食品化学迟玉洁

1、食品化学,目录,前 言 水 碳水化合物 蛋白质 脂类 维生素和矿物质 色素 风味化学 食品添加剂概论 功能食品,前言,1.食品化学的研究内容 2.食品化学的发展历史 3.食品化学的研究方法,1.食品化学的研究内容,食品化学是利用化学理论和方法研究食品本质的一门科学，它同食品微生物学、食品工艺学一起构成了食品科学中的三大支柱学科。 基本研究内容：食品化学通过食品的营养价值的组成、各成分的性质、结构和功能，及食品各成分在加工储藏中的作用可能发生的各种化学变化和生物化学变化，从而构成了食品化学的基本研究内容。 具体研究内容：确定食品的组成、营养价值、安全性和品质等重要性质；食品贮藏加工中可能发生的各

2、种化学、生物化学变化；上述变化中影响食品和其安全性的主要因素；研究化学反应的动力学和环境因素的影响,重点内容：1.氧化是食品变质的主要原因之一，它造成食品的腐败、异味、变色，还可能生成有害物质，食品中一些天然物质如VE、Vc、一胡萝卜素等是很好的抗氧化剂，均可抑制氧化反应的发生，阻止过氧化物、过氧化游离基等活泼物质对机体造成损害。所以食品化学研究各种活泼物质的反应机理，从而可以达到控制它们的目的。现在对光敏氧化、自动氧化反应的研究已取得进展，这将为应用新的食品加工贮藏技术提供理论基础。 2.褐变反应是食品中发生的另一类重要反应，特别是美拉德褐变反应，在食品的热加工和长期贮藏中会发生该反应，由于

3、它涉及到醛(一般是还原糖)和氨(蛋白质和氨基酸)，所以反应的发生对食品的营养价值产生了不利影响，但反应中生成的风味化合物及所形成的色泽，通常又是提高感官质量和产生风味所需的。 3.食品风味在食品质量中有着重要,作用。食品风味除了新鲜水果和蔬菜外，主要是在加工过程中各成分之间的相互反应而生成的，因此控制食品的加工条件，产生所需要的风味是十分重要的，对风味化合物的分离、结构和形成途径的研究是食品风味化学的组成部分。4.食品成分在加工贮藏中各成分之间的相互作用也是食品化学的重点研究内容，不仅涉及营养价值、功能性质、风味。5. 80年代以来，由于世界经济的发展和生活水平的提高，人们对食品的要求不仅仅是

4、营养、风味及安全，更注重食品的功能作用即增强人体免疫机能，调整人体生物节律，防止疾病发生，恢复健康等作用，对保健食品中功能因子的化学结构、性质及功能作用的研究将成为食品化学的又一重点研究课题。因而出现了“功能食品”“保健食品”的概念,2、食品化学的发展历史,在1819世纪，化学家们对食品的成分进行研究，认识到糖类、蛋白质和脂类是人体必需的营养素，为食品化学的今后发展打下了基础。如瑞典化学家舍雷(schele)在分离出乳酸后研究了其性质，法国化学家拉瓦锡(1avoisler)首先提出了用化学方程式表达发酵过程，还有其它一些人对食品成分的研究、测定作出了不少贡献。而英国化学家戴维(Davy)在农业

5、化学原理一书中论述了食品化学的有关内容，对食品化学分析、食品掺假的控制、食品检验起着极大的促进作用。 食品化学是在20世纪随着化学、生物化学的发展和食品工业的兴起而形成的一门科学，并与人类的生活紧密相关。虽然早期人类的食物生产涉及到食品化学的一些内容如发酵制酒、肉的腌制保鲜、用海藻治疗瘿病等。 食品化学作为一门学科出现还是在50年代，由于现代食品工业的发展，对于食品质量、品质、安全性方面提出的新要求，以及色谱、色质联机分析技术的广泛应用进一步为现代食品化学的发展创造了新的条件。而保健食品的兴起，人工合成食品的设想又一次给食品化学的发展开拓了新的领域,3、食品化学的研究方法,基本研究方法：高质量

6、的食品应具有能代表它们重要特征的性质，在食品配制、加工和贮藏过程中的化学和物理化学变化与这些性质有关；另一方面某些化学和生物化学变化也对食品的质量和卫生下降有着重要的影响。因此，确定关键的化学和生物化学反应是如何影响食品的质量和安全，并将这种知识应用于在食品配制、加工和贮藏过程中可能遇到的各种情况是食品化学的基本研究方法。 食品化学是食品科学学科中发展很快的一个领域,应用高新技术：近几十年来，在食品加工和贮藏过程中引入了大量的高新技术，如微胶囊技术、膜分离技术、超临界提取技术、新灭菌技术、复合包装材料、微波技术、超微粉碎技术、可食用膜技术等。这些技术推动了食品化学的发展，也对食品化学的研究方法

7、提出了更高的要求。例如，在微胶囊技术中，壁材(Wall materials)中各个组分的结构和性质，各组分之间的相互作用以及它们对微胶囊产品超微结构的影响，都是食品化学研究的课题；这就需要应用更先进的分析和测试手段，从宏观、分子水平和超微结构3个方面着手将这项高新技术正确地应用于食品工业,第一章 水(Water) 1.1 水的结构和性质 1.2 水的等温吸附曲线 1.3 水的活度与食品保存性的关系,各种食品都有其特定的水分含量，因此才能显示出它们各自的色、香、味、形特征。从物理化学方面来看，水在食品中起着分散蛋白质和淀粉等的作用，使它们形成溶胶。从食品化学方面考虑，水对食品的鲜度、硬度、流动性

8、、呈味性、保藏性和加工等方面都具有重要的影响。水分也是微生物繁殖的重要因素。在食品加工过程中，水起着膨润、浸透、呈味物质等方面的作用。因此，研究水的结构和物理化学特性，水分分布及其状态，对食品化学和食品保藏技术有重要意义,1.1 水的结构和性质,1.1.1 水的结构 水分子由两个氢原子与一个氧原子的两个SP3杂化轨道结合成两个共价键，为四面体结构，氧原于位于四面体中心，四面体的四个顶点中有两个被氢原子占据，其余两个为氧原子的非共用电子对所占有(图11)。气态水分子两个OH键的夹角即(HOH)的键角为104.5，与典型四面体夹角10928很接近，OH核间距0.96，氢和氧的范德瓦尔斯半径分别为1

9、.2和1.4,图1.1 单分子水的立体模式,在液态水中，若干个水分子缔合成(H2O)n大分子，这是由于水分子偶极分子之间的静电吸引力及产生氢键键合作用形成的。氧原子的两个孤对电子与邻近的两个水分子的氢原子产生氢键键合，形成如图1.2所示的四面体结构。每个水分子在三维空间的氢键给体和受体数目相等，因此，水分子间的吸引力比同样靠氢键结合其它小分子(NH3和HF)要大得多,1.1.2 冰的结构,水是一种短而有序的结构,而冰是水分子有序排列成大且长的晶体，是水分子靠氢键连接构成非常“疏松”的刚性结构。因此，冰比液态水的结构更为“疏松”,比容较大。冰在熔化时，一部分氢键断裂，所以转变成液相后水分子紧密地

10、靠拢。冰晶体中也存在部分无序的结构。 冰有11种结构，但是在常压和温度0时，只有普通正六方晶系的冰晶体是稳定的,还有9种同质多晶(po1ymorphism)和一种非结晶或玻璃态的无定形结构。 在冷冻食品中存在4种主要的冰晶体结构，即六方形、不规则树枝状、粗糙的球形和易消失的球晶，以及各种中间状态的冰晶体。大多数冷冻食品中的冰晶体是高度有序的六方形结构，在含有大量明胶的水溶液中，冰晶体主要是立方体和玻璃状冰晶,水的过冷现象：水冷凝时可产生过冷现象，所谓过冷是当液体冷却到冰点以下仍不析出固体。但是，若向过冷水中投入一粒冰晶或摩擦器壁，过冷现象立即消失。当在0的过冷溶液中加入晶核，则会在这些晶核的周

11、围逐渐形成长大的结晶，这种现象称为异相成核(heterogeneous nucleation)。过冷度愈高，结晶速度愈慢，这对冰晶的大小是很重要的。当大量的水慢慢冷却时，由于有足够的时间在冰点温度产生异相成核，因而形成粗大的晶体结构。若冷却速度很快就会发生很高的过冷现象，则很快形成晶核，但晶核增长速度很慢，因而形成微细的结晶结构。 冰晶体的大小和结晶速度受溶质、温度、温度降低速度等因素影响。溶质的种类和数量影响冰晶体的数量、大小、结构、位置和取向,冷冻对食品组织的影响： 食品组织缓慢冷冻，使大冰晶全部分布在细胞外部，而快速冻结则可在细胞内外都形成冰晶。有关冰晶的分布与冷冻食品质量的关系还不十分

12、了解，但是食品冷冻时，由于水转变成冰可产生“浓度效应”，同时PH、离子强度、粘度、渗透压、蒸汽压及其它性质也会发生变化从而影响食品的品质。 食品冷冻时水结冰将消耗食品中约9的水分，根据食品的含水量和溶质浓度可以测定食品冷冻时体积的变化。当水结晶时因空气存在，使冰晶膨胀，例如某些水果冻结时体积增加。此外，水结冰时膨胀会产生局部压力，使细胞受到机械性损伤，同时还会引起乳化液失去稳定性，蛋白质絮凝，鱼肉质地变硬，丧失结构的完整性，使肉中水的损失增加等等,1.1.3 水的性质,1. 水的比热、汽化热、熔化热大：这是由于水分子间强烈的氢键缔合作用产生的，当发生相转变时，必须供给额外能量破坏分子间的氢键。

13、这对食品冷冻、干燥和加工都是非常重要的因素。 2. 水的介电常数大、溶解力强：水的介电常数同样会受到氢键键合的影响，虽然水分子是一个偶极子，但水分子间靠氢键键合形成分子群就会成为多极子，这便导致水的介电常数增大。由于水的介电常数大，因此水溶解离子型化合物的能力较强；非离子极性化合物如糖类、醇类、醛类等可与水形成氢键而溶于水中；不溶于水的物质如脂肪和某些蛋白质，也能在适当的条件下分散在水中形成乳浊液或胶体溶液。 此外，水结冰时密度的变化和温度变化所伴随冰的密度变化，以及冰结晶的成长都会引起细胞组织机械损伤和破坏，从而使冷冻食品质地发生物理变化,1.2 水的等温吸附曲线,1.2.1 水的存在状态

14、水在食品中是以游离水和结合水两种状态存在的。 游离水是指不与食品中任何成分化合或吸附的水，具有纯水的性质，有流动性。 结合水是指存在于溶质及其它非水组分邻近的水，与游离水相比，它们呈现低的流动性和其它显著不同的性质，这些水在-40不会结冰，不能作为所加入溶质的溶剂。结合水包括化合水和吸附水（单层吸附水和多层吸附水）。化合水-这部分水与食品成分结合最强，它在高水分含量食品中只占很小比例，它们存在于蛋白质的空隙区域内或者成为化学水合物的一部分。单层水-结合强度较次的结合水，它们占据着非水成分的大多数亲水基团的第一层位置，按这种方式与离子或离子基团缔合的水是结合,最紧的一种邻近水。多层水-占有第一层

15、中剩下的位置以及形成单层水以外的几层，虽然多层水的结合强度不如单层水，但是仍与非水组分靠得足够近，以致于它的性质也大大不同于纯水的性质。因此，结合水是由化合水和吸附水(单层水+多层水)组成的。 1.2.2 食品中水与溶质之间的相互作用： 水在溶液中的存在状态，与溶质的性质以及溶质同水分子的相互作用有关。 1.水与离子或离子基团的相互作用：离子或离子基团(Na+，CI，C00，NH3+ 等)通过自身的电荷与水分子偶极子的静电相互作用而产生水合。与离子和离子基团相互作用的水，是食品中结合最紧密的一部水，主要是化合水，有少量单层水和多层水,3. 水与非极性基团的相互作用：疏水物质如烃类、脂肪酸、氨基

16、酸及蛋白质的非极性基团与水接触，形成笼形水合物和蛋白质中的疏水作用。 笼形水合物是冰状包合物，其中水为“主体”物质，通过氢键形成了笼状结构，截留了被称为“客体”的分子，即低分子量的烃类及卤化烃、稀有气体、二氧化硫、二氧化碳、环氧乙烷、乙醇、短链的伯胺、仲胺及叔胺、烷基铵等。水与客体之间通过弱的范德华力、静电的相互作用。 2.水与极性基团的相互作用：水和极性基团(一OH，一SH，一NH2等)间的相互作用力比水与离子间的弱，多数为单层水和多层水。即在蛋白质周围，一种水是直接被蛋白质结合形成单层水；另一种是外层水分子(即多层水)，结合能力较弱，蛋白质的结合水大部分属于这种水，也有化合水即蛋白质中的极

17、性基团与个别水分子作用形成“水桥”,1.2.3水的活度,水分是微生物生长活动所必需的物质，一般来说，食品的水分含量越高越易腐败，但严格地讲微生物生长并不取决于食品水分总量，而是它的有效成分即水分活度-是指食品在密闭容器内测得的水蒸气压力（P）与同温度下测得的纯水蒸气压力(P0)之比. 即 Aw= P/ P0 ； 根据拉乌耳定律，在一定温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以该溶剂在溶液中的摩尔分数， 即P= P0 n2/(n1 + n2 ); n1-溶质的摩尔数， n2 -溶剂的摩尔数；将以上两个公式归纳为： Aw = n2/(n1 + n2 ) 例如：25下，在1000克纯水中加入58.

18、5克NaCl的Aw 。 0.923,1.2.4 水的等温吸附曲线,1.定义：要想了解食品中水的行为，必须知道各种食品的含水量与其对应aw的关系。在一定温度条件下用来联系食品的含水量(用每单位干物质中的水含量表示)与其水活度的图，称为等温吸附曲线。 2.等温吸附曲线的形状：大多数食品的等温吸附曲线形状呈S形，少数食品如水果、糖制品、咖啡等呈J形。 2.曲线的意义： 等温线I区间的水与溶质结合最牢固，它们是食品中最不容易移动的水，这种水靠水一离子或水一偶极相互作用而被吸附在溶质的极性位置，这类水在一40不结冰，也不能作为溶剂，相当于前面叙述的化合水。食品中这类水不可能对食品的固形物产生可塑作用，其行为如同固形物的一部分,在I区间和区间的分界线的水相当于食品中的单层水，单层水可以看成是在接近干物质强极性基团上形成一个单分子层所需要的水量，I区间内的水只占高水分食品中总水量的很小一部分。等温线区间包括I区间内的水和区间内增加的水， 区间内增加的水占据固形物的第,一层的剩余位置和亲水基团周围的另外几层位置，这部分水是多层水。多层水主要靠水一水和水一溶质的氢键键合与邻近的分子缔合。当向食品添加的水相当于等温线区间和区间边界之间的水含量时，所增加的这部分水能引发溶解过程，促使基质出现初期溶