1、食品化学 第二章 碳水化合物,碳水化合物的分类 小分子糖的物理和化学性质 淀粉的结构和淀粉粒 淀粉的糊化和老化 淀粉和纤维素的改性 植物胶质的结构和性质 碳水化合物结构与功能的关系,几个重要概念,基团 羟基 -OH，醛基 CHO，酮基 CO- 手性碳原子 连有的四个不同原子（或基团）的碳原子。四个基团在空间的两种不同排列呈镜面对称（见P9图2-1）。 L、D构型 最高碳数手性碳原子上的羟基位置在右边的糖称为D构型糖，羟基位置在左侧的称为L构型糖。 呋喃环和吡喃环 含有氧原子的五元和六元环。 、差向异构体 同一个醛糖或酮糖分子内，分子中的羰基和羟基反应可形成半缩醛。当羰基碳原子以环式存在，这个碳
2、原子称为手性碳原子。这个新形成的手性碳原子上的额羟基与决定糖的构型的碳原子的羟基在碳链同侧的叫型，繁殖为型。,几个重要概念,Fischer投影,几个重要概念,Fischer投影,几个重要概念,Fischer投影,几个重要概念,Haworth投影 是表示单糖、双糖或多糖所含单糖环形结构的一种常用方法。 异头碳画在右边，而其它的碳按照顺时针方向编号， 一般成环的原子只有氧和碳，氧原子会标注出来，碳原子一般省略，以折点表示， 连到碳原子上的氢原子可以写出，也可省略， 粗线代表向上/前伸出纸面。一般环下方的碳-碳键用粗线表示。Haworth投影式中向下的羟基代表Fischer投影式中指向右的，而向上的
3、代表Fischer投影式中指向左的羟基。 D型糖的Haworth投影式中的异头碳的构型如果它具有象D的构型（羟基指向下）则被指定为构型，如果象L的构型（羟基向上），则被指定为构型。,食品中的碳水化合物及分类,碳水化合物作为生物体的主要结构成分，其含量、种类和存在状态对食品的外观、质地、风味和保藏性关系极其密切。 糖定义为含多羟基的醛或酮，又称为“碳水化合物”。一般由碳、氢、氧三种元素构成，而且分子中氢与氧的原子数之比为2:1，与水(H2O) 中比例相同，所以糖类物质的分子式通式可以用Cn(H2O) n表示。 此后发现许多糖类物质除碳、氢、氧外，还可能含有其他元素，而且，分子中氢与氧的原子数之比
4、亦不一定是2:1。如鼠李糖（ C6H12O5 ）和脱氧核糖（ C5H10O4 ）。,食品中的碳水化合物及分类,碳水化合物按照分子大小，可分为单糖、低聚糖和多糖三类。前两者为小分子，后者为大分子物质。 单糖是糖类的最小结构单位，不可能通过水解分成更小的糖分子。自然界中已发现的单糖约数百种，常见的重要单糖约20种。 寡糖由220个单糖分子缩合而成，水解后产生单糖。 多糖是由多个单糖分子缩合而成，聚合度很大。,举例：食品中的碳水化合物,各种粮食谷粒含碳水化合物70%以上 多数干豆类含碳水化合物60%左右 各种水果含碳水化合物10%左右 牛奶中含碳水化合物45% 甜饮料中含碳水化合物10%左右 果酱、
5、果脯等含碳水化合物60%以上 甜点心含碳水化合物5070%,小分子碳水化合物,单糖 多羟基醛或多羟基酮 丙糖 甘油醛； 丁糖 赤藓糖； 戊糖 阿拉伯糖，木糖，核糖 己糖 葡萄糖，果糖，半乳糖，甘露糖 庚糖 景天庚酮糖。 低聚糖 220个糖基组成 双糖 蔗糖，乳糖，麦芽糖 棉子糖，水苏糖 低聚果糖，低聚异麦芽糖，低聚半乳糖，低聚木糖等 单糖均可消化吸收，而低聚糖有的可以消化，有的则是膳食纤维,表：碳水化合物的分类,1 单糖和可消化二糖的结构和性质,单糖在水中的结构和旋光性 物理性质 化学性质,Fisher Projection of Hexose,A 单糖在水中的结构,戊糖和己糖在水中形成环状结
6、构，其中5位上的羟基与醛基发生半缩醛反应，形成一个半缩醛羟基。因这个半缩醛羟基的方向不同，糖环有和两种结构。 为了达到水中结构的最大稳定性，单糖在水中多呈现椅式结构，以降低分子内基团的静电斥力和空间阻力。,图：吡喃葡萄糖(glucose)的结构,图：蔗糖(sucrose)的结构,蔗糖由1分子-D-葡萄糖和一分子-D-果糖以1，1键构成，为非还原糖。,图：麦芽糖(maltose)的结构,麦芽糖由2分子-D-葡萄糖以-1，4键构成，为还原糖。,B 小分子糖的物理性质,甜度sweetness 旋光性rotation 溶解度solubility 吸湿性和保湿性moisture retention 结晶
7、性crystallization 粘度和质地viscosity and texture,甜度,比甜度：受到分子结构、分子量、水中结构的影响。D-葡萄糖以型较甜，D-果糖以型较甜。 各种常用糖的比甜度比较： 果糖蔗糖=转化糖葡萄糖乳糖,表：一些碳水化合物的甜度,资料来源：Jane Bowers, Food Theory and Appications, 1992,旋光性,戊糖和己糖都含有手性碳原子，具有旋光性。可利用此性质鉴定单糖或二糖。 表：各种糖在20下的比旋光度，见p13表2-1. 葡萄糖也称为右旋糖（+52.2），果糖也称为左旋糖(-92.4)。蔗糖为+66.5，水解成果糖和葡萄糖的混合
8、液为-19.9，因此称这种水解液为转化糖。 比旋光度实在一定条件下测定的物质的旋光度。,溶解度,糖具有多个亲水的羟基，因此具有较好溶解性。温度升高则溶解度增大。 各种糖的溶解度比较： 果糖转化糖蔗糖葡萄糖乳糖 溶解度与糖的保藏性有关。溶解度大则可更好地降低水分活度，从而达到防腐要求。,表：几种糖在不同温度下的溶解度,资料来源：黄梅丽等，食品化学，1986,吸湿性和保湿性,吸湿性是从空气中吸收水分的性质。 保湿性是空气湿度低时保持水分的性质。 各种糖的吸湿性和保湿性比较： 果糖=转化糖蔗糖=葡萄糖乳糖 需要柔软的食品可以用高保湿糖，干脆食品就要用低吸湿性糖。,表：几种糖在不同温度下的吸湿性（另见
9、P14）,资料来源：Jane Bowers, Food Theory and Applications, 1992,结晶性,在浓度高或温度低时析出结晶的性质。 结晶性与保湿性基本上顺序相反。 葡萄糖晶体细小，蔗糖晶体较大。乳糖易结晶，果糖和转化糖难以结晶。,渗透压,糖溶液的浓度越高，渗透压越大； 相同浓度下，糖分子量越小，分子数目越多，渗透压力越大； 50%的蔗糖溶液可以抑制一般酵母的生长，但抑制细菌和霉菌分别需要65%和80%。,黏度,与温度有关。 葡萄糖的黏度随温度升高而增大，而蔗糖与之相反。 与种类有关。 葡萄糖和果糖的黏度较蔗糖低，淀粉糖浆的黏度较高。 与浓度有关,冰点,取决于浓度和分
10、子量的大小降低氧气在溶液中的溶解度； 20时，60%蔗糖溶液中溶解氧的量仅为水溶液的1/6 自身具有还原性,抗氧化性,C 小分子糖的化学性质,单糖的结构特点是多羟基醛或多羟基酮，其醛基、羟基功能团可发生相应的反应，如氧化和还原、缩醛化反应、成酯、成醚等。 课本中主要介绍了单糖和低聚糖的： 水解反应 与碱的作用烯醇化作用和异构化作用，分解反应 与酸的作用复合反应，脱水反应 氧化反应 还原反应 卤代反应,C 小分子糖的化学性质,此外，还有一些和食品性质相关的重要反应 美拉德反应 焦糖化反应 这里重点讲和食品有关的反应。,美拉德反应(羰胺褐变),美拉德反应也称羰氨反应，或非酶褐变反应 美拉德反应在食
11、品中的意义 美拉德反应的机理 美拉德反应的影响因素,食品中的Maillard reaction,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。,美拉德反应的机理,初期：羰胺缩合与分子重排，产物为2-氨基-2-脱氧酮糖，无色 中期：重排产物降解，脱水生成羟甲基糠醛，重排成还原酮，或发生Strecker降解反应；有色但颜色浅 末期：醇醛缩合，并进一步聚合，生成高分子黑色素。,备注：HMF-羟甲基糠醛,以葡萄糖为例,36,37,38,裂解成小分子,羟甲基糠醛hydroxyl methyl furfural,羟甲
12、基糠醛积累之后很快发生褐变。因此测定HMF是预测褐变速度的指标。可以用分光光度法测定。,美拉德反应的影响因素,羰基化合物的影响：戊糖己糖，己糖中半乳糖甘露糖葡萄糖。Vc易褐变。 氨基化合物的影响：胺类氨基酸蛋白质，碱性氨基酸其他氨基酸，Lys最快 反应物浓度的影响：反应速度与浓度成正比 水分活度：Aw0.60.9之间较快 脂肪氧化：脂肪氧化快时速度加快,美拉德反应的影响因素(续),pH值的影响：pH3以上随pH上升而加快 金属离子的影响：三价铁和二价铜催化褐变，钙离子和氨基酸沉淀而抑制褐变 温度的影响：温度系数3-5，温度升高则褐变加快。 预防措施：除去糖，加入亚硫酸盐，降温，调整pH酸性，调
13、整水分活度低于0.6,影响美拉德反应的因素,温度越高，颜色越深,时间越长，颜色越深,pH 7时反应速度较快,木糖半乳糖葡萄糖果糖，蔗糖无明显反应,Fe3+、Fe2+促进 Ca2+、Mg2+ 抑制、 K+影响小,42,影响因素,焦糖化反应(caramelization),没有氨基化合物存在的情况下，加热到熔点以上时，糖发生脱水与降解，形成褐色物质的反应为焦糖化反应。 产物包括焦糖(caramel)和聚合产生的黑色素即焦糖色素。 焦糖化反应在碱性条件下加快，低水分活度加快。有机酸可催化焦糖形成。,氧化还原反应,糖可以被氧化成酸、二酸或糖酸。这个反应可以区别各种糖。弱氧化产物葡萄糖酸加热生成D-葡萄
14、糖酸-内酯。 糖可以催化加氢还原成糖醇。糖醇是一类功能性甜味剂。,糖催化加氢生成糖醇,糖氧化生成糖酸,葡萄糖,葡萄糖酸-内酯,葡萄糖酸,O,酸和碱中的反应,稀碱当中通过烯醇式异构体发生异构化。 浓碱下发生分解生成小分子糖醇醛酸等，以及糖精酸类。 弱酸性条件下加温发生聚合反应生成低聚糖 强酸性条件下加热脱水生成糠醛类物质,图：弱碱中的烯醇式异构化,2 低聚糖,命名法-D-吡喃半乳糖基-(1-4)-D-吡喃葡糖苷 褐变性：较单糖小。 粘度：比单糖高。 抗氧化性：减少溶氧而保护Vc。 发酵性：低于单糖。 吸湿性：低于单糖。,功能性低聚糖,棉子糖 水苏糖 低聚果糖：双歧因子，整肠，抗龋齿 低聚木糖：甜度约0.5，双歧因子，整肠 帕拉金糖：甜度0.42，抗龋齿 环糊精：可保护芳香物质和小分子物质。,表：功能性低聚糖的有效摄入量,大豆低聚糖可能引起胀气，最大用量男性为0.64g/kgBW，女性为0.96g/kgBW,单位：克/日,环状糊精,环状糊精是一种特殊的低聚糖，它是由6，7或8个葡萄糖以-1,4键首尾相连构成的环状低聚糖。 环内具有疏水环境，环外伸展亲水基团。环内可以包容一些亲脂性小分子，改善其在水中的分散性，并减少它们在水相体系中的损失。也可以产生缓释效应。,
