第3章碳水化合物.ppt

第3章 碳水化合物,Carbohydrates,2,本章提要,主要内容：,4.碳水化合物在食品加工储藏过程中的变化及其对食品营养、感官性状和安全的影响。,2.美拉德反应机理及焦糖化反应机理；3.淀粉的特性在食品中的应用：糊化作用、老化作用；,1.碳水化合物的概念、结构和分类，食品中主要碳水化合物的性质；,3,重点与难点：1.单糖类化合物基本的食品学特性。2.Mailard反应的定义、基本过程、主要反应及本质、影响因素。3.Mailard反应对食品品质及外观属性的影响及在食品加工中应该考虑的问题。4.焦糖化反应中反应物的种类、反应条件、主要反应过程及特点。5.低聚糖的苷键类型、主要种类及基本性质。6.多糖类物质的基本性质。7.淀粉分子的基本结构特点。8.淀粉糊化、老化的本质、基本过程及主要的影响因素。,4,本章内容,3.1概述3.2食品中的单糖类化合物3.3食品中的低聚糖类化合物3.4食品中的多糖类化合物,5,熟话说“民以食为天”。糖类化合物是自然界分布广泛、数量最多的有机化合物，是绿色植物光合作用的直接产物。自然界的生物物质中糖类化合物占3/4，从细菌到高等动物都含有糖类化合物。,3.1 概述,植物体中含量最丰富约占其干重的8590。其次是节肢动物，如昆虫、虾蟹外壳的甲壳质。人类消费的主要食品成分是淀粉，占摄入总热量的7580。,6,碳水化合物：糖类化合物的分子组成可用Cn(H2O)m通式来表示，因此也叫碳水化合物。但后来发现有些糖如鼠李糖(C6H12O5)和脱氧核糖（C5H10O4）并不符合上述通式，并且有些糖还含有N、S、P等成分。而像醋酸（C2H4O2）也符合上述通式，但它不是糖类化合物，所以叫碳水化合物已不合适，但是应用已久有许多书还在用。糖类的定义：多羟基醛或酮及其衍生物和缩合物。,一、碳水化合物的一般概念,7,碳水化合物术语,均多糖或杂多糖,植物多糖、动物多糖和微生物多糖,单糖、寡糖和多糖,单糖的数量,单糖的种类,多糖的来源,结构多糖、贮藏多糖和功能多糖,体内的功能,多糖复合物,8,二、食品原料中的碳水化合物,谷物、蔬菜、水果和可供食用的其他植物都含有糖类化合物。食品中常见的单糖是葡萄糖，低聚糖是蔗糖、乳糖、麦芽糖和棉子糖，多糖是淀粉、纤维素、果胶。一般情况，游离的单糖及寡糖是水溶性的，而多糖的水溶性较差，甚至是不溶的。,9,1、谷物中的游离糖类的含量 谷物中游离糖含量很低，如大米（0.1%0.2%）、小麦（0.1%2.4%）、大豆（0.1%）、玉米（0.6%0.9%）、鲜嫩荚青豆（2.3%）、鲜青豌豆（0.55%）。,10,2、蔬菜中的单糖和蔗糖的含量,11,3、水果中单糖和二糖的含量（%）,12,4、普通食品中的糖含量,上面几个表说明，目前加工的食品中水溶性糖含量比其相应的原料来说，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。,13,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 成熟前采摘，后熟过程中酶促反应使淀粉转变为糖，水果变软，变熟，变甜,14,三、食品中碳水化合物的作用,碳水化合物与食品加工质量,碳水化合物与食品的营养,色泽与碳水化合物,口感与碳水化合物,质构与碳水化合物,提供膳食热量,促进肠道蠕动,具有保健功能,15,四、碳水化合物在加工贮藏中的变化,有利变化：淀粉糊化，果胶在水果后熟中的适当降解不利变化：淀粉老化，马铃薯甜化，甜玉米中蔗糖向淀粉转化是否有利要依据食品的种类和变化的程度而定：焦糖化反应，美拉德反应,16,食品中常见单糖的结构,3.2 食品中的单糖类化合物,17,一、单糖 P29,单糖是糖类化合物中最简单，不能再被水解为更小单位的糖类。单糖的结构特点：含有手性碳原子，即不对称碳原子（连接4个不同的原子或基团）。含有一个醛基或酮基。在空间形成两种不同的差向异构体（-型;-型。立体构型呈镜面对称）。,糖分子中除了C1外，任何一个手性碳原子具有不同的构型称为差向异构。如D甘露糖是D葡萄糖的C2差向异构。,18,链式结构醛糖,差向异构,19,链式结构酮糖,差向异构,20,环状结构,21,同侧,异侧,C1为手性碳原子，它有右侧两种端位异构,-与-构型,22,D葡萄糖由Fisher式改写为Haworth式的步骤,转折,旋转,成环,成环,23,-与-两种构型可通过开链式相互转化而达到平衡。,这就是糖具有变旋光现象的原因,24,己糖构象,构象是由原子基团围绕单糖旋转一定位置而形成的。己糖可以形成呋喃型和吡喃型。,25,单糖类化合物均有甜味，甜味的强弱用甜度来区分，不同的甜味物质其甜度大小不同。一般以10%或15%的蔗糖水溶液在20时的甜度为1.0来确定其它甜味物质的甜度，因此又把甜度称为比甜度。下面是一些单糖的比甜度：-D-葡萄糖0.70-D-半乳糖 0.27-D-甘露糖 0.59-D-木糖 0.50-D-呋喃果糖 1.50 不同的单糖其甜度不同，这种差别与分子量及构型有关；一般的讲，分子量越大，在水中的溶解度越小，甜度越小；环状结构的构型不同，甜度亦有差别，如葡萄糖的-构型甜度较大，而果糖的-构型甜度较大。,二、单糖与食品相关的物理学特性,（1）单糖的甜度 P42,26,（2）旋光性及变旋光,所有的单糖均有旋光性，常见单糖的比旋光度（20,钠光）为：D-葡萄糖+52.2 D-甘露糖+14.2 D-果糖-92.4 D-阿拉伯糖-105.0 D-半乳糖+80.2 D-木糖+18.8当单糖溶解在水中的时候，由于开链结构和环状结构之间的互相转化，因此会出现变旋现象。在通过测定比旋光确定单糖种类时，一定要注意静置一段时间（24h）。,27,单糖类化合物在水中都有比较大的溶解度，但不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂。不同的单糖在水中的溶解度不同，其中果糖最大，如20 时，果糖在水中的溶解度为374.78g/100g，而葡萄糖为87.67g/100g。随着温度的变化，单糖在水中的溶解度亦有明显的变化，如温度由20 提高到40，葡萄糖的溶解度则变为162.38g/100g。利用糖类化合物较大的溶解度及对于渗透压的改变，可以抑制微生物的活性，从而达到延长食品保质期的目的。但要做到这一点，糖的浓度必需达到70%以上。常温下（20-25)，单糖中只有果糖可以达到如此高的浓度，其它单糖及蔗糖均不能。而含有果糖的果葡糖浆可以达到所需要的浓度。,（3）溶解度 P35,溶解度：t=20，G：48，蔗糖66，果糖：79 一般而言，50蔗糖溶液能抑制一般酵母生长，但抑制细菌需要65，霉菌为80。,28,吸湿性和保湿性反映了单糖和水之间的关系，分别指在较高空气湿度条件下吸收水分的能力和在较低空气湿度下保持水分的能力。这两种性质对于保持食品的柔软性、弹性、贮存及加工都有重要的意义。,（4）吸湿性、保湿性与结晶性 P39,吸湿性大小：果糖、转化糖 葡萄糖,麦芽糖 蔗糖,应用:硬糖生产:蔗糖:葡萄糖 3:1，不返砂不发烊（季节地区变化）软糖：转化糖浆和果葡糖浆 面包糕点：转化糖浆和果葡糖浆,29,（5）其它,单糖与食品有关的其它物理学性质包括黏度、冰点降低及抗氧化性等。,不同的单糖其结晶形成的难易程度不同。,不同糖的结晶特性乳糖结晶蔗糖易结晶，晶体生成很大；葡萄糖易结晶，晶体生成细小；果糖、转化糖较难结晶；应用：硬糖的生产不能单独使用蔗糖 雪糕、冰淇淋等加淀粉糖浆替代部分蔗糖,蔗糖在-23结晶成含水晶体，聚合成球形，使雪糕口感变差。使用淀粉糖浆代替部分蔗糖有很多好处：1.抗结晶性，冰粒细腻；2.淀粉糖浆不含果糖、吸湿性低、保藏性好；3.含糊精，可增加糖果等的韧性、强度和黏性，不易破裂；4.甜度低，温和适口；5.冰点降低小，节约能源。,30,单糖一般的化学性质在有机化学及生物化学中已经进行了详细的介绍，这里只讨论单糖在食品或食品原料中可能发生的化学反应。,三、单糖的食品化学反应（理解）,(一)Maillard(美拉德)反应 P43Maillard（Maillard,L.C.；法国化学家）反应指含羰基化合物（如糖类等）与含氨基化合物（如氨基酸等）通过缩合、聚合而生成类黑色素的反应。由于此类反应得到的是棕色的产物且不需酶催化，所以也将其称为非酶褐变。几乎所有的食品或食品原料内均含有羰基类物质和氨基类物质，因此均可能发生Maillard反应。对这类反应的讨论是食品化学的一个重点内容。,31,Maillard反应是一个非常复杂的过程，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，总体过程可如下图表示。,（1）反应的总体过程,32,到目前为止，Maillard反应中还有许多反应的细节问题没有搞清楚，就现有的研究成果简单分述如下。（）初期阶段 Maillard反应的初期阶段包括两个过程，即羟氨缩合与分子重排。A、羟氨缩合单糖类物质可以和含伯胺基类物质（如氨基酸）发生羟氨缩合反应而得到Schiffs（希夫）碱，Schiffs碱通过分子内环化转化成稳定的环状结构的产物糖胺。,（2）反应机理,33,其中的两步均为亲核加成类型的反应。第一步为氨基N对醛基亲核加成，经脱水形成Schiffs碱；第二步为5-OH对C=N双键亲核加成形成环状的葡糖胺产物。Schiffs碱的稳定性较小，因此第二步反应倾向于形成葡糖胺。酸性条件不利于反应的进行（降低氨基亲核性），碱性可促进此反应的发生。,34,如果体系中存在有可以转化Schiffs碱或使葡糖胺不能形成的物质，则可抑制Maillard反应的发生。如亚硫酸盐的存在：,亚硫酸氢钠与葡萄糖的反应为亲核加成反应，而加成产物与伯胺的反应则为亲核取代反应。,RNH2,35,B、分子重排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：,此过程包括了两个重排步骤，第一个是在酸的存在下葡糖胺经环的破坏而导致的2-C上脱氢的重排过程，可看作是分子内的1,3-重排；第二步是1-氨基-1-脱氧-2-酮糖的烯醇式和酮式的重排过程。,初级反应产物不会引起食品色泽和香味变化，但其产物是不挥发性香味物质的前体成分。,36,（）中期阶段初期阶段中重排得到的酮式果糖胺在中期阶段反应的主要特点是分解。分解过程可能有不同的途径，已经研究清楚的有以下三个途径：A、脱水转化成羟甲基糠醛（pH7.0）图3-24这种途径经历五步反应，其中有三步脱水、一步加水，总的结果是脱去二分子的水，最后生成环状的产物。其过程可以表示为：,37,第一步为烯醇式与酮式的互变异构；第二步可看作在酸的作用下，3-C上的羟基脱水，形成碳正离子，碳正离子发生分子内重排，通过失去N上的质子而形成Schiffs碱；第三步又是烯醇式和酮式的重排得到3-脱氧奥苏糖；第四步3,4-碳之间发生消去反应形成烯键；最后一步是5-C上的羟基与2-羰基发生半缩酮反应而成环，然后消去一分子水形成糠醛。,38,此机理中胺类化合物离去得到的是羟甲基糠醛（HMF），也可以RNH2不离去，得到HMF的Schiffs碱，即胺仍然连在醛基上。所得到的HMF是食品褐变的重要的中间产物，检测这种物质就可以预测褐变的速度。,39,B、脱去胺基重排形成还原酮（pH7.0，温度低）图3-25此途径的过程可以表示为：,其中第一步为烯醇化的过程；第二步为脱去RNH2，分子内重排；第三步为烯醇式转化为酮式；最后一步是3,4-C之间的烯醇化。还原酮是活泼的中间产物，可以继续脱水，也可以与胺类化合物反应，还可分解为较小的分子，如乙酸、丙酮醛、丁二酮（二乙酰）等。,40,C、二羰基化合物与氨基酸的反应（pH7.0，温度高）这是中间阶段一个不完整的途径，即利用前边两个途径中生成的二羰基类中间产物，如A中的3-脱氧奥苏糖、不饱和奥苏糖，B中的还原酮等，与氨基酸类物质发生反应。在此过程中，氨基酸发生脱羧、脱氨，自身转化为少一个C的醛类化合物，而二酮接受氨转化为褐色色素。可简单表示为：,由于此途径中有二氧化碳释放，因此可以通过检测食品中二氧化碳的释放来监测Maillard反应的发生。,此即Strecker（斯特雷克降解）反应。此反应产生的挥发性产物，如醛、糖的裂解物等可使食品具有香气和风味。,41,（）末期阶段以上两个阶段并无深色物质的形成，但可以看出前两个阶段尤其是中间阶段得到的许多产物及中间产物，如糠醛衍生物、二酮类等，仍然具有高的反应活性，这些物质可以相互聚合而形成分子量较大的深颜色的物质（类黑素）。,42,A、羰基化合物种类的影响首先需要肯定的是，并不只是糖类化合物才发生Maillard反应，存在于食品中的其它羰基类化合物也可能导致该反应的发生。在羰基类化合物中，最容易发生Maillard反应的是,-不饱和醛类，其次是-双羰基类，酮类的反应速度最慢。原因可能与共轭体系的扩大而提高了亲核加成活性有关。在糖类物质中有：五碳糖（核糖阿拉伯糖木糖）六碳糖（半乳糖甘露糖葡萄糖）。二糖或含单糖更多的聚合糖由于分子量增大反应的活性迅速降低。,（3）影响Maillard反应的因素,43,B、氨基化合物同样，能够参加Maillard反应的氨基类化合物也不局限于氨基酸，胺类、蛋白质、肽类均具有一定的反应活性。一般地，胺类反应的活性大于氨基酸；而氨基酸中，碱性氨基酸的反应活性要大于中性或酸性氨基酸；氨基处于位或碳链末端的氨基酸其反应活性大于氨基处于位的。C、pH受胺类亲核反应活性的制约，碱性条件有利于Maillard反应的进行，而酸性环境，特别是pH3以下可以有效的防止褐变反应的发生。pH3-9范围内，随着pH上升，褐变上升，pH在7.8-9.2范围内，褐变较严重。,44,D、反应物浓度、含水及含脂肪量Maillard反应与反应物浓度成正比；完全干燥的情况下Maillard反应难于发生，含水量在1015%时容易发生；脂肪含量特别是不饱和脂肪酸（氧化产物）含量高的脂类化合物含量增加时，Maillard反应容易发生。E、温度随着贮藏或加工温度的升高，Maillard反应的速度也提高。F、金属离子许多金属离子可以促进Maillard反应的发生，特别是过渡金属离子（催化糖氧化），如铁离子、铜离子等。,45,Maillard反应条件和产物,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,46,（4）Maillard反应对食品品质的影响,不利方面 营养损失，特别是必需氨基酸损失严重。产生某些致癌物质。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。（面包、啤酒、咖啡）,47,（5）Maillard反应在食品加工的中应用,a.抑制Maillard反应 注意选择原料 如土豆片，选氨基酸、还原糖含量少的品种；糖类一般选用蔗糖。保持低水分 蔬菜干制品密封，袋子里放上高效干燥剂。如SiO2等。,48,应用SO2 硫处理对防止酶褐变和非酶褐变都很有效。保持低pH值 常加酸，如柠檬酸，苹果酸。其它的处理热水烫漂除去部分可溶固形物，降低还原糖含量。钙处理 如马铃薯淀粉加工中，加Ca(OH)2（与氨基酸反应生成不溶性物质）可以防止褐变，产品白度大大提高,49,b.利用Maillard反应 在面包生产，咖啡、红茶、啤酒、糕点、酱油等生产中。产生特殊风味，香味 通过控制原材料、温度及加工方法，可制备各种不同风味、香味的物质。控制原材料 核糖+半胱氨酸：烤猪肉香味 核糖+谷胱甘肽：烤牛肉香味,50,控制温度 葡萄糖+缬氨酸 100-150 烤面包香味 180 巧克力香味 木糖+酵母水解蛋白 90 饼干香型 160 酱肉香型 不同加工方法 土豆 大麦 水煮 125种香气 75种香气 烘烤 250种香气 150种香气,51,（二）焦糖化反应糖类尤其是单糖类在没有氨基化合物存在的情况下，加热到熔点以上（一般为140170）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。焦糖化反应有两种反应方向，一是经脱水得到焦糖（糖色）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。下面分头简单介绍相关的反应过程。,52,（）焦糖的形成单糖和一些二糖均可发生焦糖化反应，但不同的糖反应的条件、过程及产物有所差别。下页以常见单糖及蔗糖为例，简要说明其反应的情况。,53,焦糖素（C125H188O80）,-H20,无甜味而具有温和的苦味,熔点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,54,（）糠醛和其它醛的形成糖在强热下除了上面介绍的焦糖形成过程外，还可通过裂解、脱水等反应，得到活性的醛类衍生物；随着条件的不同，反应最终形成的物质种类也有差别：,55,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：（1）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pH24.5，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、糖果等产品的生产中。（2）糖与铵盐（如(NH4)2SO4）加热所得色素：红棕色，含有正电荷的胶体离子，水溶液pH4.24.8；用于焙烤食品、糖浆、布丁等的生产。（3）蔗糖直接加热（无催化）焦糖色素：红棕色，含有略带负电荷的胶体离子，水溶液的pH34；用于啤酒和其它含醇饮料的生产。,56,焦糖化反应条件,无水或浓溶液，温度150-200。催化剂的存在加速反应：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）,57,（三）抗坏血酸褐变,在果汁及果汁浓缩物的褐变中起重要作用，尤其是柑橘类果汁在贮藏中色泽变暗，放出CO2，同时VC含量下降，都是由于抗坏血酸自动氧化造成的。机理：抗坏血酸脱氢氧化成脱氢抗坏血酸，酯键水解成酸，脱水，脱CO2成羟基糠醛，聚合或经美拉德反应成褐色物质。影响：pH与抗坏血酸褐变，在pH2.03.5内褐变程度与pH成反比，所以pH较低的柠檬汁（pH2.5）和葡萄汁（pH2.9）要比柑橘汁易发生褐变。后果：褐变后，造成营养成分损失和VC破坏；会使有些营养成分不能被消化，从而降低营养价值。,58,上述三种非酶褐变，有共同的中间产物，因而很难确定是哪一种在起作用；美拉德反应和焦糖化作用是脱水干制过程中常见的，两者区别：美拉德反应为氨基酸与还原糖相互反应，而后者为糖自身反应；抗坏血酸褐变反应主要发生在富含VC的果汁中。,59,3.3 食品中的低聚糖类化合物,低聚糖又称寡糖，含有210个糖单位，聚合度低而有甜味，溶于水，普遍存在于自然界。较重要的低聚糖有：蔗糖、麦芽糖、乳糖、棉子糖、水苏糖和环状糊精（沙丁格糊精）等。,一、低聚糖 P30,60,麦芽糖：化合态存在于淀粉、糖原中。,麦芽糖,-1,4-糖苷键,二、低聚糖常见种类、结构及糖苷键类型,61,异麦芽糖：化合态存在于支链淀粉、糖原中。,异麦芽糖,-1,6-糖苷键,62,从D葡萄糖所得的均匀二糖纤维二糖 化合态存在于纤维素中。,纤维二糖,-1,4-糖苷键,63,海藻二糖：以游离态存在于自然界。,海藻二糖,上述四种双糖，除海藻糖外，都含有一个具还原性的游离半缩醛羟基，这些称为还原糖。这些糖能还原金属离子，如Ag+，Cu2+，同时糖生成糖羧酸。而海藻糖不具有游离的半缩醛，因而它不易被氧化，称为非还原糖。,H,-1,1-糖苷键,64,蔗糖：非还原糖，游离态存在于自然界中。,蔗糖,-1,2-糖苷键,65,乳糖：具有还原性，乳中的特有糖类。牛乳：4.5，马乳：7.6；人乳：6-8。乳糖不耐症。,乳糖,-1,4-糖苷键,66,麦芽三糖,甘露三糖,67,环状低聚糖 P30,又名沙丁格糊精或环状淀粉，由-葡萄糖通过1,4-糖苷键首尾相连构成。聚合度为6,7,8,分别称为,环状糊精。,N=6,N=7,N=8,68,三种环状糊精除分子量不同外，水中溶解度、空穴内径等也不相同。环状糊精的结构具有高度对称性，是一个中间为空穴的圆柱体，-OH在外侧，C-H和O在环内侧，环的外侧亲水，中间空穴是疏水区域。因此，环糊精能稳定的将一些非极性化合物截留在环状空穴内，从而起到稳定食品香味的作用，也可以作为微胶囊壁材，包埋脂溶性物质（风味物、香精油、胆固醇）。,环状糊精的立体结构示意图,69,1.水解反应 P37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；如：,三、食品中低聚糖的性质,酶催化的低聚糖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、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。,70,2.褐变反应低聚糖也能发生Maillard等类型的褐变反应，但其反应速度比单糖要慢一些。3.抗氧化作用低聚糖水溶液具有抗氧化性。其原因有二：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.本身具有还原性，可以首先与氧发生反应。4.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。,71,甜味剂:,亲水功能:,蜂蜜和大多数果实的甜味主要取决于蔗糖、果糖、葡萄糖等含量（甜度：果糖蔗糖葡萄糖麦芽糖半乳糖）糖分子中含有羟基，具有一定的亲水能力、吸湿性或保湿性和防腐能力。褐变产物赋予食品特殊风味,如麦芽酚,异麦芽酚增加溶解性，如环状糊精、麦芽糊精。糊精做固体饮料的增稠剂和稳定剂。可促进肠道双歧杆菌生长，促消化，防止便秘和腹泻；降低胆固醇，降低血压；合成维生素；低能量或无能量，不会引起龋齿；不引起血糖升高，作糖尿病人食品。,赋予风味:,特殊功能:,稳定剂:,保健功能:,四、低聚糖的功能,72,五、功能性低聚糖与膳食纤维,人们常听到很多营养专家介绍大家平日要多多摄取足够的膳食纤维,到底什么是膳食纤维?它有什么好处?又应该如何去摄取?,73,膳食纤维的定义 联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）在1985年共同确定的膳食纤维的定义是：“能用公认的定量方法测定的、人体消化器官固有的消化酶不能水解的食用动植物的构成成分”。即指不能被人体消化吸收的多糖类和木质素，包括纤维素、半纤维素、木质素、果胶、树胶和低聚糖等。,74,膳食纤维的分类,根据其溶解于水的程度不同，可分为两个基本类型：(1)水溶性膳食纤维（SDF）主要是果胶、树胶、种子胶、琼脂、多糖、羧甲基纤维素等。主要包括植物细胞的存储物质和分泌物，还包括微生物多糖和合成多糖，主要成分是胶类物质。(2)非水溶性膳食纤维（IDF）主要指纤维素、半纤维素和木质素。是植物细胞壁的主要成分。水溶性膳食纤维目前已经通过FDA、欧盟国家、日本厚生省、中国卫生部的鉴定，被医学界、营养学界专家称为“第七营养素”。,75,功能性低聚糖与膳食纤维的关系,功能性低聚糖不被人体消化吸收,属于低分子量的水溶性膳食纤维。功能性低聚糖的某些生理功能类似于膳食纤维,但它不具备膳食纤维的物理特征，如粘稠性、持水性和膨胀性等。功能性低聚糖的生理功能完全归功于其独有的发酵特征(双歧杆菌增殖特性)。膳食纤维尤其是水溶性膳食纤维部分也是因为其独特的发酵特性而具备某些生理功能的。但是，目前对膳食纤维发酵特性的研究还不够深入，尚无法与功能性低聚糖的双歧杆菌增殖特性相比较。,76,3.4 食品中的多糖类化合物,10个以上单糖的聚合物即为多糖。单糖的个数称为聚合度（DP），大多数多糖的DP为2003000，纤维素的DP最大，达700015000。多糖的形状有直链（如纤维素和直链淀粉）和支链（支链淀粉和糖原）两种。,多糖的结构与活性有密切关系。（P32）,一、多糖 P31,77,含多羟基，对水有较大亲合力。具有限制水分流动能力。分子量较小、分支程度低的多糖类在水中有一定的溶解度，加热情况下更容易溶解。分子量大，不会显著降低冰点。,二、多糖的性质,1.多糖的溶解性 P35,78,多糖溶液的黏度同分子的大小、形态及其在溶剂中的构象等有关。,主要具有增稠和胶凝功能,2.多糖溶液的黏度与稳定性 P39,黏度,79,线性分子，很高粘度,支链分子，粘度较低,占有空间 碰撞频率,黏度,80,大多数亲水胶体溶液的黏度随着温度的提高而降低，这是因为温度提高导致水的流动性增加；而黄原胶是一个例外，其在0100内黏度保持基本不变。,稳定性,81,带电的，粘度提高 静电斥力，链伸展，链长增加，占有体积增大 海藻酸钠、黄原胶及卡拉胶形成稳定高粘溶液 不带电，倾向于缔合、形成结晶 碰撞时形成分子间氢键，分子间缔合，重力作用下产生沉淀和部分结晶 淀粉老化,稳定性,82,3.多糖的水解 多糖的水解指在一定条件下，糖苷键断裂，多糖转化为低聚糖或单糖的反应过程。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。简单介绍酶促水解，酸碱水解略。常见处理对象、酶种类、意义总结如下页表。,83,84,一、淀粉的一般性质,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。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。,淀 粉 P57,85,二、淀粉的结构,直链淀粉：由D-吡喃葡萄糖，-1,4糖苷键连接支链淀粉：由D-吡喃葡萄糖，-1,4和-l,6糖 苷键连接起来的带分枝的复杂大分子,分子内的氢键作用成右手 螺旋状，每个环含有6个葡 萄糖残基,86,支链淀粉：由D-吡喃葡萄糖，-1,4和-l,6糖 苷键连接起来的带分枝的复杂大分子,87,支链淀粉分子排列,分支是成簇和以双螺旋形式存在 形成许多小结晶区 偏光黑十字 侧链的有序排列,88,马铃薯淀粉的颗粒和偏光十字,89,定义：淀粉粒在适当温度下，破坏结晶区弱的氢键，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。本质：微观结构从有序转变成无序，结晶区被破坏。,-淀粉,-淀粉,氢键,H2O,三、淀粉的糊化及老化,（一）淀粉的糊化,90,淀粉的糊化过程,淀粉糊化可分为三个阶段：a.可逆吸水阶段：水分浸入淀粉颗粒的非晶质部分，体积略有膨胀；此时如冷却干燥可以复原，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：淀粉分子完全进入溶液。,91,*内部因素，即淀粉颗粒的大小、内部结晶区多少及其它物质的含量。一般地，淀粉颗粒愈大、内部结晶区越多，糊化比较困难，反之则较易。*外部因素：包括水含量、温度、小分子亲水物、有机酸、淀粉酶、脂肪和乳化剂等。简单讲：糊化和水含量成正比，水含量越高，糊化越容易；高浓度的糖可降低糊化速度（主要影响水活度）；油脂可显著降低糊化速度和糊化率；高pH有利于淀粉的糊化，低pH将抑制淀粉糊化；淀粉酶可使糊化显著加速；提高温度，有利于淀粉的糊化。,92,淀粉糊化性质的应用“即食”型方便食品“方便面”、“方便米饭”：糊化后瞬时干燥。,93,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,比生淀粉的结晶化程度低,（二）淀粉的老化,94,影响淀粉老化的因素：*内部因素：主要指直链淀粉和支链淀粉的比例、分子量的大小；直链淀粉比例高时易于老化；中等聚合度淀粉易于老化。*外部因素：包括温度、水分含量、共存的其它物质等。简单讲：温度对淀粉老化有明显的影响；60以上不易老化，由此温度向下至-2 老化速度不断增加，-2-22 老化速度不断下降，-22 以下淀粉几乎不再老化。当淀粉溶液中的含水量在30%60%时老化速度最快，而低于10%时不再老化。糖、有机酸可阻止淀粉的老化，脂类、乳化剂也可防止淀粉老化，变性淀粉、蛋白质可减缓淀粉老化，但果胶则可促使淀粉老化。,95,果胶物质 P66,1、结构,96,2、分类,以酯化度分类全甲酯化聚半乳糖醛酸（DE100）速凝果胶（DE70）慢凝果胶（70DE50）低甲氧基果胶（DE50）酯化度（DE）：D-半乳糖醛酸残基的酯化数占D半乳糖醛酸残基总数的百分数。高甲氧基果胶（DE50%）和低甲氧基果胶,97,不含甲酯基，即羧基游离的果胶物质。,原果胶(Protopectin),果胶(Pectin),高度甲酯化的果胶物质，只存在于植物细胞壁和未成熟的果实和蔬菜中，使其保持较硬的质地，不溶于水,果胶酸(Pectic acid),部分甲酯化的果胶物质存在于植物汁液中。,依果蔬成熟过程，果胶物质一般有以下三种状态,98,果胶成冻的条件（普通果胶）：,果胶水溶液含糖量6065pH2.03.5果胶0.30.7,99,植物胶质,植物胶质，为结构复杂的多糖，食品工业中用其作增稠剂、凝冻剂、固香剂、乳化剂、泡沫稳定剂、浊度稳定剂等。,100,魔芋胶从魔芋植物块茎中分离；魔芋糕、魔芋豆腐、魔芋粉丝；仿生食品（虾仁、腰花、肚片、蹄筋、海蛰皮）。P75,阿拉伯树胶树皮浸出液；香精载体；高糖含量低水分糖果（太妃糖、果胶软糖、软果糕等）防止糖结晶产生“白霜”。P76,瓜尔豆胶种子胶；商品胶中黏度最高的一种胶，易于水合产生很高的黏度。作为增稠剂与CMC、黄原胶等共同用于冰激凌、乳制品及冷冻甜食和肉制品中。P73,101,海洋多糖,来自海洋动植物的多糖。海藻胶海藻胶类 琼脂 卡拉胶 壳聚糖,102,海藻酸盐：分子链中G块（L-古洛糖醛酸）很易与Ca2+作用,两条分子链G块间形成一个洞，结合Ca2+形成“蛋盒”模型。P69,用途：果冻、冰激凌、酸奶、汤料中作稳定剂、增稠剂。,103,琼脂以海藻的石花菜属等制取的杂多糖；用来制造软糖（1%1.5%）、果酱，某些水产罐头食品的调味液（增加汁液粘度，延缓结晶析出）及冷饮食品中（改善组织状态，提高凝结能力、粘度和膨胀率，防止形成粗糙的冰结晶，使产品组织轻滑，一般使用量在 0.3%左右）也会添加。P68,卡拉胶红海藻中含有；提高溶液的粘度、稳定乳胶体和各种分散体。广泛应用于巧克力、牛奶、干酪、甜点心、肉罐头、炼乳、冰淇淋和饮料中。P68,104,壳聚糖壳聚糖是甲壳素（又称几丁质）脱乙酰基后的产物，是一种聚氨基糖，它是由N-乙酰-D-葡萄糖胺-14连成的直链多糖。其用途目前看相当广泛（增稠剂、稳定剂、保湿剂、乳化剂、保鲜膜等），常用于制造外科手术缝合线。P71,105,微生物多糖 P74,葡聚糖（右旋糖酐）：由肠膜明串株菌和某些细菌产生的胞外多糖；做胶凝剂等；黄原胶：由甘蓝黑腐病黄杆菌和某些有关微生物产生的胞外多糖；被誉为“工业味精”，是目前世界上生产规模最大且用途极为广泛的微生物多糖。P75 表3-19,由细菌、霉菌和酵母菌合成的食用胶。,106,糖醇是指由糖经氢化还原后的多元醇。常见的糖醇有山梨糖醇、甘露糖醇、木糖醇、甜醇、肌醇等。糖醇大多为白色结晶，具有甜味，易溶于水，是低甜度、低热值物质。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，不发生美拉德反应。,糖醇和糖苷,（1）糖醇 P29,107,有的糖醇在工业上有生产，如 D-葡萄糖醇、D木糖醇和 D-甘露糖醇。D-葡萄糖醇的产量相当大，用途很广，如用作保湿剂、生产抗坏血酸和表面活性剂的原料。食用 D-葡萄糖醇，可被肠缓慢吸收，在肝脏内转变成果糖，代谢反应与果糖相同，不需要膜岛素的控制，这对糖尿病患者是有利的。由于这种原因，葡萄糖醇、木糖醇和其他糖醇都适用于糖尿病人为甜味料。,108,糖醇的相对甜度 糖醇 相对甜度 木糖醇 0.90 山梨糖醇 0.63 半乳糖醇 0.58 麦芽糖醇 0.68 乳糖醇 0.35糖醇不能被口腔细菌利用，不致产生酸性物引起龋齿。D-甘露糖醇的六醋酸酯具有扩张血管的作用，对于心脏病有治疗效果，用作药品。,109,单糖类C1上-OH与非糖物质的-OH、-NH2、-SH之间发生缩合（易于失去一个水分子）从而形成糖苷。糖苷中的糖部分称为糖基，非糖部分称为配基，连接糖基与配基的键为糖苷键。糖苷可分为含氧糖苷、含氮糖苷和含硫糖苷。糖苷通常包含一个呋喃环或一个吡喃环（较稳定）。,（2）糖苷 P30,110,糖苷的类型,O-糖苷,S-糖苷,N-糖苷,111,许多糖苷仅存在于植物中，表现出一定的生物活性。如：黄豆苷（大豆，葛根中含有）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，治冠心病，脑血栓。,O-糖苷,112,银杏中的有效成分：银杏黄酮醇苷，具有扩张冠状血管，改善血液循环。,糖苷的毒性某些生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。,113,重点与难点：1.单糖类化合物基本的食品学特性。2.Mailard反应的定义、基本过程、主要反应及本质。3.Mailard反应对食品品质及外观属性的影响。4.焦糖化反应中反应物的种类、反应条件、主要反应过程及特点。5.低聚糖的苷键类型、主要种类及基本性质。6.多糖类物质的基本性质。7.淀粉分子的基本结构特点。8.淀粉糊化、老化的本质及基本过程。,114,本章习题,一、名词解释 吸湿性 保湿性 糊化 老化-淀粉-淀粉 美拉德反应 焦糖化反应 均匀多糖 杂多糖 二、问答题 1.什么是糊化？影响淀粉糊化的因素有那些？2.什么是老化？影响淀粉老化的因素有那些？如何在食品加工中防止淀粉老化？3.简述食品中糖类化合物的类型及主要的生物学作用。4.采用什么办法可使食品体系中不发生美拉德褐变。5.简述碳水化合物对食品品质有哪几方面的影响？6.食品体系的非酶褐变反应有哪些？有什么区别？,