食品化学教案

-食品化学教案轻工与农业学院食品科学与工程系山东理工大学教案编写说明教案是任课教师的教学实施方案。任课教师应遵循专业教学方案制订的培养目标，以教学大纲为依据，在熟悉教材、了解学生的根底上，结合教学实践经历，提前编写设计好本门课程每次课的全部教学活动。教案编写说明如下：1、教学课型表示所授课程的类型，请在理论课、实验课、习题课、实践课、技能课及其它栏内选择打。2、教学内容：是授课的核心。将授课的内容按章、节或主题，有序的进展设计编排，并标以*和#符号以表示重点和难点。3、教学方法和教学手段：教学方法指讲授、讨论、示教、指导等。教学手段指板书、多媒体、网络、模型、标本、挂图、音像等教学工具。4、讨论、思考题和作业：提出假设干问题以供讨论，或作为课后复习时思考，亦可要求学生作为作业来完成，以供考核之用。5、参考资料：列出参考书籍、有关资料。6、首次开课的青年教师的教案应由导师审核。7、鼓励教师在教学内容、教学方法和教学手段等方面进展创新与改革。8、所有开课课程必须按此标准编写教案。山东理工大学教案第 1 次课教学课型：理论课实验课习题课实践课 技能课 其它主要教学内容注明：* 重点 # 难点：主要内容：食品化学的概念、研究内容、研究方法、食品化学的开展历史及最新研究进展和动态、食品加工贮藏过程中主要的化学变化及其对食品品质和平安性的影响以及该课程在食品科学中的地位和意义。重点：食品化学的概念、研究内容、研究方法、食品加工贮藏过程中主要的化学变化。难点：食品中主要的化学变化及其对食品品质和平安性的影响。教学目的要求：使学生了解食品化学的开展历史及最新研究进展和动态以及该课程在食品科学中的地位和意义。掌握食品化学的概念、研究内容、研究方法、食品加工贮藏过程中主要的化学变化及其对食品品质和平安性的影响。教学方法和教学手段：教师讲授多媒体教学讨论、思考题、作业：1、什么是食品化学？它的研究内容和范畴是什么？2、试述食品中主要的化学变化及对食品品质和平安性的影响。3、食品化学的研究方法有何特色？参考资料：1、食品化学胡慰望谢笔钧主编科学出版社19922、食品化学王璋等编 中国轻工出版社19993、食品化学第二版韩雅珊主编中国农业大学出版社19984、 Food Chemistry Owen R. Fennema 主编，王璋等译 20035、Food Chemistry, Owen R. Fennema 3rd Edition, 1996注：教师讲稿附后第一章 绪论本章提要主要内容：食品化学的概念、研究内容、研究方法、食品化学的开展历史及最新研究进展和动态、食品加工贮藏过程中主要的化学变化及其对食品品质和平安性的影响以及该课程在食品科学中的地位和意义。重点：食品化学的概念、研究内容、研究方法、食品加工贮藏过程中主要的化学变化。难点：食品中主要的化学变化及其对食品品质和平安性的影响。1.1 食品化学相关概念1 相关概念食品：经特定方式加工后供人类食用的食物。食物：可供人类食用的物质原料统称为食物。营养素：指那些能维持人体正常生长发育和新陈代谢所必需的物质。目前的有4050种人体必需的营养素，从化学性质分为6大类，即蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质、维生素和水，目前也有人提出将膳食纤维列为第七类营养素。化学：研究物质组成、性质及其功能和变化的科学，包括分析化学、有机化学、物理与胶体化学、别离化学、普通化学和生物化学等。2 食品化学用化学的理论和方法研究食品本质的科学，它通过食品营养价值、平安性和风味特征的研究，说明食品的组成、性质、构造和功能和食物在贮藏、加工和包装过程中可能发生的化学、物理变化和生物化学变化的科学。食品化学、微生物学、生物学和工程学是是食品科学的四大支柱学科。食品化学、食品微生物学和食品生物化学是食品科学与工程专业的三大专业根底课。3 食品化学的分支食品成分化学：研究食品中各种化学成分的含量和理化性质等。食品分析化学：研究食品成分分析和食品分析方法的建立。食品生物化学：研究食品的生理变化。与普通生物化学不同食品生物化学关注的对象是死的或将要死的生物材料。食品工艺化学：研究食品在加工贮藏过程中的化学变化。食品功能化学：研究食物成分对人体的作用。食品风味化学：研究食品风味的形成、消失及食品风味成分的化学。1.2 食品化学的性质和范畴食品化学从化学角度和分子水平研究食品的组成、构造、理化性质、生理和生化性质、营养与功能性质以及它们在食品储藏、加工和运销中的变化，是为改善食品品质、开发食品新资源、革新食品加工工艺和储运技术、科学调整膳食构造、改良食品包装、加强食品质量控制及提高食品原材料深加工和综合利用水平奠定理论根底的开展性学科。根据研究内容的主要范围，食品化学主要包括食品营养化学、食品色家化学、食品风味化学、食品工艺化学、食品物理化学和食品有害成分化学。根据研究对象的物质分类，食品化学主要包括：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、食品香味化学、食品色素化学、食品毒物化学、食品保健成分化学。另外，在食用水质处理、食品生产环境保护、食用天然产物的提取别离、农产品资源的深加工和综合利用、生物技术在食品原料生产和食品工业中的应用、绿色食品和功能食品的开发、食品加工、包装和储藏、食品工程等领域中还包含着丰富的其他化学内容。作为一种横跨诸多种学科的开展性新兴学科，食品化学依托、吸收、融汇、应用和开展着化学、生物化学和食品储藏加工学等学科，从特有的角度、深度和广度研究食品物质的化学组成；探索食品物质的组织构造、显微构造和分子构造；研究食品化学成分的物理性质、化学性质、功能性质和食用平安性质，认识从原料经过储藏加工直到食品的过程中物质发生的种种物理和化学变化(如形态变化、组织变化、分子构造变化、组成变化、生理生化变化、色香味变化、质地变化及营养成分变化等)；提醒食品质量受原料类别、原料固有特性、产前产后处理、原料储藏技术、食品配方、加工工艺和设备、产品包装和种种环境因素影响的本质，从而形成了食品科学的三大支柱学科之一。由于绝大多数食品的物质体系十分复杂，食品化学家首先注重食品中且大而广的代表性物质和它们的物性，注重对物性影响重大和代表性强的物质构造，注重普遍发生、影响重大和代表性强的变化。针对这一系列代表，在考虑食品储藏和加工的实际条件的前提下，经过化简、模拟、分析、综合等实验研究和理论探讨，找出构造和物性的关系、变化的途径或反响的机理和影响物性发挥及变化速度的主要因素或条件。然后依据这类研究中形成的思路、学说、理论和方法，结合食品中更实际的情况，更全面、更综合和更具体地研究真实食品的化学。经过多年的努力，食品中大多数物质、它们的构造、它们的功能性质、它们的物理和化学变化、它们的相互作用及储藏加工和环境条件对它们的影响业已初步探明。食品化学正朝着深化认识、加强理论、探索调控机制、提高预测食品质量变化能力、利用生物工程和化学工程新技术改造和创造食品物质的更广阔的领域进军。1.3 食品化学的历史食品化学的起源还不太清楚，它完整的历史尚未有恰当的分析和记载，这是缺乏为奇的。因为食品化学直到20世纪才成为一门独立的学科，它的历史一直是与没有详尽的文献记载的农业化学的历史严密联系在一起的。尽管如此，从目前掌握的资料已足以正确地了解与食品相关的*些值得注意的事件所发生的时间、地点和原因以及l 9世纪早期以来在食品供应的质量方面所发生的变化。尽管食品化学的起源从*种意义上讲可以追溯到远古时代，但是根据我们目前的判断，那些最主要的发现始于18世纪末期。第一阶段早期食品化学20世纪50年代以前天然动植物特征成分别离和分析阶段在17801850年期间，一些著名的化学家获得了重大发现，其中不少是与食品化学有着直接或间接的关系。在舍勒Scheele、拉瓦锡Lavoisier、德索绪尔de Saussure、盖-吕萨克Gay-Lussac、泰纳尔Thenard、戴维Davy、琼斯雅可比贝采里乌斯Jons Jakob Berzelius、汤姆逊Thomson、李比希、博蒙特Beaumont、Justus Liebig的著作中可以找到现代食品化学的起源。或许有人会问，这些科学家最著名的发现与食品化学的联系很少，他们是否真的在很大程度上与现代食品化学的起源有关系。虽然普遍认为将早期的科学家们分为化学家、细菌学家或食品化学家是很困难的，但是确定*个科学家是否在*个科学领域内作出了重要的奉献却是比较容易的。下述的一些简单例子充分地证实了这些科学家中的大多数人实际上曾对食品进展了深入的研究，并确实在食品化学方面取得了一些根本性的重要发现，他们在食品化学的历史记载中的地位是不容疑心的。瑞典药剂师舍勒Carl Wilhelm Scheee，17421786是有史以来最伟大的化学家之一。他曾发现了氯、丙三醇和氧(比普利斯特里Priestly早3年，但是未发表)，这一点已广为人知，除此之外，他还别离和研究了乳酸的性质(1780年)，利用乳酸的氧化作用制得了粘酸(1780年)，设计了一个利用加热保存醋的方法(1782年，这在艾佩尔Appert的发现之前)，从柠檬汁(1784年)和酷粟(1785年)中别离出拧檬酸，从苹果中别离出苹果酸(1785年)。并且检验了20种普通水果中的柠檬酸，苹果酸和酒石酿。他从植物和动物材料中别离各种新的化合物助工作被认为是在农业和食品化学方面精细分析研究的开端。法国化学家拉瓦锡Antoine Larent Lavoisier，17431794第一个测定了乙醇的元素组成(1784年)，并发表了第以篇关于水果中含有机酸的论文。英国化学家戴维Humphey Davy，17781829在1807与1808年别离出元素钾、钠、钡、铝、钙和镁。他对农业和食品化学方面的奉献大都是通过他在农业化学方面的著作提供的，其中的第一个版本1813年是农业化学原理，他曾作为农业部的一门课程。他的著作将当时已有的知识加以组织和阐述。他在第一版中指出：植物的各个不同局部都能分解成一些元素，它们是被用作食品还是被用来制作艺术品就取决于这些元素的组合排列，这些元素可以从植物的机体局部或者从它们所含的汁液中产生，而研究这些物质的特性则是农业化学的一个根本局部。他在第五版中指出，植物通常仅由7或8种元素组成，最根本的植物物质是由氢、碳和氧按不同的比例所组成。在一般悄况下，这些元素是单独存在的，而在少数情况它们还与氮相结合。法国化学家谢福瑞Michel Eugene Cheveraul，17861889在名为关于有机分析及其应用的一般论述一书中列举了当时的存在于有机物质中的元素(氧、氯、碘、氮、硫、磷、碳、硅、氢、铝、镁、钙、钠、钾、锰和铁)。并聚集了当时可采用的有机分析方法。1用中性溶剂萃取，例如水、酒精或含水乙醚；2缓慢蒸馏或分馏；3蒸汽蒸馏；4将物质通过被加热到白炽状态的管子；(5)用氧来分析。李比希Justus Von Liebig，1803-1873提出将食品分为含氮的植物纤维，酪蛋白等和不含氮的脂肪、碳水化合物等，并与1847年出版了食品化学的研究，这是第一本有关食品化学方面的书，但此时认为建立食品化学的学科。在18世纪，食品掺假事件在欧洲时有发生，迫切要求有关部门建立可靠的食品检验方法，这无疑对普通分折化学和食品检验方法的开展起了很大的促进作用。因此，在18201850年期间，化学和食品化学开场在欧洲占据重要地位。在许多大学中建立了化学研究实验室和创立了新的化学研究杂志，推动厂化学和食品化学的开展。从此，食品化学开展的步伐更快。到二十世纪二十年代，世界各国相继公布了关于制止食品掺假的法规，并建立了相庇的检验机构和制定出严格的检验方法，从而使食品掺假逐渐得到控制。到50年代末，食品工业有了较快的开展，特别是在欧美等工业兴旺国家。为了改善食品的感官质员和品质，或有利于改良食品加工处理以及延长货架期，在食品贮藏加上过程中，逐渐使用天然的或人工合成的化学物质，作为食品添加剂，并得到政府法律的认可。另一方而，由于农业生产中广泛应用农药，给食物带来不同程度的污染。因此，食品平安性问题，自60年代以来已成为食品化学、临床医学、毒理学、预防医学等学科普边关心的重要问题。色谱和色质联用等现代分析技术的出现，以及构造化学理论的开展，使食品化学在理论和应用研究方面部获得显著的进展。如研究食品在贮藏加工过程中各种化学或生物化学的反响历程和机理，食品各组分的性质、构造和功能，以及食品贮藏加工新技术、新产品的开发，食品资源的利用。这些都为食品科学技术和食品工业的开展创造了有利条件。为了适向人类宇航事业的需要，科学家们开场研究如何在太空飞船的有限空间实现食品元素和食品物质的小规模循环，做到主要食物的自给供应。随着仿生学和分子工程学的开展，人们将可以简化这些复杂物质分子，或模拟代谢中间产物的构造，通过人工合成食品的方法，开辟出一条新的途径。1.4 食品中主要的化学变化概述食品从原料生产，经过储藏、运转、加工到产品销售，每一过程无不涉及到学变化。对这些变化的研究及控制构成了食品化学研究的核心内容。植物组织或器官在储藏过程中发生的化学变化，一船包括生理成熟、后熟和衰老过程中的酶促变化和化学变化。例如呼吸、细胞壁软化和风味物产生。动物组织或器官在储藏过程中发生的化学变化，般包括产后生理变化和化学变化，例如肉的僵直、嫩化、自溶和腐败。这些变化既受生理生化调控，又受储藏环境影响。假设环境条件恶劣，又会出现种种生理病害。原料进入加工过程，变化的时机增加。在加工时，原料被混合，组织成细胞构造被破坏，这就增加了酶与底物接触的时机。酶促水解利酶促氧化是食品酶催化变化的两个主要方面，它们引起营养物消耗、质地变软、风味和色泽改变。有些变化幅度颇大，例如维生素B1、B6和C的降解、水果的酶促褐变、葱属植物强烈地风味产生等。热加工是食品加工的主要方法之一，在这种剧烈的加工条件下，许多食品成分发生分解、聚合、异构化和变性。一些热变化可能有利，例如熟肉风味的产生、抗营养因子的失活和面包外表颜色的形成。另一些热变化可能不利，例如油脂的热解变质、蛋白质的不可调变性及异肽键的生成、维生素热分解和许多果蔬色泽和风味的加热劣化。水分活度变化引起的变化多种多样。例如一定程度的脱水加工引起了非酶褐变、脂肪和脂溶性维生素氧化及蛋白质变性反响的加速，但在水含量减至接近单层值时几乎食品中常见的各种主要不利变化都受阻而极慢进展，因而食品得以长期保质。氧气氧化、试剂氧化、光敏氧化和酶促氧化是食品加工和储藏中引起食品变质的重要原因之一。许多维生素(C、D、E、A和B2)、脂类、一些色素及蛋白质中的含硫氨基酸及芳香氨基酸残基等都是极易受氧化的食品成分。这些物质被氧化，不但损失了营养，还可能形成不良风味和有害成分等。例如油脂自动氧化和热氧化就是这样。光照和电离辐射在食品加工和储藏中也常常引起品质变化。例如牛奶长期日照会产生异味，腌制肉品和脱水蔬菜长期日照会变色或褪色，高剂量的电离辐射会引起脂类和蛋白质的分解变质，肉品辐射保藏中会出现异味。酸、碱、金属离子和其他污染到食品中的成分也会引起*些变化发生。例如酸是多糖和苷类水解的催化剂，还是造成叶绿素脱镁的效应物。碱可引起脂肪皂化，也是引起蛋白质残基变化的重要效应物。金属离子是脂肪自动氧化的重要催化剂，它们还能与多酚化合物络合而引起水果汁颜色转为深暗。酶活控制是食品加工和储藏的重要内容。主要是靠加热变性，但调节pH、参加激活剂或抑制剂、改变底物浓度或改变辅基浓度也是常用方法。为了防止加工中酶引起的不利变化，在加工初期往往就要钝化酶。各种酶的热变性模式大同小异，根本等同于蛋白质的热变性。食品储藏和加工中可能发生种种变化产生毒物。例如马铃薯储藏后期茄苷生成加快，食品在烟熏中有苯并芘产生，肉类腌制中可有亚硝胺化合物产生，含氰苷植物原料在加工中可产生氰酸盐等等。这类物质产生的途径彼此不同，疏于防范会引起严重后果。加工成品如果包装良好，多数化学变化速度很低，但未停顿。根据食品的固有性质，一些反响仍在实质的在进展。储藏、运输和销售中因温度波动、包装泄漏、与化学品穿插保存及包装材料的*些成分向食品迁移等现象又会引起*些变化加速。例如残存在包装内的氧气造成的氧化反响继续使营养成分损失，光照使天然色素变色或褪色，金属罐中金属转为离子会与植物多酚类或肉蛋白分解产生的硫化氢结合产生黑色。在食品的储藏、加工和远销中，微生物不管何时进入食品并在此生长都将引起多种化学变化。此时不同于微生物的工业利用，由于没有专门的调控措施，微生物在食品中引起的主要是不利变化。正因为如此，食品化学注重研究由不同杀菌、消毒、防腐剂应用、酸度、水分活废、氧化复原电势、低温等防止微生物生长的条件引起的食品自身成分的变化，并寻找既能防止微生物生长，又能减轻食品品质受损的最正确处理方法和条件。食品的品质主要涉及质地、风味、颜色、营养和平安性。根据不同食品的特点，发生在食品中的变化都有有利和不利两个侧面。因此，首先是要研究清楚反响本身，明确反响物、反响步骤和产物各是什么，明确反响条件是如何影响反响方向、速度和程度的，并要明确一个反响和其他反响之间的联系。其次，要明确这些变化与食品品质变化的直接联系，特别要明确所研究的变化主要涉及哪种与品质有关的属性，也要弄清该变化的间接影响。最后，明确哪类反响经常在哪些原料或食品中发生。在应用食品化学知识从事食品生产时，这一切具有重要意义。表1-1到表1-4厄要给出了发生在食品中的重要反响的类别、条件及其造成的品质变化。O.R. Fennema教授在论述食品化学的研究方法时给出了这四张表，相信在这里引用对读者颇有稗益。表1-1 在食品加工或储藏中可发生的变化分类属性变化质地失去溶解性、失去持水性、质地变坚韧、质地柔软风味出现酸败、出现焦味、出现异味、出现美味和芳香颜色褐变暗色、漂白褪色、出现异常颜色、出现诱人色彩营养价值蛋白质、脂类、维生素和矿物质的降解或损失及生物利用改变平安性产生毒物、钝化毒物、产生有调节生理机能作用的物质表1-2 改变食品品质的一些化学反响和生物化学反响反响类型例子非酶褐变焙烤食品表皮成色酶促褐变切开的水果迅速褐变氧化脂肪产生异味、维生素降解、色素褪色、蛋白质营养损失水解脂类、蛋白质、维生素、碳水化合物、色素降解金属反响与花青素作用改变颜色、叶绿素脱镁、作为自动氧化催化剂脂类异构化顺反异构化、不共轭脂共轭脂脂类环化产生单环脂肪酸脂类聚合深锅油炸中油起味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蛋白质使营养性降低糖降解宰后动物组织和采后植物组织的无氧呼吸表1-3 食品储藏或加工中变化的因果关系初期变化二期变化影响脂类水解游离脂肪酸与蛋白质反响质地、风味、营养价值多糖水解糖与蛋白质反响质地、风味、颜色、营养价值脂类氧化氧化产物与许多其他成分反响质地、风味、颜色、营养价值、毒物产生水果破碎细胞打破、酶释放、氧气进入质地、风味、颜色、营养价值绿色蔬菜加热细胞壁和膜的完整性破坏、酶释放、酶失活质地、风味、颜色、营养价值肌肉组织加热蛋白质变性凝聚、酶失活质地、风味、颜色、营养价值脂类的顺反异构化在深锅油炸中热聚合油炸过度时起泡沫，降低油脂的营养价值表1-4 决定食品在储藏加工中稳定性重要因素产品自身的因素各组成成分包括氧化剂的化学性质、氧气含量，pH、水分活度Aw、玻璃化温度Tg玻璃化温度时的水含量Wg环境因素温度T、处理时间t、大气成分、经受的化学、物理处理、见光、污染、极端的物理环境图1-1简要示意了食品中主要成分的变化及相互间的联系。从图中可见，活泼的羧化物是极重要的反响中间产物。另一个重要的中间产物是过氧化物。它们来的自类、碳水化合物和蛋白质的化学变化，自身又引起色素、维生素和风味物变化，结果导致了食品品质的多种变化。1.5 食品化学研究的方法食品是多种组分构成的体系，在贮藏相加工过程巾，将发生许多复杂的变化，它将给食品化学的研究带来一定的因难。因此，一般是从模拟体系或简单体系入手，将所得实验结果应用于食品体系，以确定食品组分间的相互作用，及其对食品营养、感官品质和平安性造成的影响。这种方法使研究的问题过于单化，因此并非都是成功的。食品化学研究的内容包括四个方面：确定食品的组成、营养价值、平安性和品质等重要特性；食品贮藏加工过程中各类化学和生物化学反响的步骤相机理；在上述研究的根底上，确定影响食品和卫省平安性的主要因素；研究化学反响的动力学行为及其环境因素的影响。1. 食品的品质和平安性营养是食品的根本特征，它是保证人体生长发育和从事劳动的物质根底。利用现代分析技术，用现代营养学的观点对食品的营养进展评价，乃是食品化学员根本的任务。食品卫生的平安性也是食品的重要特征，供人类消费的食品不应含有任何有害的化学成分或微生物因素，例如黄曲霉毒素、亚硝胺、苯并芘农药、有害重金属化合物等。食品在贮藏加工过程中各组分间相互作用对食品品质和平安性的不良影响有如下几方面：（1） 地变化：食品组分的溶解性和持水量降低，食品变硬或变软。2风味变化：酸败(水解或氧化)，产生蒸煮味或焦糖味及其他异味。3颜色变化：变暗、褪色或出现其他色变。4营养价值变化：维生京、蛋白质、脂类等降解。2. 化学和生物化学反响食品在贮藏加工过程中发生的许多化学和生物化学反响都会影响食品的品质和平安性。反响的类型一般取决于食品的种类、贮藏和加工条件，各反响之间相互影响和竞争，使食品化研究变得十分复杂。因此，简化食品体系或采用模拟体系进展研究，是食品化学研究方法上的一个显著特点。3. 各类反响对食易品质和卫生平安性的影响上述各类反响除了引起食品品质变坏，出现食品平安性问题外，有的反响则有利于食品品质的改良，如多糖或蛋白质的化学修饰和衍生物的合成。因此，在生产实践中，要根据实际需要来控制和利用上述各种反响。食品变质一般是由一系列初级反响引起组分的分子构造发生变化，然后导致肉眼可见或其他感官能感觉的变化，产生对人体有害英致致癌的物质。4.反响的动力学食品在贮藏加工过程中的各种化学和生物化学变化与温度、时间、pH、食品的组成、水活性、反响速度都有关系。在中等温度范围内，反响符合阿伦尼乌斯方程，K=Ae-E/KT式中K为温度T时的速率常数；A为作用分子间的碰撞频率；E为反响活化能；K为气体常数；T为温度。可见温度是影响食品贮藏加工中化学变化的主要变量。在高温或低温下，上述方程会出现偏差。因为在高温或低温下，酶失去活性；反响途径改变或出现竞争；体系物理状态改变，反响物消耗增加，这些都是反响方程出现偏差的原因。1.6 食品化学在食品工业技术开展中的作用食品化学是根据现代食品工业开展的需耍，在多种相关学科理论与技术开展的根底上形成和开展起来的，它具有显著的多源性、综合性及应用性。在理论、方法和技术语方面通过广泛的吸收、消化和创造过程，食品化学成为了食品科学理论和食品工业技术开展与进步的支柱学科之一。现代食品正向着强调营养、卫生与感官品质，注重保健作用，包装精良和食用方便的方向开展。现代食品工业正朝着科学开发新型天然原辅料；利用现代化农业，开展农产品深加工；利用生物工程和化工技术提高原辅料品质和改造原料性能；开展添加剂，优化食品工艺，加强质量控制；革新设备与加强自动化水平等方向开展。这种开展主要依靠材料科学、生物科学和信息科学，当然也滋润和鞭策着食品化学，使它成长为保证食品工业安康而持续开展的指导性学科之一，直承受食品化学指导的方面见表1-5。由于食品化学的开展，有了对美拉德反响、焦糖化反响、自动氧化反响、酶促褐变、淀粉的糊化与老化、多糖水解反响、蛋白质水解反响、蛋白质变性反响、色素变色与褪色反响、维生素降解反响、金属催化反响、菌的催化反响、脂肪水解、氧化与酯交换反响、脂肪热解、热聚、热氧化分解和热氧化聚合反响、风味物的产生途径和分解变化、生物性食品原料的产后生理生化反响、原料改性反响等等变化的越来越清楚的认识。也有了对食品成分迁移特性、结晶特性、水化特性、质构特性、风味特性、食品体系的稳定性和流变性、食品分散系的特性、食品原料的组织特性等物理、物理化学、生物化学和功能性质的越来越深刻的认识。这些认识极大地武装了食品战线上的工作者，因而对现代食品加工和储藏技术的开展产生了广泛而深刻的影响。表1-5 食品化学指导下现代食品工业的开展方面过去开展食品配方依靠经历依据原料组成、性质分析和理性设计工艺依据传统，经历和粗放小试依据原料及同类产品组成、特性的分析，根据优化理论设计开发食品依据传统和感觉盲目的开发依据科学研究资料，目的明确的开发，并增大了功能性食品的开发控制加工和储藏变化依据经历，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的开发科学地、综合地开发现有和新资源深加工规模小、浪费大、效益低规模增大、范围加宽、浪费少、效益高表1-6举例介绍了食品化学在食品工业各行业中正在发挥直接影响的方面。从中可看出食品化学是怎样向食品工业直接注入活力的。表1-6 食品化学对各食品行业技术进步的影响食品工业影响方面果蔬加工储藏化学去皮，护色，质构控制，维生素保存，打蜡涂膜，化学保鲜，气调储藏，活性包装，酶促榨汁，过滤和澄清及化学防腐等肉品加工宰后处理，保汁和嫩化，提高肉糜乳化力、凝胶性和粘弹性，超市鲜肉包装，熏肉剂的生产和应用，人造肉的生产，内脏的综合利用制药等饮料工业速溶，抑制上浮下沉，稳定蛋白饮料，水质处理，稳定带肉果汁，果汁护色，控制澄清度，提高风味，白酒降度，啤酒澄清，啤酒泡沫和苦味改善，防止啤酒馊味，果汁脱涩，大豆饮料脱腥等。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，乳品的营养强化等焙烤工业生产高效膨松剂，增加酥脆性，改善面包皮色和质构，防止产品老化和酶变等食用油脂工业精练，冬化，调温，脂肪改性，DHA、EPA及MCT的开发利用，食用乳化剂生产，抗氧化剂，减少油炸食品吸油量等调味品工业生产肉味汤料、核苷酸鲜味剂，碘盐和有机硒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，菌体和残渣的综合利用等根底食品工业面粉改良，精谷制品营养强化，水解纤维素与半纤维素，生产高果糖浆，改性淀粉，氢化植物油，生产新型甜味料，生产新型低聚糖，改性油脂，别离植物蛋白质，生产功能性肽，开发微生物多糖和单细胞蛋白质，食品添加剂生产和应用，野生、海洋和药食两用可食资源的开发利用等食品检验检验标准的制定，快速分析，生物传感器的研制等农业和食品工业是生物工程最广阔的应用领域之一，生物工程的开展为食用农产品的品质改造、新食品的开发及食品添加剂和食用酶的开发拓宽了道路，但是生物技术在食品中应用的成功与否紧紧依赖着食品化学。首先必须通过食品化学的研究来指明原有生物原料的物性有哪些需要改造和改造的关键在哪里，指明何种食品添加剂和何种食用酶是急需的以及它们的化学构造和性质如何。例如，食品化学提醒了多聚半乳糖醛酸酶在植物组织软化中的作用，生物工程技术就创造出采后不表达该酶的番茄，从而使番茄在后熟中可以保持良好的硬度。又如，食品化学指示了果糖的营养特性、风味、结晶性等不同于并且在许多方面优越于葡萄糖，生物工程就开展了固定化葡萄糖异构酶技术，从而生产出更多高果糖浆。其次，生物工程产品的构造和性质有时并不和食品中的应用要求完全一样，需要进一步别离、纯化、复配、改性和修饰。在这些工作中，食品化学具有最直接的指导意义。例如，在食用酶中添加稳定剂和分散剂，将添加剂配成复合添加剂，对新产品进展品质分析以决定其优劣并找出其利用价值等等。最后，生物工程可能生产出传统食品中没有用过的材料，需由食品化学研究其在食品中利用的可能性、平安性和有效性。近20年来，食品科学与工程领域开展了许多新技术，并正在逐步把它们推向食品工业的应用。例如，利用光化学理论和技术开展可降解食品包装材料，利用生物工程理论与技术开展会用生化反响器改造食品发酵技术和改良原料品种。利用电磁理论和技术开展微波加工食品技术，利用低温技术开展速冻食品技术和食品冷冻枯燥技术，利用放射化学理论与技术开展食品辐照保鲜技术，利用应用化学理论和技术开展食品的防伪包装、超临界提取和分子蒸馏技术，利用产后生理生化理论和技术开展食品气控、气调、真空储藏和活性包装(包装内气调)技术，利用传质理论和膜技术开展、可食膜包装和微胶囊技术，利用构造与韧性关系理论开展原料改性及食品挤压、膨化和超微粉末化技术。由于这些新技术实际应用是否成功的关键依然是对物质构造、韧性和变化的把握，所以它们开展的速度紧紧依赖于食品化学在这一新领域内的开展速度。确实，各国的食品化学家已为此投入了巨大热情和精力，这些新技术在食品工业的开展中将起到越来越大的作用。总之，食品化学理论和技术的开展强烈依赖其他学科理论和技术的开展，即使当独立的食品化学技术体系建立起来后也是如此。思考题1. 什么是食品化学？它的研究内容和范畴是什么？2. 试述食品中主要的化学变化及对食品品质和平安性的影响。3. 食品化学的研究方法有何特色？山东理工大学教案第 2 次课教学课型：理论课实验课习题课实践课 技能课 其它主要教学内容注明：* 重点 # 难点：主要内容：水在食品中的重要作用、水和冰的构造及其性质；水在食品中的存在状态及各种状态水的特性；水与溶质之间的相互作用及其机理。重点：水和冰的构造及其性质；水在食品中的存在状态；水与溶质之间的相互作用。难点：水与溶质之间的相互作用及其机理。教学目的要求：1、 了解水在食品中的重要作用、水和冰的构造及其性质。2、 掌握水在食品中的存在状态及各种状态水的特性。3、 掌握水与溶质之间的相互作用及其机理。教学方法和教学手段：教师讲授多媒体教学讨论、思考题、作业：1、水在食品中的存在状态及各种状态水的特性2、试述水与溶质之间的相互作用及其机理。参考资料：1、食品化学胡慰望谢笔钧主编科学出版社19922、食品化学王璋等编 中国轻工出版社19993、食品化学第二版韩雅珊主编中国农业大学出版社19984、 Food Chemistry Owen R. Fennema 主编，王璋等译 20035、Food Chemistry, Owen R. Fennema 3rd Edition, 1996注：教师讲稿附后第二章水本章提要重点：水和冰的构造及其在食品体系中的行为对食品的质地、风味和稳定性的影响。水分活度与水分吸着等温线及水分活度对食品稳定性的影响。食品中水分含量和水分活度的测定方法。难点：分子淌度与食品稳定性的关系，笼形水合物。2.1 概述在人体内，水不仅是构成机体的主要成分，而且是维持生命活动、调节代谢过程不可缺少的重要物质。例如，水使人体体温保持稳定，因为水的热容量大，一旦人体内热量增多或减少也不致引起体温出现大的波动。水的蒸发潜热大，蒸发少量汗水即可散发大量热能，通过血液流动使全身体温平衡。水是一种溶剂，能够作为体内营养素运输、吸收和废弃物排泄的载体，可作为化学和生物化学反响物或反响介质，也可作为一种天然的润滑剂和增塑剂，同时又是生物大分子化合物构象的稳定剂，以及包括酶催化在内的大分子动力学行为的促进剂。此外，水也是植物进展光合作用过程中合成碳水化合物所必需的物质。可以清楚地看到，生物体的生存是如此显著的依赖于水这个无机小分子。水是食品中非常重要的一种成分，也是构成大多数食品的主要组分，各种食品都有能显示其品质特性的含水量(表2-1)。水的含量、分布和取向不仅对食品的构造、外观、质地、风味、新鲜程度和腐败变质的敏感性产生极大的影响，而且对生物组织的生命过程也起着至关重要的作用。水在食品贮藏加工过程中作为化学和生物化学反响的介质，又是水解过程的反响物。通过枯燥或增加食盐、糖的浓度，可使食品中的水分除去或被结合，从而有效地抑制很多反响的发生和微生物的生长，以延长食品的货架期。水与蛋白质、多糖和脂类通过物理相互作用影响食品的质构，在大多数新鲜食品中，水是最主要的成分，假设希望长期贮藏这类食品，只要采取有效的贮藏方法控制水分就能够延长保藏期，无论采用普通方法脱水或是低温冷冻枯燥脱水，食品和生物材料的固有特性都会发生很大的变化，然而任何企图使脱水食品恢复到它原来的状态(复水和解冻)的尝试都未获得成功。水是唯一的以三种物理状态广泛存在的物质。战争之源：下一场世界大战将是对水资源的争夺。2.2 水和冰的物理特性与元素周期表中邻近氧的*些元素的氢化物CH4、NH3、HF、H2S相比较：水的熔点、沸点比这些氢化物要高得多，介电常数、外表张力、热容和相变热熔融热、蒸发热和升华热等物理常数也都异常高，但密度较低。与冰比较：此外，水结冰时体积增大，表现出异常的膨胀特性。水的热导值大于其他液态物质，冰的热导值略大于非金属固体。0时冰的热导值约为同一温度下水的4 倍，这说明冰的热能传导速率比生物组织中非流动的水快得多。从水和冰的热扩散值可看出水的固态和液态的温度变化速率，冰的热扩散速率为水的9 倍；在一定的环境条件下，冰的温度变化速率比水大得多。水和冰无论是热传导或热扩散值都存在着相当大的差异，因而可以解释在温差相等的情况下，为什么生物组织的冷冻速度比解冻速度更快。2.3 水和冰的构造1 水和冰的构造水的物理性质说明，水分子之间存在着很强的吸引力，水和冰在三维空间中通过强氢键缔合形成网络构造。单个水分子的构造特征：H2O分子的四面体构造有对称型；H-O共价键有离子性；氧的另外两对孤对电子有静电力；H-O键具有电负性。表2-1 食品中的水分含量食品含水量%肉类猪肉5360牛肉碎块5070鸡无皮肉74鱼肌肉蛋白6581水果香蕉75浆果、樱桃、梨、葡萄、猕猴桃、柿子、菠萝8085苹果、桃、甜橙、李子、无花果8590蔬菜青豌豆、甜玉米7480甜菜、硬花甘蓝、胡萝卜、马铃薯8090芦笋、青大豆、大白菜、红辣椒、花菜、莴苣、西红柿、西瓜9095谷物全粒谷物1012面粉、粗燕麦粉、粗面粉1013乳制品奶油15山羊奶87奶酪含水量与品种有关4075奶粉4冰淇淋65人造奶油15焙烤食品面包3545饼干58馅饼4359糖及其制品蜂蜜20果冻、果酱35蔗糖、硬糖、纯巧克力1表2-2 水和冰的物理性质性质数值相对分子量18.0153相转变性质熔点0.1Mpa0.000沸点0.1Mpa100.000临界温度373.99临界压力22.064MPa(218.6atm)三相点0.01和611.73Pa(4.589mmHg)熔化焓06.012kJ(1.436kcal)/mol蒸发焓10040.657kJ(9.711kcal)/mol升华焓050.91kJ(12.16kcal)/mol其他性质温度20 0 0冰 -20密度/(g/cm3) 0.99821 0.99984 0.9168 0.9193粘度/(Pas) 1.00210-3 1.79310-3 外表张力(空气-水界面)/(N/m) 72.7510-3 75.6410-3 蒸汽压/kPa 2.3388 0.6113 0.6113 0.103比热容/J/(gK) 4.1818 4.2176 2.1009 1.9544热导率(液体)/W/(mK) 0.5984 0.5610 2.240 2.433热扩散/(m2/s) 1.410-7 1.310-7 11.7 10-7 1.810-7介电常数80.20 87.90 90 98在纯洁的水中，除含普通的水分子外，还存在许多其他微量成分，如由16O和1H的同位素17O、18O、2H和3H所构成的水分子，共有18种水分子的同位素变体；此外，水中还有离子微粒如氢离子(以H3O+存在)和氢氧根离子，以及它们的同位素变体，因此，实际上水中总共有33 种以上HOH的化学变体。同位素变体仅少量存在于水中，因此，在大多数情况下可以忽略不计。2 分子的缔合1水分子的缔合作用水分子中的氢、氢原子呈V 字形排序，OH 键具有极性，所以分子中的电荷是非对称分布的。纯水在蒸汽状态下，分子的偶极矩为 1.84D德拜，这种极性使分子间产生吸引力，因此，水分子能以相当大的强度缔合。但是只根据水分子有大的偶极矩还不能充分解释分子间为什么存在着非常大的吸引力，因为偶极矩并不能表示电荷暴露的程度和分子的几何形状。水的异常性质可以推测水分子间存在强烈的吸引力以及水和冰具有不寻常构造。水分子中氧原子的电负性大，OH键的共用电子对强烈地偏向于氧原子一方，使每个氢原子带有局部正电荷且电子屏蔽最小，表现出裸质子的特征。由于每个水分子具有相等数目的氢键给体和受体，能够在三维空间形成氢键网络构造,因而水分子间存在着很大的吸引力。如果还考虑同位素变体、水合氢离子和氢氧根离子，则水分子间的缔合机理就更加复杂了。水合氢离子因为带正电荷，它比非离子化的水有更大的氢键给体潜力，氢氧根离子带负电荷，比非离子化的水有更大的氢键受体潜力根据水在三维空间形成氢键键合的能力，可以从理论上解释水的许多性质。例如，水的热容量、熔点、沸点、外表张力和相变热都很大，这些都是因为破坏水分子间的氢键需要供应足够的能量。水的介电常数也同样受到氢键键合的影响。虽然水分子是一个偶极子，但单凭这一点还不能满意地解释水的介电常数的大小。水分子之间靠氢键键合而形成的水分子簇显然会产生多分子偶极子，这将会使水的介电常数明显增大。2水分子缔合的原因a H-O键间电荷的非对称分布使H-O键具有极性,这种极性使分子之间产生引力。b 由于每个水分子具有数目相等的氢键供体和受体,因此可以在三维空间形成多重氢键。c 静电效应。4 冰的构造1纯冰冰是由水分子有序排列形成的结晶。水分子之间靠氢键连接在一起形成非常稀疏(低密度)的刚性构造。每个水分子能够缔合另外4个水分子即1，2，3和W，形成四面体构造，所以配位数等于4，冰的正六方形对称构造。早在50年代末期，曾有人用衍射方法研究含氘的冰构造，并确定了冰中氢原子的位置，一般认为：1) 在邻近的两个氧原子的每一条连接线上有一个氢原子，它距离共价结合的氧为10.01，距离氢键结合的氧为1.760.01。这种构象如图2-8(a)表示。2) 如果在一段时间内观察氢原子的位置，可以得到与图2-8(a)略微不同的图形。氢原子在两个最邻近的氧原子*和Y的连接线上，它可以处于距离*轴1或距离Y 轴1 的两个位置。这正如鲍林所预言，后来为Peterson等人所证实的那样，氢原子占据这两个位置的几率相等，即氢原子平均占据每个位置各一半的时间，这可能是因为除了在极低温度以外水分子是可以协同旋转的(cooperative rotation)。另外，氢原子能够在两个邻近的氧原子之间跳动。通常我们把这种平均构造称为半氢、鲍林或统计构造。图2-8(a)冰构造中氢原子( )的位置2冰的分类按冷冻速度和对称要素分：a 六方型冰晶b 不规则树枝状结晶c 粗糙的球状结晶􀂾d 易消失的球状结晶及各种中间体冰有11种结晶类型，普通冰的结晶属于六方晶系的双六方双锥体。另外，还有9种同质多晶和1种非结晶或玻璃态的无定型构造，在常压和温度0时，这11 种构造中只有六方型冰结晶才是稳定的形式。3六方冰晶形成的条件：在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻；溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移。冰并不完全是由准确排列的水分子组成的静态体系，每个氢原子也不一定恰好位于一对氧原子之间的连接线上。这是因为：1) 纯冰不仅含有普通水分子，而且还有H+(H3O+)和OH-离子以及HOH的同位素变体(同位素变体的数量非常少，在大多数情况下可忽略)，因此冰不是一个均匀体系；2) 冰的结晶并不是完整的晶体，通常是有方向性或离子型缺陷的。当一个水分子与另外4 个水分子缔合并旋转时，即伴随着中性取向使质子发生位错(dislocation)，或者由于质子在两邻近水分子的连线上跳动，形成H3O+和OH-而引起质子位错。前者属于方向型缺陷，后者是离子型缺陷。冰结晶体中由于水分子的转动和氢原子的平动所产生的这些缺陷，可以为解释质子在冰中的淌度比在水中大得多，以及当水结冰时其直流电导略微降低等现象提供理论上的依据。5 水的构造纯水是具有一定构造的液体，但还缺乏以构成长程有序的刚性构造。在液态水中，水的分子并不是以单个分子形式存在，而是由假设干个分子靠氢键缔合形成大分子(H2O)n，因此水分子的取向和运动都将受到周围其他水分子的明显影响。1) 液态水是一种稀疏(open)液体，其密度仅相当于严密堆积的非构造液体的60%。这是因为氢键键合形成了规则排列的四面体，这种构造使水的密度降低。从冰的构造也可以解释水密度降低的原因。2) 冰的熔化热大，足以破坏水中15%左右的氢键。虽然在水中不一定需要保存可能存在的全部氢键的85%(例如，可能有更多的氢键破坏，能量变化将被同时增大的范德华相互作用力所补偿)，实际上很可能仍然有相当多的氢键存在，因而使水分子保持广泛的氢键缔合。3) 根据水的许多其他性质和*-射线、核磁共振、红外和拉曼光谱分析测定的结果，以及水的计算机模拟体系的研究，进一步证明水分子具有这种缔合作用。在室温或低于室温下，液态水中包含着连续的三维氢键轨道，这种由氢键构成的网络构造为四面体形状，其中有很多变形的和断裂的键。水分子的这种排列是动态的，它们之间的氢键可迅速断裂，同时通过彼此交换又可形成新的氢键，因此能很快地改变各个分子氢键键合的排列方式。但在恒温时整个体系可以保持氢键键合程度不变的完整网络。1水的构造模型：a 混合模型：混合模型强调了分子间氢键的概念，认为分子间氢键短暂地浓集于成簇的水分子之间，成簇的水分子与其它更密集的水分子处于动态平衡。b 连续模型：分子间氢键均匀地分布于整个水样，水分子的连续网络构造成动态平衡。c 填隙式模型：水保存在似冰状或笼状构造中，个别的水分子填充在笼状构造的缝隙中。氢键的键合程度取决于温度，在0时冰中水分子的配位数为4，最邻近的水分子间的距离为2.76，冰熔化时一局部氢键断裂(最邻近的水分子间的距离增大)，同时，刚性构造受到破坏，水分子自身重新排列成为更严密的网络构造，这与大量氢键的扭曲变形和熔化潜热的输入有关。随着温度上升，水的配位数增多。0时冰中水分子的配位数为4，水在1.5和83时的配位数分别为4.4 和4.9。而邻近的水分子之间的距离则随着温度升高而加大，从0时的2.76增至1.5时2.9 和83时的3.05。显然，水的密度随着邻近分子间距离的增大而降低，当邻近水分子平均数增多时其结果是密度增加，所以冰转变成水时，净密度增大，当继续温和加热至3.98时密度可到达最大值。随着温度继续上升即密度开场逐渐下降。水的低粘度与构造有关，因为氢键网络是动态的，当分子在纳秒甚至皮秒这样短暂的时间内改变它们与邻近分子之间的氢键键合关系时，会增大分子的淌度或流动性。2水分子的构造特征a 水是呈四面体的网状构造b 水分子之间的氢键网络是动态的c 水分子氢键键合程度取决于温度2.3 食品中水的存在形式食品中的水不是单独存在的，它会与食品中的其他成分发生化学或物理作用，因而改变了水的性质。按照食品中的水与其他成分之间相互作用强弱可将食品中的水分成结合水、毛细管水和自由水。结合水：又称为束缚水，是指存在于食品中的与非水成分通过氢键结合的水，是食品中与非水成分结合的最结实的水。不能被微生物利用，在-40下不结冰，无溶解溶质的能力，与纯水比较分子平均运动为0。自由水：是指食品中与非水成分有较弱作用或根本没有作用的水。毛细管水：指食品中由于天然形成的毛细管而保存的水分，是存在于生物体细胞间隙的水。毛细管的直径越小，持水能力越强，当毛细管直径小于0.1m 时，毛细管水实际上已经成为结合水，而当毛细管直径大于0.1m 则为自由水，大局部毛细管水为自由水。能结冰，但冰点有所下降，溶解溶质的能力强，枯燥时易被除去，与纯水分子平均运动接近。很适于微生物生长和大多数化学反响，易引起食物的腐败变质，但与食品的风味及功能性严密相关。结合水与自由水的区别：结合水在食品中不能作为溶剂，在-40时不结冰，而自由水可以作为溶剂，在-40会结冰。食品中的结合水的产生除毛细管作用外，大多数结合水是由于食品中的水分与食品中的蛋白质、淀粉、果胶等物质的羧基、羰基、氨基、亚氨基、羟基、巯基等亲水性基团或水中的无机离子的键合或偶极作用产生的。根据与食品中非水组分之间的作用力的强弱可将结合水分成单分子层水和多分子层水。单分子层水：指与食品中非水成分的强极性基团如：羧基-、氨基+、羟基等直接以氢键结合的第一个水分子层。在食品中的水分中它与非水成分之间的结合能力最强，很难蒸发，与纯水相比其蒸发焓大为增加，它不能被微生物所利用。一般说来，食品枯燥后平安贮藏的水分含量要求即为该食品的单分子层水。2.4 水与溶质的相互作用向水中添加各种不同的物质，不仅会改变被添加物质的性质，水本身的性质也会发生明显的变化。亲水性物质靠离子-偶极或偶极-偶极相互作用同水强烈地相互作用，因而改变了水的构造和流动性，以及亲水性物质的构造和反响性。被添加物质的疏水基团与邻近的水分子仅产生微弱的相互作用，邻近疏水基团的水比纯水的构造更为有序。这种热力学上不利的变化过程，是由于熵减小的原因引起的。为