1、第三章 碳水化合物,概述,概念： 碳水化合物(糖类) 是多羟基醛（醛糖）或多羟基酮（酮糖）及其某些衍生物和缩聚物（或水解后能产生这些化合物的物质）的总称。,根据糖类的水解程度进行分类,碳水化合物的分类,碳水化合物的命名,（1）少数简单的单糖,根据官能团命名。 （2）糖类物质多用俗名,通俗名称往往与它的来源有关,如葡萄糖、果糖等。 （3）依据其碳原子数目命名，如丙糖，丁糖。 （4）有时把碳原子数目与羰基类型结合起来命名。丙醛糖，丁醛糖,丙酮糖,丁酮糖等。,食品中碳水化合物的作用 提供人类能量的绝大部分 提供适宜的质地、口感和甜味（如麦芽糊精作增稠剂、稳定剂） 有利于肠道蠕动，促进消化（如纤维素被
2、称为膳食纤维，低聚糖可促小孩肠道双歧杆菌生长，促消化）,单糖,单糖的分类 单糖根据C的多少可分为三碳糖、四碳糖、戊糖、己糖等。 根据所含羰基的特点可分为醛糖和酮糖。 单糖的结构和性质 单糖的链状结构 单糖的环状结构,单糖的物理性 甜度 比甜度: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时的甜度定为1.0。 影响甜度的因素： A、分子量越大溶解度越小，则甜度也越小。 B、糖的不同构型（、型）也影响糖的甜度。,T=20时 蔗糖溶液（10/15） 1.00（甜度）D-葡萄糖 0.70（比甜度）D呋喃果糖 1.50（比甜度）,旋光性旋光性:是一种物质使直线偏振光的振动平面发生旋转的
3、特性。右旋为D-,左旋为L-。 单糖的比旋光度定义：指lml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。 变旋现象：指糖刚溶解于水时，其比旋光度是处于变化中的，但到一定时间后就稳定在一恒定的旋光度上的这种现象。,单糖的物理性质,溶解性 能溶于水，不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂温度对溶解过程和溶解速度具有决定性影响,糖的溶解度还与其水的渗透压密切相关 高浓度的糖液具有防腐保质的作用 ，在70以上能抑制霉菌、酵母的生长。,t=20时，葡萄糖 48蔗 糖 66果 糖 79 果糖具有较好的食品保存性。果葡糖浆的浓度 果葡糖浆中果糖含量71 4277 5580 90 果糖含量较高的果葡糖浆，其
4、保存性能较好。,单糖的物理性质,吸湿性、保湿性及结晶性 吸湿性：指糖在空气湿度较高的情况下吸收水分的性质。果糖的吸湿性最强 保湿性：指糖在空气湿度较低条件下保持水分的性质。 结晶性：糖的特征之一是能形成结晶，糖溶液越纯越易结晶。,单糖的物理性质,黏度 除葡萄糖外，一般糖的黏度随温度的升高而下降 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,单糖的物理性质,渗透压与其浓度和分子质量有关，即渗透压与糖的摩尔浓度成正比。果糖和果葡糖浆具有高渗透压特性，可用于防腐。 发酵性酵母菌可以使葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、甘露糖等发酵产生酒精，同时产生二氧化碳，这是酿酒生产及
5、面包疏松的基础。,一般酵母发酵糖的速度：葡萄糖果糖蔗糖麦芽糖 乳酸菌除可发酵上述单糖还可发酵乳糖产生乳酸。 大多数低聚糖不能被酵母菌和乳酸菌直接发酵。,单糖化学反应,单糖的化学反应,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，还具有一些特殊反应 。 非酶褐变反应 美拉德反应（Maillard reaction） 焦糖化反应（Phenomena of Caramelization ）,美拉德反应,定 义,食品在油炸、焙烤、烘焙等加工或贮藏过程中，还原糖（主要是葡萄糖）同游离氨基酸或蛋白质分子中氨基酸残基的游离氨基发生羰氨反应，产生有色大分子，这种反应被称为美拉德反应。,反应过程,美
6、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。,美拉德反应过程,初期阶段 中期阶段 末期阶段,羰 氨 缩 合,分 子 重 排,Amadori 重排,Heyenes 重排,脱 胺 脱 水,脱 胺 重 排,氨 基 酸 降 解,醇 醛 缩 合,聚 合,生成了羟甲基糠醛（HMF）,HMF的积累与褐变速度有密切的相关性，HMF积累后不久就可发生褐变。,缩合与聚合生成 类黑素和风味物质,美拉德反应的条件、生成物和特点,条件：还原糖（主要是葡萄糖）和氨基酸少量的水加热或长期贮藏 产物：黑色素（类黑精）风味化合物 特点：pH值下降（封
7、闭了游离的氨基）；还原的能力上升（还原酮产生）；褐变初期，紫外线吸收增强，伴随有荧光物质产生；添加亚硫酸盐，可阻止褐变，但在褐变后期加入不能使之褪色。,a.结构：戊糖 已糖 双糖， 半乳糖 甘露糖 葡萄糖 果糖， 醛糖 酮糖一般胺类 氨基酸、肽 蛋白质碱性氨基酸(末端)的氨基易褐变,如赖、精、组b.温度T，V，增加10，V3-5倍。30以上快，20以下慢，低温防止褐变,影响美拉德反应的因素,c.氧气：室温下氧能促进褐变 d.水分:10-15%H2O最易褐变，干燥食品，褐变抑制，（冰淇淋粉） e.pH值: pH3时，pH，pH=7.8-9.2 V，pH6,增慢 f.金属:催化，（，） g.亚硫酸
8、盐:阻止生成薛夫氏碱，葡萄糖基胺,Maillard反应对食品品质的影响,不利方面： a.营养损失，特别是必需氨基酸损失严重 b.产生某些致癌物质c.对某些食品，褐变反应导致的颜色变化影响质量。 有利方面： 褐变产生深颜色及强烈的香气和风味，赋予食品特殊气味和风味。,maillard反应在食品加工中的应用,焦糖化反应,概念：无氨基化合物存在的前提条件下，将糖类化合物加热到其熔点以上，糖发生脱水与降解，生成深色物质的过程，称为焦糖化反应。 过程:脱水:分子双键 不饱和的环 聚合 高聚物。缩合或聚合:裂解 挥发性的醛、酮 缩合或聚合 深色物质,焦糖化反应条件,无水或浓溶液，温度150-200。 催化
9、剂的存在加速反应：铵盐、磷酸盐苹果酸、延胡索酸、柠檬酸、酒石酸等。 pH， ，pH8比pH5.9时快10倍。 不同糖反应速度不同，例如果糖大于葡萄糖（熔点的不同）。,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 35 min起泡,继续加热,继续加热 ，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。,焦糖色素的性质,焦糖是一种黑褐色胶态物质 等电点在pH3.0-6.9,甚至低于p
10、H3 粘度100-3000cp厘泊,工业上生产焦糖色素,以蔗糖为原料生产的三种色素及用途 NH4HSO3催化 pH2-4.5 耐酸焦糖色素（可用于可口可乐饮料，棕色） 糖和铵盐加热 pH4.2-4.8 焙烤食品用焦糖色素 （红棕色） 蔗糖加热 pH3-4 啤酒美色剂（含醇类饮料，红棕色）,氧化反应,单糖含有自由醛基或酮基具有还原性，都能发生氧化作用。 （1）土伦试剂、费林试剂氧化（碱性氧化）醛糖与酮糖都能被象土伦试剂或费林试剂这样的弱氧化剂氧化，前者产生银镜，后者生成氧化亚铜的砖红色沉淀，糖分子的醛基被氧化为羧基。凡是能被上述弱氧化剂氧化的糖，都称为还原糖。,（2）溴水氧化（酸性氧化）溴水能氧
11、化醛糖，但不能氧化酮糖，因为酸性条件下，不会引起糖分子的异构化作用。可用此反应来区别醛糖和酮糖。,还原反应,单糖有游离羰基，易于还原。 单糖在一定压力与催化剂或酶的作用下，羰基还原成羟基。醛糖还原成糖醇；酮糖还原两个非对映体的糖醇。,低聚糖,普遍存在于自然界中，可溶于水，有甜味，也有旋光活性，与稀酸共煮或在酶存在下低聚糖可水解成各种单糖。 还原性低聚糖：麦芽糖、乳糖 非还原性低聚糖：蔗糖,食品中低聚糖的性质,一、水解反应 低聚糖的水解反应指低聚糖在酶、酸或碱作用下，苷键断裂、糖链分解的过程；低聚糖一般的水解产物为单糖；,酶催化低聚糖的水解是食品或食品原料中经常进行的反应，如蜂蜜大量存在的转化糖
12、、乳糖酶催化乳糖水解为葡萄糖和半乳糖等。化学法水解低聚糖常以酸作为催化剂，在酸性条件下，除低聚糖中的1,6-苷键较难水解外，其它苷键均可分解。二、褐变反应低聚糖也能发生Mailard等类型的褐变反应，但其反应速度比单糖要慢一些。,食品中低聚糖的性质,三、抗氧化作用低聚糖及单糖的水溶液具有抗氧化性。其原因有三：a.溶液中糖的存在可以大大降低氧的溶解度；如在60%的蔗糖溶液中，氧的溶解度约为纯水的1/6。b.可以阻断其它成分与空气氧的接触；c.具有还原性，可以首先与氧发生反应。四、提高渗透压随着糖溶液浓度的提高，其渗透压也提高。当控制合适的糖溶液浓度时，会因较高的渗透压而抑制微生物的生长。,食品中
13、低聚糖的性质,食品中重要的低聚糖,二糖 蔗糖 由葡萄糖和果糖通过异头体羟基缩合而形成的非还原性二糖。 易溶于水较难溶于乙醇，具有甜味，甜味仅次于果糖。,食品中重要的低聚糖,蔗糖是人类基本的食品添加剂之一，已有几千年的历史。是光合作用的主要产物，广泛分布于植物体内，特别是甜菜、甘蔗和水果中含量极高。以蔗糖为主要成分的食糖根据纯度的由高到低又分为：冰糖、白砂糖、棉白糖和赤砂糖（也称红糖或黑糖），蔗糖在甜菜和甘蔗中含量最丰富，平时使用的白糖、红糖都是蔗糖。,麦芽糖,两个葡萄糖分子以-1,4-糖苷键连接构成的二糖。为淀粉经淀粉酶作用下得到的产物。 无色结晶。味甜,甜度约为蔗糖的三分之一。 能还原斐林氏
14、溶液。能被许多酵母发酵。 溶于水,微溶于乙醇,几乎不溶于乙醚。,乳 糖,由半乳糖通过-1,4-糖苷键连接葡萄糖而形成的二糖。是哺乳类乳汁中主要的二糖。 白色的结晶性颗粒或粉末；无臭，味微甜。 水中易溶，在乙醇、氯仿或乙醚中不溶。,乳糖的作用,促进婴儿肠道双岐杆菌的生长 是婴儿糖类营养主要来源 乳酸菌使乳糖发酵成乳酸 易吸收香气成分和色素 在乳糖酶的作用下,水解成D-葡萄糖和D-半乳糖,被人体吸收,其他低聚糖,纤维二糖:纤维素水解的中间产物。 海藻二糖:存在于海藻、昆虫、真菌体内。 其它： 棉子糖 低聚果糖 低聚木糖 异麦芽酮糖 环状糊精,食品中单糖和低聚糖的功能,亲水性：单糖和低聚糖分子结构中
15、所含的亲 水性羟基靠氢键与水相互作用，发生溶剂 化作用或增溶作用。 甜味：甜味是低分子质量碳水化合物的重要特性。优质的糖应甜味纯正，达到最甜和消失甜味的速度都很快。,食品中单糖和低聚糖的功能,风味结合功能：食品中的风味成分包括多种羰基化合物和羧酸衍生物,双糖和分子量较大低聚糖是有效的风味结合剂. 褐变产物和风味:焦糖化反应和美拉德反应。 保健功能:低聚果糖、乳糖果糖、低聚木糖等可作为双歧杆菌的增殖因子。,多 糖,一、概述,是大分子聚合物，聚合度由10到几千，大多数多糖的DP为2003000，常见多糖有淀粉，纤维素，半纤维素，果胶，瓜尔豆胶等等。,直链多糖，支链多糖均多糖，杂多糖,按结构分,按组
16、成分,由相同的单糖组成的多糖称为均多糖，如淀粉、纤维素和糖原；以不相同的单糖组成的多糖称为杂多糖，如阿拉伯胶是由戊糖和半乳糖等组成。多糖不是一种纯粹的化学物质，而是聚合程度不同的物质的混合物。 多糖类一般不溶于水，无甜味，不能形成结晶，无还原性和变旋现象。多糖也是糖苷，所以可以水解，在水解过程中，往往产生一系列的中间产物，最终完全水解得到单糖。,多糖的性质,多糖的溶解性:除了高度有序具有结晶的多糖不溶于水外，大部分多糖不能结晶，因而易于水合和溶解。 多糖溶液的黏度与稳定性:高聚物溶液的黏度同分子的大小、形态及其在溶剂中的构象有关。,多糖的性质,凝胶是指在一定条件下，高分子溶液或溶胶的分散质颗粒
17、在某些部位上相互联结，构成一定的空间网状结构，分散介质（液体或气体）充斥其间，整个系统失去流动性，这种体系称为凝胶。,氢键、疏水相互 作用、范德华引力、 离子桥联、缠结或 共价键形成连结 区,多糖的性质,生理活性 膳食纤维真菌多糖、植物多糖 ：提高人体免疫力,很高的持水力； 对阳离子有结合交换能力； 对有机化合物有吸附螫合作用； 具有类似填充的容积； 可改变肠道系统中的微生物群组成。,多糖的性质,多糖的水解 酶促水解、酸、碱催化下的水解。,淀 粉,淀粉的特性 淀粉在植物细胞内以颗粒状态存在，故称淀粉粒。 形状：圆形、椭圆形、多角形等。 大小：0.001-0.15毫米之间，马铃薯淀粉粒最大，谷物
18、淀粉粒最小。 晶体结构：用偏振光显微镜观察及X-射线研究，能产生双折射及X衍射现象。 未糊化前，淀粉分子间以氢键结合，成放射状微晶束形式。,食品中的主要多糖,淀粉的结构,直链淀粉：由D-吡喃葡萄糖通过1，4糖苷键连接起来的链状分子 。支链淀粉：由D-吡喃葡萄糖通过-1，4和-l，6两种糖苷键连接起来的带分枝的复杂大分子,1,4,直链淀粉的结构,淀粉的性质,物理性质 白色粉末，在热水中溶胀。纯支链淀粉能溶于冷水中，而直链淀粉不能，直链淀粉能溶于热水。遇碘呈色。,淀粉的水解,1、酸解水解法： 2、酶解水解法（糖化）： 水解淀粉的淀粉酶有-淀粉酶、淀粉酶及葡萄糖淀粉酶。 -淀粉酶可以水解淀粉(或糖原
19、)中任何部位的-1，4糖苷键。 -淀粉酶只能从非还原端开始水解-1，4糖苷键。 葡萄糖淀粉酶能催化水解淀粉分子中的任何糖苷键 水解淀粉中的-1，6糖苷键的酶是-1，6糖苷键酶 淀粉水解的产物为糊精和麦芽糖的混合物。,淀粉的糊化,几个概念 -淀粉：具有胶束结构的生淀粉称为-淀粉。 -淀粉：指经糊化的淀粉。 膨润现象：-淀粉在水中经加热后，部分胶束溶解而形成空隙，水分子浸入与部分淀粉分子进行结合，胶束逐渐被溶解，空隙逐渐扩大，淀粉粒因吸水，体积膨胀数十倍，生淀粉的胶束即行消失的现象。,淀粉的糊化,淀粉粒在适当温度下，在水中溶胀，分裂，胶束则全部崩溃，形成均匀的糊状溶液的过程被称为糊化。,-淀粉,-
20、淀粉,氢键,H2O,本质是微观结构从有序转变成无序。,糊化作用的三个阶段,a可逆吸水阶段：水分进入淀粉粒的非晶质部分，体积略有膨胀，此时冷却干燥，可以复原，双折射现象不变。b不可逆吸水阶段：随温度升高，水分进入淀粉微晶间隙，不可逆大量吸水，结晶“溶解”。c淀粉粒解体阶段：淀粉分子全部进入溶液。,糊化温度,指双折射消失的温度，不是一个点，而是一段温度范围，即糊化开始的温度和糊化完成的温度表示淀粉糊化温度。,影响糊化的因素,结构：直链淀粉小于支链淀粉。 Aw：Aw提高，糊化程度提高。 糖：高浓度的糖水分子，使淀粉糊化受到抑制。 盐：高浓度的盐使淀粉糊化受到抑制。 脂类：抑制糊化。 酸度：在pH4时
21、，淀粉水解为糊精，粘度降低。 在pH4-7时，几乎无影响。 在pH =10时，糊化速度迅速加快。 淀粉酶：使淀粉糊化加速。新米（淀粉酶酶活高）比陈米更易煮烂。,淀粉的老化,老化：-淀粉溶液经缓慢冷却或淀粉凝胶经长期放置，会变为不透明甚至产生沉淀的现象。 实质是糊化的后的分子又自动排列成序，形成高度致密的结晶化的不溶解性分子粉末。,糊化淀粉,老化淀粉,糊化的逆过程,比生淀粉的晶 化程度低,影响淀粉老化的因素,温度：2-4，淀粉易老化。60 或 -20 ，不易发生老化。 含水量:含水量3060%，易老化。含水量过低（10%）或过高，均不易老化。 pH值：在偏酸（pH 4以下）或偏碱的条件下也不易
22、老化。 结构：直链淀粉易老化。聚合度 n 中等的淀粉易老化。淀粉改性后，不均匀性提高，不易老化。 共存物的影响：脂类和乳化剂可抗老化;多糖（果胶例外）、蛋白质等亲水大分子，有抗老化作用。,改性/变性淀粉,变性淀粉：天然淀粉经适当的化学处理、物理处理或酶处理，使某些加工性能得到改善，以适应特定的需要，这种淀粉被称为变性淀粉。 物理变性和化学变性,果胶物质,主链是150500个-D-吡喃半乳糖醛酸基通过 1，4糖苷键连接而成的。部分羧基被甲酯化。,果胶物质,-L-鼠李吡喃糖基,半乳糖、阿拉伯糖,果胶物质的分类,酯化度（DE）：醛酸残基(羧基)的酯化数占D-半乳糖醛酸残基总数的百分数。,高甲氧基果胶
23、 HM DE50%,低甲氧基果胶 LM DE50%,果胶的物理、化学性质,水解：果胶在酸碱条件下发生水解，生成去甲酯和糖苷键裂解产物。原果胶在果胶酶和果胶甲酯酶作用下，生成果胶酸。 溶解度：果胶与果胶酸在水中溶解度随链长增加而减少 粘度：粘度与链长成正比。,果胶形成凝胶,机理：脱水剂使高度含水的果胶分子脱水以及电荷中和而形成凝集体。凝胶的形成与pH值、可溶性固形物含量和高价离子的存在有关。,果胶形成条件,HM：有糖、酸的存在下易形成凝胶。Brix55 pH3.5 LM：有二价阳离子的存在。Ca2添加量与pH有关，反比例。,影响凝胶强度的因素,凝胶强度与分子量成正比。凝胶强度与酯化程度成正比。,
24、纤维素,纤维素是植物细胞壁的主要结构成分，对植物性食品的质地影响较大。 结构由-（1-4）-D-吡喃葡萄糖单位构成。为线性结构，由无定型区和结晶区构成。,性质 不溶于水 无还原性 水解比淀粉困难得多，需用浓酸或稀酸在一定压力下长时间加热水解。,羧甲基纤维素 CMC,可与蛋白质形成复合物，有助于蛋白质食品的增溶，在馅饼、牛奶、蛋糊及布丁中作增稠剂和粘接剂。在冰淇淋和其它冷冻食品中，可阻止冰晶的形成。防止糖果，糖浆中产生糖结晶，增加蛋糕等烘烤食品的体积，延长食品的货架期。,应用,其它多糖,卡拉胶（Carrageenin） 瓜尔胶和刺槐豆胶(guar gum & Robinia bean gum) 半纤维素（Hemicellulose） 黄原胶（Xanthan gum） 魔芋葡甘露聚糖（Konjac Glucomannan) 阿拉伯胶(Arabic gum) 膳食纤维(Dietary fiber) 琼脂(Agar),习 题,名词解释：美拉德反应，焦糖化反应 问答题：1、 影响美拉德反应的因素，及美拉德反应在食品工业中的应用。 2、简述淀粉的糊化及老化。淀粉老化对食品加工和食品品质有何影响？怎样防止老化现象。,
