专业基础

1、第一部分,专业基础知识,任课教师：陈芳 中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京，100083 E-mail:,第一章、食品化学和食品生物化学,一、水 1 水的作用 水的溶剂作用。 水是体内各种物质运输的载体。 水的比热及蒸发潜热大，能使生物体温维持恒定。 水是体内关节、肌肉等摩擦的润滑剂，食物吞咽需水的帮助。,2 水是食物中数量最多的组分,食品的含水量除谷物和豆类等种子外（1216），一般都比较高（6090） 蔬菜 85 97； 水果 80 90 ； 乳类 87 89； 蛋类 73 75； 鱼类 67 81 ； 猪肉 43 59；,3 水的结构特性,每个水分子由2个氢原子和1个氧原子组成。水分子中氧原子具有4个sp3杂化轨道，这2个氢原子各以最外层的1个电子与1个氧原子的最外层的2个电子组成2个共用电子对，使各自最外电子层都达到稳定结构这就是所谓的氢键。 氧具有高的电负性，因此O-H共价键具有部分离子特征，水分子具有极性，水分子之间具有强烈的缔合效应。每个水分子最多能与其他4个水分子H，呈四面体结构。,在水蒸气中水以单个的H20分子形式存在；在液态水中，经常是几个水分子通过氢键结合起

2、来，形成（H20）n(如上图）；在固态水（冰）中，水分子大范围地以氢键互相联结，形成相当疏松的晶体，从而在结构中有许多空隙，造成体积膨胀，密度减小，因此冰能浮在水面上。,4 水的存在状态,食品中含的水有两种，一种是与普通水一样能自由流动的水，称为自由水或游离水。另一种是与食品中蛋白质、碳水化合物等以氢键结合而不能自由运动的结合水。 自由水（体相水） 1）滞化水 2）毛细管水 结合水（束缚水、固定水） 1）化合水 2）邻近水 3）多层水,结合水与自由水的性质差异,结合水与自由水的不同： 不易蒸发 不易冻结(-40C) 不能作为溶剂 不能为微生物所利用 自由水则具有上述的各种能力。 食品的含水量，是指其中自由水与结合水的总和。,5 水分活度,水分活度定义：水分活度(water activity，Aw)即某含水体系中的水蒸汽压p和相同温度下纯水蒸汽压p0的比值。Aw = p/p0 Aw反映了水与各种非水成分缔合的强度，能够更可靠地预测食品的稳定性、安全性和其他性质。它是微生物生长、酶活性和化学反应与水分之间相关性的最佳表达方式。,水分活度与温度 1,水分活度的数值随温度而改变。Aw与T之间的

3、关系可以用以下方程式表示： lnAw = -kH/R(1/T) 其中：R-气体常数；T-绝对温度 H-样品中水分的等量净吸附热。 用该式作图，则冰点以上，lnAw与绝对温度倒数呈直线关系。,水分活度与温度 2,在冰点以上，水分活度与食品中的化学成分有关，而冰点以下与此无关。因此，用水分活度大小来预测食品的性质，只有在冰点以上有效，在结冰之后则无效。,吸湿等温线,吸湿等温线：食品中水分含量（每单位质量干物质中水的质量）对Aw作图得到水分吸湿等温线。 意义：判断浓缩干燥过程中除水的难易；配料之间水分的转移；包装材料的阻湿性能；抑制微生物生长的水分含量；预测食品稳定性与水分的关系。,等温吸湿曲线的分区,曲线可以划分为三个区域： I区：以化合水为主 I、II交界：临近水或单层吸附水 II区：多层水、少量毛细管水 III区：体相水,等温吸湿曲线与水的存在状态 1,I 区：水分子和食品成分中的离子基团通过离子-偶极相互作用牢固结合。Aw在00.25之间，相当于00.07g/g干重 I、II交界：相当于单分子层吸附水，即水吸附在干物质的亲水基团周围形成单层 II区：Aw在0.20.85之间，即水在干

4、物质的亲水基团周围形成多层吸附，相当于0.070.33g/g干重,等温吸湿曲线与水的存在状态 2,II区也包括了小部分毛细管水。右边部分开始了溶解过程，使得反应物可以相遇发生作用。因此反应速度提高。 III区：Aw在0.80.99之间，所含水分仅仅是因为物理原因被截留于食品当中，属于自由水。这部分水可作为溶剂、可蒸发、可结冰，可被微生物和酶反应利用。,（1）水分活度与微生物活动的关系 各种微生物的活动都有一定的AW阈值（最低值）如： 细菌0.90   酵母0.88   霉菌0.80,水分活度与食品稳定性,（2） 水分活度与食品化学变化的关系 对淀粉老化的影响 对脂肪氧化酸败的影响 对蛋白质变性的影响 对酶促褐变的影响 对非酶褐变的影响 对水溶性色素的影响,降低水分活度的措施,第二章、碳水化合物,单糖：不能被水解的简单碳水化合物，如葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖。 寡糖：单糖聚合度10的碳水化合物（以双糖最为多见）：蔗糖、麦芽糖、乳糖、纤维二糖。 多糖：单糖聚合度10的碳水化合物：淀粉、糊精、糖原、纤维素、半纤维素及果胶等。,一、碳水化合物的分类,根据所含糖原子的数目，

5、单糖有可分为丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖。 最简单的醛糖为甘油醛，它具有一个不对称碳原子（四个取代基不同），因而有两个对映异构体，以D及L来区别。,（1）结构 多羟基醛或多羟基酮；含有手性碳原子；一般单糖含有5或6个碳原子；大多为D型。,1、 单糖,由D-甘油醛衍生出来的四、五、六碳糖，都称为D-XX糖，而与其对应，由L-甘油醛衍生出来的糖，则为L系列，天然存在的糖多为D-系列的。,单糖分子内含有-CHO 及 -OH ，所以也会在分子内发生此种反应，以己糖为例，若-CHO和第五碳上的-OH反应，则生成六元环的半缩醛，称为吡喃糖。,（2） 物理性质,甜度sweetness 旋光性rotation 溶解度solubility 吸湿性和保湿性moisture retention 结晶性crystallization 粘度和质地viscosity and texture,甜度,比甜度：受到分子结构、分子量、水中结构的影响。D-葡萄糖以型较甜，D-果糖以型较甜。 各种常用糖的比甜度比较： 果糖蔗糖=转化糖葡萄糖乳糖,旋光性,戊糖和己糖都含有手性碳原子，具有旋光性。可利用此性质鉴定单糖或二糖。 葡

6、萄糖也称为右旋糖（+52.2），果糖也称为左旋糖(-92.4)。蔗糖为+66.5，水解成果糖和葡萄糖的混合液为-19.9，因此称这种水解液为转化糖。,溶解度,糖具有多个亲水的羟基，因此具有较好溶解性。温度升高则溶解度增大。 各种糖的溶解度比较： 果糖转化糖蔗糖葡萄糖乳糖 溶解度与糖的保藏性有关。溶解度大则可更好地降低水分活度，从而达到防腐要求。,（3）单糖的化学性质,单糖的结构特点是多羟基醛或多羟基酮，其醛基、羟基功能团可发生相应的反应，如氧化和还原、缩醛化反应、成酯、成醚等。 此外，还有一些和食品性质相关的重要反应 美拉德反应 焦糖化反应,A 酸：酸性条件下，与醇反应生成糖苷 B 碱：在弱碱环境，糖会发生异构化，例：葡萄糖在弱碱性环境变为葡萄糖、果糖与甘露糖的混合物。在强碱性环境下，糖会被空气中的O2氧化生成其它复杂的混合物。 C 氧化 醛或酮糖与Tollens试剂（AgNO3-NH3）作用会产生银镜；与Benedict试剂（CuSO4、柠檬酸和Na2CO3）或Fehling试剂（CuSO4，酒石酸钾钠、NaOH）一起加热时，溶液的蓝色消失，同时生成Cu2O的砖红色沉淀。 D-葡萄糖

7、在葡萄糖氧化酶的作用下，生成D-葡萄糖酸及其内酯。 D 还原 在一定压力和催化剂镍存在下，双键加氢生成糖醇。,美拉德反应(羰胺褐变),美拉德反应：食品在油炸、焙烤等加工过程中，还原糖（主要是葡萄糖）与游离氨基酸或蛋白质分子中的氨基酸残基的游离氨基发生反应，这种反应也称羰氨反应，是非酶褐变反应的主要类型。,食品中的Maillard reaction,美拉德反应在食品中是产生色泽和香气的重要来源。 焙烤食品的红褐色、烤肉的棕红色、松花蛋的褐色、啤酒的黄色、酱类的褐色等均来自美拉德反应。,美拉德反应的机理,初期：羰胺缩合与Amadori分子重排，产物为2-氨基-2-脱氧酮糖，无色 中期：重排产物降解，脱水生成羟甲基糠醛，重排成还原酮，或发生Strecker降解反应；有色但颜色浅 末期：醇醛缩合，并进一步聚合，生成高分子黑色素。,美拉德反应的影响因素,羰基化合物的影响：戊糖己糖，己糖中半乳糖甘露糖葡萄糖。 氨基化合物的影响：胺类氨基酸蛋白质，碱性氨基酸其他氨基酸，Lys最快 反应物浓度的影响：反应速度与浓度成正比 水分活度：Aw0.60.9之间较快,美拉德反应的影响因素,pH值的影响：pH3以

8、上随pH上升而加快 温度的影响：30以上较快，温度升高褐变加快。 金属离子的影响：三价铁和二价铜催化褐变，钙离子和氨基酸沉淀而抑制褐变。 预防措施：除去糖，加入亚硫酸盐，降温，调整pH酸性，调整水分活度低于0.6,焦糖化反应(caramelization),没有氨基化合物存在的情况下，糖和糖浆加热到熔点以上时，糖发生脱水与降解，形成褐色物质的反应为焦糖化反应。 产物包括焦糖(caramel)和聚合产生的黑色素即焦糖色素。 蔗糖通常被用作制造焦糖色素和风味物。 焦糖化反应在碱性条件下加快，低水分活度加快。,焦糖色素的三种类型,1、耐酸型焦糖色素（亚硫酸氢铵催化） 2、焙烤用焦糖色素（铵法生产） 3、啤酒用焦糖色素（直接加热法生产）,2 低聚糖,聚合度10、而2，常见的为二糖。,功能：双歧因子；低热量；水溶性膳食纤维；抑制肠道腐败菌；防龋齿,环状糊精,环状糊精是一种特殊的低聚糖，它是由6，7或8个葡萄糖以-1,4键首尾相连构成的环状低聚糖。 环内具有疏水环境，环外伸展亲水基团。环内可以包容一些亲脂性小分子，改善其在水中的分散性，并减少它们在水相体系中的损失。也可以产生缓释效应。,3 多糖

9、（1）淀粉,直链淀粉和支链淀粉的性质区别,淀粉和淀粉粒,植物的淀粉粒由质体产生，呈大小、形状不同的颗粒，具有片层结构。其中充满淀粉分子。 加热前，淀粉粒为生淀粉粒。其中部分区域淀粉分子整齐排列呈晶体状态；部分区域分子松散排列为“无定形区域”。 加热后，淀粉粒松散破裂，可放出淀粉分子。,淀粉粒的基本结构模式,淀粉粒起源于质粒，由脐点开始向外生长，淀粉分子向径向分支延伸，呈现环状结构。,淀粉粒的偏振光十字纹,上图分别为玉米淀粉的偏振光显微照片和普通光学显微照片。,淀粉的化学性质,淀粉的水解 淀粉与碘的呈色反应 淀粉与小分子有机化合物的作用 淀粉与脂类的作用,淀粉的水解,淀粉可以被酶水解生成多种淀粉糖产物，包括糊精、麦芽糖、葡萄糖、不同DE值的淀粉糖浆、葡萄糖浆、氢化葡萄糖浆、果葡糖浆、环状糊精、山梨糖醇等。 DE值：dextrose equivalence，即葡萄糖当量，表示淀粉水解的程度。DE值越高，则淀粉水解程度越高。,淀粉与其他小分子物质作用,直链淀粉和支链淀粉的长分枝在水中呈现螺旋状结构。在螺旋的孔隙当中具有非极性环境，可以结合小分子物质，如低级醇等，形成“包合物”。,淀粉的糊化,淀粉在有充足水分的情况下受热，在温度上升到某一温度范围以上之后，淀粉大量吸水膨胀，晶体结构解体，失去双折光性，淀粉分子逸散，粘度急剧增加。这个过程称为淀粉的糊化。,糊化过程的微观实质,生淀粉分子之间由于氢键的结合，排列成十分紧密的束状，称为-淀粉。 淀粉粒中的束状结构松散，淀粉分子逸出，与水分子充分相互作用，这种状态的淀粉称为-淀粉。 淀粉的糊化就是淀粉从-淀粉向-淀粉转化的过程。需要克服氢键力，因此是一个吸热过程。 每一种淀粉的糊化温度不同。由于淀粉粒大小不同，糊化速度也不同，因此糊化温度是一个温度范围。,淀粉糊化的微观过程,淀粉糊化性质的影响因素,水分：水分减少则糊化温度升高。 糖：高浓度糖降低淀粉糊化速度、粘度和凝胶强度。二糖单糖 脂类和乳化剂：均可与直链淀粉形成复合物而推迟糊化过程，升高糊化温度。乳化剂可与淀粉螺旋形成包合物，阻止水分子进入淀粉颗粒，因而干扰糊化。 pH值：4-7之间影响小。低pH值使淀粉水解而降低糊化高峰的粘度。 p

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