吉林大学食品化学课件.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,*,单击此处编辑母版标题样式,食品化学,吉林大学,生物与农业工程,学院,王 昕,第一章 绪论,食品是可食的，可以充饥的、含有易消化营养素的物质，营养问题是食品研究的基本课题,食品化学的定义,食品化学的历史,食品化学的社会作用,食品化学的研究方法,what is food?,为维持正常生理机能而经口摄入体内的含有营养素的物料统称为食物，绝大多数是经过加工后才食用的，称为食物。,食品：要经过商品流通,可供人类食用或饮用的物质，包括加工食品，半成品和未加工食品，不包括烟草或只作药品用的物质。,广义的食品概念还涉及到：所生产食品的原料，食品原料种植，养殖过程接触的物质和环境，食品的添加物质，所有直接或间接接触食品的包装材料，设施以及影响食品原有品质的环境。,foods function,食品的生理功能：,第一功能营养,第二功能感官享受（嗜好性）,第三功能调节生理活动（功能性食品）,食品的社会文化功能,联络感情,维持社会安定民以食为天,食品科学的研究内容,食品科学是一门交叉学科，主要论述微生物学、化学、生物学和工程。,关于食品基础理论的研究（营养、生化、物性）,关于食品生产与加工的研究,新技术在食品生产中的应用,食品质量的研究,食品科学研究的中心,食品消费,营养卫生，科学合理,食品与环境的相互关系,食品包装、市场、法律等等,食品文化,食品科学的分类,食品化学物理食品学,：,食品体系的流变和物理性质,结构食品学,：,食品体系的宏观和微观结构,环境食品学,：,食品微生物学，食品卫生和食品包装,食品加工学,：,食品的转化、制作和保藏的原理,1.1食品化学的定义,从化学的角度和分子水平上研究食品中上述成分的结构、理化性质、营养作用、安全性及可享受性，以及各种成分在食物生产、食品加工和储藏期间的变化及其对食品营养性、安全性、感官享受性影响的科学；是为改善食品包装、开发食品新资源、革新食品加工工艺和储运技术、科学调整膳食结构、改进食品包装、加强食品质量与安全控制及提高食品原料加工和综合利用水平奠定理论基础的科学。,食品化学研究的内涵和要素,食品化学是交叉性明显的应用学科，涉及,化学、生物化学、物理化学、高分子化学、环境化学、毒理学、分子生物学、,植物学、动物学、食品营养学、食品安全、,食品的质量与安全(nutrition,security,flavor,texture,changes of food component,etc),食品中的化学和生物化学反应,各种反应对食品质量和安全的影响,分析食品在贮藏和加工过程中的变化,食品化学是食品的一个主要方面,食品化学论述食品的成分和性质以及食品在处理、加工和贮藏中经受的化学变化。,食品化学家关注的是已经死去或正在死去的生物物质和它们在环境条件下经受的变化,食品化学关注的主要是成本、质量、品种、方便及加工和使用化学物质对卫生和营养价值的影响,1.2,食品化学的历史,20,世纪食品化学才成为独立的学科,与食品化学有关的最主要发现始于,18,世纪,Justus von Liebig(1803-1873)1847,年发表了,食品化学的研究,1860,年食品中的主要成分为水、粗脂肪、灰分、蛋白质、“无氮提取物”（碳水化物）,20,世纪前期，鉴定了维生素、矿物质、脂肪酸和一些氨基酸,食品化学的进展与严重而普遍的食品掺假行为相平行（化学广泛用于生活使它走入邪路）,1.3,食品化学在食品科学中的地位,食品化学在食品科学与工程中有着重要的作用和特殊的地位，是发展迅速的应用学科之一,与下列问题密切相关,食品供应的充足程度,人群的健康,食品的成本,废物的产生和处置,水和能量的使用,食品法规的性质,对食品工业技术的发展起巨大作用,对保障人类营养与健康起关键作用,当前中国食品行业的三大问题：,食品供应不足,食品工业化生产,程度低,生产者和消费者食品知识的贫乏,贫穷,追求眼前利益,国家的政策不够完善,1.4,食品化学的研究方法,食品化学的基本研究方法,确定关键的化学和生物化学反应是如何能影响到食品的质量与安全、并将这种知识应用于食品配制、加工和贮藏过程中可能遇到的各种情况,分析影响产品质量的最关键指标,分析产品中可能的化学反应,影响该化学反应的因素有哪些,如何去控制这些因素，使产品的质量得到提高,1.4.1,食品的质量和安全属性,食品的质量,营养,感官,:,颜色,风味,质构,安全,食品安全是任何食品需要满足的第一要求,原料选择,加工条件,食品添加剂,“商业无菌”,食品保藏,1.4.2,食品中的化学和生化反应,反应种类,实例,被影响属性,非酶褐变,焙烤食品,风味,营养,酶处褐变,切开的水果,色泽,营养,氧化反应,脂类氧化,维生素降解等,风味,营养,色泽,质构,水解反应,脂类,蛋白质,色素,碳水化物,风味,营养,色泽,质构,蛋白质变性,蛋清凝结,酶失活,风味,营养,色泽,质构,1.4.3,反应对食品质量和安全的影响,L,C,P,活性羰基,色素,维生素,风味,过氧化物,氧化的,P,加热,强酸,强碱,加热,氧,催化剂,P,不良风味,不良色泽,失去营养,失去质构,中等水分,室温或高温,1.4.4,决定食品稳定性的重要因素,产物因素,各个组分的化学性质、氧含量、,pH,值、水分活度、,Tg,、,Wg,环境因素,温度、时间、温度变化率、大气组成、光照、污染、物理损伤、化学或生物化学处理,第二章 水,water,水的结构,Water Structure,水与溶质的相互作用,Solutions,水分活度,Water activity,分子流动性和食品稳定性,Molecular mobility&Food stability,引言,水以精巧而不被很好了解的方式创造和维持生命,在地球上,水是惟一以三种物态存在的物质,水对生命的重要性,体温调节剂,润滑剂和增塑剂,生物大分子构象的稳定剂,溶剂,营养成分和废物载体,反应剂和反应介质,水分,人体中最丰富最重要的物质,水的功能,机体的重要组成部分,缺水,2%,口渴，缺水达,20%,时则无法存活,促进营养素的消化，吸收与代谢,调节体温恒定，对机体有润滑作用,水的需求量,成人每摄取,1Kcal,热量约需水,1mL,水的来源（以,2500 mL/,天计）,代谢水：,300 mL/,天,食物水：,1000 mL/,天,饮料水：,1200 mL/,天（,8,杯）,2.1,水的结构,Water Molecular Structure,The lone pairs and bonding electrons repel one another,H,O,H,104,1 A,2.1 水的结构,Water Structure,H,2,O,hydrogen bonding between water molecules,covalent boning within the molecule,Polar molecules,极性分子,H,3,O,+,可以通过氢键“桥”转移,“H-桥”是动态的，但可使水具有低黏度,水分子的结构特点,水分子是四面体结构,OH,具有较强的极性,可以形成强的氢键,(10%,共价键,),每个水分子可以与两个相邻水分子形成,3D,结构,Tetrahedral Structure of Water,The OH bonds are highly polarized,Strong H-bonds(10%of covalent bond),Each water molecule can,hydrogen bond,to two neighbors allowing the formation of an extensive 3D structure,冰的结构,六方形冰晶,Hexagonal Ice,冰是水分子有序排列形成的晶体。,水结冰时分子之间氢键连接在一起形成低密度的刚性结构。,冰结晶不是完整的晶体，有方向性和离子型缺陷，主要以六方形为主,液态水的结构不稳定，并不是单纯由氢键形成四面体形状，而是通过“H-桥”形成短暂的多边形结构；,水分子的排列是动态的；,水中的氢键可被溶于其中的盐及具有亲水/疏水基团的分子破坏，如盐水,Liquid water and ice structures,2.2,食品中水的存在状态,2.2.1 水与溶质的相互作用,2.2.2 水分存在状态,2.2.1水溶质相互作用,离子溶液,Ionic Solutes,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,离子改变水的结构，影响水的介电常数，决定胶体粒子的双电层厚度,水与极性溶液的相互作用,Water and Polar Solutes,Hydrogen bonds,Dipole-dipole,attractions,，形成水化层，破坏纯水的结构,水与能形成氢键的中性基团作用时，分析对氢键的“净结构”的影响,脲素,羟基、氨基、羰基、酰胺基、亚氨基等,笼状水合物是水分子企图避免与疏水基团接触所产生的结果，影响到蛋白质等大分子的构象、反应性和稳定性,OIL,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,H,O,H,Less surface oil molecules,Fewer order“clathrate cage”water molecules,D,G0,droplets tend to merge（合并）,疏水缔合,The Hydrophobic,Effect,水与双亲分子的相互作用,小分子表面活性剂,（,Small Molecule Surfactants,）,亲水的极性基团,Hydrophilic head group,(charged or polar),疏水的非极性尾,Hydrophobic tail,(non-polar),Micelles and embranes,Surface activity,水与两性分子聚合体的作用,聚合体主干,Polymer backbone,水溶性基团多的部分,Sequence of more water,soluble subunits,疏水性基团多的部分,Sequence of less water,soluble subunits,Spontaneous folding,（自发折叠）,Surface activity,驱动力：疏水相互作用,2.2.2 水分的存在状态,结合水（束缚水、牢固水）,bond water,指存在于溶质和其它非水成分附近的、与溶质分子之间通过化学键结合的那部分水。按结合的牢固程度分：,化合水、邻近水、多层水,性质：,-40,不结冰,无溶解溶质的能力,基本无分子的平动运动能力,水分的蒸发焓增大,结合水,自由水,自由流动水,自由水（游离水、体相水）free water,指那些没有被非水物质化学结合的水，主要是通过一些物理作用而滞留的水。按物理作用方式分：,滞化水：指被组织中的显微或亚显微结构及膜所阻留的水，不能自由流动，也称不移动水,毛细管水：指生物组织的细胞间隙或食品的结构组织中所存在的一些毛细管中所滞留的水,自由流动水：指动物的血浆、植物的导管和细胞内液泡中的水，可以自由流动,自由水与结合水的性质比较,食品中的结合水与非水成分的缔合强度大，蒸汽压低、去除时耗能高，若强行除去，食品的风味和质构等特性将发生不可逆转的变化,结合水的冰点比自由水低得多，孢子可在低温下生存,结合水不能作为溶剂,结合水不能被微生物所利用,高水分含量的食品易滋生微生物吗？,水分的存在状态,水在食品中的存在状态取决于食品组织中的化学成分及这些成分的物理状态，十分复杂。,食品中水分存在状态及含量的高低，对食品的结构、加工特性、稳定性等有重要影响。,如何评价水分在食品中的作用？,2.3,水分活度,(Aw),和相对蒸汽压,Water activity and moisture sorption,2.3.1 水分活度的定义,2.3.2 水分活度与温度的关系,食品的水分含量和它的腐败性存在关系,相同含水量的食品腐败性不同,与非水成分缔合程度低的水分贡献率大,水分活度反映水与各种非水成分缔合的强度,水分活度是微生物生长和产品稳定性的指标,2.3.1 水分活度的定义,Aw:,水分活度,Water Activity,f,:,溶剂,(,水,),的逸度,(,溶剂从溶液中逃脱的趋势,),f,0,:,纯溶剂,(,水,),的逸度,p,、,p,0,:,分别为水和纯水的蒸汽压,水分活度,是指食品中水分存在的状态，即水分与食品中非水成分结合程度（游离程度）。,Aw=,f,/,f,0,p,/,p,0,Vapor Pressure of Pure Water,Mole fraction of water,1,Vapor pressure of water,p,0,0,Solubility limit,Liquid phase concentration=solubility limit,Saturated Solutions,How does water vapor partition from a solution into the surrounding gas?,25,部分常用饱和盐溶液的水分活度,盐种类,a,W,盐种类,a,W,CH,3,COOK,0.23,KBr,2,0.83,MgCl,2,0.33,KCl,0.86,K,2,CO,3,0.43,K,2,CrO,4,0.87,Mg(NO,3,),2,0.52,K,2,SO,4,0.97,CuCl,2,0.67,Na,2,HPO,4,0.97,NaCl,2,0.75,ZnSO,4,0.88,(NH,4,),2,SO,4,0.79,C,6,H,5,COOH,0.88,水分活度的测定方法,%ERH,：产品环境的百分平衡相对湿度,注：,1,、,A,w,是样品的内在性质，,%ERH,是大气性质,2,、仅当产品与它的环境相平衡时，上式成立,A,w,=,p,/,p,0,=%ERH/100,2.3.2 水分活度与温度的关系,1/T,冰或含有冰的生物材料,Aw,结论：,Aw-1/T是线性的,温度对Aw的影响在冰点以下远大于冰点以上,冰点,时，,直线出现明显的折断,水分活度与温度的关系,Aw,随温度变化的程度是水分含量的函数,1/T,Aw,含水量,25%20%,10%,4%,结论：,水分含量增加，Aw增加,温度升高，Aw增加,温度变化率取决于产品的种类,水分活度与温度的关系,冰点以上时，,Aw,是试样成分和温度的函数，且试样成分起主要作用,可以通过加糖、盐等降低食品的,Aw,冰点以下，,Aw,与试样的成分无关，仅取决于温度，即冰相存在时,Aw,不受溶质种类和比例的影响,不能用,Aw,预测冰点下发生的过程,2.4 水分吸着等温线,2.4.1 定义和区间,2.4.2 与温度的关系,2.4.3 滞后现象,2.4.1 水分吸着等温线定义与区间,Moisture Sorption Isotherm,（MSI）定义：,在恒温条件下，食品的含水量与A,W的关系曲线。,意义：,样品脱水的难易程度与A,W,有关；,配制混合食品必须避免水分在配料之间的转移；,测定包装材料阻湿性的必要性；,能抑制微生物生长时食品水分含量；,预测食品的化学和物理稳定性与水分含量的关系,广泛水分含量范围食品的水分吸着等温线,a,w,水分含量,(d.w.b.),低水分含量范围食品的水分吸着等温线,a,w,水分含量,(d.w.b.),Moisture content(d.w.b.),Zone 3,Zone 2,Zone 1,0.2,0.85,1,区和,2,区水分含量通常小于,5%,BET,理论,Brunauer,Emett,Teller,三人提出的理论,“,BET”,单层在干物质的可接近的高极性基团上形成一个单层所需要的近似水量,动力学、热力学、统计力学假设下的表达式,BET,理论,油炸土豆片的氧化速度,Monolayer moisture,0.35,0.5,是不使干物质的期望性质造成损失所允许的最高,A,w,范围,2.4.2 MSI 与温度的关系,a,w,水分含量,(d.w.b.),冷cold,（0,）,热,hot,Temperature Dependency,温度对MSI有重要影响：,一定水分含量时，随温度升高而增大；（右移）,（100,）,2.4.3 滞后现象（,hysteresis),a,w,水分含量,(d.w.b.),解吸,回吸,同一种食品用解吸和回吸两种方法制作的MSI的图形不一致，这种现象称为滞后现象,滞后现象（,hysteresis),水分含量,(d.w.b.),a,w,解吸,回吸,在相同水分活度条件下，吸水时没有脱水时的水分含量高,滞后现象产生的原因,解吸过程中一些水分与非水溶液成分作用而无法放出水分。,不规则形状产生毛细管现象的部位,，,欲填满或抽空水分需不同的蒸汽压(要抽出需P内P外,，,要填满则需P外P内)。,解吸作用时,，,因组织改变,，,当再吸水时无法紧密结合水,，,由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的a,w,。,冷冻干燥苹果片的吸着滞后现象,冷冻干燥熟猪肉的吸着滞后现象,冷冻干燥大米的吸着滞后现象,2.5 水分活度（等温吸湿线）与食品稳定性的关系,Water Activity and,Food Stability,a,w,比水分含量能更好地反映食品的稳定性,a,w,对微生物生长有更为密切的关系；,a,w,与引起食品品质下降的诸多化学反应、酶促反应及质构变化有高度的相关性；,用,a,w,比水分含量能更清楚地表示水分在不同区域移动情况；,从MSI图中所示的单分子层水的,a,w,（0.20-0.30）,所对应的水分含量是干燥食品的最佳要求；,a,w,比水分含量易测，且又不破坏试样,2.5.1食品中的与微生物的生长关系,与化学及酶促反应的关系,2.5.3与脂质氧化的关系,2.5.4与美拉德褐变的关系,食品稳定性与等温吸湿线的关系,a,w,Moisture content(d.w.b.),log(RATE),Lipid oxidation,Most reactions,Microbial growth,SORPTION ISOTHERM,粉状食品的质构变化,Moisture content(d.w.b.),Agglomerated,（结块）,Free flowing,0.4,a,w,（半）干燥食品质构的变化,Moisture content(d.w.b.),Soft,Crispy/crunchy,0.2-0.5,Texture Changes,a,w,食品稳定性与等温吸湿线的关系,微生物生长,酶水解卵磷脂,肉脂肪,非酶氧化,炸土豆片的脂肪,Vc,美拉德反应,褐色生成,Lys,损失,化学变化与水分活度关系的一般规律总结如下,淀粉：淀粉的食品学特性主要体现在老化和糊化上。老化是淀粉颗粒结构、淀粉链空间结构发生变化而导致溶解性能、糊化及成面团作用变差的过程。在含水量大,30,60%,时，淀粉的老化速度最快；降低含水量老化速度变慢；当含水量降至,10,15%,时，淀粉中的水主要为结合水，不会发生老化。,蛋白质及酶：据测定，当食品中的水分含量在,2%,以下时，可以有效的阻止蛋白质的变性；而当达到,4%,或其以上时，蛋白质变性变得越来越容易。,水促使蛋白质变性的原因是，水能使多孔蛋白质润胀，暴露出长链中可能被氧化的基团，导致氧化反应的发生，破坏保持蛋白质高级结构的弱键，从而使蛋白质变性。,褐变反应是影响食品质量和外观特性的重要的化学反应，包括酶促褐变和非酶褐变两类。,酶促褐变是在酶作用下，食品中的酚类化合物发生特殊的氧化反应使食品颜色变劣的过程。当食品中的水分活度在,0.25,0.30,之间时，酶促褐变可被有效防止；但当水分活度在此基础上增加时，酶促反应就会明显发生。,非酶褐变指食品通过一些非酶氧化而导致食品变色的反应。当食品中的水分活度在,0.6,0.7,之间时，非酶褐变最为严重；水分活度下降，褐变速度减慢，在,0.2,以下时，褐变难以发生。但当水分活度超过褐变高峰要求的值时，其褐变速度又由于体系中溶质的减少而下降。,脂肪：影响脂肪品质的化学反应主要为酸败，而酸败过程的化学本质是空气氧的自动氧化。,脂类的氧化反应与水分含量之间的关系为：,在,区，氧化反应的速度随着水分增加而降低；,在,区，氧化反应速度随着水分的增加而加快；,在,区，氧化反应速度随着水分增加又呈下降趋势。,其原因是在非常干燥的样品中加入水会明显干扰氧化，本质是水与脂肪自由基氧化中形成的氢过氧化合物通过氢键结合，降低了氢过氧化合物分解的活性，从而降低了脂肪氧化反应的速度；从没有水开始，随着水量的增加，保护作用增强，因此氧化速度有一个降低的过程；除了水对氢过氧化物的保护作用外，水与金属的结合还可使金属离子对脂肪氧化反应的催化作用降低。当含水量超过,、,区交界时，较大量的水通过溶解作用可以有效地增加氧的含量，还可使脂肪分子通过溶胀而更加暴露；当含水量到达,区时，大量的水降低了反应物和催化剂的浓度，氧化速度又有所降低。,水溶性色素：一般而言，当食品中的水分活度增大时，水溶性色素（常见的是花青素类）分解的速度就会加快。,微生物的生长：水分活度较大时才能生长，需要较多的自由水,总之，降低食品中的水分活度，可以延缓酶促褐变和非酶褐变的进行，减少营养成分的破坏，防止水溶性色素的分解。但水分活度太低，反而会加速脂肪的氧化酸败。要使食品具有最高的稳定性，最好将水分活度保持在结合水范围内。这样，既可使化学变化难以发生同时又不会使食品丧失吸水性和持水性。,水分活度影响食品稳定性的原因可以概括为,Humectants,保湿剂,常用的保湿剂有,蔗糖,sucrose,，丙二醇（聚乙二醇，,propylene glycol,），甘油,glycerol,Be careful of:,Solubility,MW,Flavor,Crystallization on storage,Chemical reactivity,Toxicity,Multicomponent,Foods,多组分食品,奶酪和饼干（,Cheese and cracker,）,焙烤食品和馅饼（,Baked products and filling,）谷类和水果（,Cereal and fruit,）,酸奶和冰淇淋（,Yogurt and Ice cream,）,2.6 冰在提高食品稳定性中的作用,冷藏是食品加工及贮运过程中的主要技术，这是因为在低温的条件下，降低了大多数化学反应的速度，食品的稳定性提高。,冷冻对反应速率有两个相反的影响，即降低温度使反应变得缓慢（不是因为形成冰），而冷冻产生的浓缩效应却又导致反应速率的增大,形成冰时有两个不利的后果：,在冻结情况下，由于结冰导致浓缩效应，其,pH,值、离子强度、黏度、酶的浓度、表面和界面张力及氧化还原电位的发生大的改变，促进了非水物质之间的接触机会，为一些反应创造了合适的反应条件,如：一些Vc,、,Va,、胡萝卜素、蛋白质等的氧化、磷脂的水解等反应。,细胞内冰晶的形成，将破坏细胞的结构，解冻时细胞内物质移到细胞外，使食品汁液流失；结合水减少，使一些食品冻结后失去饱满性、膨胀性和脆性,采取速冻、添加抗冻剂,Freezing Point Curve,Temp/C,0,-10,-20,-30,-40,0%,50%,100%,Water frozen,冷冻食品的质量,取决于冷冻速度和保藏时间,/,温度,冷冻速度的影响,存在细胞结构时宜采用快速冷冻、慢速解冻,“奥式熟化”（,Ostwald Ripening,）,diffusion,diffusion,diffusion,diffusion,The Kelvin Equation,r=crystal radius,s=crystal solubility,Mechanism of Growth,There is a surface tension between phases,Magnify,“,Solid”molecules strongly attract other ice molecules,Crystal,Melt,2.,7,分子流动性与食品的稳定性,（,Molecular mobility,Mm,）,2.7.1 状态图,2.7.2 分子流动性、状态图与食品性质的关系,2.7.3 分子流动性、状态图与食品稳定性的关系,Interrelated concept,无定形（,Amorphous):,物质的非平衡和非结晶状态（过饱和溶液）,玻璃态（,Glass state,Glassy),：,以无定形（非结晶）固体存在的物质是处于玻璃态,黏度足够大，使,大多数大分子,的移动和转动减少至可以忽略的水平,玻璃化温度,（,Glass transition temperature,T,g,),是一个过饱和溶液（无定形液体）转变成玻璃的温度,取决于溶质的类型和水的含量,当温度低于,T,g,时，除水分子外的所有分子失去移动，仅保留有限的转动和振动,分子流动性,大分子缠结（,Macromoleculer,entanglement),大的聚合物以随机方式相互作用，没有形成化学键,当大分子缠结广泛时，形成粘弹性网,当一个食品被冷却或水分含量被减少，以致于全部或部分转变成玻璃态时，,Mm,显著降低和扩散限制的性质变得稳定,molecular mobility-the capacity of the molecules present to move.Molecular mobility increases with,temperature,(the more thermal energy the molecules have the faster they move)and the conc.,（Concentration）,of small molecules(almost always,water,which acts as a molecular level,lubricant,or,plasticizer,).,分子流动性：分子的运动能力；,是分子的旋转移动和平转移动性的总度量。决定食品Mm值的主要因素是水和食品中占支配地位的非水成分。,大多数情况下，,Aw,和,Mm,方法研究食品稳定性是互补的：,Aw,方法,将注意力集中在食品中水的有效性，如水作为溶剂的能力；,Mm,方法,将注意力集中在食品的微观黏度和化学组分的扩散能力，取决于水的性质,由分子流动性判定的某些食品的性质,干燥或半干食品,冷冻食品,流动性和粘性 美拉德反应,水分迁移（冰的结晶作用）,结晶与重结晶 淀粉的糊化,乳糖的结晶,巧克力中的糖霜 酶活力,酶活力,食品的质地 孢子的热失活,冷冻干燥升华阶段无定形相结构,塌陷,冷冻干燥第二阶段（解吸）时的结构塌陷,收缩（冷冻甜饼泡沫状结构的部分,塌陷）,胶囊中挥发性物质的逃逸,淀粉变性引起的焙烤食品的老化,焙烤食品冷却时的破裂,2.7.1 状态图（,State diagrams),Solution,溶液,Glass,玻璃,S.S.,soln.,Ice+Soln.,冰,+,溶液,Ice+S.S.glass,冰,+,玻璃,T,E,T,g,溶质质量分数,Conc.Solute,%,0,100温度,Temp,o,C,60,30,0,Ice+S.S.Soln.,冰,+,过饱和溶液,不稳定,稳定,可变的稳定性，高度依赖温度,T,m,2.7.2 分子流动性与食品性质的相关性,Relationship of Mm and food stability,扩散因子,D,碰撞频率因子,A,活化能因子,Ea,决定化学反应速度,2.7.2.1 理化反应的速率与分子 流动性的关系,扩散限制反应：,扩散因子D对反应的影响大于碰撞频率因子A和活化能因子Ea的影响。,包括：,质子转移反应，自由基重新结合反应，酸碱反应，许多酶催化反应，蛋白质折叠反应，聚合物链增长，以及血红蛋白和肌红蛋白的氧合/去氧合作用。非扩散限制反应:,扩散因子D对反应的影响小于碰撞频率因子A和活化能因子Ea的影响,。,包括：,高水分食品中的一些反应，有些非催化的慢反应等,。,不宜用,Mm,方法研究的情况：,不显著受扩散限制影响的反应,研究某特定化学作用的影响（如改变酸度可氧浓度）,决定产品重要性质的因素是渗透进入聚合物的水分子,微生物细胞的生长（水分活度更可靠）,当温度降至Tg时，自由体积（Free volume）显著的变小，以致使聚合物链段的平动停止。,自由体积与分子,流动性,是正相关，减小自由体积在某种意义上有利于食品的稳定性，但不是绝对的，而且自由体积目前还不能作为预测食品稳定性的定量指标。,2.7.2.2,自由体积与分子,流动性,的相关性,2.7.2.3 水分对Tg的影响,水是一种强力增塑剂，在没有其它外界因素时，水分含量是影响食品体系玻璃化转变温度的主要因素,水分的分子量小,非水组分与水相容后，减少了分子内外的氢键作用，表现为分子柔性增加，,Tg,降低,通常添加1%的水可以使,Tg,降低510,（表2-8）,2.7.2.4 碳水化合物及蛋白质对Tg的影响,可溶性的小分子碳水化合物及蛋白质 分子流动性强,分子量小，,Tg,降低,通常添加1%的水可以使,Tg,降低510,（表2-8）,Tg,显著地依赖于溶质的种类和水分含量，而,Tg,则主要与溶质的类型有关。,水分活度,Tg,麦芽糊精,3600,麦芽糊精1200,麦芽糊精,720,蔗糖 麦芽糖,Concept 2:,The rates of most physical events&some chemical events are governed by molecular mobility,大多数物理变化和一些化学变化的速度由,Mm,决定,扩散限制反应（大多数快速反应）,具有较低活化能,Ea,和较高的碰撞频率因子,A,Concept 3,Free volume is mechanistically related to,Mm,自由体积在机制上与,Mm,有关,As temperature is lower,Free volume decreases,making translational and rotational motion(,Mm,)more difficult.,Thus,as temperature,T,g,the stability of diffusion-limited properties of food is generally good.,Concept 4,Most food exhibit a glass transition temperature(,T,g,or,T,g,)or range,大多数食品具有玻璃化相变温度,(,T,g,or,T,g,),或范围,are the glass transition values(in K)of components 1(water)and 2 of the sample;,Concept 7,Solute type greatly affects,Tg,and,Tg,溶质类型显著影响,Tg,和,Tg,Tg,随溶质分子量提高而显著增加,水分活度,Tg,麦芽糊精,3600,麦芽糊精,1200,麦芽糊精,720,蔗糖 麦芽糖,冷冻工艺,时间,温度,温度,时间,纯水,至少含一种溶质的溶液,益处来源于低温而不是冰的形成,J,A,B,C D,E,F,G,I,H,K,L,T,g,干燥,冷冻,冷冻：,不稳定顺序,ABCDE,稳定顺序,ABCDE T,g,F,干燥：,不稳,AHIJK,稳,AHIJLG,冷冻干燥：,不稳,ABCDEG,，稳,ABCDE T,g,FG,Fondant,软糖,Manufacture,Cook to 114-120C,Cool quickly and gently to 45C,Vigorously mix until all clarity is lost and a creamed malleable,（可塑性）,mass is formed,Ripen and mature for 24 h,Mm,方法处理食品稳定性的总结,Mm,Tm-,Tg,产品所在区域是分析食品稳定性的有效工具,影响,Mm,的关键组分是水、起支配作用的溶质,有效地估计扩散限制性质,如：冷冻食品的物理性质、冷冻干燥的最佳条件、胶凝作用、淀粉老化等,不适于不含冰的食品中微生物生长和非扩散限制反应速度的评价,二者相互补充，非相互竞争,本章小结,1.,水分子的结构特征：,水是呈四面体的网状结构,水分子之间的氢键网络是动态的,水分子氢键键合程度取决于温度,2.,水分子的缔合：,由于每个水分子具有相等数目的氢键给体和受体，能够在三维空间形成氢键网络结构。,3.,冰：,是由水分子有序排列形成的结晶，有,11,种晶型，其中六方冰晶是最稳定的。,4.,水的结构模型：,混合模型,连续结构模型,填隙结构模型,5.,化合水：,与非水组分紧密结合并作为食品组分的那部分水。,特点：,在,-40,下不结冰。,无溶解溶质的能力。,与纯水比较分子平均运动为,0,。,不能被微生物利用。,6.,邻近水：,与非水组的特异亲水部位通过水,-,离子和水,-,偶极产生强烈相互作用的水。,特点：,在,-40,下不结冰。,无溶解溶质的能力。,与纯水比较分子平均运动大大减少。,不能被微生物利用。此种水很稳定，不易引起,Food,的腐败变质。,7.,多层水：,占据第一层邻近水剩余位置和围绕非水组分亲水基团形成的另外几层水。,特点：,大多数多层水在,-40,下不结冰，其余可结冰，但冰点大大降低。,有一定溶解溶质的能力。,与纯水比较分子平均运动大大降低。,不能被微生物利用。,8.体相水：,距离非水组分位置最远，水,-,水氢键最多。它与稀盐水溶液中水的性质相似。,特点：,能结冰，但冰点有所下降。,溶解溶质的能力强，干燥时易被除去。,与纯水分子平均运动接近。,很适于微生物生长和大多数化学反应，易引起食物的腐败变质，但与食品的风味及功能性紧密相关。,9.水分活度的测定方法：,冰点测定法；相对湿度传感器测定法；恒定相对湿度平衡法。,10.水与溶质的相互作用：,与离子基团、极性基团、非极性基团，两亲分子的相互作用。,11.水,分,活,度,的定义：,指某种食品在密闭容器中达到平衡状态时的水蒸汽分压；与同一温度下纯水的饱和蒸汽压之比。,12.,吸着等温线：,在恒温条件下，以食品的含水量（用每单位干物质质量中水的质量表示）对水活性绘图形成的曲线，称为水分吸着等温线（,moisture sorption isotherms,MSI,）。,13.,滞后现象：,采用向干燥样品中添加水（回吸作用）的方法绘制水分吸着等温线和按解吸过程绘制的等温线并不相互重叠，这种不重叠性称为滞后现象。,14.,水活度对食品稳定性的影响：,水分活度对食品中微生物生长的影响；水分活度对食品化学变化的影响。,15.,分子流动性（,Mm,）：,是分子的旋转移动和平转移动性的总度量。决定食品,Mm,值的主要因素是水和食品中占支配地位的非水成分。,16.Aw,和,Mm,方法研究食品稳定性的比较：,二者相互补充，非相互竞争，,Aw,法主要注重食品中水的有效性，如水作为溶剂的能力；,Mm,法主要注重食品的微观黏度（,Microviscosity,）和化学组分的扩散能力。,本章作业,1、试述水在食品中的存在状态及各种状态水的特性。,2、试述水与溶质之间的相互作用及其机理。,3、什么是水分活度？什么是吸附等温线？什么是滞后现象？,4、水分活度对食品中主要的化学变化的影响？,5,、,低水分活度能抑制食品化学变化,的,机理,？,6、分子流动性与食品稳定性的关系？,第3章 碳水化合物3,Carbohydrates,食品中的碳水化合物,单糖,monosaccharides,低聚糖,Oligosaccharide