食品化学 第三章 碳水化合物

第三章碳水化合物主讲：张洪微食品化学本章主要内容第一节单糖在食品中的作用第二节低聚糖第三节食品中重要的多糖及其作用本章重点和难点重点：单糖、低聚糖和多糖在食品加工贮藏过程中的化学变化及功能性。难点：多糖的结构及其结构和功能的关系。碳水化合物概述•碳水化合物主要由C、H、O组成，其分子式常用Cn(H2O)m来表示。也把它叫做糖类物质。•糖类物质是含多羟醛或多羟酮类化合物及其缩聚物和某些衍生物的总称。碳水化合物分类单糖是指不能再水解的最简单的多羟基醛或多羟基酮及其衍生物。低聚糖是指聚合度小于或等于10的糖类。多糖又称为多聚糖，是指聚合度大于10的糖类。单糖•按其所含碳原子的数目分为：丙糖、丁糖、戊糖和己糖等，其中以戊、己糖最为重要。如核糖、木糖；葡萄糖、果糖、甘露糖和半乳糖等。•按所含羰基的不同分为：醛糖（丙醛糖/甘油醛，葡萄糖、甘露糖和半乳糖等）酮糖（丙酮糖，果糖、山梨糖、木酮糖和核酮糖等）。低聚糖•A.按水解后所生成单糖分子的数目分为：二、三、四、五糖等。•B.根据聚合单糖的种类分为：均低聚糖和杂低聚糖。•C.据低聚糖还原性质也可分为：还原性低聚糖和非还原性低聚糖。•D.根据是否具有显著的生理功能性质分：普通低聚糖和功能性低聚糖。多糖•A.根据聚合单糖的种类分为：均多糖和杂多糖。•B.根据多糖的来源又可分为：植物多糖、动物多糖和微生物多糖。•C.按其功能不同，则可分为：结构多糖、贮存多糖、抗原多糖等。食品中的糖类化合物•表3-1普通食品中的糖含量食品糖含量（%）食品糖含量（%）可口可乐脆点心冰淇淋橙汁9121810蛋糕（干）番茄酱果冻（干）362983表3-2豆类中游离糖含量（%鲜重计）豆类D-葡萄糖D-果糖蔗糖利马豆嫩荚青刀豆青豌豆0.041.080.320.081.200.232.590.255.27表3-3水果中游离糖含量(%鲜重计)水果D-葡萄糖D-果糖蔗糖苹果葡萄桃梨樱桃草莓温州蜜桔甜柿肉枇杷肉杏香蕉西瓜番茄1.176.860.910.956.492.091.506.203.524.036.040.741.526.047.841.186.777.382.401.105.413.602.002.013.421.513.782.256.921.610.221.036.010.811.323.0410.033.110.12表3-4蔬菜中游离糖含量(%鲜重计)蔬菜D-葡萄糖D-果糖蔗糖甜菜硬花甘蓝胡萝卜黄瓜苣菜洋葱菠菜甜玉米甘薯0.180.730.850.860.072.070.090.340.330.160.670.850.860.161.090.040.310.306.110.424.240.060.070.890.063.033.37糖类化合物的结构一、单糖D-甘油醛D-赤藓糖D-苏糖D-核糖D-阿拉伯糖D-木糖D-来苏糖D-阿洛糖D-阿卓糖D-葡萄糖D-甘露糖D-古洛糖D-艾杜糖D-半乳糖D-塔罗糖甘油醛产生的8种D-己糖的示意图单糖链式结构醛糖：C2差向异构C4差向异构酮糖：C5差向异构单糖环状结构αβ己糖构象构象：是分子中的原子或原子团围绕单键旋转而产生的不同空间排列形式。己糖可以形成呋喃型和吡喃型己糖一般由船式和椅式两种构象糖苷是由单糖或低聚糖的半缩醛羟基和另一个分子中的-ＯＨ、-ＮＨ2、-ＳＨ（巯基）等发生缩合反应而得的化合物。组成：糖基＋配基（非糖部分）食品中碳水化合物的作用是合成其他化合物的基本原料，同时也是生物体的主要结构成分。碳水化合物是生物体维持生命活动所需能量的主要来源。有利于肠道蠕动，促进消化。提供适宜的质地口感和甜味。第一节单糖在食品中的作用一、单糖的物理性质甜度比甜度:以蔗糖（非还原糖）为基准物。一般以10％或15％的蔗糖水溶液在20℃时的甜度定为1.0。影响甜度的因素：A、分子量越大溶解度越小，则甜度也小。B、糖的不同构型（α、β型）也影响糖的甜度。T=20℃时蔗糖溶液（10％/15％）1.00（甜度）α－D-葡萄糖0.70（比甜度）β－D－呋喃果糖1.50（比甜度）一、单糖的物理性质旋光性旋光性:是一种物质使直线偏振光的振动平面发生旋转的特性。单糖的比旋光度定义：指lmL含有1g糖的溶液在其透光层为0.1m时使偏振光旋转的角度。变旋现象：指糖刚溶解于水时，其比旋光度是处于变化中的，但到一定时间后就稳定在一恒定的旋光度上的这种现象。第一节单糖在食品中的作用一、单糖的物理性质溶解度（g/100gH2O）温度对溶解过程和溶解速度具有决定性影响第一节单糖在食品中的作用高浓度的糖液具有防腐保质的作用，在70％以上能抑制霉菌、酵母的生长。t=20℃时，葡萄糖48％蔗糖66％果糖79％果糖具有较好的食品保存性。果葡糖浆的浓度％果葡糖浆中果糖含量％714277558090果糖含量较高的果葡糖浆，其保存性能较好。一、单糖的物理性质吸湿性和保湿性吸湿性：指糖在空气湿度较高的情况下吸收水分的性质。保湿性：指糖在空气湿度较低条件下保持水分的性质。果糖的吸湿性最强结晶性糖的特征之一是能形成结晶，糖溶液越纯越易结晶。其它第一节单糖在食品中的作用黏度、渗透压、发酵性、抗氧化性二、单糖的化学反应•具有醇羟基的成酯、成醚、成缩醛等反应和羰基的一些加成反应，还具有一些特殊反应。第一节单糖在食品中的作用非酶褐变反应美拉德反应（Maillardreaction）焦糖化反应（PhenomenaofCaramelization）1.美拉德反应•美拉德反应（羰氨反应）：指羰基与氨基经缩合、聚合反应生成类黑色素和某些风味物质的非酶褐变反应。第一节单糖在食品中的作用（1）美拉德反应过程初期阶段中期阶段末期阶段羰氨缩合分子重排Amadori重排（醛糖）Heyenes重排（酮糖）脱胺脱水脱胺重排氨基酸降解醇醛缩合聚合第一节单糖在食品中的作用初期阶段氨基＋羰基（还原糖)氮代葡萄糖基胺果糖胺美拉德反应过程羰氨缩合分子重排中期阶段中期阶段果糖胺脱胺脱水1，2烯醇化羟甲基糠醛（HMF）脱胺重排2，3烯醇化二羰基化合物还原酮Strecker褐色CO2醛其它途径吡啶、苯并吡啶、苯并吡嗪、呋喃化合物、吡喃化合物等脱胺脱水HMF的积累与褐变速度有密切的相关性，HMF积累后不久就可发生褐变。脱胺重排二羰基化合物还原酮Strecker降解缩合生成吡嗪类化合物是主要的风味物质末期阶段缩合与聚合，生成类黑色素和风味化合物。美拉德反应的条件、生成物和特点条件：还原糖（主要是葡萄糖）和氨基酸少量的水加热或长期贮藏产物：黑色素（类黑精）＋风味化合物特点：pH值下降（封闭了游离的氨基）；还原的能力上升（还原酮产生）；褐变初期，紫外线吸收增强，伴随有荧光物质产生；添加亚硫酸盐，可阻止褐变，但在褐变后期加入不能使之褪色。第一节单糖在食品中的作用（2）影响美拉德反应的因素①糖的结构、种类及含量a.α、β不饱和醛α-双羰基化合物酮b.五碳糖（核糖阿拉伯糖木糖）六碳糖（半乳糖甘露糖葡萄糖）c.单糖双糖（如蔗糖，分子比较大，反应缓慢）d.还原糖含量与褐变成正比②氨基酸及其它含氨物种类(肽类、蛋白质、胺类)a.胺类氨基酸b.含S-S，S-H不易褐变c.有吲哚，苯环易褐变d.碱性氨基酸易褐变e.氨基在ε-位或在末端者，比α-位易褐变（2）影响美拉德反应的因素③pH值pH3-9范围内，随着pH上升，褐变上升pH≤3时，褐变反应程度较轻微pH在7.8-9.2范围内，褐变较严重④反应物浓度（水分含量）10％～15%(H2O)时，褐变易进行5%～10％(H2O)时，多数褐变难进行5%(H2O)时，脂肪氧化加快，褐变加快第一节单糖在食品中的作用（2）影响美拉德反应的因素⑤温度若△t＝10℃，则褐变速度差△v相差3～5倍。一般来讲：t30℃时，褐变较快t20℃时，褐变较慢t10℃时，可较好地控制或防止褐变地发生⑥金属离子Fe(Fe+3Fe+2)Cu催化还原酮的氧化Na＋对褐变无影响。Ca2+可同氨基酸结合生成不溶性化合物而抑制褐变。促进褐变第一节单糖在食品中的作用（3）Maillard反应对食品品质的影响有利方面：深色、香气和风味、抗氧化成分。不利方面：a.营养损失，特别是必须氨基酸损失严重b.产生某些致癌物质（丙烯酰胺）c.对某些食品，褐变反应导致的颜色变化影响质量。第一节单糖在食品中的作用（4）maillard反应在食品加工中的应用抑制maillard反应注意选择原料：选氨基酸、还原糖含量少的品种；除去一种作用物。水分含量降到很低：蔬菜干制品密封，袋子里放上高效干燥剂。流体食品则可通过稀释降低反应物浓度。•降低pH：如高酸食品、泡菜就不易褐变。•降低温度：低温贮藏。•加入抑制剂：亚硫酸盐、酸式亚硫酸盐、钙第一节单糖在食品中的作用利用控制原材料：核糖+半胱氨酸：烤猪肉香味核糖+谷胱甘肽：烤牛肉香味不同加工方法：土豆大麦水煮：125种香气75种香气烘烤：250种香气150种香气第一节单糖在食品中的作用（4）maillard反应在食品加工中的应用控制温度：葡萄糖+缬氨酸：100-150℃烤面包香味180℃巧克力香味木糖+酵母水解蛋白：90℃饼干香型160℃酱肉香型美拉德反应小结美拉德反应机理反应影响因素在食品加工中的应用2.焦糖化反应概念：无水（或浓溶液）条件下加热糖或糖浆，用酸或铵盐作催化剂，糖发生脱水与降解，生成深色物质的过程，称为焦糖化反应。过程:脱水:分子双键不饱和的环聚合高聚物。裂解:裂解挥发性的醛、酮缩合或聚合深色物质第一节单糖在食品中的作用焦糖化反应条件①无水或浓溶液，温度150-200℃。②催化剂的存在加速反应：铵盐、磷酸盐苹果酸、延胡索酸、柠檬酸、酒石酸等。③pH8比pH5.9时快10倍。④不同糖反应速度不同，例如果糖大于葡萄糖（熔点的不同）。第一节单糖在食品中的作用蔗糖形成焦糖的过程蔗糖异蔗糖酐焦糖酐焦糖稀焦糖素（无甜味而具有温和的苦味）（熔点为138℃，可溶于水及乙醇，味苦）（熔点为154℃，可溶于水）（高分子量的深色物质）200℃，约35min起泡二次起泡55min继续加热继续加热焦糖色素是一种结构不明确的大的聚合物分子，这些聚合物形成了胶体粒子，形成胶体粒子的速度随温度和pH的增加而增加。工业上生产焦糖色素以蔗糖为原料生产的三种色素及用途NH4HSO3催化pH2-4.5耐酸焦糖色素（可用于可口可乐饮料，棕色）糖和铵盐加热pH4.2-4.8焙烤食品用焦糖色素（红棕色）蔗糖加热pH3-4啤酒美色剂（含醇类饮料，红棕色）第一节单糖在食品中的作用第二节低聚糖一、食品中的低聚糖的作用•褐变反应：低聚糖发生褐变的程度，尤其是参与美拉德反应的程度相对单糖较小。•黏度：多数低聚糖的黏度蔗糖单糖。•抗氧化性：直接作用、间接作用•渗透压：（防腐作用）•发酵性：•吸湿性、保湿性与结晶性：二、食品中重要的低聚糖（一）普通低聚糖1.双糖：均溶于水，有甜味、旋光性，可结晶、还原性质。2.三糖：棉子糖3.四糖：水苏糖α-D-吡喃半乳糖（l→6）-α-D-吡喃葡萄糖（l→2）-β-D-呋喃果糖二、食品中重要的低聚糖低聚果糖低聚木糖异麦芽酮糖大豆低聚糖异构乳糖（乳果糖）环状糊精（二）功能性低聚糖低聚果糖结构式1.双歧杆菌增殖因子2.低热值3.水溶性膳食纤维4.抗龋齿低聚糖的生理学性质改善人体的微生态环境：促进有益菌群的生长，而抑制有害菌的繁殖；促进肠胃功能，减少肠内腐败物质，防止便秘；增加维生素的合成量，提高人体免疫功能。难被消化道唾液酶和小肠消化酶水解，低热值，很少转化为脂肪。能降低血脂，改善脂质代谢，降低血液中的胆固醇和甘油三脂的含量。抗龋齿；不易使血糖升高，可供糖尿病人食用。三、环状糊精cyclodextrin又名沙丁格糊精（schardingerＤextrin），由环状α－Ｄ－吡喃葡萄糖苷构成。该糊精是由软化芽孢杆菌作用于淀粉的产物。环糊精为环状结构。聚合度为６、７、８，分别成为α、β、γ－环状糊精。环状糊精的结构ＣＤ在食品工业中的应用•保持食品香味的稳定食用