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1、碳水化合物,化学系 红河学院理学院,红河学院,Honghe University,平台选修课程：食品化学,Food Chemistry,碳水化合物是人和动物主要供能物质，是构成食品的主要成分； 低分子糖类可作为甜味剂； 大分子糖类物质能形成凝胶、糊或作为增稠剂、稳定剂； 碳水化合物还是食品在加工过程中产生香味和色素的前体。,碳水化合物是食品的重要成分，它广泛存在于绿色植物，占植物体干重的5080,4.1 概述,4.1.1 食品中碳水化合物的作用,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

2、。,4.1.2 碳水化合物的分类（根据水解程度）,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（、型）也影响糖的甜度。,4.2 单糖,单糖可分为三碳糖、四碳糖、戊糖、己糖等。 醛糖和酮糖（按羰基特点分）,4.2.1 单糖的物理性质,1、甜度,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）,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.

3、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。,2、旋光性,温度对溶解过程和溶解速度具有决定性影响,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 71 42 77 55 80 90 果糖含量较高的果葡糖浆，其保存性能较好。,3、溶解度（g/100gH2O）,糖的特征之一是能形成结晶，糖溶液越纯越易结晶。,吸湿性：指糖在空气湿度较高的情况下吸收水分的性质。 保温性：指糖在空

4、气湿度较低条件下保持水分的性质。果糖的吸湿性最强,4、吸湿性和保湿性,5、结晶性,酵母菌可以是葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、甘露糖等发酵产生酒精，同时产生二氧化碳，这是酿酒生产及面包疏松的基础。,果糖和果葡糖浆具有高渗透压特性，可用于防腐。,一般酵母发酵糖的速度：葡萄糖果糖蔗糖麦芽糖 乳酸菌除可发酵上述单糖还可发酵乳糖产生乳酸。 大多数低聚糖不能被酵母菌和乳酸菌直接发酵。,6、渗透压,7、发酵性,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 。 非酶褐变反应 美拉德反应（Maillard reaction） 焦糖化反应（Phenomena of Carameliz

5、ation ）,4.2.2 单糖的化学反应,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。,1、美拉德反应,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,生成了羟甲基糠醛（HMF）,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。,缩合与聚合生成 类黑素和风味物质,美拉德反应过程,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

6、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。,美拉德反应的条件、生成物和特点,羰基化合物的结构、种类及含量 1.、不饱和醛双羰基化合物酮 2.五碳糖（核糖阿拉伯糖木糖）六碳糖（半乳糖甘露糖葡萄糖）五碳糖的褐变是六碳糖的10倍 3.单糖双糖（如蔗糖，分子比较大，反应缓慢） 4.还原糖含量与褐变成正比 氨基酸及其它含氨物种类(肽类、蛋白质、胺类) 1.胺类氨基酸 2.含S-S，SH不易褐变 3.有吲哚，苯环易褐变 4.碱性氨基酸易褐变 5.氨基在-位或在末端者，比-

7、位易褐变,影响美拉德反应的因素,pH值 pH3-9范围内，随着pH上升，褐变上升 pH3时，褐变反应程度较轻微 pH在7.8-9.2范围内，褐变较严重 水分含量 1015%(H2O)时，褐变易进行 完全干燥的条件下，多数褐变难进行 水分含量超过5%时，脂肪氧化加快，褐变加快,温度 若t10，则褐变速度差v相差35倍。 食品加工应尽量避免长时间高温，储藏也以低温为宜 金属离子 Fe(Fe+3 Fe+2)和Cu促进美拉德反应 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。Mn2和Sn2可抑制美拉德反应。 空气 空气的存在会影响美拉德反应。真空或充入氮气降低脂肪的氧化反应及羰

8、基化合物的生成。,不利方面： a.营养损失，特别是必需氨基酸损失严重 b.产生某些致癌物质 c.对某些食品，褐变反应导致的颜色变化影响质量。 有利方面： 褐变产生深颜色及强烈的香气和风味，赋予食品特殊气味和风味。,美拉德反应对食品品质的影响,抑制maillard反应 注意选择原料：选氨基酸、还原糖含量少的品种。 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：如高酸食品如泡菜就不易褐变。 降低温度：低温贮藏。 除去一种作用物：一般除去糖可减少褐变。 加入亚硫酸盐或酸式亚硫酸盐 钙可抑制褐变。,美拉德反应在食品加工中的应用,利用 控制原材料

9、：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,概念：无氨基化合物存在的提条件下，将糖类化合物加热到其熔点以上，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。 缩合或聚合: 裂解 挥发性的醛、酮 缩合或聚合 深色物质,2、焦糖化反应,无水或浓溶液，温度150-200。 催化剂的

10、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。 pH8比pH5.9时快10倍。 不同糖反应速度不同，例如果糖大于葡 萄糖（熔点的不同）。,焦糖化反应条件,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 35 min起泡,二次起泡55 min,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。,蔗糖形成焦糖的过程,焦糖是一种黑褐色胶态物质 等电点在pH3.0-6.9,甚

11、至低于pH3 粘度100-3000cp,焦糖色素的性质,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,工业上生成焦糖色素的方法,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,4.3 低聚糖,4.3.1 食品中低聚糖的作用,4.3.2 食品

12、中重要的低聚糖,双糖 均溶于水，有甜味、族光性，可结晶。,其它低聚糖 棉子糖 低聚果糖 低聚木糖 异麦芽酮糖 环状糊精,4.3.3 人工合成的低聚糖（环状糊精）,概念：是一种人工合成的低聚糖，它又名沙丁格糊精（schardinger-dextrin），是由D葡萄糖残基以1，4糖苷键连接而成的环状低聚糖，聚合度有6，7，8三种，分别称为环状糊精。,结构：,与胶体微粒相比，在结构上环状糊精对物质的吸附能力明显要高的多，并且还能作为复杂酶的基质被应用。由于环状糊精结构上的特性，在食品保藏上：,1、可用来保香、保色、减少维生素损失； 2、对油脂起乳化作用，对易氧化和易光解的物质起保护作用，如萜稀类香料

13、和天然色素易挥发和光解，若添加环状糊精进行包接，则可起到保护作用； 3、环状糊精还可去苦味和异味，如对柑桔罐头中橙皮苷的抑制等。,环状糊精的作用,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。,4.4 食品中重要的多糖及其作用,4.4.1 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

14、子桥联、缠结或 共价键形成连结 区,4、生理活性 膳食纤维-植物多糖 真菌多糖 ：提高人体免疫力,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。,5、多糖的水解 酶促水解、酸、碱催化下的水解。,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。 未糊化前，淀粉分子间以氢键结合，成放射状微晶束形式。,4.4.2 淀粉,淀粉的特性,直链淀粉：由D-吡喃

15、葡萄糖通过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-1，4和-l，6两种糖苷键连接起来的带分枝的复杂大分子,1,4,淀粉的结构,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）。,淀粉的性质,几个概念 -淀粉：具有胶束结构的生淀粉称为-淀粉。 -淀粉：指经糊化的淀粉。 膨润现象：-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

16、象。,-淀粉 膨润现象 -淀粉,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。,-淀粉,-淀粉,氢键,H2O,本质是微观结构从有序转变成无序。,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：直链淀粉小于支链淀粉

17、。 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pH4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。,淀粉的老化,老化：-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。 实质是糊化的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

18、化。 60 或 -20 ，不易发生老化。 含水量:含水量3060%，易老化。 含水量过低（10%）或过高，均不易老化。 pH值：在偏酸（pH 4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 n 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。,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,果胶物质,主链是150500个-D-吡喃半乳糖醛酸基通过 1，4糖苷键连接而成的。 部分羧基被甲酯化。,果胶物质,-L-鼠李吡喃糖基,半乳糖、阿拉伯糖,果胶物质的分类,酯化度（DE