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：t>30℃时，褐变较快

t<20℃时，褐变较慢

t<10℃时，可较好地控制或防止褐变地发生⑥金属离子

Fe(Fe+3>Fe+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香精和调味剂用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。如食用香精玫瑰油，茴香脑等易挥发，易氧化，用ＣＤ包接后香味的保持得到改善。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、糕点表面可起到保水保形的作用。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。作为固体果汁和固体饮料酒的载体。食品中单糖和低聚糖的功能小结甜味剂：蜂蜜和大多数果实的甜味主要取决于蔗糖、D-果糖、葡萄糖的含量。亲水功能：具有一定的亲水能力，具有一定的吸湿性或保湿性。赋予风味：褐变产物赋予食品特殊风味。特殊功能：增加溶解性：如环状糊精，麦芽糊精稳定剂：糊精作固体饮料的增稠剂和稳定剂。保健功能第三节食品中重要的多糖及其作用

一、多糖的性质1.多糖的溶解性:除了高度有序具有结晶的多糖不溶于水外，大部分多糖不能结晶，因而易于水合和溶解。2.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。

多糖的性质3.凝胶

是指在一定条件下，高分子溶液或溶胶的分散质颗粒在某些部位上相互联结，构成一定的空间网状结构，分散介质（液体或气体）充斥其间，整个系统失去流动性，这种体系称为凝胶。氢键、疏水相互作用、范德华引力离子桥联、缠结或共价键形成连结区

多糖的性质4.生理活性

植物多糖：膳食纤维真菌多糖：提高人体免疫力①很高的持水力；②对阳离子有结合交换能力；③对有机化合物有吸附螯合作用；④具有类似填充的容积；⑤可改变肠道系统中的微生物群组成。灵芝多糖，香菇多糖，猴头菇多糖，茯苓多糖，银耳多糖等多糖的性质5.多糖的水解

酶促水解、酸、碱催化下的水解。二、淀粉1.淀粉的特性淀粉在植物细胞内以颗粒状态存在，故称淀粉粒。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。淀粉粒的形状淀粉粒的偏光十字2.淀粉的结构直链淀粉：由D-吡喃葡萄糖通过α－1，4糖苷键连接起来的链状分子。支链淀粉：由D-吡喃葡萄糖通过α-1，4和α-l，6两种糖苷键连接起来的带分枝的复杂大分子143.淀粉的性质

物理性质

白色粉末在热水中溶胀。纯支链淀粉能溶于冷水中，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）。5.淀粉的糊化

几个概念β-淀粉：具有胶束结构的生淀粉称为β-淀粉。α-淀粉：指经糊化的淀粉。膨润现象：β-淀粉在水中经加热后，部分胶束溶解而形成空隙，水分子浸入与部分淀粉分子进行结合，胶束逐渐被溶解，空隙逐渐扩大，淀粉粒因吸水，体积膨胀数十倍，生淀粉的胶束即行消失的现象。β-淀粉膨润现象α-淀粉5.淀粉的糊化

淀粉粒在适当温度下，在水中溶胀，分裂，胶束则全部崩溃，形成均匀的糊状溶液的过程被称为糊化。本质是微观结构从有序转变成无序。β-淀粉α-淀粉氢键H2O糊化作用的三个阶段

a可逆吸水阶段：水分进入淀粉粒的非晶质部分，体积略有膨胀，此时冷却干燥，可以复原，双折射现象不变。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。糊化温度

指双折射消失的温度，不是一个点，而是一段温度范围，即糊化开始的温度和糊化完成的温度表示淀粉糊化温度。影响糊化的因素结构：支链淀粉易糊化。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（马铃薯淀粉）。脂类：抑制糊化。酸度：在pH<4时，淀粉水解为糊精，粘度降低。在pH4-7时，几乎无影响。

在pH=10时，糊化速度迅速加快。淀粉酶：使淀粉糊化加速。新米（淀粉酶酶活高）比陈米更易煮烂。6.淀粉的老化

老化：α-淀粉溶液经缓慢冷却或淀粉凝胶经长期放置，会变为不透明甚至产生沉淀的现象。实质是糊化后的分子又自动排列成序，形成高度致密的结晶化的不溶解性分子粉末。糊化淀粉老化淀粉糊化的逆过程

比生淀粉的晶化程度低影响淀粉老化的因素

温度：2-4℃，淀粉易老化。

>60℃或<-20℃，不易发生老化。含水量:含水量30～60%，易老化。含水量过低（<10%）或过高，均不易老化。pH值：在偏酸（pH4以下）或偏碱的条件下也不易老化。结构：直链淀粉易老化。聚合度中等的淀粉易老化。淀粉改性后，不均匀性提高，不易老化。共存物的影响：脂类和乳化剂可抗老化;多糖（果胶例外）、蛋白质等亲水大分子，有抗老化作用。7.改性/变性淀粉

变性淀粉：天然淀粉经适当的化学处理、物理处理或酶处理，使某些加工性能得到改善，以适应特定的需要，这种淀粉被称为变性淀粉。物理变性和化学变性8.淀粉在食品中的功能淀粉在糖果制造中用作填充剂，可作为制造淀粉软糖的原料。豆类淀粉和黏高粱淀粉制造软性糖果。淀粉在冷饮食品中作为雪糕和棒冰的增稠稳定剂。淀粉在某些罐头食品生产中可作增稠剂。在制造饼干时，解决饼干收缩变形的问题。三、果胶物质

主链是150～500个α-D-吡喃半乳糖醛酸基通过1，4糖苷键连接而成的。部分