课件03食品化学碳水化合物

第三章碳水化合物第一节食品中的碳水化合物第二节单糖第三节低聚糖第四节多糖第五节淀粉第六节其他植物多糖第七节海洋多糖第八节微生物多糖第一节食品中的碳水化合物1.表达通式此类化合物的一般通式可以表示为Cx(H20)y；2.定义糖类化合物可以定义为多羟基的醛类、酮类化合物或其聚合物及其各类衍生物。3.重要性生物体维持生命活动能量的重要来源（80％），合成其它化合物的基本原料，生物体的主要结构成分。4.研究热点对功能性低聚糖和多糖类化合物（活性多糖）的研究。HCHOOHHHOOHHOHHCH2OH葡萄糖HOCHOHHHOOHHOHHCH2OH甘露糖HCHOOHHHOHHOOHHCH2OH半乳糖HHOOHHOHHCH2OHO果糖HOCHOHOHHCH2OHHOH阿拉伯糖CHOOHHCH2OHHOHHOHHO木糖CHOOHHOHHHHOHCH3鼠李糖HCHOOHHHOHHOOHHCOOH半乳糖醛酸HCHOOHHHOOHHOHHCOOH葡萄糖醛酸OHHCH2OHCH2OHCH2OHHOHHHOHOH山梨糖醇D-D-D-D-D-D-D-D-D-CHOOHHCH2OHHHOHOHCHOOHHCH2OHHHOHHD-核糖D-脱氧核糖第二节单糖一、结构常见单糖的结构二、单糖与食品相关的物理学特性1.单糖的甜度、旋光性、溶解度2.吸湿性、保湿性与结晶性不同的糖吸湿性不同，果糖最强，葡萄糖次之。不同的单糖其结晶形成的难易程度不同。5.其他粘度：萄、果蔗淀粉糖浆三、糖苷有O－糖苷、S－糖苷、N－糖苷、生氰糖苷等。四、单糖的食品化学反应这里只讨论单糖在食品或食品原料中可能发生的化学反应。(一)Maillard（美拉德)反应对这类反应的讨论是食品化学的一个重点内容。Maillard（美拉德)反应指食品在油炸、焙烤、烘焙等加工或贮藏过程中，还原糖（主要是葡萄糖）同游离氨基酸或蛋白质分子中氨基酸残基的游离氨基发生羰氨反应，这种反应被称为美拉德反应。Maillard反应需经历亲核加成、分子内重排、脱水、环化等步骤。其中又可分为初期、中期和末期三个阶段。1、反应机理（1）初期阶段Maillard反应的初期阶段包括两个过程，即羰氨缩合与分子重排。CHOCH2OHRNH2-H2OCH2OHCHNRCH2OHCHNRHO葡萄糖Schiffs碱葡糖胺羰氨缩合上步产物葡糖胺酸性条件下可以发生Amadori（阿姆德瑞）重排而转化为环式果糖胺：CH2OHCHNRHO葡糖胺H++CH2OHCHNRH+-H+CH2OHCHNRH1-氨基-1-脱氧-2-酮糖CH2OHCNRHOHH酮式果糖胺环式果糖胺CH2OHCNRHOHHAmadori分子重排（2）中期阶段酮式果糖胺在中期阶段主要的分解过程可能有三个途径，这里仅介绍脱水转化成羟甲基糠醛的途径。其过程可以表示为：CH2OHCNRHOHH酮式果糖胺CH2OHCHNRHH+CH2OHCHNR-H2OCHCOH+RNH2-H2OCH2OHCHCH2CO-H2OCH2OHCHCOCHCHOO-H2OOCHOHOH2C烯醇式果糖基胺Schiffs碱3-脱氧奥苏糖不饱和奥苏糖羟甲基糠醛（3）末期阶段前两个阶段尤其是中期阶段得到的许多产物及中间产物，如糠醛及其衍生物、二羰基化合物等，可以进一步缩合、聚合形成复杂的高分子色素。2、影响Mailard反应的因素（1）底物结构存在于食品中的糖类化合物及其它羰基类化合物都可能发生Mailard反应。在糖类物质中：五碳糖（核糖阿拉伯糖木糖）六碳糖（半乳糖甘露糖葡萄糖），醛糖酮糖，单糖二糖。除氨基酸外，胺类、蛋白质、肽类均能参加Mailard反应。一般地，反应的活性：胺类氨基酸；碱性氨基酸中性或酸性氨基酸；氨基处于ε位或碳链末端的氨基酸氨基处于α位的。而蛋白质的褐变速度则十分缓慢。（2）反应物浓度Mailard反应速度与反应物浓度成正比；完全干燥的条件下难以发生，含水量在10～15%时容易发生；（3）温度Mailard反应是一个热反应，温度越高，反应时间越长，反应进行的程度越大。（4）pH碱性条件有利于Mailard反应的进行，而酸性环境，特别是pH3以下可以有效防止褐变反应的发生。（5）金属离子许多金属离子可以促进Mailard反应的发生，特别是铁离子与铜离子，三价铁比二价铁更为有效。3、Mailard反应的抑制与促进要抑制美拉德反应，可采用如下的方法：（1）将水分含量降到很低；（2）如果是流体食品则可通过稀释、降低PH、降低温度或除去一种作用物；（3）亚硫酸盐或酸式亚硫酸盐可抑制美拉德反应；（4）在食品加工的过程中避免混入铁和铜离子。要促进美拉德反应则要采用与上面相反的条件。(二)焦糖化反应糖类尤其是单糖类在没有含氨基化合物存在的情况下，加热到熔点以上（一般为140～170℃）时，会因发生脱水、降解等过程而发生褐变反应，这种反应称为焦糖化反应，又叫卡拉蜜尔作用（caramelization)。焦糖化反应有两种反应方向，一是经脱水得到焦糖（酱色）等产物；二是经裂解得到挥发性的醛类、酮类物质，这些物质还可以进一步缩合、聚合最终也得到一些深颜色的物质。这些反应在酸性、碱性条件下均可进行，但在碱性条件下进行的速度要快得多。在食品工业中，利用蔗糖焦糖化的过程可以得到不同类型的焦糖色素：A.耐酸焦糖色素：蔗糖在亚硫酸氢铵催化下加热形成，其水溶液pH2～4.5，含有负电荷的胶体离子；常用在可乐饮料、其它酸性饮料、焙烤食品、糖浆、糖果以及调味料中。B.糖与铵盐加热所得色素：红棕色，含有带正电荷的胶体离子，水溶液pH4.2～4.8；用于焙烤食品、糖浆、布丁等的生产。C.蔗糖直接加热焦糖色素：红棕色，含有略带负电荷的胶体离子，水溶液的pH3~4；用于啤酒和其它含醇饮料的生产。（三）氧化反应与还原反应单糖含有游离羰基，既可被氧化成酸，又可被还原为醇。（四）酯化与醚化糖中的羟基与有机酸或无机酸相互作用生成酯。糖中羟基除了形成酯外，还能形成醚，但不如天然存在的酯类多。第三节低聚糖一、食品中重要的低聚糖由2～20个糖单位通过糖苷键连接的碳水化合物称为低聚糖（寡糖）。自然界存在的低聚糖一般不超过6个单糖残基，以二糖最为常见，食品中最重要的二糖有蔗糖、麦芽糖和乳糖，其他的低聚糖包括所谓的益生素物质和环状糊精。食品中重要的二糖的结构二、具有特殊功能的低聚糖目前已证实有特殊保健功能的低聚糖有低聚果糖、低聚木糖、低聚氨基葡萄糖、乳果聚糖、低聚异麦芽糖等。三、环状低聚糖它是由Ｄ－吡喃葡萄糖通过α-1,４糖苷键连接而成的环糊精，分别是由6-，7-，8-个糖单位组成，称为α-，β-，γ-环糊精。结构见下页图。第四节多糖一、定义超过20个单糖的聚合物称为多糖。单糖的个数称为聚合度（DP）。大多数多糖的DP为200～3000。由相同的糖组成的多糖称为均匀多糖。由两种或多种不同的单糖组成的多糖称为非均匀多糖，或称杂多糖。二、多糖的溶解性分子量较小、分支程度低的多糖在水中有一定的溶解度，加热情况下更容易溶解；而分子量大、分支程度高的多糖类在水中溶解度低。在食品工业和其他工业中使用的水溶性多糖称为胶或亲水胶体。由于多糖对水的亲合性，多糖在食品中具有限制水分流动的能力；多糖分子量较大，不会显著降低水的冰点，是一种冷冻稳定剂。三、多糖溶液的黏度与稳定性多糖溶液具有很高的黏度。甚至浓度很低时也有很高的黏度。高度支链的多糖分子比具有相同分子量的直链多糖分子溶液的黏度低；带电荷的多糖分子溶液的黏度大大增加。多糖形成的胶状溶液其稳定性与分子结构有较大的关系。不带电荷的直链多糖由于形成胶体溶液后分子间可以通过氢键而相互结合，随着时间的延长，缔合程度越来越大，因此在重力的作用下就可以沉淀或形成分子结晶。支链多糖胶体溶液也会因分子凝聚而变得不稳定，但速度较慢；带电荷的多糖由于分子间相同电荷的斥力，其胶状溶液具有相当高的稳定性。多糖溶液一般具有两类流动性质：一类是假塑性；一类是触变性。支链淀粉四、凝胶多糖能形成海绵状的三维网状凝胶结构。凝胶既具固体性质，也具液体性质。五、生理活性很多多糖具有特殊的生理活性。六、多糖的水解多糖水解的条件主要包括酶促水解和酸碱催化水解；调节或控制多糖水解是食品加工过程中的重要环节。a.酶促水解常见处理对象、酶种类、意义总结如下页表。b.酸碱催化水解待处理对象所用酶得到产物应用条件应用意义淀粉淀粉酶(来自大麦芽或微生物)在食品中的酶中专门讨论生产糖浆和改善食品感官性质纤维素纤维素酶(包括内切酶、外切酶及葡萄糖苷酶)短的纤维素链、纤维二糖及葡萄糖30~60℃pH4.5~6.5生产膳食纤维、葡萄糖浆及提高果汁榨汁率和澄清度半纤维素半纤维素酶(L-阿拉伯聚糖酶、D-半乳聚糖酶、D-甘露聚糖酶、D-木聚糖酶)半乳糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖及其它单糖提高食品质量果胶果胶酶(有内源和商品之分）主要为半乳糖醛酸，有少量半乳糖、阿拉伯糖等植物质地软化及水果榨汁和澄清关于膳食纤维：一、组成目前的研究结果认为，膳食纤维是由纤维素、半纤维素、木质素、果胶、低聚糖、纤维素衍生物、胶质和一些植物相关物质等组成。二、作用1、排便2、血胆固醇调节3、血糖调节4、益生素作用5、预防癌症发生6、其他作用如解毒作用7、不利作用第五节淀粉一、淀粉颗粒的显微结构二、直链淀粉与支链淀粉※三、淀粉的糊化与老化※※四、淀粉的水解※五、改性淀粉六、抗性淀粉一、淀粉颗粒的显微结构不同植物的淀粉颗粒其显微结构不同，借此可以对不同来源的淀粉进行鉴别。不同植物淀粉的特征比较薯片西米变性淀粉珍珠奶茶二、直链淀粉与支链淀粉（一）分子结构直链淀粉是D－吡喃葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接起来的链状分子。直链淀粉的化学结构示意图淀粉在水溶液中以螺旋、部分断开的螺旋或无规线团的形式存在的。直链淀粉的螺旋结构示意图直链淀粉在稀溶液中的存在形式支链淀粉是D-葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接成一直链，此直链上又通过α-1,6-糖苷键形成侧链，在侧链上还有分支，支链的长度一般为20～30个葡萄糖基。支链淀粉的化学结构示意图支链淀粉整体结构示意图支链淀粉呈树枝形分支结构，支链也可呈螺旋，但螺旋很短。（二）分布情况普通淀粉中一般含70～80％的支链淀粉，蜡质玉米中支链淀粉含量高达99％。75990102030405060708090100高直链玉米普通玉米小麦马铃薯米木薯蜡质玉米不同淀粉含量（％）直链淀粉支链淀粉一些淀粉中直链淀粉与支链淀粉的比例（三）直链淀粉形成络合物的性质1、直链淀粉与碘形成蓝色络合物这一性质可用来鉴别直链淀粉和支链淀粉，也是食品分析有时利用的显色反应。2、直链淀粉包络疏水性分子的能力§直链淀粉的螺旋形结构中羟基群处于螺旋的外部，而疏水区域处于内部，因此直链淀粉能够与直链疏水性分子形成复合物。直链淀粉与脂肪酸酯形成直链淀粉－脂类复合物（见示意图）。§食品工业经常应用到乳化剂与直链淀粉形成络合物来抗淀粉老化。各种乳化剂与直链淀粉形成络合物的能力，与乳化剂链长有关。目前所用食品乳化剂中，络合效果最好的是分子蒸馏饱和单甘油酯，其次是硬脂酸乳酸酯。§直链淀粉也能与风味化合物结合形成复合物。如癸醛、薄荷酮、1－萘酚等。三、淀粉的糊化与老化（一）淀粉的糊化1、糊化的概念淀粉颗粒具有结晶区和非结晶区交替层的结构，通过加热提供足够的能量，破坏了结晶胶束区弱的氢键后，颗粒开始水合和吸水膨胀，结晶区消失，大部分直链淀粉溶解到溶液中，溶液粘度增加，淀粉颗粒破裂，双折射消失，这个过程称糊化。具有胶束结构的生淀粉称为β-淀粉。处于糊化状态的淀粉称为α化淀粉。2、淀粉糊化本质糊化的本质是淀粉粒中结晶区和非结晶区的淀粉分子间的氢键断开，分散在水中成为胶体溶液。3、淀粉糊化可分为三个阶段a.可逆吸水阶段：水分进入非结晶区，体积略有膨胀；b.不可逆吸水阶段：随温度升高，水分进入淀粉微晶间隙，不可逆大量吸水，结晶“溶解”；c.淀粉粒解体阶段，淀粉分子全部进入溶液。3、糊化温度糊化温度是一个范围。双折射开始消失的温度为糊化开始温度，双折射完全消失的温度为糊化终了温度。各种淀粉的糊化温度不相同。淀粉糊化开始