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模块一糖在食品加工中的应用江苏食品职业技术学院食品工程系“糖”和“碳水化合物”是什么关系呢？一、糖的概念1.1概述1、糖与碳水化合物的关系过去把糖类叫做碳水化合物，因为当时发现它们的组成符合通式Cm(H2O)n如：葡萄糖C6H12O6实际上，糖类中的氢、氧原子的个数比并不都是2:1，也不以水分子的形式存在如：鼠李糖C6H12O5脱氧核糖C5H10O4另，有些符合Cm(H2O)n通式的物质不是碳水化合物如：甲醛CH2O乙酸C2H4O22、糖的概念糖主要由碳、氢、氧三种元素构成，是一类多羟基醛、多羟基酮或是它们的缩聚物或衍生物。如：甘油醛二羟基丙酮单糖具有1个自由醛基或酮基，以及两个以上羟基的糖类物质。醛糖：含醛基的单糖酮糖：含酮基的单糖。不能被水解。葡萄糖低聚糖（寡糖）由2-10个单糖通过糖苷键连接形成的直链或支链的低度聚合糖类。依据水解后生成的单糖分子数目，分为二糖、三糖、四糖、五糖等。二糖最为常见，如：蔗糖、麦芽糖、乳糖。多糖同聚多糖：由一种单糖分子缩合而成的多糖，叫做同聚多糖。常见有：淀粉、糖原、纤维素等。杂聚多糖：有不同的单糖分子缩合而成的多糖，叫做杂聚多糖。常见有：果胶质、半纤维素等。二、糖的分类单糖：不能再水解的糖；寡糖：水解能生成2~10个单糖分子的糖；多糖：能水解生成许多单糖的高分子化合物。同聚多糖：由一种单糖组成的多糖；杂聚多糖：多种单糖或单糖衍生物组成的多糖。依据水解程度分依据组成分单糖细分根据碳原子多少分为：三碳糖（丙糖）、四碳糖（丁糖）、五碳糖（戊糖）六碳糖（己糖）自然界中最重要的是戊糖和己糖最简单的单糖是2个三碳糖：甘油醛（醛糖）和二羟丙酮（酮糖）多糖细分植物性多糖（淀粉：支链淀粉、直链淀粉）动物性多糖（糖原：肝糖原、肌糖原）杂聚多糖（果胶质、半纤维素）同聚多糖（淀粉、纤维素）三、糖类的生物学功能1、提供能量的主要来源。2、构成组织的重要物质。3、特殊的生理功能如：糖蛋白在免疫、细胞识别、血型区分等多种生理功能中的作用。单糖的结构1、相关概念不对称碳原子：指4个价键与4个不同的原子或原子团相连接的碳原子。旋光性：是指物质能使平面偏振光的偏振面发生旋转的性质。旋光体：能使平面偏振光的偏振面发生旋转的物质，其分子是不对称分子，含有不对称的碳原子。旋光性规定：+为右旋，-为左旋。构型规定：以甘油醛为标准，D型（-OH在右）L型（-OH在左）四、糖的结构2、结构1）单糖的链状结构构型式的简写，用长线表示碳链，用短线表示羟基，如：D-(＋)-葡萄糖CH2OHCHOOHOHHOHHHOHHCH2OHCCCCCHOOHOHHOHHHOHHCH2OHCHOD-(+)-葡萄糖D-(+)-葡萄糖D-(+)-葡萄糖可简写为或1234562）单糖的环状结构单糖不仅以直链结构存在，还以环状结构存在。链状结构中的醛基形成环状结构时，与自身的羟基缩合形成半缩醛。例：环状α-葡萄糖和β-葡萄糖的开链式进行互变CH2OHCHOOHOHHOHHHOHHCH2OHOHHOHHHOHHα-D-(+)-葡萄糖（36.4%)开链葡萄糖(量很少)β-D-(+)-葡萄糖(63.6%)OHOHCH2OHOHHOHHHOHHOHOH+112°+18.7°123456环状结构哈沃斯透视式的两条要求：1）直链式右边的－OH写在Haworth环下面,左边－OH写在环上面。2）未成环的多余碳原子，如氧桥向右，则写在环之上，反之，则写在环之下。例：HOOHHOHHOHHOHCH2OHH123456HOOHOHHHOHHOHCH2OHH123456α-D-(+)-葡萄糖β-D-(+)-葡萄糖葡萄糖开链结构式改写为环式的过程单糖分子内的醛基或羰基可与C5上的羟基缩合成六元环的半缩醛（呋喃糖），也可以与C4的羟基缩合形成五元环的半缩醛（吡喃糖）。例：果糖哈武斯式结构图CH2OHOHOHOHOHHOHHHHCH2OHOHOHOHOHHOHHHHCH2OHOHOHOHOOHHHCH2OHCH2OHOHOHOHOOHHHCH2OHα-D-（-）-吡喃果糖β-D-（-）-吡喃果糖α-D-（-）-呋喃果糖β-D-（-）-呋喃果糖图例说明：透视式中，D-、L-和α-、β-构型的确定是以C5上的羟甲基和半缩醛羟基在含氧环上的排布决定，如果氧环上的碳原子按顺时针方向排列时，羟甲基在平面之上为D-型，在平面之下为L-型。在D-型中，半缩醛羟基在平面之下为α-型，在平面之上为β-型。2、低聚糖的结构醛糖C1（酮糖在C2）上半缩醛的羟基（-OH）和其它单糖的羟基经脱水，通过缩醛式结合而成。参与聚合的单糖均是一种或二种以上。3、多糖的结构：许多单糖或其衍生物通过糖苷键缩合而成。五、常见多糖的结构1淀粉1）淀粉分子的结构淀粉分类：直链淀粉和支链淀粉直链淀粉：又称可溶性淀粉，其构成的基本单元是α-D-吡喃葡萄糖，由数百到数千个α-D-吡喃葡萄糖通过α-1,4-苷键结合成链状，是个直链多糖。直链淀粉分子量60000左右，相当于由300～400个葡萄糖缩合而成。直链淀粉结构示意-直链淀粉中，每个螺旋有六个葡萄糖残基（一个螺旋圈所含葡萄糖残基数称聚合度），聚合度在60个以上时遇碘呈蓝色。所以，直链淀粉遇碘呈蓝色。支链淀粉：又称胶体淀粉，α-D-吡喃葡萄糖通过α-1,4-苷键连接成主链，通过α-1,6-苷键或其它方式连接支链。支链淀粉分子量20×104以上，相当于由1300个以上葡萄糖组成，分枝短链的长度平均为24～30个葡萄糖残基。•淀粉结构中聚合度在20～60个时遇碘呈紫红色。所以，支链淀粉遇碘呈紫红色。´支链淀粉结构示意图(C6H10O5)n(C6H10O5)mC12H22O11C6H12O6淀粉糊精麦芽糖葡萄糖淀粉水解过程：部分谷物淀粉中直链、支链淀粉含量单位：%名称直链淀粉支链淀粉名称直链淀粉支链淀粉大米1783高梁2773糯米0100荞麦2872玉米（普通）2278甘薯块根2080小麦2476马铃薯块根22782糖原由α-D-葡萄糖结合而成的，结构与支链淀粉相似。分枝更多，每个枝更短。每个分枝长度相当于12~18个葡萄糖残基。类似于淀粉的结构中聚合度在20个左右时遇碘呈红色。所以糖原遇碘呈红色。糖原为白色粉末，能溶于水及三氯醋酸，不溶于乙醇及其他有机溶剂，遇碘显红色，无还原性。3果胶依据酯化度分为：高甲氧基果胶（HM）和低甲氧基果胶（LM）应用范围：软糖、酸奶、豆奶、蛋黄酱、混浊型果汁、饮料和冰激凌等。果冻果冻4纤维素和半纤维素纤维素：由β-D-葡萄糖单位经β-1,4-苷键连接而成的长链分子，一般无分支链。常用的纤维素衍生物：羧甲基纤维素（CMC）、甲基纤维素和微晶纤维素半纤维素：膳食纤维的主要来源5海洋多糖主要有琼脂、海藻胶、卡拉胶6植物多糖主要有魔芋、瓜尔胶、阿拉伯胶、刺槐豆胶7微生物多糖主要有黄原胶、黄杆菌胶、茁霉胶、α-葡聚糖琼脂条瓜尔胶一、单糖的性质由于单糖的某些结构的共同性，决定了它们具有一些共同性质：均为白色结晶体，能任意比例溶入水，大多是有甜味，有旋光性和某些相同的化学反应等。1.2糖的性质（一）单糖的物理性质1．旋光性糖的比旋光度是指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,通常用表示。t为测定时的温度，λ为测定时的光的波长，一般采用钠光，用符号D表示。表1：几种糖的比旋光度][t表1各种糖在20℃（钠）光时的比旋光度数值（度）糖类名称比旋光度糖类名称比旋光度D-葡萄糖+52.2D-果糖-92.4D-半乳糖+80.2L-阿拉伯糖+104.5D-阿拉伯糖-105.0D-木糖+18.8D-甘露糖+14.2麦芽糖+130.4蔗糖+66.5糊精+195淀粉+196转化糖-19.82．溶解度单糖分子中的多个羟基可增加其水溶性，尤其在热水中的溶解度。单糖不溶于丙酮、乙醚等有机溶剂。各种单糖的溶解度不一样，如：果糖溶解度最高，其次葡萄糖。温度对溶解过程和溶解速度具有决定性影响。3．甜度通常以蔗糖（非还原糖）为基准物。一般以10%或15%的蔗糖水溶液在20℃时的甜度为1.0果糖的甜度为1.5葡萄糖的甜度为0.7该甜度是相对的，又称为比甜度。表2单糖的比甜度糖类名称比甜度糖类名称比甜度蔗糖1.00α-D-葡萄糖0.70β-D-呋喃果糖1.50α-D-半乳糖0.27α-D-甘露糖0.59α-D-木糖0.50（二）单糖的化学性质1．美拉德反应：又称羰氨反应，是指羰基与氨基经缩合、聚合反应生成类黑色素的反应。美拉德反应影响美拉德反应的因素：中等水分含量、pH7.8~9.2时反应速率最快，铜、铁等金属离子也能促进反应进行。控制（弱化）美拉德反应措施：降低水分含量，避免铜、铁等金属离子的影响、降低温度、降低pH值、用亚硫酸处理或去除一种作用物（一般是降还原糖的含量）2．焦糖化反应:糖类尤其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（一般是140℃~170℃以上）时，糖会脱水而发生褐变，这种反应称为焦糖化反应，又称卡拉蜜尔作用。焦糖色素3．单糖的氧化还原反应1）氧化反应（作还原剂）葡萄糖葡萄糖酸醛糖可使溴水褪色，而酮糖不具备此性质醛与弱氧化剂的反应(复习醛的性质)，单糖均可：弱氧化剂的名称试剂的组成起反应的物质现象鉴定的物质托伦试剂Tollens碱的银氨溶液醛Ag（沉淀）区别醛和酮斐林试剂FehlingACuSO4溶液BNaOH和酒石酸钾钠（A,B分别储存）脂肪醛Cu2O（砖红色沉淀）区别醛酮,脂肪醛和芳香醛本尼地试剂BenedictACuSO4溶液BNa2CO3和柠檬酸钠溶液(不分装)脂肪醛Cu2O（砖红色沉淀）区别醛酮,脂肪醛和芳香醛2）还原反应葡萄糖山梨醇4．单糖与碱的作用（1）异构化作用CH2OHCOHOHHOHHHOHHD-葡萄糖D-果糖D-甘露糖123456OHCH2OHCCOHOHHOHHOHHOHHCH2OHCOHOHHHHOHOHHOHCH2OHCCH2OHOHOHHOHOHH烯醇式中间体单糖差向异构化（2）分解反应与糖精酸的生成单糖在浓碱溶液中不稳定，易发生裂解，产生较小分子的糖、酸、醇和醛等化合物。除了分解外，随碱浓度的增加，或加热作用时间的延长，糖还会发生分子内氧化与重排作用生成羧酸；即糖精酸类化合物。5．单糖与酸的作用酸对于糖的作用因酸的种类、浓度和温度不同而不同。在室温下，稀酸对糖的稳定性无影响，在较高温度下，发生复合反应生成低聚糖。糖的脱水反应与pH有关，同时有色物质的生成量随反应时间和浓度的增加而增高。6．单糖的脱水作用单糖与强酸共热产生脱水反应。戊糖糠醛己糖甲酸、二氧化碳、乙酰丙酸、羟甲基糠醛鉴定糖：糠醛和羟甲基糠醛能与某些酚类作用生成有色的缩合物西利万诺夫试验（鉴别酮糖与醛糖）：间苯二酚与盐酸遇酮糖呈红色，遇醛糖呈浅色脱水脱水7、食品中重要的单糖1．葡萄糖：己醛糖，是无色晶体,熔点146℃。2．果糖：己酮糖，是无色晶体，熔点102℃～104℃。醛糖与酮糖的鉴别：溴水可将醛糖中的醛基氧化成羧基，生成糖酸，溴水褪色，酮糖无此反应。（一）低聚糖1）双糖（1）蔗糖二、低聚糖的性质C12H22O11+H2OC5H11O5CHO+C5H12O5CO蔗糖葡萄糖果糖蔗糖是右旋糖，在酸或酶作用下，1分子蔗糖水解生成1分子D-葡萄糖和1分子D-果糖的混合物，这种混合物具有左旋性，与水解前旋光方向相反，所以又称转化糖，比蔗糖更甜。H+或酶（2）海藻二糖是D-葡糖基-D-葡糖苷三种异构体的共同名称，属于非还原性二糖。海藻二糖（3）麦芽糖1分子α-D-葡萄糖C1上的苷羟基与另1分子D-葡萄糖C4上的醇羟基之间脱水缩合，通过α-1,4-苷键连接而成的。麦芽糖分子结构（4）乳糖1分子β-半乳糖C1上的苷羟基与另1分子D-葡萄糖C4上的醇羟基之间脱水缩合，通过β-1,4-苷键连接而成。乳糖分子结构2）三糖常见的三糖：棉子糖、水苏糖、麦芽三糖棉子糖易溶于水，甜度为蔗糖的20%～40%，微溶于乙醇，不溶于石油醚，其吸湿性在所有的糖中是最低的。为非还原性低聚糖。3）其它低聚糖果萄糖浆：葡萄糖和果糖的混合糖糖浆环状糊精：D-葡萄糖以α-1，4-糖苷键连接