体です。このタイプの異性化は、還元糖の存在を検査する溶液中に存在する塩基によって触媒されます。[3]
削減終了
二糖類は2つの単糖類から成り、還元性または非還元性のいずれかである。還元性二糖類であっても、少なくとも1つのアノマー炭素からなるグリコシド結合によって結合しているため、還元末端は1つしかない。1つのアノマー炭素が開鎖型に変換できない場合、遊離したアノマー炭素のみが他の化合物を還元するために利用可能であり、これは二糖類の還元末端と呼ばれる。非還元性二糖類は、両方のアノマー炭素がグリコシド結合で結合しているものである。[4]
同様に、ほとんどの多糖類には還元末端が 1 つしかありません。
例
すべての単糖類は還元糖です。なぜなら、単糖類はアルデヒド基を持っているか（アルドースの場合）、溶液中で互変異性化してアルデヒド基を形成できるからです（ケトースの場合）。[5]これには、ガラクトース、グルコース、グリセルアルデヒド、フルクトース、リボース、キシロースなどの一般的な単糖類が含まれます。
セロビオース、ラクトース、マルトースなどの多くの二糖類も還元型を持ち、2つの単位のうちの1つがアルデヒド基を持つ開鎖型をとることがある。[6]しかし、 2つの単位のアノマー炭素原子が結合したスクロースとトレハロースは、どちらの環も開環できないため非還元二糖類である。[5]
デンプンや、グルコースシロップ、マルトデキストリン、デキストリンなどのデンプン誘導体などのグルコースポリマーでは、高分子は還元糖、つまり遊離アルデヒドから始まります。デンプンが部分的に加水分解されると、鎖が分割されるため、1グラムあたりの還元糖の含有量が増えます。これらのデンプン誘導体に含まれる還元糖の割合は、デキストロース当量（DE） と呼ばれます。
グリコーゲンは、動物における炭水化物貯蔵の主な形態として機能している、高度に分岐したグルコースのポリマーです。グリコーゲン分子の大きさや分岐の数に関係なく、グリコーゲンは還元末端が 1 つしかない還元糖です (ただし、この唯一の還元末端は通常グリコーゲンに共有結合しているため、還元的ではありません)。各分岐は非還元糖残基で終わります。グリコーゲンがエネルギー源として使用するために分解されると、酵素によって非還元末端からグルコース単位が 1 つずつ除去されます。[2]
特徴づけ
還元糖の存在を検出するために、いくつかの定性試験が用いられる。そのうちの2つは、銅(II)イオンの溶液を使用する。ベネディクト試薬（クエン酸ナトリウム水溶液中のCu 2+ ）とフェーリング溶液（酒石酸ナトリウム水溶液中のCu 2+ ）である。 [7]還元糖は、これらの試験溶液中の銅(II)イオンを銅(I)に還元し、次にレンガ色の酸化銅(I)沈殿物を形成する。還元糖は、アンモニア水溶液中の銀イオン（Ag + ）からなるトーレン試薬の添加によっても検出することができる。 [7]トーレン試薬をアルデヒドに加えると、銀金属が沈殿し、多くの場合、きれいなガラス器具上に銀鏡を形成する。[3]
3,5-ジニトロサリチル酸は定量検出が可能な別の試験試薬である。還元糖と反応して3-アミノ-5-ニトロサリチル酸を形成し、これを分光光度計で測定して存在した還元糖の量を決定することができる。[8]
スクロースなどの一部の糖は、還元糖試験溶液のいずれとも反応しません。ただし、非還元糖は希塩酸を使用して加水分解できます。酸を加水分解して中和すると、試験溶液と正常に反応する還元糖が生成される可能性があります。
すべての炭水化物はアルデヒドに変換され、モリッシュ試験で陽性反応を示します。しかし、単糖類に関しては、この試験の反応速度は速くなります。
医学における重要性
フェーリング液は長年、糖尿病の診断検査として使われてきました。糖尿病は、インスリンが十分に分泌されない（1型糖尿病）か、インスリンに反応できない（2型糖尿病）ことで血糖値が危険なレベルまで上昇する病気です。ブドウ糖によって還元される酸化剤（この場合はフェーリング液）の量を測定することで、血液または尿中のブドウ糖濃度を判定することができます。これにより、適切な量のインスリンを注入して、血糖値を正常範囲に戻すことができます。[2]
食品化学における重要性
メイラード反応
メイラード反応は、食品を調理する際に起こる一連の複雑な反応で、還元糖のカルボニル基がアミノ酸のアミノ基と反応する。 [9]メイラード反応生成物（MRP）は多様であり、人体に有益なものもあれば、有毒なものもあります。しかし、メイラード反応の全体的な影響は、食品の栄養価を低下させることです。[10]メイラード反応の有毒生成物の1つに、神経毒で発がん性の可能性があるアクリルアミドがあります。これは、でんぷん質の食品を高温（120℃以上）で調理すると、遊離アスパラギンと還元糖から生成されます。 [11]しかし、疫学研究の証拠は、食事中のアクリルアミドががんを発症するリスクを高める可能性は低いことを示唆しています。[12]
食品の品質
ワイン、ジュース、サトウキビに含まれる還元糖のレベルは、これらの食品の品質を示す指標であり、食品生産中に還元糖のレベルを監視することで、市場品質が向上しました。これを行う従来の方法は、一般的な酸化還元指示薬であるメチレンブルーの存在下でフェーリング溶液中の銅(II)で還元糖を滴定するレーン・エイノン法です。しかし、この方法は不正確で高価であり、不純物に敏感です。[13]
参考文献
- ^ プラット、シャーロット W.; コーネリー、キャスリーン (2013)。エッセンシャル生化学(第 3 版)。ワイリー。p. 626。ISBN 978-1118083505。
- ^ abc ネルソン、デビッド L.; コックス、マイケル M. (2008)。レーニガー：生化学の原理（第 5 版）。WH フリーマン アンド カンパニー。p. 241。ISBN 978-0716771081。
- ^ abc Campbell, Mary K.; Farrell, Shawn O. (2012).生化学. Cengage Learning. p. 459. ISBN 978-0840068583。
- ^ ネルソン、デビッド L.; コックス、マイケル M. (2008)。レーニガー：生化学の原理（第 5 版）。WH フリーマン アンド カンパニー。p. 243。ISBN 978-0716771081。
- ^ ab Davidson, Eugene A. (2015). 「炭水化物」.ブリタニカ百科事典.
- ^ クライン、デイビッド。(2012)有機化学（初版）。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。pp. 1162–1165。ISBN 978-0471756149。
- ^ ab クライン、デイビッド。(2012)有機化学（初版）。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。p. 1159。ISBN 978-0471756149。
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- ^ Jiang, Zhanmei; Wang, Lizhe; Wu, Wei; Wang, Yu (2013 年 6 月). 「糖–牛カゼインペプチドモデルシステムにおけるメイラード反応生成物の生物学的活性と物理化学的特性」.食品化学. 141 (4). Elsevier: 3837–3845. doi :10.1016/j.foodchem.2013.06.041. ISSN 0308-8146. PMID 23993556.
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