碳水化合物教案

第三章碳水化合物小时数：8小时教学目标和具体要求：通过本章的学习，学生可以了解糖的结构和功能及其在食品加工中的应用。教学重点：1.食品中碳水化合物在贮藏和加工条件下的美拉德褐变反应及其对食品营养、感官特性和安全性的影响。2.淀粉的糊化和老化及其在食品加工中的应用。3.功能性低聚糖介绍。4.食品中总糖、还原糖、淀粉、果胶和粗纤维含量的测定。教学难点：碳水化合物结构与功能的关系。教学内容：3.1碳水化合物分类3.2单糖3.3低聚糖3.4食物中单糖和寡糖的功能3.5多糖教学方法：教学方法与多媒体教学相结合教学内容：一、碳水化合物的分类1.定义：碳水化合物是多元醛或多元酮及其缩合物和衍生物的通称。2.碳水化合物的分类：1)单糖；2)寡糖；3)多糖。第二，单糖1.定义：单糖是最简单的碳水化合物，它是多元醛或多元酮及其衍生物，不能再水解。2.单糖的结构1)单糖的化学组成和链结构单糖的组成可以表示为cn (H2O) n。食品中常见的单糖包括葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、鼠李糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸、葡萄糖酸、山梨酸等。分子中碳原子数3的单糖具有D和L构型，因为它们含有手碳原子。其中单糖分子中离羰基最远的不对称碳原子上-羟基的空间排列与D-甘油醛相同，即不对称碳原子右侧的-羟基为D型；如果它与L-甘油醛相同，它就是L型。图葡萄糖的链结构2)单糖的环状结构单糖不仅以线性结构存在，而且以环状形式存在。单糖分子的羰基可与糖分子本身的醇羟基反应，在分子中生成半缩醛或半缩酮，形成五元呋喃糖环或更稳定的六元吡喃糖环。3)环状结构的构型和构型当糖分子中的醛基与羟基反应形成半缩醛时，由于C=O是平面结构，羟基可以从平面的两侧攻击C=O，从而得到两种异构体的构型和构型。这两种构型可以通过开放链的相互转化来平衡，这就是糖具有旋光现象的原因。由构型产生的半缩醛羟基与决定单糖构型的羟基在同一侧。由构型产生的半缩醛羟基和决定羟基的单糖构型在不同的一侧。型糖和型糖是一对非对映体。在C1构型中，型和型的区别被称为末端异构体和异头体。4)单糖的构象构象是指分子中原子或基团的空间排列，这种排列不会改变共价键结构，而只是由原子或基团围绕单键的旋转产生的。从一种构象转变为另一种构象不需要共价键的切割和重新形成。相反，构型的改变涉及到原始共价键的破坏。现代X射线分析技术对单糖结构的研究表明，如果糖以五元环的形式存在，如糖和核糖，分子环的碳原子和氧原子都在一个平面上。对于具有六元环的糖，如葡萄糖和半乳糖，分子环的碳原子和氧原子不在一个平面上，有椅式构象和舟式构象，其中更稳定的椅式构象是绝对的优势。3.单糖的物理性质1)光学活性所有单糖分子都含有不对称碳原子，并具有旋光能力。2)溶解度纯单糖是白色晶体，吸湿性强。单糖分子有多个羟基，增加了它的水溶性，所以它极易溶于水，尤其是热水。单糖也可溶于乙醇，但不溶于有机溶剂，如乙醚、丙酮、fa(1)土伦试剂和费林试剂的氧化(碱性氧化)醛糖和酮糖可被弱氧化剂如土伦试剂或费林试剂氧化，前者产生银镜，后者产生氧化亚铜的砖红色沉淀，糖分子的醛基被氧化成羧基。任何能被上述弱氧化剂氧化的糖叫做还原糖，所以果糖也是还原糖。果糖具有还原性的原因：杂聚果糖在稀碱溶液中会发生酮-烯醇互变异构。酮碱基不断变成醛基(土伦试剂和费林试剂都是碱性试剂，所以酮糖可以被这两种试剂氧化)。(2)溴水氧化(酸氧化)溴水可以氧化醛糖，但不能氧化酮糖，因为在酸性条件下，它不会引起糖分子的异构化。这个反应可以用来区分醛糖和酮糖。2)还原反应单糖有游离羰基，易于还原。单糖羰基在一定压力和催化剂(LiAlH4或NaBH4)或酶的作用下被还原成羟基。醛糖被还原成糖醇；酮糖被还原成两种非对映体的糖醇。例如，D-葡萄糖的羰基被氢化并还原成羟基，得到D-葡萄糖醇，称为山梨醇，它是一种保湿剂，仅比蔗糖甜50%。将D-果糖氢化并还原，得到D-葡萄糖醇和D-甘露醇。3)羟基化反应这是由单糖分子中的羰基引起的反应。醛糖和酮糖都能与苯肼反应生成格隆溴铵。产生糖胺聚糖的反应发生在C1和C2。不涉及其他碳原子，因此，如果仅在第二碳上形成具有不同构型的差向异构体和其他碳原子的相同构型，将不可避免地产生相同的裂纹。例如，D-葡萄糖、D-甘露糖和D-果糖的C3、C4和C5的构型都是相同的，因此它们产生相同的糖精。氨基葡萄糖是黄色晶体。不同的糖胺在反应中有不同的晶型和不同的生成速率。因此，糖可以根据其晶体形式和形成时间来鉴别。4)糖苷化反应糖分子中的活性半缩醛羟基与其他含羟基化合物(如醇类、酚类)和含氮杂环化合物相互作用。脱水形成缩醛的反应称为糖苷化反应。该产品被称为糖苷，缩写为“糖苷”，其全称是糖的糖苷。注意：(1)糖苷状醚不是醚，它比普通醚键更容易形成和水解。(2)糖苷被酶选择性水解(3)糖苷无旋光现象，无还原糖反应。糖苷类化合物广泛分布于自然界，与人类生活和生命密切相关。5)焦糖化反应焦糖化反应：糖和糖浆在没有氨基化合物的情况下直接加热融化。当温度超过100时，随着糖的分解，糖会变成深褐色焦糖，导致复杂的焦糖化反应。少量的酸和一些盐可以催化这一反应加速。大多数热解反应导致糖分子脱水，生成脱水糖或在糖环中形成双键，生成不饱和环状中间体，如呋喃环。共轭双键具有吸收光和产生颜色的特性。在不饱和环体系中，聚合反应经常发生，使食品产生颜色和风味。催化剂可以加速反应，因此反应产物具有不同类型的焦糖色素。蔗糖(二糖)通常用于生产焦糖色素和风味物质。在食品工业中，不同类型的焦糖色素可通过蔗糖焦糖化过程获得：(1)耐酸焦糖色素：蔗糖在亚硫酸氢铵的催化下加热形成，其水溶液的酸碱度为2-4.5，含有带负电荷的胶体离子；它通常用于生产可乐饮料、其他酸性饮料、烘焙食品、糖浆、糖果和其他产品。(2)糖和铵盐加热得到的色素为红棕色，含有带正电荷的胶体离子，水溶液的酸碱度为4.2-4.8；用于制作烘焙食品、糖浆、布丁等。(3)蔗糖直接热解：蔗糖直接热解产生红棕色焦糖色素，含有带轻微负电荷的胶体颗粒，其水溶液的酸碱度为1在食品的加工和储存过程中，如油炸、烘焙和焙烤，还原糖(主要是葡萄糖)与蛋白质分子中的游离氨基酸或游离氨基等含氨基化合物发生反应，这种反应称为美拉德反应。该反应可产生美拉德褐变产物，包括可溶性和不溶性聚合物，如酱油和面包皮。美拉德反应产物也能产生牛奶巧克力的味道。例如，当还原糖与牛奶蛋白反应时，可以产生牛奶脂肪糖、太妃糖和牛奶糖。美拉德反应的缺点是还原糖与氨基酸或某些蛋白质片段之间的相互作用会导致某些氨基酸的损失，尤其是必需氨基酸L-赖氨酸。一般来说，羰基氨的反应速率在中等水分含量和7.8 9.2之间最快。铜和铁等金属离子也能促进反应。7)脱水反应当单糖和强酸(如浓盐酸超过12%)一起加热时，会发生脱水反应生成糠醛或其衍生物。戊糖脱水主要产生2-糠醛，己糖脱水产生5-羟甲基糠醛等产品。糠醛和羟甲基糠醛可与酚类化合物生成各种有色物质，如与-萘酚反应时呈紫色，常用于糖的定性和定量测定。8)糖和碱的小分子的作用在碱性条件下，单糖可以发生异构化和分解等反应。反应的程度和速度受糖类型、温度、碱类型和浓度、时间等因素的影响。在稀碱溶液中，单糖通过烯醇进行异构化。例如，右旋葡萄糖在稀碱溶液中形成右旋甘露糖、右旋果糖和自身的平衡混合物。单糖在浓碱溶液中进行分解反应，中间经过烯醇过程，得到小分子糖分解产物。Iii .低聚糖1.定义：低聚糖，也称为低聚糖，在自然界中无处不在，溶于水，甜且具有光学活性。低聚糖可以用稀酸煮沸或在酶的作用下水解成各种单糖。2.分类：1)还原低聚糖：麦芽糖和乳糖；2)非还原性寡糖：蔗糖3.低聚糖的性质1)水解反应寡糖的水解是指寡糖在酶、酸或碱的作用下糖苷键断裂和糖链分解的过程。低聚糖的一般水解产物是单糖。低聚糖的酶水解是食品或食品原料中的常见反应，如富含蜂蜜的转化糖、乳糖酶催化的乳糖水解成葡萄糖和半乳糖等。酸通常被用作寡糖化学水解的催化剂。在酸性条件下，除了低聚糖中的1，6-糖苷键难以水解外，其他糖苷键都可以分解。2)褐变反应低聚糖也可以经历麦拉德和其他类型的褐变反应，但反应速度比单糖慢。(1)美拉德褐变反应的定义：美拉德，l.c法国化学家)反应是指含羰基化合物(如糖等)的反应。)和含氨基的化合物(例如氨基酸等。)被浓缩和聚合形成黑色素样化合物。这种反应也被称为非酶促褐变，因为它在没有酶催化的情况下产生褐色产物。几乎所有的食品或食品原料都含有羰基和氨基物质，因此可能发生美拉德反应。对这些反应的讨论是食品化学的重要组成部分。(2)整个反应过程美拉德反应是一个非常复杂的过程，需要亲核加成、分子内重排、脱水、环化等步骤。它可以分为三个阶段：初始阶段、中期阶段和最终阶段。整个过程如下图所示。(3)反应机理到目前为止，美拉德反应的许多细节尚未得到澄清。现有的研究成果简述如下。一、初始阶段美拉德反应的初始阶段包括两个过程，即羟胺缩合和分子重排。单糖可以与伯氨基物质(如氨基酸)发生羟胺缩合反应，得到席夫碱，席夫碱通过分子内环化转化为稳定的环状结构产物甘氨酰胺。在Mailard反应的中间阶段，氨基葡萄糖通过Amodari重排转化为环状果糖胺。果糖被氨化成果糖胺。果糖胺重排获得2-氨基-2-脱氧葡萄糖的详细过程试图遵循氨基葡萄糖的重排过程。这两个步骤是亲核加成反应。第一步是氨基氮与醛基的亲核加成和脱水形成席夫碱；第二步是将5-羟基亲核加成到碳氮双键上，形成环状葡糖胺产物。Schiffs碱不太稳定，所以第二步反应倾向于形成氨基葡萄糖。酸性条件不利于反应的进行(降低氨基的亲核性)，而碱性能促进反应的发生。3)抗氧化低聚糖和单糖水溶液具有抗氧化特性。这有三个原因：a .溶液中糖的存在会大大降低氧的溶解度；例如，在60%蔗糖溶液中，氧的溶解度约为纯水的1/6。b、其它组分与空气中氧气的接触会被阻断；它具有还原性，能首先与氧反应。4)调节渗透压随着糖溶液浓度的增加，其渗透压也增加。当糖溶液的浓度得到适当控制时，微生物的生长将由于较高的渗透压而受到抑制。4.低聚糖1)蔗糖蔗糖是一种典型的非还原糖，没有环化和羟基化反应。在稀酸或蔗糖酶的作用下，进行水解以获得葡萄糖和果糖的等效混合物。因此，蔗糖的水解称为转化，转化产生的等量葡萄糖和果糖的混合物称为转化糖。蔗糖b葡萄糖-a，b(12)果糖苷2)麦芽糖麦芽糖是由两个-D-葡萄糖分子通过1，4-糖苷键结合而成的。因此，麦芽糖分子仍然保留半缩醛羟基，这是一种典型的还原糖，因此麦芽糖具有可变的旋光现象，可以形成羟胺和糖苷，并且可以进行氧化和还原。麦芽糖经麦芽糖酶水解可产生2分子-D-葡萄糖，属于-D-葡萄糖苷。3)乳糖乳糖存在于哺乳动物的乳汁中，母乳中乳糖的含量为5% 8%，牛羊乳中乳糖的含量为4% 5%，乳糖的甜度仅为蔗糖的39%。乳糖是1分子D-半乳糖和1分子D-葡萄糖通过连接-1，4-糖苷键获得的二糖是还原性二糖，因为葡萄糖的半缩醛羟基保留在分子结构中。它有旋转现象，溶于水，没有吸湿性。可被酸、乳化剂和乳糖酶水解。葡萄糖-b(14)半乳糖苷5.单糖和低聚糖在食品中的作用亲水性：单糖和寡糖分子结构中包含的亲水性羟基通过氢键与水相互作用，产生溶剂化或增溶作用。甜味：甜味是低分子量碳水化合物的一个重要特征。高质量的糖应该有纯正的甜味，能很快达到最甜和消失的甜味。风味组合功能：碳水化合物在脱水过程中对保持食品的颜色和挥发性风味成分起着重要作用。它可以将糖-水相互作用转化为糖-风味相互作用。糖水味物质。双糖和分子量较大的寡糖是有效的风味粘合剂。褐变产物和风味：碳水化合物的非氧化褐变反应不仅产生深色的类黑精，还产生许多挥发性风味物质，给食品带来特殊风味，如巧克力、咖啡豆和面包加工过程中产生的褐变风味。保健功能：低聚果糖、低聚果糖、低聚木糖、低聚异麦芽糖和氨基葡萄糖已被证明具有保健功能。低聚果糖作为保健食品的主要功能是：体内增殖双歧杆菌；抑制肠道内沙门氏菌和腐败菌的生长；它被认为是一种水溶性食物纤维。低热；抗龋齿。四.多糖1.定义：多糖是由多个单糖分子通过糖苷键连接而成的复杂大分子化合物。它们通常由10个以上的单糖分子浓缩而成。自然界