食 品 化 学(严奉伟制作)

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,E-mail:yanfw1994.cn,Tel：,1,食品科学,是一门将基础学科和工程学的理论用于研究食品基本的物理、化学和生物化学性质以及食品加工原理的学问。是一门主要涉及细菌学、化学、生物学和工程学的综合性学科。是一门涉及到食品的特性及其变化、保藏和改性原理的科学。,食品的这些性质关系到食品的稳定性、成本、质量、加工、安全、营养价值、卫生和方便。,2,食品工业概况,1999年，全世界食品工业销售额为2.7万亿美元，居各行业之首。,2000年，中国食品工业总产值和利税分别为8434.1亿元和1458.3亿元，分别占全国工业总产值的9.8和15.3。食品工业就业人数407.3万人，占全国工业企业就业人数的7.3。,3,2001年和2002年，全国食品工业总产值分别为8740.55亿元和10169.68亿元。,食品工业产值与农业产值的比值为0.30.41，远低于发达国家231。,4,食品科学与技术高校毕业生起薪,中大西洋地区平均值（2002年）：,学士：44000美元,硕士：54500美元,博士：60000美元,5,第一章 引论,一 食品化学的定义,食品化学是研究食品（包括食品原料）的组成、特性及其产生的化学变化的科学。,另外的定义：应用化学的原理和方法，研究食品及其原料的组成、结构、理化性质、生理功能、体内生化过程、营养价值、安全性质及其在加工、贮藏、运销中的变化、变化本质及对食品品质和安全性影响的一门新兴、综合、交叉性学科。,6,学习食品化学的目的与意义,为改善食品品质、开发食品新资源、革新食品加工工艺和贮运技术、科学调整膳食结构、改进食品包装、加强食品质量控制、提高食品原料加工和综合利用水平奠定理论基础，为食品科学发展提供理论和思维工具，促进食品科学全面发展。,7,食品化学的研究内容,1 组成和结构：食品物质的组成；食品物质的组织结构；食品物质的显微结构；食品物质的分子结构。,2 食品物质的性质：物理性质；化学性质；功能性质；安全性质。,8,3 食品物质的理化变化：形态变化；组织变化；分子结构变化；组成变化；生理生化变化；生理生化变化；色香味变化；质地变化；营养成分组成变化。,4 加工技术对食品成分的影响：原料的来源与种类；原料处理与贮藏；配方、加工工艺与设备；产品包装、转运与货架期。,9,食品化学的研究层次及主要任务,1 认识各类食品成分：营养成分（水、糖、脂、等）、微量及添加成分（调味品、香料、色素和加工辅料等），保健成分以及上述各类成分在食品加工、贮藏过程中的次生物质。,2 对各类成分进行提取、分离，表征各类成分的化学性质和理化性质。,3 研究各类食品成分在食品加工过程、贮藏、运销过程的化学变化及变化规律。,4 研究食品成分的构效关系。,10,食品化学的学科特点,1 以化学为基础，融生理学、动物学、植物学、营养学、生物化学、细胞学、医药学、毒理学、微生物学、食品加工工艺学、食品贮藏学等诸多学科为一体，体现交叉性和综合性。,2 在分子水平研究食品物质、食品物质的化学变化及食品加工、贮藏技术，其认识和说明问题最为深刻。,11,3 研究过程需要最先进的科学理论与技术，研究起点高。,4 既有强烈的理论和基础研究色彩，又有浓厚的应用和开发背景。,5 是食品科学的一门基础性、支柱性学科。,12,食品主体成分性质与功能概述,水：溶剂；良好的流动性、与食品成分的亲和性及溶解性；,糖类：单糖和低聚糖：营养成分；吸湿、保湿、增粘、增塑、结晶和易溶。,多糖：营养成分；增稠、胶凝、乳化、成膜等；结构等。,脂类：营养成分；乳化；沸点高、同质多晶性；溶剂；风味、起酥、抗老化等。,13,蛋白质：营养成分；亲水/疏水、等电点、乳化、起泡、成膜、增稠等；催化、保护风味等。,矿物质：营养成分；调节水分活度、pH、离子平衡、离子强度、改善或稳定荷电生物大分子等的功能。,14,第二节 食品化学的历史,起源可以追溯到远古，但历史上没有详尽的文献记载，与农业化学的历史紧密联系在一起。,18世纪末期，人类在食品化学方面有许多重要发现：以,Carl Wilhelms Scheeie和William Beaumout为代表的药物学家、化学家、医学家对食品成分进行分离、性质、转化和人体消化研究。以,Antoine Laurent Lavoisier、Thomas Thomson（苏格兰）为代表的化学家首次采用分子式表示有机化合物，并用配平的化学方程式表示发酵过程。,瑞典人Carl Wilhelms Scheeie（药物学家）：分离和研究乳酸性质（1780）、从柠檬汁（1784）和醋栗（1785）中分离出柠檬酸，从苹果中分离出苹果酸（1784），检验20种普通水果中的柠檬酸和酒石酸及苹果酸。精密分析研究的开端。,15,法国化学家Antoine Laurent Lavoisier首先测定乙酸的元素成分，用一个平衡反应式表示发酵过程（1784）。法国化学家Theodore de Sausure用灰化的方法测定植物中矿物质的含量，并首先精确地完成了乙醇的化学分析（1807）。,Joseph Louis Gay-Lussac和Louis-Jacques Thenard于1811年发明了在干燥植物中定量测定C、H、N百分数的第一个方法。,英国化学家Humphey Davy在1813年出版了第一本农业化学原理。,16,法国化学家Michel Fugene Chevreul是有机物质分析的先驱，他在动物脂肪成分上所作的经典研究导致了硬脂酸和油酸的发现。,Justus Vonliebig在1882年将食品分类为含氮的和不含氮的，并于1847年出版第一本有关食品化学方面的书食品化学的研究。,17,19世纪早期，在食品化学发展的过程中出现了日益严重和普遍的食品掺杂现象，大大促进了分析化学尤其是食品化学的发展,18201850年期间，很多大学建立分析研究和化学研究实验室，从此，食品化学连续地并且加速地发展。,18,19世纪常见食品有意掺假,胭脂树脂红：掺假物包括姜黄、燕麦、黑麦、小麦面粉、硫酸钙和碳酸钙、盐和铁红（氧化铁）。,黑胡椒：常被砂砾、叶子、果梗、茎、胡椒末、亚麻籽肉和胡椒以外的其它植物粉末掺假。,尖辣椒：常加入银珠（硫化汞）、赭石和姜黄以克服因暴露在阳光下而产生的褪色现象。,19,精油：用松节油、其它油和醇掺假。,醋：用硫酸掺假。,柠檬汁：用硫酸和其它酸掺假。,咖啡：用焙烤谷物、焙烤胡萝卜或烤焦豌豆和刀豆掺假。,茶叶：用下脚料、干燥茶叶和其它植物叶子掺假。,牛乳：主要掺水，也常加入白垩、淀粉、姜黄（颜色）、胶和苏打。偶尔也用糊精、明胶、葡萄糖、防腐剂及着色剂掺假。,20,啤酒：浆果Cocculus indicus的“黑色提取物”能影响啤酒的风味、麻醉性质、额外的令人陶醉的质量和毒性。,糖：采用砂、粉剂、石灰、果肉和着色物质掺假。,葡萄酒：采用着色剂、风味剂、熟化剂、防腐剂、抗酸剂等。,巧克力：采用淀粉、硬饼干粉、动物油脂、砖粉、铁红和马铃薯粉掺假。,21,面包：采用明矾和小麦以外的产品制得的粉掺假。,糖果产品：采用含铅和砷的食品着色剂掺假。,22,食品掺假,第一阶段：从古代至1820年左右，食品掺假不是一个严重问题。,第二阶段：有意的掺假在出现的频率和严重性两方面都显著增加。,第三阶段：1920年起，法规的压力和有效的检测方法将食品有意掺假的频率和严重性减少至可接受的水平。,第四阶段：开始于1950年左右。含有合法化学添加剂的食品逐渐占优势，食品被不期望的工业化副产品如汞、铅和农药污染已被公众和法规所关注。,23,19世纪中期英国的Arthur Hill Hassall将食品的微观分析提高至重要地位，他和助手们绘制了一套比较详尽的显示纯净食品材料和掺杂食品材料的微观形象示意图。,1860年在德国的Weede建立了第一个由政府资助的农业试验站。W. Hanneberg（主任）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。将样品分为几个部分，测定其中的水、粗脂肪、灰分和氮，氮乘6.25得蛋白质含量。,24,1871年Jean Baptiste Dumas提出：仅由蛋白质、糖水化合物和脂肪组成的膳食不足以维持人类生命。,20世纪前半期已发现大部分基本的食用物质，并对它们的性质作了鉴定。这些物质是维生素、矿物质、脂肪酸和一些氨基酸。,20世纪中期：日益广泛地使用化学物质帮助增长、制造和销售食品是一个特别值得关注和有争议的事件。,25,第三节 食品化学在食品科学中的作用和地位,食品科学的基础是基础科学知识或基本知识。基本知识包括数学原理、物理现象的概念和化学结构与反应性。,食品科学是一门次级学科，利用了有机化学、物理化学、物理和数学等基础知识和生物学、微生物学和生物化学等次级知识。,食品科学的目标是获得对食品体系的结构、性质、加工和保藏的综合能力，食品科学集中关注食品体系的科学方面。,26,食品科学可定义为食品体系的化学、结构、营养、毒理、微生物和感官性质以及食品体系在处理、转化、制作和保藏中发生变化这两方面知识的综合。,可以认为：将食品科学应用于食品加工和保藏的实践就是食品工艺（技术）。,27,食品科学体系的组成,1 食品化学：食品组分的化学与物理化学及生物化学性质，这些组分在食品加工和保藏中的变化，它们的化学分析；,2 物理食品学：食品体系的流变和物理性质；,3 结构食品学：食品体系的微观和宏观结构；,4 环境食品学：微生物的侵入和食品体系的腐败（食品微生物学），食品保护，包括卫生和包装；,5 食品加工学：通过物理、化学和微生物学方法实现食品转化、制作和保藏的原理。,28,其中，食品化学涉及的范围最宽，其内容还包括食品毒理学、食品营养化学以及食品营养价值和毒物的生物检验技术；还涉及味觉和嗅觉原理。,了解食品化学原理和掌握食品化学技术是从事食品科技工作必不可少的条件之一。,29,食品化学与食品科学研究和发展的关系,食品加工：通过研究食品有效成分在各种加工条件下的变化，说明加工工艺的合理性，不断开发新的食品加工手段和技术。,食品贮藏：通过研究不同贮藏条件对食品成分、质构的影响，不断探索开发新的贮藏手段和技术。,食品营养：通过研究食品成分的理化性质，结合生物化学研究，为食品营养研究提供基本数据。,30,食品安全与卫生：食品化学是各种检测手段的基础，各种检测手段又是考察食品安全与卫生的前提条件。,食品质量控制与检测：食品化学与食品质量控制和标准制定有更加直接的关系。,食品添加剂：化学合成和提取分离、结构鉴定手段是食品添加剂开发的基础。,有机食品、功能食品的生产与开发：食品功能因子的表征、开发、评价、先进检测手段是这些食品生产开发必不可少的基础。,31,食品化学对食品行业技术进步的影响,食品工业领域,食品化学研究成果产生的影响,果蔬贮藏加工,化学去皮、护色、质构控制、维生素保留，脱色脱苦，化学保鲜，气调贮藏，活性包装，酶法榨汁，过滤，澄清及化学防腐。,肉品加工贮藏,宰后处理，保汁及嫩化，护色和发色，提高肉糜乳化力、凝胶性和黏弹性，烟熏肉的生产和应用，人造肉生产，综合利用。,饮料工业,速溶，克服上浮和下沉，稳定蛋白饮料，水质处理，果汁护色，提高风味，白酒降度，啤酒泡沫和苦味改善，脱涩等。,乳品工业,稳定酸乳和果汁乳，开发凝乳酶代用品及再制乳酪，乳清的利用，乳制品的营养强化。,焙烤工业,高效膨松剂，增加酥脆性，改善面包的质构和呈色，防止老化。,食用油脂工业,精炼，冬化，调温，油脂改性，DHA、EPA和MCT的开发利用，乳化剂，抗氧化剂，减少油炸食品吸油量等。,调味品工业,肉味汤料，核苷酸鲜味剂，碘盐和有机碘盐等。,发酵食品工业,发酵产品的后处理，后发酵期间的风味变化，综合利用等。,基础食品工业,面粉改良，谷制品营养强化，水解纤维素和半纤维素，高果糖浆，改性淀粉，氢化植物油，新型甜味料，低聚糖，改性油脂，植物蛋白，功能性肽，功能性多糖，添加剂，新资源等。,食品检验,检验标准制定，快速分析，生物传感器研制等。,32,食品化学成功在推动食品工业发展中的作用,食品领域,过去状况,现在状况,食品配方,靠经验确定,依据原料组成、性质分析的理性设计,工艺,依靠传统、经验和粗放小试,依据原料及同类产品组成、特性分析，利用优化理论设计,开发食品,依靠传统和感觉盲目开发,依据科学研究资料，目的明确的开发，并已开始大力发展功能食品,控制加工和贮藏的变化,依据经验，尝试性简单控制,依据变化机理，科学控制,开发食品资源,盲目甚至破坏性开发,科学地、综合地开发新资源,深加工,规模小，浪费大，效益低,规模增大，范围拓宽，浪费小，效益提高。,33,第四节 食品化学的研究方法,食品的主要质量特性是颜色、风味、质构和营养价值。,（1）测定与安全、高质量食品的重要特性相关的性质。,（2）测定那些对食品质量和/或卫生具有重要影响的化学和生物化学反应。,（3）综合前两点，了解关键的化学和生物化学反应如何影响食品的质量和安全。,（4）将这方面的知识应用在解决食品配制、加工和贮藏中出现的各种问题。,34,食品化学研究的基本方法和途径,对象确定,模型设计,理论研究,变化前后的成分分析和结构鉴定,感官评价,实验系统的质构、风味、颜色变化的分析,建立起始物和终产物之间的化学关系；表述或研究其机理；预测对食品品质和安全性的影响。,最佳的食品贮藏加工方法,最佳贮藏条件的确定,最佳反应条件的确立,适当的保护或催化措施,反应物接触屏障的建立,合理的原料配比,食品化学反应动力学研究,检验机理的正确性,探索影响反应速度的因素,由于实际对象与实验模型之间的差别，结果的推广一定要注意。,35,食品成分主要化学变化概述,原料,贮藏,植物性,生理成熟,后熟,衰老,呼吸,细胞壁软化,风味物产生,动物性,僵直、嫩化、自溶、腐败,加工,原料混合,细胞破裂,酶促水解,酶促氧化,+,加热,分解、聚合,异构化、变性,+,空气,光照,辐射,氧化,光致变色,辐射分解,脱水,非酶褐变,氧化,蛋白质变性,+,+,酸、碱,金属离子,水解、皂化,自动氧化,+,特殊加工条件,烟熏：苯并芘,腌制：亚硝胺,食品,包装、运输,内在反应,仍在继续,+,外来微生物导致反应,36,表11 食品中可能发生的不良变化,37,导致食品变质或损害食品安全的化学与生物化学反应,非酶促褐变；,酶促褐变；,脂类水解；,脂类氧化；,蛋白质变性；,蛋白质交联；,蛋白质水解；,低聚糖和多糖的水解；,38,多糖的合成；,糖酵解；,天然色素的降解；,上述反应产物引起的其它反应；,39,食品中物质的变化可能对食品属性产生的影响,变化,导致属性改变的类型,失去溶解性、持水力,质地变硬或变软,生成呈味物质,产生酸味、焦味、异味或芳香味、美味,有色物质发生变化,颜色产生或消失,营养物质发生变化,营养价值降低或生物利用性改变,功能性物质发生变化,功能改变,产生或钝化毒物,安全性改变,40,改变食品品质的一些反应及产生的效果,反应类型,产生的效果,非酶褐变,焙烤食品表皮呈色,酶促褐变,切开的水果迅速变色,氧化,脂肪产生异味、维生素降解、色素褪色、蛋白营养丧失,水解,脂类、蛋白质、维生素、糖水化合物、色素等降解,金属反应,促使氧化反应发生，改变食品颜色,脂类异构化,脂类分子结构及生物学功能发生变化,脂类环化,脂肪酸结构改变,脂类聚合,深锅油炸中油起泡沫,蛋白质变性,卵清凝固、酶失活,蛋白质交联,在碱性条件下加工使蛋白质营养价值降低,糖酶解,宰后动物组织和采后植物组织的无氧呼吸,41,食品可能发生的二次变化及其产生的影响,初期变化,二次变化,所产生的影响,脂类水解,游离脂肪酸与蛋白质反应,质地、风味、营养价值改变,多糖水解,糖与蛋白质反应,质地、风味、颜色、营养价值改变,脂类氧化,氧化产物与其它成分反应,除以上变化外，还可能产生毒物,水果破碎,酶解、氧化反应,质地、风味、颜色、营养价值改变,绿色蔬菜加热,物质流失,质地、风味、颜色、营养价值改变,肌肉组织加热,蛋白质变性凝聚、酶失活,质地、风味、颜色、营养价值改变,脂类异构化,异构化产物进一步聚合,油炸过度时起泡沫，油脂营养价值降低,42,表12 食品变质的原因和结果,43,食品主要成分能产生的反应,L脂类库（三酰基甘油 、脂肪酸和磷脂）C糖水化合物库（多糖，糖和有机酸）P蛋白质库（蛋白质、肽、氨基酸和其它含氮化合物）,L,O,2,加热,催化剂,过氧化物,P,氧化,P,C,加热、强酸、强碱,活性羰基化合物,色素、维生素、风味,异味、变色,营养物质破坏,质构破坏,P,44,如何解决食品加工和保藏中的实际问题,食品保藏与加工中的重要可变因素有：温度（T)、时间（t）、温度变化的速度（Dt/dt）、pH、产品的成分、气相的成分、水分活度。,温度可能是这些因素中最重要的，因为它对可能发生的所有类型的物理、化学和生物化学反应都有广泛影响。,温度对单个反应的影响可用Arrhenius关系式或k=Ae,-E/RT,表示。,45,在某个中间温度范围内，食品的反应一般符合Arrhenius关系式，但温度过高或过低，会偏离这种关系。,食品体系反应偏离Arrhenius关系式，大多数是由温度过高或过低引起的：1）酶失去活性；2）存在的竞争反应使反应路线改变或受影响；3）体系的物理状态可能发生变化；4）一个或几个反应物可能短缺。,46,时间,必需将时间和温度随时间变化的速度一起考虑。,考虑在一个指定的贮藏期内各个化学反应或微生物变化发生的时间，以及这些变化按何种方式结合起来决定了产品的贮藏寿命。,对同时进行的反应的相对重要性有重要影响：如脂类氧化和非酶褐变，它们的相互作用对食品质量产生重要影响。,47,pH,pH会影响许多化学反应和酶催化反应的速度；,要为加以利用的酶反应创造最适宜的pH条件；,为了有效抑制微生物生长和抑制不希望的酶反应，往往采用极高或极低pH，但也加速酸或碱的催化反应；,有时pH较小改变可能导致食品质量的极度变化，如豆腐的凝结和果胶凝胶的形成。,48,食品的组成与水分活度,食品的组成决定了能参与化学反应的反应物，原料的成分和成品的成分之间的关系尤其重要。例如：1）收获之后处理果蔬的方式会影响糖含量，而这又会影响在脱水或深度油炸时的褐变程度；2）处理屠宰后动物组织的方法会影响蛋白质的水解和ATP降解的程度和速度，而这些又会影响到贮存寿命、保水性、坚韧度、风味和色泽；3）原料的掺和可能引起意外的相互作用。,49,食品高新技术,食品化学是食品科学学科中发展很快的领域，引入了大量新技术：,微胶囊技术；,膜分离技术；,超临界萃取技术；,新灭菌技术；,复合材料包装技术；,微波技术；,超微粉碎技术。,50,