第2章 食品的主要形態(tài)與物理性質 2

第二章食品的主要形態(tài)與物理性質2.1微觀結構與作用力2.2聚集態(tài)結構與內聚能2.3食品中的水分2.4食品分散體系2.5動物肌肉結構2.6植物細胞結構2.1微觀結構與作用力物質的結構：物質的組成單元(原子或分子)之間相互吸引和相互排斥的作用到達平衡時在空間的幾何排列。分子結構：分子內原子之間的幾何排列聚集態(tài)結構：分子之間的幾何排列高分子鏈

近程結構又稱一級結構遠程結構又稱二級結構高分子聚集態(tài)結構又稱三級或更高級結構a.鍵合力

b.范德華力和其它介觀力c.色散力d.氫鍵e.疏水鍵主價力

次價力

2.1.1高分子內原子間與分子間相互作用a.鍵合力共價鍵離子鍵金屬鍵2.1.1高分子內原子間與分子間相互作用在食品中，主要是共價鍵和離子鍵鍵合原子之間的吸引力

食品主要成份中共價鍵的鍵長與鍵能

肽鍵：其鍵能是維持蛋白質的一級結構形態(tài)，與維持蛋白質空間構象的其他次級鍵相比，其鍵能較高，因此蛋白質構象容易發(fā)生變化，但是氨基酸肽鏈不易斷開。二硫鍵：是維持蛋白質三級結構的鍵合力，其值略低于肽鍵。共價鍵a.鍵合力a.鍵合力又稱鹽鍵或鹽橋，它是正電荷與負電荷之間的一種靜電相互作用。吸引力與電荷電量的乘積成正比，與電荷質點間的距離平方成反比，在溶液中此吸引力隨周圍介質的介電常數(shù)增大而降低?！獛靷惗稍诮行原h(huán)境中，蛋白質分子中的酸性氨基酸殘基側鏈電離后帶負電荷，而堿性氨基酸殘基側鏈電離后帶正電荷，二者之間可形成離子鍵。離子鍵平均鍵能為20kJ/mol。

離子鍵P5:圖2-1非鍵合原子間和分子間的相互作用力。

范德華力氫鍵

靜電力誘導力色散力

2.1.1高分子內原子間與分子間相互作用b.范德華力和其它介觀力

范德華力：永遠存在于一切分子之間的吸引力，沒有方向性和飽和性。靜電力：是極性分子間的相互作用力，由極性分子的永久偶極之間的靜電相互作用所引起。作用能為12-20kJ/mol。b.范德華力和其它介觀力

Ek——分子間靜電相互作用能;μ1、μ2——兩種極性分子的偶極矩;

R——分子間的距離;

T——熱力學溫度;

k——玻耳茲曼常數(shù)。

分子間的距離影響最大

式中：b.范德華力和其它次級鍵

誘導力：

極性分子的永久偶極與其他分子的誘導偶極之間的作用力。作用能為6-12kJ/mol。ED——分子間誘導力作用能;μ1、μ2——兩種極性分子的偶極矩;

R——分子間的距離;α1、α2——兩種分子的極化率，也就是單位電場強度作用下誘導的偶極矩。

式中：當極性分子與其他分子(包括極性分子和非極性分子)相互作用時，其他分子產生誘導偶極。2.1.1高分子內原子間與分子間相互作用c.色散力色散力：

瞬間偶極之間的相互作用力。作用能一般為0.8-8kJ/mol。EL——分子間色散力作用能;I1、I2——兩種分子的電離能；

R——分子間的距離;α1、α2——兩種分子的極化率。式中：在任何一瞬間，一些電子與原子核之間必然會發(fā)生相對位移，使分子具有瞬間偶極。2.1.1高分子內原子間與分子間相互作用d.氫鍵氫鍵：極性很強的X-H鍵上的氫原子與另一個鍵上電負性很大的Y原子之間相互吸引而形成的(X-H…Y)。作用能為12-30kJ/mol。氫鍵既有飽和性又有方向性。P6:表2-32.1.1高分子內原子間與分子間相互作用當水與非極性基團接觸時，為減少水與非極性實體的界面面積，疏水化合物自發(fā)地相互靠近。e.疏水鍵疏水鍵：并不是疏水基團之間存在引力，而是體系為了穩(wěn)定自發(fā)的調整。鍵能在5~30kJ/mol范圍內，主要與疏水基團的大小和形狀有關。P7:圖2-2○是疏水基團，圓球周圍的“L－形〞物質是疏水外表定向的水分子，●代表與極性基團締合的水分子疏水相互作用是蛋白質折疊的主要驅動力。同時也是維持蛋白質三級結構的重要因素。e.疏水鍵2.1.1高分子內原子間與分子間相互作用維持高分子蛋白質結構的各種鍵2.1.1高分子內原子間與分子間相互作用(a)鹽鍵

(b)氫鍵

(c)疏水作用

(d)范德華力

(e)二硫鍵P7:圖2-32.1.2高分子鏈結構與柔性自由聯(lián)結鏈：線形高分子鏈中含有成千上萬個σ鍵。如果主鏈上每個單鍵的內旋轉都是完全自由的，那么這種高分子鏈稱為自由聯(lián)結鏈。它可采取的構象數(shù)將無窮多，且瞬息萬變。這是柔性高分子鏈的理想狀態(tài)。長鏈分子可以卷曲成團，也可以伸展開來，這取決于分子本身的柔順性及外部條件。高分子鏈之所以具有柔性的根本原因在于它含有許多可以內旋轉的σ單鍵。2.1.2高分子鏈結構與柔性如果高分子主鏈上沒有單鍵，那么分子中所有原子在空間的排布是確定的，即只存在一種構象，這種分子就是剛性分子。如果高分子主鏈上雖有單鍵但數(shù)目不多，那么這種分子所能采取的構象數(shù)也很有限，柔性不大。實際：高分子鏈中，鍵角是固定的。就碳鏈而言，鍵角為109°28′，所以即使單鍵可能自由旋轉，每一個鍵只能出現(xiàn)在以前一個鍵為軸，以2θ(θ=π-109°28′)為頂角的圓錐面上。P9:圖2-82.1.2高分子鏈結構與柔性實驗說明，除少數(shù)蛋白質分子以外，線形高分子在溶液中的構象是無規(guī)線團;非晶相本體高聚物中的高分子鏈也是無規(guī)線團，但無規(guī)線團之間互相貫穿。柔性高分子鏈的外形呈橢球狀。隨著分子的熱運動，高分子鏈的構象不停地發(fā)生變化。無規(guī)線團：通常把無規(guī)那么地改變著構象的橢球狀高分子稱為無規(guī)線團。2.2聚集態(tài)結構與內聚能2.2.1食品形態(tài)微觀結構按分子的聚集排列方式主要有三種類型:氣態(tài)：分子間的幾何排列不但遠程無序，近程也無序。

晶態(tài)：分子(或原子、離子)間的幾何排列具有三維遠程有序;液態(tài)：分子間的幾何排列只有近程有序〔即在1-2分子層內排列有序)，而遠程無序;2.2.1食品形態(tài)微觀結構兩種過度態(tài)

液晶態(tài)：分子間幾何排列相當有序，接近于晶態(tài)分子排列，但是具有一定的流動性(如動植物細胞膜和一定條件下的脂肪)。它與液態(tài)主要區(qū)別在于黏度，玻璃態(tài)黏度非常高，以至于阻礙了分子間的相對流動，在宏觀上近似于固態(tài)，因此，玻璃態(tài)也被稱為非結晶固態(tài)或過飽和液態(tài)，是沒有發(fā)生相變的固液轉換。玻璃態(tài)〔無定形〕：分子間的幾何排列只有近程有序，而無遠程有序，即與液態(tài)分子排列相同。P17:圖2-172.2.1食品形態(tài)微觀結構凝膠態(tài)：有一定尺寸范圍的粒子或者高分子在另一種介質中構成的三維網絡結構形態(tài)，或者說另一種介質〔例如：水、空氣〕填充在網絡結構中。粒子凝膠：具有相互吸引趨勢的粒子隨機發(fā)生碰撞形成粒子團，當這個粒子團再與另外的粒子團發(fā)生碰撞時又形成更大的粒子團，最后形成一定的結構形態(tài).球狀蛋白、脂肪晶體等2.2.1食品形態(tài)微觀結構聚合物凝膠：都是由細而長的線形高分子，通過共價鍵、氫鍵、鹽橋、二硫鍵、微晶區(qū)域、纏繞等方式形成交聯(lián)點，構成一定的網絡結構形態(tài)。共價交聯(lián)微晶多糖分子、某些線形蛋白質等2.2.2聚集態(tài)的內聚能內聚能：1mol的聚集體氣化時所吸收的能量。分子間相互作用能的大小通常用內聚能或內聚能密度來表示?！鱁

—內聚能LV

—摩爾汽化熱RT—

氣化時做的膨脹功小分子：內聚能≈升華熱熱力學數(shù)據(jù)計算

高聚物：分子間作用能力很大，吸收的能量缺乏以使分子汽化時，已足以破壞高分子鏈上的化學鍵。測定溶度參數(shù)、平衡溶脹比等估算高分子鏈上的極性基團的極性越小，單位摩爾體積中的內聚能就越低，高分子鏈的柔軟性就越好。2.2.3食品主要成分結構形態(tài)蛋白質

一級結構PrimaryStructure二級結構SecondaryStructure三級結構TertiaryStructure四級結構QuaternaryStructure蛋白質結構和空間構象與其生物功能密切相關，因此在食品工業(yè)中，加熱、冷凍、輻射、腌漬、擠壓、拉絲、攪拌、乳化等都與蛋白質的結構變化有關。引進化學方法、酶法和轉基因方法，設計制作出新的蛋白質結構，使蛋白質功能到達最優(yōu)化水平。2.2.3食品主要成分結構形態(tài)蛋白質

具體可分為三個方面:

加工與貯藏中，蛋白質結構向著不利方面開展，如殺菌對蛋白質結構的破壞;

改變蛋白質的結構，使其產品的營養(yǎng)價值和感官物性更利于人類需求，如面包制作;

面粉被揉捏時蛋白質分子伸展，二硫鍵形成，疏水相互作用增強，面筋蛋白轉化形成了立體的、具有黏彈性的蛋白質網狀結構。2.2.3食品主要成分結構形態(tài)脂肪

層狀六方形Ⅰ六方形Ⅱ立方晶體結構不同，其物性也不同.

2.2.3食品主要成分結構形態(tài)碳水化合物

雙螺旋結構雙螺旋聚合結構蛋盒式結構雙螺旋水合結構單螺旋結構：直鏈淀粉雙螺旋結構：角叉菜膠P25圖2-33蛋盒結構：海藻酸鹽P27圖2-352.2.3食品主要成分結構形態(tài)碳水化合物

淀粉糊化過程中的粘度變化顆粒代表支鏈淀粉，曲線代表直鏈淀粉

直鏈支鏈教材：P262.3食品中的水分2.3.1水的根本物性2.3.2水與離子、親水溶質間的相互作用2.3.3水與非極性物質的相互作用水異常的物理性質1、高熔點(0℃),高沸點(100℃)2、介電常數(shù)大3、外表張力高4、熱容和相轉變熱焓高熔化熱、蒸發(fā)熱和升華熱

5、密度低(1g/cm3)，凝固時的異常膨脹率6、粘度正常(1cPa·s)與元素周期表中鄰近氧的某些元素的氫化物比較導致食品組織結構的破壞盡可能地縮小它的外表積水的異常性質可以推測水分子間存在強烈的吸引力水具有不尋常的結構2.3.1水的根本物性1.H-O鍵間電荷的非對稱分布使H-O鍵具有極性，這種極性使分子之間產生引力.2.由于每個水分子具有數(shù)目相等的氫鍵供體和受體，因此可以在三維空間形成多重氫鍵，形成氫鍵網絡結構。氫鍵供體氫鍵供體氫鍵受體氫鍵供體水分子的締合Associationofwatermolecules2.3.1水的根本物性水的分子團——多孔隙構造

2.3.1水的根本物性P30:圖2-41每個水分子在結構中穩(wěn)定的時間僅在10-12s左右，在極短的時間內，于其平衡位置振動和排列，并不斷有水分子脫離和參加某一個分子團，這也是水具有低粘度和較好流動性的根本原因。2.3.1水的根本物性準穩(wěn)定系統(tǒng)2.3.2水與離子、親水溶質間的相互作用離子和有機分子的離子基團與水形成水-離子鍵，其鍵能雖然遠小于共價鍵，但是卻大于水分子間的氫鍵，使水分子的流動性下降。2.3.2水與離子、親水溶質間的相互作用許多食品成分，如蛋白質、多糖、果膠等，其結構中含有大量的極性基團，如羥基、羧基、氨基、羰基等，它們均可與水分子通過氫鍵相互結合。因此通常在這些物質的外表總有一定數(shù)量的被結合、被相對固定的水。水與溶質之間的氫鍵鍵合比水與離子之間的相互作用弱；氫鍵作用的強度與水分子之間的氫鍵相近。在淀粉糊中參加糖，糖與水的結合改變淀粉的糊化，使糊化和糊化后的老化(β化)速度減慢。蛋白質的變性也需要水，因此，當糖存在時蛋白質的變性也會減慢。2.3.2水與離子、親水溶質間的相互作用由于水參與并影響了溶質結構及物性，因此，通過水的這種性質，可以改善和調控食品某些特性。例如：2.3.3水與非極性物質的相互作用疏水水合：

向水中添加疏水物質時，由于它們與水分子產生斥力，從而使疏水基團附近的水分子之間的氫鍵鍵合增強，使得熵減小，此過程成為疏水水合。P31:圖2-432.3.3水與非極性物質的相互作用

疏水相互作用：當水與非極性基團接觸時，為減少水與非極性實體的界面面積，疏水基團之間進行締合，這種作用成為疏水相互作用。為什么陳酒的口感好？2.3.3水與非極性物質的相互作用陳釀的酒在杯中顯得“粘〞，酒精揮發(fā)也慢一些，這可以認為，酒在長期存放中，水分子與乙醇分子形成了疏水性的水合結構。因此，陳放的酒口感也比較溫和，沒有即時調制的酒那么“辣〞。一般的食品不僅含有固體，而且還有水、空氣的存在，屬于分散系統(tǒng)。1.分散系統(tǒng)：數(shù)微米以下、數(shù)納米以上的微粒子，在氣體、液體或固體中浮游懸濁(即分散)的系統(tǒng)。分散相：微粒子分散介質：氣體、液體或固體的介質，也稱連續(xù)相2.4食品分散體系分散體系中的分散介質和分散相都以各自獨立的狀態(tài)存在，所以分散體系是一個非平衡狀態(tài)。每個分散介質和分散相之間都存在著接觸面，整個分散體系的兩相接觸面面積很大，體系處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.分散體系的特點按分散粒子的大小，大致分為三種:2.4.1食品分散體系的分類(1)分子分散體系：分散的粒子半徑小于10-7cm，相當于單個分子或離子的大小。此時分散相與分散介質形成均勻的一相。因此分子分散體系是一種單相體系。與水的親和力較強的化合物，如蔗糖溶于水后形成的“真溶液〞就是例子。分子分散體系膠體分散體系粗分散體系(2)膠體分散體系：分散相粒子半徑在10-7-10-5cm的范圍內，比單個分子大得多。分散相的每一粒子均為由許多分子或離子組成的集合體。雖然用肉眼或普通顯微鏡觀察時體系呈透明狀，與真溶液沒有區(qū)別，但實際上分散相與分散介質己并非為一個相，存在著相界面。這種體系有時也簡稱為“溶膠〞。

(3)粗分散體系:分散相的粒子半徑在10-5～10-3cm的范圍內，可用普通顯微鏡甚至肉眼都能分辨出是多相體系。例如懸浮液(泥漿)和乳狀液(牛乳)就是例子。2.4.1食品分散體系的分類教材P332.4.1食品分散體系的分類1〕氣體為連續(xù)相的膠體氣溶膠：液體分散于氣體介質中云、霧、微小液滴飄浮在空氣粉末：固體顆粒分散在空氣中分散飄浮在空氣中沉積在一起的集合狀態(tài)狀態(tài)2.4.1食品分散體系的分類2〕液體為連續(xù)相的膠體乳膠體：一般是指兩種互不相溶的液體，其中一方為微小的液滴分散在另一方液體中的膠體，牛奶。氣泡：在液體中分散有許多氣體的分散系統(tǒng)，啤酒沫2.4.1食品分散體系的分類2〕液體為連續(xù)相的膠體懸浮液：明顯的固體顆粒、渾濁，醬湯、果汁溶膠：膠體粒子在液體中分散的狀態(tài)稱為膠體溶液。對于可流動的膠體溶液，稱之為溶膠，淀粉糊凝膠：膠體粒子或高分子溶質，形成整體構造而失去了流動性，或膠體全體雖含有大量液體介質但處于固化的狀態(tài)稱為凝膠，雞蛋羹、豆腐等。2.4.1食品分散體系的分類干凝膠：凝膠放置后，逐漸離漿脫水成為枯燥狀態(tài)，稱之為干凝膠，干粉絲、方便面。許多凝膠是由纖維狀高分子相互纏結，或分子間鍵結合得到三維的立體網絡結構而形成的。水保持在網絡的網格中，全體失去流動性質。凝膠經過一段時間放置，網格會逐漸收縮，并把網格中的水擠出來，把這種現(xiàn)象稱為離漿〔豆腐〕。2.4.2泡沫和氣泡的形成與性質1泡沫形成原理2泡沫的穩(wěn)定性3氣泡的性質4消泡原理泡沫：含有天然或合成界面活性物質的液體分散于介質中，如圖4-24(a)所示那樣存在大量氣泡的狀態(tài)(球形泡沫)，或如圖4-24(b)所示那樣在大量氣泡之間，由很薄的液膜分隔，氣泡呈多面體的狀態(tài)(多面體泡沫)的總稱。球形泡沫：密度一般較大，冰淇淋飲料；多面體泡沫：密度較低，啤酒泡及一些碳酸飲料的泡沫。2.4.2泡沫和氣泡的形成與性質1泡沫形成原理1〕外表張力氣液界面的分子，由于受內部拉力作用，都有向液體內運動的趨向，外表會自發(fā)地縮成液滴，或使氣泡成球狀。物理上稱這種內聚力為外表張力。液體外表張力的定義：液體外表單位長度所受與之垂直的力。2.4.2泡沫和氣泡的形成與性質2〕外表活性物質使溶液外表張力降低的物質由親水性極性基團和疏水性非極性基團組成的。外表活性物質分散于氣水界面時，分子的親水基團局部便有向水中擴散的傾向，而疏水基團局部趨向氣相，使外表能降低。外表活性物質具有穩(wěn)定泡沫的作用。2.4.2泡沫和氣泡的形成與性質蛋白質分子都含有親水的氨基酸基團和疏水性氨基酸基團，是很好的界面活性物質。〔a〕到達界面，疏水基團伸向氣相排列吸附在界面，分子鏈被拉直呈球形分子構造〔b〕〔c〕2.4.2泡沫和氣泡的形成與性質1〕泡沫穩(wěn)定性原理吹入氣體時，氣體就會先由氣泡4變成泡沫5，氣泡呈球形9。當氣泡不斷上升時，氣泡球形不斷擴大，互相靠近，產生離液現(xiàn)象，氣泡之間液體隔膜變薄〔狀態(tài)6〕。2泡沫的穩(wěn)定性2.4.2泡沫和氣泡的形成與性質狀態(tài)7：液體成為薄膜，氣泡變成多面體構造13。氣泡升至最上面時，氣泡更大，液膜更薄，更易破壞。要維持泡沫穩(wěn)定，就是設法使泡沫保持球形，互相隔膜較厚。1〕泡沫穩(wěn)定性原理2泡沫的穩(wěn)定性2.4.2泡沫和氣泡的形成與性質2〕影響泡沫穩(wěn)定的主要因素(1)氣泡壁液體由于重力作用產生離液現(xiàn)象和液體蒸發(fā)，引起泡膜變薄。在生產中為了增加液體的黏度，可以適當添加糖或使氣液界面多吸附一些蛋白質。(2)外表黏度的影響：泡膜液體黏度越大，膜強度也越大；即使氣泡細小，內壓較大，離液也比較少，氣泡比較穩(wěn)定。2泡沫的穩(wěn)定性2.4.2泡沫和氣泡的形成與性質此效果有使泡膜穩(wěn)定的作用，之所以不含外表活性物質的純液體，不能形成泡沫，就是由于沒有這種效果。(3)馬蘭高尼效果：當氣泡膜薄到一定程度，膜液中界面活性劑分子就會產生局部的減少，于是這些地方的外表張力就會比原來或周圍其它地方的外表張力有所增大。因此，外表張力小的局部就會被局部外表張力大的局部所吸引，企圖恢復原來的狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱作馬蘭高尼效果。2〕影響泡沫穩(wěn)定的主要因素2泡沫的穩(wěn)定性2.4.2泡沫和氣泡的形成與性質攪拌蛋清、皂角苷、大豆蛋白溶液時，最初形成的是數(shù)量少的大氣泡，然后才變成無數(shù)的小氣泡。在攪拌前期是氣泡產生為主的過程，后期是氣泡細化的過程。在整個過程中，隨著攪拌時間的延長，氣泡的平均直徑和分布發(fā)生著由大到小的變化。保持攪拌條件不變，最終氣泡會到達一個平衡狀態(tài)，即平均直徑和泡的分布到達一定。1〕氣泡的分布與細化3氣泡的性質2.4.2泡沫和氣泡的形成與性質2〕各種成分對起泡性及泡穩(wěn)定性的影響起泡性：打發(fā)前后單位重量液體的體積增加率。泡的穩(wěn)定性：30min靜置后泡沫體積與打發(fā)結束時泡沫體積之比。3氣泡的性質2.4.2泡沫和氣泡的形成與性質蛋白的影響高pH值或pH值呈酸性的領域起泡性比較高，等電點附近起泡性最差。但等電點附近最穩(wěn)定。2〕各種成分對起泡性及泡穩(wěn)定性的影響3氣泡的性質2.4.2泡沫和氣泡的形成與性質一般抑制起泡性，但可提高泡的穩(wěn)定性。所以，制作食品泡沫