第三章碳水化合物

第一節(jié)食品中的碳水化合物

1.表達通式

此類化合物的一般通式可以表示為Cx(H20)y；

2.定義

糖類化合物可以定義為多羥基的醛類、酮類化合物或其聚合物及其各類衍生物。

當前1頁，總共69頁。

3.重要性

生物體維持生命活動能量的重要來源（80％），合成其它化合物的基本原料，生物體的主要結(jié)構(gòu)成分。

4.研究熱點

對功能性低聚糖和多糖類化合物（活性多糖）的研究。當前2頁，總共69頁。第二節(jié)單糖一、結(jié)構(gòu)

常見單糖的結(jié)構(gòu)當前3頁，總共69頁。二、單糖與食品相關的物理學特性1.單糖的甜度、旋光性、溶解度2.吸濕性、保濕性與結(jié)晶性

不同的糖吸濕性不同，果糖最強，葡萄糖次之。

不同的單糖其結(jié)晶形成的難易程度不同。5.其他

粘度：萄、果<蔗<淀粉糖漿三、糖苷

有O－糖苷、S－糖苷、N－糖苷、生氰糖苷等。

當前4頁，總共69頁。四、單糖的食品化學反應

食品中的褐變反應包括酶促褐變（有酶的參與，氧化反應）和非酶褐變（沒有酶的參與，非氧化反應）反應，非酶褐變主要包括美拉德反應和焦糖化反應。（一）Maillard（美拉德)反應

對這類反應的討論是食品化學的一個重點內(nèi)容。

Maillard（美拉德)反應指食品在油炸、焙烤、烘焙等加工或貯藏過程中，還原糖（主要是葡萄糖）同游離氨基酸或蛋白質(zhì)分子中氨基酸殘基的游離氨基發(fā)生羰氨反應，這種反應被稱為美拉德反應。

當前5頁，總共69頁。美拉德反應的利與弊當前6頁，總共69頁。

Maillard反應需經(jīng)歷親核加成、分子內(nèi)重排、脫水、環(huán)化等步驟。其中又可分為初期、中期和末期三個階段。

1、反應機理

（1）初期階段Maillard反應的初期階段包括兩個過程，即羰氨縮合與分子重排。

羰氨縮合當前7頁，總共69頁。

上步產(chǎn)物葡糖胺酸性條件下可以發(fā)生Amadori（阿姆德瑞）重排而轉(zhuǎn)化為環(huán)式果糖胺：Amadori分子重排當前8頁，總共69頁。

（2）中期階段酮式果糖胺在中期階段主要的分解過程可能有三個途徑，這里僅介紹脫水轉(zhuǎn)化成羥甲基糠醛的途徑。其過程可以表示為：當前9頁，總共69頁。（3）末期階段前兩個階段尤其是中期階段得到的許多產(chǎn)物及中間產(chǎn)物，如糠醛及其衍生物、二羰基化合物等，可以進一步縮合、聚合形成復雜的高分子色素。當前10頁，總共69頁。2、影響Mailard反應的因素

（1）底物結(jié)構(gòu)存在于食品中的糖類化合物及其它羰基類化合物都可能發(fā)生Mailard反應。在糖類物質(zhì)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，單糖>二糖。

除氨基酸外，胺類、蛋白質(zhì)、肽類均能參加Mailard反應。一般地，反應的活性：胺類>氨基酸；堿性氨基酸>中性或酸性氨基酸；氨基處于ε位或碳鏈末端的氨基酸>氨基處于α位的。而蛋白質(zhì)的褐變速度則十分緩慢。當前11頁，總共69頁。

（2）反應物濃度

Mailard反應速度與反應物濃度成正比；完全干燥的條件下難以發(fā)生，含水量在10～15%時容易發(fā)生；（3）溫度Mailard反應是一個熱反應，溫度越高，反應時間越長，反應進行的程度越大。（4）pH

堿性條件有利于Mailard反應的進行，而酸性環(huán)境，特別是pH3以下可以有效防止褐變反應的發(fā)生。（5）金屬離子許多金屬離子可以促進Mailard反應的發(fā)生，特別是鐵離子與銅離子，三價鐵比二價鐵更為有效。當前12頁，總共69頁。

3、Mailard反應的抑制與促進

要抑制美拉德反應，可采用如下的方法：（1）將水分含量降到很低；（2）如果是流體食品則可通過稀釋、降低PH、降低溫度或除去一種作用物；（3）亞硫酸鹽或酸式亞硫酸鹽可抑制美拉德反應；（4）在食品加工的過程中避免混入鐵和銅離子。要促進美拉德反應則要采用與上面相反的條件。當前13頁，總共69頁。(二)焦糖化反應

糖類尤其是單糖類在沒有含氨基化合物存在的情況下，加熱到熔點以上（一般為140～170℃）時，會因發(fā)生脫水、降解等過程而發(fā)生褐變反應，這種反應稱為焦糖化反應，又叫卡拉蜜爾作用（caramelization)。

焦糖化反應有兩種反應方向，一是經(jīng)脫水得到焦糖（醬色）等產(chǎn)物；二是經(jīng)裂解得到揮發(fā)性的醛類、酮類物質(zhì)，這些物質(zhì)還可以進一步縮合、聚合最終也得到一些深顏色的物質(zhì)。這些反應在酸性、堿性條件下均可進行，但在堿性條件下進行的速度要快得多。

當前14頁，總共69頁。

在食品工業(yè)中，利用蔗糖焦糖化的過程可以得到不同類型的焦糖色素：

A.耐酸焦糖色素：蔗糖在亞硫酸氫銨催化下加熱形成，其水溶液pH2～4.5，含有負電荷的膠體離子；常用在可樂飲料、其它酸性飲料、焙烤食品、糖漿、糖果以及調(diào)味料中。

B.糖與銨鹽加熱所得色素：紅棕色，含有帶正電荷的膠體離子，水溶液pH4.2～4.8；用于焙烤食品、糖漿、布丁等的生產(chǎn)。C.蔗糖直接加熱焦糖色素：紅棕色，含有略帶負電荷的膠體離子，水溶液的pH3~4；用于啤酒和其它含醇飲料的生產(chǎn)。當前15頁，總共69頁。

（三）氧化反應與還原反應

單糖含有游離羰基，既可被氧化成酸，又可被還原為醇。

（四）酯化與醚化

糖中的羥基與有機酸或無機酸相互作用生成酯。糖中羥基除了形成酯外，還能形成醚，但不如天然存在的酯類多。

當前16頁，總共69頁。

第三節(jié)低聚糖一、食品中重要的低聚糖由2～20個糖單位通過糖苷鍵連接的碳水化合物稱為低聚糖（寡糖）。自然界存在的低聚糖一般不超過6個單糖殘基，以二糖最為常見，食品中最重要的二糖有蔗糖、麥芽糖和乳糖，其他的低聚糖包括所謂的益生素物質(zhì)和環(huán)狀糊精。當前17頁，總共69頁。

食品中重要的二糖的結(jié)構(gòu)當前18頁，總共69頁。二、具有特殊功能的低聚糖

目前已證實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、低聚異麥芽糖等。三、環(huán)狀低聚糖

它是由Ｄ－吡喃葡萄糖通過α-1,４糖苷鍵連接而成的環(huán)糊精，分別是由6-，7-，8-個糖單位組成，稱為α-，β-，γ-環(huán)糊精。結(jié)構(gòu)見下頁圖。

當前19頁，總共69頁。當前20頁，總共69頁。當前21頁，總共69頁。第四節(jié)多糖一、定義

超過20個單糖的聚合物稱為多糖。單糖的個數(shù)稱為聚合度（DP）。

大多數(shù)多糖的DP為200～3000。由相同的糖組成的多糖稱為均勻多糖。由兩種或多種不同的單糖組成的多糖稱為非均勻多糖，或稱雜多糖。當前22頁，總共69頁。

二、多糖的溶解性分子量較小、分支程度低的多糖在水中有一定的溶解度，加熱情況下更容易溶解；而分子量大、分支程度高的多糖類在水中溶解度低。在食品工業(yè)和其他工業(yè)中使用的水溶性多糖稱為膠或親水膠體。由于多糖對水的親合性，多糖在食品中具有限制水分流動的能力；多糖分子量較大，不會顯著降低水的冰點，是一種冷凍穩(wěn)定劑。當前23頁，總共69頁。

三、多糖溶液的黏度與穩(wěn)定性

多糖溶液具有很高的黏度。甚至濃度很低時也有很高的黏度。高度支鏈的多糖分子比具有相同分子量的直鏈多糖分子溶液的黏度低；帶電荷的多糖分子溶液的黏度大大增加。

當前24頁，總共69頁。

多糖形成的膠狀溶液其穩(wěn)定性與分子結(jié)構(gòu)有較大的關系。不帶電荷的直鏈多糖由于形成膠體溶液后分子間可以通過氫鍵而相互結(jié)合，隨著時間的延長，締合程度越來越大，因此在重力的作用下就可以沉淀或形成分子結(jié)晶。支鏈多糖膠體溶液也會因分子凝聚而變得不穩(wěn)定，但速度較慢；帶電荷的多糖由于分子間相同電荷的斥力，其膠狀溶液具有相當高的穩(wěn)定性。

多糖溶液一般具有兩類流動性質(zhì)：一類是假塑性；一類是觸變性。當前25頁，總共69頁。支鏈淀粉當前26頁，總共69頁。四、凝膠

多糖能形成海綿狀的三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)。凝膠既具固體性質(zhì)，也具液體性質(zhì)。

五、生理活性

很多多糖具有特殊的生理活性。當前27頁，總共69頁。

六、多糖的水解

多糖水解的條件主要包括酶促水解和酸堿催化水解；調(diào)節(jié)或控制多糖水解是食品加工過程中的重要環(huán)節(jié)。

a.酶促水解常見處理對象、酶種類、意義總結(jié)如下頁表。

b.酸堿催化水解當前28頁，總共69頁。待處理對象所用酶得到產(chǎn)物應用條件應用意義淀粉淀粉酶(來自大麥芽或微生物)在食品中的酶中專門討論生產(chǎn)糖漿和改善食品感官性質(zhì)纖維素纖維素酶(包括內(nèi)切酶、外切酶及葡萄糖苷酶)短的纖維素鏈、纖維二糖及葡萄糖30~60℃pH4.5~6.5生產(chǎn)膳食纖維、葡萄糖漿及提高果汁榨汁率和澄清度半纖維素半纖維素酶(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、甘露糖及其它單糖提高食品質(zhì)量果膠果膠酶(有內(nèi)源和商品之分）主要為半乳糖醛酸，有少量半乳糖、阿拉伯糖等植物質(zhì)地軟化及水果榨汁和澄清當前29頁，總共69頁。

關于膳食纖維：一、組成

目前的研究結(jié)果認為，膳食纖維是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠、低聚糖、纖維素衍生物、膠質(zhì)和一些植物相關物質(zhì)等組成。二、作用

1、排便

2、血膽固醇調(diào)節(jié)

3、血糖調(diào)節(jié)當前30頁，總共69頁。

4、益生素作用

5、預防癌癥發(fā)生

6、其他作用如解毒作用

7、不利作用當前31頁，總共69頁。第五節(jié)淀粉一、淀粉顆粒的顯微結(jié)構(gòu)二、直鏈淀粉與支鏈淀粉※三、淀粉的糊化與老化※※四、淀粉的水解※五、改性淀粉

當前32頁，總共69頁。一、淀粉顆粒的顯微結(jié)構(gòu)

不同植物的淀粉顆粒其顯微結(jié)構(gòu)不同，借此可以對不同來源的淀粉進行鑒別。

不同植物淀粉的特征比較薯片西米變性淀粉珍珠奶茶當前33頁，總共69頁。二、直鏈淀粉與支鏈淀粉（一）分子結(jié)構(gòu)

直鏈淀粉是D－吡喃葡萄糖通過α-1,4-糖苷鍵連接起來的鏈狀分子。直鏈淀粉的化學結(jié)構(gòu)示意圖當前34頁，總共69頁。

淀粉在水溶液中以螺旋、部分斷開的螺旋或無規(guī)線團的形式存在的。直鏈淀粉的螺旋結(jié)構(gòu)示意圖直鏈淀粉在稀溶液中的存在形式當前35頁，總共69頁。

支鏈淀粉是D-葡萄糖通過α-1,4-糖苷鍵連接成一直鏈，此直鏈上又通過α-1,6-糖苷鍵形成側(cè)鏈，在側(cè)鏈上還有分支，支鏈的長度一般為20～30個葡萄糖基。支鏈淀粉的化學結(jié)構(gòu)示意圖當前36頁，總共69頁。支鏈淀粉整體結(jié)構(gòu)示意圖支鏈淀粉呈樹枝形分支結(jié)構(gòu)，支鏈也可呈螺旋，但螺旋很短。當前37頁，總共69頁。（二）分布情況

普通淀粉中一般含70～80％的支鏈淀粉，蠟質(zhì)玉米中支鏈淀粉含量高達99％。一些淀粉中直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例當前38頁，總共69頁。（三）直鏈淀粉形成絡合物的性質(zhì)1、直鏈淀粉與碘形成藍色絡合物

這一性質(zhì)可用來鑒別直鏈淀粉和支鏈淀粉，也是食品分析有時利用的顯色反應。當前39頁，總共69頁。2、直鏈淀粉包絡疏水性分子的能力

§直鏈淀粉的螺旋形結(jié)構(gòu)中羥基群處于螺旋的外部，而疏水區(qū)域處于內(nèi)部，因此直鏈淀粉能夠與直鏈疏水性分子形成復合物。直鏈淀粉與脂肪酸酯形成直鏈淀粉－脂類復合物（見示意圖）。

當前40頁，總共69頁?！焓称饭I(yè)經(jīng)常應用到乳化劑與直鏈淀粉形成絡合物來抗淀粉老化。各種乳化劑與直鏈淀粉形成絡合物的能力，與乳化劑鏈長有關。目前所用食品乳化劑中，絡合效果最好的是分子蒸餾飽和單甘油酯，其次是硬脂酸乳酸酯。

§直鏈淀粉也能與風味化合物結(jié)合形成復合物。如癸醛、薄荷酮、1－萘酚等。當前41頁，總共69頁。

三、淀粉的糊化與老化（一）淀粉的糊化1、糊化的概念

淀粉顆粒具有結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)交替層的結(jié)構(gòu)，通過加熱提供足夠的能量，破壞了結(jié)晶膠束區(qū)弱的氫鍵后，顆粒開始水合和吸水膨脹，結(jié)晶區(qū)消失，大部分直鏈淀粉溶解到溶液中，溶液粘度增加，淀粉顆粒破裂，雙折射消失，這個過程稱糊化。具有膠束結(jié)構(gòu)的生淀粉稱為β-淀粉。處于糊化狀態(tài)的淀粉稱為α化淀粉。

當前42頁，總共69頁。當前43頁，總共69頁。2、淀粉糊化本質(zhì)

糊化的本質(zhì)是淀粉粒中結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)的淀粉分子間的氫鍵斷開，分散在水中成為膠體溶液。3、淀粉糊化可分為三個階段a.可逆吸水階段：水分進入非結(jié)晶區(qū)，體積略有膨脹；

b.不可逆吸水階段：隨溫度升高，水分進入淀粉微晶間隙，不可逆大量吸水，結(jié)晶“溶解”；

c.淀粉粒解體階段，淀粉分子全部進入溶液。

當前44頁，總共69頁。

3、糊化溫度糊化溫度是一個范圍。雙折射開始消失的溫度為糊化開始溫度，雙折射完全消失的溫度為糊化終了溫度。各種淀粉的糊化溫度不相同。淀粉糊化開始溫度（℃）糊化終了溫度（℃）淀粉糊化開始溫度（℃）糊化終了溫度（℃）粳米糯米大麥小麥5958586561636368玉米蕎麥馬鈴薯甘薯6469597072716776幾種淀粉的糊化溫度當前45頁，總共69頁。

4、淀粉糊化的影響因素:

淀粉種類與顆粒大?。盒☆w粒淀粉的結(jié)構(gòu)較緊密，糊化較難；

溫度:提高溫度有利于糊化；

pH:pH4－7影響很小，高pH有利于淀粉的糊化；

水含量：糊化和水含量成正比；

糖：高濃度的糖可降低糊化速度；

脂肪：油脂可顯著降低糊化速度和糊化率。

當前46頁，總共69頁。

（二）淀粉老化

1、老化的概念

經(jīng)過糊化的α-淀粉在室溫或低于室溫下放置后，會變得不透明甚至凝結(jié)而沉淀，這種現(xiàn)象稱為老化（回生，凝沉）。

2、老化的本質(zhì)

其本質(zhì)是糊化的淀粉分子又自動排列成序，形成致密、高度晶化的不溶解性的淀粉分子微束。當前47頁，總共69頁。

3、影響淀粉老化的因素：

直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例：直鏈淀粉比例高時易于老化

；

溫度：在2-4℃之間最易老化，60℃以上或-20℃以下不易老化；水分含量：水分30%～60%時最易老化，而低于10%時不易老化。

pH：在偏酸（

pH4以下）或偏堿的條件下也不易老化。

脂類：極性脂類如磷脂、硬脂酰乳酸鈉、單甘酯等可以抗老化。當前48頁，總共69頁。

防止淀粉老化，可將糊化后的α-淀粉，在80℃以下的高溫迅速除去水分（水分含量最好達10%以下）或冷至0℃以下迅速脫水。這樣淀粉分子已不可能移動和相互靠近，成為固定的α-淀粉。α-淀粉加水后，因無膠束結(jié)構(gòu)，水易于浸入而將淀粉分子包蔽，不需加熱，亦易糊化。這就是制備方便食品，如方便米飯、方便面條、餅干、膨化食品等的原理。當前49頁，總共69頁。

四、淀粉的水解（1）酸水解法以無機酸為催化劑，一般鹽酸和硫酸的催化效率較高。不同來源淀粉酸水解難易不同：馬鈴薯容易、大米較難；支鏈淀粉較直鏈淀粉易水解；結(jié)晶區(qū)比非結(jié)晶區(qū)更難水解；當前50頁，總共69頁。（2）酶水解法§α-淀粉酶（也稱液化酶）:

是一種內(nèi)切酶，水解任意位置的α-1,4糖苷鍵，不能水解α-1,6糖苷鍵，但可越過α-1,6糖苷鍵水解α-1,4糖苷鍵。

產(chǎn)物：α-葡萄糖、α-麥芽糖、小分子糊精α－淀粉酶β－淀粉酶淀粉的酶促水解當前51頁，總共69頁。§β-淀粉酶（也稱轉(zhuǎn)化酶、糖化酶）：是一種外切酶，從淀粉的非還原端開始水解α-1,4糖苷鍵，每次切下兩個葡萄糖單位，不能水解α-1,6糖苷鍵,也不能越過α-1,6糖苷鍵水解α-1,4糖苷鍵。產(chǎn)物：β-麥芽糖、β-極限糊精§葡萄糖淀粉酶：是一種外切酶，從淀粉的非還原端水解α-1,4，α-1,6和α-1,3糖苷鍵。產(chǎn)物：為β-葡萄糖。當前52頁，總共69頁。（3）淀粉糖漿（淀粉水解物）淀粉糖漿為淀粉經(jīng)不完全水解的產(chǎn)品，為無色、透明、粘稠的液體。

葡萄糖當量（DE）是還原糖（按葡萄糖計）在玉米糖漿中所占的百分數(shù)（按干物質(zhì)計）。根據(jù)水解程度，即DE值高低可分為：DE60~70的高轉(zhuǎn)化糖漿DE38~42的中轉(zhuǎn)化糖漿DE20以下的低轉(zhuǎn)化糖漿（也稱麥芽糊精）其中DE20以上的淀粉糖漿被稱為葡萄糖漿或玉米糖漿。淀粉糖漿的糖分組成為：葡萄糖、低聚糖、糊精等，DE值越小，大分子的糖分越多。當前53頁，總共69頁。

五、改性淀粉（一）常用的淀粉改性方法

1、酸改性淀粉（變稀淀粉）

淀粉分子用酸進行輕度水解，制得酸改性淀粉。可作為成膜劑和粘結(jié)劑。

2、預糊化淀粉淀粉漿料糊化后及尚未老化前，立即進行滾筒干燥，最終產(chǎn)品即為冷水溶的預糊化淀粉。可用作方便食品或焙烤食品的助劑。當前54頁，總共69頁。

3、酯化淀粉

可采用醋酐、三聚磷酸鈉及三偏磷酸鈉等對淀粉進行酯化。酯化淀粉有更好的增稠性、糊透明性，還可改善冷凍－解凍的穩(wěn)定性?？捎米鞅嚎臼称?、湯汁粉料、湯料、冷凍食品等的增稠劑和穩(wěn)定劑、微膠囊的壁材等。

4、醚化淀粉

淀粉與氧化丙烯反應制得羥丙基淀粉（淀粉-O-CH2-CHOH-CH3）,其醚化度的最大允許量為0.02～0.2。羥丙基化降低了淀粉的糊化溫度，淀粉糊是透明的，不會老化，耐冷凍和解凍?？勺鳛樵龀韯┖吞畛鋭?。當前55頁，總共69頁。

5、交聯(lián)淀粉

淀粉羥基與雙功能試劑或多功能試劑相互作用，例如與磷酰氯或三偏磷酸鈉反應所生成的淀粉衍生物稱為交聯(lián)淀粉。交聯(lián)淀粉有良好的機械性能，并且耐熱、耐酸、耐堿。

可用作增稠劑和賦形劑。

6、氧化淀粉用次氯酸鈉處理淀粉，制成氧化淀粉。氧化淀粉的糊粘度較低，但穩(wěn)定性較高，較透明，成膜性好，不易老化。適于作分散劑和乳化劑。當前56頁，總共69頁。

第六節(jié)其他植物多糖

一、纖維素

1、纖維素

纖維素是植物細胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分，對植物性食品的質(zhì)地影響較大。纖維素是一種膳食纖維，具有重要的功能。在其他行業(yè)也有廣泛的應用。

結(jié)構(gòu)：由D-葡萄糖通過β-1，4糖苷鍵連接而成的高分子直鏈不溶性均一多糖。由無定型區(qū)和結(jié)晶區(qū)構(gòu)成。用途：純化的纖維素粉末常作為食品配料,如添加到面包中可增加持水力，延長面包保鮮時間。

當前57頁，總共69頁。纖維素的結(jié)構(gòu)示意圖當前58頁，總共69頁。

2、甲基纖維素（MC）

使用氫氧化鈉和一氯甲烷處理纖維素，就可得到MC，這種改性屬于醚化。用途：增稠劑、表面活性、成膜性以及形成熱凝膠（冷卻時熔化）。

在油炸食品中加入MC，油攝入可減少50％。

甲基纖維素的結(jié)構(gòu)當前59頁，總共69頁。3、羧甲基纖維素(CMC)

用于食品的是它的鈉鹽。由于它易溶于水，因而是應用最廣的一種食品膠。羧甲基纖維素鈉的結(jié)構(gòu)當前60頁，總共69頁。二、半纖維素（Ｐ80）

半纖維素是構(gòu)成植物細胞壁的材料，是一種細胞壁多糖。大多數(shù)半纖維素是含有2～4種不同糖基組成的雜多糖。半纖維素在焙烤食品中的作用很大。能減緩面包陳化速率，改善面包心結(jié)構(gòu)，增加面包體積和彈性。半纖維素是膳食纖維的一個重要來源。當前61頁，總共69頁。

三、果膠（Ｐ74）

基本結(jié)構(gòu)：分子的主鏈由150～500個α-D-半乳糖醛酸基通過1，4糖苷鍵連接而成，在主鏈中相隔一定距離含有α-L-鼠李吡喃