食品化学-绪论

高级食品化学

AdvancedFoodChemistry西南大学SouthwestUniversity第一专题

绪论教学目的和要求食品化学的概念食品化学的发展简史食品化学研究的内容食品化学研究的范畴食品中主要的化学变化概述食品化学的研究方法食品化学在食品工业技术发展中的作用

思考题参考文献教学目的和要求了解食品化学的概念、发展简史和食品化学研究的内容以及食品化学在食品工业技术发展中的重要作用。掌握食品中主要的化学变化以及其对食品品质和安全性的影响。熟悉食品化学的研究方法。

食品化学的概念营养素：指那些能维持人体正常生长发育和新陈代谢所必需的物质。食物：可供人类食用的含有营养素的天然生物体。食品：经特定方式加工后供人类食用的食物。化学：是研究原子、分子、离子层次范畴内物质的组成、结构、性质和化学变化规律以及变化过程中能量关系的科学，一般可分为无机化学、有机化学、分析化学、物理化学等。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它们在生产、加工、储存和运销过程中的变化及其对食品品质和安全性影响的科学。它为改善食品品质、开发食品新资源、革新食品加工工艺和贮运技术、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了理论基础的学科。食品化学、微生物学、生物学和工程学是食品科学的四大支柱学科。高级食品化学高级食品化学是基础(本科)食品化学的延伸、发展及提高，是为夯实和提高研究生食品化学理论基础及深入探讨其在食品科技领域里的实际应用而构建的教学课程，也是展示食品化学理论和应用研究现代进展的平台。通过本课程的学习，要求学生系统和深入理解高级食品化学理论及其应用范围，深入了解解决食品科技难题的化学思维方法、现代分析方法和化工技术原理，全面了解食品化学如何与其他科学交叉融合以解决食品生产难题、提高食品品质和安全性以及现代食品化学的最新研究发展动态。

高级食品化学区别于基础食品化学的主要特点是它体现了食品化学理论和应用的延伸和深化。它主要研究食品科技前沿关注的食品成分、性质和变化，深入探讨食品成分的功能及其与结构的关系，深入探讨重要食品变化的机理和主要食品成分的之间的相互影响，扩大探讨不同食品体系的物质组成和理化性质，深入研究食品保健功能因子化学及其功能开发，深入探讨食品风味化学的理论、方法和应用，系统深入研究食品动力学理论及其应用。虽然高级食品化学还是食品化学，但高级食品化学更加突出了食品化学与其它相关学科研究的不同侧重点和应用范畴，也比基础食品化学更显明的展示出本学科的最新进展，并更广泛吸纳融合了相关学科在食品应用领域的化学知识。由于高级食品化学的研究比基础食品化学更前沿、更深入和更综合，因此，学习它将显著提高学生的综合能力。食品化学的发展简史古代食品化学（20世纪50年代以前）瑞典人Carlwilhelmscheeie分离和研究了乳酸的性质（1780年），从柠檬汁（1784年）和醋汁（1785年）中分离出柠檬酸，从苹果中分离出苹果酸（1784年），并检验了20种普通水果中的柠檬酸和酒石酸，因此他从植物和动物原料中分离各种新化合物的工作被认为是在农业和食品化学方面精密分析研究的开端。法国化学家AntoineLaurentLavoisier(1743－1794)最早测定出乙酸的元素成分。法国化学家（Nicolas）TheodoredeSaussure(1767－1845年)用灰化的方法测定了植物中矿物质的含量，并首先完成了乙醇的精确化学分析。英国化学家HumpheyDavy在1813年出版了第一本《农业化学原理》法国化学家MichelFugene

Chevreul(1786－1889)在动物脂肪成分上的研究导致了硬脂酸和油酸的发现与命名。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、灰份和氮，将含氮量乘以6.25即得蛋白质含量，然后相继用稀酸和稀碱消化样品，得到的残渣称为粗纤维，除去蛋白质、脂肪、灰分和粗纤维后的剩余部份称为“无氮提取物”。JeanBaptisteDumas（1871）提出仅由蛋白质、碳水化合物和脂肪组成的膳食不足以维持人类的生命。JustusVonLiebig（1882年）于1847年出版了第一本有关食品化学方面的书《食品化学的研究》，但此时并未建立食品化学学科。

直到20世纪初，当食品工业已成为发达国家和一些发展中国家的重要工业，大部份的食品物质组成已为化学家、生物家和营养医学家的研究所探明，食品化学学科建立的时机才成熟。在此期间，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，为食品化学学科的建立奠定了坚实的基础。到了二十世纪30～50年代，具有世界影响的J.FoodAgric，J.FoodSci，J.Agric.FoodChem和FoodChem等杂志的相继创立，标志着食品化学的正式建立。近代食品化学（20世纪60～90年代）

在世界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》、《蛋白质在食品中的功能性质》等反映了近代食品化学的水平。权威性的食品化学教课书应首推美国O.R.Fennema主编的《FoodChemistry》和英国的H.D.Belitz主编的《Foodchemistry》，已出版第三版并在全世界广流传。

现代食品化学（20世纪90年代以后）

近年来，食品化学的研究领域更加宽广，研究手段日趋现代化，研究成果的应用周期越来越短。现在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性质、食品材料的改性、食品现代和快速分析方法、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现代化贮藏保鲜技术和生理生化研究方向发展。

食品化学研究的内容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、性质、结构和功能；阐明食品成分在生产、加工、贮藏、运销中的变化，即化学反应历程、中间产物和最终产物的结构及其对食品的品质和卫生安全性的影响；研究食品贮藏加工的新技术，开发新的产品和新的食品资源以及新的食品添加剂等，则构成了食品化学的主要研究内容。

根据研究内容的主要范围，食品化学主要包括食品营养成分化学、食品色香味化学、食品工艺化学、食品物理化学和食品有害成分化学。根据研究内容的物质分类，食品化学主要包括：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、维生素化学、食品矿质元素化学、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。

另外，在生活饮用水处理、食品生产环境保护、活性成分的分离提取、农产品资源的深加工和综合利用、生物技术的应用、绿色食品和有机食品以及保健食品的开发、食品加工、包装、贮藏和运销等领域中还包含着丰富的其它食品化学内容。

食品化学研究的范畴食品化学与化学、生物化学、生理学、植物学、动物学和分子生物学密切相关，食品化学主要依赖上述学科的知识有效地研究和控制作为人类食品来源的生物物质。了解生物物质固有的特性和掌握研究它们的方法是食品化学家和其它生物科学家的共同兴趣，然而食品化学家也有自己不同于其它生物科学家的特殊兴趣。生物科学家关心的是在与生命相适应或几乎相适应的环境条件下，活的生物物质所进行的繁殖、生长和变化。

食品化学家则主要关心死的或将要死的生物物质以及它们暴露在变化很大的各种环境条件下经历的各种变化，例如食品化学家关心新鲜果蔬在贮藏和运销过程中维持残有生命过程的适宜条件，如用低温、包装来维持果蔬的新鲜度，使之具有较长的货架期；相反，在为长期保存食品而进行的热加工、冷冻、浓缩、脱水、辐照和化学防腐剂的添加等预处理时，食品化学家则主要关心不适宜生命生存的条件和在这些加工和保藏条件下食品中各种组分可能发生的变化以及这些变化对食品的品质和安全性的影响；另外食品化学家还要关心破损的食品组织（面粉、果蔬汁等），单细胞食品（蛋、藻类等）和一些重要的生物流体（牛乳等）的性质和变化。食品中主要的化学变化概述食品从原料生产、经过贮、运输、加工到产品销售，每一过程无不涉及到一系列的变化，见表1-1，表1-2和表1-3，对这些变化的研究和控制构成了食品化学研究的核心内容。

表1-1在食品加工或储藏中可能发生的变化分类

属性变化质地失去溶解性、失去持水力、质地变坚韧、质地软化风味出现酸败、出现焦味、出现异味、出现美味和芳香颜色褐变（暗色）、漂白（褪色）、出现异常颜色、出现诱人色彩营养价值蛋白质、脂类、维生素和矿物质的降解或损失及生物利用性改变安全性产生毒物、钝化毒物、产生有调节生理机能作用的物质表1-2改变食品品质的一些化学反应和生物化学反应

反应类型例子非酶褐变焙烤食品表皮成色酶促褐变切开的水果迅速变褐氧化脂肪产生异味、维生素降解、色素褪色、蛋白质营养损失水解脂类、蛋白质、维生素、碳水化合物、色素水解金属反应与花青素作用改变颜色、叶绿素脱镁、作为自动氧化催化剂脂类异构化顺→反异构化、非共轭脂→共轭脂脂类环化产生单环脂肪酸脂类聚合油炸中油起沫蛋白质变性卵清凝固、酶失活蛋白质交联在碱性条件下加工蛋白质使营养性降低糖酵解宰后动物组织和采后植物组织的无氧呼吸表1-3食品贮藏或加工中发生变化的因果关系

初期变化二次变化影响脂类水解游离脂肪酸与蛋白质反应质地、风味、营养价值多糖水解糖与蛋白质反应质地、风味、颜色、营养价值脂类氧化

氧化产物与许多其他成分反应

质地、风味、颜色、营养价值、毒物产生水果破碎细胞打破、酶释放、氧气进入质地、风味、颜色、营养价值绿色蔬菜加热

细胞壁和膜的完整性破坏、酸释放、酶失活质地、风味、颜色、营养价值

肌肉组织加热蛋白质变性凝聚、酶失活质地、风味、颜色、营养价值脂类的顺一反异构化在油炸中油的热聚合油炸过度时起泡沫，降低油脂的营养价值食品在加工贮藏过程中发生的化学变化，一般包括生理成熟和衰老过程中的酶促变化；水份活度改变引起的变化；原料或组织因混合而引起的酶促变化和化学反应；热加工等激烈加工条件引起的分解、聚合及变性；空气中的氧气或其它氧化剂引起的氧化，光照引起的光化学变化及包装材料的某些成分向食品迁移引起的变化。这些变化中较重要的是酶促褐变、非酶促褐变、脂类水解、脂类氧化、蛋白质变性、蛋白质交联、蛋白质水解、低聚糖和多糖的水解、多糖的合成、糖酵解和天然色素的降解等。这些反应的发生将导致食品品质的改变并且损害食品的安全性。表1-4决定食品在贮藏加工中稳定性的重要因素

产品自身的因素各组成成分（包括催化剂）的化学性质、氧气含量、pH、水分活度（Aw）、玻璃化温度（Tg）、玻璃化温度时的水含量（Wg）。环境因素温度（T）、处理时间（t）、大气成分、经受的化学、物理和生物处理、见光、污染、极端的物理环境食品化学的研究方法化学研究的方法可概括为通过实验和理论探讨,从分子水平上分析和综合认识物质变化的方法；食品化学的研究方法则是通过实验和理论探讨,从分子水平上分析和综合认识食品物质变化的方法。食品化学的研究方法区别于一般化学的研究方法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，并且把实际的食品物质系统和主要食品加工工艺条件作为实验设计的重要依据。

由于食品是一个非常复杂的物质系统，在食品的配制、加工和贮藏过程中将发生许多复杂的变化，因此为了分析和综合有一个清晰的背景，通常采用一个简化的、模拟的食品物质系统来进行实验，再将所得的实验结果应用于真实的食品体系。可是这种研究方法由于使研究的对象过于简单化，由此而得到的结果有时很难解释真实的食品体系中的情况。因此在应用该研究方法时，应明确该方法的不足。食品化学的实验应包括理化实验和感官实验。理化实验主要是对食品进行成分分析和结构分析，即分析实验物质系统中的营养成分、有害成分、色素和风味物的存在、分解、生成量和性质及其化学结构；感官实验是通过人的直观检评来分析实验系统的质构、风味和颜色的变化。根据实验结果和资料查证，可在变化的起始物和终产物间建立化学反应方程，也可能得出比较合理的假设机理，并预测这种反应对食品品质和安全性的影响，然后再用加工研究实验来验证。在以上研究的基础上再研究这种反应的反应动力学，这一方面是为了深入了解反应机理，另一方面是为了探索影响反应速度的因素，以便为控制这种反应奠定理论依据和寻求控制方法。化学反应动力学是探讨物质浓度、碰撞几率、空间阻碍、活化能、反应温度和压力以及反应时间对反应速度和反应平衡影响的研究体系。通过速率方程和动力学方程的建立和研究，对反应中间产物、催化因素和反应方向及程度受各种条件影响的认识将得以深化。有了这些理论基础，食品化学家将能够在食品加工和贮藏中选择适当的条件，把握和控制对食品品质和安全性有重大影响的化学反应的速度。

上述的食品化学研究成果最终将转化为：合理的原料配比、有效的反应物接触屏障的建立、适当的保护或催化措施的应用、最佳反应时间和温度的设定、光照、氧含量、水份活度和pH等的确定，从而得出最佳的食品加工贮藏方法。

高级食品化学的研究方法是基础食品化学研究方法的延伸。它相对更加依赖现代分离和分析技术，以保证食品微量成分和反应中间物质更准确和更定量地被测定和追踪；它需要相对更加严密、系统和精心的实验方案设计，以及更加严格的实验条件控制，从而能够揭示更加复杂的食品体系中所发生的变化，并保证更细微、更隐蔽、更深层的实验现象被准确观察；它需要更广泛的应用多学科的知识和方法，从而使研究更加全面和综合并更加具有理论和应用价值。如果要给高级食品化学的学习者提些学习方法方面的建议，可以指出以下四点参考建议：1.要充分认识高级食品化学是食品化学的一部分，是它的深化和延伸。所以学习高级食品化学的同时还要复习基础食品化学，将它们融合为一体。2.要充分认识高级食品化学是多种化学和其他食品学科知识的一种深度综合。所以，理解、消化高级食品化学的过程中需要参考其他相关学科知识。3.要充分认识食品化学是一门应用化学。所以，学习过程中应高度关注高级食品化学的实际应用。熟悉了多个食品化学应用实例，就能更好地理解食品化学理论、方法和应用价值。4.尽可能通过思考、讨论、应用、评论、求证和批判的方法主动修正、补充和完善高级食品化学知识体系。

食品化学在食品工业技术

发展中的作用

表1-5食品化学指导下现代食品工业的发展

方面过去发展食品配方依靠经验确定依据原料组成、性质分析和理性设计工艺

依据传统，经验和粗放小试

依据原料及同类产品组成、特性的分析，根据优化理论设计开发食品

依据传统和感觉盲目开发

依据科学研究资料，目的明确地开发，并大大增加了功能性食品的开发控制加工和贮藏变化依据经验，尝试性简单控制依据变化机理，科学地控制开发食品资源盲目甚至破坏性的开发科学地、综合地开发现有和新资源深加工规模小、浪费大、效益低规模增大、范围加宽、浪费少、效益高表1-6食品化学对各食品行业技术进步的影响

食品工业影响方面果蔬加工贮藏

化学去皮，护色，质构控制，维生素保留，脱涩脱苦，打蜡涂膜，化学保鲜，气调储藏，活性包装，酶促榨汁，过滤和澄清及化学防腐等肉品加工储藏

宰后处理，保汁和嫩化，护色和发色，提高肉糜乳化力、凝胶性和粘弹性，超市鲜肉包装，烟熏剂的生产和应用，人造肉的生产，内脏的综合利用（制药）等饮料工业

速溶，克服上浮下沉，稳定蛋白饮料，水质处理，稳定带肉果汁，果汁护色，控制澄清度，提高风味，白酒降度，啤酒澄清，啤酒泡沫和苦味改善，防止啤酒馊味，果汁脱涩，大豆饮料脱腥等。乳品工业

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，乳品的营养强化等续表1-6焙烤工业生产高效膨松剂，增加酥脆性，改善面包皮色和质构，防止产品老化和霉变等食用油脂工业

精炼，冬化，调温，脂肪改性，DHA、EPA及MCT的开发利用，食用乳化剂生产，抗氧化剂，减少油炸食品吸油量等调味品工业生产肉味汤料、核苷酸鲜味剂、碘盐和有机硒盐等发酵食品工业发酵产品的后处理，后发酵期间的风味变化，菌体和残渣的综合利用等基础食品工业

面粉改良，精谷制品营养强化，水解纤维素和半纤维素，生产高果糖浆，改性淀粉，氢化植物油，生产新型甜味料，生产新型低聚糖，改性油脂，分离植物蛋白质，生产功能性肽，开发微生物多糖和单细胞蛋白质，食品添加剂生产和应用，野生、海洋和药食两用可食资源的开发利用等食品检验检验标准的制定，快速分析，生物传感器的研制等生物工程在食品中应用的成功与否紧紧依赖着食品化学：首先，必须通过食品化学的研究来指明原有生物原料的物性有哪些需要改造和改造的关键在哪里，指明何种食品添加剂和酶制剂是急需的以及它们的结构和性质如何；其次，生物工程产品的结构和性质有时并不和食品中的应用要求完全相同，需要进一步分离、纯化、复配、化学改性和修饰，在这些工作中，食品化学具有最直接的指导意义；最后，生物工程可能生产出传统食品中没有用过的材料，需由食品化学研究其在食品中利用的可能性、安全性和有效性。

近20年来，食品科学与工程领域发展了许多高新技术，并正在逐步把它们推向食品工业的应用。例如可解降食品包装材料、生物技术、微波食品加工技术、辐照保鲜技术、超临界萃取和分子蒸馏技术、膜分离技术、活性包装技术、微胶囊技术等，这些新技术实际应用的成功关键依然是对物质结构、物性和变化的把握，因此它们的发展速度也紧紧依赖于食品化学在这一新领域内的发展速度。

食品化学的发展前景

发展方向食品科研投资的重点将转向高、深、新的理论和技术方向。对食品成分的结构和反应机理将有更进一步的了解。将从分子水平上对功能食品中的功能因子所具有的生理活性进行深入研究将使得今后食品化学的理论和应用产生新的突破和飞跃。

研究方向

继续研究不同原料和不同食品的组成、性质和在食品加工和贮藏中的变化及其对食品品质和安全性的影响。研究开发新的食品资源，发现并脱除新食品资源中的有害成分的同时，保护有益成分的营养与功能性。继续研究解决现有食品工业生产中存在的各种各样的技术问题，如变色变味、质地粗糙、货架期短、风味不自然等问题。研究食物中功能因子的组成、结构、性质、生理活性、定性定量分析和分离提取方法以及综合开发措施，为保健食品的开发提供科学依据。

现代贮藏保鲜技术中辅助性的化学处理剂和膜剂的研究和应用。利用现代分析手段和高新技术，深入研究食品的风味化学和加工工艺。新食品添加剂的开发、生产和应用研究。快速定量定性分析方法或新的检测技术的研究和开发。资源精深加工和综合利用的研究。食品基础原料的改性技术研究。

高级食品化学的发展前景除继续深入研究本科食品化学的研究内容外,在以下几方面还要更加深入:食品安全，不仅仅研究化学污染、污染物在食品产销过程中的动态变化、检测技术和治理方法，也研究功能食品、新资源食品、新型食品加工技术的安全性，还研究微生物污染造成的食品化学变化和有毒有害物产生以及检测与治理此类危害的现代和潜在理化技术原理。

食品组成新的变化，新成分对人体健康的作用，新成分的结构、性质和在