专业基础1-2007.ppt
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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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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,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
8、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
9、-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
10、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-葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下,生成
11、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
12、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(c
13、aramelization),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
14、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 (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
15、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
16、,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
17、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。 pH值为10,淀粉肿胀速度增加。,淀粉的老化回生和凝胶,经过糊化的淀粉冷却至室温之后,会失去原有的柔软透明状态,发生沉淀或变得干硬,或形成胶冻状结构。前者称为老化回生(retrogradation or staling),后者称为凝胶(gelatinization)。 老化回生是糊化的逆反过程,但不能完全恢复到糊化之前的状态。 老化回生后的淀粉不易被淀粉酶分解,因而不易消化
18、吸收。,淀粉老化和凝胶的机制,淀粉老化的影响因素,直链淀粉的含量:直链淀粉含量愈高愈易于发生老化。 温度:最佳老化温度为24,60 以上或 0以下不易发生老化。 含水量:含水量3060%时最容易老化。含水低于10%或在大量水中不易老化,第三章、蛋白质,一、 蛋白质的结构 1、 一级结构 蛋白质是由20多种氨基酸以肽键相连而成的高分子化合物。 所谓肽键是指一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基之间缩水而形成的酰胺键。此反应产物称为肽。 由两个氨基酸组成的肽称为二肽,二肽中的游离氨基和羧基又可与另外的氨基酸的氨基及羧基作用,形成三肽、四肽、以至高分子多肽。,氨基酸按一定的顺序以肽键相联形成的多肽链称
19、为蛋白质的一级结构。,2 二级结构 肽链中的羧基会与位置合适的氨基形成氢键,从而使肽链不是完全伸展的直链,而是成为螺旋形或-片层形。 其中型为同一多肽链内的结合,而型为不同肽链的结合。,-螺旋,3、 三级结构 多肽链在二级结构的基础上进一步折迭和扭曲,成为球形的紧密结构,这就是蛋白质的三级结构。 多肽链的侧链,即氨基酸中的R基团间的相互作用、盐键、氢键等是稳定蛋白质三级结构的主要因素。,4、 四级结构 几条多肽链在三级结构的基础上缔结在一起,即蛋白质的四级结构(寡聚体),其组成单位成为蛋白质亚基。 并非所有的蛋白质分子都有四级结构。,二、蛋白质的变性,概念:当蛋白质受到热或受到其它物理及化学作
20、用时,其特有的结构会发生变化,使其性质也随之发生改变,如溶解度降低,对酶水解的敏感度提高,失去生理活性等,这种现象称为变性作用。变性并不是蛋白质发生分解,而仅仅是蛋白质的二、三、四级结构发生变化。 引起蛋白质变性的条件若延续时间不长或条件不太强烈,蛋白质变性就成为不可逆,一般可逆变性只涉及蛋白质的三、四级结构,而不可逆变性则连二级结构也发生了变化。,(1)热致变性 蛋清在加热时凝固,瘦肉在烹调时收缩变硬等都是蛋白的热变性作用引起的。蛋白质受热变性后对酶水解的敏感度提高,所以,我们不吃生肉而吃熟肉,消化率更高,热力杀菌也是利用了蛋白质的变性。 (2) 酸碱的作用 酸或碱也能引起蛋白质的变性,水果
21、罐头杀菌所采用的温度一般较蔬菜罐头来得低,这和水果罐头中含有的有机酸较多,加热时容易引起细菌蛋白质变性有关。 (3)其它因素 冷冻、搅拌、高压、辐照、超声波等物理处理;化学上为乙醇、丙酮、生物碱、重金属盐等。 做鸡蛋糕,把蛋液搅拌至发泡、辐照灭菌等都是利用了蛋白质的变性。,三、蛋白质的等电点,蛋白质分子中含有一些带可离子化基团的氨基酸残基,在中性pH时,蛋白质分子所带净的负电荷或净的正电荷取决于分子中带负电荷或正电荷残基的相对数目。蛋白质分子净电荷为零时的pH被定义为蛋白质的等电点(pI)。 pI时,蛋白质的正负电荷数目相等,吸引和排斥的静电力达到平衡,蛋白质分子结构最稳定。,蛋白质改性,1、
22、蛋白质化学改性 酸或碱有限水解 磷酸化 酰基化 2、蛋白质酶法改性 蛋白酶水解 蛋白质交联,5 蛋白质在食品中的功能性质,水合性质(吸水和保水、湿润性、膨胀性、粘合性、分散性、溶解度) 蛋白质-蛋白质相互作用有关的性质(沉淀、胶凝、面团) 表面性质(乳化作用、起泡),蛋白质水合性质,pH值:影响蛋白质分子的解离和带电,温度: 温度升高氢键作用和离子基团水合作用减弱,因此蛋白质结合水的能力随温度升高而降低,离子浓度和种类的影响 低盐浓度盐溶作用 高盐浓度盐析作用 食品中常用盐: NaCL:离子与蛋白质分子中电荷作用,降低分子内静电吸引 H3PO4:结合蛋白质分子中的二价正离子 ,增加负离子数,蛋
23、白质的胶凝作用,缔合:蛋白质亚单位或分子水平上的变化 聚合或聚集:大的复合物生成 沉淀:蛋白质溶解性部分或全部丧失的聚集反应 絮凝:蛋白质未变性时的无规则聚集 胶凝:变性的蛋白质分子聚集并形成有序的蛋白质网络结构,蛋白质形成的凝胶类型,蛋白质蛋白质与蛋白质水相互作用及临近肽链之间的吸引力和排斥力达到平衡时形成凝胶。 热可逆凝胶:加热后冷却形成凝胶 加热形成凝胶: 二价金属盐如钙盐形成凝胶 部分水解或pH值变化形成凝胶,3、面团的形成,小麦蛋白的组成: 可溶性蛋白:占20清蛋白(溶于水)、球蛋白(溶于10NaCl)、糖蛋白 水不溶性蛋白面筋蛋白 麦醇溶蛋白(溶醇) 麦谷蛋白(溶酸碱),面筋的结构
24、 谷氨酰胺33以上 脯氨酸1520及羟基氨基酸形成氢键 非极性氨基酸约30有利于疏水作用 半胱氨酸和胱氨酸23形成二硫键,麦醇溶蛋白:单链分子,MW3万8万,决定面团延伸度和膨胀性,含量过大面团不易保留气体。 麦谷蛋白:Mw可达数十万,决定面团的弹性、粘结性和混合耐受性。含量过大发酵时不易膨胀。,小麦面粉中含有12%蛋白质、70%淀粉和2%脂肪。面团揉制过程中,这些成分都进入面筋蛋白的网状结构形成一个淀粉-蛋白质-脂肪的复合体。二硫键的还原使面筋蛋白质放松,有助于形成连续的淀粉-蛋白质-脂肪的复合体。,蛋白质的起泡性质,泡沫指气泡分散在含有表面活性剂的连续相或半固定相的分散体系 蛋白质的起泡性
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