食品科学导论

食品科学导论 绪论食品化学及营养学概论食品微生物学概论食品加工与保藏概论食品原料概论食品安全与法规概论 绪论 涵盖内容食品工业的组成部分国内外食品工业的发展我国食品工业发展的方向及存在的问题 以前人类生产方式落后 饮食条件低劣 人类发展缓慢 据统计 一九四九年中国人均寿命只有45岁 平均智商较低 食品科学被人们重视以后 人类的营养状况得到了极大的改善 寿命大幅度提高 据1994年报导 我国人寿命平均达72岁 人们的智商也有了很大的提高 越来越多的人加入到了现代化科学技术的行列 没有食品 就没有人类 食品的重大变化推动着人类的进化和发展 推动着人类文明的迈进 食品与人类的关系 近几十年 随着人们生活水平的提高 我国居民的食物与营养结构发生了很大的变化 特别是北京 上海 广州等地物质丰富 平均收入较高的城市居民 出现了肥胖 高血脂等营养过剩的富贵病 而在贫穷的农村地区 营养不良 缺铁性贫血症等疾病仍然十分严重 研究和解决贫穷和富裕带来的疾病 是食品科学家们的主要任务 食品对人体健康的重要性表现在三个方面 营养功能 感官风味功能和生理功能 生理功能是指食品中某些成分具有保护机体 调节生理节律 增强免疫能力和预防疾病 促进健康的能力 基本概念 食物 可供人类食用的物质原料统称为食物 食品 经过加工制作的食物统称为食品 食品科学 借用FoodScience Norman 的定义 食品科学可以定义为应用基础科学及工程知识来研究食品的物理 化学 生化性质及食品加工原理的一门科学 火的利用是人类能源革命的开端 把人与野兽区分了开来 它是食品科技史中第一个里程碑 陶器的出现使食品加工成为可能 它是食品科技史中第二个里程碑 罐藏食品在食品加工业中有着极为重要的理论意义和应用价值 是食品科技史中第三个里程碑 现代营养学揭示了食品的本质 它成为当代食品科学的理论基础和食品加工业的指导思想 是食品科技史中第四个里程碑 食品科技史中的四个里程碑 一 涵盖内容 食品的基础研究领域 或者称之为狭义食品科学 包括食品化学 研究食品的组成 结构 物化生化特点及加工和使用过程中的变化的一门科学 食品分析领域 分析食品产品及组分的质量特点 化学变化的原理 食品微生物领域 环境对食品腐败的作用以及微生物对食品本身及食品制造过程的影响 微生物的检验 公共健康等问题的一门科学 食品加工领域 即研究食品原材料特点 食品保藏原理 影响食品质量 包装及污染的加工因素 良好生产操作及卫生操作的一门科学 食品工程领域 即研究食品加工过程中的工程原理及单元操作的科学 工程原理包括物料与能量平衡 热力学 流体 流体流动 传热与传质等等 二 食品工业的组成部分 生产 包括种植 放牧 果树栽培 渔业和水产等工业 制造 加工 将农产品原料转变成更精细或精致的产品 物流 涉及面向产品销售的多个方面 营销 食品的销售 包括批发 零售 机构场地和餐馆 三 国内外食品工业的发展 国际食品工业技术发展趋势生物技术 材料科学 信息技术等基础科学技术以及超高压处理 超临界提取 超微粉碎等新技术越来越广泛地应用于食品上业生产和研发之中 国际食品生产和消费的趋势方便化 安全化 功能化 工程化 全球化 专用化将是21世纪食品工业发展的大趋势 二十世纪末的食品 1 高质量低热卡食品2 低脂肪高碳水化合物食品3 方便食品4 保持自然体系食品5 强调 天然 组分食品6 单一组分含量丰富食品7 微波制品和高档次包装食品8 更 健康 食品 进入二十一世纪的食品 一 人造食品二 高蛋白食品三 方便食品四 保健食品五 变态食品六 水产食品七 绿色食品 生态食品 有机食品 四 我国食品工业发展的方向及存在的问题 一 我国食品工业发展的方向1 食品工业发展基本思路把食品营养价值置于核心地位 发挥生产引导消费的作用 发展市场细分的营养健康食品 2 食品工业发展的指导原则以营养科学为指导的原则 营养功能优先原则 定向消费原则 3 我国食品工业发展方向 方便食品的发展和产品的多样化是今后食品工业发展的重要特征 重视食品营养提高居民健康水平是食品工业的重要任务 食品安全是食品生产经营者的第一要务 先进技术将在食品工业中得到广泛应用 循环经济 是食品工业发展的必由之路 二 我国食品工业存在的问题 产品更新换代及产品开发速度尚难以满足不断增长的市场需求 自主创新能力有待提高 我国食品工业布局有待调整 东 中 西部发展很不平衡 中西部地区的资源尚待充分利用 产品品种和深加工方面 尚不能满足和适应市场日益增长变化的需求 食品安全存在不可忽视的问题 企业经营行为有待进一步规范 食品出口多以原料性产品为主 产品附加值不大 结构单一 出口量小 食品企业尚需进一步熟悉掌握世界贸易组织规则和国外农产品食品认证标准 食品企业在应对国内外竞争方面 有待加强行为规范 市场监督水平有待提高 第二章食品化学及营养学概论 第一节食品的品质第二节碳水化合物第三节蛋白质第四节脂类第五节维生素第六节矿物质第七节水 品质 就是指食品的优质程度 包括风味 表观和营养成分 也可以说品质是食品的综合特征 直接决定着食品的可接受性 我们选择 食用食品时 会动用所有的感观 比如看 摸 闻 尝 甚至听 来评价食品 通过感观来测定的食品品质主要分为色 香 味 形四个方面 第一节食物的品质 食品的色泽不仅有助于鉴别其品质 而且还可以告诉我们许多有关信息 例如 颜色通常作为成熟和腐败的指标 我们可以通过颜色来判断土豆片油炸的终点 干番茄粉在贮藏期间变白说明包装中含氧量太高 而如果发黑说明番茄粉的最终水分含量太高 泡沫食品或糊状食品的色泽随着浓度的不同而不同 以此反映混合率的变化情况 巧克力的表面色泽可以反映其贮藏期的长短等等 所有这些都会影响和反映食品的品质 食品的色泽可以在实验室准确测量 一 食品的色泽 食品的香是指香气 不同的食品 由于它们的成熟度 品种 物料组成 加工技术等的不同 具有不同的香气 香气直接反映着食品的类型和质量 不同食品所产生的挥发性物质的成分和数量不同 其香味存在很大差异 构成香味的化合物主要由酯类 醇类 酸类 醛类 酮类 酚类 杂环族 萜类等大约200多种 这些物质不仅气味各异 而且它们之间通过量加作用 协同作用 分离作用以及抑制作用等 使香气多种多样 食品中的香味物质含量很低 但即使是在这种情况下 也能被人的嗅觉器官感觉到 二 食品的香 1 动物气味 野味 包括所有野兽 野禽的气味 脂肪味 腐败 肉类 味 肉味 麝香味 猫尿味等 2 香脂气味 是指芳香植物的香气 包括所有的树脂 刺柏 草树 香子兰 松油 安息香等气味 3 烧焦气味 包括烟熏 烤 干面包 巴旦杏仁 甘草 咖啡 木头等气味 此外还有动物皮 松油等气味 4 化学气味 包括酒精 丙酮 醋 酚 苯 硫醇 硫 乳酸 碘 氧化 酵母 微生物等气味 香气类型 5 香料气味 厨房用 包括所有用作佐料的香料 主要有月桂 胡椒 桂皮 姜 甘草 薄荷等气味 6 花香 包括所有的花香 但常见的有堇菜 山楂 玫瑰 柠檬 茉莉 鸢尾 天竺葵 洋槐 椴树 葡萄等的花香 7 果香 包括所有的果香 但常见的是覆盆子 樱桃 草莓 石榴 醋栗 杏 苹果 梨 香蕉 核桃 无花果等气味 8 植物与矿物气味 主要有青草 落叶 块根 蘑菇 湿禾杆 湿青苔 湿土 青叶等气味 食品的主要味道有甜 酸 苦 辣 咸 涩 鲜七种 食品的风味不仅由这七种味混合而成 还由许多赋予食品芳香的化合物构成 因此 食品的风味非常复杂 大多数食品的风味还不能完整地被描述出来 更为复杂的是 由于人们文化和生理上的差异 不同的人对同一种食物的接受能力是不一样的 喜好不同 在评价风味的时候 便会掺杂许多主观因素 导致质量评判意见上的差异 三 食品的味 食品的形状主要指大小 状态和完整性 另外摆放模式也是一项重要的表观因素 整体性指的是食品整体和破碎的程度 食品的大小和形状是国家以及地区分级标准的重要因素 而且容易测定 如水果蔬菜就可以通过一定尺寸的网孔来进行分级 大小也可通过重量来近似估计 形状在直观上可能更重要 如某类腌渍品的等级评定还包括对弯曲程度的要求 特别是对于用机器代替手工操作的分级情况下 形状就显得相当重要 四 食品的形状和质地 质地指那些既可以用手触摸 也可以用舌 腭 牙齿等感觉到的食品品质 食品的质地范围非常大 如果与期望的质地相背离 那就是品质缺陷 通常可由化学分析或仪器分析来确定其具体的营养素组成和含量 多数情况下 还要做动物喂养和相同的生物试验 通常由细菌总数 大肠菌群 致病菌数目和昆虫残骸以及沉淀率来衡量 是由相当于或超出在正常贮藏和处理状态下 分配和食用食品期限的产品质量来衡量的 因为正常的贮藏试验要求一年或更长的时间才有意义 通常要设计加速的贮存试验 这包括极端的温度 湿度或其他变量 这些变量在短期内就暴露出食品质量变化趋势 五 附加质量因素 营养质量 卫生质量 保质期或贮藏稳定性 食品质量标准主要有企业标准 行业标准及国家标准 1 企业标准是企业内部建立的以确保其产品品质和增强市场竞争力的标准 2 行业标准通常是由本行业企业成员认同的基础上建立的 它规定了产品的最低限度质量标准 以避免本行业产品的质量标准下降 3 国家标准是由政府组织建立的标准 有一些是强制执行的 以保护消费者健康并使其免受欺骗 同时 国家标准还可以起到协调市场上食品生产者 销售者 批发商 零售商及消费者之间的关系 六 质量标准 营养 指人体为了维持正常生理 生化和免疫功能以及生长 发育 代谢和修补组织等生命现象的需要而摄取和利用食物的综合过程 营养素 营养素是指食物中可给人体提供能量 机体构成成分和组织修复以及生理调节功能的化学成分 蛋白质 脂类 碳水化合物 维生素 矿物质和水 第二节碳水化合物 Carbohydrate 碳水化合物也称糖类 是由碳 氢 氧三种元素组成的 是多羟基醛或多羟基酮及其衍生物和缩合物的总称 存在于所有的谷物 蔬菜 水果及可食植物中 1 6 表达式Cx H2O y包括单糖 低聚糖以及多糖最丰富的碳水化合物是纤维素 乳糖唯一没有在植物中发现的糖 乳中主要的糖成分 牛乳 4 6 5 人乳 5 7 1分子半乳糖和1分子葡萄糖以 1 4糖苷键结合还原性二糖发酵过程中转化为乳酸促进机体内Ca的吸收乳糖不耐受症 体内缺乳糖酶 乳糖不耐受症 症状 胃肠不适 胀气 痉挛和腹泻等 原因 先天性缺少或不能分泌乳糖酶 某些药物或肠道感染而乳糖酶分解 减少 随着年龄增加 乳糖酶水平不断降低 克服方法 将乳糖经乳糖酶分解后进行销售 选经发酵的乳制品 酸奶 一 碳水化合物的营养价值 供给能量 4kcal g 构成一些重要生理物质节约蛋白质抗酮保肝解毒 肝糖元 葡萄糖醛酸 增强肠道功能 膳食纤维 其他 二 食品中的碳水化合物1 食品中的单糖定义 单糖是不能被水解的最简单的碳水化合物 是构成复杂多糖的基本单位 3个碳原子 三碳糖 D 甘油醛糖 L 甘油醛糖 4个碳原子 四碳糖5个碳原子 五碳糖 戊糖 核糖 脱氧核糖 6个碳原子 六碳糖 己糖 己醛糖 葡萄糖 果糖 半乳糖 三碳糖 四碳糖 五碳糖 六碳糖 图2 1含有3 6个碳原子D 醛糖结构 2 食品中的低聚糖 定义 一般是由2 10个分子单糖缩合而成 分子之间通过糖苷键连接 食品中主要以二糖形式存在 1 食品中的二糖麦芽糖淀粉水解后得到的二糖两分子葡萄糖通过 1 4糖苷键结合是一种还原糖 含有醛基或酮基的糖被称为还原糖 所有的单糖都是还原糖 当两个或更多的单糖通过醛基或酮基连成长链后还原性消失 形成非还原糖 温和的甜味剂 麦芽糖 蔗糖 葡萄糖和 果糖以 1 2糖苷键结合非还原性二糖具有极大的吸湿性和溶解性冷冻保护剂甘蔗糖和甜菜糖 2 具有特殊功能的低聚糖 具有特殊保健功能的低聚糖低聚果糖 乳果聚糖 低聚异麦芽糖 低聚木糖 低聚半乳糖 甲壳低聚糖等 功能性低聚糖的保健功能低甜度 低热量 防龋齿 有润肠通便的作用 使用后基本不增加血糖和血脂 使体内双歧杆菌增殖 抑制肠内沙门氏菌和腐败菌的生长 美拉德 Maillard 反应定义 还原糖 主要是葡萄糖 与游离氨基酸或氨基酸残基的游离氨基发生羰氨反应 对食品的影响期望牛奶巧克力风味糖果风味不期望的营养 氨基酸 损失有毒 致突变物质的产生 焦糖化反应直接加热糖和糖浆热解反应引起糖分子脱水 双键引入糖环 产生不饱和环中间物 呋喃 共轭双键吸收光 产生颜色少量酸和盐可以加速反应不同催化剂产生不同类型的色素 3 食品中的多糖 定义 超过10个单糖的聚合物称为多糖 1 食品中主要的多糖淀粉 淀粉是以葡萄糖为基本单位连接成长链而形成的多糖 是人类碳水化合物的主要食物来源 化学结构 通式 C6H10O5 植物的能量贮藏方式两种形式 直链淀粉和支链淀粉 性质 无甜味 在冷水中不易溶解 溶解后的淀粉遇到碘可形成蓝色络合物 储备能量 以特有的淀粉颗粒形式存在于种子和块茎中 可发生糊化和老化现象 可在酸或酶的作用下得到糊精 麦芽糖和葡萄糖等产物 可通过改性改善其功能性质 淀粉的糊化 淀粉颗粒不溶于冷水 当把淀粉在水中加热至一定温度 60 70 的时候 淀粉粒开始发生不可逆膨胀 称作糊化 淀粉 淀粉 图2 2淀粉颗粒中直链淀粉和支链淀粉的排列 淀粉的老化 经过糊化的 淀粉在室温或低于室温下放置后 会变得不透明甚至凝结而沉淀 这种现象称为老化 淀粉的老化可看作是糊化过程的逆转 图2 3淀粉颗粒的糊化与老化 纤维素 葡萄糖分子以 1 4 糖苷键连接而成的长链聚合物 不能被人体所消化 存在 棉花 麻 木材 植物细胞壁 功能 膳食纤维 促进肠胃的正常蠕动 降低体内胆固醇水平 调节糖尿病患者的血糖水平 食品加工中 半纤维素能提高面粉结合水的能力 有助于蛋白质与面团的混合 增加面包体积和弹性 改善面包结构 延缓面包的老化 第二节蛋白质 protein 定义 蛋白质是由氨基酸按各种不同顺序排列结合成的高分子有机物质 组成蛋白质的基本单元是氨基酸 自然界氨基酸种类很多 但组成蛋白质的氨基酸约为20种 一 蛋白质的组成 蛋白质的元素分析 C 50 55 H 6 7 O 20 23 N 12 19 S 0 2 3 0 注 蛋白质中N的含量平均为16 6 25 蛋白质换算系数 氨基酸 定义 氨基酸是蛋白质水解的最终产物 是组成蛋白质的基本单位 通式 必需氨基酸 在人体不能合成或合成速度不能满足机体需要 必需从食物中直接获得的氨基酸 人体所需的必需氨基酸赖氨酸 Lys 缬氨酸 Val 蛋氨酸 Met 色氨酸 Try 亮氨酸 Leu 异亮氨酸 Ile 苏氨酸 Thr 苯丙氨酸 Phe 婴儿时期所需 组氨酸 His 二 蛋白质的营养价值 构成机体和合成新的组织维持平衡和提供人体必需氨基酸参加物质的代谢调节增强人体的抵抗力提供能量 三 蛋白质的分类 根据组成分类 单纯蛋白 仅由氨基酸组成的蛋白质 结合蛋白 由氨基酸和非蛋白质化合物组成 衍生蛋白 由酶或化学方法处理蛋白质后得到的相应化合物 根据外形分类 球状蛋白质纤维状蛋白质根据生物功能分类 酶 运输蛋白质 营养和储存蛋白质 收缩蛋白质 结构蛋白质和防御蛋白质 四 蛋白质的结构 1 一级结构 primarystructure 指氨基酸通过共价键连接而成的线性序列构成蛋白质的主要氨基酸有20种 2 二级结构 secondarystruture 指多肽链借助氢键排列成沿一个方向 具有周期性结构的构象Pr的二级结构主要有 螺旋和 折叠 氢键在其中起着稳定构象的作用 3 三级结构 tertiarystrucure 是指多肽链借助各种作用力在二级结构基础上 进一步折叠卷曲形成紧密的复杂球形分子的结构 稳定蛋白质三级结构的作用力有氢键 离子键 二硫键和范德华力 4 四级结构 蛋白质的四级结构是二条或多条肽链之间以特殊方式结合 形成有生物活性的蛋白质 其中每条肽键都有自己的一 二 三级结构 这些肽链称为亚基 它们可以相同 也可以不同 注 蛋白质的一级结构决定高级结构 高级结构决定功能和性质 五 食物中的蛋白质的营养评价 蛋白质的含量 衡量食物蛋白质营养价值的基本指标 质量再好但数量不足也不能满足人体需要 蛋白质的品质氨基酸模式 指某种蛋白质中各种必需氨基酸的构成比例 注 当食物蛋白质氨基酸模式与人体蛋白质越接近时 必需氨基酸被机体利用的程度越高 食物蛋白质的营养价值也相对越高 动物性蛋白质中各种必需氨基酸种类齐全 而且所组成的比例适合人体的需要 利用率可高达85 90 但色氨酸含量普遍偏低 牛奶中蛋白质主要为酪蛋白 消化率为85 鸡蛋白蛋白质不但含有人体所需要的各种氨基酸 而且组成模式与人体十分相近 生物学价值达95 以上 植物性蛋白质尽管一般不如动物性蛋白好 但仍是人类膳食蛋白质的重要来源 大豆中蛋白质含量高达35 40 蛋白质的生物学价值也较高 64 谷类含蛋白质一般为6 10 薯类含蛋白质2 3 限制性氨基酸 食物蛋白质中一种或几种必须氨基酸相对含量较低导致其它的必须氨基酸在体内不能被充分利用而浪费 造成其蛋白质营养价值降低 这些含量相对较低的必需氨基酸称限制氨基酸 蛋白质互补 不同食物中组成蛋白质的氨基酸相互比值不同 若将不同的食物适当混和食用 使不同的食物间相互补充必需氨基酸的不足 使其比值接近人体需要的模式而提高蛋白质的营养价值 蛋白质品质的测定蛋白质的消化率消化率 食物N 粪N 食物N 100 蛋白质的功效比值PER 动物体重增加克数 摄入食物蛋白质克数蛋白质的净利用NPU 储留N 食物N 100 蛋白质的生物价BV 储留N 吸收N 100 几种食物蛋白质的消化率 影响蛋白质利用的因素必需氨基酸的比例饮食中蛋白质含量个体的生理状态可消化性 六 蛋白质缺乏和营养不良 蛋白质缺乏与能量缺乏是孪生兄弟 合称蛋白质能量营养不良 PEM 是当今世界最普遍的一种营养不良的形式 营养不良大多发生在儿童期 但也会对很多成年造成威胁 食物不足会导致儿童生长不良和成年人身体消瘦 体重下降 三 脂类 lipids 定义 包括动植物中的脂和油 习惯上以其在室温下的物理状态来分 脂 室温下为固体油 室温下为液体脂类的分类 脂类 甘油三酯 Triglycerides 也称脂肪或中性脂肪 95 类脂 lipoids 包括磷脂 糖脂 固醇类 脂蛋白等 5 一 甘油三酯 Triglycerides 组成 由一个甘油分子和三个脂肪酸化合而成 必需脂肪酸 EFA 定义 人体不可缺少而自身又不能合成 必须通过食物供给的脂肪酸 种类 亚油酸 亚麻酸功能 1 与细胞膜的结构 功能有关 2 合成体内重要活性物质 3 与胆固醇的代谢有关 生物功能 体内能量的储存形式 9kcal g 维持体温 保护脏器 节约蛋白质 机体重要组成成分 食物中的功能 增加饱腹感 改善食品风味与感观 提供必需脂肪酸和脂溶性维生素 主要决定于其熔点 熔点越低 越易消化 故比较起来植物油和奶油更易消化 熔点低于体温的脂肪消化率可高达97 98 高于体温的脂肪消化率约90 左右 现在人们认为有两种不饱和脂肪酸为必需脂肪酸 它们是亚油酸 十八碳二烯酸 亚麻酸 十八碳三烯酸 在它们的脂肪酸长链中分别含有二 三个不饱和双键 故都属于多不饱和脂肪酸 一般在植物油中含量较高 动物脂肪含量较少 但鱼类尤其是深海鱼类中多不饱和脂肪酸含量很高 这正是鱼油有多种保健功效的原因所在 一般脂溶性维生素含量高的脂肪营养价值较高 脂肪的营养价值 必需脂肪酸含量 脂肪的消化率 脂溶性维生素的含量 一般认为脂肪供给的能量以婴儿占总热量的30 45 儿童 青少年占总热量的25 30 成年人占总热量的20 25 为宜 例如一位轻体力劳动者每日如需总热量10880kJ 2600kcal 脂肪供热按20 25 计算 应有2176 2720kJ 520 650kcal 来自脂肪 这个热量相当于每日供给58 72g脂肪 包括食物中脂肪和烹调用油 关于饱和脂肪酸 S 单不饱和脂肪酸 M 和多不饱和脂肪酸 P 之间的比例大多数学者提出S M P 1 1 1动物脂肪一般约含40 60 的饱和脂肪酸 30 50 的单不饱和脂肪酸 多不饱和脂肪酸含量极少 相反 植物油约含10 20 的饱和脂肪酸和80 90 的不饱和脂肪酸 脂肪的供给量及食物来源 脂类的供给量 脂类的食物来源 二 磷脂 phospholipids 定义 是指甘油三酯中一个或两个脂肪酸被含磷酸的其它基团所取代的一类脂类物质 其中最重要的是卵磷脂 lecithin 功能 参与细胞膜构成 作为乳化剂 磷脂同FA一样可提供热能 三 胆固醇 cholesterol 功能参加构成细胞膜 重要活性物质的合成原料 胆汁 肾上腺素 维生素D等 过多 高脂血症 动脉粥样硬化 心脏病等疾病 脂类氧化 与营养 风味 安全 贮存 经济有关食品变质的主要原因之一产生挥发性化合物 不良风味受多种因素影响常用于食品的抗氧化剂丁基羟基甲苯 BHT 丁基羟基茴香醚 BHA 维生素C维生素E 四 维生素 vitamin 定义 维持机体正常生理功能及细胞内特异代谢反应所必需的一类微量低分子有机化合物 共同特点 本体或前体存在于天然食物中 大多数不能在体内合成 必须经常由食物供给 不构成机体组织 不提供能量 需要量很少 但不可缺少 以辅酶或辅基的形式参与酶的功能 维生素的分类 有维生素A D E K 大部分贮存于脂肪组织中 尤其是定脂 通过胆汁缓慢排出体外 所以摄入过量可引起中毒 有维生素B族 维生素B1 B2 B6 B12 烟酸 叶酸 泛酸 生物素等 和维生素C 在体内仅有少量贮存 且易排出体外 所以必须每天通过饮食供给 当供给不足时 易出现相关缺乏症状 营养学上按溶解性分 水溶性维生素 脂溶性维生素 脂溶性维生素及其功能 水溶性维生素及其功能 五 矿物质 minerals 一 相关概念1 矿物质 构成人体组织 维持生理功能 生化代谢所必需的元素中除主要以有机化合物形式存在的元素C H O N外 其余元素统称为矿物质或无机盐 2 常量元素 体内含量 0 01 每日需要量在100mg以上者 Ca P K Na Cl Mg S 3 微量元素 体内含量 0 01 每日需要量在100mg以下者 Fe I Zn Se Mn等 注 我国人群较易缺乏Ca Fe Zn 四 食品中重要的矿物质及其功能 钙 Calcium Ca 人体中含量最多的一种常量元素 其中99 集中在骨骼和牙齿中 功能 构成骨骼和牙齿 维持神经与肌肉活动 促进体内某些酶的活性 钙还参与血凝过程 激素分泌 维持体液酸碱平衡以及细胞内胶质稳定性 缺乏症 儿童佝偻病 成人骨质软化症 老年人骨质疏松症 其他如骨质增生 抽搐等 现有膳食结构营养调查表明 我国居民钙摄入量普遍偏低 仅达RDA的50 左右 因此钙缺乏症是较常见的营养性疾病 主要表现为骨骼的病变 生长迟缓 新骨结构异常 骨钙化不良 骨骼变形 发生佝偻病 各种食物中钙含量差别很大 普通食物中含钙较少 平均每kg含钙约200 300mg 只有几个特别食物中含钙量较多 乳品及其乳制品中钙含量不但高 而且钙的吸收率也较其他食物高的多 豆类 绿色蔬菜也是钙的较好来源 磷 Phophorus P 磷含量占人体体重的1 左右 总磷量的85 90 存在于骨骼和牙齿中 功能 骨 牙齿以及软组织的重要成分 调节能量释放 酶的重要成分 物质活化 磷酸盐有参与调节体液酸碱平衡的作用 缺乏症 来源广泛 一般不存在缺乏症 铁 Iron Fe 人体必需微量元素中含量最多 4 5g 的一种 在体内以功能铁和贮备铁的形式存在 功能 参与O2 CO2转运 交换和细胞呼吸过程 与红细胞形成和成熟有关 参与许多重要功能 如催化 胡萝卜素转化为维生素A 抗体的产生 脂类从血液中转运以及药物在肝脏中的解毒等 缺乏症 缺铁性贫血 智力 工作能力 抵抗力下降 锌 Zinc Zn 人体含锌2 2 5g 主要存在于肌肉 骨骼 皮肤 功能 酶的组成成分或酶的激活剂 促进生长发育与组织再生 促进食欲 促进维生素A代谢 参与免疫功能 缺乏症 生长迟缓 食欲不振 味觉迟钝 异食癖 甚至丧失 厌食症 伤口不易愈合 易感染 免疫力下降等 碘 Iodine I 人体内约含碘25 50mg 主要参与甲状腺素合成 通过甲状腺素表现其生理功能 甲状腺素在体内主要是促进 调节代谢和生长发育 缺乏症 地方性甲状腺肿大 地方性克汀病 硒 Selenium Se 广泛分布于各组织中 功能 抗氧化作用 解毒和细胞保护作用 保护心血管 维护心肌的功能 促进生长和繁殖 保护和改善视觉器官功能及抗肿瘤作用 缺乏症 克山病 大骨节病 六 水 water 人体重量的50 60 由水组成 在体内 水起重要的作用 一个绝食的人失去体内全部脂肪 半数蛋白质 还能勉强维持生命 但失去体内含水量的20 就会很快死亡 没有水的存在 任何生命过程都无法进行 健康人即使不吃食物 只要有水分供给 能维持生命一个月 最长能活59天 如果不供水 只给食物 食物中的水分被除掉 一般5天即死亡 最长记录只活17天 可见水比任何营养都重要 主要食品的水份含量 一 水的重要功能 运送营养和代谢废物保持分子结构作为营养素的溶剂润滑和缓冲关节 脊髓和胎儿帮助调节体温保持血容量 成年人每1kg体重 每天需水40mL 一个体重60kg的成年人每天需要水约为2500mL 经营养学测定 一般情况下 成年人每天通过呼吸排出的水分约400mL 通过皮肤排出的水分约400 800mL 通过粪便排出的水分约150mL 通过尿液排出的水分约1500mL 共计耗水2500mL 每天从食物中可以得到的水分约为800mL 体内分解氧化营养物质时产生约400mL 其余的1300mL水必须从饮食中补充 喝水量大于1300mL 则排尿量增加 以保持体内水平衡 但过量饮水并不可取 它会增加肝脏和肾脏负担 影响肾功能 甚至出现浮肿等疾病 喝水量小于1 3L时 排尿量则减少 尿液浓缩 若经常饮水不足 肾脏经常处在浓缩代谢废物的过程中 就要加倍工作 加重了肾的负担 同时 浓缩的尿液 容易使某些废物结晶 形成肾结石 水的需要量 二 食品中水分的性质 食品中存在不同形式的水分 就实用价值而言 普遍将食品中的水分分为自由水和结合水 自由水 指食品中与非水成分有较弱作用或基本没有作用的水 性质 具有普通水的性质 可被微生物利用 直接影响食品的保藏性 结合水 指存在于食品中的与非水成分通过氢键结合的水 性质 沸点高于普通水 不起溶剂的作用 不能被微生物利用 对食品的风味起着重大的作用 三 水分活度与食品稳定性 水分活度 AW 食品中水的蒸气压P与同温下纯水的饱和蒸气压P0之比 水分活度与食品的稳定性 与微生物的关系 细菌 AW 0 9时不能生长 酵母菌 在AW 0 87时受到抑制 霉菌 AW 0 80时不能生长 与化学变化的关系 降低水分活度 也可以控制在食品中发生的化学变化 当水分活度低于0 8时 大多数酶的活力受到抑制 第二节营养需求 营养需求 营养生理需要量 指维护身体正常功能和健康所需要的热能和各种营养素最小摄入量 通过推荐的每日膳食营养素供给量 RDA 来评估和表示人们的营养需求 RDA制定的基本原则 保证人体得到热能和各种营养素的生理需要量 保持各种营养素之间的平衡 第三节饮食和慢性病 心脏病 某些癌症 糖尿病 中风和骨质疏松症等慢性病已经成为当今导致死亡的主要因素 合理膳食 平衡膳食 可减少慢性病发生的主要风险因素 如 肥胖 高血压和高胆固醇 1 食物多样 谷类为主 2 多吃蔬菜 水果和薯类 3 常吃奶类 豆类及其制品 4 常吃适量鱼 禽 蛋 瘦肉 少吃肥肉和荤油 5 食量与体力活动要平衡 保持适宜体重 6 吃清淡少盐的膳食 7 如饮酒要限量 8 吃清洁卫生 不变质的食品 中国居民膳食指南 1997年4月10日通过并颁布 中国居民平衡膳食宝塔 第一层谷类食物每人每天300 500克 第二层蔬菜和水果每人每天蔬菜400 500克 水果100 200克 第三层动物性食物每人每天125 200克 鱼虾类50克 畜 禽肉50 100克 蛋类25 50克 第四层奶类和豆类食物每人每天奶类及奶制品100克 豆类及豆制品50克 第五层油脂类每人每天不超过25克 第三章食品微生物学概论 第一节食品中微生物的主要来源第二节微生物与食品生产第三节微生物与食品腐败变质第四节食品贮藏中微生物的控制 第一节食品中微生物的主要来源 土壤和水 微生物生长的良好场所 植物和植物产品 植物的茎 叶 果实和根上都有相应的微生物存在 食品器皿 用具 应用于食品的一切用具 都有可能作为媒介使食品受微生物污染 人与动物的肠道 存在一定数量的微生物 食品生产者 手 外套 口 鼻 皮肤 肠道微生物可以通过不卫生的操作进入食品中 动物饲料 是动物沙门氏菌的重要来源 畜皮 通过动物的毛皮 微生物能够污染环境 食品和生产者 空气和尘埃 一些霉菌和酵母菌在食品加工的空气和尘埃中经常能被找到 第二节微生物与食品生产 细菌在食品制造中的应用酵母菌在食品制造中的应用霉菌在食品制造中的应用微生物酶在食品工业中的应用食用菌 一 细菌在食品制造中的应用 食醋发酵乳制品蔬菜和水果的乳酸发酵食品氨基酸 一 食醋 菌种 纹膜醋酸菌 Acetobacteraceti 许氏醋酸菌 A schutzenbachii 恶臭醋酸菌 A rances 混浊变种 巴氏醋酸菌 A pasteurianus 巴氏亚种 反应过程 醋酸菌在充分供氧的情况下生长繁殖 将乙醇氧化为醋酸 依据菌种的不同 还可产生其它有机酸及有香味的酯类等 食醋生产的原料 高粱 大米 玉米 甘薯 糖糟 梨 柿 枣等含糖或含淀粉的果实等 二 发酵乳制品 发酵乳制品的种类 酸奶油 干酪 酸牛乳 马奶酒等 常用的乳酸菌 干酪乳杆菌 保加利亚乳杆菌 嗜热链球菌 嗜酸乳杆菌 植物乳杆菌 瑞士乳杆菌 乳酸乳杆菌 乳酸乳球菌 乳脂乳球菌等 反应过程 乳酸菌分解乳糖进行同型乳酸发酵或异型乳酸发酵 图3 1发酵乳的生产 图3 2干酪的加工流程 三 蔬菜和水果的乳酸发酵食品 主要的乳酸发酵果蔬品种 泡菜 酸菜 酸藏蘑菇 橄榄等 发酵方法 自然发酵 纯种发酵 常用菌种 植物乳杆菌 黄瓜乳杆菌 短乳杆菌 肠膜明串珠菌 小片球菌 发酵乳杆菌等 注 亚硝酸问题 图3 3泡菜的制作 四 氨基酸 食品添加剂中常见的氨基酸种类 谷氨酸钠为鲜味剂 色氨酸和甘氨酸为甜味剂 赖氨酸为营养增强剂等 生产用菌种 谷氨酸棒杆菌 黄色短杆菌等用于生产谷氨酸 北京棒杆菌的营养缺陷型菌株用于生产赖氨酸 常用原料 小麦 玉米 甘薯 大米等淀粉质物质 糖蜜等含糖丰富的物质 图3 4氨基酸的生产 二 酵母菌在食品制造中的应用 面包 酵母将面粉中的糖类化合物分解形成CO2 醇 醛 有机酸等产物 酿酒 葡萄酒酵母 啤酒酵母 绍兴酵母等将糖类化合物分解形成乙醇等化合物 酵母细胞的利用 单细胞蛋白 SCP 的生产 食品和饲料 具有较高的营养价值 生长繁殖速度快 提取核苷酸 辅酶A 乳糖酶等医药及生物试剂 注 SCP是解决人类蛋白质食物资源的一条重要而有效的途径 但还需要解决一些问题 口味 食用方法以及过量食入导致的一些疾病 图3 5葡萄酒的生产 三 霉菌在食品制造中的应用 淀粉的糖化 霉菌 根霉属 曲霉属和毛霉属 产生淀粉酶将淀粉分解成糖 酱油的酿造 米曲霉 黄曲霉 黑曲霉等将原料中的蛋白质分解为氨基酸 淀粉分解成糖 在其他微生物共同作用下形成特有的风味 酱类的制作 选取的霉菌 米曲霉 黄曲霉 黑曲霉 具有较强的蛋白酶 淀粉酶和纤维素酶活力 豆腐乳 米根霉 华根霉以及总状毛霉等 有机酸 柠檬酸 黑曲霉 乳酸 醋酸等的发酵生产 四 微生物酶在食品工业中的应用 微生物生产酶制剂的特点优点 种类多 便于工业化生产 产量大可保证供应 缺点 一种微生物可同时产生多种酶 因此工序较复杂 微生物酶及其在食品中的应用 表3 1微生物产生的酶及其在食品工业中的应用 五 食用菌 我国主要食用菌 黑木耳 银耳 双孢蘑菇 猴头 草菇 香菇等 食用菌的人工栽培 深层培养和固体基质栽培 猴头 草菇 双孢蘑菇 第三节微生物与食品腐败变质 食品的腐败变质 foodspoilage 指食品在一定的环境因素影响下 由微生物为主的多种因素作用所发生的有害的变化 即造成食品原有化学性质或物理性质和感官性质发生变化 降低或失去其营养价值和商品价值的过程 引起食品腐败的微生物细菌酵母菌霉菌 细菌 bacteria spirillum 表3 2引起食品腐败变质的细菌种类 酵母菌 yeast 霉菌 mold 引起各种食品腐败的优势微生物 食品中占优势的微生物能产生选择性分解食品中特定成分 从而使食品发生带有一定特点的腐败变质 细菌蛋白质 脂肪酵母高浓度糖 食盐 酒精霉菌粮食 蔬菜 水果 表3 3部分食品腐败类型和引起腐败的微生物 食品腐败变质的机理 食品中蛋白质的分解食品中脂肪的分解食品中碳水化合物的分解有害物质的形成 食品中蛋白质的分解 挥发性盐基总氮 TVBN 指动物性食品由于酶和细菌的作用 在腐败过程中 是蛋白质分解而产生氨以及胺类等碱性含氮物质 此类物质在碱性环境中易挥发 食品中脂肪的分解 食品中碳水化合物的分解 有害物质的形成微生物产生的毒素分为细菌毒素和真菌毒素 它们能引起食物中毒 有些毒素还能引起人体器官的病变及癌症 食品腐败变质的危害 第四节食品贮藏中微生物的控制 微生物是引起食品腐败的最主要的因素 食品的贮藏是围绕着防止微生物污染和延缓微生物的分解作用而进行的 采取措施 预防微生物污染食品 避免损伤食品保护层 注意各环节卫生管理 减少和去除食品中的微生物 离心 过滤 沉淀 加热 干燥 添加防腐剂 辐照等 控制食品中残留微生物的生长与繁殖 低温 干燥 厌氧等 第四章食品加工与保藏概论 第一节食品加工过程中的单元操作第二节食品的保藏 第一节食品加工过程中的单元操作 物料输送清洗分离粉碎泵送混和 热交换浓缩干燥成型包装 物料输送 materialhandling 要求 保持卫生条件 减少产品损耗 保持原料质量 减少微生物生长 控制物料输送转移节奏以减少滞留时间 输送方式 货车 火车 采收设备及多种输送装置 常见的输送装置 带式输送原理与设备 带式输送机是食品工厂中采用最广泛的一种连续输送机械 它用一根闭合环形输送带作牵引及承载构件 将其绕过并张紧于前 后二滚筒上 依靠输送带与驱动滚筒间的摩擦力使输送带产生连续运动 依靠输送带与物料间的摩擦力使物料随输送带一起运行 从而完成输送物料的任务 带式输送机常用于块状 颗粒状物料及整件物料水平方向或倾斜不大的方向运送 同时还可用作选择 检查 包装 清洗和预处理操作台等 根据带式输送机的工作条件 工作要求和被输送物料的性质 可将带式输送机分为不同的类型 按支承装置的形式 可将其分为平形托辊输送机 槽形托辊输送机及气垫带式输送机等 按输送带的种类 可分为胶带式 帆布带式 塑料带式 钢带式和网带式输送机等 按胶带表面形状 可将其分为普通胶带输送机和花纹胶带输送机 按输送机机架结构形式 又可将带式输送机分为固定式和移动式两大类 图4 1带式输送机1 张紧滚筒2 张紧装置3 装料漏斗4 改向滚筒5 支撑滚柱6 环形带子7 卸载装置8 驱动滚筒9 驱动装置 斗式输送原理与设备 斗式输送机是一种在垂直或大倾角倾斜向上输送粉末状 颗粒状或小块状物料的连续输送机械 在粮油工业中应用广泛 它结构简单 紧凑 占地面积小 工作平稳可靠 提升高度高 可达30 50m 生产率范围较大 耗用动力少 有良好的密封性 但对过载敏感 必须连续均匀地供料 料斗容易磨损 容易引起粉尘爆炸 斗式输送机分为倾斜式和垂直式两种 工作时 待输送物料由进料口均匀喂入 在驱动滚筒带动下 固定在输送带上的料斗刮起物料随其一起上升 当上升至顶部驱动滚筒上方时 料斗开口朝下 在离心力作用下 物料从卸料口卸出 送入下道工序 螺旋输送机械与设备 螺旋输送机广泛应用于食品工业中 属于没有挠性牵引构件的连续输送机械 工作时 绞龙 带螺旋片的轴 在封闭的料槽内旋转 使装入料槽的物料由于自重及其与料槽摩擦力的作用而不与螺旋一起旋转 只能沿料槽横向移动 螺旋输送机用于输送磨擦性小的粉状 颗粒状及小块状散粒物料 螺旋输送机的分类如下 根据安装形式的不同可分为移动式和固定式螺旋输送机 根据螺旋叶片形式的不同可分为满面式 带式 成型式和桨式螺旋输送机 根据工作倾角的不同可分为立式 倾斜式和水平式螺旋输送机 根据旋转体转速的不同可分为快速和慢速螺旋输送机 图4 3螺旋式输送机1 进料口2 端盖板3 端轴承4 螺旋叶片5 螺旋轴6 中间轴承7 机壳8 出料口 气力输送机械与设备 运用风机 或其他动力设备 使管道内形成一定速度的气流 将散粒物料沿一定的管路从一处输送到另一处 称为气力输送 应用气力输送技术可以对食品工厂中的面粉 大米 糖 麦芽等散粒物料进行输送 对于气力输送 按其工作原理可分为 吸送式 压送式 混合式和循环式 图4 4压送式气力输送装置1 鼓风机2 供料器3 输送管4 分离器5 除尘器 清洗 cleaning 食品原料的清洗 根据产品和杂质性质的不同 清洗方法也不同 可以简单到用毛刷除去蛋壳上的污物 也可以复杂到利用微孔过滤的办法去除液体食品中的细菌 食品设备的清洗 一般采用温和的碱性洗液清洗 对于较为粘滞的沉积物 较厚的油脂沉积物或积聚的蛋白质沉淀而言 则需要使用强碱性洗涤剂 分离 separating 根据物系中不同组分间某种物性的差异而达到分离的目的 食品中的分离机械主要是用于固 液系统和液 液系统的分离 常用的分离设备 牛乳分离机 膜处理 反渗透 超滤 微滤 根据食品原料密度差异 根据食品原料的大小和形态 离心机是利用惯性离心力进行固 液 液 液 或液 液 固相离心分离的机械 离心机的主要部件是安装在竖直或水平轴上的快速旋转的转鼓 鼓壁上有的有孔 有的无孔 料浆送入转鼓内随鼓旋转 在惯性离心力的作用下实现分离 在有孔的鼓内壁面覆以滤布 则流体甩出而颗粒被截留在鼓内 称为离心过滤 对于鼓壁上无孔 且分离的是悬浮液 则密度较大的颗粒沉于鼓壁 而密度较小的流体集中于中央并不断引出 称为离心沉降 对于鼓壁上无孔且分离的是浮浊液 则两种液体按轻重分层 重者在外 轻者在内 各自从适当位置引出 称为离心分离 图4 6牛奶分离机1 浮子2 转鼓3 碟片4 驱动轴 膜分离是以分离膜为介质 以外界能量或化学位差为推动力 对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离 提纯或富集的过程 膜分离装置主要部件为膜组件和泵 所谓膜组件是将膜组装在某种形式的基本单元设备内 由泵提供外界压力 在循环下实现溶质和溶剂的分离 工业规模上的该单元设备为膜组件或简称组件 在膜分离工业装置中 可根据生产需要设置数个至数十个膜组件 工业上常用的反渗透膜组件形式主要有板框式 管式 螺旋卷式及中空纤维式等四种类型 图4 7常用的膜处理设备 粉碎 disintegrating 粉碎是利用机械的方法克服固体物料内部的凝聚力而将其破碎的一种操作 所有将大块食品再分为较小单位或颗粒的操作均属于粉碎范畴 食品粉碎的方式很多 挤压 物料置于两个工作构件之间 逐渐加压 使之由弹性变形或塑性变形而至破裂粉碎 这种粉碎方式仅适用于脆性物料 弯曲折断 物料在工作构件间承受弯曲应力 超过强度极限而折断 一般用来处理较大块的长或薄的脆性物料 剪切 是一种粉碎韧性物料能耗较低的粉碎方式 一般果 蔬 肉类的切块 切片 切丝 切丁都属于这一类 撞击 当物料与工作构件以相对高速运动撞击时 受到时间极短的变载荷而被击碎 这种粉碎方式适用于质量较大的脆性物料 研磨 物料与粗糙工作面之间在一定压力下相对运动而摩擦 使物料受到破坏 表面剥落 是一种既有挤压又有剪切的复杂过程 常见的粉碎设备 绞肉机 切片机 立式斩拌机 均质机等 锤式粉碎机械与设备 锤片粉碎系统一般由供料装置 机体 转子 齿板 筛片 板 排料装置以及控制系统等部分组成 工作时 原料从喂料斗进入粉碎室 受到高速回转锤片的打击而破裂 以较高的速度飞向齿板 与齿板撞击进一步破碎 如此反复打击撞击 使物料粉碎成小碎粒 在此期间 较细颗粒由筛片的筛孔漏出 留在筛面上的较大颗粒 再次受到粉碎 直到从筛片的筛孔漏出 从筛孔漏出的物料细粒由风机吸出并送入集料筒 带物料细粒的气流在集料筒内高速旋转 物料细粒受离心力的作用被抛向筒的四周 速度降低而逐渐积到筒底 通过排料口流入袋内 气流则从顶部的排风管排出 并通过回料管使气流中极小的物料灰粉回流到粉碎室 也可以在排风管上接集尘布袋 收集物料粉尘 辊式粉碎机械与设备 辊式磨粉机是食品工业特别是在面粉制造工业中广泛使用的粉碎机械 其他如啤酒麦芽的粉碎 油料的轧坯 巧克力的研磨 糖粉的加工 麦片和米片的加工等均有采用 磨辊是磨粉机的主要工作构件 一对磨辊由于速比和辊面状态不同 粉碎物料的过程也不同 等速反向旋转的光磨辊是以挤压的方式粉碎物料或使物料变形 典型设备是轧片机 差速反向旋转的光磨辊是以挤压和研磨两种方式粉碎物料 典型设备是面粉厂光辊磨粉机和辊式巧克力精磨机等 差速反向旋转的齿辊磨是以剪切 挤压和研磨三种方式粉碎物料 其典型设备是面粉厂的皮磨磨粉机和啤酒厂的麦芽粉碎机等 气流粉碎机械与设备 气流粉碎机又称流能磨 是一种超微粉碎机 其工作原理是利用压缩空气产生的高速气流对物料进行冲击 使物料相互间发生强烈的碰撞和摩擦作用 以达到细碎目的 气流粉碎机除粉碎机本体外 还须配备空气压缩泵 工作时将高速气流导入粉碎机内 气流粉碎的粉碎比大 成品粒度均匀一致 粉碎设备结构紧凑 磨损小且维修容易 但动力消耗大 易实现无菌操作 卫生条件好 对热敏性物料的超微粉碎有利 易实现多单元联合操作 广泛用于食品 农产品 医药 冶金 轻工等部门 气流粉碎机种类很多 常见的有立式环形喷射气流粉碎机 对冲式气流粉碎机 叶轮式气流粉碎机和超音速气流喷射式粉碎机等 立式环形喷射气流粉碎机主要由立式环形粉碎室 分级器和文丘里加料器等组成 其工作过程为 从若干个喷嘴喷出的高速压缩空气气流将喂入的物料加速并形成紊流状 致使物料在粉碎室中相互高速冲撞 摩擦而达到粉碎 粉碎后的粉粒体随气流经环形轨道上升 由于环形轨道的离心力作用 使粗粉粒靠向轨道外侧运动 细粉粒则被挤往内侧 回转至分级器入口处时 由于内吸气流旋涡的作用 细粉粒被吸入分级器中分离而排出机外 粗粉粒则继续沿环形轨道外侧远离分级器入口处通过而被送回粉碎室中 再度与新输入物料一起进行粉碎 振动粉碎机械与设备 振动磨是靠磨机系统的振动 使研磨体得到加速度运动而冲击和研磨物料的一种超细磨设备 其主要优点为破碎比高 粉碎时间短 适应性强 可用于任何物料的干磨或湿磨 缺点是进料粒度不能过大 振动磨按振动特点分为不平衡重的惯性振动磨和偏心振动的偏旋振动磨 使用普遍的惯性振动磨主要组成包括研磨体 筒体 振动器 弹簧及支承架 电机及弹性联轴器等 工作时 电机通过联轴器带动振动器的轴旋转 振动器在不平衡旋转体的惯性力作用下振动 由于振动 引起了装有一定量研磨体和物料的筒体摇动运动 而筒体和振动器的这种摇动给研磨体以快速脉冲 使研磨体沿筒体壁滑动上抛 分布在研磨体孔隙间的物料受研磨体的打击和研磨作用而被粉碎 图4 8 斩拌机是肉类制品生产工艺中的一个关键设备 它分为真空和非真空斩拌机 前者是在负压下工作 具有卫生条件好 物料温升小等优点 后者不带真空系统 在常