食品化學(xué)課件教學(xué)文案

1、食品化學(xué)課件 水的物理性質(zhì): 1. 熔點,沸點高. 2. 介電常數(shù)大 3. 水的表面張力和相變熱大. 4. 密度低,結(jié)冰時體積膨脹. 5. 導(dǎo)熱值比非金屬固體大,0時,冰的導(dǎo)熱值為同溫度下水的4倍,擴(kuò)散速度為水的9倍. 6. 密度隨溫度而變化. 1. H2O分子的四面體結(jié)構(gòu)有對稱型. 2. H-O共價鍵有離子性. 3. 氧的另外兩對孤對電子有靜電力. 4. H-O鍵具有電負(fù)性. 水分子的締合1. H-O鍵間電荷的非對稱分布使H-O鍵具有極性,這種極性使分子之間產(chǎn)生引力. 2. 由于每個水分子具有數(shù)目相等的氫鍵供體和受體,因此可以在三維空間形成多重氫鍵. 3. 靜電效應(yīng).v 水是呈四面體的網(wǎng)狀結(jié)

2、構(gòu)v 水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)的v 水分子氫鍵鍵合程度取決于溫度 溫度() 配位數(shù) 分子間距nm 0 4 0.276 1.5 4.4 0.290 83 4.9 0.305 在最適度的低溫冷卻劑中緩慢冷凍 溶質(zhì)的性質(zhì)及濃度均不嚴(yán)重干擾水分子的遷移。按冷凍速度和對稱要素分，冰可分為四大類：o 六方型冰晶o 不規(guī)則樹枝狀結(jié)晶o 粗糙的球狀結(jié)晶o 易消失的球狀結(jié)晶及各種中間體。 自由水 體相水 截留水 水 化合水 結(jié)合水 鄰近水 多層水Water that is an integral part of a nonaqueous constitutents. 在-40下不結(jié)冰無溶解溶質(zhì)的能力與純水比較

3、分子平均運動為0不能被微生物利用 Water that strongly interacts with specific hydrophilic sites of nonaqueous constituents by water-ion and water-dipole associations 在-40下不結(jié)冰 無溶解溶質(zhì)的能力 與純水比較分子平均運動大大減少 不能被微生物利用此種水很穩(wěn)定，不易引起Food的腐敗變質(zhì)。 water that occupies remaining first-layer sites and forms several additional layers aro

4、und hyyydrophilic groups of nonaqueous constituents; water-water and water-solute hydrogen bonds predominate. 大多數(shù)多層水在-40下不結(jié)冰，其余可結(jié)冰，但冰點大大降低。 有一定溶解溶質(zhì)的能力 與純水比較分子平均運動大大降低 不能被微生物利用 water that occupies positions furthest removed from nonaqueous constituents; water-water hydrogen bonds predominate. 能結(jié)冰，但冰點

5、有所下降 溶解溶質(zhì)的能力強(qiáng)，干燥時易被除去 與純水分子平均運動接近 很適于微生物生長和大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)，易引起Food的腐敗變質(zhì)，但與食品的風(fēng)味及功能性緊密相關(guān)。水與溶質(zhì)相互作用的分類種類 實例 相互作用強(qiáng)弱 （與H2O-H2O氫鍵比較） 偶極-離子 H2O-游離離子 較強(qiáng) H2O-有機(jī)分子帶電基團(tuán) 偶極-偶極 H2O-PR-NH， H2O-PR-CO 近乎相等 H2O-側(cè)鏈OH 疏水水合 H2O+RR（水合） G0 疏水相互作用 R（水合）R（水合） R2（水合）+ H2O G0 水與溶質(zhì)相互作用的分類 在稀水溶液中一些離子具有凈結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)（Net structure-breaking ef

6、fect), 這些離子大多為負(fù)離子和大的正離子，如：K+, Rb+, Cs+, NH4+, Cl-, Br-，I-,NO3-,BrO3-,IO3-，ClO4-等。 另外一些離子具有凈結(jié)構(gòu)形成效應(yīng)（Net structure- forming effect),這些離子大多是電場強(qiáng)度大，離子半徑小的離子。如：Li+, Na+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+，F(xiàn)-,OH-, 等。 疏水水合(Hydrophobic hydration)：向水中添加疏水物質(zhì)時，由于它們與水分子產(chǎn)生斥力，從而使疏水基團(tuán)附近的水分子之間的氫鍵鍵合增強(qiáng)，使得熵減小，此過程成為疏水水合。 當(dāng)水與非極性基團(tuán)接觸時

7、，為減少水與非極性實體的界面面積，疏水基團(tuán)之間進(jìn)行締合，這種作用成為疏水相互作用。 是象冰一樣的包含化合物，水為“宿主”，它們靠氫鍵鍵合形成想籠一樣的結(jié)構(gòu)，通過物理方式將非極性物質(zhì)截留在籠內(nèi)，被截留的物質(zhì)稱為“客體”。一般“宿主”由20-74個水分子組成，較典型的客體有低分子量烴，稀有氣體，鹵代烴等。 一 Water activity(aw)的定義: 水分活度(water activity)是指食品中水的蒸汽壓與該溫度下純水的飽和蒸汽壓的比值,可用下式表示: aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2) 水分活度的物理意義是表征生物組織和食品中能參與各種生理作用的水分含量與總含水量

8、的定量關(guān)系. 應(yīng)用aw =ERH/100時必須注意: aw 是樣品的內(nèi)在品質(zhì),而ERH是與樣品中的水蒸氣平衡是的 大氣性質(zhì). 僅當(dāng)食品與其環(huán)境達(dá)到平衡時才能應(yīng)用. 只有當(dāng)溶質(zhì)是非電解質(zhì)且濃度小于1mol/L的稀溶液時,其水分活度才可以按 aw =n1/(n1+n2)計算: 溶質(zhì) A aw 理想溶液 0.9823=55.51/(55.51+1) 丙三醇 0.9816 蔗糖 0.9806 氯化鈉 0.967 氯化鈣 0.945 A:1千克水(約55.51mol)溶解1mol溶質(zhì) aw=-KH/RT 比較高于和低于凍結(jié)溫度下的aw時應(yīng)注意兩個重要差別: 在凍結(jié)溫度以上, aw是樣品組分與溫度的函數(shù),

9、且前者是主要因素,在凍結(jié)溫度以下, aw與樣品組分無關(guān),只取決于溫度,不能根據(jù)aw預(yù)測受溶質(zhì)影響的冰點以下發(fā)生的過程,如擴(kuò)散控制 過程,催化反應(yīng)等. 凍結(jié)溫度以上和以下aw對食品穩(wěn)的影響是不同的. Definition:polts interrelating water content of a food with its water activity at constant temperature . 由于水的轉(zhuǎn)移程度與aw有關(guān),從MSI圖可以看出食品脫水的難易程度,也可以看出如何組合食品才能避免水分在不同物料間的轉(zhuǎn)移. 據(jù)MSI可預(yù)測含水量對食品穩(wěn)定性的影響. 從MSI還可看出食品中非水組

10、分與水結(jié)合能力的強(qiáng)弱. 區(qū) I區(qū) II區(qū) III區(qū)Aw 0-0.2 0.2-0.85 0.85含水量% 1-6.5 6.5-27.5 27.5冷凍能力 不能凍結(jié) 不能凍結(jié) 正常溶劑能力 無 輕微-適度 正常水分狀態(tài) 單分子層水 多分子層水 體相水微生物利用 不可利用 部分可利用 可利用 定義:采用回吸(resorption)的方法繪制的MSI和按解吸(desorption)的方法繪制的MSI并不互相重疊的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象. 解吸過程中一些水分與非水溶液成分作用而無法放出水分. 不規(guī)則形狀產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象的部位,欲填滿或抽空水分需不同的蒸汽壓(要抽出需P內(nèi)P外, 要填滿則需P外 P內(nèi)). 解吸作用

11、時,因組織改變,當(dāng)再吸水時無法緊密結(jié)合水,由此可導(dǎo)致回吸相同水分含量時處于較高的aw. 水分活度與食品的穩(wěn)定性 Stability of low- and intermediate moisture foods (IMF) is dependent on water content and water activity Stability is often maintained below the monolayer water contentMicroorganisms may grow above a given, food material specific water content

12、Microorganisms do not grow at low water activities Growth of microorganisms may occur inintermediate moisture foods There are general water activity limits for growth of molds, yeasts and bacteria - aw 0.6 xerophilic yeasts and molds耐滲透壓酵母 - aw 0.7 molds - aw 0.75 halophilic bacteria 嗜鹽細(xì)菌 - aw 0.8 y

13、easts - aw 0.86 pathogenic bacteria (S. aureus)Microbiological stabilityOxidation Most foods contain lipids, colours, vitamins, etc.,which are susceptible to oxidation These compounds may be encapsulated and protected from oxidation at low water contents Increases in water content may release encaps

14、ulatedcompounds or result in enhanced diffusion of oxygen in the material “Free lipids”, i.e., nonencapsulated lipids oxidise rapidly at low water contents- increasing water content often decreases the rate of oxidation: dilution of catalysts, structural changes- at high water activities, the rate o

15、f oxidationincreases 在aw=0-0.33范圍內(nèi),隨aw,反應(yīng)速度的原因: 水與脂類氧化生成的氫過氧化物以氫鍵結(jié)合,保護(hù)氫過氧化物的分解,阻止氧化進(jìn)行. 這部分水能與金屬離子形成水合物,降低了其催化性 在aw=0.33-0.73范圍內(nèi),隨aw,反應(yīng)速度的原因: 水中溶解氧增加 大分子物質(zhì)腫脹,活性位點暴露加速脂類氧化. 催化劑和氧的流動性增加. 當(dāng)aw0.8時,隨aw,反應(yīng)速度增加很緩慢的原因: 催化劑和反應(yīng)物被稀釋. increasing water content often increases the rate of oxidation of protein Prot

16、ein denature Protein denature occur slowly at low water contents(0.4%) Protein denature does not occur when water content below 0.2%Starch staling Starch staling occur rapidly in water content of 30%-60%. Starch staling does not occur when water content decrease to 10%-15%. Several enzymatic changes

17、 do not occur at low aw (0.25-0.3) - diffusional limitations - low molecular mobility does not allow enzyme and substrate rearrangementsEnzymatic Changes Non-enzymatic browning (Maillard reaction,caramellisation) reactions may occur in most low and intermediate moisture foods Non-enzymatic browning

18、is extremely low or does not occur at low aw(0.2)- slow molecular motions- production of water in the reaction may enhance browningNon-Enzymatic Browning The rate of the reaction increases rapidly above a critical water activity- the rate is highest at intermediate aw(0.6-0.7)- at high water content

19、s, reactants are diluted and the rate of the reaction decreases The rate of browning often increases as a result of water released by crystallization of amorphous sugars, e.g., lactose in dairy powdersNon-Enzymatic Browning Structural transformations often occur above a critical water activity Typic

20、al changes in structure include collapse of physical structure, stickiness and caking of powders,and loss of crispness.Changes in Structure and Texture 可以通過布化奧爾方程計算食品單分子層水分含量。 冷凍是保藏大多數(shù)食品的理想方法： 其主要作用至于低溫，而不是形成冰。 溫度降低： 反應(yīng)速度降低； 冷凍濃縮： 底物濃度提高，反應(yīng)速度提高。 水分的位轉(zhuǎn)移： 食品中游離水的化學(xué)勢 = = （T,P) + RT lnaT,P) + RT lnaw w

21、水分蒸發(fā) 蒸汽凝結(jié) 玻璃態(tài)（glass state）：是聚合物的一種狀態(tài)，它既象固體一樣有一定的形狀，又象液體一樣分子間排列只是近視有序，是非晶態(tài)或無定形態(tài)。處于此狀態(tài)的聚合物只允許小尺寸的運動，其形變很小，類于玻璃，因此稱。 幾個概念玻璃化溫度（glass transition temperature, Tg）：非晶態(tài)食品從玻璃態(tài)到橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)變稱玻璃化轉(zhuǎn)變，此時的溫度稱。無定形（Amorphous）：是物質(zhì)的一種非平衡，非結(jié)晶態(tài)。 分子流動性（Mm）：是分子的旋轉(zhuǎn)移動和平轉(zhuǎn)移動性的總度量。決定食品Mm值的主要因素是水和食品中占支配地位的非水成分。 大分子纏結(jié)（Macromoleculer e

22、ntanglement）：指大的聚合物以隨機(jī)的方式相互作用，沒有形成化學(xué)鍵，有或沒有氫鍵。二元體系的狀態(tài)圖1、化學(xué)、物理反應(yīng)的速率與分子流動性的關(guān)系 擴(kuò)散因子D 碰撞頻率因子A 活化能因子Ea 決定化學(xué)反應(yīng)速度 擴(kuò)散限制反應(yīng)(Diffusion-limited reaction)：質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，自由基重新結(jié)合反應(yīng)，酸堿反應(yīng)，許多酶催化反應(yīng)，蛋白質(zhì)折疊反應(yīng)，聚合物鏈增長，以及血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合/去氧合作用。 非擴(kuò)散限制反應(yīng)(Non- Diffusion-limited reaction) ：高水分食品中的一些反應(yīng)，有些非催化的慢反應(yīng)等。 當(dāng)溫度降至Tg時，自由體積（Free volume）

23、顯著的變小，以致使聚合物鏈段的平動停止。 自由體積與分子流動性是正相關(guān)，減小自由體積在某種意義上有利于食品的穩(wěn)定性，但不是絕對的，而且自由體積目前還不能作為預(yù)測食品穩(wěn)定性的定量指標(biāo)。2.自由體積與分子流動性的相關(guān)性2、食品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與穩(wěn)定性簡單的高分子體系 復(fù)雜體系Tg=DSCDMA+DMTAW1Tg1+KW2Tg2W1+KW2Gordon and Tayor3、水的增塑作用和對Tg的影響 在高于或低于Tg時，水的增塑作用可以提高M(jìn)m。當(dāng)增加水含量時，引起Tg下降和自由體積增加，這是混合物平均分子質(zhì)量降低的結(jié)果 4、溶質(zhì)類型和分子量對Tg和Tg的影響5、大分子的纏結(jié)對食品性質(zhì)的影響 EN

24、對于冷凍食品的結(jié)晶速度，大分子化合物的溶解度、功能性乃至生物活性都將產(chǎn)生不同程度的影響，同時可以阻滯焙烤食品中水分的遷移，有益于保持餅干的脆性和促進(jìn)凝膠的形成。 Air Dring and Vacuum Freeze-Drying二元體系冷凍,干燥和冷凍干燥可能途徑的狀態(tài)圖 幾種不同分子質(zhì)量的碳水化合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和或P/P0（25）之間的關(guān)系 M 代表麥芽糊精，數(shù)字表示相對分子質(zhì)量食品貨架期的預(yù)測 顯示食品穩(wěn)定性的二元體系狀態(tài)圖 二者相互補(bǔ)充，非相互競爭 Aw法主要注重食品中水的有效性，如水作為溶劑的能力； Mm法主要注重食品的微觀黏度（Microviscosity）和化學(xué)組分的擴(kuò)散能力

25、。1.Drying methods2. Distillation method3. Chemical methodsSpectrometry methods1. Air-oven Method - put the sample (10g) in flat, tarred dish - specified time and temperature (150 for 1 h) - measure the loss of water.2. Vacuum oven Method - use it if you do not want to expose to high temperature. e.g

26、 Food rich in fructose must be dried at 70C or below.3. Hot plate Method -rapid, quality control, use some time, put in vacuum at 100, cool in desiccators, Mojonnier.4. Moisture-balance - balance in oven with IR light and heat. Measure the moisture loss. Karl Fisher Method-Standard technique for low

27、 moisture foods.Especially good for reducing sugars and protein-rich foods and good for foods with high volatile oils. H2O SO2 I2 H2SO4 HI+ 22Theory: SO2+I2+2H2O H2SO4+2HIC5H5NI2+C5H5NSO2+H2O 2C5H5N HI+C5H5N SO3 C5H5N SO3+CH3OH C5H5N HSO4CH3 總反應(yīng)式為:(I2+SO2+3C5H5N+CH3OH)+H2O 2C5H5N HI+ C5H5N HSO4CH3KARL FISHER METHOD 終點判斷終點判斷:達(dá)終點時,過量一滴碘液使體系呈現(xiàn)淺黃至棕黃色. 適用范圍適用范圍:各種液體,固體樣品,可用于痕量水的測定,可測出結(jié)合水.CondenserGraduated TrapSamples & SolventHeating MantleSolvent TolueneRefluxing & WaterSeparation MethodC