食品化学碳水化合物部分

食品化学碳水化合物部分第1页/共81页一、内涵碳水化合物是包含一个羰基(carbonylgroup,-C=O)的多羟基化合物（polyhydroxylcompounds,-OH）。经验式(Empiricalformula)：Cm(H2O)n,特殊情况：C2H4O2、C3H6O3(乳酸)、C5H10O4（脱氧核糖）和C6H12O5（鼠李糖）。根据官能团(functionalgroup)，碳水化合物分为：Aldoses（醛糖）和

ketoses（酮糖）根据单糖聚合度(singlesugarunit)，碳水化合物分为：

Monosaccharides（单糖）:1unitOligosaccharides（低聚糖）:2-10units(二糖Disaccharides:2units)Polysaccharides（多糖）:>10units2第2页/共81页Aldoses(醛糖)3第3页/共81页Ketoses(酮糖)4第4页/共81页Monosaccharides(单糖)5第5页/共81页Oligosaccharides(低聚糖)蔗糖麦芽糖6第6页/共81页Polysaccharides(多糖)纤维素直链淀粉7第7页/共81页二、功能(Functions)碳水化合物可以提供生物体所需的能量和热量。碳水化合物可以用作重要的甜味剂和保藏剂。碳水化合物可以赋予食物风味和颜色。碳水化合物可以提供黏性、胶凝性和稳定性。8第8页/共81页2.1提供能量和热量

根据目前中国膳食碳水化合物的实际摄入量,2000年联合国粮农组织重新修订了我国健康人群的碳水化合物供给量应为总能量摄入的55%-65%,以保障人体能量和营养素的需要。9第9页/共81页2.2用作甜味剂和保藏剂所有的单糖、部分低聚糖和糖醇都具有甜度但是多糖不具有甜味。单糖(Monosaccharides):葡萄糖(glucose),果糖(fructose),果葡糖浆(HFCS)等。低聚糖(Oligosaccharides):蔗糖(Sucrose),麦芽糖(Maltose),龙胆三糖(Gentianose),棉子糖(Raffinose)等。糖醇(Sugaralcohol):山梨糖醇(sorbitol),木糖醇(xylitol),赤藓糖醇(erythritol),异麦芽糖醇(Isomalt)等。10甜味剂第10页/共81页葡萄糖和果糖11第11页/共81页蔗糖和麦芽糖蔗糖麦芽糖12第12页/共81页山梨醇和木糖醇木糖醇山梨醇13第13页/共81页以20oC时10%或15%的蔗糖溶液的甜度为1.0。糖度糖甜度蔗糖α-D-葡萄糖β-D-果糖1.000.701.50α-D-半乳糖α-D-甘露糖α-D-木糖0.270.590.5014第14页/共81页用作保藏剂(Preservers)例如：50%的蔗糖可以抑制酵母(yeasts)。65%的蔗糖可以抑制细菌(bacterias)。80%的蔗糖可以抑制霉菌(molds)。15第15页/共81页2.3赋予颜色和风味碳水化合物可以赋予食品诱人的色泽(金黄色或褐色)如，美拉德反应(Maillardreaction)产生的类黑精（Melanoidin),以及焦糖化反应(Caramelization)产生的焦糖色(Caramel)。碳水化合物可以赋予食品诱人的风味，如美拉德反应中斯特克勒尔(Streckerreaction)降解产生的吡嗪(Pyrazine)。16第16页/共81页2.4黏性、胶凝性和稳定性所有的糖都有黏性。糖的黏性与分子量成正相关。淀粉糖浆(Starchsyrup)和果葡糖浆常被用作提高食物黏度。多糖具有胶凝性，如淀粉(starch)、纤维素(cellulose)、羟甲基纤维素(CMC)、果胶(pectin)、瓜尔豆胶(guargum)和琼脂(agar)。多糖具有很好的亲水性和疏水性，可以改善食品的稳定性。如糊精(Cyclodextrins)、黄原胶

(xanthangum)等。

17第17页/共81页胶凝性(Gelatinization)Starch淀粉18第18页/共81页稳定性(Stabilization)糊精能够提高各种化合物的化学和物理稳定性。4141lipophilic(疏水的)centralcavityhydrophilic(亲水的)outersurfaceCyclodextrins（糊精）CCCCCC19第19页/共81页第二节单糖分类(Classification)专业术语(Nomenclatures)构型和构象(Configurationandconformation)物理性质(Physicalproperties)化学性质(Chemicalproperties)单糖衍生物(Derivants)20第20页/共81页一、

分类分类(Classification):醛糖(Aldoses)和酮糖(Ketoses)

丙糖(Trioses),丁糖

(Tetroses),戊糖(Pentoses)，己糖(Hexoses)重要的单糖(Importantmonosaccharides):葡萄糖(Glucose),

果糖(Fructose),

半乳糖(Galactose),

甘露糖(Mannose).21第21页/共81页醛糖(Aldoses)手性碳原子(chiralcarbonatom)差向异构体(epimer)C4差向异构体C2C2差向异构体C422第22页/共81页手性碳原子甘油醛(Glyceraldehyde)(1)葡萄糖(Glucose)(4)23将连有四个不同基团的碳原子形象地称为手性碳原子第23页/共81页2.1D-/L-型生物界中只存在D-型碳水化合物

。

L-甘油醛

D-甘油醛

根据甘油醛D-/L-型定义，将碳水化合物中离羰基最远的手性碳原子上的-OH在右方的，定义为D-型，而指向左方的则定义为L-型。

24二、构型和构象第24页/共81页

D-型葡萄糖

L-型葡萄糖25第25页/共81页酮糖(Ketoses)C5差向异构体C5C26第26页/共81页2.2α/β型半缩醛上连接的羟基与末端碳上连接的羟基，在同侧的，为β型；在异侧的，为α型。αβ葡萄糖65654433221127第27页/共81页265431αβ果糖22116633445528第28页/共81页2.3呋喃型/吡喃型

吡喃型比呋喃型稳定PyranoidformFuranoidform29第29页/共81页构象：由于分子中的某个原子（基团）绕C-C单键自由旋转而形成的不同的暂时性的易变的空间结构形式。不同的构象之间可以互相转变。构型：分子中由于某个原子（基团）特有的固定空间排列方式不同而使它呈现出不同的较稳定的结构。30第30页/共81页两个聚合物具有相同的化学成分，但是必须通过键断裂或重组才能形成一样的空间结构，那么这两种聚合物被认为是构型不同。(e.g.L/D,α/β).两个聚合物之间可以通过单键的旋转形成一样的空间结构，那么这两种聚合物被认为是构象不同。(e.g.船式和椅式构象).31第31页/共81页三、

单糖物理性质甜度(Sweetness):感官评定法(Sensorycomparisonmethod)旋光性(Opticalactivity):旋光度(Opticalrotation),比旋光度(Specificrotation),变旋现象(Mutarotation)溶解性(Dissolubility):分子结构(Molecularstructure)和温度(Temperature)32第32页/共81页以20oC时10%或15%的蔗糖溶液的甜度为1.0。其他的碳水化合物与该标准品做对比。3.1甜度(Sweetness)糖甜度蔗糖α-D-葡萄糖β-D-果糖1.000.701.50α-D-半乳糖α-D-甘露糖α-D-木糖0.270.590.5033第33页/共81页糖的甜度与分子量成负相关性。所有的单糖、部分低聚糖和糖醇都具有甜度但是多糖不具有甜味。糖的甜度与分子构型有关。α-D-glucose>β-D-glucoseβ-D-fructose>α-D-fructose34第34页/共81页3.2旋光性(Opticalactivity)旋光性是一种物质使偏振光的振动平面发生旋转的特性，使偏振光平面向右旋转的成为右旋糖，D-或（+）。使偏振光平面向左旋转的成为左旋糖，L-或（-）。除了丙酮糖(acetonesugar)外，单糖分子中都含有手性碳原子，因此其溶液都具有旋光性。糖比旋光度D-果糖D-葡萄糖D-半乳糖-92.4o+52.2o+80.2o麦芽糖蔗糖乳糖+130.4o+66.5o+55.4o35第35页/共81页变旋现象(Mutarotation)

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。变旋现象时比旋光度发生改变。α-D-glucoseβ-D-glucoseα/β型平衡β-D-fructoseα-D-fructoseα/β型平衡糖比旋光度α-D-glucoseβ-D-glucoseβ-D-fructoseα-D-fructose+112.2o+18.7o-133.5o-21o36第36页/共81页3.3溶解性(Dissolubility)单糖分子易溶于水，不溶于乙醚(ethylether)和丙酮(acetone)等有机溶剂。糖的溶解性与分子极性和温度有关。极性基团越多，溶解度就越高。果糖(fructose)>葡萄糖(glucose)温度升高，溶解性增大。fructoseandglucose:50oC>40oC>30oC>20oC37第37页/共81页3.4结晶性(Crystallinity)单糖中葡萄糖和二糖中蔗糖非常容易发生结晶现象。果糖(Frucose),转化糖(invertsugar),淀粉糖浆(starchsyrup)不会发生结晶现象。38第38页/共81页3.5黏度(Viscosity)所有的糖溶液都具有黏度。糖的黏度与分子质量成正相关性。葡萄糖和果糖(glucoseandfructose)<蔗糖(sucrose)淀粉糖浆(Starchsyrup)和果葡糖浆(HFCS)常用于提高食品的黏度。39第39页/共81页四、

化学性质异构化作用(Isomerization)葡萄糖Glucose甘露糖Mannose果糖Fructose脱水反应(Dehydrationreaction)

Sugar(糖）Furfural(糠醛)酯化反应(Esterificationformation)Sugar(糖）Ester(酯)氧化反应(Oxidationreaction)

R-CHO(醛基)R-COOH(羧酸基）还原反应(Reductionreaction)

R-CHO(醛基)R-CH2OH(伯醇基)40第40页/共81页异构化反应(Isomerization)果糖葡萄糖甘露糖烯醇式中间体41第41页/共81页葡萄糖(glucose)葡萄糖醇(glucitol)甘露糖(mannose)甘露醇(mannitol)木糖(xylose)木糖醇(xylitol)还原反应(Reducingreaction)木糖木糖醇42第42页/共81页五、

单糖衍生物氨基糖

(Aminosugars)糖苷

(Glycosides)糖醇

(Sugaralcohols)脱氧糖

(Deoxysugars)43第43页/共81页5.1氨基糖(Aminosugars)一个或多酚羟基被氨基取代而生成的化合物。例如葡萄糖胺(D-Glucosamine)半乳糖胺

(D-Galactosamine)

D-GalactosamineD-Glucosamine44第44页/共81页5.2糖苷(Glycosides)羰基与其他醇分子的羟基或酚羟基结合形成半缩醛或酮。通过O-(an

O-glycoside),N-(a

glycosylamine),S-(a

thioglycoside)orC-(a

C-glycoside)糖苷键连接.45第45页/共81页5.3糖醇(Sugaralcohols)山梨醇(sorbitol),甘露醇(mannitol),半乳糖醇(dulcitol),木糖醇(xylitol),阿拉伯醇(arabitol)糖醇的性质:亲水性(hydrophilic)润湿剂(humectants)口感凉爽(Coolfeeling)低热值(Lowcalories)木糖醇46第46页/共81页5.4脱氧糖(Deoxysugars)单糖分子中的一个或多个羟基被氢原子取代生成的化合物称为脱氧糖。

脱氧核糖(desoxyribose),海藻糖(fucose),鼠李糖(rhamnose).脱氧核糖鼠李糖海藻糖47第47页/共81页总结(Summary)什么是碳水化合物?为什么碳水化合物如此重要?专业名词:手性碳原子差向异构体D-/L-型α/β-型构型和构象48第48页/共81页总结(Summary)单糖的物理性质甜度、旋光性、溶解度单糖的化学性质氧化反应还原反应异构化反应49第49页/共81页50第二节低聚糖定义(Definition)分类(Classification)重要的低聚糖(Importantoligosaccharides)性质(Properties)功能(Functions)第50页/共81页51一、定义及分类低聚糖

(DP=2-10)二糖(Disaccharides)

蔗糖(Sucrose),麦芽糖(Maltose)三糖(Trisaccharides)

龙胆三糖G(entianose),棉子糖(Raffinose),麦芽三糖(Maltotriose)四糖(Tetrasccharides)麦芽四糖(Maltotetraose),水苏四糖(Stachyose)五糖(Pentosaccharides)麦芽五糖(Maltopentaose)第51页/共81页52均低聚糖(Homo-oligosaccharides)麦芽糖(Maltose),环糊精(Cyclodextrin)杂低聚糖(Hetero-oligosaccharides)蔗糖(Sucrose),棉籽糖(Raffinose)还原糖(Reducingoligosaccharides)和

非还原糖(Nonreducingoligosaccharides)

是否含有游离的醛基、酮基或是半缩醛上还原性羟基。第52页/共81页53二、

二糖定义(DP=2)分类还原(reducingdisaccharides)和非还原二糖(nonreducingdisaccharides)性质易溶于水具有甜味具有旋光性可以结晶重要的二糖第53页/共81页542.1蔗糖蔗糖是一个非还原糖(nonreducingsugar)。蔗糖可以水解生成葡萄糖和果糖。

[α]D20变化从+66.5o到-19.9o。蔗糖水解液被称为转化糖浆(invertsyrup)。α,β-1,2糖苷键(glycosidicbond）1第54页/共81页55在水果、花、种子等植物中广泛存在工业上由甘蔗（茎中可高达26%）或甜菜（块根中约20%）制备甜味较强，为常用的甜味剂无还原性，溶液无αβ变化，甜味不随时间变化在酸或转化酶作用下，水解为D-葡萄糖和果糖。第55页/共81页562.2麦芽糖(Maltose)麦芽糖属于还原糖，甜度是蔗糖的1/3，口感柔和。淀粉在淀粉酶水解下可生成麦芽糖

，麦芽糖可被酵母发酵。面团发酵和甘薯蒸烤时就有麦芽糖产生，生产啤酒所用的麦芽汁中所含糖的主要成分就是麦芽糖。α,α-1,4糖苷键

1第56页/共81页57乳糖是还原糖，有旋光性，甜度是蔗糖的1/6。

乳糖是哺乳动物(mammals)乳汁中的主要成分。有助于有机体内钙质的代谢和吸收，缺乏乳糖酶导致乳糖不耐症。2.3乳糖(Lactose)β,α-1,4糖苷键1第57页/共81页58发酵乳制品如大多数酸奶和干酪中乳糖含量很少，一些乳糖发酵过程中被转化成乳酸。乳糖在水解成单糖D-葡萄糖和D-半乳糖之后才能作为能量利用。乳糖到达小肠后才被消化，小肠内存在乳糖酶。乳糖促进肠道吸收和钙的保留。乳糖D-葡萄糖+D-半乳糖乳糖酶第58页/共81页59乳糖不耐症乳糖保留在小肠肠腔内，由于渗透压的作用，乳糖有将液体引向肠腔的趋势，产生腹胀和痉挛。乳糖不耐症随着年龄增大而加重。有两种方法可以克服乳糖酶缺乏的影响，一种方法是通过发酵如在生产酸奶和乳制品时除去乳糖另一种方法是加入乳糖酶减少乳中乳糖。第59页/共81页602.4纤维二糖(Cellobiose)纤维二糖是还原糖。纤维二糖在自然界中无游离状态，可以通过纤维素酶解或酸解(enzymaticoracidichydrolysis)产生。β,β-1,4糖苷键

1第60页/共81页612.5海藻糖(Trehalose)海藻糖属于非还原糖，广泛存在于海藻、真菌、蕨、麦角等高等植物以及酵母、无脊椎动物及昆虫的血液中。海藻糖具有较高的保湿性，可用作化妆品和食品。α,α-1,1糖苷键11第61页/共81页622.6果葡糖浆果葡糖浆

(HFCS)是以酶法糖化淀粉所得的糖液经葡萄糖异构酶的异构化，将其中一部分葡萄糖异构成果糖，得到由葡萄糖和果糖为主要成分组成的混合糖浆。

玉米淀粉玉米糖浆高糖麦芽糖葡萄糖糖浆中的葡萄糖葡萄糖异构酶果糖第62页/共81页63果葡糖浆的种类:F55(大部分用于软饮料中),含有55%果糖和42%葡萄糖;F42(广泛用于焙烤食品中),含有42%果糖和53%葡萄糖;F90,含有90%果糖和10%葡萄糖,主要用于与F42

混合制备F55果葡糖浆。性质吸湿性强、发酵性好、抗结晶性高。用作蔗糖替代品。第63页/共81页643.1棉子糖(Raffinose)

棉籽糖是非还原糖，甜度是蔗糖的1/5-2/5。棉籽糖广泛存在于植物中，如棉籽、甜菜、马铃薯等。1612α,α-1,6糖苷键

α,β-1,2糖苷键

三、其他低聚糖

第64页/共81页653.2水苏糖(Stachyose)水苏糖属于非还原糖

水苏糖广泛存在于植物中，如绿豆、黄豆等豆科植物中。161612α,α-1,6糖苷键

α,β-1,2糖苷键第65页/共81页663.3麦芽五糖(Maltopentaose)11114444属于还原糖α,α-1,4糖苷键第66页/共81页67四、功能性低聚糖功能性低聚糖低聚果糖(fructooligosaccharide),低聚木糖(xylooligosaccharide),低聚异麦芽糖(isomaltosehypgather),低聚半乳糖(oligomate),大豆低聚糖(soybean)，甲壳低聚糖(chitooligosacchairides)性质低甜度、低热值、难以被人体消化，食用后基本上不增加血糖和血脂，但有润肠通便的作用。能被大肠内双歧杆菌选择性地利用，增加体内双歧杆菌的数量，促进肠胃功能可以防止龋齿第67页/共81页684.1低聚果糖低聚果糖是蔗糖分子中的

D-果糖以β(2−>1)糖苷键连接1-3个果糖基而成的蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖及其混合物。G-F-Fn,n=1-3(G代表蔗糖基,F代表果糖基)蔗果三糖kestose(GF2)、蔗果四糖tetrose(GF3)、蔗果五糖kestopentose(GF4)和混合物mixtureFOS属于非还原糖FOS可以从水果和蔬菜中提取获得，如香蕉，洋葱，大蒜，西红柿，芦笋，韭菜等。第68页/共81页69第69页/共81页70低聚果糖可以通过两种方法制得:酶解菊芋粉(inulin)。以蔗糖为原料采用β-D-呋喃果糖苷酶(fructosidase)的转果糖基作用，在蔗糖分子上以β-1,2糖苷键与1-3个果糖分子相结合而成，该酶多由米曲霉(Aspergillusoryzae)和黑曲霉(Aspergillusniger)生产制得。第70页/共81页71低聚果糖可以抑制唾液和肠道消化酶的水解作用，可以用作双歧杆菌(bifidobacterium)的底物。增加体内双歧杆菌的数量，抑制肠内沙门氏菌和腐败菌的生长。低聚果糖可以促进钙吸收。低聚果糖可以防止龋齿。第71页/共81页72低聚果糖可以用于酸奶(yoghurt)和其他奶制品(dairyproducts)中。低聚果糖可用于膳食纤维产品中，提供低热值。FOS在日本广泛用作食品强化剂(dietarysupplement)第72页/共81页734.2低聚木糖低聚木糖是由2-7个木糖以β(1−>4)糖苷键连接而形成的低聚糖。其中木二糖为主要有效成分。低聚木糖甜度是蔗糖的50%，耐酸、耐热、不分解，适合加到酸性饮料及发酵食品中。在

酸性(PH2.5-8)和高温（高达

100

oC）条件都不易分解。广泛存在于玉米芯、