碳水化合物1.ppt

1、碳水化合物(糖 类）,1,是自然界分布最广泛，数量最多的有机化合物。 根据其化学结构特征，它的定义是：多羟基醛或酮及其衍生物和缩合物。 碳水化合物主要来自植物的光合作用，这种作用是太阳能向化学能转化的主要方式；葡萄糖是光合作用中产生出的最基本物质。 碳水化合物是生物维持生命活动所需能量的主要来源，是合成其它化合物的基本原料，同时也是生物体的主要结构成分。,碳水化合物的分类,单糖：是一类结构最简单的碳水化合物，是不能再被水解的糖单位。 低聚糖（寡糖）：一般是由220个单糖分子缩合而成，水解后产生单糖。 多糖：由多个单糖分子缩合而成，其聚合度很大；按其功能不同，可分为：结构多糖、储存多糖、功能多糖

2、等 糖苷：可水解为糖分子和配糖体（通常指醇类、酚类、甾醇类等）的物质,食品中的碳水化合物,常见的单糖： 葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、鼠李糖、木糖等；其中葡萄糖、果糖、半乳糖是可以被人体吸收利用的。 常见的双糖： 蔗糖、麦芽糖、乳糖,甜菜,甘蔗,红糖,白砂糖,绵白糖,麦芽糖,食品中的碳水化合物,低聚糖： 食品中含有的其他低聚糖很少，主要分布于豆科植物种子和一些块茎植物中，其中：棉籽糖、水苏糖、松三糖较为常见，尤其在大豆中的含量较高。,食品中的碳水化合物,多糖： 食品中的多糖主要分为：淀粉、膳食纤维。 多糖对大部分食品的形态和质地起着十分重要的作用。 糖苷： 糖苷类物质中因含有一些常见的有害物质

3、而受到重视。,碳水化合物的结构,单糖： 单糖的相对分子质量较小，一般含有5或6个碳原子，单糖是D甘油醛的衍生物。 单糖分子中含有手征性碳原子，它连接4个不同的原子或基团，在空间形成两种不同的差向异构体，立体构型呈镜面对称。,D-甘油醛产生的8种D-己糖的示意图,单糖可以形成缩醛或缩酮，糖分子的羰基可以与糖分子本身的一个醇基反应，形成半缩醛或半缩酮。 分子内的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。,D-葡萄糖的环形和异头结构,C,O,CH,2,OH,OH,C,H,HO,H,H,C,OH,OH,C,H,HO,H,C,OH,OH,C,H,H,C,OH,C,H,H,HO,H,C,CH,

4、2,OH,O,C,C,O,CH,2,OH,C,H,HO,H,H,C,OH,C,H,H,C,OH,or,a- and b- Glucose,D-Fructose -D-Fructose -D-Fructose 果糖的环形和异头结构,CH,2,OH,O,CH,2,OH,C,HO,H,C,OH,C,H,H,C,OH,O,CH,2,OH,C,HO,H,C,OH,C,H,H,C,CH,2,OH,CH,2,OH,C,H,HO,H,C,OH,C,H,HO,C,OH,CH,2,OH,O,or,碳水化合物的结构,低聚糖： 自然界中的低聚糖的聚合度一般不超过6个糖单位，其中主要是双糖和三糖。 均匀低聚糖：由同一单

5、糖构成的低聚糖； 非均匀低聚糖（杂低聚糖）：由不同的单糖构成的低聚糖。 低聚糖的羰基单位几乎全部都是己糖，除果糖为呋喃环结构外，葡萄糖、甘露糖和半乳糖等均是吡喃环结构。,Linkage of Monosaccharides,Maltose（麦芽糖）,4-0-D-Glucopyranosyl- -D-Glucopyranose,O,OH,OH,HO,CH,2,OH,O,OH,OH,CH,2,OH,O,OH,Sucrose （蔗糖）,2-0-D-Glucopyranosyl -D-Fructofuranoside,1,2,3,4,5,6,Invert sugar is the hydrolyzed

6、 sucrose into glucose and fructose.,Lactose（乳糖）,4-0-D-Galactopyranosyl-D- Glucopyranose 4-0-D-Galactopyranosyl-D-Glucopyranose,O,OH,OH,CH,2,OH,O,OH,OH,CH,2,OH,O,OH,OH,Raffinose（棉籽糖）,6-0-D-Galactopyranosyl-2-0-D-Glucopyranosyl -D-Fructofuranoside,Stachyose(水苏糖）,6-0-D-Galactopyranosyl-6-0-D-Galactopyr

7、anosyl -2-0-D-Glucopyranosyl-D-Fructofuranoside “Flatulence Factor”,-环糊精,碳水化合物的结构,多糖： 多糖是大分子聚合物，DP值（聚合度）由20到几千，但只有少数小于100。 同多糖（同聚糖、均多糖）：由同一单糖构成的多糖； 异多糖（杂聚糖）：由多种不同的单糖构成的多糖。,多糖没有均匀一致的聚合度。 多糖间、同一多糖的不同位点间具有多种次级键键合作用； 多糖又能与水、离子和其它小分子相互作用； 所以使多糖的结构具有很强的不确定性，并可形成多种构象。,Cellulose(纤维素）,Polymer of b-D-Glucose

8、(1, 4) linkage. Repeating cellobiose moiety.,n,Starch,The reserve carbohydrate of plants. Occurs as granules in the cell. Made of amylose and amylopectin. Amylose - Polymer of a-D- Glucose (1-4) linkage-straight-chain.,Amylose and Amylopectin,碳水化合物的结构,糖苷： 单糖分子中的半缩醛羟基与醇或其他分子的羟基缩合而成的化合物。 糖苷中的糖部分称为糖基；非

9、糖部分称为糖苷配基 或非糖体。 形成糖苷的配基不只是醇基，如糖和硫醇（RSH）反应能够得到硫糖苷，与胺（RNH2）反应生成氨基糖苷。 植物中形成糖苷有利于那些不易溶解的配基变成可溶于水的物质。 在酸催化剂作用下生成糖苷的反应是可逆的。,皂苷,S - 糖苷,生氰糖苷,有害糖苷 p267,碳水化合物的化学反应,水解反应： 主要的水解反应有： 糖苷的水解 低聚糖的水解 多糖的水解：淀粉、果胶 水解在实际生产中的应用： 酶法生产高果糖玉米糖浆,温度：随着温度的增加，糖苷水解的速度也大大增加 端基异构体的构型： -D-糖苷键比-D-糖苷键对水解更敏感 糖基环的大小：吡喃环式糖比呋喃环式糖更耐水解 糖苷键

10、所处的位点：不同位点的糖苷键耐水解的顺序为（16）（14）（13）（12） 多糖的构象：多糖的结晶区比无定形区或展开区更耐水解,端基 异构化反应,一种糖，当它在水溶液中达到平衡时，各种异构体的数量取决于它们的相对稳定程度；酸或碱可作为一种催化剂，使变旋速度大大加快。 当酸或碱的浓度超过还原糖变旋作用所要求的浓度时，糖分子结构便发生烯醇化。,异构化反应,碳水化合物的化学反应,氧化反应： 醛糖或能产生醛糖的酮糖在中性或碱性条件下，有弱氧化剂存在时，就可被氧化生成醛糖酸，通常将此类反应用于糖的定量测定。 D-葡萄糖在葡萄糖氧化酶作用下易氧化成D-葡糖酸，利用此反应可测定食品和其他生物材料中D-葡萄糖

11、的含量。,葡萄糖氧化历程,碳水化合物的化学反应,还原反应： 单糖通过电解、硼氢化钠或催化氢化可被还原成对应的糖醇，酮糖还原中由于形成了一个新的手性碳原子，所以得到两种糖醇。 食品加工中有重要用途的糖醇是：木糖醇 己糖醇总共有10种立体异构体，其中仅山梨糖醇和甘露糖醇可代替蔗糖用于保健食品、降低中等水分食品的水活性或作为软化剂、保湿剂、结晶抑制剂和改善脱水食品的复水特性 。,酯化：糖中羟基与有机酸和无机酸相互作用生成（蔗糖脂肪酸酯是一种很好的乳化剂）,醚化：糖中羟基除了形成酯外，还能形成醚。 如红藻多糖C3与C6间形成内醚（3,6-脱水环）,碳水化合物的化学反应,酯化与醚化反应：,非酶褐变反应,

12、酶促褐变：多酚氧化酶催化酚类和氧之间的反应，这种反应与碳水化合物无关。 非酶褐变：是食品中常见的重要褐变反应。 非酶褐变分为： 焦糖化反应 Maillard（麦拉德）反应,焦糖化反应,糖类在没有含氨基化合物存在时加热到熔点以上，会变为黑褐色物质，这种作用称为焦糖化作用。,焦糖化反应,焦糖形成过程：,加热,焦糖化反应,焦糖化反应以热缩和热解为主要特征；少量的酸或某些盐类对这类反应有促进作用。 分子内脱水主要引起左旋葡萄糖的形成或者在糖环中形成双键，或者可产生不饱和的环状中间体，如呋喃环，从而引起热解。 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，通常可发生缩合反应使之聚合，使食品产生色

13、泽和风味 。,焦糖化反应,糖类分子糖内的脱水和热解 脱水和热解是食品中的重要反应，酸和碱均能催化这类反应的进行；其中许多属于-消去反应类型。 戊糖脱水生成的主要产物是2-呋喃醛，己糖生成5-羟甲基-2-呋喃醛（HMF）和其它产物。 这些初级脱水产物的碳链裂解可产生其他化学物质，这些降解产物有的具有强烈的气味，可产生需宜和非需宜的风味。 这类反应在高温下容易发生。,3-脱氧-D-葡萄糖醛酮的形成,3-脱氧-D-葡萄糖醛酮-3,4-烯的形成,羟甲基呋喃醛的形成,焦糖化反应,糖的热解反应能产生具有独特味道和香气的不饱和环状化合物。 麦芽酚和异麦芽酚使焙烤的面包产生香味。 2-氢-4-羟基-5-甲基呋

14、喃-3-酮有像烤肉的焦香味，可作为各种风味和甜味的增强剂。,商业上生产的焦糖色素有三种： *耐酸焦糖色素：用亚硫酸氢铵作催化剂制备出的焦糖色素（pH为24.5）；主要用于可乐及其它酸性饮料中。 *蔗糖溶液和铵离子溶液一起加热制成焙烤食品着色剂，其水溶液的pH为4.24.8。 *蔗糖直接热解形成略带负电荷胶体粒子的焦糖色素，溶液pH为34，用于啤酒和其它酒精饮料。 近来发现，加铵盐制成的焦糖色素中含有4甲基咪唑，有强致惊厥作用，含量高时对人体有毒。,Maillard反应,Maillard反应： 食品在加热和贮存过程中发生的褐变是由于还原糖（主要是D-葡萄糖）同游离氨基酸或蛋白质链上氨基酸残基的游

15、离氨基发生化学反应引起的，这种反应称为Maillard（美拉德、麦拉德） 反应。,Maillard反应,Maillard反应所需的反应物至少应包括： 含氨基的化合物（一般是氨基酸或蛋白质）、还原糖和少量水。 Maillard反应过程中: *生成可溶和不溶的高聚物等； *褐变初期，紫外线吸收增强，伴随着荧光物质产生； *随着反应的进行，由于有还原酮的生成，因而体系的还原能力上升，滴定酸度也增高（封闭游离的氨基）； *形成的黄色或棕色色素在波长420nm或490nm处有吸收。,Millard反应,Maillard反应的初期阶段：还原糖与胺反应N-葡萄糖基胺；再经Amadori重排1-氨基-1-脱氧

16、-2-酮糖，以无紫外吸收的无色溶液为特征，但溶液的还原能力逐渐增强。 中间阶段： 1-氨基-1-脱氧-2-酮糖在不同pH条件下发生降解。随着反应不断地进行，溶液变成黄色，在近紫外区吸收明显增强，同时还有少量的糖脱水变成HMF（羟甲基糠醛），以及发生键断裂形成-二羰基化合物并开始生成色素。 褐变的终了阶段：由于发生了复杂的醇醛缩合和聚合反应，食品或溶液开始变为红棕色或深褐色，并有明显的焦糖香味和不溶解的胶体状类黑精物质出现，以及少量二氧化碳产生。,葡基胺的Amadori 重排,Amadori 化合物形成类黑精色素的途径,Strecker降解途径： 包括-二羰基化合物和-氨基酸之间的相互作用；是食

17、品中氨基酸受到破坏的重要途径之一。 Strecker反应产生的挥发性产物，如：醛、吡嗪和糖的裂解产物，可以使食品具有香气和风味。,L-缬氨酸与2,3-丁二酮的Stercker 降解反应,Maillard反应对食品品质的影响,有利方面： 褐变产生的颜色及强烈的香气和风味赋予食品特殊的感官品质的风味。 （新关注：褐变产物的抗氧化作用） 不利方面: *营养素的损失，特别是必需氨基酸（如：赖氨酸）损失严重； *产生某些有害物质（如：丙烯酰胺）。,影响Maillard反应的因素,糖的种类及含量： 褐变反应的难易程度：D-木糖D-核糖L-阿拉伯糖己糖（D-半乳糖、D-甘露糖、D-葡萄糖、D-果糖）双糖（麦

18、芽糖、乳糖和蔗糖）；D-果糖（酮糖）反应活性比醛糖弱得多。 氨基酸及其它含氮物种类： 碱性氨基酸易褐变；氨基在-位比-位易褐变；蛋白质褐变速度低于游离氨基酸。,影响Maillard反应的因素,温度： 温度升高10，褐变速度增加35倍；30以上褐变较快； 丙烯酰胺在170左右生成量达最高。 pH： pH值2.03.5时，褐变反应程度与pH值呈反比； pH值在49范围内，随着pH增大褐变转化速率加快； 中等水分含量，当pH为7.89.2时褐变速率最快。,影响Maillard反应的因素,水分含量： 食品在中等水分含量时褐变转化速率最快。,金属离子： 铜或铁等金属离子能促进褐变反应，且Fe3+比Fe2+的作用更强。,Maillard反应在食品加工中的应用,利用Maillard反应： 在面包、糕点、咖啡、红茶、酱油等生产中，利用反应产生各种不同的风味物质。 *原料控制： 核糖+半胱氨酸 核糖+谷胱甘肽 烤猪肉香味 烤牛肉香味 *温度控制：葡萄糖+缬氨酸 木糖+酵母水解蛋白 100150 烤面包香 90 饼干香味 180 巧克力