食品化学课件 碳水化合物

食品化学碳水化合物第三章碳水化合物Chapter3Carbohydrates内容提要•3.1概述•3.2单糖和低聚糖•3.3多糖•3.4食品中的主要多糖•3.5其它多糖目的与要求（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（3）理解碳水化合物的反应（4）掌握水解反应、脱水和热降解反应、褐变反应（5）掌握单糖和寡糖在食品中的功能（6）掌握亲水性、与风味物的结合，褐变产物和食品风味物质的形成、甜味（7）理解多糖在食品中的功能（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。3.1概述碳水化合物是自然界分布广泛、数量最多的有机化合物，是绿色植物光合作用的直接产物。自然界的生物物质中碳水化合物占3/4，从细菌到高等动物都含有糖类化合物。植物体中含量最丰富，约占其干重的85－90％；其次是节肢动物，如昆虫、虾蟹外壳的甲壳质。人类消费的主要食品成分是淀粉，占摄入总热量的75－80％。3.1概述在美国碳水化合物供给46％的热量、脂肪供给42％的热量，而蛋白质供给12％的热量。在我国，传统的膳食习惯是以碳水化合物的食物为主，近年来随着动物蛋白质食物产量逐年增加和食品工业的发展，这一膳食结构发生了一些变化。传统观点认为糖类的作用是只作为支持组织和能量来源。70年代，发现了具有了抗病作用的氨基糖类，使人们认识了碳水化合物的许多新的功能。近年来又发现某些多糖因增进机体免疫功能而具有抑制肿瘤，抗菌解毒等作用而使人们把糖类化合物视为具有重大生物化学意义的物质。3.1概述3.1概述3.1.1糖类的定义•碳水化合物：碳水化合物的分子组成可用Cn(H2O)m通式来表示，故得其名碳水化合物。但后来发现一些化合物，如鼠李糖(C6H12O5)和脱氧核糖（C5H10O4）等，虽不符合上述通式却也属于碳水化合物，而像醋酸（C2H4O2）虽也符合上述通式，但它不属于碳水化合物，所以叫碳水化合物的称谓并不确切，但由于沿用已久，至今仍在广泛使用这一名称。•糖类的定义：一般认为，将碳水化合物称为糖类更为科学合理，根据糖类的化学结构，糖类的定义应是多羟基醛或酮及其衍生物和缩合物。3.1概述3.1.2糖的分类（一）按组成分•单糖(n=1)：丙糖、丁糖、戊糖和己糖；醛糖酮糖•寡糖(低聚糖)(2≤n≤10)：蔗糖、麦芽糖、乳糖、棉子糖和水苏糖•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：antigenpolysaccharide3.1概述3.1.3食品中的糖类化合物谷物、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。3.1概述3.1.3食品中的糖类化合物蔬菜中单糖和蔗糖的含量（%）3.1概述3.1.3食品中的糖类化合物水果中单糖和蔗糖的含量（%）3.1概述3.1.3食品中的糖类化合物食品中碳水化合物的作用（1）提供能量可消化的糖类化合物提供约4000卡/g的热量，它相当于1克蛋白质提供的热量和0.44克脂肪提供的热量。糖类化合物作为能源时具有很大的优点，在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，它与脂肪和蛋白质相比更为经济和丰富。3.1概述3.1.3食品中的糖类化合物食品中碳水化合物的作用（2）提供甜味人类和动物消耗糖类化合物除了需要能量外，同样欣赏低分子量糖（如蔗糖果糖）的甜味。但消耗较多的甜味糖，会引起某些生理变化，例如龋齿增加，于是促使人们寻找安全无热量或甚至不能代谢的甜味剂。3.1概述3.1.3食品中的糖类化合物食品中碳水化合物的作用（3）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。3.1概述3.1.3食品中的糖类化合物食品中碳水化合物的作用（4）维持神经系统的功能与解毒尽管大多数体细胞可由脂肪和蛋白质代替糖作为能源，但脑神经组织需要葡萄糖作为能源，若血、脑中缺葡萄糖可引起不良反应。另外，机体肝糖元丰富则对某些细菌毒素抵抗能力增强，动物实验显示肝糖元不足则对酒精、砷等毒素解毒作用下降。葡萄糖醛酸是葡萄糖的代谢产物，它对某些药物如吗啡，水杨酸，磺胺类药物有解毒作用。3.1概述3.1.3食品中的糖类化合物食品中碳水化合物的作用（5）食品加工中的重要原辅材料在食品加工中，碳水化合物除具有营养价值外，其低分子糖类可作为调味剂，大分子糖类可作为增稠剂和稳定剂。此外，碳水化合物还是食品加工过程中产生香味和色泽的前提物质，对食品的感官品质产生重要作用。3.2单糖与低聚糖3.2.1单糖的结构常见的单糖含有5或6个碳原子，分子式为Ｃn(H2O)m，已知的单糖非常容易从Ｄ－甘油醛导出。单糖的直链状构型的写法，以费歇尔（Fisher）投影式最具代表性：3.2单糖与低聚糖3.2.1单糖的结构按不对称碳原子的特点分为：D-型、L-型。最高编号的手性碳原子上的羟基在右侧为D-型，在左侧为L-型，天然存在的单糖多为D-型。食品中有两种L-糖，分别为L-阿拉伯糖和L-半乳糖。(1)链式结构CCCH2OHHHOHOCCCH2OHOHHHOD－甘油醛L－甘油醛3.2单糖与低聚糖3.2.1单糖的结构按所含羰基的特点可分为：醛糖和酮糖。(1)链式结构CHOCOHCHCOHCOHCH2OHHHHHO葡萄糖CH2OHCOCHCOHCOHCH2OHHHHO果糖3.2单糖与低聚糖3.2.1单糖的结构•单糖中的活泼羰基容易受羟基氧原子亲核攻击生成半缩醛，半缩醛的羟基进一步与醇的羟基反应(缩合)生成缩醛，酮羰基具有相似的反应。•在单糖环状结构中，将五元环称作呋喃环(furanoses)而六元环则称作吡喃环(pyranoses)。(2)环式结构CCOHHCHHOCOHHCHCH2OHCCOHHCHHOCHCOHHCH2OHOHHOHHOOα－D－吡喃葡萄糖α－D－呋喃葡萄糖HCHCOCHCHH2C吡喃HCHCOCHCH呋喃单糖环状结构的书写以哈武斯式（Haworth）最为常见。•α-表示Ｃ１上的氧和Ｃ６的羟基不在同一侧；•β-表示Ｃ１上的氧和Ｃ６的羟基在同一侧。3.2单糖与低聚糖3.2.1单糖的结构(2)环式结构OHOHOHOHCH2OHHOOOHOHOHOHCH2OHα—D—吡喃葡萄糖OOHOHOHOHCH2OHβ—D—吡喃葡萄糖天然存在的糖环实际上并不像哈沃斯表示的投影式平面图，吡喃糖有椅式和船式两种构象，但大多数己糖是以椅式结构存在。3.2单糖与低聚糖3.2.1单糖的结构(3)椅式和船式结构椅式结构船式结构3.2单糖与低聚糖3.2.1单糖的结构(4)典型单糖的结构～OHOHOHOHHHOHCH2OH~OHOHOHHOHHOHCH2OHHD-甘露糖D-葡萄糖~OHOOHHHOHHOHCH2OHHD-半乳糖OHOHCH2OHOHOHHOHHHHD-果糖•糖苷是由单糖或低聚糖的半缩醛羟基和其它物质分子的-OH（醇）、-NH2（胺）或者-SH（硫醇）等基团在酸性条件下发生缩合反应，失水后而得到的化合物，所得产物分别称作O-糖苷、N-糖苷和S-糖苷。•组成：糖残基+糖苷键+配基•糖苷的配基也可以是糖分子，这样就缩合成为双糖、寡糖和多糖等（这种情况下一般不称为糖苷）。3.2单糖与低聚糖3.2.2糖苷(1)基本概念•由于立体构型的不同，糖苷也有α和β两种类型，但自然界存在的糖苷大多数是β-型糖苷。•糖苷具有重要的生理功能，例如毛地黄苷是一种强心剂（增强心肌收缩力）。•有些糖苷具有毒性某些氰糖苷在体内转化为氢氰酸，使人体中毒，如，苦杏仁苷，在酶作用下水解成HCN等（杏、木薯、马利豆等）。•糖苷类物质在食品中的重要性主要体现在风味方面：类黄酮糖苷使食品具有苦味和其它的风味和颜色；甜菊苷是一种甜味剂，但当糖苷配给大于甲基时一般显示涩味和苦味；肌苷、黄苷以及鸟苷的5’-单磷酸盐，他们都是风味增效剂。3.2单糖与低聚糖3.2.2糖苷(2)基本性质•低聚糖是以一个醛糖C1（或酮糖C2)上的半缩醛羟基（-OH）和另一个单糖的羟基脱水而成（形成糖苷键），即低聚糖是单糖以糖苷键结合而成。糖苷键有α-和β-两种构型，结合的位置有1~2、1~3、1~4、1~6等。•低聚糖的命名通常采用系统命名，及用规定的符号D或L和α或β分别表示单糖残基的构型和糖苷键的构型，用阿拉伯数字和箭头（→）表示糖苷键链接的碳原子位置和链接方向。除系统命名外，因为习惯名称使用简单、沿用很久，故目前仍然经常使用，如蔗糖、乳糖、海藻糖和棉子糖等。3.2单糖与低聚糖3.2.3低聚糖的结构(1)基本概念与命名3.2单糖与低聚糖3.2.3低聚糖的结构(2)常见低聚糖的结构OHOHHOHHOHOH～OHOHHOHHOHCH2OHHHOHOHHHOHHOHCH2OHCH2OHHCH2OHOHHHOHOO麦芽糖（α-D-吡喃葡萄糖基-（1→4）-D-吡喃葡萄糖）3.2单糖与低聚糖3.2.3低聚糖的结构(2)常见低聚糖的结构蔗糖（α-D-吡喃葡萄糖基-（1→2）-β-D-呋喃果糖苷）OHOHHHOHHOHCH2OHCH2OHHCH2OHOHHHOHOO3.2单糖与低聚糖3.2.3低聚糖的结构(2)常见低聚糖的结构乳糖（β-D-吡喃半乳糖基-（1→4）-D-吡喃葡萄糖）~OHOOHHHOHHOHCH2OHHOHOHHOHHOHCH2OHHO～OHOHHOHHOHCH2OHHH①甜度定义：甜味是糖的重要性质，甜味的强弱用甜度来表示，但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，其它糖的甜度则与之比较而得到。②甜度比较：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。此外，α型和β型也影响糖的甜度。③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%；5%的葡萄糖溶液的甜度仅为同浓度蔗糖甜度的1/2，但若配成5%葡萄糖与10%蔗糖的混合溶液，甜度则相当于15%的蔗糖溶液。3.2单糖与低聚糖3.2.4单糖及低聚糖的物理性质(1)甜度3.2单糖与低聚糖3.2.4单糖及低聚糖的物理性质(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。①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（-）。②糖的比旋光度：除丙酮糖外，其余单糖分子结构中均含有手性碳原子，故都具有旋光性，因此旋光性是鉴定糖的一个重要指标。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，通常用[α]tλ。③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。3.2单糖与低聚糖3.2.4单糖及低聚糖的物理性质(2)旋光性糖类名称比旋光度D-葡萄糖+52.2°D-果糖-92.4°D-半乳糖+80.2°D-甘露糖+14.2°D-阿拉伯糖-105.0°D-木糖+18.8°L-阿拉伯糖+104.5°3.2单糖与低聚糖3.2.4单糖及低聚糖的物理性质(2)旋光性各种糖在20℃（钠光）时的比旋光度值[α]D20OHOHOHOHCH2OHHOOOHOHOHOHCH2OHα