碳水化合物的化学与营养笔记

Posted 2023-02-16 我是小白呀

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了碳水化合物的化学与营养笔记相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

【食品化学与营养】第三章碳水化合物的化学与营养笔记

2.1 碳水化合物
- 食物中的碳水化合物
- 碳水化合物的功能
2.2 美拉德反应
3.3 淀粉
3.4 益生元

2.1 碳水化合物

食物中的碳水化合物

最丰富的含税化合物是纤维素, 它们主要存在与植物细胞壁中.

人类消费的主要食品碳水化合物是淀粉和糖 (葡萄糖, 果糖, 乳糖及蔗糖等) 淀粉是植物中最普遍贮藏能量的碳水化合物, 广泛分布在种子, 根和块茎中.

碳水化合物的功能

碳水化合物提供人类膳食 70-80% 的热量, 提供甜味, 提供适宜质地, 吸湿性或保湿性, 稳定增稠剂, 有利于肠道蠕动, 促动消化.

糖的相对甜度:

糖	溶液的相对甜度	结晶的相对甜度
β-D-果糖	100-150	180
蔗糖	100	100
α-D-葡萄糖	40-79	74
β-D-葡萄糖	小于 α 异构体	82
α-D-半乳糖	27	32
β-D-半乳糖		21
棉子糖	23
水赤木糖		10

2.2 美拉德反应

褐变

褐变:

酶促褐变: 多酚氧化酶催化, 使酚类物质氧化为醌
非酶促褐变:
- 焦糖化反应 (Caramelization)
- 美拉德反应 (Maillard Reaction)

美拉德反应的定义

还原糖 (主要是 D-葡萄糖) 和游离氨基酸或蛋白质链上氨基酸的游离氨基发生的化学反应.

开始阶段:

氨基和羰基缩合
Amadori 重排

中间阶段:

烯醇化
脱水
裂解
氨基酸降解

最后阶段:

醇, 醛缩合
类黑精 (类黑素或黑色素) 形成

美拉德反应的产物

美拉德反应的产物:

类黑精
风味物质:
- 麦芽酚 (面包风味)
- 异麦芽酚 (面包风味)
- 2-H-4-羟基-5-甲基-呋喃-3-酮 (烤肉的焦香味)
- 醛类
- 酸, 醇, 酮, 吡嗪类等

氨基酸与葡萄糖 (1:1) 混合加热后的香型变化:

美拉德反应对食品的影响

美拉德反应产物 (MRPs, Maillard Reaction Products)

颜色

风味

风味 (挥发性, 苦味)

营养价值

氨基酸损失
- 羰氨反应
  - 必须氨基酸: 赖氨酸
  - 碱性氨基酸: 精氨酸和组氨酸
- Strecker 降解
糖
Vc 和矿物质

抗氧化作用

中间体: 还原酮类化合物还原能力
螯合金属离子的特性
消除活性氧的能力

有害成分

产生某些能引起突变和制畸的杂环胺物质.

影响美拉德反应的因素

糖的种类和含量

开链式 > 环式
单糖 >双糖, 五碳糖 > 六碳糖
D-核糖 > L-阿拉伯糖 > D-木糖 > 己糖 (D-半乳糖, D-甘露糖, D-葡萄糖, D-果糖) > 双糖 (麦芽糖, 乳糖和蔗糖)
还原糖含量与褐变成正比
α-己烯醛 > α-二羰基化合物 > 醛, 酮

氨基酸及其它含氨物种类

碱性氨基酸易褐变
氨基在 ε-位或在末端者, 比 α- 位易褐变
有吲哚, 苯环易褐变
含 S-S, S-H 不易褐变
胺类一般比氨基酸易于褐变
蛋白质的反应速度比肽和氨基缓慢

pH

pH > 3, 随着 pH 上升, 褐变速度加快. 当 pH <= 6 时, 褐变反应程度较轻微.

温度

温度升温褐变, 温度相差 10ºC, 褐变速度相差 3-5 倍.

水分

褐变需要一定水分, 但过多的水分会降低褐变的速度.

SO₂ 和亚硫酸盐

亚硫酸盐防止褐变.

金属离子

Cu (I), Cu(II), Fe(II), Fe(III) 能加速美拉德褐变, 其他金属离子影响较小.

氧

间接因素, 影响不大.

美拉德反应在食品工业中的应用

抑制美拉德反应

注意选择原料:

如土豆片: 选氨基酸, 还原糖含量少的品种

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

应用 SO₂ 或亚硫酸盐:

硫处理对防止酶褐变和非酶褐变都很有效

保质低 pH 值:

常加酸, 如柠檬酸, 苹果酸

降温处理

钙处理:

如马铃薯淀粉加工中, 加 Ca(OH)₂ 可以防止褐变, 产品百度大大提高

利用美拉德反应

通过控制原材料, 温度及加工方法, 可制备各种不同风味的物质.

面包
咖啡
红茶
啤酒
糕点
酱油

核糖 + 半胱氨酸:

烤猪肉香味

核糖 + 谷胱甘肽:

烤牛肉香味

控制温度:

糖 + 氨基酸	加热温度	风味
葡萄糖 + 缬氨酸	100ºC-150ºC	烤面包香味
葡萄糖 + 缬氨酸	180ºC	巧克力香味
水糖 + 酵母水解蛋白	90ºC	饼干香型
水糖 + 酵母水解蛋白	160ºC	酱肉香型

3.3 淀粉

食物中的淀粉含量

品种	含量
糙米	73
玉米	70
小麦	66
荞麦面	72
高粱	60
大麦	40
甘薯	19
马铃薯	16
豌豆	58
蚕豆	49

直链淀粉 (Amylose)

葡萄糖以 α-1, 4 糖苷件连接.
形成右手螺旋状结构
在螺旋内部只含有氢原子, 是亲油的, 羟基位于螺旋外侧

支链淀粉 (Amylopectin)

支链淀粉是一种高度分支的大分子
主链的葡萄糖由 α-1, 4 糖苷键连接
支链通过 α-1, 6 糖苷键与主链连接
大多数淀粉含有 75% 左右的支链淀粉
蜡质淀粉几乎全是支链淀粉
马铃薯支链淀粉含有磷酸酯基, 略带负电

淀粉来源	直链淀粉 (%)	支链淀粉 (%)
玉米	26	74
高直链玉米	50-85	15-50
蜡纸玉米	1	99
小麦	28	72
籼米	26-31	74-69
马铃薯	21	79
木薯	17	83
粳米	17	83

淀粉糊化

淀粉糊化 (Gelatinization) 指淀粉粒在适当温度下, 在水中溶胀, 分裂, 形成均匀的糊状溶液的过程被称为糊化. 本质是微观结构从有序转变成无序.

糊化温度: 淀粉在大量水存在并持续加热时完全失去结晶性, 双折射从开始消失到完全消失的温度范围.

淀粉来源	直链淀粉 (%)	支链淀粉 (%)	糊化温度 (ºC)
玉米	26	74	62-80
高直链玉米	50-85	15-50	66-170
蜡纸玉米	1	99	63-72
小麦	28	72	52-85
籼米	26-31	74-69
马铃薯	21	79	58-65
木薯	17	83	52-65
粳米	17	83

淀粉糊化过程

可逆吸水阶段
不可逆吸水阶段
淀粉颗粒解体

影响淀粉糊化的因素

结构:

直链淀粉不易糊化, 而易老化
支链淀粉易糊化, 且淀粉糊稳定

Aw:

Aw 提高, 糊化程度提高

糖和盐:

高浓度: 降低 Aw, 抑制糊化
低浓度: 几乎无影响, 马铃薯淀粉例外

脂类:

可与淀粉形成包合物, 阻止水渗透入淀粉颗粒

淀粉值:

pH 0-4: 淀粉被水解为糊精, 黏度降低
pH 4-7: 几乎无影响
pH > 10: 糊化速度迅速加快

淀粉酶:

可使淀粉降解 (稀化), 使淀粉糊化加速

淀粉的老化

淀粉的老化 (Starch Staling) 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微晶束.

影响淀粉老化的因素

结构:

直链淀粉比支链淀粉易老化

含水量:

30-60% 易老化

温度:

2-4ºC 淀粉易老化
> 60ºC 或 < 20ºC 不易发生老化

冷冻速度:

速冻抑制老化

pH:

5-7 时老化速度快

共存物的影响

单糖, 二糖和糖醇
脂类和乳化剂可抗老化
多糖 (果胶例外), 蛋白质等亲水大分子

淀粉的水解

葡萄糖当量 (Dextrose Equivalency, DE) 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).

DE 与聚合度 DP (Degree of Polymerization) 的关系 DE = 100 / DP

玉米淀粉水解

酸解法
酶解法

α-淀粉酶 (液化)
糖化酶 (糖化)

酸酶法
产物:

DE < 20 (麦芽糊精 Maltodextrin)
DE 20-60 (玉米糖浆 Corn Syrup)

葡萄糖浆:

α-淀粉酶, 葡萄糖淀粉酶, D-葡萄糖异构酶
58% D-葡萄糖和 42% D-果糖的玉米糖浆

高果葡萄浆 (HFCS)

钙离子交换树脂

3.4 益生元

益生元的概念

益生元是一种膳食补充剂, 通过选择性的刺激一种或少数种菌落中的细菌的生长与活性而对宿主产生有益的影响, 从而改善宿主健康的不可被消化的食品部分.

益生元的种类

益生元主要的形式有低聚果糖 (FOS), 菊粉 (Inulin), 低聚半乳糖 (GOS), 抗性淀粉, 低聚木糖 (XOS), 阿拉伯低聚木糖 (AXOS) 等.

FOS, Inulin, GOS 是基于六碳糖的益生元, 作为益生元选择性较差, 也能促进一些有害微生物的生长.

XOS, AXOS 是基于五碳糖的益生元, 作为益生元选择性较好, 主要促进有益微生物的生长.

不同的微生物具有不同的糖代谢能力以及通的糖利用方式. 有些菌, 如双歧杆菌, 乳酸菌能够产生降解益生元的糖苷酶. 但有些菌, 如金黄色葡萄球菌, 就无法产生这些糖苷酶. 通过摄入这些碳水化物能改变我们的肠道菌群结构.

益生元对健康的影响

益生元被双歧杆菌, 乳酸菌降解之后会产生断链脂肪酸.

断链脂肪酸 (Short Chain Fatty Acid, SCFA)

降低血液中糖和脂质水平
降低肠道的 pH
促进钙离子和镁离子的吸收
抑制有害的病原菌的生长
刺激肠道激素的释放影响丘脑神经元活动

益生元的来源和补充

母乳含大量寡糖 (Human Milk Oligosaccharides, HMO)

HMO 帮助婴儿肠道菌群, 尤其是双歧杆菌的建立
HMO 是人类最早的益生元来源

益生元存在于食物中, 但含量很少. 小麦是食物中主要的益生元来源, 含有低聚果糖 (FOS) 和菊粉 (Inulin). 芦笋, 香蕉, 洋葱, 蜂蜜也含有 FOS 和 Inulin. 人每天需要 10g 左右的低聚果糖和菊粉补充.

笔记摘自: 福州大学公开课

以上是关于碳水化合物的化学与营养笔记的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

碳水化合物的化学与营养 笔记

【食品化学与营养】第三章 碳水化合物的化学与营养 笔记