食品化学-第四章-碳水化合物

第四章碳水化合物重点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；难点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。分类按组成分按功能分单糖低聚糖多糖结构多糖储存多糖抗原多糖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。低聚糖——由2-10个单糖分子缩合而成，水解后生成单糖。多糖——由10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碳水化合物在植物中含量占干重的80%以上如：玉米，蔬菜，水果等单糖及低聚糖主要存在于蔬菜和水果中。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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。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环状结构－端位异构1、单糖（Monosaccharides）糖分子中除了C1外，任何一个手性碳原子具有不同的构型称为差向异构。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己糖构象——己糖可以形成呋喃型和吡喃型环式与开环式相互转换β-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。室温下，以六元环为主。命名3个碳原子：三糖，1个手性碳原子4个碳原子：四糖，2个手性碳原子5个碳原子；五糖，3个手性碳原子6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淀粉水解后得到的二糖具有潜在的游离醛基，是一种还原糖温和的甜味剂—1,4糖苷配基D-葡萄糖D-半乳糖D-葡萄糖β-1,4糖苷配基食品中重要的低聚糖——乳糖牛乳中的还原性二糖发酵过程中转化为乳酸在乳糖酶作用下水解乳糖不耐症发酵乳制品如大多数酸奶和干酪中乳糖含量很少，一些乳糖发酵过程中被转化成乳酸。乳糖在水解成单糖D-葡萄糖和D-半乳糖之后才能作为能量利用。乳糖到达小肠后才被消化，小肠内存在乳糖酶。乳糖促进肠道吸收和钙的保留。乳糖D-葡萄糖+D-半乳糖乳糖酶乳糖不耐症乳糖保留在小肠肠腔内，由于渗透压的作用，乳糖有将液体引向肠腔的趋势，产生腹胀和痉挛。乳糖不耐症随着年龄增大而加重。有两种方法可以克服乳糖酶缺乏的影响，一种方法是通过发酵如在生产酸奶和乳制品时除去乳糖另一种方法是加入乳糖酶减少乳中乳糖。12α-葡萄糖和β-果糖头头相连非还原性二糖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。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。甘蔗与甜菜食品中重要的低聚糖——蔗糖三糖麦芽三糖、甘露三糖、蔗果三糖聚合度为4～10的低聚糖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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功能性低聚糖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。功能性低聚糖的主要功能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21β-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α-Ｄ-葡萄糖通过1,4-糖苷键首尾相连构成。聚合度为6,7,8,分别称为,,环状糊精。N=6N=7N=8环状糊精的立体结构示意图高度对称性圆柱形-OH在外侧，C-H和O在环内侧环的外侧亲水，中间空穴是疏水区域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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，失去水后形成的化合物。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类黄酮糖苷：具有苦味和其它风味和颜色毛地黄苷：强心剂皂角苷：起泡剂和稳定剂甜菊苷：甜味剂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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。产生甜味的基团:-CH2OH-CH2OH-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（α、β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）α－D-葡萄糖0.70（比甜度）β－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（α、β型）葡萄糖::=1:1.71.5倍0℃80℃果糖::=3:7:=7:33倍浓度高，构型多与浓度有关与温度有关与温度无关1、甜度2、溶解度（g/100gH2O）果汁、蜜饯、果脯类食品利用糖作保存剂，需要糖具有高溶解度，具有高的渗透压。在70％以上能抑制霉菌、酵母的生长。均易溶于水，但溶解度不同。温度对溶解过程和溶解速度具有决定性影响。果糖＞蔗糖＞葡萄糖＞乳糖20℃78.9%66.6%46.7%16.1%50℃86.9%72.0%70.9%61.2%3、渗透压——防腐随温度↑，渗透压↑；分子数目越多，渗透压↑渗透压越大对食品保存越有利；不同微生物对渗透压的耐受有差别：酵母50％蔗糖溶液霉菌60％蔗糖溶液细菌80％蔗糖溶液耐高渗酵母、霉菌——蜂蜜也会变坏4、吸湿性和保湿性吸湿性：糖在空气湿度较高情况下吸收水分的性质。表示糖以氢键结合水的数量大小。果糖、转化糖葡萄糖,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）硬糖果——要求吸湿性低（避免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）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。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。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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；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，则吸湿性越小。5、结晶性和抗结晶性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；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溶液浓度越高，分子量越小，冰点降低越多葡萄糖蔗糖淀粉糖浆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粘度与糖的种类：淀粉糖浆﹥蔗﹥萄、果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、抗氧化性——保持水果的风味、颜色和Vc糖溶液中溶氧量小糖本身具有抗氧化性单糖和低聚糖物理性质小结甜度溶解度吸湿性和保湿性结晶性和抗结晶性渗透压冰点降低粘度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1.美拉德反应（MaillardＲeaction)食品中的还原糖与氨基化合物发生缩合、聚合生成类黑色素物质的反应，又称羰氨反应。反应物三要素：氨基化合物、还原糖和水三、单糖和低聚糖化学性质在食品中应用Maillard反应机理（过程）:反应分为三个阶段开始和引发阶段a.氨基和羰基缩合——葡基胺b.Amadori分子重排——醛糖中间阶段c.糖脱水d.糖裂解e.氨基酸降解后期阶段f.醇、醛缩合g.胺-醛缩合——褐色色素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-葡萄糖基胺影响Maillard反应因素糖的种类：戊糖已糖双糖，半乳糖甘露糖葡萄糖果糖，醛糖酮糖氨基酸：胺类氨基酸、肽蛋白质；碱性氨基酸(末端)的氨基易褐变,如赖AA、精AA、组AA。温度：T↑，速度↑，每增加10℃，速度↑3-5倍。30℃以上加快，20℃以下变慢，故低温可防止褐变氧气：室温下氧能促进褐变，氧促进VC、脂肪氧化褐变。水分：10-15%含水量最易褐变，干燥食品，褐变抑制，如冰淇淋粉的含水量＜３％，不易褐变。pH：pH3时，pH↑，速度↑，pH=7.8-9.2，速度↑pH≤6,速度增加慢。金属：催化Maillard反应，速度↑（Fe3+,Fe2+）亚硫酸盐：阻止生成薛夫氏碱，Ｎ－葡萄糖基胺抑制Maillard反应的方法稀释或降低水分含量降低pH降低温度除去一种作用物加入葡萄糖转化酶，除去糖，减少褐变色素形成早期加入还原剂（如亚硫酸盐），可起到脱色效果。利用Maillard反应调制感官质量控制原材料：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种香气美拉德反应对食品的影响色泽——希望和不希望风味——美拉德反应产品能产生牛奶巧克力的风味。当还原糖与牛