食品化学word版1Word格式文档下载.docx
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1、食品化学对食品科学研究及发展的意义
2、食品化学与食品科学研究和发展的关系
3、食品化学研究成果在推动食品工业发展中的作用
4、食品化学在食品工业技术发展中的作用
第二章水和冰
§
2.1水和冰的结构
一、水和冰的物理常数
参见书中10页
二、水的结构
1、单分子水的结构
2、液态水的结构
三、冰的结构
1、结构
2、溶质对冰晶结构的影响
（1）水的冰点为0℃，但纯水并不在0℃就结冻
影响晶核形成的因素：
（a）外加晶核；
（b）搅拌；
（c）低浓度蛋白质
（2）食品中含有一定水溶性成分，可使食品的结冰温度（冻结点）降低
小结：
总结本节主要内容
§
2.2食品中水的存在形式
一、水的存在形式
水是维持动、植物和人类生存必不可少的物质之一。
水的生理功用如下：
1、
水的溶解力很强，食物中各种无机及有机物质都很容易溶于水中，即使不溶于水的物质如脂肪和某些蛋白质，也能在适当条件下分散于水中，成为乳浊液或胶体溶液。
2、
水是体内各种物质运输的载体。
3、
水的比热及蒸发潜热大，能使生物体温维持恒定。
4、
水是体内关节、肌肉等摩擦的润滑剂，食物吞咽需水的帮助。
食品的含水量除谷物和豆类等种子外（1216％），一般都比较高（6090％），水是食物各种组分中数量最多的组分。
如：
蔬菜8597％
蛋类7375％
水果8090％
乳类8789％
鱼类6781％
猪肉4359％
食品的含水量与其风味及腐败和发霉等现象有极大关系，如香肠的口味就与其吸水、持水情况关系很大，而含水多的食物都容易发霉、腐败。
此外，食品中水分含量的变化也常引起食品的物理性质发生变化，如面包和饼类烘烤后变硬就不仅是失水干燥；
而且也是水分含量的变化，使得淀粉结构发生变化的结果。
根据水在食品中与非水物质的结合程度分为：
构成水、邻近水、多层水、体相水。
二、自由水与结合水
自由水、结合水的概念及自由水与结合水的区别。
虽然食品中含有大量水分，但在切开它们时一般都不会流出水来，这表明，食品中含的水有二种，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着而不能自由运动的结合水，结合水的性质与普通水的不同：
它的冰点为－40C
它没有溶剂作用
食物中的微生物孢子不能利用结合水进行发芽和繁殖，因而，只要从食品中除去自由水，就可使食品安全地保藏。
食品的含水量，是指其中自由水与结合水的总和。
三、水和溶质的相互作用
1、水与离子或离子基团的相互作用
2、水与具有形成氢键能力的中性基团的相互作用
3、水与非极性物质的相互作用
2.3水分活度（Aw）
一、水分活度
新鲜或干燥食品中的含水量，都随环境条件的变动而变化。
如果食品周围环境的空气干燥，湿度低，则水分会从食品向空气中蒸发，水分逐渐减少而干燥，反之，如环境湿度高，则干燥的食品就会吸湿,使得水分增多。
当食品所吸收的水量等于从食品中蒸发的水量时，食品的水分含量就不再发生变化，我们把此时的水分称为平衡水分。
但当环境条件发生变化，则这种蒸发与吸湿的平衡就又被打破，直到建立起新的平衡。
也就是说，食品中的水分并不是静止的，而是处于一种活动的状态，因此，食品的含水量除了用％表示外，还可用水分活性AW来表示。
其定义为食品所显示的水蒸汽压P对在同一温度下纯水的蒸汽压P0之比:
Aw=P/Po
水分子会从水中蒸发跑到空气中成为气体，即水蒸汽，而气体都有一定压力，水蒸汽的压力就称为水蒸汽压，一般食品不仅含有水，而且含有蛋白质，淀粉等固形物，所以它的水相对地就比纯水少，故其水蒸汽压也就小，即一般有P＜P0，所以AW值皆小于1。
例如，鱼和水果等含水量高的食品，其AW值为0.980.99，都比较大，而米和大豆等水分少的干燥食品，其AW值就较小，为0.600.64。
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
故在讨论食品保藏等问题时，常用活度的概念而不用％来表示水分含量。
二、水分活度与温度及非水物的关系
食品中非水成分越多，并且非水成分与水结合越强，则K值会越大，在温度不变的条件下，Aw值就越小。
反过来，在非水成分及非水成分与水结合形成基本不变的条件下，温度越高，Aw值就越大。
冰点以下Aw=P/Po
其中P：
纯冰在相同温度下的蒸汽压。
Po：
过冷水的蒸汽压。
高于和低于冻结温度下的Aw的区别
三、等温吸湿曲线
在恒定温度下，食品的水含量与它的水分活度之间的关系图称为等温吸湿曲线（MSI）。
大多数食品的MSI呈S形。
MSI上不同区水分特性
四、水分活度与食品稳定性的关系
1、水分活度与微生物生长繁殖的关系
2、水分活度与生物反应的关系
（1）酶促反应与Aw的关系
（2）脂类氧化反应与Aw的关系
（3）美拉德反应、维生素B1降解与Aw的关系
3、Aw对干燥和半干燥食品的质构影响
2.4冰点以下和冰对食品稳定性的影响
凝胶食品和具有细胞结构的食品在冷冻时可产生两个重要的不利后果：
（1）由于结冰使非冻结相中的非水组分浓度增大。
（2）转变成冰的所有水的体积增加9%。
冻结浓缩效应
冰冻对反应速度具有两个相反方向的作用：
就低温而言将减慢反应速度；
就冻结浓缩而言将加快反应速度。
第三章碳水化合物
3.1单糖
一、单糖的种类和结构
1、种类：
四碳糖、五碳糖、六碳糖、
2、结构：
呋喃环、吡喃环；
D型、L型
单糖根据羰基类型可分为醛糖和酮糖两大类。
单糖的衍生物有糖醇、醇糖酸、糖醛酸及糖酸等。
根据所含糖原子的数目，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。
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。
普通的醛会形成半缩醛、缩醛：
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。
果糖的>
C=O与第五碳上的-OH反应，生成五元环的半缩醛，称为呋喃糖。
这种环状结构，称为Haworth结构式，糖一般以环状形式存在。
环的生成使羰基变为手性碳，因而产生了两个异构体，它们的差别只在于链端手性碳构型的不同，分别称为α-和β-型。
这是由变旋光现象而发现的。
新配制的单糖溶液在放置时，其比旋光度会逐渐增加或减少，最后达到一个恒定的数值。
如，葡萄糖配成水溶液，其比旋光度是+112.2°
，但放置若干天后就降低至+52.7°
，这是因为普通葡萄糖晶体为α-D-吡喃葡萄糖，当它溶解于水时，一部分分子通过开链结构逐渐变为β-D-葡萄糖，最后达到动态平衡。
由于α-和β-异构体的比旋光度不一样，所以溶液的旋光度逐渐减小，最后达到相当于平衡混合物的恒定数值。
+112.2°
+17.5
含量
36%
0.5%
64%
52.7
新形成的-OH称为半缩醛-OH，具有强的反应性，它易与其它羟基化合物反应，形成缩醛，称为苷。
吡喃型葡萄糖具有椅式构象，体积大的-OH尽量处于平伏键上，如：
β-D-葡萄糖
2、反应
⑴酸：
稀酸无影响，而和强酸共热则会生成糠醛，糠醛和各种酚有显色反应，这可用于糖的定性和定量检测
⑵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。
⑶氧化
①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。
能与这些试剂发生反应的糖叫还原糖，还原糖分子中必定有半缩醛羟基，它能变为链状结构，即有-CHO或>
C=O，而不与这些试剂反应的糖为非还原糖，其分子中无半缩醛羟基。
如苷中就没有半缩醛-OH，所以它在碱性不能被氧化。
Tollens试剂、Fehling试剂和Benedict试剂通常用于糖的检验测定，由于这些反应的产物很复杂，它们无合成价值。
②醛糖与弱氧化剂（碱性溴水）反应生成醇糖酸，与强氧化剂（热HNO3）反应得糖酸。
⑷成脎反应
单糖与苯肼（C6H5NHNH2）作用生成脎
糖脎都是不溶于水的黄色晶体，不同的糖所生成的脎晶形不同，在反应中生成的速度也不同，据此可鉴定糖的种类。
⑸作为醇的反应：
除进行醚化生成苷外，单糖能与酸反应生成酯，己糖和戊糖的磷酸酯是生物体中糖代谢的中间体。
3、天然存在的主要单糖
天然存在的主要单糖有戊糖及己糖
（1）戊糖
戊糖多作为多糖成分或核酸成分存在，游离状态甚少。
如D-木糖，L-阿拉伯糖是大豆脂多糖的主要构成糖。
（A）D-木糖
存在于木材、稻草杆等的半纤维素中。
（B）L-阿拉伯糖
多在果汁和胶质的半纤维素中与果胶质共存。
（C）
D-核糖和D-脱氧核糖
D-核糖
D-脱氧核糖
D-核糖和D-脱氧核糖分别为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）的成分。
⑵己糖
（1）
D-葡萄糖：
以结合核游离的形式广泛存在于自然界，游离态多存在于水果中，淀粉、糖原、纤维素，葡聚糖等碳水化合物都是D-葡萄糖的聚合物。
（2）
D-果糖：
广泛存在于自然界，游离型多存在于水果中。
寡糖的蔗糖、棉子糖、蜜二糖中均有存在，菊粉是D-果糖的聚合物。
果糖的甜度在糖类中最大。
在工业上，常利用异构酶把葡
萄糖异构化为果糖来代替蔗糖。
（3）
半乳糖：
没有游离型，存在于乳糖和棉子糖中。
（4）
D-甘露糖：
它是魔芋甘露聚糖的成分。
4、糖苷
单糖分子中的半缩醛羟基与醇或其它分子的羟基缩合生成的缩醛称为糖苷。
糖苷中的非糖部分称为糖苷配基（又叫苷元，配糖体），糖有α-及β-型。
所以糖苷也有α-及β-型。
在苷分子中不再含有半缩醛-OH，因此苷没有变旋光现象，也没有还原性，它在碱性稳定，但在酸性溶液中很易水解。
苷在自然界中分布很广，许多植物色素、生物碱等都是苷。
动物、微生物体中也有许多苷类物质。
二、单糖的异构化、复合和氧化还原反应
1、异构化
环式单糖在水溶液中可发生端基异构化现象，这种转化经过开环式中间体实现，且常伴随变旋现象。
酸或碱的存在可使变旋速度大大加快。
当酸或碱的浓度超过还原糖变旋现象所要求的浓度时，糖便发生烯醇化。
2、氧化和还原
3、复合
3.2低聚糖
一、种类和结构
蔗糖、麦芽糖、乳糖等
2－10个单糖聚合成而成（糖苷健）
聚合度≤10、而≥2的多糖，常见的为二糖。
蔗糖
在水果、花、种子等植物中广为存在，工业上由甘蔗或甜菜制备。
甜味较强，为常用的甜味剂。
蔗糖是一种苷，分子中没有半缩醛-OH，因而无还原性。
它在酸或转化酶作用下，水解为D-葡萄糖和果糖：
通常把上述变化称为蔗糖的转化，其生成物称为转化糖。
2、
麦芽糖
以麦芽中含量最多，故而得名。
淀粉和糖原在淀粉酶作用下，生成麦芽糖。
它是饴糖的主成分。
它分子中有半缩醛-OH，因而有还原性。
3、
乳糖
仅存在于哺乳动物的乳中，故而得名。
是半乳糖和葡萄糖用β-1，4-半乳糖苷键结合而得。
糖的甜度
甜度：
果糖>
蔗糖>
葡萄糖>
麦芽糖>
半乳糖>
乳糖。
即使同一种糖，其α-型和β-型的甜度也不同。
葡萄糖的α-比β-型甜1.5倍。
通常，葡萄糖的结晶为α-型。
在溶液中α
β平衡时，α：
β=1：
1.7，所以溶解后时间越长，甜度就越低。
此平衡受温度的影响很小，故冷和热葡萄糖液的甜味几乎无变化。
果糖β-型的甜度为α-型的3倍。
普通的结晶为β-型，溶液中α
β的平衡随浓度和温度而异，如：
10%果糖液，0℃下α：
β=3：
7，80℃下为7：
3，且浓度高则β多，因此，在低温下，浓液甜。
蔗糖是糖苷-OH相互结合的二糖，无半缩醛-OH，溶液没有α
β变化，甜味也不随时间变化。
二、低聚糖的水解反应及糖的性质随聚合度的变化
1、水解反应
2、糖的性质随聚合度的变化
3.3小分子糖的热分解和美拉德反应
一、糖的热分解
1、脱水反应
2、降解反应
（1）C—C键断裂
（2）C—C键不断裂a.端基异构化
b.差向异构化
c.苷基转移
二、非酶褐变
（一）焦糖化反应
1、焦糖的形成
2、制备方法
3、焦糖化反应产生色素的过程
4、影响因素
5、商业上生产的焦糖色素
（二）美拉德反应（Maillard）
1、机理
（1）初期阶段
（2）中期阶段
（3）最终阶段
2、影响羰氨反应的因素
（1）糖和氨基化合物的结构
（2）温度
（3）氧含量
（4）水分含量
（5）pH值
（6）金属离子
防止美拉德反应发生方法
3、控制美拉德反应的意义
3.4小分子糖的食品工艺特性
一、小分子糖与水作用而控制水分的特性
1、吸湿性和保湿性
碳水化合物含许多亲水性羟基，可通过氢键与水作用。
碳水化合物结合水的能力常被称作吸湿性和保湿性。
吸湿性：
是指在环境湿度较高的情况下吸收水分的性质。
保湿性：
是指在环境湿度较低的情况下保持水分的性质。
不同种类的糖吸湿性不同。
不纯的糖、糖浆比纯糖吸附更多的水，且吸附速度更快。
不同种类的食品对于糖吸湿性和保湿性的要求不同。
2、提高渗透压以防腐
3、冰点降低
糖溶液冰点降低的程度取决于其浓度和分子量大小。
淀粉糖浆降低冰点的程度因转化程度不同而不同。
混合使用淀粉糖浆和蔗糖，冰点降低少。
二、结晶性
1、不同种类的糖结晶性不同
蔗糖易结晶，且晶体较大；
葡萄糖也易结晶，但晶体细小；
转化糖、果糖难结晶。
淀粉糖浆（葡萄糖、低聚糖和糊精的混合物）不能结晶，但能防止蔗糖结晶。
2、小分子糖类的结晶有时会影响食品性状
3、利用蔗糖与风味物共结晶（微胶囊技术），提高风味物的储藏稳定性。
三、其他功能性质
1、粘度
2、增塑性
3、抗氧化性
3.5多糖
一、多糖的种类和结构
1、淀粉
2、纤维素
3、半纤维素
4、果胶物质
5、多糖胶
（一）分类：
为聚合度≥10的单糖的高聚物，广泛存在于动植物及微生物中。
多糖中的纤维素、半纤维素、果胶、壳质、硫酸软膏素等，主要起细胞的支撑（骨骼）作用；
淀粉、糖原、菊粉等起能的贮藏作用。
而粘质多糖等起保护、润滑、离子固定、防冻等作用。
加水分解仅产生糖类的称单纯多糖，若还生成糖以外的成份称复合多糖。
由一种单糖组成的称均一多糖。
否则称非均一多糖。
通常天然多糖的聚合度为100---1000。
纤维素
是自然界中存在最多的多糖，是植物的主成分，它由木材用热碱抽提，除去木素和半纤维素而得，它是D-葡萄糖以β-1，4苷键结合而得，呈直链。
聚合度为3000---6000。
由于它不溶于水，故酶不易与之作用，用菌类、细菌等软体动物具有的纤维素酶可将其分解为葡萄糖和寡糖。
人没有纤维素酶，不能消化纤维素作为能源，但纤维素有防止便秘的作用，而一些草食动物（牛、马、羊等）的消化道中含有纤维素酶，可以消化纤维素为D-葡萄糖。
纤维素不显示还原性，水解也很困难，需要浓酸或稀酸在加压下长时期加热才能水解。
纤维素的羧甲基衍生物（CMC）易溶于水，有粘性，其钠盐可在食品工业中作增稠剂。
n=100-200
淀粉
结构
广泛分布于植物的根、茎、种子中，其贮藏能的作用，构成淀粉的糖，几乎都是D-葡萄糖，淀粉有两种，仅以α-1，4-苷键结合、构成直链状的叫直链淀粉，而以α-1，4-苷键结合为主，并有α-1，6-苷键结合、且在此处分枝的叫支链淀粉。
直链淀粉
支链淀粉
普通淀粉由15∽30%直链淀粉，70∽85%支链淀粉组成，糯米则几乎全由支链淀粉组成。
一般直链淀粉的聚合度为数百∽数千，而支链淀粉为数万，支链的平均链长为20∽25个葡萄糖单位。
淀粉粒的显微形态呈卵形、球形或不规则形，依植物种类而异如：
1
2
1、玉米
2、马铃薯
3、稻米
4、小麦
二、水解和改性
（一）多糖的水解
1、酶促淀粉的水解
2、酶促纤维素的水解
3、酶促半纤维素的水解
4、酶促果胶的水解
5、酸、碱下多糖的水解
（二）多糖的改性
1、改性淀粉
2、改性纤维素
三、多糖的工艺特性
（一）多糖的结构与功能的关系
多糖含有大量羟基，羟基可与水分子形成氢键，使糖溶于水中。
多糖是完全均匀的直链分子，则多糖分子大部分链段相互紧密结合（结晶区形成），使多糖不溶于水，且性质稳定。
线性多糖（呈螺旋）其链之间不能很好地结合（无定形区形成），糖基与水易于形成氢键，因此无定形区是高度水化的。
分子相互缔合成三维网状结构，水分散于整个结构中，就形成凝胶。
具支链的分子或杂多糖由于不能很好地相互结合，阻止了结合区的形成，则不能形成凝胶。
通过交联能形成多糖凝胶。
（二）淀粉的工艺特性
1、淀粉的糊化
淀粉在受热条件下吸水膨胀转变为胶体状态的变化——淀粉糊化。
糊化后的淀粉称为α-淀粉。
未糊化的淀粉和结晶淀粉称为β-淀粉。
1）淀粉糊化阶段
2）影响淀粉糊化的条件
2、淀粉的老化
糊化后的α-淀粉缓慢冷却或长期放置后会变得不透明，甚至凝结出现沉淀的现象——淀粉老化。
影响淀粉老化的条件
3、淀粉的凝胶化
4、淀粉粘度曲线
糖原
是存在于动物体内的碳水化合物，又称动物淀粉。
其结构类似于支链淀粉，但分支更多，分子也更大。
菊糖
菊糖大量存在于菊科植物，它溶于水，加酒精便由水中析出，加酸水解成果糖及少量葡萄糖。
5、魔芋甘露聚糖
存在于魔芋块根中，为葡甘露聚糖，其中甘露糖：
葡萄糖=2：
1至3：
2，小肠内没有此糖的分解酶，故几乎不能用作能源，因而称魔芋豆腐为减肥食品。
6、果胶质
果胶质存在于植物的果实、茎、块茎等细胞隙中，它是D-吡喃半乳糖醛酸以α-1，4-苷键结合的长链，通常以部分甲酯化状态存在，结构式如下：
果胶质一般有三种形态
⑴原果胶：
与纤维素结合在一起的甲酯化聚半乳糖醛酸苷链，不溶于水，水解后生成果胶，存在于细胞壁中。
⑵果胶：
羧基不同程度甲酯化的聚半乳糖醛酸苷链，存在于植物汁液中，溶于水，其中甲氧基含量>
7%的称高甲氧基果胶，7%以下的为低甲氧基果胶。
⑶果胶酸：
几乎完全不含甲氧基的聚半乳糖醛酸，溶于水。
未成熟的果实细胞间含有大量原果胶，因而组织坚硬，随着成熟的进程，原果胶在聚半乳糖醛酸酶和果胶酯酶作用下，水解成分子量较小的可溶于水的果胶，并与纤维素分离，渗入细胞液中，果实组织就变软而有弹性。
若进一步水解，则果胶进一步失去甲氧基并降低分子量形成果胶酸，由于果胶酸不具粘性，果实就变成软疡的过熟状态。
果胶是亲水性的胶状物，其中高甲氧基果胶，在酸性（PH2.0∽3.5）、蔗糖含量60∽65%的条件下有凝固成凝胶的性质，而低甲氧基果胶与糖、酸即使比例恰当也难以形成凝胶，但它在Ca2+作用下可形成凝胶，食品工业中利用它们的凝胶性将其用于果酱、果冻等食品的制作。
7、植物胶质
为结构复杂的多糖，食品工业中用其作增稠剂、凝冻剂、固香剂、乳化剂、泡沫稳定剂、浊度稳定剂等，按其来源可分为三类：
8、微生物多糖
许多微生物在生长过程中产生一些胶质的多糖，其中一些已用于食品工业及医疗上，如右旋糖酐、黄杆菌胶、茁霉胶及环状糊精等，它们被用作稳定剂、乳化剂、增稠剂、悬浮剂、泡沫稳定剂、成型助剂等。
环糊精是6-8个葡萄糖以α-1，4-苷键结合的环状寡糖。
聚合度6、7、8，依次称为α-，β-及γ-环糊精，环糊精的环内侧相对地比外侧憎水，当溶液中有亲水和憎水性物质共存时，憎水性物质会被环内的憎水性基团吸引而形成包接物。
利用这一性质，可以使油质化合物在水中成为
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