Chương 4 Carbohydrate

KHÁI NIỆM CHUNG Chức năngTrong công nghệ chế biến thực phẩm Nguyên liệu cho các quy trình chế biến: rượu bia, nước giải khát, bột ngọt, … Tạo kết cấu, cấu trúc cho sản phẩm: Tạo sợi,

HÓA SINH THỰC PHẨM

CHƯƠNG 4

CARBOHYDRATE

Tôn Nữ Minh Nguyệt, ĐHBKTPHCM

Các nguyên tố chính: C, H, O

Carbohydrate = Saccharide = Glucid

Công thức chung: (CH2O)n

Động vật - 2% CK

 Tập trung ở gan, các mô, máu

 Người và ĐV không tự sinh tổng hợp đường

Thực vật - 70% CK

 Tập trung ở tế bào, mô nâng đỡ, mô dự trữ

 Là sản phẩm của quá trình quang hợp nhờ chlorophyll

70 –80 28,5

Khoai mì Đậu phộng Đậu nành Đậu đen, trắng, xanh

36,4 27,5 24,6

50 - 53

Thành phần AND, ARN, glycoprotein: sao chép thông tin DT

Thành phần cấu tạo thành tế bào (cellulose, hemicellulose, protopectin, …); bộ khung bảo vệ (chitin,…)

Cung cấp các chất trao đổi trung gian và năng lượng cho tế bào Cung cấp năng lượng hoạt động cho cơ thể: 50% số calo cần

Carbohydrate + O 2 H 2 O + CO 2 + 132 Kcal

Nhu cầu 50 –70 g / kg thể trọng, ngày

Nguồn thức ăn: ngũ cốc, rau trái (tinh bột, đường)

Động vật nhai lại: cellulose

Glucid dư chuyển thành lipid (lớp mỡ dưới da)

KHÁI NIỆM CHUNG Chức năng

Trong cơ thể

Nguồn tinh bột Hệ số tiêu hoá ( D ) %

Bột báng làm từ khoai mì 98.9 ± 0.06

KHÁI NIỆM CHUNG Chức năng

Tháp năng lượng về Carbohydrate

KHÁI NIỆM CHUNG Chức năng

Trong công nghệ chế biến thực phẩm

Nguyên liệu cho các quy trình chế biến:

rượu bia, nước giải khát, bột ngọt, … Tạo kết cấu, cấu trúc cho sản phẩm:

Tạo sợi, tạo màng (miến, mì, bánh tráng);

Tạo độ đặc, độ đàn hồi (giò lụa, mứt đông), …

Tạo thành các yếu tố chất lượng cho sản phẩm:

Tạo vị ngọt, tạo vị chua cho yaourt (lên men lactic) Tạo màu sắc, mùi thơm, cố định mùi, giữ ẩm, …

Theo tính khử Đường khử

Đường không khử

Theo cấu tạo hóa học

MonoSaccharide (MS) : 1 gốc đường OligoSaccharide (OS) : 2 – 10 gốc đường PolySaccharide (PS) : > 10 gốc đường

Theo tính hòa tan Glucid hòa tan

Glucid không hòa tan

KHÁI NIỆM CHUNG Phân loại

MS là loại đường đơn giản nhất

MS là dẫn xuất aldehyd hoặc ceton của các polyalcohol

Công thức chung: (CH 2 O) n với n ≥ 3

MS chỉ tham gia phản ứng oxy hóa khử, không tham gia phản ứng thủy phân

MONO SACCHARIDE Cách gọi tên

Loại nhóm chức + số carbon

MONO SACCHARIDE Cách gọi tên

Loại nhóm chức Tên gọi

 Thể hiện nhóm aldose và cetose

 Có C* bất đối nên có đồng phân quang học

D (dextro): quay mp phân cực sang phải

-OH của nhóm C* xa gốc aldehyd hay ceton nhất

ở phía bên phải

L (Left): quay mp phân cực sang trái

-OH của nhóm C* xa gốc aldehyd hay ceton nhất

ở phía bên trái.

MONO SACCHARIDE Cấu tạo hóa học

Cấu tạo mạch thẳng

 Trong tự nhiên, dạng đồng phân D- chiếm ưu thế

 Có nhiều C* bất đối nên sẽ có nhiều đồng phân quang học

 Số C* = m thì số đồng phân sẽ là 2 m

MONO SACCHARIDE Cấu tạo hóa học

Cấu tạo mạch thẳng

Đánh số mạch Carbon

C nhóm Aldehyd – số 1

C nhóm Cetone – số 2

Cặp aldose – cetose tương ứng: gọi tên cetose

bằng cách thêm từ –UL- vào tên aldose tương ứng

MONO SACCHARIDE Cấu tạo hóa học

Cấu tạo mạch vòng

Hợp chất aldose: vòng 6 cạnh (C1 – C6)

vòng 5 cạnh (C1 – C5)

Hợp chất cetose: vòng 5 cạnh (C2 – C5)

vòng 6 cạnh (C2 – C6) Vòng 6 cạnh: piranose

Vòng 5 cạnh: furanose

MONO SACCHARIDE Cấu tạo hóa học

Cấu tạo mạch vòng

MONO SACCHARIDE Cấu tạo hóa học

Cấu tạo mạch vòng

Nhóm –OH glucoside: vị trí nhóm chức

Đồng phân do vị trí nhóm –OH glucoside

α -OH glucoside ở dưới mặt phẳng phân tử (phải)

β -OH glucoside ở trên mặt phẳng phân tử (trái)

MONO SACCHARIDE Cấu tạo hóa học

Dung dịch đường tồn tại cả hai dạng mạch thẳng và mạch vòng, các dạng này chuyển hóa lẫn nhau và có một điểm cân bằng

MONO SACCHARIDE

Tính chất vật lý

Tinh thể không màu hoặc trắng

Hòa tan tốt trong nước

Không hòa tan trong dung môi hữu cơ

Có vị ngọt, độ ngọt khác nhau

Có khả năng làm quay mặt phẳng phân cực

Hợp chất [α] D 20-25 Hợp chất [α] D 20-25

Monosaccharides

L-Arabinose

α

-β D-Fructose

-β D-Galactose

-α

-β D-Glucose

-α

-β D-Manno-2-heptulose

-D-Mannose

α

-β D-Ramnose

-+105 +55,4 +190,6 -92 -133,5 +80,2 +150,7 +52,8 +52,7 +112 +18,7 +29,4 +14,5 +29,3 -17 -7 -23,7 +18,8 +23,6

+34,6 +14,2 +33,4

Gentiobiose

α

-β Kestose Lactose

-β Maltose

-α

-β Maltotriose Maltotetraose Maltopentaose Maltulose Manninotriose Melezitose Melibiose

-β Palatinose Panose Rafinose Saccharose

Phản ứng oxy hóa

 Tùy tác nhân mà quá trình oxy hóa xảy ra ở những vị trí

khác nhau

 Tác nhân oxyhoá: Cu 2++ , Br 2 , I 2 , acid nitric

 Nước brom là tác nhân acid, không tạo phản ứng với cetose mà chỉ phản ứng với aldose (trong môi trường acid không xảy ra phản ứng đồng phân hóa)

MONO SACCHARIDE

Tính chất hoá học

O O

CH 2 OH

COOH HCOH HOCH HCOH HCOH COOH

OCH 3

COOH HO

 Ứng dụng phản ứng oxy hóa

Định lượng đường: Bertrand (CuSO 4 )

Fehling (Cu tartrate}

Benedict (Cu citrate}

Ferrycyanure (K 3 Fe(CN) 6 ) Iod (I 2 )

Định tính đường: Fehling, Benedict, CuSO 4

MONO SACCHARIDE

Phản ứng oxy hóa

Phản ứng khử

MONO SACCHARIDE

Tính chất hoá học

Phản ứng thế: tạo osazone với phenylhydrazine

MONO SACCHARIDE

Tính chất hoá học

Osazone của các loại đường khác nhau có hình dạng tinh

thể, nhiệt độ nóng chảy khác nhau Ứng dụng: định tính đường

Hạn chế: Các loại đường có phần đuôi giống nhau tạo ra

cùng một loại osazone (glucose; fructose; mannose – osazone)Phản ứng thế: tạo osazone với phenylhydrazine

MONO SACCHARIDE

Phản ứng thế: tạo osazone với phenylhydrazine

Ester của acid phosphoric tại các vị trí C4 và C6, là hợp chất

tích lũy năng lượng cao.

1 6

OH

OH P

+H3PO4-H2O

Phản ứng tạo ester

MONO SACCHARIDE

Tính chất hoá học

Tách nước giữa nhóm –OH glucoside và nhóm –OH cùa

1 hợp chất khác (aglucon)

Gọi tên: nhóm hợp chất Glycoside

Có nhiều trong mô thực vật và động vật

Vị dắng, có tính độc nhiều hay ít – kháng khuẩn

Glucosides MONO SACCHARIDE

Methanol + xúc tác HCl – phản ứng methyl hóa

Phản ứng tạo liên kết glucoside

OCH3

CH2OCH3OCH3

OCH3

CH2OH OH

OH

(Methyl-beta-D-Glucoside)

HO

Phản ứng tạo liên kết glucoside

MONO SACCHARIDE

Phản ứng tạo liên kết glucoside

MONO SACCHARIDE

Phản ứng tạo liên kết glucoside

OH

(Maltose)

HO

CH2OHOH

OH OH O

CH2OH OH

OH

O

CH2OH OH

O H

C CH

C

(Pentose)

H + đđ -3H2O

CHO

(Fufural)

O H

C C

C

(Hexose)

H + đđ -3H2O

Tính chất hoá học

 SP rất hoạt hóa, nối đôi dễ trùng hợp với các chất khác

 Tạo mùi thơm cho sản phẩm khi ở nồng độ nhỏ

 Cho phản ứng màu với thymol, naphtol – định tính pentose

Fucfurol + anilin + HCl - hợp chất màu đỏ

Phản ứng đồng phân hóa

MONO SACCHARIDE

Tính chất hoá học

Xảy ra trong môi trường kiềm Phụ thuộc nhiệt độ, nồng độ của kiềm

Phản ứng caramel

MONO SACCHARIDE

Tính chất hoá học

Là phản ứng dehydrate hóa tại nhiệt độ nóng chảy của

đường hay đun nóng dung dịch đường có xúc tác

của acid hay kiềm

25 50 36

9 18 12

10 20 12

11 22

Caramenlan (màu đậm)

Caramelen

O nH O

Phản ứng caramel

MONO SACCHARIDE

Tính chất hoá học

Sản phẩm phản ứng màu nâu, mùi caramel đặc trưng,

dễ tan trong nước

Phản ứng Maillard

MONO SACCHARIDE

Tính chất hoá học

Phản ứng với hợp chất nitơ: đường, a.amin, peptid, protein,… Điều kiện pư: lượng nhỏ, nhiệt độ, độ ẩm, thời gian

Sản phẩm N-glucoside : Melanoidine

Tính chất: màu nâu vàng – đen

mùi thơm (mùi nướng),

vị đắng (cacao, coffee), tính khử tăng (dễ thgia pứng oxy hóa)

D (+) glucose

 Có nhiều trong nho chín: đường nho

 Quay mặt phẳng phân cực sang phải: dextrose

 Rất dễ hấp thụ

 4C bất đối – 16 đồng phân quang học,

 Phổ biến nhất là (+)glucose; (+)mannose; (+)galactose

 Tính chất và phản ứng hóa học các đồng phân này giống

như (+)glucose, nhưng tốc độ phản ứng và lượng SP tạo

thành thì khác nhau.

 Trong dung dịch glucose tồn tại ở cả các dạng đồng

phân (thẳng, vòng 5 hoặc 6 cạnh)

Glucose

MONO SACCHARIDE

MONO SACCHARIDE

 Có nhiều trong trái cây : đường quả

 Trong mật ong cũng có hàm lượng cao: đường mật

 Quay mặt phẳng phân cực sang trái: levulose

 Độ ngọt cao

OLIGO SACCHARIDE

Cấu tạo hoá học

 Từ 2 – 10 gốc MS, liên kết với nhau bằng liên kết glucoside

 Vẫn còn giữ được một số tính chất của MS

 Dễ tan trong nước, dễ kết tinh

 Có vị ngọt

Độ ngọt được đánh giá bằng thang điểm so với saccharose

Saccharose

Galactiol

D-fructose

D-galactose D-glucose Đường nghịch đảo

39

46

D-mannitol D-mannose

Rafinose

D-rhamnose D-sorbitol

Xylitol

D-xylose

69 59

22

33 51

102

67

CH2OH OH OH

O

CH2OH

OLIGO SACCHARIDE

-OH glucoside + -OH thường

liên kết oside – ose (1,4 hay 1,6)

tính khử giảm một nửa

-OH glucoside + -OH glucoside

liên kết oside – oside (1,1 hay 1,2)

không còn tính khử

Phân bố: thóc nảy mầm, malt đại mạch, mạch nha: đường nha

Sản xuất: thủy phân tinh bột bằng β-amilase

Ứng dụng: CNSX bánh kẹo, tạo vị ngọt thanh,

tránh hiện tượng tái kết tinh đường, tạo cấu trúc mềm dẻo cho kẹo

α -D-glucose + α -D-glucose / 1,4-glucoside

Cơ thể hấp thu lactose nhờ E lactase

Sản xuất: Từ nước Whey

Ứng dụng: Sữa chua (yaourt)

β -D-galactose + α -D-glucose / 1,4-glucoside

OLIGO SACCHARIDE

Saccharose

Xảy ra do tác dụng của E invertase hay HCl, nhiệt độ cao

Tỷ lệ cân bằng S : G : F = 1 : 1 : 1 (số mol)

Tại sao gọi là đường nghịch đảo?

Ích lợi của phản ứng nghịch đảo đường?

Tăng lượng chất khô 5,26%

Tăng vị ngọt Tăng độ hòa tan của đường

+66,5 o

+52,5 o -92,4 o

Phản ứng nghịch đảo đường

OLIGO SACCHARIDE

Saccharose

Tính hút ẩm của đường

 Lý do: có nhiều nhóm hydroxyl –OH

 Đường khử hút ẩm đường không khử

 Ứng dụng: chất giữ ẩm cho bánh

Chất hút ẩm trong quy trình làm kẹo, mứt giúp tăng nhanh quá trình kết tinh, kết dính

 Tai hại: Sản phẩm sấy mau chảy nước vì hút ẩm

Phân bố: đậu, hạt

α-D-galactose + α-D-galactose + α-D-glucose + β-D-glucose 1,6-glucoside 1,6-glucoside 1,2-glucoside

Phân bố: rỉ đường, hạt bông, củ cải đường

α-D-galactose + α-D-glucose + β-D-fructose

1,6-glucoside 1,2-glucoside

Cấu tạo hoá học

Định nghĩa: Chứa nhiều hơn 10 MS

Liên kết glucoside Không còn tính khử

Phân loại:

PS thuần (homopolyose - đồng thể): từ một loại MS

Gọi tên: Monose – ose + an (glucan, pentosan,…)

PS tạp (heteropolyose – dị thể): từ nhiều loại MS

Gọi tên: M1-se + M2-ose + an (galactoglucan)

PS tựï nhiên: PS thuần (glucan: tinh bột, cellulose,glycogen)

Lãnh vực ứng dụng PS thích hợp Làm bền nhủ tương / huyền phù trong

sữa đặc và sữa chocolate

Carragenan, algin, pectin, CMC (CarboxyMethylCellulose) Làm bền nhũ trong café sữa,

margarine có hàm lượng béo thấp

Carragenan

Làm chất ổn định trong kem, chống lại

việc kết tinh đá, nóng chảy hay tách

pha, cải thiện cấu trúc

Carragenan, algin, agar, gum tragacanth, xanthan gum, guaran gum,

tinh bột biến tính, CMC, MC

(methylCellulose) Làm chất giữ nước, cải thiện cấu trúc,

tăng độ mềm cho phô mai

Carragenan, agar, gum tragacanth,

karaya gum, algin, CMC, Tạo đặc, tạo gel cho sữa làm bánh

pudding, bánh kem

Pectin, algin, carragenan, guaran gum,

tinh bột biến tính, CMC Làm chất giữ nước và làm bền nhũ cho

sản phẩm thịt

agar, karaya gum, guaran gum

Làm chất tạo đông cho sản phẩm thịt,

cá, rau quả

Carragenan, algin, agarPOLYSACCHARIDE

Ứng dụng

Lãnh vực ứng dụng PS thích hợp Chất làm bền và tạo đặc chống vữa

cho suop, sauce, nước trộn salad,

mayonnaise và các sản phẩm có hàm

lượng tinh bột và lipid thấp

Gum tragacanth, algin, karaya gum, xanthan gum, guaran gum, tinh bột biến tính, CMC, glycol alginate

Làm bền bọt bia, bọt kem, bánh nướng

từ trứng

Carragenan, algin, agar, gum arabic,

karaya gum, xanthan gum, Là chất giữ ẩm cho bánh mì, bánh

bông lan, tạo độ mềm cho bánh

Agar, xanthan gum, carragenan,

guaran gum Tạo đặc, tạo gel cho bột chà trái cây

(confiture,jam, jelly, yaourt, )

Pectin, algin

Tạo gel cho các lọai kẹo trái cây

nghiền, các lọai mứt đông

Pectin, algin, carragenan, agar, gum

arabic, tinh bột biến tính Ổn định độ phân tán thịt quả trong sản

phẩm nước quả đục

Pectin, algin, propylen glycol, alginat, gum arabic, xanthan gum, guaran gum Làm bền nhũ cho sản phẩm chứa chất

thơm dạng bột, dạng con nhộng.

Gum arabic, gum ghath, xanthan gum

POLYSACCHARIDE

Ứng dụng

Lúa gạo Chuối

75 – 80 90

Thành phần chính của các hạt ngũ cốc và củ lương thực

Tinh bột

 Dạng hạt, xung quanh hạt là một lớp vỏ, hạt xếp thành lớp

 Tinh bột của nguyên liệu khác nhau có dạng khác nhau

 Cấu tạo hóa học: glucan (α-D-glucose)

 2 dạng cấu tạo của tinh bột: amilose (AM) + amilopectin (AP)

 Tỷ lệ AM/AP = 1/4

 Đậu xanh (75%AM); nếp (>90% AP); lúa mì, bắp (AM/AP = 1/3)

mixen gel

Amaranth starch

(Bar: 1 µm)

Arrowroot starch (Bar: 20 µm)

Buckwheat starch (Bar: 5 µm)

Cassava starch

(Bar: 10 µm)

Corn starch (Bar: 10 µm)

Oat starch (Bar: 5 µm)

Potato starch (Bar: 50 µm)

Rice starch (Bar: 2 µm)

Kidney bean starch (Bar: 20 µm)

Tinh bột

Mpt = 20.000 – 30.000

Mạch thẳng, không phân nhánh, liên kết 1,4-glucoside

Không tan trong nước lạnh

Trong nước nóng tạo thành ddkeo (hồ hóa) Ở trạng thái keo,

AM tồn tại ở trạng thái xoắn, ổn định nhờ các liên kết Hydro

Mỗi vòng xoắn chứa 6 gốc glucose Iod sẽ hấp phụ vào giữa vòng xoắn tạo màu xanh đặc trưng

Màu với Iod thay đổi theo độ dài mạch, mức độ phân nhánh

Amilose

Tinh bột

 Mạch thẳng, phân nhánh, liên kết 1,4 + 1,6-glucoside

 Chứa > 20 – 30 gốc glucose;

 Mpt = 200.000 – 1.000.000

 Mức độ phân nhánh quy định độ dẻo của tinh bột, tùy thuộc nguồn nguyên liệu

 Nhiệt độ hồ hóa cao hơn, ddịch keo có độ nhớt cao hơn AM

 Cho màu tím với Iod

Amilopectin

H O

H H

H O +H2O T O O

H O

H H

H O

O H

H

Bột khô: liên kết H2 nội – bột rít tay

Khi có nước: liên kết H2 ngoại – hạt tinh bột trương nở

Không gia nhiệt: tinh bột chỉ trương nở

Có gia nhiệt, khuấy trộn: vỏ hạt bị phá vỡ – AM và AP thoát ra

tăng khả năng hút nước, trương nở

Nhiệt độ hồ hóa: các sợi AM và AP trượt lên nhau

– phân tán trong nước – dd hồ tinh bột có độ nhớt cao

Kéo dài thời gian gia nhiệt: đứt mạch – giảm độ nhớt

Tinh bột

Sự thoái hóa

Bảo quản dd hồ tinh bột:

Các sợi tinh bột sẽ tiến đến gần nhau, Xuất hiện liên kết Hydro nội,

Giảm liên kết với nước, tách nước, Hiện tượng hồ bị ứa nước.

AP tạo dung dịch hồ tinh bột bền hơn so với AM

Dùng các gốc bền để nối mạch:

ở nhiệt độ cao không bị đứt mạch, không giảm độ nhớt (nước sốt đồ hộp)

Đưa các gốc cồng kềnh vào mạch tinh bột:

các sội không tiến gần nhau, nước không bị tách (hồ dán, tương ớt)

Tinh bột

Sự thủy phân

[1] Dextrin

α dextrin : 3 – 5 gốc glucose còn liên kết 1,6-glucoside

β dextrin : có Mpt lớn

Amilosedextrin Mpt = 500.000 xanh I 2 tủa trong rượu 40o Erithrodextrin Mpt = 10.000 tím I 2 tủa trong rượu 65o Achrodextrin Mpt = 4-6.000 nâu đỏ I 2 tủa trong rượu 70o Maltodextrin Mpt < 4.000 cam I 2 không tủa

+H2O; H+/E

Tinh bột Dextrin Maltose, Glucose

Tinh bột α dextrin + Maltose + Glucose

(endo; lk 1,4; bất kỳ)

E β amylase (Fungamyl)

β dextrin + Maltose (exo; lk 1,4; cắt từng 2 gốc)

E γ amylase (Glucoseamylase)

Glucose (exo; lk 1,4 và 1,6; cắt từng gốc một)

Tinh bột

Sự thủy phân

[3] Chỉ số DE: Dextrose Equivalent

Biểu thị mức độ thủy phân, tạo các đầu khử

DE = Lượng đườ ng kh (glucose) / tổng lượng tinh bột ử

DE càng tăng thì độ ngọt càng tăng.

DE = 3 – 20 Maltodextrin

DE > 20 Siroglucose

liên kết 1,4-glucoside

Dạng thẳng không xoắn

Phân tử cell xếp // thành sợi có φ 3,5 nm

Các sợi cell tạo thành bó sợi φ 20 nm

Liên kết hydro giữa các chuỗi cell

giúp ổn định sợi cellulose

Cell rất bền, rất khó thủy phân

Điều kiện thủy phân khá nghiêm ngặt

hay dùng A Cellulase