食品化学-碳水化合物课件.ppt
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- 食品 化学 碳水化合物 课件
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1、第三章 碳水化合物 食品中单糖、低聚糖、多糖等物理化学性质;食品在储藏加工条件下糖类化合物的美拉德褐变 反应及其对食品营养、感观性状和安全的影响;3.淀粉的糊化和老化及其在食品加工中的应用;糖类化合物的结构与功能间的关系本章主要内容第二节 单糖及低聚糖第三节 多糖第一节 概述碳水化合物是由碳水化合物是由多羟基醛、酮或多羟基醛、酮或者多羟基醛酮的者多羟基醛酮的缩合物或衍生物缩合物或衍生物所构成的一类有所构成的一类有机化合物,又称机化合物,又称为糖类为糖类通式通式:Cn(H2O)m绿色植物光合作绿色植物光合作用的直接产物用的直接产物单糖单糖低聚糖或低聚糖或多糖多糖糖苷糖苷、糖酸糖酸、糖醇等糖醇等定
2、义定义分类分类低聚糖低聚糖单糖单糖多糖多糖糖苷糖苷凡不能被水凡不能被水解成更小分解成更小分子的多羟基子的多羟基醛醛、酮及其衍酮及其衍生物的糖类生物的糖类,称为单糖称为单糖凡能被水解凡能被水解为少数单糖为少数单糖分子的多羟分子的多羟基醛基醛、酮的缩酮的缩合物合物,称为低称为低聚糖(寡糖)聚糖(寡糖)220个个凡能水解成凡能水解成20个以上分个以上分子单糖的聚子单糖的聚糖(或者多糖(或者多羟基醛、酮羟基醛、酮的缩合物)的缩合物)称为多糖称为多糖可水解成可水解成糖分子和糖分子和配糖体的配糖体的物质物质根据水解情况根据水解情况4碳水化合物单糖的数量单糖的种类单糖、寡糖和多糖多糖可分为均多糖或杂多糖多糖
3、可分为植物多糖、动物多糖和微生物多糖多糖可分为结构多糖、贮藏多糖和功能多糖多糖复合物多糖的来源体内的功能多糖衍生物分类碳水化合物在食品中的作用碳水化合物在食品中的作用淀粉淀粉谷类食品谷类食品富含碳水化合物富含碳水化合物主食主食食品和加工食品的原料食品和加工食品的原料食品的辅助材料食品的辅助材料食用淀粉食用淀粉粉条和凉粉粉条和凉粉淀粉糖浆和淀粉糖浆和葡萄糖葡萄糖醋、酒醋、酒绿豆粉绿豆粉豌豆粉豌豆粉土豆淀粉玉米淀粉高梁淀粉藕粉藕粉山药粉山药粉食品添加剂食品添加剂多糖多糖改善改善食品食品的质的质地和地和性状性状淀粉淀粉午餐肉午餐肉饼干饼干糖果糖果水溶性水溶性多糖多糖果胶果胶、褐藻胶褐藻胶、琼琼脂脂、
4、魔芋多糖魔芋多糖、羧羧甲基纤维素甲基纤维素颗粒饮料颗粒饮料稳定剂稳定剂果酱果酱、果胨果胨冰淇淋冰淇淋稳定稳定、调调节粘度节粘度凝胶和凝胶和稳定剂稳定剂碳水化合物在食品中的作用碳水化合物在食品中的作用食品和加工食品的原料食品和加工食品的原料食品的辅助材料食品的辅助材料增加粘增加粘着性和着性和持水性持水性稀释面稀释面筋浓度筋浓度改善质改善质地和脆地和脆度度填充剂填充剂低聚糖低聚糖水苏糖水苏糖、棉子糖棉子糖不被人体消不被人体消化酶分解化酶分解不被龋齿菌不被龋齿菌分解利用分解利用促进肠道有促进肠道有益菌活化和益菌活化和增殖增殖如双歧杆菌如双歧杆菌用作低热量用作低热量甜味剂甜味剂碳水化合物在食品中的作用
5、碳水化合物在食品中的作用食品和加工食品的原料食品和加工食品的原料食品的辅助材料食品的辅助材料食品添加剂食品添加剂改善改善食品食品的质的质地和地和性状性状功能性食品功能性食品糖醇糖醇碳水化合物在食品中的作用碳水化合物在食品中的作用食品和加工食品的原料食品和加工食品的原料食品的辅助材料食品的辅助材料多糖多糖果蔬中果胶果蔬中果胶面粉中淀粉面粉中淀粉高纤维素食品高纤维素食品决定果蔬食品的质决定果蔬食品的质地变化地变化决定面包的品决定面包的品质质口感粗糙溶口感粗糙溶解性差解性差食品添加剂食品添加剂改善改善食品食品的质的质地和地和性状性状功能性食品功能性食品影响和改善食品影响和改善食品的形态和质地的形态和
6、质地粗纤维含量是粗纤维含量是制约一些生物制约一些生物材料在食品中材料在食品中应用的关键因应用的关键因素素发生褐变反应发生褐变反应产生风味物质产生风味物质小糖类小糖类单糖和双糖单糖和双糖碳水化合物在食品中的作用碳水化合物在食品中的作用食品和加工食品的原料食品和加工食品的原料食品的辅助材料食品的辅助材料食品添加剂食品添加剂改善改善食品食品的质的质地和地和性状性状功能性食品功能性食品影响和改善食品影响和改善食品的形态和质地的形态和质地影响食品的影响食品的色泽和风味色泽和风味二、食品中的碳水化合物u碳水化合物在植物中含量占干重的80%以上u如:玉米,蔬菜,水果等u单糖及低聚糖主要存在于蔬菜和水果中。u
7、多糖主要存在于玉米,种子,根,茎植物。水果及蔬菜中游离糖含量(%鲜重计)D-葡萄糖D-果糖蔗糖水果葡萄6.867.842.25桃子0.911.186.92梨子0.956.771.61樱桃6.497.380.22草莓2.092.401.03蔬菜甜菜0.180.166.11硬花甘蓝0.730.670.42胡萝卜0.850.854.24黄瓜0.860.860.06常见部分谷物食品原料中碳水化合物含量(按每100g可食部分计)谷物名称碳水化合物(g)纤维素(g)谷物名称碳水化合物(g)纤维素(g)全粒小麦69.32.1全粒稻谷71.81.0强力粉70.20.3糙米73.90.6中力粉73.40.3精白
8、米75.50.3薄力粉74.30.3全粒玉米68.62.0黑麦全粉68.51.9玉米碴75.90.5黑麦粉75.00.7玉米粗粉71.11.4全粒大麦69.41.4玉米细粉75.30.7大麦片73.50.7精小米72.40.5全粒燕麦54.710.6精黄米71.70.8燕麦片66.51.1高粱米69.51.7食品糖的百分含量(%)食品糖的百分含量(%)可口可乐9蛋糕(干)36脆点心12番茄酱29冰淇淋18果冻(干)839普通食品中的糖含量上表说明,目前加工的食品中水溶性糖含量比其相应的原料要多得多。这是为满足食品的风味和色泽需要而人为加入的。返回从上图表中可以看出:天然食物中游离糖的含量很少;
9、加工的食品中则较多。如何将植物源食物中的贮存多糖和结构多糖转化为可溶性多糖?目前可采取的方法有:适时采收;采后处理;加工中添加水解酶等玉米-在蔗糖转化为淀粉前采摘,加热破坏转化酶系,玉米很甜。成熟后采摘或未及时破坏酶系,玉米失去甜味,而且变硬变老水果水果成熟前采摘,成熟前采摘,后熟过程中酶促反应使后熟过程中酶促反应使淀粉转变为糖,水果变淀粉转变为糖,水果变软,变熟,变甜软,变熟,变甜10碳水化合物是营养的基本物质之一。形成一定色泽和风味。游离糖本身有甜度,对食品口感有重要作用。食品的粘弹性也是与碳水化合物有很大关系,如果胶、卡拉胶等。食品中纤维素、果胶等不易被人体吸收,除对食品的质构有重要作用
10、外,还是膳食纤维的构成成分。某些多糖或寡糖具有特定的生理功能,是保健食品的主要活性成分。三、碳水化合物与食品质量11第二节 碳水化合物的理化性质及食品功能性一、碳水化合物的结构(一)单糖 食品中的单糖多以D-构型存在。单糖中部分基团发生变化,形成单糖衍生物。食品中主要的单糖衍生物有:单糖的磷酸酯、脱氧单糖、氨基糖、糖酸、糖醛酸、糖二酸、抗坏血酸、糖醇、肌醇、糖苷等。(二)糖醇与糖苷1、糖醇 糖醇指由糖经氢化还原后的多元醇(Polyols),按其结构可分为单糖醇和双糖醇。目前所知,除海藻中有丰富的甘露糖醇外,在自然界糖醇存在较少。糖醇的商品名称均以相应糖加上“醇”来称呼。糖醇大都是白色结晶,具有
11、甜味,易溶于水,是低甜度、低热值物质。作为糖类重要的氢化产物,不具备糖类典型的鉴定性反应,具有对酸碱热稳定,具备醇类的通性,不发生美拉德褐变反应。文献122、肌醇肌醇是环已六醇,结构上可以排出九个立体异构体。肌醇异构体中具有生物活性的只有肌-肌醇,一般就称它为肌醇。在动物的肌肉、心脏、肝、肺等组织中多与磷酸结合形成磷酸肌醇,在高等植物中,肌醇的六个羟基都成磷酸酯,即肌醇六磷酸;磷酸肌醇还易与体内的钙、镁结合,形成糖醇六磷酸的钙镁盐。肌-肌醇结构133、糖苷糖苷是单糖的半缩醛上羟基与非糖物质缩合形成的化合物。糖苷的非糖部分称为配基或非糖体,连接糖基与配基的键称苷键。根据苷键的不同,糖苷可分为含氧
12、糖苷、含氮糖苷和含硫糖苷等。糖苷通常包含一个呋喃糖环或一个吡喃糖环,新形成的手性中心有或型两种。一般在自然界中存在的糖苷多为-糖苷。n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,失去水后形成的化合物。n组成:糖、配基(非糖部分)糖苷的基本概念配基部分O-糖苷S-糖苷N-糖苷14(三)低聚糖1、概述低聚糖又称为寡糖,它是由210个糖单位以糖苷键结合而构成的碳水化合物,可溶于水。自然界中以游离状态存在的低聚糖的聚合度一般不超过6个糖单位,其中主要是二糖和三糖。如果组成低聚糖的糖基是相同种的为均低聚糖,不同为杂低聚糖。2、环状糊精环状糊精是由68个D-
13、吡喃葡萄糖通过-1,4糖苷键连接而成的D-吡喃葡萄糖基低聚物。由6个糖单位组成的称为-环状糊精,由7个糖单位组成的称为-环状糊精,由8个糖单位组成的称为-环状糊精。15-环状糊精的结构示意图、及-环状糊精除分子量不同外,水中溶解度、空穴内径等也有不同。环状糊精的结构具有高度的对称性,是一个中间为空穴的圆柱体,内壁被C-H所覆盖,与外侧相比有较强的疏水性。因此,环状糊精能稳定的将一些非极性的化合物截留在环状空穴内,从而起到稳定食品香味的作用。保持食品香味的稳定 食用香精和稠味剂用CD包接,用于烤焙食品,速溶食品,速食食品,肉食及罐头食品,可使之留香持久,风味稳定。保持天然食用色素的稳定 如:虾黄
14、素经CD的包接,提高对光和氧的稳定性。食品保鲜 将CD和其它生物多糖制成保鲜剂涂于面包、糕点表面可起保水保形作用 除去食品的异味鱼品的腥味,大豆的豆腥味和羊肉的膻味,用CD包接可除去环状糊精的应用 文献16(四)多糖多糖的结构多糖的分子量较大;形状:直链和支链均多糖(homoglycans),杂多糖(heteroglycans)。多糖的结构与活性有密切的关系.多糖的聚合度不均一,分子量没有固定值,多呈高斯分布。多糖分子的不均一性主要受体内代谢状态有较大关系。此外,某些多糖以糖复合物或混合物形式存在,例如糖蛋白、糖肽、糖脂、糖缀合物等糖复合物,它们的分子量大小受影响因素更多。uuu文献17二、碳
15、水化合物的理化性质1、溶解性单糖、糖醇、糖苷、低聚糖等一般是可溶于水的。糖醇在水中溶解时吸收的热量要比蔗糖高得多,适宜制备具有清凉感的食品。糖苷的溶解性能与配体有很大关系。与多糖的羟基通过氢键结合的水被称为水合水或结合水,这部分水由于使多糖分子溶剂化而自身运动受到限制,通常这种水不会结冰,也称为塑化水,它使多糖分子溶剂化。在凝胶和新鲜组织食品的总含水分中,这种水合水所占的比例较小。粘稠性多数情况下多糖分子链中每个单糖单位能够完全被溶剂化,使之具有较强的持水能力和亲水性,易于水化和溶解。202、水解反应(1)、糖苷的水解A、糖苷水解的意义食品中糖苷的含量虽然不高,但具有重要的生理效应和食品功能性
16、类黄酮苷使食品具有苦味和其他的风味和颜色。毛地黄苷是一种强心剂皂角苷(淄类糖苷)是起泡剂和稳定剂甜菊苷是一种强甜味剂。糖苷一般在碱性条件下稳定,在温或热的酸性水溶液中通过水解产生还原糖。苷元的溶解度降低、苦涩味减轻、对食品的色泽及口感都产生重要影响。糖苷的某些功能消失,有害性的产生或消除。糖苷酶水解23+HHOHHOHO CH2CH2OHOOH HHHOO OHOH HHH OHCHO+HCNOHCH C NHO CCNHHOHHOHOOH HH2OO CH2OHHHCH2OHHHOOOH H苦杏仁苷酸水解或酶水解示意图苯甲醛氢氰酸龙胆二糖苦杏仁苷的功能性消失产生有害成分食物中主要的硫代糖苷及
17、其水解产生物糖苷苦杏仁苷和野黑樱苷亚麻苦苷巢菜糖苷食物原料苦扁桃和干艳山姜的芯亚麻籽种子及种子粕豆类(乌豌豆和巢菜)水解后的分解物葡萄糖 +氢氰酸+苯甲醛D-葡萄糖 +氢氰酸+丙酮巢菜糖 +氢氰酸+苯甲醛里那苷金甲豆(黑豆)和鹰嘴豆、D-葡萄糖 +氢氰酸+丙酮(产物还蚕豆 未完全确定)百脉根苷蜀黍氰苷黑芥子苷葡萄糖苷牛角花属的Arabicus高梁及玉米黑芥末(同种的Juncea)各种油菜科植物D-葡萄糖 +氢氰酸 +牛角花黄素D-葡萄糖 +氢氰酸+水杨醛D-葡萄糖 +异硫氰酸盐丙酯 +KHSO4D-葡萄糖 +5-乙烯-2-硫代恶唑烷,或是致甲状腺肿物 +KHSO4芸台葡萄糖硫苷各种油菜科植物各
18、种硫化氢化合物+H2S +KHSO42428(2)、低聚糖及多糖的水解低聚糖容易被酸和酶水解,但对碱较稳定。蔗糖水解称为转化,生成等摩尔葡萄糖和果糖的混合物称为转化糖(invert suger)。多糖在酸或酶的催化下也易发生水解,并伴随粘度降低、甜度增加。在果汁、果葡糖浆等生产过程中常利用酶作催化剂水解多糖。用淀粉生产玉米糖浆就是应用了低聚糖及多糖在酸和酶作用下易水解的原理进行的。正如糖苷的水解速度,除了受它的结构有关外,还受pH、时间、温度和酶的活力等因素的影响。低聚糖和多糖的水解速度也受它的结构、pH、时间、温度和酶活性等因素的影响。293、氧化反应 含有游离醛基的醛糖或能产生醛基的酮糖都
19、是还原糖 在碱性条件下,有弱的氧化剂存在时可被氧化成醛糖酸(aldonicacid);有强氧化剂存在时,醛糖的醛基和伯醇基均被氧化成羧基,形成醛糖二酸(aldaric acid)醛糖在酶作用下也可发生氧化。如某些醛糖特定的脱氢酶作用下其伯醇被氧化,而醛基被保留,生成糖醛酸(uronic acid)。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。D-葡萄糖酸-内酯(GDL):在室温下的水中完全水解需要3小时,pH随之下降。温和的酸化剂304、还原反应单糖的羰基在一定压力与催化剂存在下可加氢被还原成对应的糖醇(polyol),酮糖还原由于形成了一个新的手性碳原子,因此能得到两
20、种相应的糖醇。下图是葡萄糖及果糖还原产生的糖醇。32蔗糖酯乳化剂多糖磷酸一酯,例如,马铃薯淀粉中含有少量磷酸酯基。其它重要的酯淀粉:乙酸酯、琥珀酸酯、琥珀酸酯以及二淀粉己二酸酯。卡拉胶含有硫酸酯基(硫酸一酯R-OSO3-)文献5、酯化与醚化反应酯化反应糖分子中的羟基能与有机酸和一些无机酸形成酯。糖磷酸酯 通常是代谢的中间物。33llll甲基纤维素羧甲基纤维素钠(-O-CH2-COONa+)羟丙基(-O-CH2-CHOH-CH3)纤维素醚羟丙基酯淀粉都己获批准用于食品。在红藻多糖特别是琼脂胶、-卡拉胶和-卡拉胶中存在脱水形成的内醚。醚化反应糖中羟基如醇羟基,除能形成酯外还可生成醚。多糖通过醚化可
21、以改善它们的性质使它们具有较广的用途,例如34三、碳水化合物的食品功能性(一)、亲水功能碳水化合物含有许多亲水性羟基,它们靠氢键键合与水分子相互作用,形成了碳水化合物,对水有较强的亲和力。例如,将不同结构的单糖或低聚糖放置在不同的湿度(RH)若干时间后就能结合一定的空气中水分(下表)糖吸收潮湿空气中水分的百分含量(%)20、不同相对湿度(RH)和时间糖D-葡萄糖D-果糖蔗糖麦芽糖(无水)含结晶水麦芽糖无水乳糖含结晶水乳糖60%,1h0.070.280.040.805.050.545.0560%,9d0.070.630.037.05.11.25.1100%,25d14.573.418.418.4
22、未测1.4未测35糖醇除了甘露醇、异麦芽酮糖醇,均有一定吸湿性糖醇的吸湿性和其自身的纯度有关,一般纯度低其吸湿性也高多糖在放置在不同的湿度(RH)若干时间后也能结合一定的空气中水分并有较好的持水性碳水化合物结合水的能力称为保湿性茶多糖的吸湿性(左图RH=81%,中图RH=43%)与保湿性(右RH=43%)38(二)、粘度与凝胶作用1、粘度的概念 粘度(viscosity)是表征流体流动时所受内摩擦阻力大小的物理量,是流体在受剪切应力作用时表现出的特性。测定方法:毛细管粘度计、旋转粘度计、落球式粘度计和振动式粘度计 影响碳水化合物的粘度的主要因素:内在因素(如分子量大小、分子链形状等)外界因素(
23、如碳水化合物的浓度、温度等)2、多糖溶液的粘度多糖溶液的粘度与其相应食品的增稠性及胶凝性都有重要关系,是食品的主要功能性;通过控制多糖溶液的粘度可控制液体食品及饮料的流动性与质地,改变半固体食品的形态及O/W乳浊液的稳定性。39多糖溶液的粘度同分子的大小、形状、所带净电荷及其所在溶液中的构象有关。多糖分子在溶液中的形状是围绕糖基连接键振动的结果,一般呈无序的无规线团状态(下图)。大多数多糖在溶液中所呈现的无规线团状性质与多糖的组成及连接方式有密切关系。糖分子的无规线团状40溶液中线性高聚物分子旋转和伸屈时占有很大的空间,分子间彼此碰撞的频率高,产生磨擦,消耗能量,因而产生粘度。线性多糖甚至在浓
24、度很低时形成粘度很高的溶液。链长增加,高聚物占有的体积增加,溶液的粘度增加。线性分子,高粘度支链分子,体积小,低粘度相同分子质量的线性多糖和高度支链多糖在溶液中占有的相对体积41带电多糖,粘度增高仅带一种类型电荷(一般带负电荷,它由羧基或硫酸一酯基电离而得)的直链多糖由于相同电荷的斥力呈伸展构型,增加了从一端到另一端的链长,高聚物占有体积增大,因而溶液的粘度大大提高。不带电荷的直链均多糖,因其分子链中仅具有一种中性单糖的结构单元和一种键型,分子链间倾向于缔合和形成部分结晶,这些结晶区不溶于水,而且非常稳定。通过加热,多糖分子溶于水并形成不稳定的分散体系,随后分子链间又相互作用形成有序排列,快速
25、形成沉淀或胶凝现象。直链淀粉通过加热溶于水,接着将溶液冷却,分子经聚集而沉淀,此过程称为老化。伴随老化,水被排除,则称之为“脱水收缩”。面包和其它烘焙食品冷却时,直链淀粉分子缔合而变硬。长时间贮存后,支链淀粉分子也会缔合产生老化。423、胶凝作用在食品加工中,多糖或蛋白质等大分子,可通过氢键、疏水相互作用、范德华引力、离子桥接(ionic cross bridges)、缠结或共价键等相互作用,能形成海绵状的三维网状凝胶结构。网孔中充满着液相,液相是由较小分子质量的溶质和部分高聚物组成的水溶液。典型的三维网络凝胶结构示意图43支链分子或杂聚糖分子间不能很好地结合,因此不能形成足够大的连结区和一定
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