第二节 碳水化合物 教学目的：了解碳水化合物的概念，掌握碳水化合物的分类，了解碳水化合物的生理功能、化学结构、理化性质及在食品工业中的应用。 教学重点: 碳水化合物的分类及其化学性质。 教学难点：变旋光现象、常见碳水化合物的结构及其化学性质 。

碳水化合物是自然界中最丰富的有机物，自然界的生物物质中，碳水化合物约占3/4，植物体中含量最丰富，约占其干重的85%～90%，其中又以纤维素最为丰富。 碳水化合物是生物体维持生命活动所需能量的主要来源，人类摄取食物的总能量中大约80%由碳水化合物提供。

碳水化合物与食品的加工和保藏有密切关系，如： 食品的褐变就与还原糖有关 食品的粘性及弹性与淀粉和果胶等多糖分不开 蔗糖，果糖等作甜味剂

碳水化合物可分为三类： 单糖：不能被水解的简单碳水化合物 如葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖 寡糖：单糖聚合度≤10的碳水化合物 （以双糖最为多见） 蔗糖、麦芽糖、乳糖、纤维二糖 多糖：单糖聚合度>10的碳水化合物 淀粉、糊精、糖原、纤维素及果胶等

一、单糖(monosaccharides)及糖苷(glycosides) 1. 结构 单糖根据羰基类型可分为醛糖和酮糖两大类。

根据所含糖原子的数目，单糖有可分为丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖 2.单糖的旋光现象 环的生成使羰基变为手性碳，因而产生了两个异构体，它们的差别只在于链端手性碳构型的不同，分别称为α-和β-型。如：

新配制的单糖溶液在放置时，其比旋光度会逐渐增加或减少，最后达到一个恒定的数值。这是由变旋光现象而发现的。 +112.2° +17.5 含量 36% 0.5% 64% 52.7

3、化学反应 ⑴ 酸：稀酸无影响，而和强酸共热则会生成糠醛，糠醛和各种酚有显色反应，这可用于糖的定性和定量检测。

⑵ 碱：在弱碱环境，糖会发生异构化，例：葡萄糖在弱碱性环境变为葡萄糖、果糖与甘露糖的混合物。在强碱性环境下，糖会被空气中的O2氧化生成其它复杂的混合物。

⑶ 氧化 醛或酮糖与Tollens试剂（AgNO3-NH3）作用会产生银镜。 与Benedict试剂（CuSO4、柠檬酸和Na2CO3）或Fehling试剂（CuSO4，酒石酸钾钠、NaOH）一起加热时，溶液的蓝色消失，同时生成Cu2O的砖红色沉淀。

能与这些试剂发生反应的糖叫还原糖，还原糖分子中必定有半缩醛羟基，它能变为链状结构，即有-CHO或>C=O，而不与这些试剂反应的糖为非还原糖，其分子中无半缩醛羟基。

醛糖与弱氧化剂（碱性溴水）反应生成醇糖酸，与强氧化剂（热HNO3）反应得糖酸。

⑷ 成脎反应 单糖与苯肼（C6H5NHNH2）作用生成脎 糖脎都是不溶于水的黄色晶体，不同的糖所生成的脎晶形不同，在反应中生成的速度也不同，据此可鉴定糖的种类。

⑸ 作为醇的反应：除进行醚化生成苷外，单糖能与酸反应生成酯，己糖和戊糖的磷酸酯是生物体中糖代谢的中间体。

戊糖多作为多糖成分或核酸成分存在，游离状态甚少。 （A） D-木糖 4、天然存在的主要单糖 （1）戊糖    戊糖多作为多糖成分或核酸成分存在，游离状态甚少。 （A） D-木糖 存在于木材、稻草杆等的半纤维素中

（B） L-阿拉伯糖 多在果汁和胶质的半纤维素中与果胶质共存 www.image.baidu.com

⑵ 己糖

(A) D-葡萄糖：以结合核游离的形式广泛存在于自然界，游离态多存在于水果中，淀粉、糖原、纤维素，葡聚糖等碳水化合物都是D-葡萄糖的聚合物。

D-果糖：广泛存在于自然界，游离型多存在于水果中。寡糖的蔗糖、棉子糖、蜜二糖中均有存在，菊粉是D-果糖的聚合物。果糖的甜度在糖类中最大。在工业上，常利用异构酶把葡萄糖异构化为果糖来代替蔗糖。

（C）半乳糖：没有游离型，存在于乳糖和棉子糖中。 (D) D-甘露糖：它是魔芋甘露聚糖的成分。

(3)、D-葡糖酸及其内酯 D-葡萄糖在葡萄糖氧化酶作用下易氧化成D-葡糖酸，商品D-葡糖酸及其内酯的制备如图所示。随着水解不断进行，pH值逐渐下降，是一种温和的酸化剂，可用于要求缓慢释放酸的食品中。例如肉制品、乳制品和豆制品，特别是焙烤食品中作为发酵剂、作内酯豆腐的凝固剂等。

5、糖苷 单糖分子中的半缩醛羟基与醇或其它分子的羟基缩合生成的缩醛称为糖苷。如：

糖苷中的非糖部分称为糖苷配基（又叫苷元，配糖体），糖有α-及β-型。所以糖苷也有α-及β-型。在苷分子中不再含有半缩醛-OH，因此苷没有变旋光现象，也没有还原性，它在碱性稳定，但在酸性溶液中很易水解。 苷在自然界中分布很广，许多植物色素、生物碱等都是苷。动物、微生物体中也有许多苷类物质。

水果中游离糖含量(%鲜重计) 水 果 D-葡萄糖 D-果糖 蔗 糖 苹果 1.17 6.04 3.78 葡萄 6.86 7.84 2.25 桃 0.91 1.18 6.92 梨 0.95 6.77 1.61 樱桃 6.49 7.38 0.22 草莓 2.09 2.40 1.03 温州蜜桔 1.50 1.10 6.01 甜柿肉 6.20 5.41 0.81 枇杷肉 3.52 3.60 1.32 杏 4.03 2.00 3.04 香蕉 6.04 2.01 10.03 西瓜 0.74 3.42 3.11 番茄 1.52 1.51 0.12

溶液的相对甜度：果糖 > 蔗糖> 葡萄糖 > 麦芽糖 100-175 100 40-79 46-52

即使同一种糖，其α-型和β-型的甜度也不同。 如：葡萄糖的α-比β-型甜1.5倍。通常，葡萄糖的结晶为α-型。在溶液中αβ平衡时，α：β= 1：1.7，所以溶解后时间越长，甜度就越低。 此平衡受温度的影响很小，故冷和热葡萄糖液的甜味几乎无变化。  

果糖β-型的甜度为α-型的3倍。普通的结晶为β-型，溶液中α β的平衡随浓度和温度而异，如：10%果糖液，0℃下α：β=3：7，80℃下为7：3，且浓度高则β多，因此，在低温下，浓液甜。   蔗糖是糖苷-OH相互结合的二糖，无半缩醛-OH，溶液没有α β变化，甜味也不随时间变化。

蔬 菜 D-葡萄糖 D-果糖 蔗 糖 甜菜 0.18 0.16 6.11 硬花甘蓝 0.73 0.67 0.42 胡萝卜 0.85 4.42 蔬菜中游离糖含量(%鲜重计) 蔬 菜 D-葡萄糖 D-果糖 蔗 糖 甜菜 0.18 0.16 6.11 硬花甘蓝 0.73 0.67 0.42 胡萝卜 0.85 4.42 黄瓜 0.86 0.06 苣 菜 0.07 洋葱 2.07 1.09 0.89 菠菜 0.09 0.04 甜玉米 0.34 0.31 3.03 甘薯 0.33 0.30 3.37

二、寡糖（Oligasaccharides） 聚合度≤10、而≥2的多糖，常见的为二糖。 1、  蔗糖

在水果、花、种子等植物中广为存在，工业上由甘蔗或甜菜制备。甜味较强，为常用的甜味剂。蔗糖是一种苷，分子中没有半缩醛-OH，因而无还原性。 它在酸或转化酶作用下，水解为D-葡萄糖和果糖：

2、  麦芽糖 以麦芽中含量最多，故而得名。淀粉和糖原在淀粉酶作用下，生成麦芽糖。它是饴糖的主成分。它分子中有半缩醛-OH，因而有还原性。

仅存在于哺乳动物的乳中，故而得名。是半乳糖和葡萄糖用β-1，4-半乳糖苷键结合而得 。 3、  乳糖 仅存在于哺乳动物的乳中，故而得名。是半乳糖和葡萄糖用β-1，4-半乳糖苷键结合而得 。  

4、 环糊精 环糊精是6-8个葡萄糖以α-1，4-苷键结合的环状寡糖。环糊精的环内侧相对地比外侧憎水利用这一性质，可以使油质化合物在水中成为可“溶“，食物的芳香成分可以制成干粉状而香味持久，苦味及其它异味的药物可以变成无味。 www.image.baidu.com

三、多糖(Polysaccharides) 分类：   为聚合度≥10的单糖的高聚物，广泛存在于动植物及微生物中。多糖中的纤维素、半纤维素、果胶、壳质、硫酸软膏素等，主要起细胞的支撑（骨骼）作用；淀粉、糖原、菊粉等起能的贮藏作用。而粘质多糖等起保护、润滑、离子固定、防冻等作用。  

加水分解仅产生糖类的称单纯多糖，若还生成糖以外的成份称复合多糖。由一种单糖组成的称均一多糖。否则称非均一多糖。 通常天然多糖的聚合度为100---1000。

食品中常见的多糖 1、  纤维素 是自然界中存在最多的多糖，是植物的主成分。 纤维素连同某些其他惰性多糖构成植物性食品，如蔬菜、水果和谷物中的不可消化的碳水化合物。（称为膳食纤维）

纤维素不显示还原性，水解也很困难，需要浓酸或稀酸在加压下长时期加热才能水解。 纤维素的羧甲基衍生物（CMC）易溶于水，有粘性，其钠盐可在食品工业中作增稠剂。 n=100-200

2、  淀粉（Starch） 广泛分布于植物的根、茎、种子中，其贮藏能的作用，构成淀粉的糖，几乎都是D-葡萄糖。

淀粉有两种，仅以α-1，4-苷键结合、构成直链状的叫直链淀粉，而以α-1，4-苷键结合为主，并有α-1，6-苷键结合、且在此处分枝的叫支链淀粉。 普通淀粉由15∽30%直链淀粉，70∽85%支链淀粉组成。一般直链淀粉的聚合度为数百∽数千，而支链淀粉为数万，支链的平均链长为20∽25个葡萄糖单位。

淀粉的糊化(gelatinization) （1）淀粉的糊化：淀粉粒在受热（60-80℃）时会在水中溶胀，形成均匀的糊状溶液，称为糊化，它的本质是淀粉分子间的氢键断开，分散在水中。   糊化后的淀粉又称为α-化淀粉，将新鲜制备的糊化淀粉浆脱水干燥，可得分散于凉水的无定形粉末，即“可溶性α-淀粉”。即食型的谷物制品的制造原理就是使生淀粉“α化”。

影响淀粉的糊化的因素： 温度：温度越高，糊化程度越大。 水分活度：水分活度低，不能糊化或糊化程度有限 低pH值时，淀粉水解产生糊精而变稀 直链淀粉与支链淀粉的含量: 直链淀粉含量越高，淀粉越难糊化

淀粉老化(retrogradation) 淀粉溶液经缓慢冷却，或经长期放置，会产生不透明甚至沉淀的现象，其本质是糊化的淀粉分子又自动排列成序，形成致密的不溶性分子微束，分子间氢键又恢复。 老化可视为糊化作用的逆转，但是老化不可能使淀粉彻底复原成生淀粉（β-淀粉）的结构状态，与生淀粉相比，晶化程度低。老化的淀粉不易为淀粉酶作用。

食品在贮藏中品质变差，如面包的陈化、米汤的粘度下降等，都是淀粉老化的结果。 糊化淀粉在有糖和糖醇存在时不易老化，这是它们能进入淀粉的链间，妨碍淀粉分子缔合、且本身吸水性强能夺取淀粉凝胶中的水，使淀粉凝胶稳定。 表面活性剂如单酰甘油等添加到面包中，可延长货架期。它可与淀粉的疏水部分作用形成配合物，从而抑制淀粉分子的重排，推迟淀粉的老化。

影响淀粉老化的因素 低温(特别在0℃附近) 中性pH 高浓度淀粉 老化趋势增强。 无表面活性剂 淀粉的来源，淀粉老化趋势:马铃薯<玉米<小麦。

3、糖原（phytoglycogen） 是存在于动物体内的碳水化合物，又称动物淀粉。其结构类似于支链淀粉，但分支更多，分子也更大。

4、  菊糖 菊糖大量存在于菊科植物，它溶于水，加酒精便由水中析出，加酸水解成果糖及少量葡萄糖。

5、魔芋甘露聚糖 存在于魔芋块根中，为葡甘露聚糖，其中甘露糖：葡萄糖=2：1至3：2，小肠内没有此糖的分解酶，故几乎不能用作能源，因而称魔芋豆腐为减肥食品。

6、果胶质 果胶质存在于植物的果实、茎、块茎等细胞隙中，它是D-吡喃半乳糖醛酸以α-1，4-苷键结合的长链，通常以部分甲酯化状态存在

果胶质一般有三种形态       ⑴ 原果胶：与纤维素结合在一起的甲酯化聚半乳糖醛酸苷链，不溶于水，水解后生成果胶，存在于细胞壁中。       ⑵ 果胶：羧基不同程度甲酯化的聚半乳糖醛酸苷链，存在于植物汁液中，溶于水，其中甲氧基含量>7%的称高甲氧基果胶(High-methoxyl pectin)，7%以下的为低甲氧基果胶。       ⑶ 果胶酸：几乎完全不含甲氧基的聚半乳糖醛酸，溶于水。

  未成熟的果实细胞间含有大量原果胶，因而组织坚硬，随着成熟的进程，原果胶在聚半乳糖醛酸酶和果胶酯酶作用下，水解成分子量较小的可溶于水的果胶，并与纤维素分离，渗入细胞液中，果实组织就变软而有弹性。若进一步水解，则果胶进一步失去甲氧基并降低分子量形成果胶酸，由于果胶酸不具粘性，果实就变成软疡的过熟状态。

果胶是亲水性的胶状物，其中高甲氧基果胶，在酸性（PH2. 0∽3 果胶是亲水性的胶状物，其中高甲氧基果胶，在酸性（PH2.0∽3.5）、蔗糖含量60∽65%的条件下有凝固成凝胶的性质，而低甲氧基果胶与糖、酸即使比例恰当也难以形成凝胶，但它在Ca2+作用下可形成凝胶，食品工业中利用它们的凝胶性将其用于果酱、果冻等食品的制作。

7、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。

按其来源可分为三类：

8、微生物多糖 许多微生物在生长过程中产生一些胶质的多糖，其中一些已用于食品工业及医疗上 如右旋糖酐、黄杆菌胶、茁霉胶及环状糊精等，它们被用作稳定剂、乳化剂、增稠剂、悬浮剂、泡沫稳定剂、成型助剂等。

9、氨基多糖 主要存在于动物中，大多由氨基己糖与糖醛酸组成二糖单位经重复连接而成，包括粘多糖（透明质酸、硫酸软骨素）、肝素、壳多糖等。 其中硫酸软骨素为治疗冠心病的药物，肝素是天然抗凝血物质，壳多糖是昆虫、甲壳类（虾、蟹）动物外壳的成分之一，可作为增稠剂、稳定剂。

本节思考题 写出下列碳水化合物的结构式并判断它们能否与Fehling试剂反应。 1、葡萄糖     2、果糖    3、蔗糖       4、麦芽糖 5、乳糖       6、纤维素      7、淀粉     8、果胶 9、淀粉的彻底水解物