张振
法国波多尔大学/材料化学
关键词:纤维素、淀粉、消化
今天给大家介绍一种有趣而神奇的材料,纤维素(cellulose)。
说起纤维素,大家可能感觉有一点点陌生,但是我们每天都会用到纤维素。如果说起纤维素的孪生兄弟淀粉,估计大家就更熟悉了。纤维素和淀粉的化学成分和化学式其实完全一样的, 都是(C6H10O5)n,是一种聚合物(polymer)。我们主食吃的大米、小麦的主要成分就是淀粉,红薯土豆中也含有丰富的淀粉。而纤维素是树、草等植物的主要成分。我们能吃小麦大米,而不能吃树叶树皮获取能量,那是因为我们能消化淀粉而不能消化纤维素,而牛羊等动物却能靠吃草秸秆长大。纤维素和淀粉唯一的区别在于其中葡萄糖单元的键合方式不一样,纤维素是靠β键来连接相邻的葡萄糖单元,而淀粉则是靠α键连接相邻的葡萄单元,见下图:
图一:纤维素与淀粉的分子结构
淀粉分子中葡萄糖单元以α键(图一:1到4)连接,α键有一定角度,不是在一个平面上,所以淀粉分子会在空间上形成一个螺旋状结构。碘分子能够进入这个螺旋中心,所以淀粉遇碘变蓝。这也是鉴别淀粉和纤维素的一个简单方法。α键相对于β键不够稳定,所以淀粉很容易被人类消化。而纤维素中的葡萄糖单元是以β键(图一:1到4)连接,β键和葡萄糖单元是在一个平面内,形成一个层状结构,层于层之间以氢键连接,比较稳定,所以不能够被人类消化。而牛羊的胃要比人类的胃更复杂,牛羊的胃里含有的细菌等,甚至能够分解纤维素比较稳定的结构,所以牛羊才可以吸收纤维素分解的产物。也是因为纤维素的这个稳定结构,纤维素具有一定的物理强度,所以纤维素可以被用来制造桌椅木房子等,我们穿的棉质衣服主要成分也是纤维素。
仅仅是键合角度的一点点不同,就导致了淀粉和纤维素的巨大差距。
人类离不开淀粉,也离不开纤维素。淀粉是我们的主食,很早以前人类通过燃烧木材来获取能源,现在我们穿的棉质衣服,我们的桌椅等等,都是纤维素。纤维素是地球上含量最多的生物聚合物,生物圈中一半以上的碳都储存在纤维素中。植物利用光合作用,将空气中的CO2转化成葡萄糖单元,然后以纤维素或淀粉的形式储存起来。
由于我们不能消化纤维素,很长时间以来,我们都认为纤维素对我们的饮食是没有任何作用的。不过随着营养学和相关科学的深入发展,人们逐渐发现了膳食纤维具有相当重要的生理作用。