食品化学的发展及未来的研究问题

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,食品化学的发展及未来的研究问题,组成 组织 调节生理 热能,碳水化合物,- - -,脂肪,- - -,蛋白质,-,-,-,水,- -,维生素,- -,矿物质,- -,膳食纤维 保健,有机酸 防腐、风味、发酵、胶凝,色素 良好感官性状,风味物质 享受,食品添加剂 改善食品品质,污染物质 降低食品品质、有害健康,基本营养素,食品的组成及性质,食品化学是从化学角度和分子水平上研究食品的化学组成、结构、理化性质、营养和安全性质以及食品在加工、贮藏和运销过程中发生的变化及其对食品品质（色、香、味、质构、营养）和安全性影响的科学,定义,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、改进食品包装、加强食品质量控制、科学调整膳食结构、提高食品原料加工和综合利用水平奠定理论基础的学科,研究食品中营养成分，呈色、香、味成分和有害成分的化学组成、结构、性质和功能,研究食品成分之间在生产、加工、,贮,藏和运销中的变化，即化学反应历程、中间产物和终产物的结构及其对食品品质和安全性的影响,研究食品贮藏加工的新技术，开发新产品和新资源及新的食品添加剂等,食品化学的研究内容,根据研究内容的范围分类,食品营养成分化学 食品色香味化学,食品工艺化学 食品物理化学,食品有害成分化学,食品碳水化合物化学,食品油脂化学,食品蛋白质化学,食品酶学,食品添加剂化学,维生素化学,根据研究内容的物质分类,化学（无机化学、有机化学、生物化学、分析化学、物理化学,）,矿物质元素化学,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,食品化学的历史,起源可追溯到,远古时代,（中世纪）,最早记录始于,18,世纪末期,20,世纪,才成为一门独立的学科,1780,1850,年间的发展,1780-1784,年 瑞典药物学家,Carl Wilhelm Scheele,发现氯、甘油和氧,分离和研究了乳糖的性质,通过乳酸的氧化制备粘酸,发明一种用加热保藏醋的方法,分离出柠檬酸、苹果酸,检验了,20,种普通水果中的柠檬酸、苹果酸和酒石酸,农业和食品化学精密分析研究的开端,1743-,1794,年,法国化学家,Antoine Laurent Lavoisier,建立了燃烧有机分析的基本原理,首先测定了乙酸的元素成分,1767-1845,年,法国化学家,Nicolas Theodore de Saussure,研究了植物呼吸过程中气体成分的变化,灰化法测定植物的矿物质含量,首先完成了乙醇的精确化学分析,1811,年,Joseph Louis Gay-Lussac,和,Louis-Jacques Thenard,发明了定量测定碳、氢和氮百分数的第一个方法,1813,年,美国化学家,Humphey Davy,分离了元素,K,、,Na,、,Ba,、,Ca,、,Mg,等,出版了第一本,农业化学原理,瑞典化学家,Jons,Jzcob,Berzelius(1779-1848),苏格兰化学家,Thmoas,Thomson(1773-1852),有机化学式的开端,测定了,2000,种化合物的元素组成,证实了定比定律,发明了一种精确测定有机物水含量的方法,1786-1889,年,法国化学家,Michel Fugene Chevreul,在动物脂肪成分上的研究导致了硬脂酸和油酸的发现和命名,有机物质分析的先驱,Justus Von,Liebig,1842,年,将食品分类为含氮的和不含氮的,物质，优化了定量分析有机物质的方法,1847,年,出版了,食品化学的研究,第一本有关食品化学的书,19,世纪早期（,1820,-,1850,年）,掺假的出现日益严重,化学和食品化学开始在欧洲占据重要地位,建立了化学研究实验室,创立了新的化学研究杂志,历史的里程碑,食品化学的近期发展,19,世纪中期,英国的,Arthur Hill,Hassall,绘制了显示纯净食品材料和掺杂食品材料的微观形象的示意图,将食品的微观分析提高至一个重要地位,1860,年,德国的,W.,Hanneberg,和,F.,Stohman,发展了一种用来常规测定食品中主要成分的重要方法,水分含量、粗脂肪、灰分、氮、粗纤维、无氮提取物（碳水化合物）,1871,年,Jean Baptiste Duman,提出：仅由蛋白质、碳水化合物和脂肪组成的膳食不足于维持人类的生命,1862,年,美国建立农学院,成立美国农业部,1906,年,通过了美国第一个纯食品和药品法令,出现了全世界最大的国家农业实验站系统,20,世纪前半期,发现并鉴定的大部分的必需的食用物质是,维生素、矿物质、脂肪酸和氨基酸,20,世纪初,，食品工业已成为发达国家和一些发展中国家的重要工业，大部份的食品物质组成已经探明，食品化学学科建立的时机才成熟,20,世纪初 ，,食品工业的不同行业纷纷创建自身的化学基础，粮油化学、果蔬化学、乳品化学、糖业化学、肉禽蛋化学、水产化学、添加剂化学、风味化学等，为食品化学学科的建立奠定了坚实的基础,到了,20,世纪,30,50,年代,，具有世界影响的,J. Food,Sci,.,，,J. Agric. Food Chem.,和,Food,Chem.,等杂志的相继创立，标志着食品化学学科的正式建立,20,世纪,60,90,年代,，在世界主要大国有不同文本的食品化学著作与世人见面，其中英文本的,食品科学,、,食品化学,、,食品加工过程中的化学变化,、,水产食品化学,、,食品中的碳水化合物,、,食品蛋白质化学,、,蛋白质在食品中的功能性质,等反映了近代食品化学的水平,食品从原料生产、经过贮藏、运输、加工到产品销售，每一过程无不涉及到一系列的变化，对这些变化的研究和控制构成了食品化学研究的核心内容,食品化学研究现状与展望,现在食品化学的研究正向反应机理、风味物的结构和性质、特殊营养成分的结构和功能性质、食品材料的改性、食品快速分析方法、食品高新分离技术、未来食品包装技术、新食源、新工艺和新添加剂等方向发展,1.,高新技术在食品中的应用,微胶囊技术,膜分离技术,超临界萃取和分子蒸馏技术,新灭菌技术,辐照保鲜技术,复合包装材料,微波技术,超微粉碎技术,可食用膜技术,活性包装技术,生物技术,基因工程改变重要的食品作物中的氨基酸含量和其它的功能性成分（生物活性物质），以增加其营养价值，如强化异黄酮的大豆、强化类胡萝卜素的植物,在植物组织中引入特殊基因，推迟番茄的成熟和软化,利用蛋白质工程选择性改变蛋白质结构特征（表面憎水性或蛋白质稳定性），显著改善功能性质（凝胶能力、起泡性、乳化性及持水性）,生物技术,采用转基因技术大幅增加牛乳中乳铁蛋白的含量,利用基因技术减少动物肉类的结缔组织交联程度和改变脂类组成，以改进肉的感官和营养质量,利用转基因技术改变油脂的脂肪酸组成，如高油酸含量的花生油,生物工程产品往往是混合物,如何分离纯化其中的有效成分或者如何连同杂质一并用于食品需要食品化学来回答,生物工程可能生产出传统食品中没用过的材料,需由食品化学研究其在食品利用的可能性和有效性,葡萄糖异构酶、,葡萄糖氧化酶,、,真菌蛋白酶、微生物淀粉酶和遗传工程凝乳酶,的生产和利用,以富马酸为原料,应,用固定化细胞转化低成本生产,L,-,苹果酸,生物技术在食品中应用时必须和食品化学紧密结合,必须由食品化学研究何种添加剂或何种酶是急需的，它们的化学结构和性质如何,生物工程中获得的添加剂及酶的结构和性质往往并不和食品中的应用要求完全相同，需要进一步化学改性或修饰,美拉德反应的产物类黑精的研究：,由一些不同种类的高分子量化合物组成的混合物,结合风味物质,、,抗氧化、抗诱变和消除活性氧等,功能，食品类黑精还具有抗癌、防龋齿的作用,2.,反应机理研究,1999,年,3,月“食品类黑精与健康”,919,活动，分,5,个领域对各种食品类黑精进行研究，至今已取得许多重要成果,反应的具体过程和机理还不清楚，对食品类黑精的具体组成、分子结构、性质及其功能机理需做大量的深入研究,食品风味形成机理,例：加热条件下美拉德反应模型的研究,模型的组成,反应条件,检测到的挥发性产物,资料来源,麦芽糖，,Ala,130,反应,30,-,90,min,300,多种，包括烃类，醛类，酮类，醇类，呋喃，吡咯等,Fadel,and Farouk,，,2002,核糖，,Cys,145,反应,20min,28,种,Hofmann and Sceiberle，1995,木糖，,Cys,121,反应,4h,15,种含硫化合物,Mussinan,and Katz,，,1973,葡萄糖，,Cys,180,反应,93,种,Umano,et al.,，,1995,核糖，,Gly,、,Lys,、,Cys,、,Met,pH4.5-6.5,140 ，1h,分别检测到,6,、,7,、,20,、,8,种,Meynier,and Mottram,，,1995,非加热或温和条件下美拉德反应模型,模型的组成,反应条件,研究内容,资料来源,葡萄糖，,Gly,pH7,，,25,，,160,天,色泽变化规律,Bell（1997）,4,种二羰基化合物和,2,种羟基酮与酒中检测到的几种氨基酸,pH3.5，,25，4周,检测到,Maillard,反应生成的一些醛类，也检测到含硫氨基酸参与反应生成的一些杂环化合物,Pripis,-,Nicolau,et al.,，,2000,葡萄糖，,Gly,55,，,10,天,检测到,9,种挥发性化合物，主要是糠醛类,Venskutonis,et al.,，,2002,研究的重点,:,特征香气成分及其形成、转化机理,控制方法的研究,在食品加工过程中，通过选择氨基酸和糖类，可以有目的的合成含有吡嗪类、吡咯类和呋喃类的不同香型风味物质。利用反应有控制的制备肉类香精成为研究,maillard,反应的一个热点,3.,食品功能成分研究,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,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,研究内容：,1,、分离、纯化方法,2,、分析方法,3,、化学结构,4,、功能性质,5,、制备方法,功能成分,活性多糖：从植物体内和真菌中提取得到的多糖、膳食纤维及功能性低聚糖,黄酮和多酚类物质：银杏黄酮、大豆异黄酮、葛根黄酮、茶多酚、葡萄多酚物质等,类胡萝卜素：,胡萝卜素、玉米黄素、叶黄素及番茄红素等,不饱和脂肪酸：,亚麻酸、,亚麻酸、共轭亚油酸等,活性肽：大豆多肽、乳多肽、血液多肽、骨多肽等,（,1,）天然功能成分的分离提取,超声提取技术,生物酶解技术,微波技术,超临界流体萃取技术,膜分离技术,大孔树脂分离技术,高速逆流色谱,（,2,）功能成分的定量测定,光谱方法：原子、分子光谱,色谱方法：气相、液相色谱,其它：电化学方法等,（,3,）功能成分的结构测定,现代仪器分析为阐明食品中的功能成分组成与结构提供了有效的方法,色谱技术，特别是制备色谱的应用为功能成分的分离纯化提供了有效方法,光谱仪器及核磁共振、质谱、特别是色质联用如,GC,MS,、,LC,MS,、,LC,NMR,、,X,衍射等应用,（,4,）功能性质研究,抗氧化功能,抗疲劳功能,调节血脂功能,免疫调节功能,耐缺氧功能,改善睡眠功能,润肠通便功能,调节血糖功能,减肥功能,对辐射危害有辅助保护功能,促进消化功能,改善营养性贫血功能,调节肠道菌群功能,对化学性肝损伤有辅助保护功能,对胃粘膜损伤有保护功能,例,1,：共轭亚油酸（,CLA,）,亚油酸的,9,、,12,两个双键异构产生的功能性高级脂肪酸,c9,t11,和,t10,c12,是含量最多且具有生理活性的两种异构体,共轭亚油酸的生理功能,调节血脂,抗肿瘤作用,抗缺氧,共轭亚油酸的制备,化学合成法,异构化法,脱水法,生物合成法,例,2,：抗性淀粉（,RS,）,抗性淀粉是不被健康人体小肠所吸收的淀粉及其降解物总称物理包埋淀粉,(RS1),、抗性淀粉颗粒,(RS2),、老化淀粉,(RS3),、化学改性淀粉,(RS4),酶无法接近的淀粉（,RS1,）,轻度碾磨的谷类、种籽、豆类食物,抗性,抗性淀粉颗粒（,RS2,）,未经糊化的生淀粉粒,和未成熟的淀粉粒，生的土豆、香蕉、高直链淀粉,抗性,老化淀粉（,RS3,）,粉丝、糊化后冷却的,土豆、米饭等,抗性,化学改性淀粉（,RS4,）,商品改性淀粉,抗性,抗性淀粉的制备,抗性淀粉现在主要制备颗粒性的,RS2,和非颗粒性的,RS3,高直链淀粉进行回生，或者是形成高度结晶的区域以抗酶解,抗性淀粉的应用,抗性淀粉应用于食品加工，不仅可提高纤维含量，还可改进食品的品质，使消费者能够在享受食品原有美味的条件下得到健康和营养,它可以降低餐后血糖、血清胆固醇和三酰甘油的水平，增强胰岛素的敏感性，从而达到防治代谢综合征的目的,抗性淀粉作为低热、高膳食纤维含量的功能性食品成分将具有重要的工业应用价值,作为焙烤食品优良的膳食纤维营养强化剂,提高膨化小食品的膨化系数,作为食品增稠剂,4.,食品添加剂的开发与利用,血红素,类胡萝卜素：,胡萝卜素类和叶黄素类,叶绿素,多酚类色素,（,1,）天然色素（植物、动物、矿物、微生物）,分子辅色稳定作用,:,是花色素与其它物质间的聚合，是自然界中各种花色苷稳定的一个重要方面,花色苷的酰基化,:,糖基与脂肪族和芳香族有机酸酰化,生物工程技术,:,基因克隆技术，细胞培养,稳定技术研究进展,（,2,）天然甜味剂,功能性单糖,(,如结晶果糖,),功能性低聚糖,(,如低聚果糖,),多元糖醇,(,如木糖醇,),糖苷,(,如甜菊苷、甘草素,),（,3,）天然增稠剂,天然动植物提取或者加工的水溶性胶体物质,黄原胶,海藻酸钠,卡拉胶,果胶,（,4,）天然乳化剂,大豆磷脂,酪蛋白,谷蛋白,5.,食品安全中的化学问题,食品在加工和贮藏过程中产生的微生物污染，例如真菌毒素、细菌毒素污染,环境和生产污染，例如种植养殖过程的农用化学品污染,食品加工过程的超标、超限添加剂污染及非法使用非食品添加剂污染造成了食品安全的热点问题,加工与贮藏中传统加工工艺和制造过程中存在的潜在微量危害物质,动物性食品中常见的化学污染,有害重金属元素,化学农药,食品添加剂,动物饲料添加剂：激素、抗生素等,生物毒素：如河豚毒素,化学致癌物质：黄曲霉毒素、苯并芘等,有害化学掺假物：如罂粟壳,例,1,、反式脂肪酸,(,简称,TFA),主要来源是氢化油脂和油脂高温脱臭工艺，天然油脂中也有一定含量的反式脂肪酸,顺式的脂肪酸的油脂多为液态，熔点较低；而反式的脂肪酸的油脂多为固态或半固态，熔点较高,反式脂肪酸表现的一些特性是介于饱和脂肪酸和顺式脂肪酸之间,反式脂肪酸的危害,影响人体免疫系统，增加血液黏稠度和凝聚力，促进血栓形成,提高人体血液中,LDL,（,低密度胆固醇）,，,降低,HDL,（,高密度胆固醇,),，增加了动脉硬化和,型糖尿病的发生概率,影响婴幼儿的生长发育并对中枢神经系统发育产生不良影响,与心脑血管疾病、糖尿病、乳腺癌和老年痴呆症有关,减少食用油脂中反式脂肪酸的措施,对现有的氢化技术进行改进,改进油脂精炼技术,采用酯交换反应生产零,TFA,含量的油脂,基因改良技术，降低植物油料中的多不饱和脂肪酸含量,分析方法,红外检测,(IR),：,反式双键在,9001050cm,-1,附近有吸收，定性检测,TFA,的存在,气相色谱,(GC),Ag,+,薄层色谱,(Ag,+,-TLC),：,Ag,+,与顺式双键存在微弱的作用力，而与反式双键不发生作用，仅可作为粗略的分析,气相色谱质谱法（,GC-MS,）,例,2,、丙烯酰胺,是一种公认的神经毒素和准致癌物，在一些油炸和烧烤的淀粉类食品，如炸薯条、炸土豆片、谷物、面包等中检出丙烯酰胺,来源,氨基酸和还原糖通过美拉德反应产生丙烯酰胺,油脂在高温加热过程中分解生成甘油三酸酯和丙三醇，甘油三酸酯的进一步氧化或丙三醇的进一步脱水均可产生小分子物质丙烯醛，而丙烯醛经由直接氧化反应生成丙烯酸，丙烯酸再与氨水作用，最终生成丙烯酰胺,食物中含氮化合物自身的反应，如水解、分子重排等作用形成,在脂肪、蛋白质、碳水化合物的高温分解反应中，会产生大量的小分子醛（如乙醛、甲醛等），它们在适当的条件，重新化合生成丙烯醛，进而生成丙烯酰胺,氨基酸分子的重排也是美拉德反应的常见过程。天门冬酰胺脱掉一个二氧化碳分子和一个氨分子就可以转化为丙烯酰胺,不同原料中丙烯酰胺含量,食品种类食品中丙烯酰胺含量,ng,/g,奶酪,10-43,可可豆（生）,30.9,咖啡,169,马铃薯,117-2762,油炸马铃薯片,1500,爆玉米花,97,丙烯酰胺危害,欧洲食品科学委员会认为：丙烯酰胺具有生殖毒性及致癌性，,1994,年国际癌症研究机构将其列为人类可能致癌物,丙烯酰胺单体有遗传、生殖和神经毒性以及致癌和诱变效应。丙烯酰胺进入人体后引起急性、亚急性、慢性中毒。临床观察证明丙烯酰胺在人体内有蓄积作用，达到一定的蓄积量，就会导致周围神经病变和小脑功能性障碍，增加患癌的危险性,避免丙烯酰胺形成的措施,1.,从食品加工的原料控制丙烯酰胺的形成,通过降低原料中天冬氨酸和还原糖的含量或对原料进行预处理，可降低或消除产品中丙烯酰胺的含量,2.,使用化学抑制剂,如钙、镁、锌、铜、铝等金属离子，可以显著降低食品中的丙烯酰胺,3.,从食品加工工艺控制丙烯酰胺的形成,降低加工温度：丙烯酰胺主要产生于高温加工食品中,降低,pH,值：使用柠檬酸、富马酸、苹果酸、琥珀酸、山梨酸、己二酸、安息香酸等,加工过程采用真空油炸：沸点为,125,，热加工食品在真空条件下可使其中的丙烯酰胺挥发,通过光辐射：如红外线、可见光、紫外线、,X-,射线、,-,射线等可使丙烯酰胺发生聚合反应，从而减少其在食品中的含量,比色法：丙烯酰胺与重氮甲烷在甲醇乙醚溶液中反应生成吡唑啉,气相色谱法（,GC,）,高效液相色谱法（,HPLC,）,分析方法,下一步研究,(1),检测不同国家与地区的饮食,(2),研究丙烯酰胺形成的动力学机制以及在食品加热过程中的形成机制,(3),研究食品中抑制丙烯酰胺生成的条件，以降低其在食品中的含量,(4),法规或标准的建立,6,.,风味化学的研究将逐渐深入，改变传统的调色调香和调味加工工艺，形成产色、产香和产味的新加工工艺,7.,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的同时保护有益成分的营养与功能性,8.,对资源丰富、经济易得的成分进行物理或化学改性,9.,现有的食品工业生产中还存在形形色色的问题,，,如变色变味、质地粗糙、货架期短、风味不自然等等,，,这些问题有待食品化学家与工厂技术人员相结合从理论和实践上加以解决,10.,快速分析和检验食品的方法或技术研究,11.,资源深加工和综合利用虽然是整个食品科学与工程学科的重大任务，但重中之重的是经济价值成分的确立、资源转化中的化学变化及有价值成分或转化产物的分离提取,