食品化學(xué)遲玉潔1課件

食品化學(xué)目錄前言水碳水化合物蛋白質(zhì)脂類維生素和礦物質(zhì)色素風(fēng)味化學(xué)食品添加劑概論功能食品前言

1.食品化學(xué)的研究?jī)?nèi)容

2.食品化學(xué)的發(fā)展歷史

3.食品化學(xué)的研究方法

重點(diǎn)內(nèi)容：1.氧化是食品變質(zhì)的主要原因之一，它造成食品的腐敗、異味、變色，還可能生成有害物質(zhì)，食品中一些天然物質(zhì)如VE、Vc、β一胡蘿卜素等是很好的抗氧化劑，均可抑制氧化反應(yīng)的發(fā)生，阻止過(guò)氧化物、過(guò)氧化游離基等活潑物質(zhì)對(duì)機(jī)體造成損害。所以食品化學(xué)研究各種活潑物質(zhì)的反應(yīng)機(jī)理，從而可以達(dá)到控制它們的目的?，F(xiàn)在對(duì)光敏氧化、自動(dòng)氧化反應(yīng)的研究已取得進(jìn)展，這將為應(yīng)用新的食品加工貯藏技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。2.褐變反應(yīng)是食品中發(fā)生的另一類重要反應(yīng)，特別是美拉德褐變反應(yīng)，在食品的熱加工和長(zhǎng)期貯藏中會(huì)發(fā)生該反應(yīng)，由于它涉及到醛(一般是還原糖)和氨(蛋白質(zhì)和氨基酸)，所以反應(yīng)的發(fā)生對(duì)食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值產(chǎn)生了不利影響，但反應(yīng)中生成的風(fēng)味化合物及所形成的色澤，通常又是提高感官質(zhì)量和產(chǎn)生風(fēng)味所需的。3.食品風(fēng)味在食品質(zhì)量中有著重要作用。食品風(fēng)味除了新鮮水果和蔬菜外，主要是在加工過(guò)程中各成分之間的相互反應(yīng)而生成的，因此控制食品的加工條件，產(chǎn)生所需要的風(fēng)味是十分重要的，對(duì)風(fēng)味化合物的分離、結(jié)構(gòu)和形成途徑的研究是食品風(fēng)味化學(xué)的組成部分。4.食品成分在加工貯藏中各成分之間的相互作用也是食品化學(xué)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，不僅涉及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、功能性質(zhì)、風(fēng)味。5.80年代以來(lái)，由于世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)食品的要求不僅僅是營(yíng)養(yǎng)、風(fēng)味及安全，更注重食品的功能作用即增強(qiáng)人體免疫機(jī)能，調(diào)整人體生物節(jié)律，防止疾病發(fā)生，恢復(fù)健康等作用，對(duì)保健食品中功能因子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及功能作用的研究將成為食品化學(xué)的又一重點(diǎn)研究課題。因而出現(xiàn)了“功能食品”“保健食品”的概念。2、食品化學(xué)的發(fā)展歷史

在18~19世紀(jì)，化學(xué)家們對(duì)食品的成分進(jìn)行研究，認(rèn)識(shí)到糖類、蛋白質(zhì)和脂類是人體必需的營(yíng)養(yǎng)素，為食品化學(xué)的今后發(fā)展打下了基礎(chǔ)。如瑞典化學(xué)家舍雷(schele)在分離出乳酸后研究了其性質(zhì)，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫(1avoisler)首先提出了用化學(xué)方程式表達(dá)發(fā)酵過(guò)程，還有其它一些人對(duì)食品成分的研究、測(cè)定作出了不少貢獻(xiàn)。而英國(guó)化學(xué)家戴維(Davy)在《農(nóng)業(yè)化學(xué)原理》一書(shū)中論述了食品化學(xué)的有關(guān)內(nèi)容，對(duì)食品化學(xué)分析、食品摻假的控制、食品檢驗(yàn)起著極大的促進(jìn)作用。食品化學(xué)是在20世紀(jì)隨著化學(xué)、生物化學(xué)的發(fā)展和食品工業(yè)的興起而形成的一門科學(xué)，并與人類的生活緊密相關(guān)。雖然早期人類的食物生產(chǎn)涉及到食品化學(xué)的一些內(nèi)容如發(fā)酵制酒、肉的腌制保鮮、用海藻治療癭病等。食品化學(xué)作為一門學(xué)科出現(xiàn)還是在50年代，由于現(xiàn)代食品工業(yè)的發(fā)展，對(duì)于食品質(zhì)量、品質(zhì)、安全性方面提出的新要求，以及色譜、色質(zhì)聯(lián)機(jī)分析技術(shù)的廣泛應(yīng)用進(jìn)一步為現(xiàn)代食品化學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了新的條件。而保健食品的興起，人工合成食品的設(shè)想又一次給食品化學(xué)的發(fā)展開(kāi)拓了新的領(lǐng)域。

應(yīng)用高新技術(shù)：近幾十年來(lái)，在食品加工和貯藏過(guò)程中引入了大量的高新技術(shù)，如微膠囊技術(shù)、膜分離技術(shù)、超臨界提取技術(shù)、新滅菌技術(shù)、復(fù)合包裝材料、微波技術(shù)、超微粉碎技術(shù)、可食用膜技術(shù)等。這些技術(shù)推動(dòng)了食品化學(xué)的發(fā)展，也對(duì)食品化學(xué)的研究方法提出了更高的要求。例如，在微膠囊技術(shù)中，壁材(Wallmaterials)中各個(gè)組分的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，各組分之間的相互作用以及它們對(duì)微膠囊產(chǎn)品超微結(jié)構(gòu)的影響，都是食品化學(xué)研究的課題；這就需要應(yīng)用更先進(jìn)的分析和測(cè)試手段，從宏觀、分子水平和超微結(jié)構(gòu)3個(gè)方面著手將這項(xiàng)高新技術(shù)正確地應(yīng)用于食品工業(yè)。

第一章水(Water)1.1水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1.2水的等溫吸附曲線1.3水的活度與食品保存性的關(guān)系

各種食品都有其特定的水分含量，因此才能顯示出它們各自的色、香、味、形特征。從物理化學(xué)方面來(lái)看，水在食品中起著分散蛋白質(zhì)和淀粉等的作用，使它們形成溶膠。從食品化學(xué)方面考慮，水對(duì)食品的鮮度、硬度、流動(dòng)性、呈味性、保藏性和加工等方面都具有重要的影響。水分也是微生物繁殖的重要因素。在食品加工過(guò)程中，水起著膨潤(rùn)、浸透、呈味物質(zhì)等方面的作用。因此，研究水的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性，水分分布及其狀態(tài)，對(duì)食品化學(xué)和食品保藏技術(shù)有重要意義。

圖1.1單分子水的立體模式

在液態(tài)水中，若干個(gè)水分子締合成(H2O)n大分子，這是由于水分子偶極分子之間的靜電吸引力及產(chǎn)生氫鍵鍵合作用形成的。氧原子的兩個(gè)孤對(duì)電子與鄰近的兩個(gè)水分子的氫原子產(chǎn)生氫鍵鍵合，形成如圖1.2所示的四面體結(jié)構(gòu)。每個(gè)水分子在三維空間的氫鍵給體和受體數(shù)目相等，因此，水分子間的吸引力比同樣靠氫鍵結(jié)合其它小分子(NH3和HF)要大得多。

1.1.2冰的結(jié)構(gòu)

水是一種短而有序的結(jié)構(gòu),而冰是水分子有序排列成大且長(zhǎng)的晶體，是水分子靠氫鍵連接構(gòu)成非常“疏松”的剛性結(jié)構(gòu)。因此，冰比液態(tài)水的結(jié)構(gòu)更為“疏松”,比容較大。冰在熔化時(shí)，一部分氫鍵斷裂，所以轉(zhuǎn)變成液相后水分子緊密地靠攏。冰晶體中也存在部分無(wú)序的結(jié)構(gòu)。

冰有11種結(jié)構(gòu)，但是在常壓和溫度0℃時(shí)，只有普通正六方晶系的冰晶體是穩(wěn)定的,還有9種同質(zhì)多晶(po1ymorphism)和一種非結(jié)晶或玻璃態(tài)的無(wú)定形結(jié)構(gòu)。

在冷凍食品中存在4種主要的冰晶體結(jié)構(gòu)，即六方形、不規(guī)則樹(shù)枝狀、粗糙的球形和易消失的球晶，以及各種中間狀態(tài)的冰晶體。大多數(shù)冷凍食品中的冰晶體是高度有序的六方形結(jié)構(gòu)，在含有大量明膠的水溶液中，冰晶體主要是立方體和玻璃狀冰晶。

冷凍對(duì)食品組織的影響：

食品組織緩慢冷凍，使大冰晶全部分布在細(xì)胞外部，而快速凍結(jié)則可在細(xì)胞內(nèi)外都形成冰晶。有關(guān)冰晶的分布與冷凍食品質(zhì)量的關(guān)系還不十分了解，但是食品冷凍時(shí)，由于水轉(zhuǎn)變成冰可產(chǎn)生“濃度效應(yīng)”，同時(shí)PH、離子強(qiáng)度、粘度、滲透壓、蒸汽壓及其它性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化從而影響食品的品質(zhì)。食品冷凍時(shí)水結(jié)冰將消耗食品中約9％的水分，根據(jù)食品的含水量和溶質(zhì)濃度可以測(cè)定食品冷凍時(shí)體積的變化。當(dāng)水結(jié)晶時(shí)因空氣存在，使冰晶膨脹，例如某些水果凍結(jié)時(shí)體積增加。此外，水結(jié)冰時(shí)膨脹會(huì)產(chǎn)生局部壓力，使細(xì)胞受到機(jī)械性損傷，同時(shí)還會(huì)引起乳化液失去穩(wěn)定性，蛋白質(zhì)絮凝，魚(yú)肉質(zhì)地變硬，喪失結(jié)構(gòu)的完整性，使肉中水的損失增加等等。1.1.3水的性質(zhì)1.水的比熱、汽化熱、熔化熱大：這是由于水分子間強(qiáng)烈的氫鍵締合作用產(chǎn)生的，當(dāng)發(fā)生相轉(zhuǎn)變時(shí)，必須供給額外能量破壞分子間的氫鍵。這對(duì)食品冷凍、干燥和加工都是非常重要的因素。2.水的介電常數(shù)大、溶解力強(qiáng)：水的介電常數(shù)同樣會(huì)受到氫鍵鍵合的影響，雖然水分子是一個(gè)偶極子，但水分子間靠氫鍵鍵合形成分子群就會(huì)成為多極子，這便導(dǎo)致水的介電常數(shù)增大。由于水的介電常數(shù)大，因此水溶解離子型化合物的能力較強(qiáng)；非離子極性化合物如糖類、醇類、醛類等可與水形成氫鍵而溶于水中；不溶于水的物質(zhì)如脂肪和某些蛋白質(zhì)，也能在適當(dāng)?shù)臈l件下分散在水中形成乳濁液或膠體溶液。

此外，水結(jié)冰時(shí)密度的變化和溫度變化所伴隨冰的密度變化，以及冰結(jié)晶的成長(zhǎng)都會(huì)引起細(xì)胞組織機(jī)械損傷和破壞，從而使冷凍食品質(zhì)地發(fā)生物理變化。1.2水的等溫吸附曲線

1.2.1

水的存在狀態(tài)

水在食品中是以游離水和結(jié)合水兩種狀態(tài)存在的。游離水是指不與食品中任何成分化合或吸附的水，具有純水的性質(zhì)，有流動(dòng)性。結(jié)合水是指存在于溶質(zhì)及其它非水組分鄰近的水，與游離水相比，它們呈現(xiàn)低的流動(dòng)性和其它顯著不同的性質(zhì)，這些水在-40℃不會(huì)結(jié)冰，不能作為所加入溶質(zhì)的溶劑。結(jié)合水包括化合水和吸附水（單層吸附水和多層吸附水）?；纤?--這部分水與食品成分結(jié)合最強(qiáng)，它在高水分含量食品中只占很小比例，它們存在于蛋白質(zhì)的空隙區(qū)域內(nèi)或者成為化學(xué)水合物的一部分。單層水---結(jié)合強(qiáng)度較次的結(jié)合水，它們占據(jù)著非水成分的大多數(shù)親水基團(tuán)的第一層位置，按這種方式與離子或離子基團(tuán)締合的水是結(jié)合3.水與非極性基團(tuán)的相互作用：疏水物質(zhì)如烴類、脂肪酸、氨基酸及蛋白質(zhì)的非極性基團(tuán)與水接觸，形成籠形水合物和蛋白質(zhì)中的疏水作用?；\形水合物是冰狀包合物，其中水為“主體”物質(zhì)，通過(guò)氫鍵形成了籠狀結(jié)構(gòu)，截留了被稱為“客體”的分子，即低分子量的烴類及鹵化烴、稀有氣體、二氧化硫、二氧化碳、環(huán)氧乙烷、乙醇、短鏈的伯胺、仲胺及叔胺、烷基銨等。水與客體之間通過(guò)弱的范德華力、靜電的相互作用。2.水與極性基團(tuán)的相互作用：水和極性基團(tuán)(一OH，一SH，一NH2等)間的相互作用力比水與離子間的弱，多數(shù)為單層水和多層水。即在蛋白質(zhì)周圍，一種水是直接被蛋白質(zhì)結(jié)合形成單層水；另一種是外層水分子(即多層水)，結(jié)合能力較弱，蛋白質(zhì)的結(jié)合水大部分屬于這種水，也有化合水即蛋白質(zhì)中的極性基團(tuán)與個(gè)別水分子作用形成“水橋”。

1.2.3水的活度

水分是微生物生長(zhǎng)活動(dòng)所必需的物質(zhì)，一般來(lái)說(shuō)，食品的水分含量越高越易腐敗，但嚴(yán)格地講微生物生長(zhǎng)并不取決于食品水分總量，而是它的有效成分即水分活度----是指食品在密閉容器內(nèi)測(cè)得的水蒸氣壓力（P）與同溫度下測(cè)得的純水蒸氣壓力(P0)之比.即Aw=P/P0；根據(jù)拉烏耳定律，在一定溫度下，稀溶液的蒸氣壓等于純?nèi)軇┑恼魵鈮撼艘栽撊軇┰谌芤褐械哪柗謹(jǐn)?shù)，即P=P0n2/(n1+

n2);n1---溶質(zhì)的摩爾數(shù)，n2---溶劑的摩爾數(shù)；將以上兩個(gè)公式歸納為：Aw=n2/(n1+

n2)例如：25下，在1000克純水中加入58.5克NaCl的Aw。0.9231.2.4

水的等溫吸附曲線

1.定義：要想了解食品中水的行為，必須知道各種食品的含水量與其對(duì)應(yīng)aw的關(guān)系。在一定溫度條件下用來(lái)聯(lián)系食品的含水量(用每單位干物質(zhì)中的水含量表示)與其水活度的圖，稱為等溫吸附曲線。2.等溫吸附曲線的形狀：大多數(shù)食品的等溫吸附曲線形狀呈S形，少數(shù)食品如水果、糖制品、咖啡等呈J形。2.曲線的意義：

等溫線I區(qū)間的水與溶質(zhì)結(jié)合最牢固，它們是食品中最不容易移動(dòng)的水，這種水靠水一離子或水一偶極相互作用而被吸附在溶質(zhì)的極性位置，這類水在一40℃不結(jié)冰，也不能作為溶劑，相當(dāng)于前面敘述的化合水。食品中這類水不可能對(duì)食品的固形物產(chǎn)生可塑作用，其行為如同固形物的一部分。一層的剩余位置和親水基團(tuán)周圍的另外幾層位置，這部分水是多層水。多層水主要靠水一水和水一溶質(zhì)的氫鍵鍵合與鄰近的分子締合。當(dāng)向食品添加的水相當(dāng)于等溫線Ⅲ區(qū)間和Ⅱ區(qū)間邊界之間的水含量時(shí)，所增加的這部分水能引發(fā)溶解過(guò)程，促使基質(zhì)出現(xiàn)初期溶脹，起著增塑作用。在含水量高的食品中，這部分水占總水含量的5％以下。等溫線Ⅲ區(qū)間內(nèi)的水包括Ⅱ區(qū)間和I區(qū)間的水加上Ⅲ區(qū)間邊界內(nèi)增加的水，該區(qū)間增加的這部分水稱為游離水，它是食品中結(jié)合最不牢固且最容易移動(dòng)的水。這類水不會(huì)受到非水物質(zhì)分子的作用，既可以作為溶劑又有利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行和微生物生長(zhǎng)。Ⅲ區(qū)間內(nèi)的游離水在高水分含量食品中一般占總水量的95％以上。1.3水活度與食品保存性的關(guān)系

同一類的食品由于組成、新鮮度和其