第三章碳水化合物

第一节食品中的碳水化合物

1.表达通式

此类化合物的一般通式可以表示为Cx(H20)y；

2.定义

糖类化合物可以定义为多羟基的醛类、酮类化合物或其聚合物及其各类衍生物。

目前一页\总数六十九页\编于六点

3.重要性

生物体维持生命活动能量的重要来源（80％），合成其它化合物的基本原料，生物体的主要结构成分。

4.研究热点

对功能性低聚糖和多糖类化合物（活性多糖）的研究。目前二页\总数六十九页\编于六点第二节单糖一、结构

常见单糖的结构目前三页\总数六十九页\编于六点二、单糖与食品相关的物理学特性1.单糖的甜度、旋光性、溶解度2.吸湿性、保湿性与结晶性

不同的糖吸湿性不同，果糖最强，葡萄糖次之。

不同的单糖其结晶形成的难易程度不同。5.其他

粘度：萄、果<蔗<淀粉糖浆三、糖苷

有O－糖苷、S－糖苷、N－糖苷、生氰糖苷等。

目前四页\总数六十九页\编于六点四、单糖的食品化学反应

食品中的褐变反应包括酶促褐变（有酶的参与，氧化反应）和非酶褐变（没有酶的参与，非氧化反应）反应，非酶褐变主要包括美拉德反应和焦糖化反应。（一）Maillard（美拉德)反应

对这类反应的讨论是食品化学的一个重点内容。

Maillard（美拉德)反应指食品在油炸、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，这种反应被称为美拉德反应。

目前五页\总数六十九页\编于六点美拉德反应的利与弊目前六页\总数六十九页\编于六点

Maillard反应需经历亲核加成、分子内重排、脱水、环化等步骤。其中又可分为初期、中期和末期三个阶段。

1、反应机理

（1）初期阶段Maillard反应的初期阶段包括两个过程，即羰氨缩合与分子重排。

羰氨缩合目前七页\总数六十九页\编于六点

上步产物葡糖胺酸性条件下可以发生Amadori（阿姆德瑞）重排而转化为环式果糖胺：Amadori分子重排目前八页\总数六十九页\编于六点

（2）中期阶段酮式果糖胺在中期阶段主要的分解过程可能有三个途径，这里仅介绍脱水转化成羟甲基糠醛的途径。其过程可以表示为：目前九页\总数六十九页\编于六点（3）末期阶段前两个阶段尤其是中期阶段得到的许多产物及中间产物，如糠醛及其衍生物、二羰基化合物等，可以进一步缩合、聚合形成复杂的高分子色素。目前十页\总数六十九页\编于六点2、影响Mailard反应的因素

（1）底物结构存在于食品中的糖类化合物及其它羰基类化合物都可能发生Mailard反应。在糖类物质中：五碳糖（核糖>阿拉伯糖>木糖）>六碳糖（半乳糖>甘露糖>葡萄糖），醛糖>酮糖，单糖>二糖。

除氨基酸外，胺类、蛋白质、肽类均能参加Mailard反应。一般地，反应的活性：胺类>氨基酸；碱性氨基酸>中性或酸性氨基酸；氨基处于ε位或碳链末端的氨基酸>氨基处于α位的。而蛋白质的褐变速度则十分缓慢。目前十一页\总数六十九页\编于六点

（2）反应物浓度

Mailard反应速度与反应物浓度成正比；完全干燥的条件下难以发生，含水量在10～15%时容易发生；（3）温度Mailard反应是一个热反应，温度越高，反应时间越长，反应进行的程度越大。（4）pH

碱性条件有利于Mailard反应的进行，而酸性环境，特别是pH3以下可以有效防止褐变反应的发生。（5）金属离子许多金属离子可以促进Mailard反应的发生，特别是铁离子与铜离子，三价铁比二价铁更为有效。目前十二页\总数六十九页\编于六点

3、Mailard反应的抑制与促进

要抑制美拉德反应，可采用如下的方法：（1）将水分含量降到很低；（2）如果是流体食品则可通过稀释、降低PH、降低温度或除去一种作用物；（3）亚硫酸盐或酸式亚硫酸盐可抑制美拉德反应；（4）在食品加工的过程中避免混入铁和铜离子。要促进美拉德反应则要采用与上面相反的条件。目前十三页\总数六十九页\编于六点(二)焦糖化反应

糖类尤其是单糖类在没有含氨基化合物存在的情况下，加热到熔点以上（一般为140～170℃）时，会因发生脱水、降解等过程而发生褐变反应，这种反应称为焦糖化反应，又叫卡拉蜜尔作用（caramelization)。

焦糖化反应有两种反应方向，一是经脱水得到焦糖（酱色）等产物；二是经裂解得到挥发性的醛类、酮类物质，这些物质还可以进一步缩合、聚合最终也得到一些深颜色的物质。这些反应在酸性、碱性条件下均可进行，但在碱性条件下进行的速度要快得多。

目前十四页\总数六十九页\编于六点

在食品工业中，利用蔗糖焦糖化的过程可以得到不同类型的焦糖色素：

A.耐酸焦糖色素：蔗糖在亚硫酸氢铵催化下加热形成，其水溶液pH2～4.5，含有负电荷的胶体离子；常用在可乐饮料、其它酸性饮料、焙烤食品、糖浆、糖果以及调味料中。

B.糖与铵盐加热所得色素：红棕色，含有带正电荷的胶体离子，水溶液pH4.2～4.8；用于焙烤食品、糖浆、布丁等的生产。C.蔗糖直接加热焦糖色素：红棕色，含有略带负电荷的胶体离子，水溶液的pH3~4；用于啤酒和其它含醇饮料的生产。目前十五页\总数六十九页\编于六点

（三）氧化反应与还原反应

单糖含有游离羰基，既可被氧化成酸，又可被还原为醇。

（四）酯化与醚化

糖中的羟基与有机酸或无机酸相互作用生成酯。糖中羟基除了形成酯外，还能形成醚，但不如天然存在的酯类多。

目前十六页\总数六十九页\编于六点

第三节低聚糖一、食品中重要的低聚糖由2～20个糖单位通过糖苷键连接的碳水化合物称为低聚糖（寡糖）。自然界存在的低聚糖一般不超过6个单糖残基，以二糖最为常见，食品中最重要的二糖有蔗糖、麦芽糖和乳糖，其他的低聚糖包括所谓的益生素物质和环状糊精。目前十七页\总数六十九页\编于六点

食品中重要的二糖的结构目前十八页\总数六十九页\编于六点二、具有特殊功能的低聚糖

目前已证实有特殊保健功能的低聚糖有低聚果糖、低聚木糖、低聚氨基葡萄糖、乳果聚糖、低聚异麦芽糖等。三、环状低聚糖

它是由Ｄ－吡喃葡萄糖通过α-1,４糖苷键连接而成的环糊精，分别是由6-，7-，8-个糖单位组成，称为α-，β-，γ-环糊精。结构见下页图。

目前十九页\总数六十九页\编于六点目前二十页\总数六十九页\编于六点目前二十一页\总数六十九页\编于六点第四节多糖一、定义

超过20个单糖的聚合物称为多糖。单糖的个数称为聚合度（DP）。

大多数多糖的DP为200～3000。由相同的糖组成的多糖称为均匀多糖。由两种或多种不同的单糖组成的多糖称为非均匀多糖，或称杂多糖。目前二十二页\总数六十九页\编于六点

二、多糖的溶解性分子量较小、分支程度低的多糖在水中有一定的溶解度，加热情况下更容易溶解；而分子量大、分支程度高的多糖类在水中溶解度低。在食品工业和其他工业中使用的水溶性多糖称为胶或亲水胶体。由于多糖对水的亲合性，多糖在食品中具有限制水分流动的能力；多糖分子量较大，不会显著降低水的冰点，是一种冷冻稳定剂。目前二十三页\总数六十九页\编于六点

三、多糖溶液的黏度与稳定性

多糖溶液具有很高的黏度。甚至浓度很低时也有很高的黏度。高度支链的多糖分子比具有相同分子量的直链多糖分子溶液的黏度低；带电荷的多糖分子溶液的黏度大大增加。

目前二十四页\总数六十九页\编于六点

多糖形成的胶状溶液其稳定性与分子结构有较大的关系。不带电荷的直链多糖由于形成胶体溶液后分子间可以通过氢键而相互结合，随着时间的延长，缔合程度越来越大，因此在重力的作用下就可以沉淀或形成分子结晶。支链多糖胶体溶液也会因分子凝聚而变得不稳定，但速度较慢；带电荷的多糖由于分子间相同电荷的斥力，其胶状溶液具有相当高的稳定性。

多糖溶液一般具有两类流动性质：一类是假塑性；一类是触变性。目前二十五页\总数六十九页\编于六点支链淀粉目前二十六页\总数六十九页\编于六点四、凝胶

多糖能形成海绵状的三维网状凝胶结构。凝胶既具固体性质，也具液体性质。

五、生理活性

很多多糖具有特殊的生理活性。目前二十七页\总数六十九页\编于六点

六、多糖的水解

多糖水解的条件主要包括酶促水解和酸碱催化水解；调节或控制多糖水解是食品加工过程中的重要环节。

a.酶促水解常见处理对象、酶种类、意义总结如下页表。

b.酸碱催化水解目前二十八页\总数六十九页\编于六点待处理对象所用酶得到产物应用条件应用意义淀粉淀粉酶(来自大麦芽或微生物)在食品中的酶中专门讨论生产糖浆和改善食品感官性质纤维素纤维素酶(包括内切酶、外切酶及葡萄糖苷酶)短的纤维素链、纤维二糖及葡萄糖30~60℃pH4.5~6.5生产膳食纤维、葡萄糖浆及提高果汁榨汁率和澄清度半纤维素半纤维素酶(L-阿拉伯聚糖酶、D-半乳聚糖酶、D-甘露聚糖酶、D-木聚糖酶)半乳糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖及其它单糖提高食品质量果胶果胶酶(有内源和商品之分）主要为半乳糖醛酸，有少量半乳糖、阿拉伯糖等植物质地软化及水果榨汁和澄清目前二十九页\总数六十九页\编于六点

关于膳食纤维：一、组成

目前的研究结果认为，膳食纤维是由纤维素、半纤维素、木质素、果胶、低聚糖、纤维素衍生物、胶质和一些植物相关物质等组成。二、作用

1、排便

2、血胆固醇调节

3、血糖调节目前三十页\总数六十九页\编于六点

4、益生素作用

5、预防癌症发生

6、其他作用如解毒作用

7、不利作用目前三十一页\总数六十九页\编于六点第五节淀粉一、淀粉颗粒的显微结构二、直链淀粉与支链淀粉※三、淀粉的糊化与老化※※四、淀粉的水解※五、改性淀粉

目前三十二页\总数六十九页\编于六点一、淀粉颗粒的显微结构

不同植物的淀粉颗粒其显微结构不同，借此可以对不同来源的淀粉进行鉴别。

不同植物淀粉的特征比较薯片西米变性淀粉珍珠奶茶目前三十三页\总数六十九页\编于六点二、直链淀粉与支链淀粉（一）分子结构

直链淀粉是D－吡喃葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接起来的链状分子。直链淀粉的化学结构示意图目前三十四页\总数六十九页\编于六点

淀粉在水溶液中以螺旋、部分断开的螺旋或无规线团的形式存在的。直链淀粉的螺旋结构示意图直链淀粉在稀溶液中的存在形式目前三十五页\总数六十九页\编于六点

支链淀粉是D-葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接成一直链，此直链上又通过α-1,6-糖苷键形成侧链，在侧链上还有分支，支链的长度一般为20～30个葡萄糖基。支链淀粉的化学结构示意图目前三十六页\总数六十九页\编于六点支链淀粉整体结构示意图支链淀粉呈树枝形分支结构，支链也可呈螺旋，但螺旋很短。目前三十七页\总数六十九页\编于六点（二）分布情况

普通淀粉中一般含70～80％的支链淀粉，蜡质玉米中支链淀粉含量高达99％。一些淀粉中直链淀粉与支链淀粉的比例目前三十八页\总数六十九页\编于六点（三）直链淀粉形成络合物的性质1、直链淀粉与碘形成蓝色络合物

这一性质可用来鉴别直链淀粉和支链淀粉，也是食品分析有时利用的显色反应。目前三十九页\总数六十九页\编于六点2、直链淀粉包络疏水性分子的能力

§直链淀粉的螺旋形结构中羟基群处于螺旋的外部，而疏水区域处于内部，因此直链淀粉能够与直链疏水性分子形成复合物。直链淀粉与脂肪酸酯形成直链淀粉－脂类复合物（见示意图）。

目前四十页\总数六十九页\编于六点§食品工业经常应用到乳化剂与直链淀粉形成络合物来抗淀粉老化。各种乳化剂与直链淀粉形成络合物的能力，与乳化剂链长有关。目前所用食品乳化剂中，络合效果最好的是分子蒸馏饱和单甘油酯，其次是硬脂酸乳酸酯。

§直链淀粉也能与风味化合物结合形成复合物。如癸醛、薄荷酮、1－萘酚等。目前四十一页\总数六十九页\编于六点

三、淀粉的糊化与老化（一）淀粉的糊化1、糊化的概念

淀粉颗粒具有结晶区和非结晶区交替层的结构，通过加热提供足够的能量，破坏了结晶胶束区弱的氢键后，颗粒开始水合和吸水膨胀，结晶区消失，大部分直链淀粉溶解到溶液中，溶液粘度增加，淀粉颗粒破裂，双折射消失，这个过程称糊化。具有胶束结构的生淀粉称为β-淀粉。处于糊化状态的淀粉称为α化淀粉。

目前四十二页\总数六十九页\编于六点目前四十三页\总数六十九页\编于六点2、淀粉糊化本质

糊化的本质是淀粉粒中结晶区和非结晶区的淀粉分子间的氢键断开，分散在水中成为胶体溶液。3、淀粉糊化可分为三个阶段a.可逆吸水阶段：水分进入非结晶区，体积略有膨胀；

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。

目前四十四页\总数六十九页\编于六点

3、糊化温度糊化温度是一个范围。双折射开始消失的温度为糊化开始温度，双折射完全消失的温度为糊化终了温度。各种淀粉的糊化温度不相同。淀粉糊化开始温度（℃）糊化终了温度（℃）淀粉糊化开始温度（℃）糊化终了温度（℃）粳米糯米大麦小麦5958586561636368玉米荞麦马铃薯甘薯6469597072716776几种淀粉的糊化温度目前四十五页\总数六十九页\编于六点

4、淀粉糊化的影响因素:

淀粉种类与颗粒大小：小颗粒淀粉的结构较紧密，糊化较难；

温度:提高温度有利于糊化；

pH:pH4－7影响很小，高pH有利于淀粉的糊化；

水含量：糊化和水含量成正比；

糖：高浓度的糖可降低糊化速度；

脂肪：油脂可显著降低糊化速度和糊化率。

目前四十六页\总数六十九页\编于六点

（二）淀粉老化

1、老化的概念

经过糊化的α-淀粉在室温或低于室温下放置后，会变得不透明甚至凝结而沉淀，这种现象称为老化（回生，凝沉）。

2、老化的本质

其本质是糊化的淀粉分子又自动排列成序，形成致密、高度晶化的不溶解性的淀粉分子微束。目前四十七页\总数六十九页\编于六点

3、影响淀粉老化的因素：

直链淀粉和支链淀粉的比例：直链淀粉比例高时易于老化

；

温度：在2-4℃之间最易老化，60℃以上或-20℃以下不易老化；水分含量：水分30%～60%时最易老化，而低于10%时不易老化。

pH：在偏酸（

pH4以下）或偏碱的条件下也不易老化。

脂类：极性脂类如磷脂、硬脂酰乳酸钠、单甘酯等可以抗老化。目前四十八页\总数六十九页\编于六点

防止淀粉老化，可将糊化后的α-淀粉，在80℃以下的高温迅速除去水分（水分含量最好达10%以下）或冷至0℃以下迅速脱水。这样淀粉分子已不可能移动和相互靠近，成为固定的α-淀粉。α-淀粉加水后，因无胶束结构，水易于浸入而将淀粉分子包蔽，不需加热，亦易糊化。这就是制备方便食品，如方便米饭、方便面条、饼干、膨化食品等的原理。目前四十九页\总数六十九页\编于六点

四、淀粉的水解（1）酸水解法以无机酸为催化剂，一般盐酸和硫酸的催化效率较高。不同来源淀粉酸水解难易不同：马铃薯容易、大米较难；支链淀粉较直链淀粉易水解；结晶区比非结晶区更难水解；目前五十页\总数六十九页\编于六点（2）酶水解法§α-淀粉酶（也称液化酶）:

是一种内切酶，水解任意位置的α-1,4糖苷键，不能水解α-1,6糖苷键，但可越过α-1,6糖苷键水解α-1,4糖苷键。

产物：α-葡萄糖、α-麦芽糖、小分子糊精α－淀粉酶β－淀粉酶淀粉的酶促水解目前五十一页\总数六十九页\编于六点§β-淀粉酶（也称转化酶、糖化酶）：是一种外切酶，从淀粉的非还原端开始水解α-1,4糖苷键，每次切下两个葡萄糖单位，不能水解α-1,6糖苷键,也不能越过α-1,6糖苷键水解α-1,4糖苷键。产物：β-麦芽糖、β-极限糊精§葡萄糖淀粉酶：是一种外切酶，从淀粉的非还原端水解α-1,4，α-1,6和α-1,3糖苷键。产物：为β-葡萄糖。目前五十二页\总数六十九页\编于六点（3）淀粉糖浆（淀粉水解物）淀粉糖浆为淀粉经不完全水解的产品，为无色、透明、粘稠的液体。

葡萄糖当量（DE）是还原糖（按葡萄糖计）在玉米糖浆中所占的百分数（按干物质计）。根据水解程度，即DE值高低可分为：DE60~70的高转化糖浆DE38~42的中转化糖浆DE20以下的低转化糖浆（也称麦芽糊精）其中DE20以上的淀粉糖浆被称为葡萄糖浆或玉米糖浆。淀粉糖浆的糖分组成为：葡萄糖、低聚糖、糊精等，DE值越小，大分子的糖分越多。目前五十三页\总数六十九页\编于六点

五、改性淀粉（一）常用的淀粉改性方法

1、酸改性淀粉（变稀淀粉）

淀粉分子用酸进行轻度水解，制得酸改性淀粉。可作为成膜剂和粘结剂。

2、预糊化淀粉淀粉浆料糊化后及尚未老化前，立即进行滚筒干燥，最终产品即为冷水溶的预糊化淀粉。可用作方便食品或焙烤食品的助剂。目前五十四页\总数六十九页\编于六点

3、酯化淀粉

可采用醋酐、三聚磷酸钠及三偏磷酸钠等对淀粉进行酯化。酯化淀粉有更好的增稠性、糊透明性，还可改善冷冻－解冻的稳定性。可用作焙烤食品、汤汁粉料、汤料、冷冻食品等的增稠剂和稳定剂、微胶囊的壁材等。

4、醚化淀粉

淀粉与氧化丙烯反应制得羟丙基淀粉（淀粉-O-CH2-CHOH-CH3）,其醚化度的最大允许量为0.02～0.2。羟丙基化降低了淀粉的糊化温度，淀粉糊是透明的，不会老化，耐冷冻和解冻。可作为增稠剂和填充剂。目前五十五页\总数六十九页\编于六点

5、交联淀粉

淀粉羟基与双功能试剂或多功能试剂相互作用，例如与磷酰氯或三偏磷酸钠反应所生成的淀粉衍生物称为交联淀粉。交联淀粉有良好的机械性能，并且耐热、耐酸、耐碱。

可用作增稠剂和赋形剂。

6、氧化淀粉用次氯酸钠处理淀粉，制成氧化淀粉。氧化淀粉的糊粘度较低，但稳定性较高，较透明，成膜性好，不易老化。适于作分散剂和乳化剂。目前五十六页\总数六十九页\编于六点

第六节其他植物多糖

一、纤维素

1、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。纤维素是一种膳食纤维，具有重要的功能。在其他行业也有广泛的应用。

结构：由D-葡萄糖通过β-1，4糖苷键连接而成的高分子直链不溶性均一多糖。由无定型区和结晶区构成。用途：纯化的纤维素粉末常作为食品配料,如添加到面包中可增加持水力，延长面包保鲜时间。

目前五十七页\总数六十九页\编于六点纤维素的结构示意图目前五十八页\总数六十九页\编于六点

2、甲基纤维素（MC）

使用氢氧化钠和一氯甲烷处理纤维素，就可得到MC，这种改性属于醚化。用途：增稠剂、表面活性、成膜性以及形成热凝胶（冷却时熔化）。

在油炸食品中加入MC，油摄入可减少50％。

甲基纤维素的结构目前五十九页\总数六十九页\编于六点3、羧甲基纤维素(CMC)

用于食品的是它的钠盐。由于它易溶于水，因而是应用最广的一种食品胶。羧甲基纤维素钠的结构目前六十页\总数六十九页\编于六点二、半纤维素（Ｐ80）

半纤维素是构成植物细胞壁的材料，是一种细胞壁多糖。大多数半纤维素是含有2～4种不同糖基组成的杂多糖。半纤维素在焙烤食品中的作用很大。能减缓面包陈化速率，改善面包心结构，增加面包体积和弹性。半纤维素是膳食纤维的一个重要来源。目前六十一页\总数六十九页\编于六点

三、果胶（Ｐ74）

基本结构：分子的主链由150～500个α-D-半乳糖醛酸基通过1，4糖苷键连接而成，在主链中相隔一定距离含有α-L-鼠李吡喃糖基侧链，因此果胶的