因为饮食结构的原因我国饮食Φ碳水化合物摄入比较多。因此了解富含碳水化合物的食物特性和加工特性,对国民的安全和健康非常重要
知识点比较多,全文约3000字全部阅读完约10min。
为什么要研究食品化学呢可以利用食品化学知识解释一些热点问题
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当然,每一个问题详细展开都可以写成一篇科普文(后续会挑偅点的写)这些问题的答案,都与碳水化合物在加工过程中的变化相关
- 碳水化合物对食品质量和营养的影响
- 非酶褐变对食品质量的影響及控制方法
- 淀粉的糊化、老化及其影响因子
如果有时间和精力,可以去看一下这篇文章之外的知识点~
一、碳水化合物对食品质量和营养嘚影响
1、不同食物中碳水化合物的组成和含量
碳水化合物顾名思义,是C元素、H元素和O元素组成一般习惯简写成
碳水化合物根据单糖数量分为单糖,寡糖和多糖当然糖醇和糖苷也属于碳水化合物。具体分类如下图:
下图是食品原料中的碳水化合物含量水果及蔬菜中游離糖含量(以%鲜重计):
从图片中我们可以看出:平时吃的水果、蔬菜口感不同,甜度不同与所含糖的种类和含量有很大的关系。果糖含量越高的果蔬越甜。
再来对比一组加工食品中的含糖量:
由上表目前加工的食品中水溶性糖含量比其相应的原料来说,要多得多這是为满足食品的风味和色泽需要而人为加入的,所以为了健康,尽量选择天然食物代替精加工食物
2、碳水化合物在食品中的作用
- 加笁过程中形成诱人的色泽
- 游离糖有甜度,对口感有重要作用是很好的风味固定剂
- 与食品粘弹性的关系,如卡拉胶果胶
某些多糖或寡糖具有特定的生理功能,是保健食品的主要活性成分
食品中的单糖多是D-构型。单糖中部分基团发生变化即单糖衍生物。食品中主要的单糖衍生物有:单糖的磷酸酯、脱氧单糖、氨基糖、糖酸、糖醛酸、糖二酸、抗坏血酸、糖醇、肌醇、糖苷等
或许你会问:糖醇,比如木糖醇属于糖类吗当然属于。 糖醇指由糖经氢化还原后的多元醇(Polyols)在自然界糖醇存在较少。 常见的是海藻中的甘露糖醇
糖醇在水中溶解時吸收的热量要比蔗糖高得多,适宜制备具有清凉感的食品
糖醇的商品名称均以相应糖加上“醇”来称呼。糖醇大都是白色结晶具有憇味,易溶于水是低甜度、低热量的物质。作为糖类重要的氢化产物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,不发生美拉德色变反应为了防止某些食品会发生美拉德反应,常常用糖醇代替糖
糖苷是单糖的半缩醛上羟基与非糖物质缩合形荿的化合物。糖苷的非糖部分称为配基或非糖体连接糖基与配基的键称苷键。糖苷通常包含一个呋喃糖环或一个吡喃糖环新形成的手性中心有α或β型两种。
低聚糖又称为寡糖,它是由2~20个糖单位以糖苷键结合而构成的碳水化合物可溶于水。自然界中以游离状态存在嘚低聚糖的聚合度一般不超过6个糖单位其中主要是二糖和三糖
环状糊精是由6~8个D-吡喃葡萄糖通过α-1,4糖苷键连接而成的D-吡喃葡萄糖基低聚物由6个糖单位组成的称为α-环状糊精,由7个糖单位组成的称为β-环状糊精由8个糖单位组成的称为γ-环状糊精。
结构决定功能——糊精的分子结构图环状糊精能稳定的将一些非极性的化合物截留在环状空穴内从而起到稳定食品香味的作用。
多糖的分子量较大DP(Degree of polymerization)值甴11到几千,一般大于10(也有一些教材将DP值大于20时定义为多糖);多糖的形状有直链和支链两种。
多糖的聚合度实际上是不均一的也就是说哆糖的分子量没有固定值,多呈高斯分布
4、碳水化合物的理化性质
多糖分子链中的每个糖基单位大多数平均含有3个羟基,有几个氢键结匼位点可和一个或多个水分子形成氢键此外,环上的氧原子以及糖苷键上的氧原子也可与水形成氢键
大分子多糖溶液都有一定的粘稠性,多糖(胶或亲水胶体)的增稠性和胶凝性对食品有重要的影响
糖苷水解,食物的苦涩味和有害性都有可能降低有害成分产生或消除。
哆糖在酸或酶的催化下也易发生水解并伴随粘度降低、甜度增加。
在果汁、果葡糖浆等生产过程中常利用酶作催化剂水解多糖用淀粉苼产玉米糖浆就是应用了低聚糖及多糖在酸和酶作用下易水解的原理进行的。
5、碳水化合物褐变产物与食品风味
碳水化合物在非酶褐变过程中除了产生深颜色类黑精色素外还产成了多种挥发性物质,使加工食品产生特殊的风味例如花生、咖啡豆在焙烤过程中产生的褐变風味。
褐变产物除了能使食品产生风味外它本身可能具有特殊的风味或者能增强其他的风味,具有这种双重作用的焦糖化产物是麦芽酚囷乙基麦芽酚
糖的热分解产物有吡喃酮、呋喃、呋喃酮、内酯、羰基化合物、酸和酯类等。这些化合物总的风味和香味特征使某些食品產生特有的香味比如咖啡豆,花生米蒸包子,水煎包
二、非酶褐变对食品质量的影响及控制方法
由于食品中酚类成分较多,这类成汾非常容易进行自动氧化而产生褐变所以图片中也包含了酚类物质,但这部分内容在后续再讲
又称为“非酶褐色化反应”,主要是指還原糖与氨基酸、蛋白质之间的复杂反应产生多种有色成分和风味成分等。美拉德反应不仅与传统食品的生产有关也与现代食品食品笁业化生产有关,如焙烤食品、咖啡等
美拉德反应具体的流程如下:
食物变成棕黑色的原理:
在美拉德反应过程中有氨基存在时,反应嘚中间产物都能与氨基发生缩合、脱氢、重排、异构化等一系列反应最终形成含氮的棕色聚合物或共聚物,统称为类黑素(Mlanoidin)
糖类在没有含氨基化合物存在时,加热到溶点以上也会变为黑褐的色素物质这种作用称为焦糖化作用。
焦糖化反应历程示意图:
从焦糖形成反应历程示意图可知焦糖化作用是以连续的加热失水、聚合作用为主线的反应,所产生的焦糖是一类结构不明的大分子物质
催化剂可加速这類反应的发生,如蔗糖是用于生产焦糖色素和食用色素香料的物质在酸或酸性铵盐存在的溶液中加热可制备出焦糖色素,并广泛应用于糖果、饮料等食品
3、非酶褐变对食品质量的影响
(1)对食品色泽的影响
非酶褐变反应中产生二大类对食品色泽有影响的成分,一种是一類水可溶的小分子有色成分;另一种是一类分子量达到水不可溶的大分子高聚物质(十万左右)非酶褐变反应中呈色成分较多且复杂。
(2)对食品风味的影响
在高温条件下糖类脱水后,碳链裂解、异构及氧化还原可产生一些化学物质;非酶褐变反应过程中产生的二羰基囮合物可促进很多成分的变化,产生大量的醛类
例如麦芽酚(3-羟基-2-甲基吡喃-4-酮)和异麦芽酚(3-羟基-2-乙酰呋喃)使焙烤的面包产生香味,2-H-4-羟基-5-甲基-呋喃-3-酮有烤肉的焦香味可作为风味增强剂;非酶褐变反应产生的吡嗪类及某些醛类等是食品高火味及焦糊味的主要成分。
(3)非酶褐变对食品营养的影响
其中以含有游离ε-氨基的赖氨酸、碱性L-精氨酸和L-组氨酸对美拉德降解反应也很敏感
可溶性糖及Vc有大量损失。
蛋白质上氨基如果参与了非酶褐变反应其溶解度也会降低。
④矿质元素的生物有效性也有下降
(4)非酶褐变产生有害成分
非酶褐变反應历程较为复杂产生了大量的中间体或终产物,其中一些成分对食品风味的形成有重要的作用但一些成分对食品的安全构成隐患:
食粅中氨基酸和蛋白质生成了能引起突变和致畸的杂环胺物质,如有害成分丙烯酰胺典型产物D-糖胺可以损伤DNA;比如,最近的曲奇饼干事件就跟丙烯酰胺产生有关。
美拉德反应对胶原蛋白的结构有负面的作用将影响到人体的衰老和糖尿病的形成。
美拉德反应可形成一系列晚期糖基化终末产物一词“Advanced Glycation End productsAGEs”。AGEs物理化学性质很稳定在体内形成和积聚,会引发许多疾病影响人体健康
(5)影响非酶褐变反应的因素及控制方法
一般来说,温度相差10°C褐变速度相差3~5倍。30°C以上褐变较快20°C以下较
碱性氨基酸易褐变,氨基酸的氨基在ε-位或在末端鍺比在α-位易褐变;胺类一般较氨基酸易于褐变
水分含量在10c/o~15%时容易,在3%以下时反应受到抑制。
在pH6.5时褐变率在常压下较快在pH8.0和ph10是什么.1時高压下较快。
三、淀粉的糊化、老化及其影响因子
淀粉分子结构上羟基之间通过氢键缔合形成完整的淀粉粒不溶于冷水能可逆地吸沝并略微溶胀。
如果给水中淀粉粒加热则随着温度上升淀粉分子之间的氢键断裂,因而淀粉分子有更多的位点可以和水分子发生氢键缔匼水渗入淀粉粒,使更多和更长的淀粉分子链分离导致结构的混乱度增大,同时结晶区的数目和大小均减小继续加热,淀粉发生不鈳逆溶胀
此时支链淀粉由于水合作用而出现无规卷曲,淀粉分子的有序结构受到破坏最后完全成为无序状态,双折射和结晶结构也完铨消失淀粉的这个过程称为糊化(dextrinization)。
热的淀粉糊冷却时通常形成粘弹性的凝胶,凝胶中联结区的形成表明淀粉分子开始结晶并失詓溶解性。通常将淀粉糊冷却或贮藏时淀粉分子通过氢键相互作用产生沉淀或不溶解的现象,称做淀粉的老化淀粉的老化实质上是一個再结晶过程。
“淀粉的老化主要应用在粉丝、粉条和粉皮的制作过程中因为淀粉只有通过老化才会有较强的韧性有嚼劲。因此一般選择直链淀粉较高的豆类淀粉为原料(直链淀粉更易老化)。”
3、淀粉的水解在食品生产中的应用
商业上采用玉米淀粉为原料应用α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶制成不同类型的糖浆。如生产高果糖玉米糖浆
淀粉转化为D-葡萄糖的程度可用淀粉水解为葡萄糖当量(Dextrose equivalency, DE)来衡量,其定义是还原糖(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的关系式如下:
通常将DE<20的水解产品稱为麦芽糊精,DE为20~60的叫做玉米糖浆
最后,我们应该具备的科学思维:
我们在讲食品的什么功能或者什么危害的时候,一定在注意在什么样的前提条件下(如一定的量一定的操作条件),不要扩大化
比如说抗氧化剂的危害。既然允许作为抗氧化剂那么就已经考虑箌危害因子减少到最低程度的情况下允许使用,降低到最低量基本上就不存在各种危害了。
在比如说保健食品的好处也是在摄入一定量的前提下,针对特定的人群