第三节　食品化学的研究内容

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、营养与功能性质及它们在加工、贮藏和运销中的变化，以及这些变化对食品品质和安全性产生影响的一门学科；是为改善食品品质，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，加强食品质量控制及提高食品原材料深加工和综合利用水平奠定理论基础的发展性学科。因此，食品化学的研究内容可归纳为两个方面：一方面是食品成分化学和食品在加工；另一方面是贮藏中的变化及该变化对食品品质的影响。

一、食品成分化学

根据食品化学研究内容的主要范围，食品成分化学主要包括食品营养成分化学、食品酶学、食品色香味化学、食品添加剂、食品有害成分化学及食品中的保健成分。主要涉及各成分的结构、理化性质、营养和安全性质研究，食品原料、配方改进研究以及食品化学理论和方法研究。根据研究对象的物质分类，食品成分化学的研究内容主要包括：

（1）食品中的水

水是食品六大营养素之一，广泛存在于各类食品中，占食品质量的4%～95%。作为食品中某些反应的反应物或反应介质，水决定着食品的特性、质地、外观、可接受性及贮藏期，是食品质量评价的重要指标。

（2）食品中的碳水化合物

碳水化合物是食品的主要成分之一，主要存在于谷物、蔬菜、水果及其他可食用植物中，是人类生存所必需的基础物质之一，是人类食品中热量的主要来源，还为食品提供了期望的质地、良好的口感及愉快的甜味。

（3）食品中的脂肪

脂肪是食品中重要的营养成分，不仅能提供热量和人体必需脂肪酸，还能作为载体输送脂溶性维生素。此外，脂肪是重要的热媒介质，赋予食品良好的口感和风味。

（4）食品中的蛋白质

蛋白质是生物体的重要组成部分，在生物体系中发挥核心作用，是生命活动的物质基础。在食品中，蛋白质和氨基酸对食品的色、香、味，以及组织状态和结构特征起着非常重要的作用，是食品化学的主要研究对象。

（5）食品中的酶

酶是生物活细胞产生的、具有高效催化活性和高度专一性的蛋白质或RNA。食品中的酶可分为添加到食品中有助于食品发生某些反应的外源酶和原本就存在于食品原料中的内源酶，两种酶对食品的加工和贮藏都有很大的影响。

（6）食品中的维生素

维生素是由多种不同结构的有机化合物构成的、人类生命活动所必需的微量营养素，是动植物食品的组成成分。不同种类的维生素的化学结构、理化性质和生理功能各不相同。维生素的含量是评价食品营养和功能价值的重要指标之一。

（7）食品中的矿物质

矿物质是构成人体组织和维持正常生理功能所必需的各种无机物的总称，是人体必需营养素之一。食品中矿物质的种类和含量非常丰富，并对食品其他成分的功能和食品的形状具有复杂的影响，是食品营养价值的重要评价指标之一。

（8）食品中的色素

食品色素是存在于动植物细胞和生物组织中的天然显色物质，以及一部分人工合成的着色剂。食品的色泽是构成食品感官质量的一个重要指标，同时还影响人们对食品风味的感知。因此，了解食品色素和着色剂的种类、特征及其在加工和贮藏过程中如何保持或赋予食品良好的色泽，防止颜色变化，是食品化学中值得被重视的问题。

（9）食品中的风味物质

食品风味是食物在摄入前后刺激人体的所有感官而产生的各种感觉的综合，包括味觉、嗅觉、触觉、视觉等感官反应而引起的化学、物理和心理感觉的综合效应，也就是食品使摄入者产生的综合效应。而食品风味物质则是能体现食品风味的化合物的统称。风味物质大多为非营养物质，虽不参加体内代谢，但能促进食欲。因此，研究风味物质对控制食品的加工贮藏条件，使食品保持优良的风味，产生需宜的风味，防止非需宜风味的形成是非常必要的。风味也因此成为评价食品质量的重要指标之一。

（10）食品添加剂

食品添加剂是为了达到改善食品的色、香、味，保持或提高食品的品质，增强食品的营养，延长食品的保质期，改善生产工艺和设备，提高劳动生产率等目的，有意识地加入食品中的一些物质。随着食品高新技术和新产品的发展，食品添加剂的使用范围越来越广。然而，无论哪种添加剂，其使用均需符合《GB 2760—2014食品安全国家标准食品添加剂使用标准》。

（11）食品中的有害物质

食品中的有害物质是食品或食品原料中含有的各种分子结构不同、对人体有毒或具有潜在危险性的物质，如农药、兽药残留，重金属污染，真菌毒素、亚硝胺或不良加工产生的多种微量有害物质。因此，预防、分析和减除食品中的有害物质是食品科学面临的重要任务之一。

（12）食品中的保健成分

食品中的保健成分是保健食品中含有的、较为丰富的具有调节人体某种生理功能的成分（营养因子），长期摄入这类食品，可改善亚健康人群的健康状态，对健康人群也无毒副作用。现代食品化学发展要求明确功能因子的功能、安全性、含量、量效关系及在食品加工贮藏中的稳定性。

二、食品在加工贮藏中的变化及其对食品质量的影响

食品从原料生产、加工、贮藏、运输到产品销售，每个过程无不涉及一系列化学和生物化学变化，这些变化不仅影响食品的营养价值、功能性质及风味，还会带来食品安全性问题。因此，对食品加工、贮藏中的变化及控制研究成为食品化学研究的核心内容，包括研究食品加工、贮藏过程中发生的化学、生物化学变化，该变化的机理及影响因素，变化对食品品质和安全性产生的影响。

表1-1～表1-4扼要给出了食品加工、贮藏中可能经历的品质变化、改变品质变化的反应类型、因果关系及决定食品品质的重要因素。将导致食品品质和安全性变化的原因和结果相联系，便于提高人们分析问题的能力，结合决定食品品质的重要因素，控制食品加工和贮藏条件，改进食品加工工艺和设备，解决导致食品质量变化的根本问题，以便更好地保护食品有益成分，减少有害成分，进一步提高产品的品质和安全性。

表1-1　在食品加工或贮藏中发生的典型品质变化

续表

表1-2　改变食品品质的一些化学反应和生物化学反应

表1-3　食品加工、贮藏中变化的因果关系

表1-4　决定食品在加工、贮藏中稳定性的重要因素

食品在加工和贮藏过程中发生的变化，一船包括生理成熟、后熟和衰老过程中的酶促变化和化学变化，主要有氧化反应、水解反应、热降解反应、交联反应等，例如，食品的酶促和非酶褐变、脂类水解、脂类氧化、脂类聚合、蛋白变性、多糖水解等（表1-2）。这些化学变化将会不同程度地影响食品的品质和安全性（表1-3）。然而，不同因素对加工贮藏中食品的质量变化影响程度不同（表1-4），可通过控制影响因素保证食品质量。

水分活度改变引起的变化多种多样。例如一定程度的脱水加工引起了非酶褐变，脂肪和脂溶性维生素的氧化及蛋白质的加速变性，但当水分活度降低至单分子层时，食品中常见的不利变化几乎全部变阻，使食品得以长期保质。

加工过程（如加热、搅拌、冷却等）中，原料被混合，细胞结构遭破坏，酶与底物的接触机会增加，发生水解、氧化、聚合等变化的可能性增加，从而引起食品营养物消耗、质构变软、风味和色泽发生改变。

自动氧化、光敏氧化和酶促氧化是食品加工和贮藏中引起食品变质的重要原因。许多维生素（C、D、E、A和B2）、脂类、色素及蛋白质中的含硫氨基酸及芳香氨基酸残基等都极易被氧化，造成营养损失，不良风味和有害成分形成。

光照和电离辐射在食品加工和贮藏中也经常引起品质变化。例如，牛奶长期日照会产生异味，腌肉制品和脱水蔬菜长期日照会变色或褪色，高剂量的电离辐射会引起脂类和蛋白质的分解变质，肉品辐射保藏过程中会出现异味。

酸、碱、金属离子和其他污染食品的成分也会引起某些变化。例如酸是多糖和苷类水解的催化剂，还是造成叶绿素脱镁的效应物。

酶活控制是食品加工和贮藏中保证食品质量的重要方法。主要通过加热、调节pH、加入酶激活剂或抑制剂、改变底物浓度或辅基浓度的方法实现对酶活力的控制。

食品加工和贮藏中可能会产生毒物。例如马铃薯贮藏过程中茄苷的生成、食品在烟熏中苯并芘的产生、肉类腌制中亚硝胺的生成等，这些毒物产生的途径各不相同，疏于防范会造成严重后果。

包装也会影响食品的变化，选用真空、充惰气等包装方法或合适的包装材料，大多数反应速度会很低，反之，反应速度会很高。例如残存在包装内的氧气造成的氧化反应会继续使食品营养成分损失；光照会导致天然色素变色或褪色；金属罐中金属转为离子会与植物多酚类或肉蛋白分解产生的硫化氢结合产生黑色物质。

在食品的加工、贮藏和运销中，微生物会引起多种化学变化。此时不同于微生物的工业利用，由于没有专门的调控措施，微生物在食品中引起的变化主要是不利变化。因此，食品化学注重研究由不同杀菌、消毒、防腐剂应用、酸度、水分活度、氧化还原电势、低温等防止微生物生长的条件引起的食品自身成分的变化，并试图寻找既能防止微生物生长，又能减轻食品品质受损的最佳方法。

食品的品质主要涉及质构、风味、颜色和营养（表1-1）。食品发生的变化会对自身产生有利和不利两方面的影响，要掌握该变化对食品到底产生何种影响，首先，要研究反应本身，掌握反应物、反应步骤和产物，明确反应条件对反应方向、速度和程度的影响。同时，搞清楚该反应和其他反应之间的关系。其次，要明确这些变化对食品品质的影响，特别要弄清该变化会影响食品品质的何种属性，还要知晓该变化产生的间接影响。最后，要掌握某类反应发生的条件或某种食品常发生的反应，便于在加工和贮藏中控制食品品质。

图1-2简要示意了食品中主要成分的变化及相互关系。从图1-2可知，脂类、碳水化合物、蛋白质等变化产生的过氧化物和活泼的羰基化合物是非常重要的反应中间产物，会引起色素、维生素和风味物质变化，最终导致食品品质发生变化。