理学食品化学碳水化合物

1、会计学1理学食品化学碳水化合物理学食品化学碳水化合物1.食品中单糖、低聚糖、多糖等物理化学性质；2.食品在储藏加工条件下糖类化合物的美拉德褐变 反应及其对食品营养、感观性状和安全的影响；3.淀粉的糊化和老化及其在食品加工中的应用；糖类化合物的结构与功能间的关系本章主要内容第二节 单糖及低聚糖第三节 多糖第一节 概述4.1 概述一、碳水化合物的一般概念1.碳水化合物 (Carbohydrates) 表达式Cx(H2O)y多羟基醛或酮及其衍生物和缩合物。n单糖不能再被水解的多羟基醛、酮，是碳水化合物的基本单位。单糖又分为醛糖和酮糖。n低聚糖由2-10个单糖分子缩合而成，水解后生成单糖。n多糖由10

2、个以上单糖分子缩合而成。根据组成多糖的单糖种类,又分为均多糖和杂多糖。二、食品中的碳水化合物u碳水化合物在植物中含量占干重的80%以上u如：玉米，蔬菜，水果等u单糖及低聚糖主要存在于蔬菜和水果中。u多糖主要存在于玉米，种子，根，茎植物。从上图表中可以看出:天然食物中游离糖的含量很少；加工的食品中则较多。 如何将植物源食物中的贮存多糖和结构多糖转化为可溶性多糖？目前可采取的方法有： 适时采收； 采后处理； 加工中添加水解酶等玉米-在蔗糖转化为淀粉前采摘，加热破坏转化酶系，玉米很甜。成熟后采摘或未及时破坏酶系，玉米失去甜味，而且变硬变老水果成熟前采摘，后熟过程中酶促反应使淀粉转变为糖，水果变软，变

3、熟，变甜三、食品中碳水化合物的作用碳水化合物与食品加工质量色泽与碳水化合物口感与碳水化合物质构与碳水化合物碳水化合物与食品的营养提供膳食热量促进肠道蠕动具有保健功能4.2 单糖及低聚糖一、单糖和低聚糖的结构及功能1、单糖（Monosaccharides）2、低聚糖（Oligosaccharides）3、糖苷（Glycosides）手性碳原子n碳水化合物含有手性碳原子，手性碳原子连接四个不同的基团，四个基团在空间的两种不同排列（构型）呈镜面对称。u 链式结构差向异构醛糖：C4 差向异构、C2 差向异构酮糖：C5 差向异构u 环状结构端位异构1、单糖（Monosaccharides）n糖分子中除了

4、C1外，任何一个手性碳原子 具有不同的构型称为。n如D甘露糖是D葡萄糖的C2差向异构。C4 差向异构C2 差向异构链式结构醛糖C5 差向异构链式结构酮糖-与-构型同侧异侧C1为手性碳原子，它有右侧两种端位异构环状结构n 己糖构象 己糖可以形成呋喃型和吡喃型n-D-吡喃葡萄糖溶于水时，形成具有：开环、五元环、六元环及七元环等不同异构体的混合物。n室温下，以六元环为主。命 名v3个碳原子：三糖，1个手性碳原子 v4个碳原子：四糖，2个手性碳原子 v5个碳原子；五糖，3个手性碳原子 v6个碳原子：六糖，己糖，己醛糖 n-糖有n-2个手性碳原子 2、低聚糖（Oligosaccharides） 食品中重

5、要的低聚糖 具有特殊功能的低聚糖 环状低聚糖食品中重要的低聚糖麦芽糖n淀粉水解后得到的二糖 n具有潜在的游离醛基，是一种还原糖 n温和的甜味剂 1,4糖苷配基D-葡萄糖D-半乳糖D-葡萄糖-1,4糖苷配基食品中重要的低聚糖乳糖n牛乳中的还原性二糖 n发酵过程中转化为乳酸 n在乳糖酶作用下水解 n乳糖不耐症乳糖 D-葡萄糖 + D-半乳糖 乳糖酶 12n-葡萄糖和-果糖头头相连n 非还原性二糖 n具有极大的吸湿性和溶解性，能形成具高渗透性的高浓度溶液。可用作防腐剂和保湿剂。 n冷冻保护剂，可防止脱水和由冷冻引起的结构和质构的破坏。n甘蔗与甜菜食品中重要的低聚糖蔗糖u三糖 u麦芽三糖、甘露三糖、蔗

6、果三糖 u聚合度为410的低聚糖 u麦芽低聚糖、甘露低聚糖、低聚木糖食品中重要的低聚糖具有特殊功能的低聚糖v功能性食品 西方国家：低热、低脂、低胆固醇、低盐、低糖及高纤维食品日本：功能食品因子，低聚糖和短肽v功能性低聚糖 v低聚果糖、乳果聚糖、低聚异麦芽糖、低聚木糖、低聚氨基葡萄糖等。v功能性低聚糖的主要功能v增殖双歧杆菌维护肠道健康具有特殊功能的低聚糖低聚果糖21-2,1GF2GF4GF3 增殖双歧杆菌 难水解，热量低 抑制腐败菌，维护肠道健康 防止龋齿 香蕉、蜂蜜、大蒜、西红柿、洋葱生理活性：环状低聚糖又名沙丁格糊精或环状淀粉，由-葡萄糖通过1,4-糖苷键首尾相连构成。聚合度为6,7,8,

7、分别称为,环状糊精。N=6N=7N=8环状糊精的立体结构示意图u高度对称性 u圆柱形 u-OH在外侧，C-H和O在环内侧 u环的外侧亲水，中间空穴是疏水区域 u作为微胶囊壁材，包埋脂溶性物质 风味物、香精油、胆固醇 环状糊精的结构特点：保持食品香味的稳定 食用香精和稠味剂用CD包接，用于烤焙食品，速溶食品，速食食品，肉食及罐头食品，可使之留香持久，风味稳定。 保持天然食用色素的稳定 如：虾黄素经CD的包接，提高对光和氧的稳定性。 食品保鲜 将CD和其它生物多糖制成保鲜剂涂于面包、糕点表面可起保水保形作用 除去食品的异味鱼品的腥味，大豆的豆腥味和羊肉的膻味，用CD包接可除去环状糊精的应用n是由单

8、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，失去水后形成的化合物。n组成：糖、配基（非糖部分 ）糖苷的基本概念配基部分O-糖苷S-糖苷N-糖苷n类黄酮糖苷：具有苦味和其它风味和颜色n毛地黄苷：强心剂 n皂角苷：起泡剂和稳定剂 n甜菊苷：甜味剂 n糖苷一般在碱性条件下稳定，在温或热的酸性水溶液中通过水解产生还原糖。 糖苷的生理功能4.2 单糖及低聚糖一、单糖和低聚糖的结构及功能二、单糖和低聚糖的物理性质三、单糖和低聚糖的化学性质1、甜度v 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。v 产生甜味的基团:-CH

9、2OH-CH2OH- v 影响甜度的因素： 分子量越大溶解度越小，则甜度也小 糖的不同构型（、型）二、单糖和低聚糖的物理性质在食品中应用T=20时 蔗糖溶液（10/15） 1.00（甜度） D-葡萄糖 0.70（比甜度） D呋喃果糖 1.50（比甜度）（甜度：果糖蔗糖葡萄糖麦芽糖半乳糖）糖的不同构型（、型）葡萄糖: :=1:1.7 1.5倍 0 80果 糖: 葡萄糖,麦芽糖 蔗糖保湿性：糖在空气湿度较低条件下保持水分的性质。 表示糖与氢键结合力的大小有关，即键的强度大小。 糖类具有亲水功能： 糖类含有许多羟基与水分子通过氢键相互作用 具有亲水功能（基本的物理性质之一）n硬糖果要求吸湿性低（避免

10、遇潮湿天气因吸收水分而导致溶化）以蔗糖为主（添加淀粉糖浆防止结晶） n软糖果则需保持一定水分（避免遇干燥天气而干缩），应用果葡糖浆、淀粉糖浆为宜。n糕饼为了限制水进入食品，其表层涂抹糖霜粉，吸湿性要小。如添加乳糖、蔗糖、麦芽糖。 n蜜饯、面包、糕点为控制水分损失、保持松软，必须添加吸湿性较强的糖。如淀粉糖浆（转化糖浆）、果葡糖浆 不同种类食品对于糖的吸湿性和保湿性要求不同5、结晶性和抗结晶性 n 不同糖的结晶特性蔗糖易结晶，晶体生成很大；葡萄糖易结晶，晶体生成细小；果糖、转化糖较难结晶；n 应用：硬糖的生产不能单独使用蔗糖旧法：加酸，蔗糖转化糖新法：加入淀粉糖浆吸湿性与结晶性的关系：结晶性越好

11、，则吸湿性越小。5、结晶性和抗结晶性 n 淀粉糖浆：葡萄糖、低聚糖和糊精的混合物 不含果糖，吸潮性低，保存性好； 含糊精，增加糖果韧性、强度和黏性，不易碎裂； 甜度低，温和可口；n 雪糕、冰淇淋等加淀粉糖浆替代部分蔗糖 23 ，蔗糖结晶成含水晶体，聚合成球形6、冰点降低 n 溶液浓度越高，分子量越小，冰点降低越多n 葡萄糖蔗糖淀粉糖浆4 应用: 雪糕、冰淇淋等加淀粉糖浆替代部分蔗糖 冰点降低小，节约电能； 抗结晶性，冰粒细腻； 粘度，口感好； 甜度，温和；7、粘 度调节食品稠度和可口性 n粘度与糖的种类：淀粉糖浆蔗萄、果 n粘度与温度有关 葡萄糖溶液粘度随T而 ； 蔗糖溶液粘度随T 而 ；8、

12、抗氧化性保持水果的风味、颜色和Vcn糖溶液中溶氧量小n糖本身具有抗氧化性综合分析4.2 单糖及低聚糖一、单糖和低聚糖的结构及功能二、单糖和低聚糖的物理性质三、单糖和低聚糖的化学性质褐变反应非氧化褐变氧化褐变酶促褐变非酶促褐变氧或酚类物质在多酚氧化酶催化下的反应焦糖化反应美拉德反应三、单糖和低聚糖化学性质在食品中应用在稀酸条件下羰氨缩合产物易于水解；亚硫酸根可与醛形成加成化合物可阻止N-葡萄糖基胺控制原材料：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 酱肉香型不

13、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n低聚糖，糖苷及多糖在酸或酶的作用下，可水解生成单糖或低聚糖。C12H22O11 + H20C6H12O6 + C6H1206S右旋FG左旋转化糖v 柠檬酸，蔗糖酶H+3、水解反应：影响水解反应的因素： 结构-异头物 -异头物 呋喃糖苷 吡喃糖苷 -D糖苷 -D糖苷 温度 温度提高，水解速度急剧加快。 在稀碱条件下，开环，生成差向异构体。继续烯醇化2,3- 3,4- 形成己糖全部可能异构体果葡糖浆4、烯醇化和异构化反应与碱的作用5、复合反应和脱水反应与酸的作用4 复合反应 单糖受酸和热的作用，失水缩合生成

14、 低聚糖的反应称为复合反应。 连接方式: 1,3-糖苷键, 1,6-糖苷键 不是水解反应的逆反应。例如：2 C6H12O6 C12H22O11 + H2O 2分子的G复合成 异麦芽糖(-1,6) 龙胆二糖(-1,6)淀粉酸水解54 脱水反应分子内脱水4 复合反应分子间脱水例如： HOCHCHOH HCCH HCH CHCHO H+ HC CCHO + 3 H2O OH OH O5、复合反应和脱水反应与酸的作用6、氧化反应n 在不同氧化条件下，糖类被氧化成不同产物 强氧化剂： G CO2 +H2O Br/H2O： G 葡萄糖酸脱水内酯内酯 浓硝酸： 醛糖 二元酸 G氧化酶： G 葡萄糖醛酸Con

15、tents本章主要内容第二节 单糖和低聚糖第三节 多糖第一节 引 论4.3 多糖 Polysaccharides一、概述 定义: 超过10个单糖的聚合物为多糖 单糖的个数称为聚合度（DP-Degree of Polymerization） 大多数多糖的DP为200-3000 纤维素的DP最大，达7000-15000储存多糖抗原多糖结构多糖 植物中的纤维素、木聚糖、虾蟹外壳中的甲壳素、细菌的夹膜，都是这类糖。这类糖性质稳定，不溶于水，不易水解。 这类多糖有淀粉、糖原等。淀粉是植物的贮藏养料，分为直链和支链两种,聚合度300-500。 糖蛋白是一些具有重要生理功能的物质如某些抗体、酶和激素的组成部

16、分。多糖的作用：生理功能 膳食纤维-植物多糖很高的持水力；对阳离子有结合交换能力；对有机化合物有吸附螫合作用；具有类似填充的容积；可改变肠道系统中的微生物群组成。真菌多糖 增强免疫,降血糖,降血脂,抗肿瘤,抗病毒如香菇多糖，人参多糖，灵芝多糖和茶叶多糖等水的结合功能：做增稠剂，胶凝剂，澄清剂等多糖的作用：水的结合功能4 多糖的溶解性: 多羟基，氧原子，形成氢键 结合水，不结冰，多糖分子溶剂化 不会显著降低冰点，提供冷冻稳定性 保护产品结构和质构，提供贮藏稳定性 大多数多糖不结晶 胶或与亲水胶体 4多糖溶液的黏度与稳定性: 高聚物溶液的黏度同分子的大小、形态及其在溶剂中的构象有关。 主要具有增稠

17、和胶凝功能 还控制流体食品与饮料的流动性质与质构以及改变半固体食品的变形性等 0.25%0.5%线性分子，很高粘度支链分子，粘度较低 占有空间 碰撞频率4 多糖溶液的黏度与稳定性 直链多糖r带电的，粘度提高 静电斥力，链伸展，链长增加，占有体积增大 海藻酸钠、黄原胶及卡拉胶形成稳定高粘溶液 r不带电，倾向于缔合、形成结晶 碰撞时形成分子间键，分子间缔合，重力作用 下产生沉淀和部分结晶 淀粉老化4 多糖溶液的黏度与稳定性 4凝胶 三维网络结构 氢键、疏水相互作用、范德华引力、离子桥连、缠结或共价键 网孔中液相 凝胶特性二重性v 固体-液体 v 粘弹性的半固体二、淀粉 (Starch)Conten

18、ts （一）淀粉的一般性质 （二）淀粉的结构 （三）淀粉的理化性质 （四）淀粉的糊化 （五）淀粉的老化 （一）淀粉的一般性质形状：圆形、椭圆形、多角形等。大小：0.001-0.15毫米之间，马铃薯淀粉粒最大，谷物淀粉粒最小。晶体结构：用偏振光显微镜观察及X-射线研究，能产生双折射及X衍射现象。淀粉在植物细胞内以颗粒状态存在，故称淀粉粒。（二）淀粉的结构4 直链淀粉（Amylose）4 直链淀粉叫糖淀粉，是葡萄糖通过-14连接而成，聚合度300-500。o 空间构型：n 呈螺旋形，内部仅含-H，亲油性;-OH亲水性在外部。n 淀粉分子的螺旋结构既可以是双螺旋也可以是单螺旋；双螺旋中每一圈每股包含

19、三个糖基，而单螺旋中每一圈包含六个糖基。 支链淀粉又叫脂淀粉，也是葡萄糖通过-1,4糖苷键连接而成，但在C6上有分支糖链，聚合度3000，平均支链长25个葡萄糖单位。1,41,6 支链淀粉（Amylopectin）支链淀粉分子排列 分支是成簇和以双螺旋形式存在 形成许多小结晶区 偏光黑十字 侧链的有序排列 （二）淀粉的结构马铃薯淀粉的颗粒和偏光十字 （二）淀粉的结构 一些淀粉中直链与支链淀粉的比例物理性质 白色粉末在，热水中融溶胀。 纯支链淀粉能溶于冷水中，而直链淀粉不能，直链淀粉能溶于热水。化学性质 无还原性；遇碘呈蓝色，加热则蓝色消失，冷后呈蓝色；水解（酶解 ，酸解）。 （三）淀粉的理化性

20、质酸水解 酶水解 淀粉酶 淀粉酶 葡萄糖淀粉酶 淀粉的水解液化酶糖化酶淀粉糊精寡糖麦芽糖葡萄糖 淀粉的水解酶水解淀粉酶 淀粉酶 葡萄糖淀粉酶1,41,6越过1,6？水解单元水解支链淀粉终产物能能能否1G葡萄糖麦芽糖异麦芽糖否否2G麦芽糖极限糊精能能能1G葡萄糖概念：淀粉水解过程中所产生的分子量不等的多糖苷片断分类：根据与I2呈色不同，分为蓝色糊精红色糊精无色糊精-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶葡萄糖异构酶D-果糖玉米淀粉 D-葡萄糖玉米糖浆n玉米糖浆：58%D-葡萄糖，42%D-果糖 n高果糖浆：55%D-果糖，软饮料的甜味剂（果葡糖浆） 用来衡量淀粉转化为D-葡萄糖的程度 v 定义：还原糖（按葡萄糖计

21、）在玉米糖浆中的百分比 DE反映水解程度大小的指标 当DE，更多的寡糖，更少的多糖 当DE，更甜和粘性更小的产品DPDE100DP：聚合度-淀粉-淀粉氢键 H2O （四）淀粉的糊化影响淀粉糊化的因素：结构：直链淀粉支链淀粉。Aw： Aw提高，糊化程度提高。糖： 高浓度的糖水分子，使淀粉糊化受到抑制。盐：高浓度的盐使淀粉糊化受到抑制；低浓度的盐存在，对糊化几乎无影响。温度：温度越高，糊化程度越大。脂类：抑制糊化。 脂类可与淀粉形成包合物，即脂类被包含在淀粉螺旋环内，不易从螺旋环中浸出，并阻止水渗透入淀粉粒。酸度：pHT60不老化3060易老化10不易，过高也不易10老化减弱改性淀粉不易老化（改性后，不均匀性提高）聚合度中等的易老化；直链比例越高越易于老化脂类和乳化剂，多糖（果胶例外）、蛋白质亲水分子：阻止淀粉分子的重新排列，起抗老化作用。直链和支链的比例结构共存