食品化学——碳水化合物

这是一篇关于食品化学——碳水化合物的思维导图 . 碳水化合物结构与功能的关系食品化学碳水化合物 多糖的结构与功能的关系 多糖与水溶液中的分子移动性 多糖的结构与水合性 多糖的结构与粘度的关系

碳水化合物

• 概述
  • 糖类：多羟基酮或多羟基醛及其衍生物和缩合物
  • 分类
    • 单糖
      • 碳原子数目
        • 三碳糖：丙糖
        • 六碳糖：己糖
      • 单糖分子所含羰基
        • 醛糖
        • 酮糖
      • 葡萄糖、果糖
    • 低聚糖
      • 2-10个单糖分子
      • 二糖、三糖……
        • 麦芽糖
        • 蔗糖
        • 乳糖
      • 还原性
        • 还原性糖
        • 非还原性糖
    • 多糖
      • 淀粉、纤维素、糖原
      • 组成
        • 均多糖
          • 淀粉
          • 纤维素
        • 杂多糖
          • 半纤维素
          • 果胶质
          • 黏多糖
      • 功能
        • 构成多糖
        • 活性多糖
• 单糖及低聚糖
  • 结构
    • 单糖
      • 手性碳原子
        • 除丙酮糖外
        • 大部分天然单糖为D-型
        • L-阿拉伯糖、L-半乳糖
      • 环状结构
        • 戊糖及以上的单糖
        • 羰基+羟基→分子内半缩醛、半缩酮
        • 名称
          • 五元呋喃环
          • 六元吡喃环
            • 船式
            • 椅式
        • 变旋现象
          • 环状多了一个手性碳
            • α
            • β
          • 纯的D-葡萄糖为α构型，在水溶液中旋光度逐渐改变，直至稳定
          • 温度越高，变旋速度越快
    • 低聚糖
      • 单糖通过糖苷键结合而成
      • 糖苷键
        • 一个醛糖C1/酮糖C2上的半缩醛羟基+另一个糖的羟基
        • -O-
      • 常见
        • 麦芽糖
          • 葡萄糖+葡萄糖
        • 乳糖
          • 半乳糖+葡萄糖
        • 蔗糖
          • 葡萄糖+果糖
          • 非还原糖
  • 物理性质
    • 甜度
      • 比甜度
        • 15%-20%的蔗糖，20℃时的甜度为1.0
        • 果糖＞转化糖＞蔗糖＞葡萄糖
      • 影响
        • 分子量：分子量越大，溶解度越低，甜味越低
        • 构型
          • α-葡萄糖更甜
          • β-果糖更甜
          • 刚溶解的时候最甜
        • 分子存在状态
        • 外界环境
      • 优质糖类：甜味纯正、甜度适当、甜感反应快、消失迅速
      • 不同糖类混合。甜度协同增效
      • 低聚糖
        • 除双糖外
        • 低热值、低甜度的功能性甜味剂
    • 旋光性
      • 除丙酮糖
      • 变旋现象：糖刚溶解与水时，比旋度处于动态变化，一段时间后趋于稳定
        • 测定糖溶液旋光度时，静置24h再测
    • 溶解性
      • 单糖分子含多个羟基，易溶于水，不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂
      • 影响
        • 温度
          • 决定性因素
          • 温度越高，溶解度越大
          • 果糖、葡萄糖top2
        • 其水溶液渗透压
          • 保存性：70%糖浓度才能抑制酵母菌生长
            • 高溶解性
            • 单糖中只有果糖
            • 果葡糖浆的浓度随 果糖含量增加而增加
    • 吸湿性、保湿性&结晶性
      • 吸湿性
        • 空气湿度较高时吸收水分的性质
      • 保湿性
        • 空气湿度较低时保存水分的性质
      • 柔软性、弹性、贮存和加工
        • 果糖吸湿性最强，葡萄糖次之→易结块
        • 吸湿、保湿好，适宜做水分活度较大的食品
      • 结晶性
        • 比如
          • 蔗糖、葡萄糖易结晶，前者晶体较大
            • 利用蔗糖制作冰糖
          • 果糖、果葡糖浆较难结晶
            • 制作蜜饯，减轻蔗糖反砂现象
          • 淀粉糖浆难结晶，且阻止蔗糖结晶
            • 葡萄糖、低聚糖、糊精混合物
            • 不含果糖，保湿性小
            • 制作硬糖，防止蔗糖结晶，易于塑性
    • 黏度
      • 随着温度升高，粘度降低【葡萄糖相反
      • 单糖＜蔗糖，低聚糖＞蔗糖，淀粉糖浆粘度随转化程度增加而降低
      • 搅拌蛋糕蛋白，加入糖浆稳定蛋白质发的泡
    • 渗透压
    • 发酵性
  • 化学反应
    • 美拉德反应
      • 非酶促褐变
      • 游离氨基和游离羰基缩合，聚合生成类黑色素的反应
      • 过程
        • 初期
          • 羰氨缩合
            • 可逆
            • 氨基+羰基→西弗碱→环化：N-葡萄糖胺
            • 亚硫酸根与羰基缩合，组织西弗碱生成——抑制剂
            • 稀酸条件下，产物易水解
              • 随着氨基反应，pH降低——碱性环境有利于美拉德反应进行
          • 分子重排
            • N-葡萄糖胺阿姆德瑞重排→单果糖胺、酮糖基胺
        • 中期
          • 脱水生成羟甲基糠醛HMF
            • HMF开始积累后不久就发生褐变
            • 分光光度计测定HMF检测褐变情况
          • 脱去胺残基重排生成还原酮
            • 还原酮性质活泼
              • 再与氨基反应
              • 裂解成较小的乙二酰、乙酸、丙酮醛
          • 氨基酸与二羰基化合物的作用
            • 斯特勒克降解反应
            • 脱羧、脱氨生成醛、二氧化碳
            • 最主要的生成二氧化碳的反应
          • 果糖基胺的其他反应产物
            • 各种杂环化合物：必定、苯并吡啶、苯并吡嗪、呋喃化合物、吡喃化合物
          • 阿姆德瑞产物氧化裂解
            • 生成有氨基取代的羧基化合物
            • ɛ-羧甲基赖氨酸可作为美拉德反应进程的指标
        • 末期
          • 多羰基不饱和化合物裂解，生成挥发性化合物
          • 缩合、聚合→褐黑色的类黑精物质
      • 影响因素
        • 底物
          • 羰基
            • 简单羰基化合物最快
            • 还原糖
              • 五碳糖＞六碳糖＞二糖
              • 醛糖＞酮糖
              • 5：果糖＞阿拉伯糖＞木糖
              • 6：半乳糖＞甘露糖＞葡萄糖
            • 氨基酸
              • ɛ-氨基的反应最快：赖氨酸
              • α-氨基：碳链越短速度越快
        • pH
          • 7.8-9.2
          • 3+随pH增加而加快
          • 酸、碱条件下都能反应
        • 水分
          • 中等水分活度
          • 完全干燥时难以进行
          • 含水量10%-15%适宜，水分活度为0.25-0.8以内，MSI内Ⅱ区
        • 温度
          • 温度影响很大
          • 110-180℃
        • 金属离子
          • 铁、铜促进
          • 锰、钙抑制
          • 金属螯合剂
        • 空气
          • 氧气可影响反应后期色素物质的形成
    • 焦糖化反应
      • 糖类（尤其是单糖）在无氨基的条件下加热（140-170℃）， 脱水、降解，产生褐变反应
      • 特点
        • 熔点越低越易发生【果糖最容易
        • pH值越大，反应越快
      • 产物
        • 脱水——焦糖
          • 过程
            • 第一阶段
              • 蔗糖熔融，200℃，35min起泡
              • 失去一分子水——异蔗糖酐
                • 无甜味，温和苦味
            • 第二阶段
              • 二次起泡，55min
              • 脱水——焦糖酐
                • 味苦
                • 可溶于水、乙醇
            • 第三阶段
              • 进一步脱水——焦糖稀（可溶于水），再加热——焦糖素
              • 羰基、羧基、羟基、酚基
          • 影响因素
            • 高温、弱碱性提高速度
            • 催化剂
              • 磷酸盐、无机酸、碱
              • 柠檬酸、延胡索酸、酒石酸、苹果酸
              • 种类
                • 耐酸焦糖素
                  • 亚硫酸氢铵催化
                  • 酸性食品：可乐
                • 带正电荷胶体粒子的焦糖色素
                  • 糖+铵盐
                  • 烘焙食品、糖浆、布丁
                • 带负电荷胶体粒子的焦糖色素
                  • 蔗糖直接加热
                  • 含醇饮料
          • 焦糖素的等电点很重要
        • 裂解——挥发性醛、酮类
          • 糠醛或糠醛衍生物
          • 聚合、与胺类反应→深褐色色素
    • 与碱作用
      • 异构化
      • 糖精酸
        • 分子内氧化还原和分子重排，生成羧酸类化合物
        • 与原来单糖的组成没有差异，只是分子结构或原子连接顺序该百年
      • 分解反应
        • 小分子糖、醇、酸、醛等
        • 受有无氧气和氧化剂种类的影响
    • 与酸作用
      • 稀酸——复合反应
        • 单糖分子间脱水生成糖苷键
        • 产物包括二糖及其他低聚糖
        • 工业水解淀粉制备葡萄糖，复合反应，生成异麦芽糖和龙胆二糖
      • 强酸共热
        • 脱水缩合生成糠醛
        • 糠醛可与酚类物质缩合成有色物质，随反应时间和反应温度的增加而增加
    • 氧化还原
      • 氧化反应
        • 土伦试剂、斐林试剂（弱氧化剂）
          • 弱碱性条件
          • 土伦
            • 银镜反应
          • 斐林
            • 砖红色沉淀
          • 判断是否是还原糖
          • 果糖也是还原糖
            • 碱性条件下发生酮式-烯醇式湖边
        • 溴水氧化
          • 氧化醛基糖，生成糖酸，进一步加热生成内酯
          • GDL：D-葡萄糖酸-δ-内酯，酸味剂
          • 葡萄糖酸钙
          • 酮糖不发生该反应
            • 鉴别
        • 硝酸氧化
          • 醛糖、酮糖均被氧化，生成相同碳数的二元酸
          • 乳酸的二元酸不溶于水，其他己醛酸的则溶于水
            • 鉴别
        • 高碘酸氧化
          • 每断裂一个C-C键，消耗1mol
          • 用于糖类研究
        • 其他
      • 还原反应
        • 四氢硼酸、汞齐钠
        • D-葡萄糖→山梨糖醇，保湿剂
        • 木糖醇：糖尿病人甜味剂
  • 食品中低聚糖及其性质
    • 二糖
      • 可溶解、有甜味、旋光性，可结晶
      • 非还原糖
        • 蔗糖
          • 能量型甜味剂
          • 易溶于水
          • 右旋糖，无变旋现象
          • 转化糖：蔗糖的水解产物（水解后旋光方向改变
          • 与碱土金属的氢氧化物形成蔗糖盐：工业回收蔗糖
        • 海藻糖
          • 非特异性保护生物大分子、生物组织
        • 非还原性，不成脎
      • 还原糖
        • 乳糖
          • 常温下为白色晶体，溶解度小，甜度很小
          • 促进钙的代谢和吸收
        • 麦芽糖
          • 易溶于水，微溶于乙醇，不溶于醚
          • 淀粉酶作用下淀粉水解可得麦芽糖
          • 面团发酵、甘薯蒸烤
        • 纤维二糖
          • 纤维素的基本结构组分
          • 自然界中无游离态
          • 无色晶体，熔点225℃
    • 果葡糖浆
      • 淀粉酶水解淀粉→葡萄糖异构酶→葡萄糖异构化生成果糖→葡萄糖、果糖混合物
      • 新型食用糖
      • 具有多种果糖的优越性能
      • 高果糖浆、异构糖浆
    • 其他
      • 棉籽糖
      • 低聚果糖
        • 在蔗糖中的果糖上通过糖苷键再连接1-3个果糖——蔗果三/四/五糖
        • 功能
          • 双歧因子
          • 可溶性膳食纤维
          • 难消化的低热值甜味剂
          • 改善肠道环境
          • 防止龋齿
        • 抑制淀粉老化
      • 低聚木糖
        • 木聚糖水解→木二糖+木三糖等
          • 木二糖含量越高，品质越好
        • 功能
          • 改善肠道环境
          • 抗龋齿
          • 促进钙吸收
          • 代谢不依赖胰岛素
        • 独特的耐酸、耐热，不分解性
      • 异麦芽酮糖
      • 环状糊精
        • 桶装
          • 内部疏水
          • 外部亲水
        • 内部包埋非极性物质
• 食品中主要多糖
  • 淀粉
    • 结构
      • 组成
        • D-葡萄糖
        • α-1.4
        • α-1.6
      • 种类
        • 直链淀粉
          • 一个还原尾端
          • 1.4
          • 线状
          • 分子内羟基的氢键连接，形成以6个葡萄糖为一个螺距的螺旋结构
          • 聚合度约为250-300
        • 支链淀粉
          • 糯
          • 1，4&1，6
          • 组成
            • C
            • A
            • B
            • 支链
              • B连接在C上
              • A连接在B上
          • 树枝状，分枝卷曲，近似球形
          • 最大的天然化合物之一，6000+
      • 淀粉颗粒
        • 支链和/或直链沿分子径向排列而成
        • 生淀粉粒
          • 结晶区
            • 有序、紧密
            • 多为支链淀粉靠其氢键形成
            • 微晶束
            • 30%
          • 非结晶区
            • 疏松、无定型
            • 多为直链淀粉
            • 70%
        • 双折射性
          • 偏光显微镜
          • 黑色的双十字/马耳他十字
          • 交点：脐点
        • 具有环状结构——生长环，光合作用导致
        • 淀粉颗粒的大小、形状影响淀粉的性质
    • 物理性质
      • 水溶性
        • 右旋光性
        • 冷水
          • 纯支链淀粉溶于水，直链不容
          • 天然淀粉不溶
        • 热水
          • 淀粉颗粒溶胀
          • 直链淀粉扩散，支链淀粉不动
          • 再升温，支链也扩散，粘稠胶体
          • 冷却后
            • 直链重结晶，沉淀
            • 支链几乎不重结晶
      • 与碘复合
        • 非化学反应，碘分子穿过淀粉螺旋， 螺旋伸展则不再显色（热水中）
          • 纯直链淀粉：1g淀粉复合200mg碘
        • 直链
          • 棕蓝色
        • 支链
          • 蓝紫色
        • 糊精
          • 短：无色
          • 中：红色
          • 长：深蓝色
          • 直链
          • 支链：紫红色
      • 与其他物质复合
        • 直链淀粉
    • 水解反应
      • 酸水解法
        • 随机性
      • 酶水解法
        • 糖化
        • 最终产物是葡萄糖
        • 酶
          • α-淀粉酶
            • 液化酶、内切酶
            • 1，4
            • 随机水解，可越过1，6
            • 不能水解麦芽糖的1，4，产物是α-葡萄糖和α麦芽糖&糊精
          • β-淀粉酶
            • 外切酶、糖化酶
            • 从还原端开始水解1，4
            • 不能越过1，6
            • 产物
              • β-麦芽糖
              • β-糊精
          • 葡萄糖淀粉酶
            • 非还原尾端
            • 各种糖苷键
            • 葡萄糖
    • 淀粉水解程度DE
      • 葡萄糖当量
      • 还原糖占干重的百分数
      • ＜20，麦芽糊精
      • 20-60，淀粉糖浆
    • 糊化
      • 概念
        • β-淀粉
          • 具有胶束结构的生淀粉
        • α-淀粉
          • 结晶区胶束崩溃，淀粉分子形成单分子，被水包围
        • 膨润现象
          • 升温，部分胶束溶解，水分子侵入淀粉颗粒内部，结晶区胶束消失
      • 过程
        • 可逆吸水
          • 略有膨胀
          • 外观无明显变化
        • 非可逆吸水
        • 淀粉粒解体
          • 双折射现象完全消失
      • 糊化温度
        • 开始糊化温度
        • 完全糊化温度
      • 影响因素
        • 淀粉种类
        • 糖
        • 脂类
        • 盐类
        • 酸
        • 蛋白质
    • 老化
      • α-淀粉冷却后，不透明/凝结沉淀
      • 原理
        • 糊化后的淀粉自动排列，再次形成微晶束
        • 但不能完全恢复到糊化前的状态
      • 特点
        • 失去亲水力，不易于淀粉酶作用，不易消化吸收
        • 严重影响食品质地
      • 预防
        • 老化前迅速除水
        • 单糖、二塘、糖醇存在时不易老化——妨碍分子间缔合
        • 表面活性剂与直链复合，延缓
        • 控制温度
        • 蛋白质、半纤维素、植物胶等也有减缓作用
    • 抗消化
    • 改性
  • 果胶
    • 化学结构
      • 糖基
        • D-半乳糖醛酸
          • 均匀区
          • 甲酯化
        • L-鼠李糖
          • 毛发区
          • 侧链
      • 可与钠、钾、铵等成盐
    • 分类
      • 甲酯化程度DE
        • HM
          • 高甲氧基果胶
          • DE大于50%
        • LM
          • 低甲氧基果胶
          • 小于50%
      • 果蔬成熟过程
        • 原果胶
          • 纤维素&半纤维素结合的甲酯化半乳糖醛酸链
          • 水解后就是果胶
          • 未成熟果蔬中形成细胞壁
        • 果胶
          • 羧基不同程度甲酯化、阳离子中和的聚半乳糖醛酸
          • 植物细胞汁液中
          • 成熟细胞内含量多
        • 果胶酸
          • 完全未甲酯化
          • 与钠钾钙镁形成不溶或微溶的果胶酸盐
          • 蔬菜蔫了，果胶酸含量较多
    • 特性
      • 水解
        • 酸、碱
        • 糖苷键
        • 酯键
      • 脱羧
        • 高温强酸
    • 凝胶
      • 条件
        • 糖60%-65%
        • pH2.0-3.5
        • 果胶含量0.3%-0.7%
        • 室温甚至沸腾都能成胶
        • 果胶分子间的距离
          • 水分含量
            • 水化层影响果胶分子的连接
            • 加入糖等可溶性固形物，破坏水化层【脱水】
          • 电荷
            • 果胶带负电荷
            • 较低pH，氢离子多，中和
            • 接近电中性时，溶解度降低，加速结晶、沉淀、凝聚
      • 影响因素
        • 分子量
          • 相同条件，分子量越大，凝胶速度和强度越大
          • 结晶中心
        • 酯化度
          • 酯化度越大，凝胶速度、强度越大
          • 结晶中心在酰基附近
          • DE
            • 100%
              • 只要有脱水剂就行
            • 70%+
              • 糖、酸
              • 较高温度也行
            • 50%-70%
              • 糖酸
              • 较低温度
            • 50%-
              • 凝胶的主要因素
              • 受分子量、糖、酸影响不大
              • 钙离子等——盐桥，可凝胶
              • 蔬菜用钙盐前处理
        • 糖
          • 低甲酯化，加糖可改善质地
        • pH
          • LM敏感性差
          • HM较敏感2.7-3.5
        • 温度
          • 加热时间过长会导致果胶降解，糖转化
  • 纤维素和半纤维素及其衍生物
• 多糖
  • 结构与效应
    • 种类
      • 直连：1.4-糖苷键
      • 支链：1，6-糖苷键
    • 结构
      • 一级结构：多糖线性链中单糖残基的连接顺序
      • 二级结构：骨架链间通过氢键连接形成的聚合体
        • 只关系到主链结构，不涉及侧链
      • 三级结构：一、二级结构的基础上形成的有规则而粗大的空间结构
      • 四级结构：多糖链间以非共价键结合而形成的聚集体
    • 生物活性
  • 性质
    • 溶解性
      • 含大量羟基，具有高度亲水性
        • 除纤维素、生淀粉等高度有序、具有结晶的多糖
        • 水合&溶解→限制水分子移动
      • 分子质量大，不会显著降低冰点， 可作为——冷冻稳定剂
        • 不是冷冻保护剂
        • 非冷冻水：高度浓缩的多糖溶液，粘度大，限制水分移动
        • 冷冻浓缩效应：抑制冰晶生长，保护食品质构
      • 大多数多糖不结晶
      • 食品工业中的胶、亲水胶体
        • 水溶性多糖
        • 改性多糖
    • 粘度与稳定性
      • 影响因素
        • 形态
          • 无规则的线性分子
          • 紧密的线团
          • 线性高聚物旋转，分子内摩擦力增加，粘度大
        • 分子量
          • 相同分子量，支链越多，所占体积越小，粘度越小
        • 带电性质
          • 带同种电荷，相互排斥，粘度大
          • 不同电荷，易碰撞结晶
        • 温度升高，粘性下降
      • 流变
        • 假塑形：切稀
        • 触变性
    • 凝胶
      • 粘弹性半固体
      • 氢键、疏水相互作用、范德华力、离子桥联、 缠结、共价键形成联结区→三维网状结构
      • 联结区影响凝胶强度
        • 不长：结合不牢固
        • 过长：不锁水
      • 影响
        • 支链、杂多糖不易形成
        • 同种电荷，排斥，阻止联结区形成
    • 水解
      • 易水解
      • 蔬菜变软，胞内酶水解纤维素
    • 与风味物质结合
      • 良好的风味固定剂