食品化学的发展及未来的研究问题实用教案

1、 组成 组织 调节生理 热能 碳水化合物 - - - 脂肪 - - - 蛋白质 - - - 水 - - 维生素 - - 矿物质 - - 膳食纤维 保健 有机酸 防腐、风味、发酵、胶凝 色素 良好感官性状 风味物质 享受 食品添加剂 改善食品品质 污染物质 降低食品品质、有害健康基本营养素食品食品(shpn)的组成及性质的组成及性质第1页/共45页第一页，共45页。食品化学是从化学角度和分子水平上研究食品的化学组成、结构、理化性质、营养和安全性质以及食品在加工、贮藏(zhcng)和运销过程中发生的变化及其对食品品质（色、香、味、质构、营养）和安全性影响的科学定义定义(dngy)为改善食品品质、开

2、发食品新资源、革新食品加工工艺(gngy)和储运技术、改进食品包装、加强食品质量控制、科学调整膳食结构、提高食品原料加工和综合利用水平奠定理论基础的学科第2页/共45页第二页，共45页。 研究食品中营养成分，呈色、香、味成分和有害成分的化学组成、结构、性质和功能 研究食品成分之间在生产、加工、贮藏和运销中的变化，即化学反应历程、中间产物和终产物的结构及其对食品品质(pnzh)和安全性的影响 研究食品贮藏加工的新技术，开发新产品和新资源及新的食品添加剂等食品化学食品化学(huxu)的研的研究内容究内容根据研究内容的范围根据研究内容的范围(fnwi)分类分类食品营养成分化学 食品色香味化学 食品工

3、艺化学 食品物理化学食品有害成分化学第3页/共45页第三页，共45页。 食品碳水化合物化学(huxu) 食品油脂化学(huxu) 食品蛋白质化学(huxu) 食品酶学 食品添加剂化学(huxu)维生素化学(huxu)根据研究内容根据研究内容(nirng)的物质分类的物质分类化学（无机化学、有机化学(yu j hu xu)、生物化学、分析化学、物理化学）l矿物质元素化学l 调味品化学l 食品风味化学l 食品色素化学l 食品毒物化学l 食品保健成分化学第4页/共45页第四页，共45页。食品食品(shpn)化学的历化学的历史史起源可追溯到远古时代（中世纪(shj)）最早记录始于18世纪(shj)末期

4、20世纪(shj)才成为一门独立的学科 17801850年间年间(ninjin)的发展的发展1780-1784年 瑞典药物学家Carl Wilhelm Scheele 发现氯、甘油和氧 分离和研究了乳糖的性质 通过乳酸的氧化制备粘酸 发明一种用加热保藏醋的方法 分离出柠檬酸、苹果酸 检验了20种普通水果中的柠檬酸、苹果酸和酒石酸 农业和食品化学精密分析研究的开端农业和食品化学精密分析研究的开端 第5页/共45页第五页，共45页。1743-1794年法国化学家年法国化学家Antoine Laurent Lavoisier 建立了燃烧有机分析的基本原理建立了燃烧有机分析的基本原理 首先测定首先测定

5、(cdng)了乙酸的元素成分了乙酸的元素成分 1767-1845年法国化学家年法国化学家Nicolas Theodore de Saussure 研究了植物呼吸过程中气体成分的变化研究了植物呼吸过程中气体成分的变化 灰化法测定灰化法测定(cdng)植物的矿物质含量植物的矿物质含量 首先完成了乙醇的精确化学分析首先完成了乙醇的精确化学分析 1811年年 Joseph Louis Gay-Lussac和和Louis-Jacques Thenard 发明了定量测定碳、氢和氮百分数的第一个方法发明了定量测定碳、氢和氮百分数的第一个方法 1813年年 美国美国(mi u)化学家化学家Humphey Da

6、vy 分离了元素分离了元素K、Na、Ba、Ca、Mg等等 出版了第一本农业化学原理出版了第一本农业化学原理第6页/共45页第六页，共45页。瑞典化学家Jons Jzcob Berzelius(1779-1848) 苏格兰化学家Thmoas Thomson(1773-1852) 有机化学(yu j hu xu)式的开端 测定了2000种化合物的元素组成 证实了定比定律 发明了一种精确测定有机物水含量的方法 l1786-1889年 l 法国化学家Michel Fugene Chevreul l在动物脂肪成分上的研究导致了硬脂酸和油酸的发现和命名 l 有机物质(wzh)分析的先驱第7页/共45页第七

7、页，共45页。Justus Von Liebig 1842年 将食品(shpn)分类为含氮的和不含氮的物质，优化了定量分析有机物质的方法 1847年 出版了食品(shpn)化学的研究 第一本有关食品(shpn)化学的书19世纪早期（世纪早期（1820-1850年）年） 掺假的出现日益严重掺假的出现日益严重 化学化学(huxu)和食品化学和食品化学(huxu)开始在欧洲开始在欧洲占据重要地位占据重要地位 建立了化学建立了化学(huxu)研究实验室研究实验室 创立了新的化学创立了新的化学(huxu)研究杂志研究杂志 历史的里程碑历史的里程碑 第8页/共45页第八页，共45页。食品化学食品化学(hu

8、xu)的近的近期发展期发展19世纪中期世纪中期 英国的英国的Arthur Hill Hassall 绘制了显示纯净食品材料和掺杂食品材料的微观形象的示绘制了显示纯净食品材料和掺杂食品材料的微观形象的示意图意图 将食品的微观分析将食品的微观分析(fnx)提高至一个重要地位提高至一个重要地位 l 1860年年 德国的德国的W. Hanneberg和和F. Stohman l 发展了一种用来常规测定食品中主要成分的重要方法发展了一种用来常规测定食品中主要成分的重要方法(fngf)l 水分含量、粗脂肪、灰分、氮、粗纤维、无氮提取物（碳水水分含量、粗脂肪、灰分、氮、粗纤维、无氮提取物（碳水化合物）化合物

9、）l1871年 Jean Baptiste Duman 提出：仅由蛋白质、碳水化合物和脂肪组成的膳食不足于维持人类的生命第9页/共45页第九页，共45页。l1862年年 l美国美国(mi u)建立农学院建立农学院 l成立美国成立美国(mi u)农业部农业部 1906年 通过(tnggu)了美国第一个纯食品和药品法令 出现了全世界最大的国家农业实验站系统 20世纪前半期 发现并鉴定的大部分的必需的食用物质是 维生素、矿物质、脂肪酸和氨基酸20世纪初，食品工业已成为(chngwi)发达国家和一些发展中国家的重要工业，大部份的食品物质组成已经探明，食品化学学科建立的时机才成熟第10页/共45页第十页

10、，共45页。20世纪初 ，食品工业的不同行业纷纷创建(chungjin)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，为食品化学学科的建立奠定了坚实的基础 到了20世纪3050年代(nindi)，具有世界影响的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 20世纪6090年代，在世界(shji)主要大国有不同文本的食品化学著作与世人见面，其中英文本的食品科学、食品化学、食品加工过程中的化学变化、水产食品化学、食品中的碳水化合物、食品蛋白质化学、蛋白质

11、在食品中的功能性质等反映了近代食品化学的水平第11页/共45页第十一页，共45页。食品从原料生产、经过贮藏、运输、加工到产品销售，每一过程无不涉及到一系列的变化(binhu)，对这些变化(binhu)的研究和控制构成了食品化学研究的核心内容食品化学研究现状食品化学研究现状(xinzhung)与展望与展望现在食品化学的研究(ynji)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性质、食品材料的改性、食品快速分析方法、食品高新分离技术、未来食品包装技术、新食源、新工艺和新添加剂等方向发展第12页/共45页第十二页，共45页。1.高新技术高新技术(o xn j sh)在食在食品中的应用

12、品中的应用微胶囊技术 膜分离技术超临界萃取和分子蒸馏技术新灭菌(mi jn)技术辐照保鲜技术复合包装材料微波技术(jsh)超微粉碎技术(jsh)可食用膜技术(jsh)活性包装技术(jsh)生物技术(jsh)第13页/共45页第十三页，共45页。 基因工程改变重要的食品作物中的氨基酸含量和其它(qt)的功能性成分（生物活性物质），以增加其营养价值，如强化异黄酮的大豆、强化类胡萝卜素的植物 在植物组织中引入特殊基因，推迟(tuch)番茄的成熟和软化 利用蛋白质工程选择性改变蛋白质结构特征（表面憎水性或蛋白质稳定性），显著改善功能性质（凝胶能力(nngl)、起泡性、乳化性及持水性）生物技术生物技术

13、采用转基因技术大幅增加牛乳中乳铁蛋白的含量 利用基因技术减少动物肉类的结缔组织交联程度和改变脂类组成，以改进肉的感官和营养质量利用转基因技术改变油脂的脂肪酸组成，如高油酸含量的花生油第14页/共45页第十四页，共45页。生物工程产品往往是混合物, , 如何分离纯化其中的有效成分或者如何连同杂质一并用于食品需要食品化学来回答生物工程可能生产出传统食品中没用过的材料, , 需由食品化学研究(ynji)(ynji)其在食品利用的可能性和有效性葡萄糖异构酶、葡萄糖氧化酶、真菌蛋白酶、微生物淀粉酶和遗传工程凝乳酶的生产和利用以富马酸为原料, , 应用(yngyng)(yngyng)固定化细胞转化低成本生

14、产L-L-苹果酸 生物生物(shngw)技术在食品中应用时必须和食品化学技术在食品中应用时必须和食品化学紧密结合紧密结合 必须由食品化学研究何种添加剂或何种酶是急需的，它们的化学结构和性质如何生物工程中获得的添加剂及酶的结构和性质往往并不和食品中的应用要求完全相同，需要进一步化学改性或修饰第15页/共45页第十五页，共45页。美拉德反应的产物类黑精的研究：由一些不同(b tn)种类的高分子量化合物组成的混合物结合风味物质、抗氧化、抗诱变和消除活性氧等功能，食品类黑精还具有抗癌、防龋齿的作用2.反应机理反应机理(j l)研研究究1999年3月“食品类黑精与健康”919活动，分5个领域对各种食品类

15、黑精进行研究，至今已取得许多重要成果反应的具体过程和机理还不清楚，对食品类黑精的具体组成、分子结构(fn z ji u)、性质及其功能机理需做大量的深入研究第16页/共45页第十六页，共45页。食品风味形成机理例：加热条件(tiojin)下美拉德反应模型的研究模型的组成模型的组成反应条件反应条件检测到的挥发性产物检测到的挥发性产物资料来源资料来源麦芽糖，麦芽糖，Ala130反应反应30-90min300多种，包括烃类，醛多种，包括烃类，醛类，酮类，醇类，呋喃，类，酮类，醇类，呋喃，吡咯等吡咯等Fadel and Farouk，2002核糖，核糖，Cys145反应反应20min28种种Hofma

16、nn and Sceiberle，1995木糖，木糖，Cys121反应反应4h15种含硫化合物种含硫化合物Mussinan and Katz，1973葡萄糖，葡萄糖，Cys180反应反应93种种Umano et al.，1995核糖，核糖，Gly、Lys、Cys、MetpH4.5-6.5140 ，1h分别检测到分别检测到6、7、20、8种种Meynier and Mottram，1995第17页/共45页第十七页，共45页。非加热或温和条件非加热或温和条件(tiojin)(tiojin)下美拉德下美拉德反应模型反应模型模型的组成模型的组成反应条件反应条件研究内容研究内容资料来源资料来源葡萄糖，

17、葡萄糖，GlypH7，25，160天天色泽变化规律色泽变化规律Bell（1997）4种二羰基化合种二羰基化合物和物和2种羟基酮种羟基酮与酒中检测到的与酒中检测到的几种氨基酸几种氨基酸pH3.5，25，4周周检测到检测到Maillard反应生成反应生成的一些醛类，也检测到含的一些醛类，也检测到含硫氨基酸参与反应生成的硫氨基酸参与反应生成的一些杂环化合物一些杂环化合物Pripis-Nicolau et al.，2000葡萄糖，葡萄糖，Gly55，10天天检测到检测到9种挥发性化合物，种挥发性化合物，主要是糠醛类主要是糠醛类Venskutonis et al.，2002第18页/共45页第十八页，共

18、45页。第19页/共45页第十九页，共45页。研究的重点:特征香气成分及其形成、转化机理控制方法的研究在食品加工过程中，通过选择氨基酸和糖类，可以有目的的合成含有吡嗪类、吡咯类和呋喃类的不同香型风味物质(wzh)。利用反应有控制的制备肉类香精成为研究maillard反应的一个热点第20页/共45页第二十页，共45页。3.食品功能食品功能(gngnng)成成分研究分研究对功能对功能(gngnng)(gngnng)性食品中有效成分的含量、结构、性食品中有效成分的含量、结构、生理活性、保健作用、提取方法及食品应用加以深入研生理活性、保健作用、提取方法及食品应用加以深入研究究从分子水平上对功能从分子水

19、平上对功能(gngnng)(gngnng)食品中的功能食品中的功能(gngnng)(gngnng)因子所具有的生理活性及保健作用进行深入因子所具有的生理活性及保健作用进行深入研究研究研究内容：1、分离、纯化方法2、分析方法3、化学(huxu)结构4、功能性质5、制备方法第21页/共45页第二十一页，共45页。功能成分活性多糖：从植物体内和真菌中提取得到的多糖、膳食纤维及功能性低聚糖黄酮和多酚类物质：银杏黄酮、大豆异黄酮、葛根黄酮、茶多酚、葡萄(p to)多酚物质等类胡萝卜素：胡萝卜素、玉米黄素、叶黄素及番茄红素等不饱和脂肪酸：亚麻酸、亚麻酸、共轭亚油酸等活性肽：大豆多肽、乳多肽、血液多肽、骨多

20、肽等 第22页/共45页第二十二页，共45页。（1）天然功能成分(chng fn)的分离提取超声提取技术生物酶解技术微波技术超临界流体萃取技术膜分离技术大孔树脂分离技术高速逆流色谱（2）功能成分的定量(dngling)测定光谱方法：原子、分子光谱色谱方法：气相、液相色谱其它：电化学方法等 （3）功能成分的结构测定现代仪器分析为阐明(chnmng)食品中的功能成分组成与结构提供了有效的方法色谱技术，特别是制备色谱的应用为功能成分的分离纯化提供了有效方法光谱仪器及核磁共振、质谱、特别是色质联用如GCMS、LCMS、LCNMR、 X衍射等应用 第23页/共45页第二十三页，共45页。（4）功能性质(

21、xngzh)研究v抗氧化功能(gngnng)v抗疲劳功能(gngnng)v调节血脂功能(gngnng)v免疫调节功能(gngnng)v耐缺氧功能(gngnng)v改善睡眠功能(gngnng)v润肠通便功能(gngnng)v调节血糖功能(gngnng)v减肥功能v对辐射危害有辅助保护(boh)功能v促进消化功能v改善营养性贫血功能v调节肠道菌群功能v对化学性肝损伤有辅助保护(boh)功能v对胃粘膜损伤有保护(boh)功能 第24页/共45页第二十四页，共45页。例1：共轭亚油酸（CLA） 亚油酸的9、12两个双键(shun jin)异构产生的功能性高级脂肪酸 c9t11和t10c12是含量最多且

22、具有生理活性的两种异构体共轭亚油酸的生理功能调节血脂 抗肿瘤作用(zuyng) 抗缺氧 共轭亚油酸的制备(zhbi)化学合成法 异构化法 脱水法 生物合成法第25页/共45页第二十五页，共45页。例2：抗性淀粉(dinfn)（RS） 抗性淀粉是不被健康人体小肠(xiochng)所吸收的淀粉及其降解物总称物理包埋淀粉(RS1) 、抗性淀粉颗粒(RS2)、老化淀粉(RS3) 、化学改性淀粉(RS4) 酶无法接近的淀粉酶无法接近的淀粉（RS1）轻度碾磨的谷类、种籽、豆轻度碾磨的谷类、种籽、豆类食物类食物抗性抗性抗性淀粉颗粒抗性淀粉颗粒（RS2）未经糊化的生淀粉粒未经糊化的生淀粉粒和未成熟的淀粉粒，生

23、的土和未成熟的淀粉粒，生的土豆、香蕉、高直链淀粉豆、香蕉、高直链淀粉 抗性抗性老化淀粉（老化淀粉（RS3）粉丝、糊化后冷却的粉丝、糊化后冷却的土豆、米饭等土豆、米饭等 抗性抗性化学改性淀粉化学改性淀粉（RS4）商品改性淀粉商品改性淀粉抗性抗性第26页/共45页第二十六页，共45页。抗性淀粉(dinfn)的制备 抗性淀粉(dinfn)现在主要制备颗粒性的RS2和非颗粒性的RS3 高直链淀粉(dinfn)进行回生，或者是形成高度结晶的区域以抗酶解抗性淀粉(dinfn)的应用抗性淀粉应用于食品加工，不仅可提高纤维含量，还可改进食品的品质，使消费者能够在享受食品原有美味的条件下得到健康和营养它可以降低

24、餐后血糖、血清胆固醇和三酰甘油的水平，增强胰岛素的敏感性，从而达到防治代谢综合征的目的抗性淀粉作为低热、高膳食纤维含量的功能性食品成分将具有重要的工业应用价值作为焙烤食品优良的膳食纤维营养强化剂提高膨化小食品的膨化系数作为食品增稠剂 第27页/共45页第二十七页，共45页。4.食品食品(shpn)添加剂的开发与添加剂的开发与利用利用血红素血红素类胡萝卜素类胡萝卜素(h lu bo s)：胡萝卜素：胡萝卜素(h lu bo s)类和叶黄素类类和叶黄素类叶绿素叶绿素多酚类色素多酚类色素（1）天然色素（植物(zhw)、动物、矿物、微生物）第28页/共45页第二十八页，共45页。 分子辅色稳定作用分子

25、辅色稳定作用: :是花色素与其它物质间的聚合是花色素与其它物质间的聚合(jh)(jh)，是自然界中各种花色苷稳定的一个重要方面，是自然界中各种花色苷稳定的一个重要方面 花色苷的酰基化花色苷的酰基化: :糖基与脂肪族和芳香族有机酸酰化糖基与脂肪族和芳香族有机酸酰化 生物工程技术生物工程技术: :基因克隆技术，细胞培养基因克隆技术，细胞培养稳定稳定(wndng)技术研究技术研究进展进展第29页/共45页第二十九页，共45页。（2）天然(tinrn)甜味剂功能性单糖(如结晶(jijng)果糖)功能性低聚糖(如低聚果糖)多元糖醇(如木糖醇)糖苷(如甜菊苷、甘草素)（3）天然(tinrn)增稠剂天然动植

26、物提取或者加工的水溶性胶体物质 黄原胶 海藻酸钠 卡拉胶 果胶（4）天然乳化剂 大豆磷脂 酪蛋白 谷蛋白第30页/共45页第三十页，共45页。5.食品安全中的化学食品安全中的化学(huxu)问题问题 食品在加工和贮藏过程中产生的微生物污染，例如(lr)真菌毒素、细菌毒素污染 环境和生产污染，例如(lr)种植养殖过程的农用化学品污染 食品加工过程的超标、超限添加剂污染及非法使用非食品添加剂污染造成了食品安全的热点问题 加工与贮藏中传统加工工艺和制造过程中存在的潜在微量危害物质动物性食品动物性食品(shpn)中常见的化学中常见的化学污染污染 有害重金属元素 化学农药 食品添加剂 动物饲料添加剂：激

27、素、抗生素等 生物毒素：如河豚毒素 化学致癌物质：黄曲霉毒素、苯并芘等 有害化学掺假物：如罂粟壳第31页/共45页第三十一页，共45页。例1、反式脂肪酸(简称(jinchng)TFA)主要来源是氢化油脂和油脂高温脱臭工艺，天然油脂中也有一定(ydng)含量的反式脂肪酸v顺式的脂肪酸的油脂多为液态，熔点较低；而反式的脂肪酸的油脂多为固态或半固态，熔点较高v反式脂肪酸表现的一些(yxi)特性是介于饱和脂肪酸和顺式脂肪酸之间第32页/共45页第三十二页，共45页。反式脂肪酸的危害(wihi)影响人体免疫系统，增加血液黏稠度和凝聚力，促进血栓形成(xngchng)提高人体血液中LDL（低密度胆固醇），

28、降低HDL（高密度胆固醇)，增加了动脉硬化和型糖尿病的发生概率影响婴幼儿的生长发育并对中枢神经系统发育产生不良影响与心脑血管疾病、糖尿病、乳腺癌和老年痴呆症有关第33页/共45页第三十三页，共45页。第34页/共45页第三十四页，共45页。第35页/共45页第三十五页，共45页。减少食用油脂(yuzh)中反式脂肪酸的措施 对现有的氢化技术进行改进(gijn) 改进(gijn)油脂精炼技术 采用酯交换反应生产零TFA含量的油脂 基因改良技术，降低植物油料中的多不饱和脂肪酸含量第36页/共45页第三十六页，共45页。第37页/共45页第三十七页，共45页。分析方法 红外检测(IR)：反式双键在90

29、01050cm-1附近有吸收，定性检测TFA的存在 气相色谱(s p)(GC) Ag+薄层色谱(s p)(Ag+-TLC)：Ag+与顺式双键存在微弱的作用力，而与反式双键不发生作用，仅可作为粗略的分析 气相色谱(s p)质谱法（GC-MS）第38页/共45页第三十八页，共45页。例2、丙烯酰胺是一种公认的神经毒素和准致癌物，在一些油炸和烧烤的淀粉类食品，如炸薯条、炸土豆片、谷物(gw)(gw)、面包等中检出丙烯酰胺来源(liyun)v氨基酸和还原糖通过美拉德反应产生丙烯酰胺v油脂在高温加热过程中分解生成甘油三酸酯和丙三醇，甘油三酸酯的进一步氧化或丙三醇的进一步脱水均可产生小分子物质丙烯醛，而丙

30、烯醛经由直接氧化反应生成丙烯酸，丙烯酸再与氨水(n shu)(n shu)作用，最终生成丙烯酰胺第39页/共45页第三十九页，共45页。v食物(shw)(shw)中含氮化合物自身的反应，如水解、分子重排等作用形成v在脂肪、蛋白质、碳水化合物的高温分解反应中，会产生大量的小分子醛（如乙醛、甲醛等），它们在适当的条件，重新化合生成丙烯醛，进而生成丙烯酰胺v氨基酸分子的重排也是美拉德反应的常见过程。天门冬酰胺脱掉一个二氧化碳分子和一个氨分子就可以转化为丙烯酰胺 不同原料(yunlio)中丙烯酰胺含量食品种类食品中丙烯酰胺含量(hnling)ng/g奶酪 10-43可可豆（生） 30.9咖啡 169马铃薯 117-2762油炸马铃薯片 1500爆玉米花 97 第40页/共45页第四十页，共45页。丙烯酰胺危害(wihi) 欧洲食品科学委员会认为：丙烯酰胺具有生殖毒性及致癌性，1994年国际癌症研究机构将其列为人类可能致癌物 丙烯酰胺单体有遗传、生殖和神经毒性以及致癌和诱变(yu bin)效应。丙烯酰胺进入人体后引起急性、亚急性、慢性中毒。临床观察证明丙烯酰胺在人体内有蓄积作用，达到一定的蓄积量，就会导致周围神经病变和小脑功能性障碍，增加患癌的危险性避免(bmin)丙烯酰胺形成的措施1.1.从食品加工的原料控制丙烯酰胺的形成