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脂肪与脂肪酸(1) 精选

已有 13670 次阅读 2017-8-1 07:58 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 蜡烛, 脂肪, 甘油, 不饱和脂肪酸, 储存能量

脂肪与脂肪酸(1)

老华:嗨!

老温:你好!昨天在超市付款处看见你,等我付完款,就看不见你了。

老华:是,我去买了一桶油,家里那种油吃完了。

老温:我正好想问问你油的问题,报纸上说的那些,我也实在搞不清楚。我问你,你吃什么油?

老华:我是混搭着吃的。

老温:我看报纸和电视上也是说混搭着吃油好,就是搞不清楚那些名称,什么脂肪酸、饱和不饱和的,什么欧米伽3,什么亚油酸、亚麻酸的,搞不清楚。你还是跟我从头简单地说一说吧。

老华:好的,反正我们散步,边走边说吧。你说,我们吃的这些油脂都是从哪里来的?

老温:这个我知道,植物油大多来自植物的种子,动物油则来自动物。

老华:为什么植物的种子和动物身上要有油脂?那是它们储存能量的方式。动植物都需要储存能量。植物种子从发芽到生出根系自己能够吸收水分和其他营养物、长出叶子自己能够光合作用,中间总是需要有一个过程,这个过程靠的是种子储存的能量。动物从吃着一顿食物到吃下一顿,身体也需要能量的储存。储存能量的方式主要有两种,一种以“糖”也就是碳水化合物储存,另一种就是以脂肪的方式储存。

老温:它们各有什么优缺点?

老华:以糖的方式储存优点是放出能量快,比如,我们人体吸收了葡萄糖之后,把一部分葡萄糖合成为糖元,储存在肝脏和肌肉中,在需要的时候(骨骼、大脑、内脏等的运动)糖元可以迅速地水解为葡萄糖,供给能量。许多植物种子则主要以淀粉即多糖的方式存储能量。

但是,与脂肪相比,糖所含有的能量密度较小,每一克糖类完全氧化可以放出4千卡能量,而每一克脂肪完全氧化则可以放出9千卡能量,是糖类的一倍还多。当然,其缺点是取用的过程比较复杂,并不是立刻可用。

所以,人和动物都以两种方式同时储存能量。一方面是刚才所说的糖元,储存少量的能量。另一方面,把大量的能量储存在皮下脂肪里。可以想象,如果我们身上仅仅以糖的方式储存能量,老兄的肚子要比现在大一倍,体重要比现在增加20%以上。

老温:那确实麻烦了。如果有的动物真是那样,该逃跑的跑不动了,该抓别人的却追不上,这种动物必定被淘汰。

老华:脂肪在动物身上,不光是储存能量,也还保护我们的身体,一方面是保温,不使热量过快地散发(不然我们的祖宗早就冻死了),还要保护肌肉、内脏等在受到振动和打击时得到缓冲。

老温:看来我们身体上没有脂肪还真不行。不过,我又想起来一个问题,为什么脂肪氧化放出的热量比糖类多?

老华:这与它们的组成成分有关,糖和脂肪的组成都是碳氢氧三种元素,它们氧化的最后产物都是二氧化碳和水。

化学上有一条定律,是说化学反应放出的能量值,只与反应物和最终的产物有关,而与化学反应的路径无关。如果糖和脂肪在动物体内完全氧化,所放出的热量与在体外燃烧所放出的能量是一样的。

碳氢氧三种元素组成的分子,氧化时,碳生成二氧化碳,氢生成水,这些都放出能量。但是如果分子内已经有氧,在通常情况下,就说明碳或者氢本来就已经跟氧结合了,它们不可以再氧化放出能量了,所以要把这部分扣除。

我们先看糖类,多糖的分子式一般为(C6H10O5n,它们是由许许多多葡萄糖单体聚合而成的,式子里的n就表示许多。从分子式可以看出,多糖分子内氢原子数目是氧原子的一倍,与水一样,所以糖又称碳水化合物。计算氧化放能的时候,对放出能量有贡献的只是那些碳原子。而脂肪就不同了,它的分子组成中没有那么多氧原子,氢原子的成分却很多。

老温:脂肪的结构和成分是怎么样的?

老华:我们在这里说的脂肪,都属于甘油三酯。

老温:甘油三酯?我们查体的时候,血液的一项指标就是甘油三酯。

老华:不错,我们血液中的脂肪就是甘油三酯。所谓甘油三酯,打个比方吧,你见过西方人的烛台,有三个爪的那种……

老温:是不是像我们汉字“山”那样的?

老华:就是,我们的甘油分子就是这个形状,当然三个爪不在一个平面里,但是空间形状在这里无关紧要,我们只说组成成分。山字的三个“烛台”上各插着一根“蜡烛”。这些蜡烛我们称为“脂肪酸”。脂肪,就是这样插着三支蜡烛的烛台。

老温:什么是脂肪酸?

老华:你还记得中学化学学到的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷什么的?

老温:记得,那是一串碳原子连在一起,边上都是氢原子。一个碳4个键,除了与碳相连之外,完全连上氢原子,所以叫烷。一个碳称甲烷,两个碳称乙烷,十个碳称癸烷,十一个碳称十一烷,接下去是十二烷、十三烷等等。我还记得他们的分子式是CnH2n+2。是不是?

老华:正是如此。有时候,碳碳之间会形成双键,每有一个双键,分子就少两个氢,化学上就称氢没有饱和,这就是“不饱和”的来历。这种化合物就是“烯”,所谓乙烯、丙烯、丁烯直到十八烯、二十二烯等等之类的。

这些烷烃、烯烃,就是汽油、煤油、柴油等的主要成分。

老温:是,中学的化学就是这样说的,我依稀还记得。

老华:你还记得乙酸,也就是醋酸吧?那是只有两个碳原子的羧酸。羧酸可以算是烃类氧化的一种产物。与上面的烷烃和烯烃相对应,有各种羧酸,例如有十六个碳原子的十六烷酸和十六烯酸,有十八个碳原子的十八烷酸、十八烯酸等等。那都可以看作相应的烷烃或烯烃最端头的碳原子被氧化的产物,而整个碳原子链则并没有什么变化。这些酸就是脂肪酸。

如果脂肪酸的碳链对应的烃链是“饱和”的,也就是烷烃的烃链,这样的脂肪酸称为饱和脂肪酸。

如果对应的是烃链是“不饱和”的,那就是不饱和脂肪酸。

如果烃链中只有一个双键,那是“单不饱和”脂肪酸;有两个双键,那是“双不饱和”脂肪酸;三个双键,则称“三不饱和”,如此等等。有两个及两个以上双键的,都称“多不饱和”脂肪酸。

老温:哦,原来如此。那“脂肪酸”这个词看起来就是从脂肪这里来的了?

老华:是的。我刚才说了,脂肪酸就是插在甘油这个“蜡台”上面的蜡烛。当然,这只是一个比喻,那些“蜡烛”并不是笔直的,而是弯弯曲曲的。甘油这个蜡台插上了这三支蜡烛,也就是连接上了三个脂肪酸,就形成了一个脂肪的分子

老温:既然脂肪酸可以有许许多多种,同一个脂肪分子中的“三支蜡烛”是一样的还是不一样的?

老华:当然可以是不一样的,一般来说也确实是不一样的。也正因为三个“蜡台”上可以插上不同的蜡烛,这样才形成了自然界许许多多种不同的油脂。

老温:你举一些具体的例子吧。

老华:实际上,每一种食用油并不是一种纯粹的分子,它们都是混合物。拿大豆油来说,各地所产的豆油,成分并不完全相同。为了说明这个问题,我们假设把这些“蜡烛”都拔下来,然后看看这些脂肪酸都有哪些品种,各含有多少百分比,这样做一个统计。

豆油中的脂肪酸,大概有8%是十六烷酸,这是一种饱和脂肪酸,又称为“棕榈酸”;约4%是十八烷酸,也是饱和脂肪酸,又称“硬脂酸”;有约28%是十八烯酸,十八个碳原子,它们之间的键有一个是双键,所以是所谓“单不饱和脂肪酸”,又称“油酸”。

老温:对不起,我插一句,这个双键在随便什么位置都一样吗?

老华:不,这个双键的位置是固定的。十八烯酸有十八个碳原子,一个一个拉起来成一条链,有一头是酸,是要插在“蜡台”上的,我们把这一头算链的“头”,另一头就是链的“尾”(其他脂肪酸也都一样,酸的那一头算头,另一头算尾)。从尾算起,油酸的那个双键在第9个与第10个碳原子之间。为了说的简单些,我们规定,这种情况就说是从尾巴向前数,双键在第9个碳原子上。

老温:这样规定也好,简单了一点,省得说第9和第10之间,太麻烦。

老华:希腊字母的最后一个是Ω(小写ω,音欧米伽)。这样,人们把尾巴上的最后一个碳原子叫做Ω碳。上面所说从尾巴数起的第9个碳原子上的那个双键叫做Ω-9(或ω-9,或者偷偷懒,写为Ω9,或ω9)。用这样的符号,油酸就是“十八烯酸ω-9”,这样写就清楚了。

老温:哦,这里的ω原来是这个意思。表示碳链的尾巴,明白了。

老华:刚才说过,豆油有8%的十六烷酸(棕榈酸);4%的十八烷酸(硬脂酸),那是饱和脂肪酸。28%的十八烯酸ω9(油酸),那是单不饱和脂肪酸。再继续说,豆油还有约53%的十八二烯酸ω6,又称亚油酸;还有约6%的十八三烯酸ω3,又称亚麻酸。后面两个则是多不饱和脂肪酸。

老温:等等!亚油酸即十八二烯酸有两个双键,ω6就是从尾数起第6个碳,你刚才的意思就是6与7之间,另一个双键呢?

老华:在这里两个双键之间要相隔两个单键,也就是一个双键、两个单键、再一个双键。十八烯酸ω6在6、7之间双键,7、8之间和8、9之间两个单键,9、10之间又一个双键。当然,余下的都是单键。

老温:哦,那么亚麻酸也就是十八三烯酸ω3的三个双键就分别在3、4之间,6、7之间和9、10之间了。

老华:对了,你会举一反三了。实际上,所有不饱和脂肪酸的ω后面,只有3、6、9三个数字。也就是说,这些双键,只在ω3、ω6和ω9原子上。

我们再回到存储能量的问题上,脂肪酸一般是较长的一段碳链,拿硬脂酸也就是十八烷酸来说,分子式为CH3(CH2)16COOH,总共18个碳、36个氢、2个氧。与十八烷很接近的,所以,脂肪的热值与柴油也很接近,也就容易理解了。从组成成分上来分析,它氧化时放出的能量比淀粉(多糖)多出一倍有余,就是很自然的事情。

唷,我们已经转了一大圈了,该回家了。剩下的我们下次再聊?

老温:好的,谢谢了!你让我略微弄懂了那“插着三支蜡烛的蜡台”。下次请你接着讲。

老华:不客气,下次再聊。

(未完待续)




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