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第一章碳水化合物Carbohydrates本章主要内容一、概述（定义、分类及功能）二、单糖（重点讲述）（一）结构（构型和构象）（二）化学性质三、糖苷四、二糖（简述）五、多糖（简述）Cn(H2O)m——碳水化合物（Carbohydrates）并非所有的糖的组成都符合上述通式一、糖的化学组成与定义糖类化合物——多羟基的醛或多羟基酮及其缩聚物、衍生物的总称。二、糖的分类（Classifications）1.单糖（monosaccharide）及其衍生物：所谓单糖，即不能再被简单地水解成为更小的糖分子的糖。2.寡糖（oligosaccharide）也称低聚糖，一般可看作是由两个到十个左右的单糖失水而成的糖类。如蔗糖是一个寡糖（双糖），水解后，得到一分子果糖和一分子葡萄糖。3.多糖（polysaccharide）：多糖可以看作是十个以上甚至几百、几千个单糖失水而成的糖类。如淀粉水解，得到几百或几千个葡萄糖分子。三、糖类的生物学意义1、分布：糖原、葡萄糖、含糖生物分子2、功能：构成细胞结构和储藏物质1）作为能源物质：提供的能量占总能量的65%，分为快速释放型和缓慢释放型2）作为结构成分3）参与构成活性物质4）作为合成其他生物分子的碳源四、食品原料中的碳水化合物1、食品原料中的碳水化合物根据是否可溶于水，分为水溶性和水不溶性的。一般来说，游离的单糖和寡糖是水溶性的，而多糖水溶性较差，甚至不溶。2、淀粉在水溶液中的溶解性很小，它对食品的甜味没有贡献，只有水解成低聚糖或葡萄糖才对食品的甜味有贡献。糖淀粉的转化水果这种后熟现象和谷粒、块茎及根中的糖转化成淀粉的过程正好相反。大多数植物源食物中只含有少量的游离糖，通常食用的谷物也只含有少量的游离糖，大部分游离糖输送至种子中并转变为淀粉。五、碳水化合物和食品质量1、碳水化合物是人类营养的基本物质之一。2、具有游离的醛基或酮基的还原糖在热作用下可与食品中的其他成分形成一定的色泽。3、游离糖本身有甜度，对食品的口感有重要作用。4、食品的黏弹性也与碳水化合物有很大关系5、食品中含有膳食纤维6、某些多糖或寡糖具有特定的生理功能，是保健食品的主要活性成分1.单糖的开链结构六、单糖的结构单糖的结构1.在同一分子中含有羟基和羰基是糖的基本结构特征，这是糖的物理性质以及化学性质的结构基础比如：糖可以发生氧化还原反应亲核加成反应成醚和酯化反应等2.绝大多数具有一个或一个以上的手性中心，这也是糖的生命功能的重要结构基础•手性碳原子：人们将连有四个不同基团的碳原子形象地称为手性碳原子。•判定方法：•1、手性碳原子一定是饱和碳原子；•2、手性碳原子所连接的四个基团要是不同的。构型：是指一个分子由于分子内各原子特有的固定空间排列顺序，而是该分子具有的特定的立体化学形式，任何分子的构型发生改变，都必须通过共价键的断裂和再形成而实现。单糖的构型构型的划分：D型，L型D——相距醛(酮)基最远的手性碳上的羟基处在右边L——相距醛(酮)基最远的手性碳上的羟基处在左边单糖的构型常用Fischer投影式表示糖的结构：HOHCHOCH2OHHOHCHOCH2OHL-glyceraldehydeD-glyceraldehydemirrorCOCH2OHCH2OHdihydroxyacetoneFischerprojectionformulas123123L-甘油醛D-甘油醛二羟基丙酮糖一般使用俗名，采用D-和L-表示构型异构。糖常可用下列几种方法表示，(i)为糖的Fischer投影式，(ii)将手性碳上的氢省略(iii)将手性碳上的氢与羟基均省略复习：醛与醇、亚硫酸钠的加成(无水)(无水)不稳定稳定2.糖的环状结构和变旋现象实验事实：（1）葡萄糖不能发生醛的NaHSO3加成反应；（2）葡萄糖不能和醛一样与两分子的醇形成缩醛，只能与一分子的醇反应；（3）变旋现象用糖的环状结构可以解释上述事实。环状结构的形成CHOCH2OHOHOHHOOHD-(+)-glucoseCHOH2CHOOHOHOHOHCH2OHOHOHOHOHOHHOH2COHOHOHOHOHABABOOHOHOHOHCH2OHOOHOHOHOHCH2OH-D-(+)-glucopyranose-D-(+)-glucopyranose顺转90碳链卷曲C4-C5旋转120FischerprojectionHaworthperspective455455455444HOH2COHOHOHOHOHHaworth式的书写规律标记碳号，C链按顺时针排列。Fischer式中在垂直碳链右边的羟基，在Haworth式中则向下；Fischer式中在垂直碳链左边的羟基，在Haworth式中则向上；碳链卷曲，C5旋转120°a-forms——半缩醛羟基与决定糖构型的碳原子（C5）上的CH2OH处在碳链的异侧b-forms——半缩醛羟基与决定糖构型的碳原子（C5）上的CH2OH处在碳链的同侧。环状结构的表示方法（例子）CHOHCH2OHOHOHHOOOOHCH2OHOHOOHCH2OHOHOHCH2OHCH2OHOHOHOCH2OHOHCH2OHOHOHOD-Frucose-D-frucopyranose-D-frucopyranose-D-frucofuranose-D-frucofuranose24565522OHOHHOOH变旋现象——一种构型的糖其旋光度在溶液中会发生改变，最终达到一恒定值的现象。其化学本质是——一种环状结构可通过开链结构转变为另一种环状结构。3.构象（Conformation）在葡萄糖的变旋现象中，为什么最终得到的平衡产物中，β-构型为主要成分呢？OHOHOOHOHOHOHOHOOHOHOH-D-glucopyranose-D-glucopyranoseMorestable吡喃糖椅式构象中，取代基(OH,CH2OH等)占平键位置越多，其构象越稳定。•1、与酸反应•戊糖与强酸共热，可脱水生成糠醛。•莫利西试验：鉴定糖的存在。•西利万诺夫试验：鉴别酮糖和醛糖七、单糖的化学性质2、酯化反应单糖可以看作多元醇，可与酸作用生成酯。3、在碱性条件下异构OHHHCOCHCOHOHCHHOHCOCOCCH2OHD-果糖D-葡萄糖1,2-烯醇式葡萄糖D-甘露糖Ba(OH)24、氧化反应(Oxidation)1)斐林试剂、土伦试剂反应对象：醛糖和酮糖都可以发生斐林试剂:Cu2O↓,测定单糖的含量土伦试剂:Ag↓应用①鉴定糖的还原性；②血液及尿液中葡萄糖含量测定。CHOCOOH+CCOHOCCOOOO+还原糖与非还原糖还原糖——是指任何一种分子中含醛基或在溶液中能通过异构化产生醛基的糖。非还原糖——不能还原斐林试剂或托伦斯试剂的糖。蔗糖是非还原糖。2）Br2-H2O（弱氧化剂）CHOCH2OHOHOHHOOHCOOHCH2OHOHOHHOOHOOHOHOHCH2OHOOHOHOCH2OHHOOpH=5H+,Br2-H2O-lactone-lactone(morestable)在弱氧化剂的作用下形成糖酸，若氧化剂Br2-H2O不能使酮糖氧化，因此，可将酮糖和醛糖区分开来。3）HNO3（强氧化剂）CHOCH2OHOHOHCOOHCOOHOHOHHNO3稀在较强氧化剂的作用下，除醛基被氧化外，伯醇基也被氧化成羧酸，生成葡萄糖二酸。4）生物氧化剂某些醛糖在特定的脱氢酶的作用下可以只氧化它的伯醇基成羧基，形成糖醛酸。注：1）斐林试剂（弱氧化剂）用于测定单糖的含量2）斐林试剂和土伦试剂用于鉴定还原糖3）溴水、西里万诺夫实验用于鉴别醛糖和酮糖4）莫利西实验鉴定糖的存在5）糖脎鉴定各种不同的糖反应条件:①H2/Ni②NaBH4(硼氢化钠)5、还原反应(Reduction)葡萄糖果糖甘露糖醇葡萄糖醇注：酮糖被还原成两个同分异构体的羟基醇6、脎的形成(OsazoneFormation)应用：1）分离提纯的好方法（晶形好，易提纯）。2）鉴别糖的类型（有特定的熔点）。3）研究糖的构型（C-2差向异构体及互变异构体形成相同的脎）。CHOCH2OHOHOHHOOHD-glucoseCH2OHCH2OHOHOHHOOD-frucoseCHOCH2OHOHOHHOHOD-mannoseC-2EpimersHCCH2OHOHOHHONNHPhNNHPhosazoneofD-glucose/orD-frucose/orD-mannose+PhNH2+NH3+2H2O3PhNHNH2醛可以与二分子醇在酸如HCl作用下形成缩醛，单糖的环状半缩醛结构也能与一分子醇形成缩醛，称糖苷。环状半缩醛结构有α-和β-两种异构体，故糖苷也有相应的异构体，如D-葡萄糖与甲醇反应生成甲基糖苷:7、糖苷的形成（FormationofGlycoside）半缩醛羟基配糖体糖苷苷键还原糖与非还原糖还原糖——是指任何一种分子中含醛基或在溶液中能通过异构化产生醛基的糖。非还原糖——不能还原斐林试剂或托伦斯试剂的糖。蔗糖是非还原糖。•1、配糖体为单糖，就形成二糖。•2、苷是缩醛，水解后分解为糖和配糖体。•3、苷很稳定，不易被氧化，也无变旋现象，对碱稳定，遇酸易水解。•4、糖苷不与苯肼反应。•5、所有的单糖，不论醛糖、酮糖都是还原糖。大部分双糖也是还原糖，判断依据是看羰基碳（半缩醛羟基）有没有全部参与形成糖苷键，如果没有全部参与则属于还原糖。糖苷的物理化学性质性质单糖糖苷稳定性稳定更稳定变旋现象有无还原性有无成脎有无酸或酶水解无单糖+苷元糖苷水解:糖苷元练习思考题•练习：•1、2分子α-D-葡萄糖通过1,4糖苷键形成麦芽糖•2、1分子α-D-葡萄糖与1分子β-D-果糖通过1,2糖苷键形成蔗糖•思考题：•麦芽糖和蔗糖是否有还原性，原因？8、非酶褐变主要是碳水化合物在热的作用下发生的一系列化学反应，产生了大量的有色成分和无色成分、挥发性和非挥发性成分。因反应的结果使食品产生了褐色，故将这类反应系统称为非酶褐变反应(一)非酶褐变的类型及历程•美拉德反应在食品中是产生色泽和香气的重要来源。•焙烤食品的红褐色、烤肉的棕红色、松花蛋的褐色、啤酒的黄色、酱类的褐色等均来自美拉德反应。1.美拉德反应及其反应历程美拉德反应（羰氨反应）概念：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⑴概念：糖类在没有含氨基化合物存在时加热到熔点以上，也会变为黑褐的色素物质，这种作用称为焦糖化作用⑵产物包括焦糖(caramel)和聚合产生的黑色素即焦糖色素。2.焦糖化褐变及其反应历程①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起泡持续失水(二次起泡55min)继续加热进一步脱水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。2.焦糖化褐变及其反应历程(二)非酶褐变对食品的影响•1、对食品色泽的影响：其反应中可产生两大类对食品色泽有影响的成分：①低分子量的有色物质，相对分子质量低于1000的水可溶的小分子②分子量可达10万的水不可溶的大分子高聚物(具体情况如书)•2、对食品风味的影响：其反应过程中的中间产物及终产物对食品的风味有重要作用。高温条件下，糖类脱水后，碳链裂解、异构及氧化还原反应可产生一些化学物质，如乙酰丙酸、甲酸等；反应过程中产生的二羰基化合物，可促进很多成分的变化，如氨基酸在二羰基化合物作用下脱氨脱羧，产生大量的醛类；非酶褐变反应可产生需宜或非需宜的风味3、非酶褐变产物的抗氧化作用：食品褐变反应过程中生成醛、酮等还原物质，它们有一定的抗氧化能力，尤其是防止食品中油脂的氧化作用较为显著4、降低了食品的营养性：有些营养损失；有些营养成分变得不易消化。其营养价值下降的主要表现有①氨基酸的损失②糖及Vc等损失③食品中矿质元素的生物有效性下降5、非酶褐变产生有害成分：其中杂环胺物质能引起突变和致畸；D-糖胺可以损伤DNA；