食品化学-碳水化合物

第三章碳水化合物第一节概述第二节单糖、低聚糖的理化性质第三节多糖第四节淀粉的性质特征第五节碳水化合物及食品安全性Carbohydrates目的与要求（1）掌握碳水化合物的分类及食品中的碳水化合物（2）了解碳水化合物的结构，理解碳水化合物的反应（3）了解水解反应、脱水和热降解反应、褐变反应（4）理解多糖，特别是膳食纤维在食品中的功能（8）理解多糖的结构与功能性质之间的关系（9）了解淀粉、纤维素和果胶的性质。第一节概述Introduction一、碳水化合物的一般概念碳水化合物（Cn(H2O)m）多羟基醛或酮及其衍生物和缩合物（一）按组成分单糖(n=1)：丙糖、丁糖、戊糖和己糖；葡萄糖、果糖寡糖(低聚糖)(2≤n≤10)：蔗糖、麦芽糖、乳糖、多糖(n＞10）：均多糖：淀粉、纤维素；杂多糖：果胶糖类的衍生物：糖苷、糖醇、糖酸、糖胺、氨基糖、糖蛋白和糖脂质（二）按功能分结构多糖：纤维素、糖蛋白、糖脂等贮存多糖：淀粉、糖原抗原多糖：antigenpolysaccharide特例：鼠李糖C6H12O5脱氧核糖C5H10O4二、食品中碳水化合物的作用提供80%能量。4000卡/g1g糖类≈1克蛋白质=0.44克脂肪。优点：正常条件下它能促进脂肪的利用，从而减少脂肪积累避免肥胖症，它能促使蛋白质补充组织，与脂肪和蛋白质相比更为经济和丰富。构成机体。糖类是构成机体的重要物质，并参与细胞的许多生命活动，例如糖脂是细胞膜与神经组织的组成成分；糖蛋白是一些具有重要生理功能的物质如某些抗体、酶和激素的组成部分。核糖和脱氧核糖是核酸的重要组成成分。维持神经系统的功能与解毒。有利于肠道蠕动，促进消化（如纤维素被称为膳食纤维，低聚糖可促小孩肠道双歧杆菌生长，促消化）甜味剂、保藏剂、稳定剂、增稠剂、胶凝剂等谷物、蔬菜、水果和可供食用的其它植物都含有糖类化合物。食品中常见的单糖是葡萄糖、低聚糖是蔗糖、乳糖、麦芽糖和棉子糖，多糖是淀粉、纤维素、果胶。①甜度定义：甜度只是一个相对值，即通常以蔗糖作为基准物，一般以10%或15%的蔗糖水溶液在20℃时的甜度为1.0。糖的甜度高低与糖的分子结构、相对分子质量、分子存在状态及外界因素有关。一般分子质量越大、溶解度越小，则甜度越小。②甜度的协同增效：不同种类的糖混合时，对其甜度有协同增效作用，例如蔗糖与果葡糖浆结合使用时，可使其甜度增加20%~30%；一、单糖及低聚糖的物理性质(1)甜度第二节单糖、低聚糖的理化性质(1)甜度糖类名称比甜度蔗糖1.0β-D-果糖1.5α-D-葡萄糖0.7α-D-甘露糖0.6α-D-半乳糖0.3α-D-木糖0.5一些单糖的比甜度果糖的甜度在天然存在的糖中最高；三氯蔗糖，是迄今为止人类开发的一种甜度最高的甜味剂，其甜度比蔗糖高出600倍。一、单糖及低聚糖的物理性质旋光性定义：旋光性（rotation）是指一种物质使直线偏振光的振动平面发生向左或向右旋转的特性，其旋光方向以不同的符号表示，即右旋为D或（+），左旋为L或（-）。变旋现象：糖刚溶解于水中，其比旋光度是处于动态变化中的，但到一定时间后就趋于稳定，此种现象称为变旋现象（Mutarotation）。因此，在测定糖的旋光度时，必须使其溶液静置一段时间后（24h）再行测定。(2)旋光性OOHOHOHOHCH2OH—D—吡喃葡萄糖OOHOHOHOHCH2OH变旋糖的比旋光度是指1mL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①单糖分子中具有多个羟基(-OH)使它能溶于水，尤其是热水，但不能溶于乙醚、丙酮等有机溶剂。在同一温度下，各种单糖的溶解度不同，其中果糖的溶解度最大，其次是葡萄糖。②温度对溶解过程和溶解速度具有决定性影响，一般随温度升高，溶解度增大。③糖的溶解度大小与其水溶液的渗透压密切相关，在一定浓度下，随着浓度增加，其渗透压也增大。对果酱、蜜饯类食品，是利用高浓度糖的保存性质（渗透压），这需要糖具有高溶解度。(3)溶解性20℃30℃40℃50℃糖类———————————————————————————————————浓度溶解度浓度溶解度浓度溶解度浓度溶解度（%）（g/100g水）（%）（g/100g水）（%）（g/100g水）（%）（g/100g水）果糖78.94374.7881.54441.7084.34538.6386.94665.58葡萄糖46.7187.6754.64120.4661.89162.3870.91243.76两种单糖的溶解度比较(4)吸湿性、保湿性和结晶性①吸湿性与保湿性：吸湿性是指糖在空气湿度较高的情况下吸收水分的性质；保湿性是指糖在空气湿度较低条件下保持水分的性质。不同的糖吸湿性不一样，在所有糖中，果糖的吸湿性大于葡萄糖；而葡萄糖的保湿性大于果糖。②结晶性：蔗糖与葡萄糖易结晶，但蔗糖晶体粗大，葡萄糖晶体细小；果糖较难结晶。例如：当饱和蔗糖溶液由于水分蒸发后，形成了过饱和的溶液，此时在温度聚变或有晶种存在情况下，蔗糖分子会整齐地排列在一起重新结晶，利用这个特性可以制造冰糖。•面包、糕点、软糖应选吸湿性大的果糖或果葡糖浆。•硬糖、酥糖及酥性饼干应选吸湿性小的葡萄糖。(5)黏度①一般来说，糖的黏度是随着温度的升高而下降，但葡萄糖的黏度则随温度的升高而增大；单糖的黏度比蔗糖低，低聚糖的黏度多数比蔗糖高；淀粉糖浆的黏度随转化程度增大而降低。如：在一定黏度范围，可使由糖浆熬煮而成的糖膏具有可塑性，以适合糖果工艺中的拉条和成型的需要。(6)渗透压概念：用半透膜把两种不同浓度的溶液隔开时发生渗透现象，到达平衡时半透膜两侧溶液产生的位能差。相同质量分数时，M越小，分子数越多，则渗透压大。例子：果酱，蜜饯，水果糖渍品。(7)冰点降低及抗氧化性①冰点降低的程度取决于分子量。溶液浓度大，M越小，冰点降低得多。例如：生产雪糕类，混用淀粉糖浆和蔗糖，使冰点降低小，节约电能，冰粒细腻，黏稠度高，口感好。②具有抗氧化性，保持水果的风味、颜色和VC。CCCH2OHHHOHOCCCH2OHOHHHOD－甘油醛L－甘油醛二、单糖、低聚糖的结构及化学性质1、单糖、低聚糖的结构醛糖酮糖天然存在的单糖多为D-型。•简单的单糖和大多数低聚糖分子中都具有羰基C=O和羟基-OH，因此具有醇羟基的成酯、成醚、成缩醛等反应和羰基的一些加成反应等，另外还有一些特殊的化学反应。•本节主要介绍几种与食品相关而且比较重要的反应，主要包括：（1）美拉德反应；（2）焦糖化反应（3）与碱的作用；（4）与酸的作用（5）糖的氧化还原反应2、单糖、低聚糖的化学性质①概述：美拉德反应（maillardreaction）又称羰氨反应，即指羰基与氨基经缩合，聚合形成类黑色素的反应。由于此反应最初是有法国生物化学家美拉德与1912年发现，故以他的姓氏命名。美拉德反应的最终产物是结构复杂的有色物质，使反应体系的颜色加深，所以该反应又称“褐变反应”。这种褐变反应不是由酶引起的，故属于非酶褐变反应。反应历程：（复杂，不做要求）美拉德反应包含了较多的反应，目前较公认的是：羰氨缩合→分子重排→果糖基胺脱水、脱胺→二羰基化合物作用→产生不稳定的饱和醛、黑色素等。(1)美拉德反应褐变反应食品原料含羰基（糖或油脂氧化酸败产生的醛和酮）+氨基（蛋白质），因此都可能发生美拉德反应。美拉德反应历程A、初始阶段N-葡萄糖基胺的形成分子重排在稀酸条件下，羰胺缩合产物易水解；亚硫酸根可与醛形成加成化合物，可阻止N-葡萄糖基胺的生成薛夫碱环N-葡萄糖基胺美拉德反应历程B、中间阶段果糖基胺的进一步反应可能有两条：脱水形成羟甲基糠醛HMF的积累与褐变速度有很大的关系，因此通过测定HMF可预测褐变速度。HMF美拉德反应历程B、中间阶段果糖基胺脱去胺残基重排生成二羰基化合物2,3烯醇化-RNH2二羰基化合物二羰基化合物是非常活泼的中间产物，它可以进行以下作用：进一步脱水后与胺类缩合，生成褐色大分子；也可裂解成较小的分子，促使氨基酸脱羧、脱氨，生成少一个碳的醛（这就是斯特勒克Strecker降解作用），对食品品质影响很大。Strecker降解示意图美拉德反应历程C、终了阶段醇醛缩合物的产生黑色素的产生含羰基的中间产物随机聚合，在连续不断的醇醛缩合反应后，在有氨基酸或蛋白质的参与下，聚合成黑色素。+醇醛缩合物不稳定的醛美拉德反应的影响因素羰基化合物的影响：存在羰基就可能发生；醛类酮类，分子量大，反应速度越低；VC具有强的还原能力，易褐变。氨基化合物的影响：碱性氨基酸中性或酸性氨基酸pH的影响：酸、碱中均可发生。反应速度随pH的升高而增大，因此降低pH可控制褐变。如高酸食品，泡菜水分含量：水分在10%-15%时，褐变易进行温度的影响：30℃以上较快，20℃以下较慢金属离子的影响：Fe3+和铜离子促进酮类氧化，Ca2+、Mn2+和Sn2+可抑制，Na+没影响空气的影响：真空或充入惰性气体①概述：糖类尤其是单糖在没有氨基化合物存在的情况下，加热到熔点以上的高温下(一般是140℃~170℃以上)，因发生脱水与降解，也会发生褐变反应，这种反应称为焦糖化反应，又称卡拉蜜尔作用。各单糖因熔点不同，其反应速度也不同，葡萄糖的熔点为146℃，果糖为95℃，麦芽糖为103℃。因此，果糖引起焦糖化反应最快。焦糖化反应在酸、碱条件下均可进行，但速度不同，如在pH8时要比pH5.9时快10倍。(2)焦糖化反应蔗糖异蔗糖酐焦糖酐C24H36O18焦糖烯C36H50O25焦糖的形成过程(以蔗糖为例)：-H2O-4H2O-nH2O焦糖素C125H188O80焦糖色素是人类使用历史最悠久的食用色素之一，也是目前人们使用的食品添加剂中用量最大、最受欢迎的一种。OHCH2OHHOHHCH2OHOHHHOHOHHHCH2OHOO-8H2O2分子间3分子间14分子间(3)与碱的作用在碱性溶液中不稳定，易发生异构化和分解等反应(4)与酸的作用西利万诺夫试验（Sellwaneffs’stest）糖和强酸共热则脱水生成糠醛。间苯二酚加盐酸遇酮糖呈红色，而遇醛糖则是很浅的颜色，这种反应称为西利万诺夫试验（Sellwaneffs’stest），可用于鉴别酮糖与醛糖。(5)糖的氧化与还原反应单糖含有游离羰基-C=O或醛基-CHO，而酮基在稀碱溶液中能转化为醛基，因此单糖具有醛的通性，即可被氧化成酸又可被还原为醇。糖的氧化反应：1）碱性氧化。土伦试剂，有效成分银氨溶液（产生眼镜）；斐林试剂，新配制的氢氧化铜。Cu2O砖红色沉淀。斐林试剂常用于鉴定可溶性的还原性糖的存在。2）酸性氧化。如溴水氧化。溴水能氧化醛糖，生成糖酸，酮糖不能被溴水氧化，可用此反应来区别醛糖和酮糖。糖的还原反应：单糖分子中的醛或酮也能被还原生成多元醇，常用的还原剂有钠汞齐和四氢硼钠。如，D-葡萄糖还原成山梨醇，木糖还原成木糖醇，D-果糖还原成甘露醇和山梨醇的混合物。山梨醇、甘露醇等多元醇存在于植物中，山梨醇无毒，有轻微的甜味和吸湿性，甜度为蔗糖的50%，可用作食品、化妆品和药物的保湿剂。木糖醇的甜度为蔗糖的70%，可以替代蔗糖作为糖尿病患者的甜味剂。3、功能性低聚糖的生理功能1、促使双歧杆菌增殖，控制病原茵的生长繁殖。（婴儿）2、减少有毒发酵产物及有害细菌酶的作用。（氨、胺、亚硝胺、苯酚、甲苯酚、吲哚、3—甲基吲哚、雌性激素、次级胆汁酸、糖苷配基等）3、降低血清胆固醇。每天摄人6－12g功能性低聚糖持续2周至3个月，总血清胆固醇可减低20-50dl4、预防治疗便秘和腹泻。每天摄入3—10g功能性低聚糖，一周以内就可起到防止便秘的效果。6、保护肝脏功能。摄入功能性低聚糖后，肠道内增殖的双歧杆菌能抑制有害细菌的生长、代谢，从而减少有毒代谢产物的生成，减轻肝脏分解毒素的负担。7、增强免疫功能，具防癌、抗癌作用。双歧杆菌还可抑制肠道内有害细菌的生长．分解致癌代谢产物(吲哚、胺、酚等)。8、生成营养物质。双歧杆菌在肠道内能自然合成VB1、VB2、VB12、烟酸和叶酸供人体利用。第三节多糖Polysaccharides一、概述是