农科院 食品化学整理

1、农科院 食品化学整理1. 什么是食品科学、食品化学，它们之间有什么关系及其在国民经济中的地位和作用；食品化学在食品科学中的地位食品化学是从化学角度和分子水平上研究食品的组成、结构、理化性质、营养和安全性质，在生产、加工、储存和运销过程中的变化及其对食品品质和食品安全性影响的科学，是阐明食品的组成、性质、结构和功能，以及食品成分在储藏、加工过程中的化学和生物化学变化，为改善食品品质、开发食品新资源、革新食品加工工艺和储运技术、科学调整膳食结构、改进食品包装、加强食品质量控制及提高食品原料加工和综合利用水平奠定理论基础的学科。2.食品化学的组成：无机成分 矿物质蛋白质 天然成分 碳水化合物基本营养

2、素食品 脂类化合物的化 有机成分 维生素学组 色素、呈香、呈味物质成 激素有毒物质天然来源的食品添加剂食品添加剂非天然成分 人工合成的食品添加剂加工中不可避免的污染物质污染物质环境污染物质根据研究内容的范围，食品化学包括：食品营养成分化学；食品色香味化学；食品工艺中的化学；食品物理化学；食品有害成分化学；食品分析技术根据研究物质的内容，食品化学包括：食品碳水化合物化学；食品油脂化学；食品蛋白质化学；食品酶化学；食品添加剂；维生素化学；食品矿质元素化学；调味品化学；食品风味化学；食品色素化学；食品毒物化学；食品保健成分化学3.食品化学研究的主要内容有哪些？关于食品成分的理化性质和功能特性关于食品

3、的色、香、味方面的知识贮藏、运输、加工到产品销售每一过程所涉及的一系列的化学变化食品安全性的研究和食品在加工、贮运过程中防止嫌忌成分的产生。4.食品在储藏加工过程中发生的变化：一是食品从原料生产、储藏、运输、加工到产品销售等过程中，每个过程无不涉及一系列的变化。在储藏加工过程中发生的化学变化，一般包括食品的非酶褐变和酶褐变；水活性改变引起食品质量变化；脂类的水解，脂类自动氧化，脂类热降解和辐解，蛋白质变性、交联和水解；食品中多糖的合成和化学修饰反应、低聚糖和多糖的水解，食品中大分子的结构与功能因素的影响等。二是食品的主要质量特性颜色、风味、质构和营养价值都可能发生一些不良变化。三是在食品加工和

4、保藏过程中主要成分之间的相互作用产生变化，并对食品质量有着重要的影响。5.食品在储藏加工过程中发生变化的原因：氧化，氧化是食品变质的最重要原因之一，它使食品产生腌味、异味、变色、质地变坏或其他损害。当食品中天然存在的物质发生氧化时，还可生成有害的化合物。不饱和脂肪酸脂类含量愈高的食品愈容易氧化，脂类经游离基反应生成游离基，游离基与其他化合物结合或者相互结合，生成过氧化物，并向食品体系中释放出氧，引起必需脂肪酸的破坏。油脂氧化并不限于富含动植物油脂的食品，而且还包括新鲜的或经过加工的豆类、谷物和某些蔬菜等低脂类的食品，油脂不饱和脂肪酸氧化生成的过氧化氢，在进一步分解时产生了醛、醇、酮、酸等化合物

5、，这是脂类或含脂食品产生异味的主要原因。食品加工时和保藏过程中的水解，食品加工和保藏过程中的可变因素。6.食品化学的发展前景：十多年来，中国的食品工业在改革开放中一直快速向前发展，并初步走过了初级发展阶段。为了满足人民生活水平日益提高的需要，今后的食品工业必将会更快和更健康地发展，从客观上要求食品工业更加依赖科技进步，把食品科研投资的重点转向高、深、新的理论和技术方向，这将为食品化学的发展创造极有利的机会，同时，由于新的现代分析手段、分析方法和食品技术的应用，以及生物学理论和应用化学理论的进展，使得人们对食品成分的微观结构和反应机理有了更进一步的了解，采用生物技术和现代化工业技术改变食品的成分

6、、结构与营养性，从分子水平上对功能食品中的功能因子所具有的生理活性及保健作用进行深入研究等将使得今后食品化学的理论和应用产生新的突破和飞跃。7.食品化学今后的研究方向：继续研究不同原料和不同食品的组成、性质和在食品储藏加工中的变化开发新食源，特别是新的食用蛋白质资源，发现并脱除新食源中有害成分，同时保护有益成分的营养与功能性现有的食品工业生产中还存在的各种各样的问题运用现代化科学与技术手段对功能性食品中有效成分的含量、结构、生理活性、保健作用、提取方法及食品应用加以深入研究，强化食品开发的科学性现代储藏保鲜技术中辅助性的化学处理剂或被膜剂的研究和应用风味化学和工艺学的研究将逐渐深入，并因为有现

7、代分析与工艺技术的运用应达到新的深度食品添加剂的开发、生产和应用研究任务将加大，生物技术和化学改性技术将成为有力手段快速分析和检验食品的方法或技术研究规模将扩大资源深加工和综合利用。8. 食品化学在食品工业技术发展中的作用；第二章、水1.水在食品中的作用水作为食品的溶剂；水作为食品中的反应物或反应介质；水能去除食品加工过程中的有害物质水作为食品的浸胀剂；水作为食品的传热介质；水是生物大分子化合物构象的稳定剂食品中冰的结构主要有四种类型：六方形、不规则树状、粗糙球状、易消失的球晶。2.自由水和结合水，性质差异及其对食品保藏性的影响(1)结合水：指食品中的非水成分与水通过氢键结合的水。通常是指存在

8、于溶质或其他非水组分附近的那部分水，它与同一体系中的其他水比较，分子的运动减小，并且使水的其他性质明显改变。根据被结合的牢固程度，可分为：a.化合水：是指那些结合最牢固的、构成非水物质的组成的那些水。如化合物中的水(也有称为单分子层水)b.邻近水：是指在非水成分中亲水基团周围结合的第一层水，与离子或离子基团缔合的水是结合最紧密的邻近水。水与它们的结合力主要有水-离子和水-偶极缔合作用，其次是一些具有呈电离或离子状态的基团有中性离子与水形成的水-溶质氢键力c.多层水：是位于以上所说的第一层的剩余位置的水和邻近水的外层形成的几个水层。其形成主要靠水-水和水-溶质间氢键而形成。与非水组分结合得较为紧

9、密，且性质也发生明显变化，所以与纯水的性质也不相同。因此，这里所指的结合水包括化合水和邻近水以及几乎全部多层水。食品中不同状态水的性质比较如表2-4(13页)结合水的特点：40以上不能结冰;结合水不能作溶剂，不能被微生物所利用(2)自由水：自由水是指那些没有被非水物质化学结合的水。也可以说是存在于组织、细胞和细胞间隙中容易结冰的水。主要是通过一些物理作用而滞留的水a.滞化水：是指被组织中的显微结构及膜所阻留的水。由于这部分水不能自由流动，所以称之为滞化水或不移动水b.毛细管水：动植物体内天然形成的毛细管是由亲水物质构成的，毛细管内径很细，毛细管有较强的束缚水的能力，把保留在毛细管的水称为毛细管

10、水，属于自由水c.自由流动水：是指动物血浆、植物的导管和细胞内液泡中的水。由于它能自由流动，所以称之为自由流动水自由水的特点：具有全部水的性质。（1）在40以上可以结冰（2）在食品内可以作为溶剂（3）可以以液体形式移动，在气候干燥时也可以以蒸汽形式逸出，使食品中含水量降低（4）在潮湿的环境中食品容易吸收一定量的水分，使含水量增加（5）微生物可以利用自由水繁殖，各种化学反应也可以在其中进行构成水：与食品中其他亲水物质（或亲水基团）结合最紧密的那部分水。持水力：分子水平上，水和溶质之间的相互作用：疏水相互作用：水对食品品质的影响（P17）4.水分活度：是溶液中溶剂水的逸度与纯水逸度之比f溶剂（水）

11、的逸度 f0纯溶剂（水）的逸度逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势差别1% 仅适合理想溶液 RVP,相对蒸汽水分活度定义:指食品中水的蒸汽压和该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值。aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2) 水分活度值介于0l之间。ERH是样品周围的空气平衡相对湿度，它是与样品平衡的大气的性质。水分活度的意义：水分活度表示生物组织与食品中能参与生物活动和化学反应的水分含量。水分活度的测量方法：冰点测定法、相对湿度传感器测定法、恒定相对湿度平衡室法冰点以上和冰点以下水分活度的区别：比较高于和低于冻结温度下的aw时应注意两个重要差别：在冻结温度以上, aw是样品组分与温度的函数,且前

12、者是主要因素,在冻结温度以下, aw与样品组分无关,只取决于温度,不能根据aw预测受溶质影响的冰点以下发生的过程,如扩散控制过程,催化反应等. 冻结温度以上和以下aw对食品稳定性的影响是不同的.水分活度的几种测量方法：冰点测定法、相对湿度传感器测定法、恒定相对湿度平衡室法RVP:（小试样）将试样置于一个密闭的容器内，待达到表现平衡（试样恒重）后测定容器内压力或相对湿度。也可根据试样冰点下降的数据测定它的RVP。5.水分活度与食品保存性：同一类的食品，由于其组成、新鲜度和其它因素的不同而使aw有差异，实际上食品中的脂类自动氧化、非酶褐变、微生物生长、酶促反应等都与aw有很大的关系，即食品的稳定性

13、与水分活度有着密切的联系。化学反应的最小反应速度一般首先出现在等温线的区间与区间之间的边界（aw为0.20.3）；当aw进一步降低时，除了氧化反应外，全部保持在最小值；在中等和较高aw值（aw=0.70.9）时，美拉德反应、脂类氧化、维生素B1降解、叶绿素损失、微生物的生长和酶促反应等均显示出最大速率。但在有的情况下，对高水分食品，随着水活性的增加，反应速度反而降低，如蔗糖水解后的褐变反应，这是因为：第一，在水为生成物的反应中，根据反应动力学原埋，由于水分含量的增加，阻止反应的进行，结果使反应速度降低。第二，当反应中水的含量达到某一值时，反应物的溶解度、大分子表面与另一反应物相互接近的程度、以

14、及通过提高水分活度来增加反应速度的作用已不再是一个显著的因素，此时如果再增加水分含量，则对促进反应进行的各组分产生稀释效应，最终结果使得体系的反应速度反而降低。因此，中等水分含量范围（aw=0.70.9）的食品，其化学反应速率最大，不利于食品耐藏性能的提高（这也是为什么现代食品加工技术非常关注中等水分含量食品的原因）。由于食品体系在aw为0.20.3之间的稳定性较高，而这部分水相当于形成单分子层水，所以知道食品中单分子层水时的水分含量值是十分有意义，我们可以通过前面所介绍的数学方程预测食品最大稳定性时的含水量。脂类氧化速率随aw值增加而降低，表明最初添加到干燥样品中的那一部分水能明显干扰氧化作

15、用，因为这类水可以与来自游离基反应生成的氢过氧化物结合，并阻止其分解，从而使脂类自动氧化的初速度减小（aw约为0.20.3）。此外，在反应的初始阶段，这些水还能与催化油脂氧化的金属离子发生水合作用，明显降低金属离子的催化活性。当向食品中添加的水超过区间和区间的边界时，随着aw值的增加氧化速率增大，因为在等温线这个区间内增加水，能增加氧的溶解度和大分子溶胀，使大分子暴露出更多的反应位点，使氧化速率加快。aw大于0.85 时所添加的水则减缓氧化速率，这种现象是由于水对催化剂的稀释作用或对底物的稀释作用而降低催化效率所造成的。总之，低水分活度能够稳定食品质量，是因为食品中发生的化学反应和酶促反应是引

16、起食品品质变化的重要原因，降低水分活度可以抑制这些反应的进行，一般作用的机理表现在：（1）大多数化学反应都必须在水溶液中才能进行。如果降低食品的水分活度，则食品中水的存在状态发生了变化，游离水的比例减少了，而结合水又不能作为反应物的溶剂，所以降低水分活度，能使食品中许多可能发生的化学反应受到抑制，反应的速率下降。（2）很多化学反应是属于离子反应。反应发生的条件是反应物首先必须进行离子的水合作用，而发生离子水合作用的条件必须在有足够的游离水才能进行。（3）很多化学反应和生物化学反应都必须有水分子参加才能进行（如水解反应）。若降低水分活度，就减少了参加反应的水的有效数量，化学反应的速度也就变慢。（

17、4）许多以酶为催化剂的酶促反应，水有时除了具有底物作用外，还能作为输送介质，并且通过水化促使酶和底物活化。当aw值低于0.8时，大多数酶的活力就受到抑制；若aw值降到0.250.30的范围，则食品中的淀粉酶、多酚氧化酶和过氧化物酶就会受到强烈的抑制或丧失其活力（但脂肪酶是个例外，水分活度在0.50.1时仍能保持其活性）。食品中水活度与微生物生长之间的关系：Aw0.6 微生物不增殖；Aw0.8 大多数霉菌不增殖；Aw0.87 大多数酵母受到抑制；Aw0.9 大多数细菌不能生长。水活度除影响化学反应和微生物的生长以外，还可以影响干燥和半干燥食品的质地，所以欲保持饼干、油炸土豆片等食品的脆性，防止砂

18、糖、奶粉、速溶咖啡等结块，以及防止糖果、蜜饯等的粘结，均需要保持适当的水活度。6.等温吸湿曲线有何含义？怎样分区？；定义及测定方法：恒温条件下，以食品的含水量（用每单位干物质质量中水的质量表示）与它的水分活度之间的关系图为水分吸着等温线（moisture sorption isotherms,MSI）在恒定温度下，改变食品中的水分含量，测定相应的活度，以水分含量为纵轴、Aw为横轴画出曲线。吸湿等温线的区域：区的水的性质：为构成水和邻近水区，即与食品成分中的羧基、氨基等基团通过氢键或静电引力相互结合的那部分水。最强烈地吸附；最少流动；易得难失；水离子或水偶极相互作用；在-40不结冰；不能作为溶剂

19、；看作固体的一部分；化合水和邻近水；占总水量极小部分。区的水的性质：多层水区，即食品中与酰胺基、羧基等基团和结合水、邻近水以水溶质、水水氢键和缔合作用被相对固定的水，也包括直径小于1m的毛细管的水。通过氢键与相邻的水；分子和溶质分子缔合；流动性比体相水稍差；大部分在-40不结冰；导致固体基质的初步；肿胀；多层水；区和区的水占总；水分的5%以下区的水的性质：自由水区，aw在0.80.99之间，物料最低含水量在0.140.33 g/g干物质，最高为20g/g干物质。可结冰，可作溶剂体相水；被物理截留或自由的；宏观运动受阻；性质与稀盐溶液中的水类似占总水分的95%以上水分吸着等温线意义在浓缩、干燥过

20、程样品脱水的难易程度与Aw有关；配制食品混合必须避免水分在配料之间的转移；测定包装材料的阻湿性的必要性；测定什么样的水分含量能够抑制微生物生长；预测食品的化学和物理稳定性与水分含量的关系与温度的关系在一定的水分含量时，Aw随T上升而增大。因此，MSI的图形也随T的上升向高Aw方向迁移BET单层：在干物质的可接近的高极性基团上形成一个单层所需的近似水量滞后现象：MSI的制作有两种方法，即采用回吸的方法绘制的MSI和按解吸的方法绘制的MSI。同一种食品按照这两种方法制作的MSI图形并不一致，不互相重叠。这种现象就称之为滞后现象。在给定aw值时，样品解吸比样品回吸过程含有更多的水分。原因：解吸过程中

21、一些水分与非水溶液成分作用而无法放出水分.不规则形状产生毛细管现象的部位,欲填满或抽空水分需不同的蒸汽压(要抽出需P内P外, 要填满则需P外 P内).解吸作用时,因组织改变,当再吸水时无法紧密结合水,由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的aw.玻璃化温度（Glass transition temperature，Tg），是指当非晶态的食品从玻璃态到橡胶态的转变（玻璃化转变）时的温度。7.水分活度与食品稳定性的关系水分活度降低导致食品中自由水含量降低（1以水为介质的反应难以发生；2离子型反应的速率降低；3水参加的反应速率降低；水影响酶的活性及酶促反应中低物的输送。总之，降低食品中的水分活度，可以

22、延缓酶促褐变和非酶褐变的进行，减少营养成分的破坏，防止水溶性色素的分解。但水分活度太低，反而会加速脂肪的氧化酸败。要使食品具有最高的稳定性，最好将水分活度保持在结合水范围内。这样，既可使化学变化难以发生，同时又不会使食品丧失吸水性和持水性。(1)水分活度与微生物的关系：不同微生物的生长对水分活度的要求不同：大多数的细菌 0.99-0.94，大多数霉菌 0.94-0.8之间；大多数耐盐细菌 0.75；耐干燥霉菌和耐高渗透压酵母 0.65-0.6；低于0.6时，绝大多数的微生物是无法生长的。(2)不同阶段对水分活度的阈值的要求不同:细菌，它在形成芽孢时的水分活度比繁殖生长时所需的水分活度值要高。霉

23、菌孢子发芽的aw阈值则低于孢子发芽后菌丝生长所需的aw值，微生物产生毒素时所需的aw阈值则高于生长时所需的aw数值，(3)水分活度与食品化学变化的关系对脂肪氧化酸败的影响：水能与脂肪氧化的自由基反应中的氢过氧化物形成氢键；水能与金属离子形成水合物水增加了氧的溶解度脂肪分子肿胀催化剂和氧的流动性增加；催化剂和反应物的浓度被稀释水分活度对非酶褐变的影响 :在一定的水分活度范围内，反应速度随水分活度的值增大而增大，在水分活度在0.2以下，反应通常不会发生，而当水分活度过大时（大于0.7）反应速度下降。对淀粉老化的影响：3060时老化的速度最快；1015时淀粉不会发生老化对蛋白质变性的影响：水分活度增

24、大会加速蛋白质的氧化作用酶促褐变的影响：当aw值降低到0.250.30的范围，就能有效地减慢或阻止酶促揭变的进行。降低水分活度可以降低食品的化学反应速度，提高食品的稳定性。大多数化学反应只有在水中才能进行，所以食品中自由水的含量决定了化学反应的进行，因此降低水分活度，减少自由水的含量，也就抑制了反应的进行。一些离子反应在没有自由水存在时是无法进行离子化或水化作用的。在一些反应中，水不仅作为反应介质，还是反应的参与者，没有了自由水的参加，反应速度变慢。在酶促反应中，水作为输送介质，促使底物向酶扩散，而且大多数酶在水分活度低于0.2和大于0.8时受到抑制。8.低温保藏食品的原理低温提高一些食品化学

25、反应速度的原因有两个方面。其一：在冻结情况下，由于结冰导致自由水的含量减少及产生的浓缩效应，使得自由水中的非水物质的浓度大大提高，其pH值、离子强度、黏度、表面和界面张力及氧化还原电位的发生大的改变，促进了非水物质之间的接触机会，为一些反应创造了合适的反应条件；其二：使酶的浓度提高，酶与激活剂、底物之间的接触机会大大提高。第三章、碳水化合物1.食品中碳水化合物的作用:是合成其他化合物的基本原料，同时也是生物体的主要结构成分。碳水化合物是生物体维持生命活动所需能量的主要来源。有利于肠道蠕动，促进消化。提供适宜的质地口感和甜味。2.碳水化合物分类(根据水解程度):单糖：是指不能再水解的最简单的多羟

26、基醛或多羟基酮及其衍生物。有低聚糖：是指聚合度小于或等于10的糖类。多糖：又称为多聚糖，是指聚合度大于10的糖类。什么叫做还原糖？3.单糖的化学反应：氧化反应：D-葡萄糖在葡萄糖氧化酶作用下氧化生成D-葡萄糖酸；醛糖在酶作用下也可发生氧化；含有游离醛基的醛糖或能产生醛基的酮糖都是还原糖，它们在碱性条件下，有弱的氧化剂存在时即可被氧化成醛糖酸；有强氧化剂存在时，醛糖的醛基和伯醇基均被氧化成羧基，形成醛糖二酸。还原反应：单糖的羰基在适当的还原条件下加氢还原成羟基，得到对应的糖醇，酮糖还原由于形成了一个新的手性碳原子，因此能得到两种相应的糖醇。酯化与醚化：糖中的羟基与有机酸或无机酸相互作用生成酯，如

27、D-葡萄糖-6磷酸酯、D-果糖-1,6-二磷酸酯；除此以外醇羟基还能形成醚，但天然存在的不如多糖酯多。但多糖醚化后可明显改善其性能。非酶褐变反应：美拉德反应和焦糖化反应。美拉德反应，葡萄糖同游离氨基酸或蛋白质分子中氨基酸残基的游离氨基发生羰氨反应，这种反应被称为美拉德反应。影响美拉德反应的因素羰基化合物的结构、种类及含量a.、不饱和醛双羰基化合物酮b.五碳糖（核糖阿拉伯糖木糖）六碳糖（半乳糖甘露糖葡萄糖）五碳糖的褐变是六碳糖的10倍c.单糖双糖（如蔗糖，分子比较大，反应缓慢） d.还原糖含量与褐变成正比氨基酸及其它含氨物种类(肽类、蛋白质、胺类)：a.胺类氨基酸；b.含S-S，S-H不易褐变；

28、c.有吲哚，苯环易褐变 d.碱性氨基酸易褐变 e.氨基在-位或在末端者，比-位易褐变pH值：pH3-9范围内，随着pH上升，褐变上升；pH3时，褐变反应程度较轻微；pH在7.8-9.2范围内，褐变较严重水分含量水分含量超过5%时，脂肪氧化加快，褐变加快；1015%(H2O)时，褐变易进行；完全干燥的条件下，多数褐变难进行温度：若t10，则褐变速度差v相差35倍。食品加工应尽量避免长时间高温，储藏也以低温为宜金属离子 Fe(Fe+3 Fe+2)和Cu促进美拉德反应 Na对褐变无影响。Ca2+可同氨基酸结合生成不溶性化合物而抑制褐变。Mn2和Sn2可抑制美拉德反应。空气：空气的存在会影响美拉德反应。真空或充入氮气降低脂肪的氧化反应及羰基化合物的生成。焦糖化反应：在无水（或浓溶液）条件下加热糖或糖浆，用酸或铵盐作催化剂，生成焦糖的过程，称为焦糖化。焦糖化反应过程:脱水：分子双键不饱和的环聚合高聚物。缩合或聚合：裂解挥发性的醛、酮缩合或聚合深色物质焦糖化反应条件无水或浓溶液，温度150-200。催化剂的存在加速反应：铵盐、磷酸盐、苹果酸、延胡索酸、柠檬酸、酒石酸等。pH8比pH5.9时快10倍。不同糖反应速