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第1页共33页食品化学第一章绪论1.食物是安全无毒、有营养的物质，其组成成分复杂并含有非营养成分。2.食品的特征：①具有良好的每种食品特有的色、香、味和形②易被微生物和有害物质所污染而进一步发生变质③易受环境条件（如氧、温度、水等）影响而发生变质④食品内部各组分之间不断发生反应和变化。3.食品化学是从化学角度和分子水平上研究食品的组成、结构、理化性质、营养和安全性质，在生产、加工、储存和运销过程中的变化及其对食品品质和食品安全性影响的科学，是阐明食品的组成、性质、结构和功能，以及食品成分在储藏、加工过程中的化学和生物化学变化，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、科学调整膳食结构、改进食品包装、加强食品质量控制及提高食品原料加工和综合利用水平奠定理论基础的学科。4.食品在储藏加工过程中发生的变化：一是食品从原料生产、储藏、运输、加工到产品销售等过程中，每个过程无不涉及一系列的变化。在储藏加工过程中发生的化学变化，一般包括食品的非酶褐变和酶褐变；水活性改变引起食品质量变化；脂类的水解，脂类自动氧化，脂类热降解和辐解，蛋白质变性、交联和水解；食品中多糖的合成和化学修饰反应、低聚糖和多糖的水解，食品中大分子的结构与功能因素的影响等。二是食品的主要质量特性颜色、风味、质构和营养价值都可能发生一些不良变化。三是在食品加工和保藏过程中主要成分之间的相互作用产生变化，并对食品质量有着重要的影响。5.食品在储藏加工过程中发生变化的原因：氧化，氧化是食品变质的最重要原因之一，它使食品产生腌味、异味、变色、质地变坏或其他损害。当食品中天然存在的物质发生氧化时，还可生成有害的化合物。不饱和脂肪酸脂类含量愈高的食品愈容易氧化，脂类经游离基反应生成游离基，游离基与其他化合物结合或者相互结合，生成过氧化物，并向食品体系中释放出氧，引起必需脂肪酸的破坏。油脂氧化并不限于富含动植物油脂的食品，而且还包括新鲜的或经过加工的豆类、谷物和某些蔬菜等低脂类的食品，油脂不饱和脂肪酸氧化生成的过氧化氢，在进一步分解时产生了醛、醇、酮、酸等化合物，这是脂类或含脂食品产生异味的主要原因。食品加工时和保藏过程中的水解，食品加工和保藏过程中的可变因素。6.食品化学的发展前景：十多年来，中国的食品工业在改革开放中一直快速向前发展，并初步走过了初级发展阶段。为了满足人民生活水平日益提高的需要，今后的食品工业必将会更快和更健康地发展，从客观上要求食品工业更加依赖科技进步，把食品科研投资的重点转向高、深、新的理论和技术方向，这将为食品化学的发展创造极有利的机会，同时，由于新的现代分析手段、分析方法和食品技术的应用，以及生物学理论和应用化学理论的进展，使得人们对食品成分的微观结构和反应机理有了更进一步的了解，采用生物技术和现代化工业技术改变食品的成分、结构与营养性，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等将使得今后食品化学的理论和应用产生新的突破和飞跃。7.食品化学今后的研究方向：①继续研究不同原料和不同食品的组成、性质和在食品储藏加工中的变化②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，同时保护有益成分的营养与功能性③现有的食品工业生产中还存在的各种各样的问题④运用现代化科学与技术手段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，强化食品开发的科学性⑤现代储藏保鲜技术中辅助性的化学处理剂或被膜剂的研究和应用⑥风味化学和工艺学的研究将逐渐深入，并因为有现代分析与工艺技术的运用应达到新的深度⑦食品添加剂的开发、生产和应用研究任务将加大，生物技术和化学改性技术将成为有力手段⑧快速分析和检验食品的方法或技第2页共33页术研究规模将扩大⑨资源深加工和综合利用。第二章食品中的水分1.水在食品中的作用（1）水作为食品的溶剂（2）水作为食品中的反应物或反应介质（3）水能去除食品加工过程中的有害物质（4）水作为食品的浸胀剂（5）水作为食品的传热介质（6）水是生物大分子化合物构象的稳定剂2.食品中冰的结构主要有四种类型：六方形、不规则树状、粗糙球状、易消失的球晶。3.水与溶质的相互作用由于水在溶液中的存在状态，与溶质的性质以及溶质同水分子的相互作用有关，下面分别介绍不同种类溶质与水之间的相互作用。（1）水与离子或离子基团的相互作用离子或离子基团（Na+,Cl-,-COO-,-NH+3等）通过自身的电荷可以与水分子偶极子产生相互作用，通常称为水合作用。与离子和离子基团相互作用的水，是食品中结合最紧密的一部分水。从实际情况来看，所有的离子对水的正常结构均有破坏作用，典型的特征就是水中加入盐类以后，水的冰点下降。当水中添加可离解的溶质时，纯水的正常结构遭到破坏。由于水分子具有大的偶极矩，因此能与离子产生相互作用，如图1-6，由于水分子同Na+的水合作用能约83.68kJ·mol-1，比水分子之间氢键结合（约20.9kJ·mol-1）大四倍，因此离子或离子基团加入到水中，会破坏水中的氢键，导致改变水的流动性。在稀盐溶液中，离子对水结构的影响是不同的，一些离子（例如K+、Rb+、Cs、NH4+、Cl-、Br-、I-、NO3-、BrO3-、IO3-和ClO4-等）由于离子半径大，电场强度弱，能破坏水的网状结构，所以溶液比纯水的流动性更大。而对于电场强度较强、离子半径小的离子或多价离子，它们有助于水形成网状结构，因此这类离子的水溶液比纯水的流动性小，例如Li+、Na+、H3O+、Ca2+、Ba2+、Mg2+、Al3+、F-和OH-等就属于这一类。实际上，从水的正常结构来看，所有的离子对水的结构都起破坏作用，因为它们均能阻止水在0℃下结冰。（2）水与极性基团的相互作用水和极性基团（如-OH,-SH,-NH2等）间的相互作用力比水与离子间的相互作用弱，例如在蛋白质周围，结合水至少有两种存在状态，一种是直接被蛋白质结合的水分子，形成单层水；另一种是外层水分子（即多层水），结合能力较弱，蛋白质的结合水中大部分属于这种水，但与游离水相比，它们的移动性变小。除了上述两种情况外，当蛋白质中的极性基团与几个水分子作用形成“水桥”结构时（图1-7），这部分水也是结合水。各种有机分子的不同极性基团与水形成氢键的牢固程度有所不同。蛋白质多肽链中赖氨酸和精氨酸侧链上的氨基，天冬氨酸和谷氨酸侧链上的羧基，肽链两端的羧基和氨基，以及果胶物质中的未酯化的羧基，无论是在晶体还是在溶液时，都是呈离解或离子态的基团；这些基团与水形成氢键，键能大，结合得牢固。蛋白质结构中的酰胺基、淀粉、果胶质、纤维素等分子中的羟基与水也能形成氢键，但键能较小，牢固程度差一些。通过氢键而被结合的水流动性极小。一般来说，凡能够产生氢键键合的溶质可以强化纯水的结构，至少不会破坏这种结构。然而在某些情况下，一些溶质在形成氢键时，键合的部位以及取向在几何构型上与正常水不同，因此，这些溶质通常对水的正常结构也会产生破坏作用，像尿素这种小的氢键键合溶质就对水的正常结构有明显的破坏作用。大多数能够形成氢键键合的溶质都会阻碍水结冰，但当体系中添加具有氢键键合能力的溶第3页共33页质时，每摩尔溶液中的氢键总数不会明显地改变，这可能是由于所断裂的水-水氢键被水-溶质氢键所代替。（3）水与非极性基团的相互作用把疏水物质，如含有非极性基团（疏水基）的烃类、脂肪酸、氨基酸以及蛋白质加入水中，由于极性的差异发生了体系的熵减少，在热力学上是不利的，此过程称为疏水水合（Hydrophobichydration），由于疏水基团与水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强，使得疏水基邻近的水形成了特殊的结构，水分子在疏水基外围定向排列，导致的熵减少。水对于非极性物质产生的作用中，其中有两个方面特别值得注意：笼形水合物（Clathratehydrates）的形成和蛋白质中的疏水相互作用。笼形水合物代表水对疏水物质的最大结构形成响应。笼形水合物是冰状包合物，其中水为“主体”物质，通过氢键形成了笼状结构，物理截留了另一种被称为“客体”的分子。笼形水合物的客体分子是低分子量化合物，它的大小和形状与由20~74个水分子组成的主体笼的大小相似，典型的客体包括低分子量的烃类及卤化烃、稀有气体、SO2、CO2、环氧乙烷、乙醇、短链的伯胺、仲胺及叔胺、烷基铵等，水与客体之间相互作用往往涉及到弱的范德华力，但有些情况下为静电相互作用。此外，分子量大的“客体”如蛋白质、糖类、脂类和生物细胞内的其他物质也能与水形成笼形水合物，使水合物的凝固点降低。一些笼形水合物具有较高的稳定性。笼形水合物的微结晶与冰的晶体很相似，但当形成大的晶体时，原来的四面体结构逐渐变成多面体结构，在外表上与冰的结构存在很大差异。笼形水合物晶体在0℃以上和适当压力下仍能保持稳定的晶体结构。已证明生物物质中天然存在类似晶体的笼形水合物结构，它们很可能对蛋白质等生物大分子的构象、反应性和稳定性有影响。笼形水合物晶体目前尚未商业化开发利用，在海洋资源开发中，可燃冰（甲烷的水合物）的前景被看好。疏水基相互作用（Hydrophobicinteraction），是指疏水基尽可能聚集在一起以减少它们与水的接触。疏水基相互作用可以导致非极性物质分子的熵（分子混乱程度）减小，因而产生热力学上不稳定的状态；由于分散在水中的疏水性物质相互集聚，导致使它们与水的接触面积减小，结果引起蛋白质分子聚集，甚至沉淀；此外，疏水相互作用还包括蛋白质与脂类的疏水结合。疏水性物质间的疏水基相互作用导致体系中自由水分子增多，所以疏水基作用和极性物质、离子的水合作用一样，其溶质周围的水分子都同样伴随着熵减小，然而，水分子之间的氢键键合在热力学上是一种稳定状态，从这一点上讲，疏水相互作用和极性物质的水合作用有着本质上的区别。疏水相互作用对于维持蛋白质分子的结构发挥重要的作用。4.滞化水：被组织中的显微和亚显微结构与膜所阻留住的水，不能自由流动的水。5.毛细管水：在生物组织的细胞间隙和制成食品的结构组织中，还存在着一种有毛细管力所截留的水分。6.构成水：与食品中其他亲水物质（或亲水基团）结合最紧密的那部分水。7.邻近水：亲水物质的强亲水基团周围缔合的单层水分子膜。8.多层水：单分子水化膜外围绕亲水基团形成的另外几层水，主要依靠水-水氢键缔合在一起。9.水对食品品质的影响（P17）10.水分活度是溶液中溶剂水的逸度与纯水逸度之比11.水分活度与食品保存性：同一类的食品，由于其组成、新鲜度和其它因素的不同而使aw有差异，实际上食品中的脂类自动氧化、非酶褐变、微生物生长、酶促反应等都与aw有很大的关系，即食品的稳定性与水分活度有着密切的联系。图1-14给出几个典型的变化与水活度之间的关系。所示的化学反应的最小反应速度一般首先出现在等温线的区间Ⅰ与区间Ⅱ之间的边界（aw为0.2~0.3）；当aw进一步降低时，除了氧化反应外，全部保持在最小值；在中等和较高aw值（aw=0.7~0.9）时，美拉德反应、脂类氧化、维生素B1降解、叶绿素损失、微生物的生长和酶促反应等均显示出最大速率。但在有的情况下，对高水分食品，随着水活性的增加，反应速度反而降低，如蔗糖水解后的褐变反应，这是因为：第一，第4页共33页在水为生成物的反应中，根据反应动力学原埋，由于水分含量的增加，阻止反应的进行，结果使反应速度降低。第二，当反应中水的含量达到某一值时，反应物的溶解度、大分子表面与另一反应物相互接近的程度、以及通过提高水分活度来增加反应速度的作用已不再是一个显著的因素，此时如果再增加水分含量，则对促进反应进行的各组分产生稀释效应，最终结果使得体系的反应速度反而降低。因此，中等水分含量范围（aw=0.7~0.9）的食品，其化学反应速率最大，不利于食品耐藏性能的提高（这也是为什么现代食品加工技术非常关注中等水分含量食品的原因）。由于食品体系在aw为0.2~0.3之间的稳定性较高，而这部分水相当于形成单分子层水，所以知道食品中单分子层水时的水分含量值是十分有意义，我们可以通过前面所介绍的数学方程