03 第三章 碳水化合物.ppt

第1页：碳水化合物的一般概念

第一节 概述 Introduction

一、碳水化合物的一般概念

碳水化合物

多羟基醛或酮及其衍生物和缩合物

1、分类（按组成分）

• 单糖（Monosaccharides）：不能再被水解的多羟基醛、酮，是碳水化合物的基本单位
• 低聚糖（寡糖）（Oligosaccharides）：由2~10个单糖分子缩合而成，水解后生成单糖
• 多糖（Polysaccharides）：由许多单糖分子缩合而成

第2页：碳水化合物的分类与作用

按功能分：结构多糖、贮存多糖、功能多糖

二、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（如纤维素被称为膳食纤维，低聚糖可促小孩肠道双歧杆菌生长，促消化）

第3页：醛糖的结构

第二节 单糖 Monosaccharides

一、单糖的结构：醛糖

第4页：酮糖的结构

一、单糖的结构：酮糖

第5页：单糖的环状形式

一、单糖的结构

第6页：糖苷的定义与分类

二、糖苷 Glycosides

定义

是由单糖或低聚糖的半缩醛羟基和另一个分子中的-OH、-NH2、-SH（巯基）等发生缩合反应而得的化合物。

2、分类

• O-糖苷
• S-糖苷
• N-糖苷

第7页：糖苷的生物活性与毒性

3、生物活性：糖苷的重要功能在于它们的生理功能，可以促进血液循环，提高脑血流量，对心血管疾病有显著疗效（冠心病、脑血栓）。

• 黄酮糖苷：具有苦味和其它风味和颜色
• 毛地黄苷：强心剂
• 皂角苷：起泡剂和稳定剂
• 甜菊苷：甜味剂

4、糖苷的毒性：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、木薯等）。

第8页：单糖的氧化反应

三、化学反应

1、氧化反应

D-葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下可被氧化成D-葡萄糖酸，并形成内酯。

第9页：单糖的还原反应

2、还原反应

单糖的羰基在一定压力、催化剂镍（Ni）存在下加氢还原成羟基，得到糖醇（山梨醇、甘露糖醇、木糖醇等）。

• 保湿剂
• 甜度为蔗糖的50%

第10页：单糖的酯化与醚化反应

3、酯化与醚化反应

酯化

糖中羟基与有机酸和无机酸相互作用生成酯，蔗糖酯是一种很好的乳化剂。

醚化

糖中羟基除了形成酯外，还能形成醚，如红藻多糖C3与C6间形成内醚（3,6-脱水环）。

第11页：褐变作用概述

4、褐变反应 Browning Reaction

（1）褐变作用概述

褐变（browning）是食品加工最普遍存在的一种变色现象。在一些食品加工中适当的变色是需要的，如面包、红茶等加工；而另一些食品加工出现褐变则是不利的，如果蔬的加工、鱼片的加工等。

第12页：褐变的分类

（2）褐变分类

• 酶促褐变：以多酚氧化酶催化，使酚类物质氧化为醌
• 非酶褐变：焦糖化反应（Phenomena of Caramelization）、美拉德反应（Maillard Reaction）

第13页：焦糖化反应的定义

（3）焦糖化反应

定义

糖类在没有含氨基化合物存在的条件下，加热到其熔点以上温度时，会生成黑褐色色素物质，这种反应称焦糖化反应。

糖类在受热情况下，生成两类物质：一类是糖的脱水聚合物，即焦糖或称酱色物（Caramel）；一类是裂解产物，是一类挥发性醛、酮类物质。

第14页：焦糖化反应历程

反应历程

A、焦糖的形成

蔗糖→熔融→起泡→异蔗糖酐→焦糖酐→起泡、脱水→焦糖烯→焦糖素

B、活性醛的形成

糖在强烈的热作用下，产生活性醛

第15页：美拉德反应的定义

（4）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：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。

第16页：美拉德反应初始阶段

美拉德反应历程

A、初始阶段

1. N-葡萄糖基胺的形成
2. 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

第17页：美拉德反应中间阶段：羟甲基糠醛

B、中间阶段

果糖基胺的进一步反应可能有两条：

① 脱水形成羟甲基糠醛（HMF）。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。

第18页：美拉德反应中间阶段：二羰基化合物

② 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Strecker降解作用），对食品品质影响很大。

Strecker降解示意图

第19页：美拉德反应终了阶段

C、终了阶段

1. 醇醛缩合物的产生
2. 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。

第20页：非酶褐变对食品质量的影响

5、非酶褐变对食品质量的影响

①对营养质量的影响

糖与氨基酸反应形成色素复合物，导致氨基酸损失，尤其是赖氨酸、缬氨酸的损失；产生某些致癌物质。

②对感官质量的影响

在褐变过程中形成了大量对色、香、味影响的成分，从而影响了食品的感官品质。

面包风味：各种风味与甜味的增强剂

第21页：加工方式与香气物质对照

③利用美拉德反应调制感官质量

不同加工方法

控制原料

• 核糖+半胱氨酸：烤猪肉香味
• 核糖+谷胱甘肽：烤牛肉香味

控制温度：葡萄糖+缬氨酸

第22页：非酶褐变的控制方法

6、非酶褐变的控制

• 稀释或降低水分含量
• 降低pH
• 降低温度
• 除去一种作用物：加入葡萄糖转化酶，除去糖，减少褐变
• 色素形成早期加入还原剂（亚硫酸盐）
• 钙盐处理

第23页：低聚糖概述

第三节 低聚糖 Oligosaccharides

一、概述

一般由2～10个糖基构成，较重要的低聚糖有：蔗糖、麦芽糖、乳糖、饴糖、麦芽糊精和环状糊精（沙丁格糊精）。

糖苷键类型：α-1,4、β-1,4（D-半乳糖与D-葡萄糖）

第24页：低聚果糖的生理活性

二、具有特殊功能的低聚糖

1、低聚果糖：分子式特点为 G-F-Fn

生理活性

• 增殖双歧杆菌
• 难水解，是一种低热量糖
• 水溶性食物纤维
• 抑制腐败菌，维护肠道健康
• 防止龋齿

低聚果糖存在于天然植物中：香蕉、蜂蜜、大蒜、西红柿、洋葱

第25页：低聚木糖的特性与生产

2、低聚木糖

低聚木糖是由不同聚合度的木糖组成的混合物，木二糖含量越高，产品质量越好。

木二糖的分子结构

低聚木糖的特性

• 较高的耐热（100℃/1h）和耐酸性能（pH 2～8）
• 双歧杆菌所需用量最小的增殖因子
• 代谢不依赖胰岛素，适用糖尿病患者
• 抗龋齿

低聚木糖的生产：从玉米芯、麸皮等原料中提取木聚糖，再经木聚糖的酶法水解。

第26页：甲壳低聚糖的生理功能

3、甲壳低聚糖（β-1,4）

甲壳低聚糖的生理功能

• 降低肝脏和血清中的胆固醇
• 提高机体的免疫功能
• 强抗肿瘤
• 增殖双歧杆菌

第27页：环状糊精的聚合度与命名

4、环状低聚糖

又名沙丁格糊精（Schardinger Dextrin），由环状α-D-吡喃葡萄糖苷构成。

第28页：环状糊精的结构示意

4、环状低聚糖 Cyclodextrin（CD）

第29页：α、β与γ环状糊精对比

α-环状糊精、β-环状糊精、γ-环状糊精

第30页：环糊精的结构特点与应用

环糊精的结构特点

• 圆柱形，高度对称性
• -OH在外侧，C-H和环O在内侧
• 环的外侧亲水，中间空穴是疏水区域
• 作为微胶囊壁材，包埋脂溶性物质（风味物、香精油、胆固醇）

环糊精在食品工业中的应用

1. 保持食品香味的稳定
2. 保持天然食用色素的稳定

第31页：多糖概述与分类

第四节 多糖 Polysaccharides

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200～3000，常见多糖有淀粉、纤维素、半纤维素、果胶、瓜尔豆胶等。

• 按结构分：直链多糖、支链多糖
• 按组成分：均匀多糖、非均匀多糖（杂多糖）

第32页：多糖的性质

二、多糖的性质

1、多糖的溶解性

多糖的溶解性与结构之间的关系；多糖结合水对食品质量的影响。

2、多糖的粘度和稳定性

多糖在水中呈亲水胶体状，具有增稠和凝胶的功能；有控制流动及质构的功效。

3、凝胶

三维网络结构；氢键、疏水相互作用、范德华引力、离子桥连、缠结或共价键；网孔中液相。

4、多糖水解

在酸或酶的催化作用下，糖苷键被水解。

第33页：淀粉粒的形态与大小

三、淀粉 Starch

1、淀粉粒的特性

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。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，谷物淀粉粒最小。

第34页：直链淀粉的结构

2、淀粉结构：直链淀粉 Amylose

注：原文相对分子质量排版作 106，按 10⁶ 收录。

第35页：支链淀粉的结构

2、淀粉结构：支链淀粉 Amylopectin

支链淀粉是一种非常大的、支化度很高的大分子。

注：原文分子量排版作 107~5×108，按 10⁷~5×10⁸ 收录。

第36页：淀粉的糊化

3、淀粉糊化 Gelatinization

淀粉粒在适当温度下，在水中溶胀、分裂，形成均匀的糊状溶液的过程称为糊化。其本质是微观结构从有序转变成无序，双折射和结晶结构也完全消失。糊化温度指双折射消失时的温度，糊化温度不是一个点，而是一段温度范围。

几种粮食淀粉的糊化温度（℃）

第37页：影响淀粉糊化的因素

影响淀粉糊化的因素

• 分子结构：直链淀粉比支链淀粉难糊化
• Aw：Aw提高，糊化程度提高
• 糖和盐：高浓度的糖和盐，使淀粉糊化受到抑制
• 脂类：脂类可与淀粉形成包合物，从而抑制淀粉糊化
• pH值：pH＜4时，不利于糊化；pH在4～7时，不影响
• 淀粉酶：淀粉酶的存在有利于糊化

第38页：淀粉的老化

淀粉老化 Retrogradation

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，被称为淀粉的老化。实质是糊化后的分子又自动排列成序，形成高度致密的、结晶化的、不溶解性分子微束。

第39页：影响淀粉老化的因素

影响淀粉老化的因素

• 温度：2~4℃易老化，＞60℃或＜-20℃不易发生老化
• 水分：含水量30~60%易老化，＜10%或过高均不易老化
• 结构：直链淀粉比支链淀粉易老化；聚合度中等的淀粉易老化
• 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，可与淀粉竞争水分子及干扰淀粉分子平行靠拢，从而起到抗老化作用

第40页：淀粉的水解

4、淀粉水解 Hydrolization

热和酸的作用

酸轻度水解

淀粉变稀，即酸改性或变稀淀粉；提高凝胶的透明度，并增加凝胶强度；用作成膜剂和粘结剂。

酸水解程度加大

得到低粘度糊精；用作成膜剂和粘结剂、糖果涂层、微胶囊壁材。

酶的作用：生成葡萄糖或糖浆。

第41页：改性淀粉的定义与物理方法

5、改性淀粉

定义

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，这种淀粉被称为改性淀粉。

淀粉改性的方法：物理方法

主要采用高温高压的方法，只使淀粉的物理性质发生改变。如将糊化后的淀粉迅速干燥，即得预糊化淀粉，它可在冷水中溶解。

第42页：氧化淀粉

淀粉改性的方法：化学方法——氧化淀粉

淀粉分子中的羟基能够被次氯酸钠、双氧水、臭氧等氧化物氧化为羧基。

• 优点：粘度低，不易凝冻
• 用途：做增稠剂和糖果成型剂

第43页：酸降解淀粉

化学方法——酸降解淀粉

用H₂SO₄、HCl使淀粉降解。

• 优点：粘度低、老化性大、易皂化
• 用途：用于软糖、果冻、糕点生产

第44页：淀粉衍生物

化学方法——淀粉衍生物（淀粉酯、淀粉醚、交联淀粉）

• 淀粉酯：如淀粉磷酸酯（磷酸淀粉）
• 淀粉醚：如羟甲基淀粉（CMS）
• 交联淀粉：淀粉在交联剂（甲醛）作用下结合成更大分子

优点：降低糊化温度，提高淀粉糊透明度，提高抗老化以及冷冻-解冻的稳定性。

第45页：淀粉接枝共聚物与淀粉塑料

化学方法——淀粉的接枝共聚物

淀粉可以与聚乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇共混制成淀粉塑料。淀粉塑料有一定的生物降解性，对解决塑料制品造成的“白色污染”有很大的意义。

第46页：纤维素的分子构成

四、纤维素 Cellulose

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。

①结构：由β-（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。

第47页：纤维素的性质

②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

第48页：羧甲基纤维素的应用

③改性纤维素：羧甲基纤维素 Carboxymethylcellulose（CMC）

应用

• 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

第49页：甲基纤维素与羟丙基甲基纤维素

③改性纤维素：甲基纤维素（Methylcellulose，MC）、羟丙基甲基纤维素（Hydroxypropylmethylcellulose，HPMC）

• 优点：热胶凝性、保湿性好
• 用途：保湿剂、增稠剂、稳定剂

第50页：果胶的主链与甲酯化

五、果胶 Pectin

①结构：主链由D-吡喃半乳糖醛酸以α-1,4糖苷键相连，通常以部分甲酯化存在，即果胶。

第51页：果胶按酯化度分类

②分类：以酯化度分类