1、 食品化学 FOOD CHEMISTRY 打开食品科学之门的钥匙第一章 绪论1.1 食品化学的概念及研究内容1.2 食品的物质属性及物质系统1.3 食品成分的理化性质及化学变化综述1.4 食品化学的发展历史及主要研究方法1.5 食品化学在食品科学中的地位及在食品工业技术发展中的作用1.6 本课程主要内容及教学要求1.1 食品化学的概念及研究内容1.1.1 食品化学的概念食品化学：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。 简言之，食品化学即是
2、研究食品的组成、结构、功能及其变化规律，从分子水平认识食品的一门科学。 目的和意义：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、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的一门综合性学科，促进食品科学全面深入发展。1.1.2 食品化学研究的基本内容一、食品化学研究的基本内容食品化学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食品物质的性质物理性质化学性质功能性质安全性质食品物质的物理和化学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色香味变化质地变化营养
3、成分组成变化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储藏配方、加工工艺与设备产品包装、转运与货架二、食品化学的主要学科分支1.按照研究范围：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2.按照食品物质类型：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、食品矿物质元素化学、调味品化学、食品风味化学、食品色素化学、食品毒物化学、食品保健成分化学三、食品化学研究的层次及主要任务1.认识各类食品成分：营养成分（水、糖、脂、氨基酸蛋白质多肽及酶、维生素、矿物质等），微量及添加成分（调味品、香味、色素、加工辅料等），保健
4、成分（多糖、食用纤维、蛋白质、黄酮类等）及以上各类成分在食品加工、贮藏过程中的次生物质；2.对各类成份进行提取、分离，表征各类成分的化学结构和理化性质；3.研究各类食品成分在食品加工过程、贮藏、运销过程中的化学变化及变化规律；4.研究食品成分的构效关系；四、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；是一门交叉性、综合性学科；2.从分子水平研究食品物质、食品物质的化学变化及食品加工、储藏技术，其认识和说明问题最为深刻；3.研究过程需要最先进的科学理论和技术，研究起点高；4.既有强烈
5、的理论和基础研究色彩，也有浓厚的应用和开发背景；5.是食品科学的一门基础性、支柱学科。1.2 食品的物质属性及物质系统1.2.1 食品中的物质一、食品中的物质构成及类型按食品物质的主要来源：食品中天然非天然无机成分有机成分添加成分污染成分水基本营养素（能维持人体正常生长发育和新陈代谢所必需的物质）天然来源的添加成分人工合成的添加成分加工中不可避免的污染成分的物质成分成分矿物质蛋白质碳水化合物脂类维生素呈色、呈味、呈香成分激素有害物质环境污染成分按在食品中的含量：食品中的物质主体构成成分少量或微量成分水、蛋白质、淀粉、纤维素、脂类填料矿物质食品添加剂维生素激素天然呈色、呈味、呈香成分次生或衍生物
6、质化学或微生物污染成分二、食品物质的特点1.多样性：食品是天然产物加工后的形式，任何一种天然产物所包含的化学物质，数量都是非常巨大的，有些已经认识或初步认识，有些尚未认识（如食品中的风味物质、功能物质等）；即使同一类型的物质，也有多种多样的分子或不同的存在形式（如糖、蛋白质等）。 2.可认识性：从化学角度讲，不管一种系统有多复杂，其各种组成成分都是可认识的，不存在神秘的物质和神秘的力量；可认识性包括：种类可认识性；结构可认识性：性质可认识性；生物功能可认识性；构效关系可认识性等。3.个体属性：任何食品成分（主要指单个化学物质）仅是食品的一个组成部分（很小），尽管它们有其自身结构、理化性质、生物
7、功能，但其不能代表食品。 4.相互作用：食品中的各类化学物质共处同一体系中，肯定存在着复杂的相互作用，这种相互作用决定食品物质的存在形式，食品的质构、品质、加工特性、安全性等多个方面。从这种角度认识食品物质，是食品化学研究领域的新课题。1.2.2 食品的物质体系 （1）对食品物质体系的简要认识 图1.1 食品物质体系形成示意图分子体系食品超分子分子集团某种分子或离子（食品成分）食品原料或食品食品物质体系（2）食品物质体系的特点 a.既可由多个同类物质分子组成，也可由多个不同类型物质分子组成；如有色物质、酶体系等均由多个同类型物质分子形成；而糖蛋白、脂蛋白、核蛋白等均由不同类型的多个分子形成；
8、b.单个分子组成多分子体系具有分子识别的特点；分子识别是生物体系中分子定向组织的过程，这个过程涉及分子种类、数目是固定的，组织形式、结合方向也是固定的； c.单个分子组成多分子体系主要通过弱键相互连接；弱键主要包括氢键、静电吸引力、范德华力、分子间堆积力等；相比共价键其结合力要弱得多； d.多分子体系的结构形式远比单个分子复杂；多分子体系的结构是多层次的，其主要内容是空间的、立体的，特别是构象，是生物分子相互结合的基础及结果，是生物活性的主要基础。生物分子或分子体系的构象是固定的，有特种形式的； e.多分子体系的理化性质、体内代谢过程及生物学功能与单个分子有较大的差别。多分子体系的形成，会影响
9、人体的消化吸收过程；会赋予食品成分一些新的性质及功能。1.3 食品成分理化性质及化学变化概述1.3.1 食品主体成分的理化性质与功能概述食品中的化学成分多种多样，各种化学成分都有其特殊的物理和化学性质，这里只简述食品主体化学成分主要的食品学特性及主要的营养功能。 水：溶剂；良好的流动性、与食品成分的亲合性及溶解性； 糖类：低糖或单糖：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（极性脂，如磷脂）；沸点高、同质多晶性（中性脂，如油脂）；溶剂、风味、起稣、抗老化等； 蛋白质：营养成分；亲水/疏水、等电点、乳化、起泡、成膜
10、、增稠等，营养、催化、保护风味等 矿物质：营养成分；具有调节水份活度、PH、离子平衡、离子强度、改善或稳定荷电生物大分子等功能；1.3.2 食品成分主要化学变化概述 一、食品原料及食品在加工储藏中的变化及影响因素原 料植 物 性生 理 成 熟后 熟衰 老动 物 性呼 吸细 胞 壁 软 化风 味 物 产 生僵 直 、 嫩 化自 溶 、 腐 败贮 藏加 工原 料 混 合细 胞 破 坏酶 促 水 解酶 促 氧 化加 热分 解 、 聚 合异 构 化 、 变 性脱 水非 酶 褐 变氧 化蛋 白 质 变 性空 气光 照辐 射氧 化光 致 变 色辐 射 分 解酸 、 碱金 属 离 子水 解 、 皂 化自 动
11、 氧 化变 色食 品包 装 、 运 输特 殊 加 工 条 件烟 熏 ： 苯 并 芘腌 制 ： 亚 硝 胺内 在 反 应仍 在 继 续外 来 微 生 物导 致 反 应图1.2 食品贮藏、加工中的化学变化类型和影响因素食品原料采收及贮藏过程中会发生诸多的化学变化，这些过程既有内部因素的影响，也有外部因素的作用；原料及加工过程中的酶促氧化和酶促水解是食品成分变化的两个主要途径，往往引起营养物消耗、质地变化、风味和色泽改变等，特别容易引起内在营养因子（如维生素等）的分解破坏。食品水份含量与食品品质有较大的关系，一般脱水会导致一些不利反应的发生，但当含水量接近单层值时，会阻止不利反应的发生，延长食品贮存
12、期。食品成分往往对光、电离辐射、金属离子等比较敏感；如牛奶长期光照会产生异味，腌制肉品或脱水蔬菜长期日照会变色或褪色；高剂量电离辐射会引起脂类 、蛋白分解变质等；金属离子是食品成分自动氧化的催化剂，还能与多酚化合物络合而产生颜色的变化。食品包装材料的选择和包装形式等也会影响内部的化学反应类型和数量；二、食品主体成分在食品加工储藏中的变化及相互关系脂类氧、加热催化剂过氧化物蛋白质氧化的蛋白质碳水化合物加热强酸强碱活泼的羰基化合物色素维生素风味物异味异常颜色丧失营养价值质地变劣中等水份活度较高的温度蛋白质图1.3 几种主要食品成分的化学变化及相互关系三、食品成分变化可能对食品加工特性及品质产生的影
13、响变化导致属性改变的类型失去溶解性、持水力生成呈味物质有色物质发生变化营养物质发生变化功能性物质发生变化产生或钝化毒物质地变硬或变软产生酸味、焦味、异味或芳香味、美味颜色产生或消失营养价值降低或生物利用性改变功能改变安全性改变表1.1 食品中物质的变化可能对食品属性产生的影响表1.2 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酶促褐变氧化水解金属反应脂类异构化脂类环化脂类聚合蛋白质变性蛋白质交联糖酶解焙烤食品表皮成色切开的水果迅速变色脂肪产生异味、维生素降解、色素褪色、蛋白营养丧失脂类、蛋白质、维生素、碳水化合物、色素等降解促使氧化反应发生，改变食品颜色脂类分子结构及生物
14、学功能发生变化脂肪酸结构改变深锅油炸中油起泡沫卵清凝固、酶失活在碱性条件下加工蛋白质使营养降低宰后动物组织和采后植物组织的无氧呼吸表1.3 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多糖水解脂类氧化水果破碎绿色蔬菜加热肌肉组织加热脂类异构化游离脂肪酸与蛋白质反应糖与蛋白质反应氧化产物与其他成分反应酶解、氧化反应物质流失蛋白质变性凝聚、酶失活异构化产物进一步聚合质地、风味、营养价值改变质地、风味、颜色、营养改变除上变化外还可能产生毒物质地、风味、颜色、营养改变质地、风味、颜色、营养改变质地、风味、颜色、营养改变油炸过度时起泡沫，油脂的营养价值降低1.4 食品化学的发
15、展历史及主要研究方法1.4.1 食品化学发展的几个主要阶段 早期研究：18世纪中后期19世纪早期，在食品化学研究方面主要做了三个方面的奠基工作。首先，以Carl Wilhelm Scheeie(瑞典）、William Beaumout(美国）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；如Carl Wilhelm Scheeie从柠檬汁中分离得到了柠檬酸（1784年）、从苹果中分离得到了苹果酸（1784年）并检测了20中普通水果中柠檬酸和苹果酸的存在和含量。其次，以Anotoine Laurent Lavoisier(法国）、Jons Jacob Berzeli
16、us(瑞典）等为代表得化学家建立了有机元素分析理论和方法，对2000多种天然化合物的元素组成进行了测定；再其次，以Anotoine Lavoisier(法国）、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。发展阶段：19世纪中后期，以Arthur Hill Hassall(英国）为代表的化学家建立了精确的微观分析方法，推动了对食品成分认识的进程；德国的W Hanneberg和F Stohman（1860年）发明了一种用来常规测定食品中主要成分的方法，即先将某一样品分为几部分，以便测定其中的水分、粗脂肪、灰分和氮，将含氮量乘
17、以6.25即得蛋白质含量；然后相继用稀酸和稀碱消化样品，得到的残渣被称为粗纤维，除去蛋白质、脂肪、灰分和粗纤维后的剩余部分称为“无氮提取物”。Jean Baptiste Dumans(1871年）根据大量的研究，提出了仅由蛋白质、碳水化合物和脂肪组成的膳食不足维持人类的生命。以美国的W Hanneberg、Justin Smith Morrill等为代表的科学家在反对食品掺假、制定食品标准方面做了大量的工作并通过了一系列法律。成熟阶段：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，大部分的食品物质组成已为化学家、生物学家和营养医学家的研究所探明，为食品化学学科的建立积累了大量的
18、素材；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、风味化学等分支学科的崛起，为系统的食品化学学科的建立奠定了坚实的基础；同时，在20世纪3050年代，具有世界影响的J. Food Agric., 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。现代阶段：近年来，食品化学的研究领域更加拓宽，研究手段日趋现代化，研究成果的应用周期越来越短。现代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、食品材料的改性、食品
19、快速分析方法、高新分离技术、新型包装技术和材料、现代储藏保鲜技术，新食源、新工艺和新添加剂等研究方向发展。食品化学已成为食品科学各专业的主要基础课程之一，对食品工业的发展产生着非常重要的影响。1.4.2 食品化学研究的基本方法和途径对象确定模型设计由于实际对象和实验模型之间的差别，结果的推广一定要注意。理化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影响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最佳的食品加工储藏方法合理的原料配比反应物接触屏障的建立适当的保护或催化措施最佳反
20、应条件的确定最佳储藏条件的确定食品化学研究和一般化学研究的区别：食品化学研究是把食品的化学组成、理化性质及变化的研究同食品的品质和安全性研究联系起来，因此从实验设计开始，食品化学的研究就带有揭示食品品质或安全性变化的目的，并且把实际的食品体系和主要食品加工工艺条件作为实验设计的重要依据。由食品化学一般研究方法可以看出，食品化学的研究主要围绕提高食品质量，保证食品的安全、卫生而开展。随着食品科学的发展，特别是功能食品和绿色食品的出现及现代食品理念的变化，食品化学工作者的研究范围不断扩展。从目前情况看，食品化学研究的方法除了保证食品质量和安全性外，还包括以下方面： 1.配合功能食品的开发，在功能因
21、子的寻找和开发开展工作 2.作研究的范围越来越宽，除了传统的食品原料和食品外，将目光已经投向更多的野生植物、动物和微生物，以求找到更多的食品资源或食用功能物质。我国要用植物及其成分在食品中的应用就是一个很重要的方面。 3.食品化学工作者已经不再局限于分析、分离食品成分，研究这些成分的理化性质，在食品成分生理活性、体内过程、毒副作用乃至利用生物工程进行食品成分生产方面也开始投入大量的精力。1.5 食品化学在食品科学中的地位及在食品工业技术发展中的作用1.5.1 食品化学与食品科学研究和发展的关系食品化学食品加工食品贮藏食品营养食品安全与卫生食品检测食品添加剂功能及绿色食品开发通过研究食品有效成分
22、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通过研究不同贮藏条件下对食品成分、质构的影响，不断探索开发新的贮藏手段和技术通过研究食品成分的理化性质，结合生物化学研究，可为食品营养研究提供基本数据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的前提条件食品化学与食品质量检测和食品标准制定有更加直接的关系化学合成和提取分离手段是食品添加剂研究最直接的动力食品功能因子的表征、开发、先进检测手段是新型食品开发的坚实基础图1.4 食品化学和食品科学诸研究领域的关系食品化学对食品科学研究及发展的意义：1.可以促使食品科学工作这从分子水平去认识食品原料、食品加工与
23、贮藏、各类食品加工技术应用的本质，使各项研究更加深入；2.可以促使食品工作者不断更新加工工艺，生产出更加安全、卫生、营养价值更高的食品；3.可以促使食品科学由定性逐渐走向定量，科学说明各种食品的物质组成，制定更加合理先进的食品标准；4.可以促使食品工业加速利用生物工程技术和各种先进的加工技术，促进食品工业更新换代；5.可以促使食品科学不断发展，促进新的、营养价值更高、功能更加独特的食品，以满足不同层次和不同人群的需要。1.5.2 食品化学在食品工业技术发展中的作用表1.4 食品化学对食品行业技术进步的影响食品工业各领域食品化学研究成果对食品加工储藏技术的影响果蔬加工储藏肉品加工储藏饮料工业乳品
24、工业焙烤工业食用油脂工业调味品工业发酵食品工业基础食品工业食品检验化学去皮，护色，质构控制，维生素保留，脱涩脱苦，化学保鲜，气调储藏，活性包装，酶法榨汁，过滤、澄清及化学防腐宰后处理，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，高效膨松剂，增加酥脆性，改善面包的质构及呈色，防止老化。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
25、食品吸油量等。肉味汤料，核苷酸鲜味剂，碘盐和有机硒盐等。发酵产品的后处理，后发酵期间的风味变化，综合利用等。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，新型低聚糖，改性油脂，植物蛋白，功能性肽，功能性多糖，添加剂，新资源等。检验标准的制定，快速分析，生物传感器研制等。食品研究领域过去的状况现在的状况食品配方工艺开发食品控制加工和储藏变化开发食品资源深加工依靠经验确定依据传统、经验和粗放小试依靠传统和感觉盲目开发依据经验，尝试性简单控制盲目甚至破坏性的开发规模小、浪费大、效益低依据原料组成、性质分析的理性设计依据原料及同类产品组成、特性分析，利用优
26、化理论设计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。依据变化机理，科学地控制科学地、综合地开发新资源规模增大，范围拓宽、浪费小、效益提高表1.5 食品化学研究成果在推动食品工业发展中的作用食品科学和工程领域的许多新技术，如可降解包装材料、生物技术、微波加工技术、辐射保鲜技术、超临界萃取和分子蒸馏技术、膜分离技术、微胶囊技术等的建立和应用依然有赖于对物质结构、物性和变化的把握。由上边分析可以看出，食品化学研究的领域已经延伸到食品工业的各个方面，其影响的范围及程度也愈日剧增。可以这样说，没有食品化学的理论指导就不可能有日益发展的现代食品工业。1.5 本课程主要内容及教学要求一、时间
27、安排：本学期20周，上课18周，计划周学时3，共54学时；其中“五一”假期耽误4学时，其中实验10学时，上课共40学时。二、内容安排：共安排讲授11章；主要讨论食品化学的基本内容，其中包括：各类食品成分的结构、名称、物理和化学性质、营养学价值及在食品加工、贮藏、运销过程中的变化，借此从分子水平理解食品的组成、功能、加工工艺、贮藏技术等的本质。为了降低本门课程的学习难度，拟补充一些化学特别是有机化学知识。结合食品科学的发展，拟介绍性的补充一些有关功能食品、食品资源开发等方面的内容。三、教学要求：1.发挥学习的积极性和主动性，通过大量阅读课外资料，促进课程学习；2.掌握教学特点3.遵守学习纪律本章
28、思考及练习题：1.什么是食品化学？食品化学研究的主要内容是什么？2.就你对化学、食品及生物体系的理解，简单说明化学物质的可认识性和生命物质体系的复杂性。3.从发展历史看，食品化学研究是由什么起步的？最重要的工作是哪些？那类人在食品化学发展中发挥了决定性的作用？4.人体六大营养要素是什么？在这六大类物质中，哪些属于无机化合物，哪些属于有机化合物？在自然界中，哪些类型的营养物质其分子种类最多，结构最复杂？5.试简述单糖、氨基酸的结构特点。6.教材中叙述食品成分的理化性质和功能，涉及到多少类型的食品成分？所讨论的功能主要是什么？这些功能是在何种体系中发挥的？7.就你了解，食品中的糖类化合物主要有哪些类型？这些类型的糖类分子中包含哪些官能团？这些官能团通常会发生哪些化学反应？8.由教材中，你可以了解到食品化学的发展趋势是什么？9.食品化学的研究方法有何特色？10.在近代食品工业中，哪些加工技术在食品科学研究和食品生产中获得了应用？11.用你的语言，简述食品化学和食品科学诸多学科之间的关系。12.试写出下列食品成分的分子式： 乳酸 葡萄糖 硬脂酸 苹果酸 柠檬酸 油酸 丙酮酸 酒石酸 小苏打 谷氨酸 果糖 蔗糖
