华中农业大学：食品化学与分析

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第五章 氨基酸，肽和蛋白质第一节 概述蛋白质是生物体的重要组成部分，在生物体系中起着核心作用,占活细胞干重的50%左右。虽然有关细胞的进化和生物组织信息存在于DNA中，但是，维持细胞和生物体生命的化学和生物化学过程全部是由酶来完成。众所周知,每一种酶在细胞中是高度专一的催化一种生物化学反应，酶是具有催化功能的蛋白质。此外，有的蛋白质，例如胶原蛋白、角蛋白和弹性蛋白等，在细胞和复杂的生物体中作为结构单元，对于细胞的结构和功能起着重要作用。蛋白质之所以具有多种功能，这是与蛋白质的化学组成和结构有关。许多种蛋白质已经从生物材料中分离提纯，其相对分子质量大约在5000到几百万之间。蛋白质由50%～55% C、6%～7% H、20%～23% O、12%～19% N和0.2%～3% S等元素构成，有些蛋白质分子还含有铁、碘、磷或锌。蛋白质完全水解的产物是α-氨基酸，它们的侧链结构和性质各不相同，大多数蛋白质是由20种不同氨基酸组成的生物大分子。蛋白质分子中的氨基酸残基靠酰胺键连接，形成含多达几百个氨基酸残基的多肽链。酰胺键的C-N键具有部分双键性质，不同于多糖和核酸中的醚键与磷酸二酯键，因此蛋白质的结构非常复杂，这些特定的空间构象赋予蛋白质特殊的生物功能和特性。
根据蛋白质的分子组成，蛋白质可以分为两类，一类是分子中仅含有氨基酸（即细胞中未被酶修饰的蛋白质）的简单蛋白（Homoproteins）,另一类是由氨基酸和其他非蛋白质化合物组成（即经酶修饰的蛋白质）的结合蛋白（Conjugated proteins）,又称杂蛋白（Heteroproteins）。结合蛋白中的非蛋白质组分统称为辅基（Prosthetic groups）。根据辅基的化学性质不同，可以分为核蛋白（核糖体和病毒）、脂蛋白（蛋黄蛋白、一些血浆蛋白）、糖蛋白（卵清蛋白、κ-酪蛋白）、磷蛋白（α-和β-酪蛋白、激酶、磷酸化酶）和金属蛋白（血红蛋白、肌红蛋白和几种酶）。其中糖蛋白和磷蛋白是蛋白质以共价键分别与碳水化合物和磷酸基团连接，而其他的蛋白质则是蛋白质通过非共价键与核酸、脂类和金属离子形成复合物。
每一种蛋白质都有其特定的三维结构。因此也可按照蛋白质的结构分为纤维蛋白和球蛋白。纤维蛋白是由线形多肽链组成，构成生物组织的纤维部分，如胶原蛋白、角蛋白、弹性蛋白和原肌球蛋白都属于这类蛋白质。球蛋白是一条或几条多肽链靠自身折叠而形成球形或椭圆结构。此外，肌动蛋白和血纤维蛋白等纤维蛋白分子是为α-球蛋白的线性聚集结构。大多数酶都属于球蛋白，纤维蛋白总是起着结构蛋白的作用。
蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，而二级结构和三级结构则与多肽链的三维结构有关，四级结构表示多肽链的几何排列，这些肽链间大多是通过非共价键连接在一起。
蛋白质具有多种功能，根据功能不同可分为三大类：结构蛋白质，有生物活性的蛋白质和食品蛋白质。
肌肉、骨骼、皮肤等动物组织中含有结构蛋白质（角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白等），它们的功能大多与其纤维结构有关。
具有生物活性的蛋白质是生物体的重要组成部分，它与生命活动有着十分密切的关系，生命现象和生理活动往往是通过蛋白质的功能来实现的。酶是活性蛋白中最重要的一类，已鉴定出的酶有2000种以上，它们都是高度专一性的催化剂。其他生物活性蛋白质包括结构蛋白、调节代谢反应的激素蛋白质（胰岛素、生长激素）、收缩蛋白质（肌球蛋白、肌动蛋白和微管蛋白）、转移蛋白质（血红蛋白、肌红蛋白、铁传递蛋白）、抗体蛋白（免疫球蛋白）、贮存蛋白质（卵清蛋白、种子蛋白）和保护蛋白（毒素和过敏原）以及一些蛋白类的抗生素。有些蛋白质还具有抗营养性质（例如胰蛋白酶抑制剂）。食品中存在的蛋白质抗原，可导致抗体的合成，使人体内防御机制改变并出现许多种变态反应。贮存蛋白质主要存在于蛋类和植物种子中，主要为种子和胚芽的萌发和生长提供氮源与氨基酸。保护蛋白则是某些微生物和动物为了生存所建立的一部分防御机制。毒蛋白存在于一些毒素和微生物中，如肉毒素、金黄色葡萄球菌毒素、毒蛇毒液和蓖麻蛋白等。
从细菌到人类，所有物种其蛋白质本质上都由20种基本氨基酸构成，但有的蛋白质可能不含有其中的一种或几种。这20种氨基酸其结构、大小、形状、电荷、形成氢键的能力和化学活性方面都存在差异。蛋白质实现的功能范围所以如此之广，就是由于20种氨基酸的差异，以及它们的各种组合的变化的结果。通过改变氨基酸的顺序、种类和比例，以及多肽链的链长，将可合成许多具有各种独特性质的蛋白质。
食品蛋白质包括可供人类食用、易消化、安全无毒、富有营养、具有功能特性的蛋白质。乳、肉（包括鱼和家禽）、蛋、谷物、豆类和油料种子是食品蛋白质的主要来源。随着世界人口的增长，为了满足人们对蛋白质逐渐增长的需求，不仅要寻求新的蛋白质资源和开发蛋白质利用的新技术，而且还应更充分地利用现有的蛋白质资源和考虑成本。因此，必须了解和掌握食品蛋白质的物理、化学和生物学性质，以及加工处理对这些蛋白质的影响，从而进一步改进蛋白质的性质，特别是营养品质和功能特性。
第二节 氨基酸和蛋白质的物理化学性质
氨基酸的一般性质
1.结构和分类氨基酸是组成蛋白质分子的基本单位，有20种氨基酸通常存在于蛋白质水解物中，其他种氨基酸也存在于自然界，并具有生物功能。为了了解蛋白质的性质，必须首先了解氨基酸的结构性质。
氨基酸是带有氨基的有机酸，分子结构中至少含有一个伯氨基和一个羧基，α-氨基酸含有一个α-碳原子、一个羧基、一个氢原子和一个侧链R基团。天然α-氨基酸具有以下结构：
R是侧链基团，脯氨酸和羟基脯氨酸的R基团来自吡咯烷，它们并不符合一般结构，蛋白质中常见的α-氨基酸见表5-1。
表5-1 蛋白质中常见的α-氨基酸名 称
简 写符 号
相对分子质量
化学名称
结构式（中性pH）
3个字母 1个字母
丙氨酸
Alanine
Ala A
89.1
α-氨基丙酸
精氨酸
Arginine
Arg R
174.2
α-氨基-σ-胍基戊酸
天冬酰胺
Asparagine
Asn N
132.1
天冬酸酰胺
天冬氨酸
Aspartic acid
Asp D
133.1
α-氨基琥珀酸
半胱氨酸
Cysteine
Cys C
121.1
α-氨基-β-巯基丙酸
谷氨酰胺
Glutamine
Gln Q
146.1
谷氨酸酰胺
谷氨酸
Glutamic acid
Glu E
147.1
α-氨基戊二酸
甘氨酸
Glycine
Gly G
75.1
α-氨基乙酸
组氨酸
Histidine
His H
155.2
α-氨基-β-咪唑基丙酸
异亮氨酸
Isoleucine
Ile I
131.2
α-氨基-β-甲基戊酸
亮氨酸
Leucine
Leu L
131.1
α-氨基异己酸
赖氨酸
Lysine
Lys K
146.2
α-ε-二氨基己酸
蛋氨酸
Methionine
Met M
149.2
α-氨基-γ-甲硫醇基正丁酸
苯丙氨酸
PHenylalanine
Phe F
165.2
α-氨基-β-苯基丙酸
脯氨酸
Proline
Pro P
115.1
吡咯烷-2-羧酸
丝氨酸
Serine
Ser S
105.1
α-氨基-β-羟基丙酸
苏氨酸
Threonine
Thr T
119.1
α-氨基-β-羟基正丁酸
色氨酸
Trytophan
Trp W
204.2
α-氨基-β-3-吲哚基丙酸
酪氨酸
Tyrosine
Tyr Y
181.2
α-氨基-β-对羟苯基丙酸
缬氨酸
Valine
Val V
117.1
α-氨基异戊酸
每种氨基酸具有特定的R侧链，它决定着氨基酸的物理化学性质。根据侧链的极性不同可将氨基酸分成四类：
具有非极性或疏水性侧链的氨基酸（丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸），在水中的溶解度较极性氨基酸小（表5-2），其疏水程度随着脂肪族侧链的长度增加而增大。
带有极性、无电荷（亲水的）侧链的氨基酸含有中性、极性基团（极性基团处在疏水氨基酸和带电荷的氨基酸之间）能够与适合的分子例如水形成氢键。丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸的极性与它们所含的羟基有关，天冬酰胺、谷氨酰胺的极性同其酰胺基有关。而半胱氨酸则因含有巯基，所以属于极性氨基酸，甘氨酸有时也属于此类氨基酸。其中半胱氨酸和酪氨酸是这一类中具有最大极性基团的氨基酸，因为在pH值接近中性时，巯基和酚基可以产生部分电离。在蛋白质中，半胱氨酸通常以氧化态的形式存在，即胱氨酸。当两个半胱氨酸分子的巯基氧化时便形成一个二硫交联键，生成胱氨酸。天冬酰胺和谷氨酰胺在有酸或碱存在下容易水解并生成天冬氨酸和谷氨酸。
带正电荷侧链（在pH接近中性时）的氨基酸包括赖氨酸、精氨酸和组氨酸，它们分别具有ε-NH2、胍基和咪唑基（碱性）。这些基团的存在是使它们带有电荷的原因，组氨酸的咪唑基在pH7时，有10%被质子化，而 pH6时50%质子化。
带有负电荷侧链的氨基酸（pH接近中性时）包括天冬氨酸和谷氨酸。由于侧链为羧基（酸性），在中性pH条件下带一个净负电荷。
除了20种常见的氨基酸外，从蛋白质水解物中还离析出另外的氨基酸，例如胶原蛋白中含有羟基脯氨酸和5-羟基赖氨酸，弹性蛋白中含锁链素（desmosine）和异锁链素（isodesmosine），肌肉蛋白中存在甲基组氨酸，ε-N甲基赖氨酸和ε-N三甲基赖氨酸。表5-2 氨基酸在水中的溶解度（25℃）。
表5-2 氨基酸在水中的溶解度氨基酸
溶解度(g/L)
氨基酸
溶解度（g/L）
丙氨酸
167.2
亮氨酸
21.7
精氨酸
855.6
赖氨酸
739.0
天冬酰胺
28.5
蛋氨酸
56.2
天冬氨酸
5.0
苯丙氨酸
27.6
半胱氨酸
--
脯氨酸
1620.0
谷胺酰胺
7.2（37℃）
丝氨酸
422.0
谷氨酸甘氨酸
8.5
249.9
苏氨酸色氨酸
13.2
13.6
组氨酸
--
酪氨酸
0.4
异亮氨酸
34.5
缬氨酸
58.1
除上述20种氨基酸外，在动物、植物或微生物的细胞中还存在150种以上游离或结合的氨基酸，其中多数是重要的代谢中间产物（或前体），或者是参与传递神经冲动的化学介体。在某些抗生素中还存在D构型氨基酸。
2,氨基酸的酸碱性质氨基酸的离子化能力在生物学上是非常重要的，这种性质可用来进行定量分析。另外，氨基酸的一些性质（熔点、溶解度、偶极矩和在水溶液中的介电常数）都是由于在水溶液中的电荷分布不均匀而产生的。因而，所有氨基酸在接近中性pH的水溶液中主要以两性离子（zwitterion），亦称偶极离子（dipolarion）的形式存在。
由于，氨基酸同时含有羧基（酸性）和氨基（碱性），因此，当氨基酸溶解于水时，可表现为酸的行为：
又可表现出碱的性质：
因此，是一类两性电解质。以最简单的甘氨酸（Gly）为例，在溶液中由于受pH的影响可能有3种不同的离解状态。
酸性 中性 碱性氨基酸的这种性质决定于介质的pH值，即氨基酸分子是两性的。当以完全质子化的形式存在时，α-氨基酸（-氨基、-羧基）用碱滴定可以释放出两个质子。氨基酸的等电点pI是指在溶液中净电荷为零时的pH值。pKa值是上述两个反应的离解常数的负对数，即
在上列公式中，Ka1和Ka2分别代表α碳原子上的-COOH和N+H3的表观离解常数,R如果侧链基上有离解基团,其表观电离常数用Ka3表示。在中性pH范围，α-氨基和α-羧基都处在离子化状态，因而当用酸滴定时，-COO- 被质子化（-COOH）;碱滴定时，-NH3+发生去质子化。图5-1是典型氨基酸两性离子电化学滴定曲线。仅含α-氨基和α-羧基的氨基酸（侧链是不可离解的）的pKa1的范围为2.0～3.0，pKa2为9.0～10.0（见表5-3）。带有可离解R基侧链的氨基酸，例如Lys,Arg,Asp,Glu,Cys和Tyr,相当于三元酸，有3个pKa值，因此滴定曲线比较复杂。绝大多数主要氨基酸的pKa和pI值见表5-3，氨基酸的羧基pKa1值比脂肪族羧酸低（醋酸的pKa为4.74）,因为氨基酸的带正电荷的氨基连接在邻近羧基的α碳原子上。
图5-1 一种典型氨基酸滴定曲线
pKa是表观离解平衡常数的负对数，pI（等电点）是电中性状态（净电荷为零）时的pH值。根据下列等式,利用氨基酸的pKa1,pKa2和pKa3值可估算等电点值：
不带电荷侧链的氨基酸 pI=(pKa1+pKa2)/2
酸性氨基酸 pI=(pKa1+pKa3)/2
碱性氨基酸 pI=(pKa2+pKa3)/2
在等电点以上的任何pH值，氨基酸带净负电荷，并因此在电场中将向正极移动。在低于等电点的任一pH值，氨基酸带有净正电荷，在电场中将向负极移动。在一定pH范围内，氨基酸溶液的pH离等电点愈远，氨基酸携带的净电荷愈多。
在蛋白质分子中，氨基酸的α-COOH是通过酰胺键与邻近氨基酸的α-NH2相结合，可以离解的基团只能是N-端氨基酸残基的氨基，C-端氨基酸残基的羧基和侧链上的可离解基团。因此，蛋白质中这些可离解基团的pKa值不同于相应的游离氨基酸。蛋白质中的谷氨酸和天冬氨酸的酸性侧链基团的pKa3值大于相应的游离氨基酸的pKa3值，而碱性侧链的pKa3值则小于相应游离氨基酸的pKa3值。
根据Henderson-Hasselbach公式
可以计算出任一pH条件下一种氨基酸的各种离子的离子化程度，并求出总的负电荷和正电荷之和，从而可计算出某一蛋白质在此pH时的净电荷。
3.氨基酸的疏水性蛋白质在水中的溶解度同氨基酸侧链的极性基团（带电荷或不带电荷）和非极性（疏水）基团的分布状态有关，而且蛋白质和肽的结构、溶解性和结合脂肪的能力等许多物理化学性质，都受到组成氨基酸疏水性的影响。氨基酸以及肽和蛋白质的疏水程度可以根据氨基酸在水和弱极性溶剂例如乙醇中的相对溶解度来确定，将1mol氨基酸从水溶液中转移到乙醇溶液中，自由能的变化(即转移自由能)可从下式计算（忽略活度系数）：

Gt0= -RTlnS乙醇/S水 （5-4）
式中，S乙醇和S水分别表示氨基酸在乙醇和水中的溶解度（mol/L）。假若氨基酸有多个基团，则?
Gt0是氨基酸中各个基团的加合函数。

Gt0=Σ
Gt0′ （5-5）
例如苯丙氨酸，从水向乙醇中转移的自由能可以分为两个部分，一部分是苄基，另一部分是氨基和羧基。
苄基 甘氨酰基第二部分与给定甘氨酸的转移自由能相似，因而从该氨基酸和甘氨酸的转移自由能之差，可以表示出侧链的疏水性。

Gt0（侧链）=
Gt0（氨基酸）—
Gt0（甘氨酸）
表5-4给出了某些氨基酸侧链的疏水性数值。用这些数据可以预测氨基酸在疏水性载体上的吸附行为（它可作为疏水性的一个函数），像聚苯乙烯或连接脂肪族C8或C18链的二氧化硅，吸附系数与疏水程度成正比。具有较大的正
Gt0的氨基酸侧链是疏水性的，因此易溶于有机相而不是水相。蛋白质分子中的疏水氨基酸残基倾向于处在蛋白质分子内部，氨基酸侧链的
Gt0为负值时则是亲水的，这些氨基酸残基趋向于蛋白质分子表面。这里必须提出，赖氨酸尽管被认为是一种亲水性氨基酸，但 △ Gt0为正值（这是由于它有4个易溶于有机相的-CH2- 基）。事实上，蛋白质分子中的赖氨酸侧链被埋藏的同时，它的ε-氨基则突出在蛋白质分子的表面。
表5-3 氨基酸的pKa和pI（25℃）
名称
pKa1
（α-COO-）
pKa2
（α-NH3+）
pKaR
（R=侧链）
AA 侧链*
pI
丙氨酸
2.34
9.69
—
6.00
精氨酸
2.17
9.04
12.48 >12.00
10.76
天冬酰胺
2.02
8.80
—
5.41
天冬氨酸
1.88
9.60
3.65 4.60
2.77
半胱氨酸
1.96
10.28
8.18 8.80
5.07
谷氨酰胺
2.17
9.13
－
5.65
谷氨酸
2.19
9.67
4.25 4.60
3.22
甘氨酸
2.34
9.60
5.98
组氨酸
1.82
9.17
6.00 7.00
7.59
异亮氨酸
2.36
9.68
—
6.02
亮氨酸
2.30
9.60
—
5.98
蛋氨酸
2.28
9.21
—
5.74
赖氨酸
2.18
8.95
10.53 10.20
9.74
苯丙氨酸
1.83
9.13
—
5.48
脯氨酸
1.94
10.60
—
6.30
丝氨酸
2.20
9.15
—
5.68
苏氨酸
2.21
9.15
—
5.68
色氨酸
2.38
9.39
—
5.89
酪氨酸缬氨酸
2.20
2.32
9.11
9.62
10.07 9.60
—
5.66
5.96
*蛋白质分子中可离子化基团的pKa值
表5-4 氨基酸侧链的疏水性（乙醇→水）
氨基酸
△Gt0侧链（kJ/mol）
氨基酸
△Gt0侧链（kJ/mol）
丙氨酸
2.09
亮氨酸
9.61
精氨酸
—
赖氨酸
—
天冬酰胺
0
蛋氨酸
5.43
天冬氨酸
2.09
苯丙氨酸
10.45
半胱氨酸
4.18
脯氨酸
10.87
谷氨酰胺
-0.42
丝氨酸
-1.25
谷氨酸
2.09
苏氨酸
1.67
甘氨酸
0
色氨酸
14.21
组氨酸异亮氨酸
2.09
12.54
酪氨酸缬氨酸
9.61
6.27
4.氨基酸的立体化学蛋白质温和水解（酸或酶法）产生的所有氨基酸除甘氨酸外，都具有旋光性，这种性质（手性）是因为有不对称α-碳原子存在，不对称碳原子轨道为sp3杂化。根据碳原子上四种不同取代基的正四面体位置，可以得到两种立体异构体（或对映体）。因此，用费歇尔法表示，按D-和L-甘油醛类推，而不是按对线性偏振光的旋转方向确定。L-和D-氨基酸的两种立体异构体可用下式表示：
天然存在的蛋白质中，只存在L型异构体。氨基酸的这种结构一致性是决定蛋白质结构的一个主要因素。异亮氨酸、苏氨酸、羟基赖氨酸和羟基脯氨酸等4种氨基酸各有第二个不对称中心（即β-碳原子），所以它们各有四种立体异构体。
某些氨基酸的D型异构体存在于一些微生物的细胞壁和具有抗菌作用的多肽内。例如放线菌素D、短杆菌肽和短杆菌酪肽。
5.氨基酸的光谱蛋白质分子中只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等芳香族氨基酸是能够吸收紫外光的氨基酸，分别在波长278、275和260nm处出现最大吸收（表5-5）。胱氨酸在230nm处有微弱吸收。所有参与蛋白质组成的氨基酸在接近210nm波长处都产生吸收，但是它们在可见光区域均没有吸收。
氨基酸仅色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸能产生荧光（表5-5），甚至蛋白质分子中的色氨酸也仍然会产生荧光（激发波长280nm，在348nm波长处荧光最强）。这些氨基酸所处的环境极性对它们的紫外吸收和荧光性质有影响，因此常通过这些氨基酸的环境变化，对生色基团产生的微扰作用所引起的光谱变化来考察蛋白质构象的变化。
表5-5 芳香族氨基酸的紫外吸收和荧光氨基酸
最大吸收波长
（λmax，nm）
摩尔消光系数
（cm-1·mol-1）
荧光最大发射波长
（λmax，nm）
苯丙氨酸
260
190
282 a
色氨酸酪氨酸
278
275
5500
1340
348 b
304 b
a:激发波长 260nm
b:激发波长 280nm
二、氨基酸的化学反应
氨基酸和蛋白质分子中的反应基团主要是指它们的氨基，羧基和侧链的反应基团即巯基、酚羟基、羟基、硫醚基（Met）、咪唑基和胍基，主要反应见表5-6。其中有的反应可用来对蛋白质和肽进行化学修饰，改善它们的亲水性和疏水性或功能特性。还有一些反应被用作蛋白质和氨基酸的定量分析，例如氨基酸与茚三酮、邻苯二甲醛或荧光胺反应是氨基酸定量分析中常用的反应。
1.与茚三酮反应在氨基酸的分析化学中，具有特殊意义的是氨基酸与茚三酮（Ninhydrin）的反应。茚三酮在弱酸性溶液中与氨基酸共热，生成复合物，大多数是蓝色或紫色，在570nm波长处有最大吸收值。仅脯氨酸和羟基脯氨酸生成黄色产物，λmax为440nm，上述反应常用于氨基酸的比色（包括荧光法）测定。其反应原理是：
2.与荧光胺（fluorescamine）反应此化合物和一级胺反应生成强荧光衍生物，因而，可用来快速定量测定氨基酸、肽和蛋白质。此法灵敏度高，激发波长390nm，发射波长475nm。
3.与1，2-苯二甲醛反应当有巯基乙醇存在时，1，2-苯二甲醛与氨基酸反应能生成强荧光异吲哚衍生物（激发波长380nm，发射波长450nm）。
4.与异硫氰酸苯酯反应
表5-6 氨基酸及蛋白质官能团的化学反应反应类型
说明
注释
氨基酸的一般反应次氯酸钠氧化
与碳酰氯反应
生成的N-羧酐能与赖氨酸残基的ε-NH2起反应
α-COOH的反应酯化
在肽的合成时保护羧基
还原
蛋白质C末端氨基酸的鉴定
脱羧
酶，热，酸或碱处理
酰胺化
α-氨基的反应
酰化
在肽合成时保护氨基
与醛反应
生成的希夫氏碱不稳定，相当于麦拉德反应的第一阶段
脱氨基反应
由释放的N2可测定氨基酸
与茚三酮、荧光胺、1,2-苯二甲醛、异硫氰酸苯酯、丹磺酰氯反应
这些反应用于氨基酸的分离（如HPLC）和测定
侧链上的反应巯基与碘乙酸的反应
按S-羧甲基衍生物的形式测定半胱氨酸时防止氧化
与过甲酸
以磺基丙氨酸的形式测定半胱氨酸
与对氯汞苯甲酸
测定半胱氨酸
5,5’-二硫代-双(硝基苯甲酸)(Ellman试剂)
测定半胱氨酸
氧化
半胱氨酸氧化生成胱氨酸(二硫交联键),用β-巯基乙醇或二硫代苏糖醇还原时,反应是可逆的
赖氨酸氨基的反应
与1-氟-2,4-二硝基苯反应
赖氨酸的ε-二硝基苯基衍生物测定可能与这种氨基酸的生物有效性相关
与橙G,2,4,6-三硝基苯磺酸或O-甲基异脲反应
ε-NH2的测定(与生物的有效性相关)
与硫醚基的反应
与碘乙酸反应
生成锍的衍生物可阻止硫原子氧化
与过甲酸反应
以蛋氨酸砜的形式测定蛋氨酸
5.与丹磺酰氯(1-二甲氨基萘-5-磺酰氯)反应
上述的氨基反应可用来确定肽或蛋白质的N末端氨基酸,氨基酸丹磺酰衍生物可用非极性液相色谱柱进行分离。
第三节 蛋白质的结构
一、蛋白质的结构层次
蛋白质与核酸、糖类一样，都属于生物大分子，它们和一般的合成大分子的最大差别可以归结为两点：特定结构和时空特性。本章只介绍蛋白质的结构层次。蛋白质的时空特性超出了本书的范围，这里不予阐述。蛋白质的层次结构，与另外三类生物分子核酸、糖类和脂类相比，了解最为清楚。
前面已经提到蛋白质的肽链是由20种氨基酸单体随机组成的，因此蛋白质肽链结构的复杂程度就可想而知。另外，蛋白质的肽链如同其他合成高分子一样，分子链都很长。任何一种长链分子在伸展状态时，基本上都是处于较高的能态，只有使分子的内能降低，分子才能成为更稳定的状态。因而蛋白质的肽链就会自发地通过许多和α-碳原子或肽平面键间的单键旋转，同时伴随着分子内大量的原子和基团间的相互作用，降低内能，折叠成为一些空间内较为稳定的立体结构。所以，蛋白质的结构并不只是描述蛋白质肽链中氨基酸的线性排列顺序。
蛋白质的立体结构是分阶段形成的，在现已查明的蛋白质立体结构中存在不同类型规则的有序结构。在此基础上，提出了蛋白质的多层次立体结构学说。
蛋白质的结构层次可分为一、二、三和四级结构。蛋白质的二、三、四级结构一般又统称为蛋白质的高级结构。关于蛋白质三维结构的研究，目前已经有9000多种蛋白质的资料，蛋白质四级结构水平的概念已经不能满足科学发展的需要。因此，蛋白质化学家又在四级结构水平的基础上增加了两种新的结构层次，即超二级结构（Supersecondary Structure）和结构域（Structure domain）。超二级结构是指几种二级结构的组合物存在于各种结构中。结构域的概念是指蛋白质分子中那些明显分开的球状部分。对于这两种新结构层次在本书中不作阐述。
1.一级结构
蛋白质的一级结构有时也称蛋白质的共价结构，一般而言，蛋白质的一级结构是指构成蛋白质肽链的氨基酸残基的线性排列顺序，有时也称为残基的序列。这一定义对只含氨基酸的简单蛋白质适用。但是在生物体内还有很多复合蛋白，它们除包含氨基酸外，还有其他的组成。对复合蛋白，完整的一级结构概念应该包括肽链以外的其他成分（例如糖蛋白上的糖链，脂蛋白中的脂质部分等）以及这些非肽链部分的连接方式和位点。蛋白质的一级结构是一个无空间概念的一维结构。
目前生物世界的蛋白质只有L型α-氨基酸才能构成，氨基酸残基之间通过肽键连结（即一个氨基酸的α-氨基与另一个氨基的α-羧基结合失去一分子水，形成肽键），由n个氨基酸构成的蛋白质含有（n-1）个肽键。蛋白质的末端氨基酸与在肽链中的氨基酸不同，以游离的α-氨基酸存在的一端，称之为蛋白质的N-端，习惯上列在左侧；另一端是以游离的α-羧基存在，则称为C-端，习惯上在右侧。
蛋白质的链长n（这里n是指蛋白质序列中的残基数）和序列，以及肽键的顺反异构，它们决定蛋白质的物理化学性质、结构、生物活性与功能。氨基酸的序列的作用如同形成二级和三级结构的密码（code），最终决定蛋白质的生物功能。许多蛋白质的一级结构业已确定，已知的最短蛋白质链肠促胰链肽（secretin）和胰高血糖素（glacagon）含20～100个氨基酸残基，大多数蛋白质都含有100～500个，某些不常见的蛋白质链多达几千个氨基酸残基。蛋白质的分子质量范围从几千到1百万以上，例如存在肌肉中的肌联蛋白（Titin）的分子质量超过100万，而肠促胰链肽的分子质量仅约为2300。大多数蛋白质的分子质量在20000～100000之间。
在讨论蛋白质的一级结构时，多肽链的主链可用-N-C-C-或-C-C-N-重复单元描述，这里-NH-CHR-CO-（-N-C-C-）相对于一个氨基酸残基，而-CHR-CO-NH-（-C-C-N-）是表示一个肽单位。两个氨基酸连接在一起的肽键是酰胺键（图5-2），虽然是将它作为一个共价键来描述，但实际上肽键的C-N键具有40%的双键特性，而C=0键有40%左右的单键性质，这是由于电子的非定域作用结果导致产生的共振稳定结构，使之肽键的C-N键具有部分双键性质。
图5-2 α-L-多肽链碎片的结构（反式构型）。原子间距离（?）和键角度（˙），矩形中的6个原子在同一平面上，φ和ψ表示围绕一个α碳原子的可能扭转角，两个邻近α碳原子的肽键各位于一个平面上，R1、R2和R3处于反式位置（φ=ψ=180。）
肽键的这个特性对蛋白质的结构具有重要的影响：其一，共振结构使-NH在pH 0～14之间不能被质子化；其二，肽键由于部分双键性质，-C-N键不能够像普通的C-N单键那样可以自由旋转，CO-NH键的旋转角（即ω角）最大为6°。由于这种限制的结果，肽键的每一个-Cα-CO-NH-Cα-片段（包含6个原子）处在同一个平面上，称之为肽平面，于是，多肽主链可描述为通过Cα原子连接的一系列-Cα-CO-NH-Cα-平面（图5-2）。多肽主链的C=0和N-H基之间在适宜的条件下是可以形成氢键的。因为肽键在多肽主链中约占共价键总数的1/3，它们限制了多肽主链的转动自由度，从而显著减少了主链的柔顺性。从已知结构的蛋白质分析表明，尽管多数肽平面是不可扭曲的平面，但也有一些肽平面是可扭曲的。也就是说，肽链的C-N链虽然带有双键的性质，不易旋转，但也不是绝对刚性的，可在一定范围内旋转，N-Cα和Cα-C键具有旋转自由度，它们的两面角分别为φ和ψ ；其三，电子的非定域作用使羰基的氧原子带有部分负电荷，N-H基的氢原子带有部分的正电荷。由于上述原因，因此，多肽主链上的C=0和N-H基之间可以在主链内或主链与主链之间形成氢键。
既然肽键具有部分双键特征，因此肽键上的取代基也就可能出现类似于烯烃那样的顺反异构体。
然而，蛋白质中的肽键和多数顺反异构体一样，顺式因大基团间的相互作用，而处于高能态，是不稳定的；反式则因处于较低能态，在热力学上是较稳定的。因此，蛋白质中几乎所有的肽键都是以反式构型存在，顺式和反式的比例为1：1000，反式向顺式转变时肽键的自由能增加34.8kJ/mol，实际上在蛋白质中肽键的异构化作用是不存在的。但是在含有脯氨酸残基的肽键是例外，存在顺式构型。因为脯氨酸残基参与的肽键,反式向顺式转变的自由能仅约为7.8kJ/mol，在高温下这些键有时能发生反式向顺式转变的异构化作用，顺式和反式出现的几率之比为2：8。虽然N-Cα和Cα-C键确实是单键，理论上φ和ψ应具有360°转动自由度，实际上它们的转动自由度由于Cα上侧链原子的空间位阻效应而受到限制，这些限制使多肽链的柔顺性进一步降低。
图5-3 多肽主链的肽单位中原子的平面构型
φ和ψ是Cα-N和Cα-C键的双面(扭转) 角,侧链位于平面上方或下方
2,二级结构蛋白质的二级结构是指多肽链骨架部分氨基酸残基有规则的周期性空间排列，即肽链中局部肽段骨架形成的构象。它们是完整肽链构象（三级结构）的结构单元，是蛋白质复杂的空间构象的基础，故它们也可称为构象单元。它不包括侧链的构象和整个肽链的空间排列。在多肽链某一片段中，当依次相继的氨基酸残基具有相同的φ和ψ转扭角时，就会出现周期性结构。氨基酸残基之间近邻或短程的非共价相互作用，将决定两面角φ和ψ的扭转，同时导致局部自由能的降低。在多肽链的某些片段区域，当依次连接的氨基酸残基的成对φ和ψ二面角取不同值时，这些区域则为非周期或无规结构。
一般说来，在蛋白质分子中主要存在两种周期性（有规则）的二级结构，它们是螺旋结构和伸展的折叠结构。
各类二级结构的形成几乎全是由于肽链骨架中的羰基上的氧原子和亚胺基上的氢原子之间的氢键所维系。其他的作用力，例如范德华力等，也有一定的贡献。某一肽段，或某些肽段间的氢键越多，它（们）形成的二级结构就越稳定，即二级结构的形成是一种协同的趋势。
（1）螺旋结构在蛋白质二级结构中通常将螺旋看成是蛋白质复杂构象的基础，蛋白质的螺旋结构是由于依次相继的氨基酸残基的成对二面角φ和ψ角，分别按同一组值扭转而形成的周期性规则构象。理论上φ和ψ角可以选择不同的组合值，那么，蛋白质就可能产生几种不同几何形状的螺旋结构。然而，蛋白质实际上仅有α-螺旋，310-螺旋和π-螺旋三种形式的螺旋结构（图5-4），其中α-螺旋（α-helix）是蛋白质中最常见的规则二级结构，也是最稳定的构象。
α-螺旋每圈螺旋包含3.6个氨基酸残基，螺距（每圈所占的轴长）为0.54nm，每一个氨基酸残基的垂直距离，即每圈螺旋沿螺旋轴上升0.15nm。每个残基绕轴旋转100°（即360°/3.6），螺旋中氨基酸侧链在垂直于螺旋轴的方向取向（图5-4）。在α-螺旋中，所有的肽单位都是刚性平面结构，其构象符合立体化学的稳定原则，氢键使α-螺旋稳定，N-H基的氢和位于螺旋下一圈的肽键的氧（即前面第四个残基的C=O）之间形成许多氢键。由于氢键的形成和所形成的电偶极指向相同的方向，所以螺旋结构有很高的稳定性。在α-螺旋的氢键封闭环内即每对氢键包含13个主链原子，因此，α-螺旋有时又称3.613螺旋。氢键的方向与轴平行，从而N、H和O几乎都在一条直线上，氢键的长度，即N-H…O的距离约为0.29nm，键的强度约为18.8kJ/mol。α-螺旋能以右手和左手螺旋两种形式存在，然而右手螺旋更稳定，对于L-氨基酸构成的左手螺旋，由于侧链和肽链骨架过于靠近，其能量较高，构象不稳定，故而很罕见。天然蛋白质中的α－螺旋几乎都是右手α-螺旋。
310螺旋是一种二级结构，为非典型的α-螺旋构象，形成氢键的N、H、O三原子不在一直线上，有时存在于球蛋白的某些部位，它是每圈包含三个氨基酸残基的α-螺旋，每对氢键包含10个原子。最近的研究结果认为，310螺旋可能是一种热力学的中间产物，比典型的α-螺旋更紧密。此外还有某些不常见的螺旋，像π和γ螺旋每圈分别有4.4和5.2个氨基酸残基，它们不如α-螺旋稳定，π-螺旋则更松散，这些螺旋仅存在于包含少数氨基酸的短片段中，而且它们对大多数蛋白质的结构不重要。脯氨酸是亚氨基酸，在肽链中其残基的丙基侧链与氨基通过共价键可形成的吡咯环结构，N-Cα键不能旋转，因此，φ角具有一个固定体值70°。此外，氮原子上不存在氢，也不可能形成氢键。由于上述两个原因，含有脯氨基残基的片段部分不可能形成α-螺旋。事实上，脯氨酸可以看作是α-螺旋的中断剂。含有高水平脯氨酸残基的蛋白质趋向于无规或非周期结构。例如β-酪蛋白和αs1 -酪蛋白中的脯氨基残基分别占总氨基酸残基的17%和8.5%，而且它们均匀地分布在整个蛋白质的一级结构中。因此，这两种蛋白质不存在α-螺旋结构，而是呈无规卷曲结构。然而，聚脯氨酸能够形成两种螺旋结构，命名为聚脯氨酸I（PPⅠ）和聚脯氨酸Ⅱ（PPⅡ）。聚脯氨酸I为左手螺旋，每圈螺旋沿螺旋轴上升0.19nm，每圈螺旋仅含3.3个氨基酸残基，顺式肽键构型；聚脯氨酸Ⅱ也是左手螺旋，肽键呈反式构型，两个残基之间的距离在轴上投影为0.31nm，每圈螺旋仅含3个残基。这两种结构能够相互转变，在水溶液介质中聚脯氨酸Ⅱ更稳定，存在于胶原蛋白中。一条多肽链能否形成α-螺旋，以及形成的螺旋是否稳定，与它的氨基酸组成和排列顺序有极大的关系，某些氨基酸侧链的同种电荷静电排斥效应或立体位阻使得多肽链不能建立α-螺旋结构。
图5-4 α螺旋三维结构
（2）β-折叠（β-sheet）结构
β-折叠或β折叠片（β-pleated sheet）也称β-结构或β-构象，是蛋白质中又一种普遍存在的规则构象单元，它是一种具有特殊几何形状（锯齿型）的伸展结构（图5-5），在这一伸展结构中，C=0和N-H基是在链垂直的方向取向。因此，氢键只能通过较远距离的两个片段之间形成，而同一肽段的邻近肽键间很难或不能形成氢键，因此单股β-折叠是不稳定的，比α-螺旋更加伸展。β-链通常是5～15个氨基酸长，分子中各股β-折叠之间通过氢键相互作用，组合成一组β-折叠，形成片层结构，一般称为β-折叠片。在片层结构中残基侧链垂直于片状结构平面，位于折叠平面的上方或下方。按多肽主链中N→C的指向，β-折叠片存在两种类型结构，即平行β-折叠和反平行β-折叠。所谓平行式（Parallel）是所有肽链的N末端均在同一侧，即肽链的排列极性（N→C）是一顺的，例如β-角蛋白，在平行式的β-折叠片结构中链的取向影响氢键的几何构型。而反平行式（Anti－Parallel）肽链的N末端为一顺一反地排列，呈间隔同向，肽链的极性一顺一倒。N-H……0三个原子在同一条直线上（氢键角为0°），从而增加了氢键的稳定性。而在平行式β-折叠片结构中，这些原子不在一条直线上，而是形成一定的角度，使氢键稳定性降低。因此，反平行式的β-折叠片比平行式的更为稳定。二者的结构示意图见图5-5。电荷和位阻通常对β-折叠片结构的存在没有很大的影响。
图5-5 β折叠片结构
β-折叠结构一般比α-螺旋稳定。蛋白质中如若含有较高比例的β-折叠结构，往往需要高的温度才能使蛋白质变性。例如β-乳球蛋白（51%β-折叠）和大豆11S球蛋白（64%β-折叠）的热变性温度分别为75.6°和84.5°。然而，牛血清清蛋白中含有大约64%α-螺旋结构，变性温度仅为64℃。加热和冷却蛋白质溶液,通常可以使α-螺旋转变为β-折叠结构。但是，β-折叠向α-螺旋转变的现象迄今在蛋白质中尚未发现。β-转角（β-turn）也称回折或β-弯曲（β-bend）是蛋白质中常见的又一种二级结构（图5-6，5-7），它是形成β-折叠时多肽链反转180°的结果。发夹弯曲结构是反平行β-折叠形成的，交叉弯曲则是由平行β-折叠形成的结构。β-转角由4个氨基酸残基构成，通过氢键稳定。在β-转角中常见的氨基酸有天冬氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、甘氨酸、脯氨酸和酪氨酸。
一些与食品相关的蛋白质的二级结构组成见表5-7。
图5-6 β-转角的Ⅰ型（A）和Ⅱ型（B）构象
图5-7 β弯曲结构
表5-7 一些与食品相关的蛋白质的二级结构组成蛋白质
α—螺旋（%）
β-折叠（%）
β-转角(%)
非周期结构(%)
脱氧血红蛋白
85.7
0
8.8
5.5
牛血清清蛋白
67.0
0
0
33.0
胰凝乳蛋白酶系
11.0
49.4
21.2
18.4
免疫球蛋白G
2.5
67.2
17.8
12.5
胰岛素C
60.8
14.7
10.8
15.7
牛胰蛋白酶抑制剂
25.9
44.8
8.8
20.5
核糖核酸酶A
22.6
46.0
18.5
12.9
溶菌酶
45.7
19.4
22.5
12.4
木瓜蛋白酶
27.8
29.2
24.5
18.5
α-乳清蛋白
26.0
14.0
-
60.0
β-乳球蛋白
6.8
51.2
10.5
31.5
大豆11S
8.5
64.5
0
27.0
大豆7S
6.0
62.5
2.0
29.5
云扁豆蛋白
10.5
50.5
11.5
27.5
注：数值代表总的氨基酸残基的百分数
3.超二级结构（Super-Secondary Structrue）
蛋白质结构分析已经证明，在蛋白质结构中，常常发现两个或几个二级结构单元被连接多肽连接起来，进一步组合成有特殊的几何排列的局域空间结构，这些局域空间结构称为超二级结构或简称Motif。图5－8所表示的是由两个α螺旋与连接多肽组成的最简单的具备特殊功能的超二级结构。
图５－8　由两个α螺旋与连接多肽组成的最简单的具备特殊功能的超二级结构示意图
（ａ）ＤＮＡ结合Motif　（ｂ）钙原子结合Motif
4,三级结构（Tertiary Structure）
蛋白质的三级结构是指含α螺旋、β弯曲和β折叠或无规卷曲等二级结构的蛋白质，其线性多肽链进一步折叠成为紧密结构时的三维空间排列。尽管许多蛋白质的三级结构已经充分了解，但很难用简单的方式来表示这种结构。大多数蛋白质含有100个以上的氨基酸残基，虽然在平面上表示的三维空间结构可以给人以深刻的印象，但这些描述仅仅是示意图（图5－9）。
蛋白质从线性构型转变成折叠的三级结构是一个复杂的过程。当蛋白质肽链局部的肽段形成二级结构以及它们之间进一步相互作用成为超二级结构后，仍有一些肽段中的单键在不断的运动旋转，肽链中的各个部分，包括已知相对稳定的超二级结构以及还未键合的部分，继续相互作用，使整个肽链的内能进一步降低，分子变得更为稳定。因此，在分子水平上，蛋白质结构形成的细节存在于氨基酸序列中。也就是说，三维构象是多肽链的各个单键的旋转自由度受到各种限制的结果。从能量观点上看，三级结构的形成包括：蛋白质中不同基团之间的各种相互作用（疏水，静电和范德华力的相互作用）的优化；最佳状态氢健的形成，使蛋白质分子的自由能尽可能的降低到最低值。
在已知三级结构的水溶性蛋白质中，发现在三级结构形成的过程中，大多数疏水性氨基酸残基重新取向后定位在蛋白质结构的内部，而大多数亲水性氨基酸残基，特别是带电荷的氨基酸则较均匀的分布在蛋白质-水界面，同时伴随着自由能的降低。但也发现一些例外，例如，电荷的各向异性分布可能出现，使得蛋白质有确定的生物功能（如蛋白酶）。就某些蛋白质而言，不溶于水而溶于有机溶剂（例如作为脂类载体的脂蛋白），其分子表面分布较多的疏水性氨基酸残基。
从上述氨基酸残基在蛋白质中的分布，不难进一步推测一些富含疏水氨基酸残基的肽段多数是处于球状蛋白质的内部，富含亲水残基的肽段应该更多的出现在球状蛋白质的表面。然而这只是简单的推测，事实上，并非完全如此。在大多数球状蛋白质中，水可达到的界面有40％－50％被非极性基团占据，同时部分极性基团不可避免的埋藏在蛋白质的内部，而且总是能与其他极性基团发生氢键键合，以至于使蛋白质内部非极性环境中的自由能降低到最小。另外，球状蛋白质的三级结构的特征离不开各种不同类型的二级结构在蛋白质中的分布。原则上，一些相对规则的α螺旋和β折叠分布在球状蛋白质的内部，而且压积得很紧密，致使球状蛋白成为致密的结构；那些连接α螺旋和β折叠的规则性相对差一些的二级结构，转角和环状以及特定的“无规”卷曲，则更多的分布在球状蛋白质的外围。
蛋白质一级结构中亲水性和疏水性氨基酸残基的比例和分布，影响蛋白质的某些物理化学性质。例如，蛋白质分子的形状可通过氨基酸的序列预测，如果一个蛋白质分子含有大量的亲水性氨基酸残基，并且均匀的分布在多肽链中，那么蛋白质分子将为伸长或呈棒状形。这是因为在相对分子质量一定时，相对于体积而言，棒状形具有较大的表面积，于是更多的疏水性氨基酸残基分布在表面。反之，当蛋白质含有大量的疏水性氨基酸残基，蛋白质则为球形，它的表面积和体积之比最小，使更多的疏水性基团埋藏在蛋白质内部。
图５－9云扁豆蛋白（Ａ）和β－乳球蛋白（B）的三级结构图中箭头表示β折叠结构，圆柱体表示α螺旋
5,四级结构（Quaternary Structure）
蛋白质的四级结构可定义为一些特定三级结构的肽链通过非共价键形成大分子体系时的组合方式，是指含有多于一条多肽链的蛋白质的空间排列。它是蛋白质三级结构的亚单位通过非共价键缔合的结果，这些亚单位可能是相同的或不同的，它们的排列方式可以是对称的，也可以是不对称的。稳定四级结构的力或键（除二硫交联键外）与稳定三级结构的那些键相同。
某些生理上重要的蛋白质是以二聚体、三聚体、四聚体等多聚体形式存在。任何四级结构的蛋白质（又称四级复合物，或寡聚体）都是由蛋白质亚基（或称亚单位）即单体构成。根据亚基的组成可分为由相同亚基和不同亚基构成的两大类型。在各个体系中亚基的数目或不同亚基的比例可能有很大的差别。相同亚基构成的多聚体称为同源（homogeneous）多聚体，例如胰岛素通常是同源二聚体（homo-dimer）；由不同亚基形成的多聚体则成为异源（heterogeneous）多聚体，一些糖蛋白激素（如绒毛膜促性腺激素、促甲状腺素）是异源二聚体，含有α和β亚基各一个。血红蛋白是异源四聚体，含有α和β亚基各两个。有些蛋白质的亚基类型可在3种或3种以上。有的蛋白质在不同pH介质中可形成不同聚合度的蛋白质，如乳清中的β－乳球蛋白亚基是相同的，在pH5～8是以二聚体存在，pH3～5呈现八聚体形式，当pH≥8时则以单体形式存在。
蛋白质寡聚体结构的形成是由于多肽链-多肽链之间特定相互作用的结果。在亚基间不存在共价键，亚基间的相互作用都是非共价键。例如氢健、疏水相互作用和静电相互作用。疏水氨基酸残基所占的比例较显著地影响寡聚蛋白形成的倾向。蛋白质中的疏水氨基酸残基含量超过30％时，比疏水氨基酸含量较低的蛋白质更容易形成寡聚体。
从热力学观点看，使亚基中暴露的疏水表面埋藏，是蛋白质四级结构形成的首要驱动力。当蛋白质中疏水氨基酸残基含量高于30％时，在物理的角度上，已不可能形成将所有非极性基团埋藏的结构。通常只是有可能使疏水小区存在，这些毗连单体间小区的相互作用将导致二聚体、三聚体等的形成（图5－10）。从动力学看,一般的寡聚体的装配过程是几个亚基随机地碰撞,因此装配过程是一个二级反应,速率和装配程度均是亚基浓度的函数.
图５－10　蛋白质中二聚体和寡聚体的形成示意图
许多食品蛋白质，尤其是谷蛋白，是由不同多肽构成的寡聚体。可以预见，这些蛋白质中疏水氨基酸残基（Ile、Leu、Trp、Tyr、Val、Phe和Pro）含量应高于35％，此外，它们还含有6％～12％的脯氨酸。由此可见，谷物蛋白以复杂的寡聚体结构存在。大豆中主要的储存蛋白是β－大豆伴球蛋白和大豆球蛋白，它们分别含有大约41％和39％的疏水氨基酸残基。β－大豆伴球蛋白是由3种不同的亚基组成的三聚蛋白，离子强度和pH的变化使它呈现复杂的缔合-解离现象。大豆球蛋白是由12种亚基构成，其中6种亚基是酸性的，另外6种亚基是碱性的，每一个碱性亚基通过二硫键与一个酸性亚基交联。6对酸性-碱性亚基通过非共价键相互作用压缩在一起成为寡聚状态。大豆球蛋白随离子强度的变化同样也会产生复杂的缔合-解离现象。表5-8列出了某些食品蛋白质的结构特征。
表5－8　某些主要食品蛋白质的结构特征蛋白质
分子量
类型：
球状（G）
纤维状 （Ｆ）
无规卷曲
（ＲＣ）
二级结构
残基数
二硫键数
巯基数
pI
亚单位数
已知（Ｋ）和未知（Ｕ）
顺序
辅基
（％Ｗ／ｗ）
平均疏水性（kJ/mol）
α螺旋(%)
β折叠（％）
肌球蛋白b
肌动蛋白b
475000
42000
F
G→F
高
4500
0
0
40
5～6
4～5
4～5
6
1-300
部分已知
磷
4.25(T兔)
4.4(兔)
胶原蛋白
（原胶原蛋白）b
αs:酪蛋白Ｂb
β-酪蛋白Ａb
Κ-酪蛋白Ｂb
300000
23500
24000
19000
F
RC
RC
RC
胶原蛋白螺旋
199
209
169
0
0
0
0
0
2
～9
5.1
5.3
4.1～4.5
3
1
1
1
部分已知
已知已知已知
磷1.1
磷0.56
碳水化合物5
磷0.22
4.5（鸡）
5.0
β-乳球蛋白Ａb
α-乳球蛋白Ｂb
卵清蛋白ε
18400
14200
45000
G
G
G
10
26
30
14
162
123
2
4
1或2
1
0
4
5.2
5.1
4.6
已知已知
碳水化合物3.3磷
5.15
4.8
4.65
血清蛋白b
麦醇溶蛋白d
(α,β,γ)
69000
30000
G
G→F
30
17
2～4
1
4.8
1
1
已知部分已知
4.7
4.5
麦谷蛋白d
大豆球蛋白c
伴大豆球蛋白c
45000
≥1000000
350000
200000
F
G
G
15
5
5
35
35
50
23
2
2
4.6
4.6
15
12
9
未知未知
碳水化合物4
ｂ.牛；ｃ.鸡蛋；ｄ.小麦；ｅ.大豆
6,维持和稳定蛋白质结构的作用力蛋白质是一大类具有特定结构的生物大分子，它同任何分子一样，只有在分子内存在着某些特定的相互作用时，分子中一些原子或基团间的相对位置才能得到固定，呈现某种稳定的立体结构。另外，从热力学观点看，任何一种伸展的长链分子基本上都是处于不稳定的高能态。为了使蛋白质处于热力学稳定的天然构象，必须是使适合于该构象的各种相互作用达到最大，而其他不适宜的相互作用减低至最小，这样蛋白质的整个自由能将是一个最低值。
蛋白质形成二级、三级和四级结构，并使之保持稳定的相互作用力包括两类：① 蛋白质分子内固有的作用力,所产生的分子内相互作用(即范德华相互作用和空间相互作用)；②　周围溶剂影响所产生的分子内相互作用（包括氢健、静电和疏水相互作用）。
空间张力从理论上说，在没有空间位阻的情况下，φ和ψ可在360°内自由旋转。但氨基酸残基具有大小不同的侧链，由于侧链的空间位阻使φ和ψ的转动受到很大限制，它们只能取一定的旋转自由度。正因为如此，多肽链的序列仅能有几个有 限的构象。肽单位平面几何形状的变形或键的伸长与弯曲改变，都会引起分子自由能的增加。因此，多肽链的折叠必须避免键长和键角的畸变。
范德华力蛋白质中所有原子都在不断的运动，原子中的电子也在绕着原子核不停地运动。因此，一些原子的正负电荷在某一瞬间也可能有相对的偏移，形成瞬间偶极。这些诱导的瞬间偶极之间可能发生吸引和排斥相互作用，这种作用被称为色散力，作用力的大小与原子间的距离（ｒ）有关，吸引力与r6成反比，而相互间的排斥力与r12成反比。尽管这种色散力很弱(一般在-0.17～ -0.8KJ/mol范围)，只在很短的距离内有作用，但是由于蛋白质分子内的原子数目是大量的，这种色散力也不容忽视（见表5－9）。就蛋白质而论，这种相互作用力同样与α碳原子周围扭转角（φ和ψ）有关（图5-2）。距离大时不存在相互作用力，当距离小时可产生吸引力，距离更小时则产生排斥力。
原子间存在的范德华吸引力包括偶极-偶极作用力（例如，肽键和丝氨酸是偶极相互作用力）、偶极-诱导偶极相互作用力和色散力，后者是最重要的一种力。
5-9 蛋白质-蛋白质键合和相互作用类型
能量
(kJ/mol)
相互作用距离（?）
功能团
破坏溶剂
增强条件
共价键合
330～380
1～2
胱氨酸二硫键
还原剂巯基半胱氨酸二硫代苏糖醇亚硫酸盐
氢键键合
8～40
2～3
亚酰胺
羟基，酚，
脲素溶液盐酸胍去污剂加热
冷却
疏水相互作用
4～12
3～5
长链脂肪酸族或芳香族侧链氨基酸残基
去污剂有机溶剂
加热
静电相互作用
42～48
2～3
羰基（COO-）
氨基（NH3+）
盐溶液高或低pH
范德华力
1～9
永久偶极
诱导和瞬时偶极
静电相互作用蛋白质可看成是多聚电解质，因为氨基酸的侧链（例如天冬氨酸、谷氨酸、酪氨酸、赖氨酸、组氨酸、精氨酸、半胱氨酸）以及碳和氮末端氨基酸的可解离基团均参与酸碱平衡，肽键中的α氨基和α羧基在蛋白质的离子性中只占很小的一部分。
由于蛋白质氨基酸中可解离侧链基团很多（占残基总数的30％～50％）。在中性pH，天冬氨酸和甘氨酸残基带负电荷，而赖氨酸、精氨酸和组氨酸带正电荷；在碱性pH，半胱氨酸和酪氨酸残基带负电荷。在中性pH，蛋白质带净负电荷或净正电荷，取决于蛋白质分子中所带负电荷和正电荷残基的相对数目。蛋白质分子净电荷为零时的pH值定义为蛋白质的等电点pI。等电点pH不同于等离子点（isoionic point），等离子点是指不存在电解质时蛋白质溶液的pH值。
蛋白质分子中大部分可解离基团，也就是说，除少数例外，几乎所有带电荷的基团都是位于蛋白质分子表面。在中性pH，蛋白质分子带有净正电荷或净负电荷，因此可以预料，蛋白质分子中带有同种电荷的基团,会因静电排斥作用而导致蛋白质结构的不稳定性。同样也有理由认为，蛋白质分子中在某一特定关键部位上，带异种电荷的基团之间，由于相互的静电吸引作用，将对蛋白质结构的稳定性有着重要的贡献。事实上，在水溶液中，由于水有很高的介电常数，蛋白质的排斥力和吸引力强度已降低到了最小值，其静电相互作用能仅为±5.8～±3.5KJ/mol。因此，处在蛋白质分子表面的带电基团对蛋白质结构的稳定性没有显著的影响。
蛋白质的可解离基团的电离情况和局部环境的pH值有很大的关系，也和局部环境的介电性质有关。部分埋藏在蛋白质内部的带电荷基团，由于处在比水的介电常数低的环境中，通常能形成具有强相互作用能的盐桥。一般蛋白质的静电相互作用能在±3.5～±460KJ/mol范围。
尽管静电相互作用不能作为蛋白质折叠的主要作用力，然而在水溶液介质中，带电荷基团仍然是暴露在蛋白质的表面，因此它们也确实影响蛋白质的折叠模式。
氢键相互作用氢键键合：氢键键合是指具有孤电子对的电负性原子（如N、O和S）与一个氢原子的结合，氢原子本身同时又与另一个电负性原子共价结合。在蛋白质中，一个肽键的羰基和另一个肽键的N－H的氢形成氢键。氢键距离O…H约1.75?，键能约为8～40KJ/mol,其大小取决于参与氢键的电负性原子的性质和键角。
在蛋白质肽链骨架中存在着大量的羰基和亚胺基团，氨基酸残基的侧链中又有许多带有极性的基团，这些基团中某些可以作为氢原子的供体，另一些则作为氢原子的接受体，彼此相互作用形成氢键（图5－11）。在具有α－螺旋和β－折叠结构的肽健中，其N－H和羰基C=O之间形成氢键的数量最多。
图5－11 蛋白质形成氢键的基团
业已证明，蛋白质分子中存在大量氢键，由于每一氢键均能降低蛋白质的自由能（约-18.8KJ/mol），因此通常可以这样假定，氢键的作用不仅是作为蛋白质形成折叠结构的驱动力，而且同时又对稳定蛋白质的天然结构起重要影响。但是研究证实，这并非一个可靠的观点，因为生物体内存在着大量的水，而水分子可以与蛋白质分子中的N－H和羰基C=O竞争发生氢键键合。因此，这些基团之间不能自发地形成氢键，而且N－H和羰基C=O之间形成的氢键也不可能作为蛋白质形成α-螺旋和β-折叠的驱动力。事实上α-螺旋和β-折叠结构中氢键的相互作用，是另外一些有益的相互作用驱动这些次级氢键结构形成的结果。
氢键的稳定与环境的介电常数有关。蛋白质分子中氨基酸残基的庞大侧链可阻止水与N－H和羰基C=O接近形成氢键，致使非极性残基相互作用产生了有限的低介电常数环境，从而使蛋白质二级结构的氢键得以稳定。
疏水相互作用从上面的论述可以清楚的了解到，在水溶液中多肽链上的各种极性基团之间的静电相互作用和形成氢键，是不具有足够的能量驱动蛋白质折叠。蛋白质分子中的这些极性基团的相互作用是非常不稳定的，它们很容易和水作用，或是形成氢键，或是融合于水环境中。欲使其稳定就必须维持一个非极性环境。因此，在非极性基团间的这种疏水相互作用才是导致蛋白质折叠的主要驱动力。
在水溶液中，具有非极性侧链的氨基酸残基，不表现出和水或其他极性基团相互作用的能力和倾向。它们在水溶液中，与在非极性环境中相比，在热力学上显然是不利的。因为当非极性基团溶于水，自由能的变化(ΔG)是正值，体积变化（ΔV）和焓（ΔH）为负值。尽管ΔH是负的，根据ΔG＝ΔH－TΔS，则ΔS应是一个大的负值才能使ΔＧ为正值。可见一个非极性基团溶于水，熵减小（ΔS为负值），这是一个热力学上不利的过程。由于熵减小引起了水在非极性基团周围形成笼形结构。ΔG为正值极大的限制了水同非极性基团间的相互作用，因此，非极性基团在水溶液中倾向于聚集，使它们直接与水的接触面积降到最小（参见第二章），同时，将非极性侧链周围多少有些规则的水分子变成可自由运动的游离的水分子，这样一个过程的自由能改变使△G＜0。在水溶液中，这种由于水的结构引起的非极性基团相互作用称之为疏水相互作用。
非极性基团的疏水相互作用，实际上是非极性基团溶于水的逆过程，ΔG<0，而ΔH和ΔS为正值。因此，疏水相互作用的本质是一种熵驱动的自发过程。与其他共价键相互作用不同，疏水相互作用是一个吸热过程，在高温下作用很强，低温下较弱。而且非极性残基侧链的聚集所产生的能量变化，比上述几种分子间的相互作用大得多。为此，疏水相互作用对于稳定蛋白质主体结构是非常重要的。在蛋白质二级结构的形成中，疏水相互作用不是至关重要的，但是在蛋白质三级结构的形成和稳定中，疏水作用是位于诸多因素的首位。
二硫键半胱氨酸残基侧链之间的共价交联可形成二硫键，它不但限制可能呈现的蛋白质结构数目，维持蛋白质结构的完整性，而且还有利于所形成的结构保持稳定。因此，对于大多数蛋白质，特别是在引起不可逆变性的条件下（极端pH或高温），凡每100个氨基酸中具有5～7个二硫交联键组成的蛋白质分子特别稳定。
某些蛋白质含有半胱氨酸和胱氨酸残基，能够发生硫醇－二硫化物交换反应，这些反应可以在分子内或分子间发生。
二硫键也有不同的构型，因此形成二硫键的两个半胱氨酸残基所在的肽段的相对构象，也可因二硫键的构型不同而改变。这从另一个方面突出了二硫键在蛋白质结构中的重要性。
有利于稳定多肽链的二级结构和三级结构的各种相互作用在图5-12中说明。
图5—12 决定蛋白质二级、三级结构的键和相互作用
A氢键；B偶极相互作用；C疏水相互作用；
D二硫键；E离子相互作用
（7）配位键一些蛋白质中除了肽链以外还含有一些金属，在分类上可称为金属蛋白。在蛋白质中已发现的金属有Fe、Ca、Zn、Cu、Mn、Mo等等。这是因为组成蛋白质的氨基酸中，可参与氢键的很多基团都能和一些金属形成配位键，例如色氨酸，丝氨酸以及一些酸性氨基酸残基的侧链。已知这些金属离子-蛋白质的相互作用有利于蛋白质四级结构的稳定。蛋白质－-Ca2+-蛋白质－型的静电相互作用对维持酪蛋白胶束的稳定性起着重要作用。在某些情况下，金属-蛋白质复合物还可能产生生物活性，使它们具有一定的功能，像铁的运载或酶活性。通常，金属离子在蛋白质分子一定的位点上结合，过渡金属离子（Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、Hg等）可同时通过部分离子键与几种氨基酸的咪唑基和巯基结合。
(8) 蛋白质构象的稳定性和适应性蛋白质分子中的天然状态和变性状态（或者是非折叠的）两者之间的自由能之差（ΔGD）可以用于判断天然蛋白质分子的稳定性。前面论述的非共价键相互作用，除静电排斥作用外，都起着稳定天然蛋白质结构的作用。这些相互作用引起的总自由能变化达到几百KJ/mol，然而，大多数蛋白质的ΔGD在20～85KJ/mol范围。多肽链的构象熵（conformational entropy）主要作用是使蛋白质的天然结构失去稳定性。当一个无规状态的多肽链折叠成为紧密的状态时，蛋白质各个基团的平动、转动和振动将受到极大的限制，结果降低了构象熵，使总的净自由能减少。蛋白质分子天然和变性状态间的自由能之差可用下面公式表示：

（5-6）
式中
,
,
,
分别表示氢键、静电、疏水和范德华相互作用的自由能变化。

－蛋白质多肽链构象熵的变化。
在非折叠状态，蛋白质每个残基的构象熵在8～42 J·mol -1·K-1范围，其平均值为21.7 J·mol -1·K-1。一个具有100个残基的蛋白质在310Ｋ时的构象熵约为672.7KJ/mol。可见，这个不稳定的构象熵，将降低蛋白质天然结构的稳定性。
ΔGD是蛋白质解折叠时所需要的能量，某些蛋白质的ΔGD见表5－10。从这些数值可以清楚地看到，尽管蛋白质分子内有许多相互作用，但是蛋白质仍然只是刚好处于稳定状态。例如，大多数蛋白质的ΔGD只相当于1～3个氢键或大约2～5个疏水相互作用的能量，因此可以认为打断几个非共价键相互作用将使许多蛋白质的天然结构不稳定。
表5－10 某些蛋白质的ΔGD
蛋白质
pH
T(℃)
ΔGD(KJ/mol)
α-乳清蛋白
7
25
18.0
牛β-乳球蛋白A
3.15
25
42.2
牛β-乳球蛋白B
3.15
25
48.9
牛β-乳球蛋白A+B
7.2
25
31.3
T4溶菌酶
3.0
37
19.2
鸡蛋清溶菌酶
7.0
37
50.2
脂酶（来自曲酶）
7.0
－
46.0
肌钙蛋白
7.0
37
19.6
卵清蛋白
7.0
25
24.6
细胞色素Ｃ
5.0
37
32.6
核糖核酸酶
7.0
37
33.4
α-胰凝乳蛋白酶
4.0
37
33.4
胰蛋白酶
－
37
54.3
胃蛋白酶
6.5
25
45.1
胰岛素
3.0
20
26.7
碱性磷酸酶
7.5
30
83.6
注,ΔGD=Gu-GN。式中，Gu和GN分别表示蛋白质分子变性和天然状态的自由能
蛋白质分子并非是刚性分子，相反，它们是高度柔顺性分子。如前文所述,蛋白质分子的天然状态属于介稳定状态.蛋白质结构对于介质环境的适应性是十分必要的，因为这有利于蛋白质执行某些关键的功能。例如，酶与底物或辅助配体的有效结合，涉及到多肽链序列键合部位的重排。对于只有催化功能的蛋白质，通过二硫键使蛋白质的结构保持高度的稳定性，分子内的这些二硫键能够有效降低构象熵，减少多肽链伸长的倾向。
蛋白质分子的变性
蛋白质的天然结构是各种吸引和排斥相互作用的净结果，由于生物大分子含有大量的水，因此这些作用力包括分子内的相互作用和蛋白质分子与周围水分子的相互作用。然而，蛋白质的天然结构主要取决于蛋白质所处的环境。蛋白质的天然状态在生理条件下是热力学最稳定的状态，其自由能最低。蛋白质环境，例如pH，离子强度、温度、溶剂组成等的任何变化，都会使蛋白质分子产生一个新的平衡结构，其构象会发生不同程度的变化。当这种变化仅是结构上的细微变化，而未能致使蛋白质分子结构发生剧烈改变，通常称为构象的适应性。蛋白质变性实际上是指蛋白质构象的改变（即二级、三级或四级结构的较大变化），但并不伴随一级结构中的肽键断裂。变性是一个复杂的现象，在此过程中还可出现新的构象，这些构象通常是中间状态且短暂存在的，蛋白质变性最终成为完全伸展的多肽结构（无规卷曲）。有时天然蛋白质的构象即使只有一个次级键改变，或一个侧链基团的取向不同，也会引起变性。对于那些天然状态为伸展结构的蛋白质（如酪蛋白单体），则不易发生变性。从结构观点来看，蛋白质分子的变性状态是很难定义的一个状态。结构上的较大变化意味着α-螺旋和β-折叠结构的增加，以及随机结构的减少。然而在多数情况下，变性涉及到有序结构的丧失。蛋白质的变性程度与变性条件有关，各种变性状态之间的自由能差别很小（图5－13）。球蛋白完全变性时，成为无规卷曲的结构。
图5－13 蛋白质分子构象变化与能量关系的示意图
蛋白质变性可引起结构、功能和某些性质发生变化。许多具有生物活性的蛋白质在变性后会使它们丧失或降低活性，但有时候，蛋白质适度变性后仍然可以保持甚至提高原有活性，这是由于变性后某些活性基团暴露所致。食品蛋白质变性后通常引起溶解度降低或失去溶解性，从而影响蛋白质的功能特性或加工特性。在某种情况下，变性又是需宜的。例如，豆类中胰蛋白酶抑制剂的热变性，可能显著提高动物食用豆类时的消化率和生物有效性。部分变性蛋白质则比天然状态更易消化，或具有更好的乳化性、起泡性和胶凝性。
蛋白质变性对其结构和功能的影响有如下几个方面：
由于疏水基团暴露在分子表面，引起溶解度降低。
改变对水结合的能力。
失去生物活性（例如酶或免疫活性）。
由于肽键的暴露，容易受到蛋白酶的攻击，使之增加了蛋白质对酶水解的敏感性。
特征粘度增大。
不能结晶。
蛋白质变性的鉴定方法很多，通常是采用测定蛋白质的超离心沉降特征、粘度、电场中的迁移（电泳）、旋光性、圆二色性（ＣＤ）、Ｘ射线衍射、紫外差示光谱和红外光谱分析、热力学性质、生物或免疫性质、酶活力及某些功能基团的反应特性等检查蛋白质变性。近期研究表明，核磁共振波谱分析（1H谱）和激光扫描共聚焦显微技术，能够清楚观察到蛋白质变性时的结构和三维立体形貌变化。
一、变性的热力学蛋白质变性是生理条件下形成的折叠结构转变成为非生理条件下的伸展结构的现象，可以通过上面介绍的方法测定蛋白质的变性。图5—14显示了典型的蛋白质变性曲线，以物理或化学性质变化为纵坐标（Ｙ轴），变性条件如变性剂浓度、温度或ｐＨ为横坐标（Ｘ轴）作图。得到蛋白质变性程度与环境变化的相互关系。
图5—14典型的蛋白质变性曲线
y是与蛋白质变性有关的蛋白质分子的任何物理化学性质；
yN 和yD是天然和变性蛋白质的y值
大多数蛋白质在变性时，Ｙ在起始的某一阶段不随变性剂浓度（或温度）的升高而变化，保持一个稳定值；当超过临界点后，随着变性条件的变化，YN将在一个较窄的变性浓度（或温度）范围内，急剧的转变为ＹD。对于大多数单体球状蛋白质，曲线的转变是陡峭的，这表明蛋白质变性是一个协同过程。蛋白质分子一旦开始伸展或者是分子内的少数相互作用破裂，只要略微增加变性剂的浓度或提高温度，整个蛋白质就会完全伸展。因此，可以认为球状蛋白质变性不能存在中间状态，只可能以天然状态或变性状态存在。即所谓的“两种状态转变”模型。
当蛋白质受到强变性剂处理或蛋白质的摩尔质量很大时，蛋白质的变性是不可逆的。但在某些情况下，变性蛋白质也可以不同程度地“复原”。
虽然蛋白质变性的热力学过程很复杂，但仍然可以用简化的公式来讨论。
平衡常数(KD)可以写成:
从以下的普通方程可得到热力学参数△G0、△HD、△SD和△CD0,
△G0 ＝－RT㏑KD （5-8）
同样，根据范特霍夫（van’t Hoff）方程，可以计算出变性热焓△HD。
（5-9）
（5-10）
式中△G0是标准自由能变化（即等摩尔反应物中天然蛋白质体系的自由能与变化后平衡时，同一体系的自由能之差），R表示气体常数，T表示绝对温度，△H是恒压下焓的变化，△SD是熵变，△CD0表示恒压下热容的变化。△CD0值大，表明△HD和△SD主要取决于温度，几种蛋白质的这些参数值见表5-11，核糖核酸酶、胰凝乳蛋白酶原和肌红蛋白的△HD和△SD是正值，△G0值相对较小。核糖核酸酶因伸展而焓增大，表明天然状态比变性状态的自由能低，熵增大相当于伴随伸展的无序状态。在变性时，△CD0增大与脂肪族、芳香族非极性基团向水溶液中转移以及缔合水的结构被破坏有关。
有的单体蛋白分子中含有两个或更多不同稳定性的结构域，在变性过程中通常是多步转变。因此更确切地说变性是一个逐步变化的过程，由于蛋白质的天然状态和完全变性状态之间有许多不同程度未伸展的中间状态存在，这些中间态结构相当于在各个不同阶段蛋白质构象的改变和水分子在蛋白质中的各种分布状态。如果各步转变能彼此分开，那么可以从两种状态模型的转变图，得到各个结构域的稳定性。寡聚蛋白的变性，首先是亚基的解离，随后才是亚基的变性。
与其他化学反应的活化能Ea相比，蛋白质变性的Ea值大，例如，胰蛋白酶、卵清蛋白和过氧物酶的热变性活化能分别为167、552、773KJ/mol，虽然蛋白质变性时共价键（除二硫键）不断裂，但很多低能非共价键相互作用和键均遭到破坏，由于变性涉及的键能小，而且相差不大，只要在小的温度范围或变性剂浓度变化不大的情况下就可以发生变性。蛋白质从天然状态向变性状态转变看起来似乎是一个简单反应，实际上是一个非常复杂的协同过程。
蛋白质变性，一般认为是可逆的。当变性因素除去后，变性蛋白质又可重新回到天然构象，这一现象称为蛋白质的复性（renaturation）。是否所有的蛋白质变性都是可逆的，这一问题至今仍有疑问，至少实践中未能使所有的蛋白质在变性后都重新恢复活力。然而多数人都接受变性是可逆的概念，认为天然构象是处于能量最低的状态，大多数单体蛋白（不存在聚集）在适宜的溶液条件下，例如pH、离子强度、氧化还原电位和蛋白质浓度等，它们可以重新折叠为原天然构象。许多蛋白质，当浓度低于1μmol/L时，可以重新折叠；浓度超过1μmol/L时，由于分子间产生了大量的相互作用而减少了分子内的相互作用，从而使重新折叠受到抑制。一些通过二硫键结合的蛋白质，当体系的氧化还原电位与生理液体接近时，有助于重新折叠过程中二硫键的正确配对。有些蛋白质在极端条件，如在90～100℃较长时间加热，变性后之所以不能逆转，主要是所需条件复杂，不易满足的缘故，有的甚至产生了化学变化，例如天冬酰胺的脱酰胺作用，天冬氨酸的肽键断裂，半胱氨酸和胱氨酸残基的破坏及聚集等。
表5-11 蛋白质变性的热力学参数蛋白质和变性条件
最大稳定性温度（℃）
△G0
（kJ/mol）
△H0
（KJ/mol）
△S0
（J/℃·mol）
△Cp0
（KJ/℃·mol）
核糖核酸酶伸展（30℃）
pH1.13
-4.6
251
836
8.7
pH2.5
-9
3.8
238
773
8.3
pH3.15
12.9
222
690
3
胰凝乳蛋白质酶原（25℃）
pH3
10
30.5
163
439
10.9
肌红蛋白（25℃）
pH9
＜0
56.8
176
397
5.9
β乳球蛋白（25℃）
PH3.5mol/ml尿酸
35
2.5
-88
-301
9
二、变性因素
（一）物理因素
1.热热是蛋白质变性最普通的物理因素，伴随热变性，蛋白质的伸展程度相当大。
例如，天然血清清蛋白分子是椭圆形的，长、宽比为3.1，经过热变性后变为5.5。
变性速率取决于温度。对许多反应来说，温度每升高10℃，反应速率约增加2倍。可是，对于蛋白质变性反应，当温度上升10℃，速率可增加600倍左右，因为维持二级、三级和四级结构稳定性的各种相互作用的能量都很低。
蛋白质对热变性的敏感性取决于多种因素，例如蛋白质的性质、蛋白质浓度、水活性、pH、离子强度和离子种类等。变性作用使疏水基因暴露和已伸展的蛋白质分子发生聚集，通常伴随出现蛋白质溶解度降低和吸水能力增强。许多蛋白质，无论是天然的或变性的，均倾向于向界面迁移，并且亲水基保留在水相中，疏水基在非极性水相内（图5-10）。因为天然蛋白质在此过程发生变性，若要保持其天然构象，应避免产生界面结构，例如泡沫或乳浊液中存在的界面结构。
即使是蛋白质用温和方法脱水例如冷冻干燥法仍然可引起某些蛋白质变性。蛋白质（或酶）在干燥条件下比含水分时热变性的耐受能力更大，说明蛋白质在有水存在时易变性。
热变性也会产生的其他影响，例如二硫键的断裂有时会释放出硫化氢，另外，热还可以改变氨基酸残基的化学性质（丝氨酸脱水，或谷氨酰胺和天冬酰胺的脱氨反应）、在分子内或分子间形成新的共价交联键（例如，γ-谷氨酰基-ε-N-赖氨酸）。这些变化均可改变蛋白质的营养价值和功能性。
蛋白质溶液在逐渐加热到临界温度以上时，蛋白质的构象从天然状态到变性状态有一个显著地转变，这个转变的中点温度称为熔化温度Tm或变性温度Td，此时天然状态与变性状态浓度比为1。关于温度引起蛋白质变性的机制相当复杂，主要涉及到非共价键相互作用的去稳作用。在天然状态下，蛋白质中的氢键、静电和范德华相互作用是放热反应（焓驱动），因此，这些作用力随着温度的升高而减弱，在高温下是去稳定作用的，而在低温下起到稳定作用。已知，在蛋白质分子中的大量肽氢键几乎都是埋藏在分子内部，因此，它们能在一个较宽的温度范围保持稳定。另一方面，疏水相互作用是吸热反应（熵驱动），随温度升高疏水作用增强，这也是在稳定蛋白质结构的所有作用力中，唯一与温度在某一范围内呈正相关的作用力。疏水相互作用一般在60～70℃时达到最高值（与疏水侧链的结构有关），但温度超过一定值（＞70℃，因侧链而异）后，又会减弱。因为超过一定温度，水的有序结构逐渐破坏，随之焓的变化有利于疏水基团进入水中，最终导致疏水相互作用去稳定。蛋白质溶液加热时，上述两种对立的作用均存在，当温度升高到一定值时，由于疏水相互作用不再增加，甚至还会减弱，最终导致蛋白质热变性。
在讨论蛋白质构象的稳定性时，已经知道多肽链的构象熵（-T△Sconf）是驱动蛋白质构象稳定的又一个主要的影响因素。随着温度的升高，多肽链的热动能增加，从而大大地促进了多肽链的伸展。图5-15显示了影响蛋白质分子稳定性的主要作用因素。总自由能为零（即KD=1）时的温度称为蛋白质的变性温度Td。表5-12列出了某些蛋白质的变性温度和疏水值。
图5-15氢键、疏水相互作用和构象熵对稳定蛋白质的自由能所作贡献的相对变化与温度的函数关系通常认为，温度越低，蛋白质越稳定。然而实际并非总是如此。对于那些主要以疏水相互作用稳定的蛋白质，在室温下比冻结温度时更稳定。因此，蛋白质的最适稳定温度，是使蛋白质具有最低自由能，这与蛋白质分子中极性和非极性相互作用对稳定的相对贡献之比有关。在蛋白质分子中极性相互作用超过非极性相互作用时，则蛋白质在冻结温度或低于冻结温度比在较高温度时稳定。图5-16是一些实际例子，肌红蛋白和T4噬菌体突变株溶菌酶最稳定的温度，分别为30℃和12.5℃，低于或高于此温度二者的稳定性均下降。当在0℃以下保藏，它们均会产生低温诱导变性。而核糖核酸酶的稳定性则随温度降低而增加。
表5-12 某些蛋白质的热变性温度（Td）和平均疏水性蛋白质
Td
平均疏水性（KJmol-1残基-1）
蛋白质
Td
平均疏水性（KJmol-1残基-1）
胰蛋白酶原
55
3.68
卵清蛋白
76
4.01
胰凝乳蛋白酶原
57
3.78
胰蛋白酶抑制剂
77
弹性蛋白酶
57
肌红蛋白
79
4.33
胃蛋白酶原
60
4.02
α-乳清蛋白
83
4.26
核糖核酸酶
62
3.24
细胞色素C
83
4.37
羧肽酶
63
β-乳球蛋白
83
4.50
乙醇脱氢酶
64
抗生物素蛋白
85
3.81
牛血清清蛋白
65
4.22
大豆球蛋白
92
血红蛋白
67
3.98
蚕豆萎蔫11S蛋白
94
溶菌酶
72
3.72
向日葵11S蛋白
95
胰岛素
76
4.16
燕麦球蛋白
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食品在加工和贮藏过程中，热处理和冷藏是最常用的加工和保藏方法。因此必须注意在热加工过程中产生的不同程度变性，以及温度效应与每种蛋白变性的关系，一旦变性就会对蛋白质在食品中的功能特性和生物活性带来影响，有的是需宜的，有的则是不需宜的。
氨基酸的组成影响蛋白质的热稳定性，含有较多疏水氨基酸残基（尤其是缬氨酸，异亮氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸）的蛋白质，对热的稳定性高于亲水性较强的蛋白质。自然界中耐热生物体的蛋白质，一般含有大量的疏水氨基酸。但是，从表5-12可以看出，平均疏水性与热变性温度之间的正相关，只是一个近似值，有的并非如此。可能是受其他因素影响的结果，如蛋白质分子中存在的二硫键，或者是蛋白质中的盐桥埋藏在疏水裂缝中。15种不同蛋白质的统计分析表明，蛋白质中天冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、色氨酸和酪氨酸的残基百分数与热变性温度呈正相关（r=0.98）；另外的同一组蛋白热变性温度与丙氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸、缬氨酸等氨基酸的残基百分数则是呈负相关（r＝－0.975）。而其他氨基酸对蛋白质的Td影响甚少。对于这些关系的成因尚不清楚。蛋白质的热稳定性不仅决定于分子中氨基酸的组成，极性与非极性氨基酸的比例，而且还依赖于这两类氨基酸在肽链中的分布，一旦这种分布达到最佳状态，此时分子内的相互作用达到最大值，自由能降低至最小，多肽链的柔顺性也随之减小，蛋白质则处于热稳定状态。可见，蛋白质的热稳定性与分子的柔顺性呈负相关。
蛋白质的立体结构同样影响其热稳定性。单体球状蛋白在大多数情况下热变性是可逆的，许多单体酶加热到变性温度以上，甚至在100℃短时间保留，然后立即冷却至室温，它们也能完全恢复原有活性。而有的蛋白质在90～100℃加热较长时间，则发生不可逆变性。
水是极性很强的物质，对蛋白质的氢键相互作用有很大影响，因此水能促进蛋白质的热变性。干蛋白粉似乎是很稳定的。蛋白质水分含量从0增加至0.35g水/g蛋白质时，Td急剧下降（图5-17），当水分含量从0.35增加至0.75g水/g蛋白质时，Td仅略有下降。水分含量大于0.75g水/g蛋白质时，蛋白质的Td与稀溶液状态下相同。蛋白质水合作用对于热稳定性的影响，主要与蛋白质的动力学相关。在干燥状态，蛋白质具有一个静止的结构，多肽链序列的运动受到了限制。当向干燥蛋白质中添加水时，水渗透到蛋白质表面的不规则空隙或进入蛋白质的小毛细管，并发生水合作用，引起蛋白质溶胀。在室温下大概当每克蛋白质的水分含量达到0.3～0.4g时，蛋白质吸水即达到饱和。水的加入，增加了多肽链的淌度和分子的柔顺性，这时蛋白质分子处于动力学上更有利的熔融结构。当加热时，蛋白质的这种动力学柔顺性结构，相对于干燥状态，则可提供给水更多的几率接近盐桥和肽链的氢键，结果Td降低。
图5-17 水分含量对卵清蛋白的变性温度下Td和变性热焓ΔH0的影响
在蛋白质水溶液中添加盐和糖可提高其热稳定性。例如蔗糖、乳糖、葡萄糖和甘油能稳定蛋白质，对抗热变性。当β-乳球蛋白、大豆蛋白、血清白蛋白和燕麦球蛋白中含有0.5mol/L NaCl时，能显著提高它们的变性温度Td。
2.低温某些蛋白质经过低温处理后发生可逆变性，例如有些酶（L-苏氨酸脱氨酶）在室温下比较稳定，而在0℃时不稳定。某些蛋白质（11S大豆蛋白、麦醇溶蛋白、卵蛋白和乳蛋白）在低温或冷冻时发生聚集和沉淀。例如大豆球蛋白在2℃保藏，会产生聚集和沉淀，当温度回升至室温，可再次溶解。相反，低温能引起某些低聚物解离和亚单位重排，例如脱脂牛乳在4℃保藏，β-酪蛋白会从酪蛋白胶束中解离出来，从而改变了胶束的物理化学性质和凝乳性质。一些寡聚体酶例如乳酸脱氢酶和甘油醛磷酸脱氢酶，在4℃时由于亚基解离，会失去大部分活性，将其在室温下保温数小时，亚基又重新缔合为原来的天然结构，并恢复其原有活性。有些脂酶和氧化酶不仅能耐受低温冷冻，而且可保持活性。就细胞体系而言，某些氧化酶由于冷冻可以从细胞膜结构中释放出来而被激活。某些植物和海水动物能耐受低温，而有的蛋白质分子由于具有较大的疏水-极性氨基酸比因而在低温下易发生变性。
3.机械处理机械处理，例如揉捏、振动或搅打等高速机械剪切，都能引起蛋白质变性。在加工面包或其他食品的面团时，产生的剪切力使蛋白质变性，主要是因为α-螺旋的破坏导致了蛋白质的网络结构的改变。
食品在经高压、剪切和高温处理的加工过程（例如挤压，高速搅拌和均质等）中，蛋白质都可能变性。剪切速率愈高，蛋白质变性程度则愈大。同时受到高温和高剪切力处理的蛋白质，则发生不可逆变性。10%～20%乳清蛋白溶液，在pH3.4～3.5，温度80～120℃条件下，经7,500～10,000S-1的剪切速率处理后，则变成直径为1μm，不溶于水的球状大胶体颗粒。
4.静液压静液压能使蛋白质变性，是热力学原因造成的蛋白质构象改变。它的变性温度不同于热变性，当压力很高时，一般在25℃即能发生变性；而热变性需要在0.1M Pa压力下，温度为40～80℃范围才能发生变性。光学性质表明大多数蛋白质在100～1200MPa压力范围作用下才会产生变性。
蛋白质的柔顺性和可压缩性是压力诱导蛋白质变性的主要原因。尽管氨基酸残基是被紧密地包裹在球状蛋白质分子的内部，但是仍然存在一些恒定的空隙空间，这就使蛋白质具有可压缩性。球状蛋白平均有效体积，V0约为0.74ml/g，V0由三个部分组成：
V0=Vc+Vcav+△Vsol （5-11）
式中Vc—原子体积的总和；Vcal—蛋白质内部空隙空间的体积总和；Vsol—水合作用时体积的变化。
V0值愈大，表示空隙空间对部分有效体积的贡献就愈大，说明蛋白质在压力的作用下愈不稳定。然而纤维状蛋白质大多数不存在空隙空间，因此它们对静液压作用的稳定性高于球状蛋白，也就是说静液压不易引起纤维状结构的蛋白质变性。
球状蛋白质因压力作用产生变性，此时由于蛋白质伸展而使空隙不复存在；另外非极性氨基酸残基因蛋白质的伸展而暴露，并产生水合作用。这两种作用的结果使得球状蛋白质变性过程会伴随体积减小30～100mL/mol左右。体积变化与自由能变化的关系可用下式表达
△V=d(△G)/dp （5-12）
式中P代表静液压。
如果球状蛋白质在压力作用下完全伸展，体积变化减小的理论值应该是2%，然而根据实验测得的体积减小值为30～100mL/mol,相对体积减小百分数仅约为0.5%，由此说明,蛋白质在高达1000MPa静液压作用下，仅能部分伸展。
压力引起的蛋白质变性是高度可逆的。大多数酶的稀溶液由于压力作用而酶活降低，一旦压力降低到常压，则又可使酶恢复到原有的活性，这个复活过程一般需要几个小时。对于寡聚蛋白和酶而言，变性首先是亚基在0.1～200MPa压力作用下解离，然后亚基在更高的压力下变性，当解除压力后，亚基又重新缔合，几小时后酶活几乎完全恢复。
高静压在食品加工过程中作为一种工具已经引起食品科学家的广泛关注，例如灭菌和胶凝化。在200～1000MPa高压下灭菌，使细胞膜遭到不可逆破坏，同时引起微生物中细胞器的解离，从而达到灭菌的目的。关于压力胶凝化作用已有不少报道和应用，如将蛋清、16%大豆球蛋白或3%肌动球蛋白在100～700MPa静液压下，于25℃加压30min，则可形成凝胶，其质地比热凝胶柔软。静液压也常用于牛肉的嫩化加工，一般处理压力为100～300MPa。压力加工，目前是一种较热加工理想的方法，加工过程中不仅必需氨基酸、天然色泽和风味不会损失，特别是一些热敏感的营养或功能成分能得到较好的保持，而且也不会产生有害和有毒化合物。但是因为成本关系，尚未得到广泛应用。
5.辐射电磁辐射对蛋白质的影响因波长和能量大小而异，紫外辐射可被芳香族氨基酸残基(色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸)所吸收，导致蛋白质构象的改变，如果能量水平很高，还可使二硫交联键断裂。γ辐射和其他电离辐射能改变蛋白质的构象，同时还会氧化氨基酸残基、使共价键断裂、离子化、形成蛋白质自由基、重组、聚合，这些反应大多通过水的辐解作用传递。
6.界面在水和空气，水和非水溶液或固相等界面吸附的蛋白质分子，一般发生不可逆变性。蛋白质吸附速率与其向界面扩散的速率有关，当界面被变性蛋白质饱和(约2mg／m2)即停止吸附。图5-18表示在水溶液中球形蛋白质从天然状态(图5-18A)转变成吸附在水和非水相界面时的变性状态(图5-18C)．
远离界面的那部分水分子处于低能态，它们不仅与另外一些水分子，而且还与蛋白质的离子和极性位点相互作用，靠近界面的水分子处于高能态，可与另外一些水分子相互作用。
蛋白质大分子向界面扩散并开始变性，在这一过程中，蛋白质可能与界面高能水分子相互作用，许多蛋白质-蛋白质之间的氢键将同时遭到破坏，使结构发生“微伸展”(图5-18B)。由于许多疏水基团和水相接触，使部分伸展的蛋白质被水化和活化(P*)，处于不稳定状态。蛋白质在界面进一步伸展和扩展，亲水和疏水残基力图分别在水相和非水相中取向，因此界面吸附引起蛋白质变性．某些主要靠二硫交联键稳定其结构的蛋白质不易被界面吸附。
蛋白质在界面的吸附，包括界面吸附和变性两个阶段，可用下式表示
PNm(H2O) + n(H2O)* P* m + n(H2O) PD (5-13)
式中，PN表示天然蛋白质，P*表示水合的活化蛋白质，PD为变性蛋白质，（H2O）表示普通水，（H2O）*表示高能水。
蛋白质的界面性质对各种食品体系都是很重要的，例如蛋白质在界面上吸附，有利于乳浊液和泡沫的形成和稳定（见第四节）。
某某
图5-18 界面内蛋白质构象
A 球形天然蛋白质浸在水溶液中
B 靠近界面的球形蛋白质
C 吸附、伸展和水合的蛋白质
（二）化学因素
1.pH
蛋白质所处介质的pH对变性过程有很大的影响，蛋白质在等电点时最稳定，表5-13 为几种蛋白质的等电点，在中性pH环境中，除少数几个蛋白质带有正电荷外，大多数蛋白质都带有负电荷。
表5-13 几种蛋白质的等电点（pI）
蛋白质
等电点
蛋白质
等电点
胃蛋白酶
1.0
血红蛋白
6.7
κ-酪蛋白B
4.1-4.5
α-糜蛋白酶
8.3
卵清蛋白
4.6
α-糜蛋白酶原
9.1
大豆球蛋白
4.6
核糖核酸酶
9.5
血清蛋白
4.7
细胞色素C
10.7
β-乳球蛋白
5.2
溶菌酶
11.0
β-酪蛋白A
5.3
因为在中性pH附近，静电排斥的净能量小于其他相互作用，大多数蛋白质是稳定的，然而在超出pH4～10范围就会发生变性。在极端pH时，蛋白质分子内的离子基团产生强静电排斥，这就促使蛋白质分子伸展和溶胀。蛋白质分子在极端碱性pH环境下，比在极端酸性pH时更易伸长，因为碱性条件有利于部分埋藏在蛋白质分子内的羧基，酚羟基，巯基离子化，结果使多肽链拆开，离子化基团自身暴露在水环境中。pH引起的变性大多数是可逆的，然而，在某些情况下，部分肽键水解，天冬酰胺、谷氨酰胺脱酰胺，碱性条件下二硫键的破坏，或者聚集等都将引起蛋白质不可逆变性。
2．金属
碱金属(例如Na+和K+)只能有限度地与蛋白质起作用，而Ca2+、Mg2+略微活泼些。过渡金属例如Cu、Fe、Hg和Ag等离子很容易与蛋白质发生作用，其中许多能与巯基形成稳定的复合物。Ca2+(还有Fe2+、Cu2+和Mg2+)可成为某些蛋白质分子或分子缔合物的组成部分。一般用透析法或螯合剂可从蛋白质分子中除去金属离子，但这将明显降低这类蛋白质对热和蛋白酶的稳定性。
3．有机溶剂
大多数有机溶剂属于蛋白质变性剂，因为它们能改变介质的介电常数，从而使保持蛋白质稳定的静电作用力发生变化。非极性有机溶剂渗入疏水区，可破坏疏水相互作用，促使蛋白质变性，这类溶剂的变性行为也可能是因为它们和水产生相互作用引起的。
某些溶剂例如2-氯乙醇，能增加α-螺旋构象的数量，这种作用也可看成是一种变性方式(二级，三级和四级结构改变)，例如卵清蛋白在水溶液介质中有31％的α-螺旋，而在2-氯乙醇中达到85％。
4．有机化合物水溶液
某些有机化合物例如尿素和盐酸胍的高浓度(4～8mol/L)水溶液能断裂氢键，从而使蛋白质发生不同程度的变性。同时，还可通过增大疏水氨基酸残基在水相中的溶解度，降低疏水相互作用。
在室温下4～6mol/L尿素和3～4mol/L盐酸胍，可使球状蛋白质从天然状态转变至变性状态的中点，通常增加变性剂浓度可提高变性程度，通常8mol/L尿素和约6mol/L盐酸胍可以使蛋白质完全转变为变性状态。盐酸胍由于具有离子特性，因而比尿素的变性能力强。一些球状蛋白质，甚至在8mol/L尿素溶液中也不能完全变性，然而在8mol/L盐酸胍溶液中，它们一般以无规卷曲（完全变性）构象状态存在。
尿素和盐酸胍引起的变性包括两种机制：第一种机制是变性蛋白质能与尿素和盐酸胍优先结合，形成变性蛋白质-变性剂复合物，当复合物被除去，从而引起N→D反应平衡向右移动。随着变性剂浓度的增加，天然状态的蛋白质不断转变为复合物，最终导致蛋白质完全变性。然而，由于变性剂与变性蛋白的结合是非常弱的。因此，只有高浓度的变性剂才能引起蛋白质完全变性；第二种机制是尿素与盐酸胍对疏水氨基酸残基的增溶作用。因为尿素和盐酸胍具有形成氢键的能力，当它们在高浓度时，可以破坏水的氢键结构，结果尿素和盐酸胍就成为非极性残基的较好溶剂，使之蛋白质分子内部的疏水残基伸展和溶解性增加。
尿素和盐酸胍引起的变性通常是可逆的，但是，在某些情况下，由于一部分尿素可以转变为氰酸盐和氨，而蛋白质的氨基能够与氰酸盐反应改变了蛋白质的电荷分布。因此，尿素引起的蛋白质变性有时很难完全复性。
还原剂（半胱氨酸、抗坏血酸、β-巯基乙醇、二硫苏糖醇）可以还原二硫交联键，因而能改变蛋白质的构象。
5.表面活性剂
表面活性剂例如十二烷基磺酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）是一种很强的变性剂。SDS浓度在3～8m mol/L范围可引起大多数球状蛋白质变性。由于SDS可以在蛋白质的疏水和亲水环境之间起着乳化介质的介作用，且能优先与变性蛋白质强烈地结合，因此，破坏了蛋白质的疏水相互作用，促使天然蛋白质伸展，非极性基团暴露于水介质中，导致了天然与变性蛋白质之间的平衡移动。引起蛋白质不可逆变性，这与尿素和盐酸胍引起的变性不一样。球状蛋白质经SDS 变性后，呈现α-螺旋棒状结构，而不是以无规卷曲状态存在。
6.离液盐（chaotropic salts）
盐，这里指的是离液盐即易溶盐（lyotropic salts）对蛋白质稳定性的影响包括两种不同的方式，这与盐同蛋白质的相互作用有关。在低盐浓度时，离子与蛋白质之间为非特异性静电相互作用。当盐的异种电荷离子中和了蛋白质的电荷时，有利于蛋白质的结构稳定，这种作用与盐的性质无关，只依赖于离子强度。一般离子强度≦0.2时即可完全中和蛋白质的电荷。然而在较高浓度（＞1mol/L），盐具有特殊离子效应，影响蛋白质结构的稳定性。阴离子的作用大于阳离子，图5-19 表示了各种钠盐对β-乳球蛋白热变性温度的影响，在离子强度相同时，Na2SO4和NaCl能提高Td，相反，NaSCN和NaClO4使Td降低。无论大分子（包括DNA）的结构和构象差别多大，高浓度的盐对它们的结构稳定性均产生不利影响。其中NaSCN和NaClO4是强变性剂。根据感胶离子序，各种阴离子在离子强度相同时，对蛋白质（包括DNA）结构稳定性的影响顺序如下：F-＜SO42-＜Cl-＜Br-＜I-＜ClO4-＜SCN-＜Cl3CCOO-，这个顺序称为Hofmeister序列（感胶离子序）或离液序列（chaotropic series）。顺序中左侧的离子能稳定蛋白质的天然构象；而右侧的离子则使蛋白质分子伸展、解离，为去稳定剂。
图 5-19 pH 7 时各种钠盐对β-乳球蛋白质变性温度的影响
○ Na2SO4,△ NaCl,□ NaBr,
NaClO4,▲ NaSCN,■ 尿素
盐对蛋白质稳定性的影响机制还不十分清楚，可能与盐同蛋白质的结合能力，以及对蛋白质的水合作用影响有关。凡是能促进蛋白质水合作用的盐均能提高蛋白质结构的稳定性；反之，与蛋白质发生强烈相互作用，降低蛋白质水合作用的盐，则使蛋白质结构去稳定。进一步从水的结构作用讨论，盐对蛋白质的稳定和去稳定作用，涉及到盐对体相水有序结构的影响，稳定蛋白质的盐提高了水的氢键结构，而使蛋白质失稳的盐则破坏了体相水的有序结构，因而有利于蛋白质伸展，导致蛋白质变性。换言之，离液盐的变性作用可能与蛋白质中的疏水相互作用有关。
第四节 蛋白质的功能性质食品的感官品质诸如质地、风味、色泽和外观等，是人们摄取食物时的主要依据，也是评价食品质量的重要组成部分之一。食品中各种次要和主要成分之间相互作用的净结果则产生了食品的感官品质，在这些诸多成分中蛋白质的作用显得尤为重要。例如焙烤食品的质地和外观与小麦面筋蛋白质的粘弹性和面团形成特性相关；乳制品的质地和凝乳形成性质取决于酪蛋白胶束独特的胶体性质；蛋糕的结构和一些甜食的搅打起泡性与蛋清蛋白的性质关系密切；肉制品的质地与多汁性则主要依赖于肌肉蛋白质（肌动蛋白、肌球蛋白、肌动球蛋白和某些水溶性肉类蛋白质）。表5-14列出了各种食品蛋白质在不同食品中的功能作用。
蛋白质的功能性质（Functional Properties）是指食品体系在加工、贮藏、制备和消费过程中蛋白质对食品产生需要特征的那些物理、化学性质。各种食品对蛋白质功能特性的要求是不一样的（表5-15）。
表5-14 食品体系中蛋白的功能作用功能
作用机制
食品
蛋白质类型
溶解性
亲水性
饮料
乳清蛋白
粘度
持水性，流体动力学的大小和形状
汤、调味汁、色拉调味汁、甜食
明胶
持水性
氢键、离子水合
香肠、蛋糕、面包
肌肉蛋白，鸡蛋蛋白
胶凝作用
水的截留和不流动性，网络的形成
肉、凝胶、蛋糕焙烤食品和奶酪
肌肉蛋白，鸡蛋蛋白和牛奶蛋白
粘结-粘合
疏水作用，离子键和氢键
肉、香肠、面条、焙烤食品
肌肉蛋白，鸡蛋蛋白的乳清蛋白
弹性
疏水键，二硫交联键
肉和面包
肌肉蛋白，谷物蛋白
乳化
界面吸附和膜的形成
香肠、大红肠、汤、蛋糕、甜食
肌肉蛋白，鸡蛋蛋白，乳清蛋白
泡沫
界面吸附和膜的形成
搅打顶端配料，冰淇淋、蛋糕、甜食
鸡蛋蛋白，乳清蛋白
脂肪和风味的结合
疏水键，截面
低脂肪焙烤食品，油炸面圈
牛奶蛋白，鸡蛋蛋白，谷物蛋白
表5-15 各种食品对蛋白质功能特性的要求食 品
功 能 性
饮料、汤、沙司
不同pH时的溶解性、热稳定性、粘度、乳化作用、持水性
形成的面团焙烤产品（面包、蛋糕等）
成型和形成粘弹性膜，内聚力，热性变和胶凝作用，吸水作用，乳化作用，起泡，褐变
乳制品（精制干酪、冰淇淋、甜点心等）
乳化作用，对脂肪的保留、粘度、起泡、胶凝作用、凝结作用
鸡蛋代用品
起泡、胶凝作用
肉制品（香肠等）
乳化作用、胶凝作用、内聚力、对水和脂肪的吸收与保持
肉制品增量剂（植物组织蛋白）
对水和脂肪的吸收与保持、不溶性、硬度、咀嚼性、内聚力、热变性
食品涂膜
内聚力、粘合
糖果制品（牛奶巧克力）
分散性、乳化作用
食品的感官品质是由各种食品原料复杂的相互作用产生的。例如蛋糕的风味、质地、颜色和形态等性质，是由原料的热胶凝性，起泡、吸水作用、乳化作用、粘弹性和褐变等多种功能性组合的结果。因此，一种蛋白质作为蛋糕或其他类似产品的配料使用时，必须具有多种功能特性。动物蛋白，例如乳（酪蛋白）、蛋和肉蛋白等，是几种蛋白质的混合物，它们有着较宽范围的物理和化学性质，及多种功能特性，例如蛋清具有持水性、胶凝性、粘合性、乳化性、起泡性和热凝结等作用，现已广泛地用作许多食品的配料，蛋清的这些功能来自复杂的蛋白质组成及它们之间的相互作用，这些蛋白质成分包括卵清蛋白、伴清蛋白、卵粘蛋白、溶菌酶和其他清蛋白。然而植物蛋白（例如大豆和其他豆类及油料种子蛋白等）；和乳清蛋白等其他蛋白质，虽然它们也是由多种类型的蛋白质组成，但是它们的功能特性不如动物蛋白，目前只是在有限量的普通食品中使用。对于这类蛋白质的功能以及它们的分子结构，特别是立体构象对其功能的影响，还不甚了解。
蛋白质的大小、形状、氨基酸的组成和序列、净电荷及其分布、亲水性和疏水性之比，二级、三级和四级结构、分子的柔顺性或刚性，以及分子内和分子之间同其他组分作用的能力等诸多因素，均影响与蛋白质功能有关的许多物理和化学性质，而且每种功能性又是诸多因素共同作用的结果，这样就很难论述清楚何种性质与某种特定功能作用之间的相关性。
从经验上看食品蛋白质的功能性质分为两大类：①流体动力学性质；②表面性质。第一类包括水吸收和保持、溶胀性、粘附性、粘度、沉淀、胶凝和形成其他各种结构时起作用的那些性质（例如蛋白质面团和纤维），它们通常与蛋白质的大小、形状和柔顺性有关；第二类主要是与蛋白质的湿润性、分散性、溶解度、表面张力、乳化作用、蛋白质的起泡特性，以及脂肪和风味的结合等有关的性质，这些性质之间并不是完全孤立和彼此无关的。例如，胶凝作用不仅包括蛋白质-蛋白质相互作用，而且还有蛋白质-水相互作用；粘度和溶解度取决于蛋白质-水和蛋白质-蛋白质的相互作用。
从根据蛋白质的结构特征和分子的性质通常不一定能预测其功能性质，因此，必须通过实验来判断，包括物理、化学性质（粘度、表面张力和溶解度）的测定和实际应用实验。例如，面包焙烤后，体积的测定或油炸食品水分损失的测定，在实验的模拟体系中当蛋白质组分是一种已知天然结构的纯蛋白质时，其功能性可得到最好的了解。然而，工业中使用的大多数蛋白质是一种混合物，含有相当多的糖类化合物、脂类、矿物盐和多酚类物质等，尽管蛋白质的离析物比大多数其他蛋白质含有较少的非蛋白质成分，但由于受到各种加工处理，这样就影响它们原来的结构和功能性。
应用实验所需要的成本高，时间长，近来更多地是采用简单的模拟体系进行实验。但采用这种方法涉及到两个问题：这些实验目前还缺乏标准化；模拟体系实验得到的结果与真实体系（应用实验）相比常常相关性不好。因此，尽快建立一套标准可靠的方法是非常必要的。
以下讨论食品蛋白质的主要功能性质及蛋白质在加工或化学修饰时功能性质的变化。
一、水合性质
1.概述蛋白质在溶液中的构象主要取决于它和水之间的相互作用,大多数食品是水合（hydration）固态体系。食品中的蛋白质、多糖和其他成分的物理化学及流变学性质,不仅受到体系中水的强烈影响，而且还受到水活性的影响。水能改变蛋白质的物理、化学性质，例如具有无定形和半结晶的食品蛋白质，由于水的增塑作用可以改变它们的玻璃化转变温度Tg和变性温度TD。玻璃化温度是指从脆的无弹性的玻璃态（无定形固体）转变为柔软有弹性的橡胶态（高弹态）的转变温度。而溶化温度是结晶态转变为无规状态的温度。另外，干蛋白质浓缩物或离析物在使用时必须使之水合，因此，食品蛋白质的水合和复水性质具有重要的实际意义。蛋白质从干燥状态开始逐渐水合，可用图5-20列出的顺序表示。


A.未水合蛋白；B.带电基团的初始水合；C.在接近极性和带电部位形成水簇；D.在极性表面完成水合作用；E.非极性小区的水合形成单分子层覆盖；F.蛋白质-缔合水与体相水桥；G.完成流体动力学作用图5-20 干蛋白质的蛋白质-水相互作用顺序
蛋白质制品的许多功能性与水合作用有关，例如水吸收作用（也叫做水摄取、亲合性或结合性）、溶胀、湿润性、持水容量（或水保留作用），以及粘附和内聚力都与水合作用的前5个步骤有关。分散性和粘度（或增稠力）涉及F和G两个步骤。蛋白质的最终状态，可溶性或不溶性（部分或全部）也与功能性质相关，例如溶解性或速溶性。胶凝作用是指充分水合的不溶性块状物的形成，而且要求产生特殊的蛋白质-蛋白质相互作用。与表面性质有关的功能性，例如乳化作用和起泡性，蛋白质也必须是高度水合和分散的。
2．蛋白质-水相互作用蛋白质的水合作用是通过蛋白质的肽键（偶极-偶极或氢键），或氨基酸侧链（离子的极性甚至非极性基团）同水分子之间的相互作用来实现的。这些相互作用的方式表示在图5-21中，并在第二章详细讨论过。
图5-21 水同蛋白质相互作用的示意图
（A）氢键；（B）疏水相互作用；（C）离子或极性基团相互作用
在宏观水平上，蛋白质与水的结合是一个逐步的过程，而且与水分活度密切相关。在低水分活度（aW为0.05～0.3）时，离子基团因其高亲和性而首先溶剂化,随后是极性和非极性基团与水结合,最终在蛋白质表面形成单分子水层(或“结合水”),这部分水在流动上是受阻的,即不能冻结,也不能作为溶剂参与化学反应。但是，从能量观点看，在蛋白质表面结合的单分子水层（0.07～0.27gH2O/g蛋白质）中的水解吸时（即从蛋白质表面转变为体相水），在25℃时所需的解吸自由能为0.75kJ/mol。可是水在25℃时的热动能约为2.5kJ/mol,远大于解吸自由能。因此有理由认为蛋白质单分子层中的水分子是可以流动的。在中等水分活度（0.3～0.7）范围，蛋白质结合水后，除形成单分子水层外，还可以形成多分子水层。例如在溶菌酶表面（6000?2）大约覆盖了300个水分子，平均每20?2表面上有一个水分子。在水活性为0.9时,蛋白质结合的水量约为0.3～0.5gH2O/g蛋白质(表5-16,这部分水中的大多数在0℃是不能冻结的。当aW﹥0.9时,大量的液态水(体相水)是凝聚在蛋白质分子的裂隙中,或者截留在不溶性蛋白质（例如肌纤维）体系的毛细管中,这部分水的性质类似于体相水,被称为流体动力学水,它们与蛋白质分子一起运动。
表5-16 各种蛋白质的水合能力蛋白质 水合能力
（gH20/g蛋白质）
蛋白质 水合能力
（gH20/g蛋白质）
纯蛋白质a
核糖核酸酶 0.53
溶菌酶 0.34
肌红蛋白 0.44
β-乳球蛋白 0.54
胰凝乳蛋白酶原 0.23
血清白蛋白 0.33
血红蛋白 0.62
胶原蛋白 0.45
酪蛋白 0.40
卵清蛋白 0.30
商业蛋白质商品b
乳清浓缩蛋白 0.45-0.52
酪蛋白酸钠 0.39-0.92
大豆蛋白 0.33
* a.90%相对湿度的值
b.95%相对湿度的值
3.水合性质的测定方法蛋白质成分的吸水性和持水容量的测定通常有以下四种方法。
（1）相对湿度法（或平衡水分含量法）：
测定一定水活性αw时所吸收的水量，这种方法用于评价蛋白粉的吸湿性和结块现象。
（2）溶胀法：
将蛋白质粉末置于下端连有刻度的毛细管的烧结玻璃过滤器上，让其自发地吸收过滤器下面毛细管中的水，即可测定水合作用的速率和程度（图5-22）。
（3）过量水法：
是使蛋白质试样同超过蛋白质所能结合的过量水接触，随后通过过滤或低速离心或挤压，使过剩水同蛋白质保持的水分离。这种方法只适用于溶解度低的蛋白质。对于可溶性蛋白质必须进行校正。
（4）水饱和法：
测定蛋白质饱和溶液所需要得的水量（用离心法测定对水的最大保留性）。
方法（2）、（3）和（4）可用来测定结合水，不可冻结的水以及蛋白质分子间借助于物理作用保持的毛细管水。


图5-22 某些蛋白质的水吸收作用与时间的函数关系
酪朊酸钠
大豆蛋白质离析物
---- 乳清蛋白质浓缩物
此外，还可以根据经验公式计算蛋白质的水合能力（是指在相对湿度为90%～95%的环境中，干燥蛋白质粉与水蒸气达到平衡时，每g蛋白质所结合水的g数）。表5-17指出了蛋白质分子中各种氨基酸的水合能力，带电基团的氨基酸残基约为6molH2O/mol残基，不带电荷的的极性残基大约是2molH2O/mol残基，非极性残基结合水的能力最低约为1molH2O/mol残基。可见，蛋白质的水合能力与其氨基酸组成有一定的相关性。具体经验公式（没有考虑毛细管作用和物理截留）如下,
a=fc+0.4fp+0.2fN （5-14）
式中,a-水合能力（gH2O/g蛋白质）
fc、fp和fN-分别表示蛋白质分子中带电、极性和非极性残基所占的分数。
表5-17 氨基酸残基的水合能力a
氨基酸残基
水合能力/（molH2O/mol残基）
极性
Asn
2
Gln
2
Pro
3
Ser，The
2
Trp
2
Asp（非离子化）
2
Glu（非离子化）
2
Tyr
3
Arg（非离子化）
3
Lys（非离子化）
4
离子化
Asp-
6
Glu-
7
Tyr-
7
Arg+
3
His+
4
Lys+
4
非极性
Ala
1
Gly
1
Phe
0
Val、Ile、Leu、Met
1
a：根据核磁共振测定的氨基酸残基结合的非冻结水。
实验测得的单体球蛋白的水合能力与按上述经验公式得到的计算值十分相符，然而对于寡聚蛋白计算值一般高于实验值，这是因为在寡聚蛋白质结构中亚单体-亚单体之间的界面上有部分蛋白质表面被埋藏。而酪蛋白胶束相反，由于它的结构中存在大量的空隙，可以通过毛细管作用和物理截留结合水，因此，实验测得的结合水远大于计算值。
4.影响水合性质的环境因素
蛋白质浓度、pH、温度、时间、离子强度、盐的种类和体系中的其他成分等因素都影响蛋白质的构象，影响蛋白质-蛋白质和蛋白质-水之间的相互作用，这些相互关系决定着蛋白质的大多数功能性质。
蛋白质的总吸水率随蛋白质浓度的增加而增加。
pH值的变化影响蛋白质分子的解离和净电荷量，因而可改变蛋白质分子间的相互吸引力和排斥力，及其与水缔合的能力。在等电点pH时，蛋白质-蛋白质相互作用最强，蛋白质的水合作用的溶胀最小。例如，宰后僵直前的生牛肉（或牛肉匀浆）pH从6.5下降至接近5.0（等电点），其持水容量显著减少（图5-23），并导致肉的汁液减少和嫩度降低。低于或高于蛋白质的等电点pH时，由于净电荷和排斥力的增加导致蛋白质溶胀并结合更多的水。在pH9～10时，许多蛋白质结合的水量均大于其他任何pH值的情况，这是由于疏水基和酪氨酸残基离子化的结果，当pH＞10时赖氨酸残基的ε-氨基上的正电荷丢失，从而使蛋白质结合水的能力下降。


图5-23 pH对牛肌肉持水容量的影响
蛋白质结合水的能力一般随温度升高而降低，这是因为降低了氢键作用和离子基团结合水的能力，使蛋白质结合水的能力下降。蛋白质加热时发生变性和聚集，后者可以减少蛋白质的表面面积和极性氨基酸对水结合的有效性，因此，凡是变性后聚集的蛋白质结合水的能力因蛋白质之间相互作用而下降。另一方面，结合很紧密的蛋白质在加热时，发生解离和伸展，原来被遮掩的肽键和极性侧链暴露在表面，从而提高了极性侧链结合水的能力，一般变性蛋白质结合水的能力比天然蛋白质高约1/10。例如乳清蛋白加热时可产生不可逆胶凝，如果将凝胶干燥，可增加不溶性蛋白质网络内的毛细管作用，因而使蛋白质的吸水能力显著增强。此外，干蛋白颗粒的大小、表面空隙和内空隙也同样影响吸水速率和吸水程度。必须指出，大多数蛋白质变性后在水中的溶解度降低。


图5-24 醇溶谷蛋白D-大豆离析物表面吸水量与温度和pH变化的关系
图5-24表示pH、温度同时对大豆蛋白质离析物的吸水量的影响。
离子的种类和浓度对蛋白质的吸水性、溶胀和溶解度也有很大影响。盐类和氨基酸侧链基团通常同水发生竞争性结合。在低盐浓度（＜0.2mol/L）时，蛋白质的水合作用增强，这是由于盐离子与蛋白质分子的带电基团发生微弱结合的原因，但是这样低的浓度不会对蛋白质带电基团的水合壳层带来影响。实质上增加的结合水量是来自与蛋白质结合离子的缔合水。高盐浓度时，水和盐之间的相互作用超过水和蛋白质之间的相互作用，因而可引起蛋白质“脱水。”
5．水合作用和其他功能性之间的关系吸水性和粘度之间往往是关联的，但并不总是正相关，因为蛋白质的溶解度和吸水性之间的关系并不总是一致的，同时，pH和温度的变化对于蛋白质的吸水性和蛋白质溶液的粘度的影响，随蛋白质种类不同而有所不同。
蛋白质成分吸收和保持水的能力在各种食品的质地性能中起着主要的作用，特别是碎肉和焙烤过的面团，不溶解的蛋白质吸水可导致溶胀和产生体积、粘度和粘合等特性。蛋白质的其他功能性（例如乳化作用或胶凝作用），也可使食品具有所需要的性质。蛋白质的持水能力在食品加工和保藏过程中比水合能力更为重要，所保留的水包括结合水、流体动力学水和物理截留水。其中物理截留水对持水能力的贡献大于结合水与流体动力学水。研究表明，蛋白质的持水能力是与水合能力呈正相关。
6．溶胀不溶性蛋白质的溶胀（Swelling）相当于可溶性蛋白质的水合作用，也就是水嵌入在肽链残基之间，增加了蛋白质的体积，同时，使蛋白质相关的物理性质发生变化。例如，肌原纤维的二聚体浸泡在1.0mol/L的NaCl溶液中，体积比原有状态增加2.5倍，体积的增加值相当于6个折叠所占有的体积。蛋白质溶胀时所需要的水量通常是干重蛋白质的数倍。
二、溶解性
1．概述蛋白质的许多功能特性都与蛋白质的溶解度有关，特别是增稠、起泡、乳化和胶凝作用。目前不溶性蛋白质在食品中的应用非常有限。
溶解度特性数据不但对于确定天然资源中蛋白质分离提纯的最适条件很有用，而且也为蛋白质的应用可能性提供了一项重要指标。因为不溶性程度，是评价蛋白质变性和聚集作用最实用的标准，蛋白质在处于最初变性和部分聚集状态时，常常会损害胶凝和乳化作用及形成泡沫的能力。此外，溶解度也是评价蛋白质饮料的一个主要特性。
蛋白质在中性或等电点pH值时的溶解性通常是在制备和加工一种蛋白质过程中必须首先测定的功能性质。这类试验的目的是测定氮溶解指数（NSI）和找出溶解度同pH、离子强度或热处理的关系。
蛋白质的溶解度是许多参数的函数。从热力学上讲，蛋白质溶解是一个较慢的过程，可以用蛋白质-蛋白质和蛋白质-溶剂相互作用的热力学平衡方程式表示。
蛋白质-蛋白质 + 溶剂-溶剂
蛋白质-溶剂 （5-15）
2．影响蛋白质溶解性的因素蛋白质的溶解度除与蛋白质的氨基酸组成和蛋白质的结构有关外，溶解度大小随pH、离子强度、温度和蛋白质浓度不同而改变。下面分别讨论影响蛋白质溶解度的各种因素。
（1）氨基酸组成与疏水性蛋白质中氨基酸的疏水性和离子性是影响蛋白质溶解性的主要因素。疏水相互作用增强了蛋白质与蛋白质的相互作用，使蛋白质在水中的溶解度降低。离子相互作用则有利于蛋白质-水相互作用，可使蛋白质分散在水中，从而增加了蛋白质在水中的溶解度。离子化残基使溶液中的蛋白质分子间产生两种排斥力，一种是当溶液的pH值高于或低于等电点时，由于蛋白质带有净正电荷或净负电荷而在蛋白质分子间产生静电排斥力；另一种是离子基团周围的水合壳层之间的排斥力。
Bigelow认为，蛋白质的溶解度与氨基酸残基的平均疏水性（△G0=Σ△G0＇/n）和电荷频率[σ＝(n++n-)/n]有关，平均疏水性愈小和电荷频率愈大，蛋白质的溶解度愈大。尽管这个经验关系对于大多数蛋白质是正确的，然而并非是绝对的。因为Bigelow没有考虑到蛋白质表面的亲水性和疏水性与其周围的相关性，实际上表面的亲水性和疏水性比平均疏水性和电荷频率对蛋白质溶解度的影响更大。更确切地说，蛋白质表面的疏水小区域的数目愈小，蛋白质的溶解度愈大。在等电点时，如果一种蛋白质的疏水基团因充分暴露，它将通过疏水相互作用降低静电排斥力，导致产生沉淀。相反，当疏水相互作用很弱时，由于水合作用和空间排斥作用使蛋白质仍然保持溶解状态。
（2）pH的影响蛋白质所带电荷的种类和大小与溶液的pH值密切相关，当溶液的pH值高于等电点时，蛋白质带负电荷，低于等电点则带正电荷。带电荷的蛋白质分子比不带电荷的分子溶解度大，因为水分子与电荷产生相互作用引起增溶效果，另外，带同种电荷的蛋白质链易于互相排斥、解离或展开。以蛋白质溶解度对pH作图，得到如图5-25所示的V形或U形曲线。从图中可以看出，溶解度最小的pH值与pI值完全一致，这种特性可用于许多蛋白质的溶解，特别是种籽蛋白（大豆，向日葵等等）。在碱性pH介质中，蛋白质的提取率和溶解度比在酸性pH介质中大；当pH＞pI时，带负电荷的残基数（天冬氨酸和谷氨酸）比pH＜pI时带正电荷的残基数多（例如赖氨酸）。增加蛋白质的净电荷可提高蛋白质的溶解度和提取率，例如，赖氨酸残基琥珀酰化或马来酰化以后，变成可解离羧基的载体，或者使蛋白质与具有疏水和可解离区的双极性分子（十二烷基硫酸钠）发生反应，氨基酸的疏水残基通过这些化合物可变成负电荷的载体。
pH值与pI值相差不大时，蛋白质分子与水分子之间的相互作用最少，所带净电荷也非常小，以致多肽链相互靠近，甚至形成聚集体，引起蛋白质沉淀，当聚集体的堆积密度（bulk density）与溶剂密度相差很大，以及聚集体的直径很大时，则沉淀速率加快。
大多数蛋白质是酸性蛋白，因为天冬氨酸和谷氨酸残基的总和大于赖氨酸、精氨酸和组氨酸残基的总和。因此，它们在pH4～5（等电点）时的溶解度最低，而在碱性pH（一般 pH 8～9）时的溶解度最大。然而，另外一些食品蛋白，如像β-乳球蛋白（pI5.2）和牛血清清蛋白（pI5.3）在它们的等电点pH时具有高的溶解度。因为在这些蛋白质表面，亲水氨基酸残基的数量远高于非极性残基，即使在等电点（电中性）时它们也仍然带有电荷，只不过分子表面的净电荷为零。如果这些带电残基产生的亲水性水合作用的排斥力，大于蛋白质-蛋白质疏水相互作用，那么蛋白质在pI仍然是可溶的。
利用大多数蛋白质在pH8～9的高溶解性，提取植物蛋白。例如将大豆粉置于pH8～9的碱性水溶液中浸提，然后利用等电点沉淀法将pH调至4.5~4.8，再从提取液中回收大豆蛋白。


图5－25 蛋白质溶解度与pH（0.2mol/LNaCl溶液）的函数关系
（3）离子强度μ的影响
（5-16）
式中Ci表示离子浓度，Z表示离子价数。当中性盐的离子强度较低（＜0.5)时，可增加蛋白质的溶解度（图5-26），这种效应称为盐溶效应（Salting in effect）。离子与蛋白质表面的电荷作用，产生了电荷屏蔽效应，并从两方面影响蛋白质的溶解度,这与蛋白质的表面特性有关。如果蛋白质含有高比例的非极性区域，那么电荷屏蔽效应将会降低蛋白质的溶解度，反之，溶解度则提高。在上述摩尔浓度范围内，蛋白质溶解度的对数是
的函数，各种离子的盐溶能力是不相同的。


图5-26 pH和离子强度对β-乳球蛋白溶解度的影响离子强度Ⅰ 0.001，Ⅱ 0.005，Ⅲ 0.01
若中性盐的离子强度大于1.0时，盐对蛋白质溶解度的影响具有特异的离子效应，硫酸盐和氟化物将降低蛋白质的溶解度，并产生沉淀（盐析），这种盐析效应（Salting out effect）是由于蛋白质和盐离子之间为各自溶剂化争夺水分子的结果。在高盐浓度时，由于大部分水分子与盐牢固的结合，使之不能满足蛋白质溶剂化所需水分子的要求，因此，蛋白质-蛋白质的相互作用比蛋白质-水的相互作用更强，这样便导致蛋白质分子聚集，继而产生沉淀。而硫氰酸盐和过氯酸盐则提高蛋白质的溶解度（盐溶）。离子强度对蛋白质溶解度的影响可表示为：
在低盐浓度时,1ogS=Ks·μ （5-17）
在高盐浓度时,1ogS＝－Ksμ+1ogS0 （5-18）
或1og(S/S0)=β-KCs
式中S0是离子强度为零时的溶解度，μ为离子强度，Cs为盐的摩尔浓度，β为常数，Ks为盐析常数，此常数不仅取决于蛋白质种类，而且更依赖于盐的性质和浓度，不同种类的盐产生的盐析作用随其水合能和空间位阻增大而增加。对盐析类盐K是正值，而对盐溶类盐K是负值。
在相同μ值时，各种离子对蛋白质溶解度的影响遵从感胶离子序(Hofmeister系列)，阴离子提高蛋白质的溶解度的排列顺序如下：SO42-＜F-＜CH3COO-＜Cl-＜Br-＜NO3-＜I-＜ClO4-＜SCN-，阳离子降低蛋白质溶解度的顺序：NH4+＜K+＜Na+＜Li+＜Mg2+＜Ca2+。离子的性能类似于盐对蛋白质热变性时温度的影响，多价阴离子对蛋白质溶解度的影响比一价阴离子更显著，而二价阳离子比一价阳离子的影响较小。
（3）温度的影响温度的影响（在恒定pH和离子强度时）通常是蛋白质的溶解度在0℃到40～50℃之间随温度上升而增加。然而对高疏水性蛋白质，例如β-酪蛋白和某些谷蛋白，它们的溶解度则与温度呈负相关，超过40~50℃时，分子运动足以使稳定的二级和三级结构的键断裂，这种变性往往伴随发生聚集（见第三节），在此情况下，变性蛋白质比天然蛋白质的溶解度小，可是，已聚集的蛋白质对水的结合能力不会有大的改变，在时甚至还增大（主要由于生成的凝块或凝胶的毛细管对水的吸收作用）。
大多数蛋白质在加热时，溶解度明显地不可逆降低。有时为了使微生物钝化，去除异味、水分和其他成分，加热处理又是不可缺少的。因此，即使是较温和的加工过程，例如，抽提和纯化蛋白质也会产生一定程度的变性，市售大豆粉，浓缩物和离析物的NSI值范围从10~90%。
（4）有机溶剂的影响某些有机溶剂，如乙醇或丙酮，使水的介电常数降低，因此，提高了蛋白质分子内和分子间的静电作用力（排斥和吸引力）。分子内的静电排斥作用使蛋白质分子伸长，有利于肽链基团的暴露和在分子之间形成氢键，并使分子之间的异种电荷产生静电吸引。这些分子间的极性相互作用，促使了蛋白质在有机溶剂中聚集沉淀或在水介质中溶解度降低。同时由于这些溶剂争夺水分子，更进一步降低了蛋白质的溶解度。甚至在低浓度有机溶剂的水介质中，暴露残基间的疏水相互作用对于降低蛋白质溶解度也是有贡献的。
前面已经提到，蛋白质的结构状态与其溶解度之间关系密切，因此，在蛋白质（或酶）的提取、分离与纯化过程中常用溶解度作为衡量蛋白质（或酶）变性程度的指标。当然，差示量热扫描（DSC）法是目前研究蛋白质变性过程中热力学函数变化的最有效方法。
3．蛋白质的起始溶解度一般认为蛋白质具有大的起始溶解度是产生其他功能性的先决条件。但这种假设不一定总是正确的，已经发现蛋白质配料的预先变性和不溶解性，有时反而可以提高蛋白质对水的吸收。另外，蛋白质变性和部分不溶，有时还可保持胶凝能力，这与乳状液、泡沫和凝胶形成过程中蛋白质出现的不同程度伸展、聚集和不溶解等现象是一致的。
另一方面，要使乳清蛋白和某些其他蛋白质在浮浊液、泡沫和凝胶形成中充分发挥作用，则必须具有适度大的起始溶解度。另外，可溶性酪蛋白酸盐比等电点时的酪蛋白（不易溶解的）具有更好的增稠性和乳化性。起始溶解度大的主要优点是能使蛋白质分子或颗粒迅速分散，这样就可以得到具有均匀宏观结构和高度分散的体系。起始溶解度大，还有利于蛋白质向空气-水和油-水界面扩散，从而提高表面活性。
4．按蛋白质的溶解度分类
Osborne根据蛋白质的溶解度，将蛋白质分为四类：清蛋白（例如血清清蛋白、卵清蛋白和α-乳清蛋白）可溶于pH6.6的水中；球蛋白（例如β-乳球蛋白、谷蛋白）能溶解于pH7的稀盐溶液；醇溶谷蛋白（玉米醇溶蛋白和麦醇溶蛋白）可溶解于70%乙醇中。谷蛋白（例如小麦麦谷蛋白）在上述溶剂中均不溶解，但可溶于酸（pH2）或碱（pH12）溶液。其中醇溶蛋白和谷蛋白为高疏水性蛋白。
三、蛋白质的界面性质许多天然的和加工的食品都是泡沫或乳化体系的产品，它们都需要利用到蛋白质的起泡性、泡沫稳定性和乳化性等功能，例如焙烤食品、甜点心、啤酒、牛奶、冰淇淋、黄油和肉馅等，这些分散体系，除非有两亲物质存在，否则是不稳定的。蛋白质是两亲分子，它能自发地迁移到空气-水界面或油-水界面。研究证明，蛋白质在界面上的自由能，相对于在体相水中是较低的，因此，体相水中的蛋白质能自发地向界面迁移，当达到平衡后，蛋白质在界面上的浓度总是高于体相水。然而蛋白质作为一类天然大分子化合物，不同于低分子量的表面活性剂，能够在界面上形成高粘弹性薄膜，并产生物理垒以抵抗外界机械作用的冲击，其界面体系比由低分子质量的表面活性剂形成的界面更稳定。正因为如此，蛋白质的这种优良特性在食品加工中被广泛得到应用。
蛋白质的表面活性不仅与蛋白质中氨基酸的组成、结构、立体构象、分子中极性和非极性残基的分布与比例，二硫键的数目与交联，以及分子的大小、形状和柔顺性等内在因素有关，而且与外界因素，甚至加工操作有关。凡是能影响蛋白质构象和亲水性与疏水性的环境因素，诸如pH、温度、离子强度和盐的种类、界面的组成、蛋白质浓度、糖类和低分子量表面活性剂，能量的输入，甚至形成界面加工的容器和操作顺序等，都将影响蛋白质的表面活性。尽管所有的蛋白质都具有两亲性，但是它们的表面活性有很大差别。如果仅仅是以蛋白质疏水残基与亲水残基数之比，解释上述现象是非常不科学的，而且有许多与实际相反。例如，许多植物蛋白（如大豆蛋白）的疏水性氨基酸残基含量超过40%，但是它们的表面活性却比疏水残基数少（30%）的清蛋白（卵清蛋白和牛血清清蛋白）差。实际上卵清蛋白和血清蛋白是一种较好的起泡剂和乳化剂。再者，大多数蛋白质的平均疏水性是在一个较窄的范围，为此，不可能造成各种蛋白质表面活性的显著差别。因此，在讨论蛋白质的表面活性时，必须根据上述影响因素综合考虑。
蛋白质作为理想的表面活性剂必须具有3个属性：①快速吸附到界面的能力；②在达到界面后迅速伸展和取向；③一旦达到界面，即与邻近分子相互作用形成具有强内聚力和粘弹性的膜，能耐受热和机械的作用。
蛋白质在搅打和均质时形成泡沫和乳状液的关键在于蛋白质必须自发和快速的吸附在新形成的界面（空气-水或油-水）上。这种能力取决于界面上疏水和亲水小区的分布模式，以及蛋白质的吸附自由能。如果蛋白质表面是非常亲水的，而且又不存在可辩别的疏水小区，那么，蛋白质的吸附自由能为正，也就是说蛋白质在水相中的自由能低于界面或非极性相，吸附则不能发生。随着蛋白质表面疏水小区的增多，蛋白质自发吸附到界面的可能性增加（图5-27）。只有当蛋白质表面的疏水小区数目达到足以提供疏水-界面相互作用需要的能量，才能使蛋白质在界面牢固地吸附，并形成隔离的疏水小区。只有这样方可促进蛋白质吸附，并形成稳定的泡沫或乳状液。


图5－27 表面疏水小区对蛋白质在空气-水界面吸附几率的影响示意图
蛋白质因为具有庞大的体积和折叠性，分子是僵硬的，在界面上吸附时，疏水残基和亲水残基具有固定的分布模式，因而蛋白质在界面吸附必须取向，以利于泡沫和乳状液的形成和稳定。通常蛋白质分子的大部分仍然保留在体相中，仅有一小部分固定在界面，然而低分子质量的表面活性剂，例如卵磷脂和单酰甘油酯，由于它们的亲水和疏水部分在末端，且各占一半，这样的构象就迫使它们在界面吸附，而不存在取向。蛋白质束缚在界面上的那小部分的牢固程度，依赖于固定在界面上肽段的数目和这些肽段与界面的能量。只有肽段之间和肽段与界面的相互作用的自由能变化的总和为负值，而且其绝对值远大于蛋白质分子热运动的动能时，蛋白质才能保留在界面上。蛋白质在界面的吸附和取向与蛋白质分子构象的柔顺性有关，如像酪蛋白这样高度柔顺性分子，一旦在界面吸附时，可迅速发生构象转变，以适合界面性质的需要，因此，有较多的肽段结合到界面。相反，刚性球状蛋白质（如溶菌酶和大豆蛋白）在界面上不能广泛的发生构象转变。
在界面上柔顺性多肽链具有三种典型的构型（图5-28）：列车型、环型和尾型。它们可能以1种或多种构型同时在界面上存在。这与多肽链段的溶液行为和蛋白质的构象有关，一般列车型是多肽链段直接与界面接触形成的；多肽链段悬浮在水相时呈环形；肽链的N-端和C-端位于水相时呈为尾型。其中列车型在界面上出现的几率较多，且与界面强烈结合，并呈现出较低的表面张力。


图5－28 界面上柔顺性多肽链的各种构型
蛋白质在界面的稳定作用决定于它在界面形成膜的机械强度，而膜的强度又与分子间的相互作用、静电吸引、氢链和疏水相互作用有关。二硫键的形成可以增加蛋白质膜的粘弹性。当界面膜中蛋白质的浓度达到约20%～25%（W/V）时，蛋白质则以凝胶状态存在。各种非共价键相互作用达到所需平衡时，才能使凝胶状膜稳定和具粘弹性。倘若疏水相互作用太强，则蛋白质会在表面絮凝、聚结甚至沉淀。当静电排斥力大大超过吸引力时，不易形成厚的内聚膜。
蛋白质形成泡沫和乳状液的机制十分类似，但从能量观点考虑，这些界面相互作用是有差别的，而且它们对蛋白质结构的要求不一样。换言之，一种好的蛋白质乳化剂，但不一定是一种好的起泡剂。
蛋白质的界面形成非常复杂，影响因素较多，但由于对蛋白质的界面性质已经有了较清楚地了解，因此，下面分别定性讨论食品蛋白质的乳化性和起泡性。
1．乳化性质
1）蛋白质在食品乳胶体中的稳定作用许多食品属于乳胶体（牛奶、乳脂、冰淇淋、豆奶、黄油、干酪、蛋黄酱和肉馅），蛋白质成分在稳定这些胶态体系中通常起着重要的作用。天然乳胶体靠脂肪球“这种“膜”由三酰甘油、磷脂、不溶性脂蛋白和可溶性蛋白的连续吸附层所构成，鲜乳中可溶性蛋白还包括免疫球蛋白。牛乳均质可以提高乳胶体的稳定性，因为均质能够使脂肪球变小以及新生成的酪蛋白亚胶束取代免疫球蛋白，并在脂肪球上吸附。
乳胶体的形成原理、破坏历程（分层、絮凝、聚结）以及稳定性因素在第四章中已经论述。蛋白质吸附在油滴和连续水相的界面，并具有能阻止油滴聚结的物理和流变学性质（稠度、粘度、柔顺性和刚性）。氨基酸侧链也能发生解离，解离度与pH值有关，解离可产生有利于乳胶体稳定性的静电排斥力。
蛋白质一般对水/油（W/O）型乳胶液的稳定性较差。这可能是因为大多数蛋白质的强亲水性使大量被吸附的蛋白质分子位于界面的水相一侧。
2).蛋白质乳化性质的测定方法评价乳化特性的方法有油滴大小和分布、乳化活力、乳化能力和乳化稳定性。
鉴别食品乳胶体的性质必须测定液滴的大小和分布（总界面面积），可以运用显微镜、光散射、激光扫描共聚焦、离心沉降或考尔计数器（Coulter counter）装置（液滴通过已知大小的小孔）测定。
测量界面吸附的蛋白质数量（表面浓度）需预先分离油滴（O/W乳状液），例如反复离心和洗涤，使松散结合的蛋白质除去。每毫升含几毫克蛋白质的乳状液相当于能使每平方米界面积吸附几毫克蛋白质。当分散相体积分数φ大和液滴很小时，需要更多的蛋白质才能形成具有稳定剂作用的吸附蛋白质膜。
下面介绍广泛用于比较蛋白质乳化性质的四种试验方法。
乳化活力指标（EAI）
首先采用光学显微镜，电子显微镜、光散射法或Conlter计数器，测定乳状液的平均液滴大小，并按下式计算总界面面积A。

（5－19）
式中φ是分散相（油）的体积分数，R为乳状液粒子的平均半径。
然后根据蛋白质的质量（m）和界面总面积A可计算出乳化活力指标（Emulsifying Activity Index,EAI），即单位质量蛋白质所产生的界面面积

（5－20）
浊度法也是一种测定EAI的简便、实用的方法，根据乳状液的浊度（透光率T）与界面面积的关系，在测得透光率（浊度）后，再计算出EAI。

（5－21）
式中A，吸光度；L，光程根据Mie的光散射理论可知，乳状液的界面面积为浊度的2倍。假设φ是油的体积分数，C是每个单位水相体积中蛋白质的量，则可根据下式计算EAI

（5－22 ）
式中（1-φ）C－代表单位体积乳状液中蛋白质的总量。
（2）蛋白质负载蛋白质负载是指一定温度下每平方米界面面积所吸附的蛋白质质量（mg）。以蛋白质稳定的乳状液，其稳定性与乳状液油-水界面吸附的蛋白质量有关。为了测定吸附的蛋白质质量，在一定温度下将乳状液离心之后，分离除去液相乳化层，然后用水反复洗涤和离心，洗去疏松的吸附蛋白，被吸附到乳化粒子上的量等于最初乳状液中的总蛋白质量与乳化层中吸附蛋白质量之差。如果已知乳化粒子的总界面面积，即可计算出每平方米界面面积吸附的蛋白质量（蛋白质负载）。大多数蛋白质的负载一般在1～3mg/m2。当蛋白质的质量一定时，增加油相体积会降低蛋白质的总量，对于高脂肪含量的乳状液和小油滴，则需要更多蛋白质适当覆盖在界面上，才能使乳状液稳定。
（3）乳化容量（emulsion capacity，EC）
乳化容量是指乳状液发生相转变之前，每克蛋白质能够乳化油的体积（mL）。在一定温度下，蛋白质水溶液（或盐溶液）或分散液在搅拌下以恒定速率不断地加入油或熔化脂肪，当粘度陡然降低或颜色变化（特别是含油溶性染料）或者电阻增大时，即可察觉出相转变，特别是当φ超过0.74时相转变推动力增大，在没有蛋白质存在时相转变φ（φi）值接近0.5，有蛋白质存在时相转变φ值一般在0.65～0.85之间。在相转变时不可能立即形成连续的油相，而首先是形成W/O/W双乳状液。乳化容量用每克蛋白质表示，EC值将随着蛋白质浓度增大而降低，而φi值开始急剧上升，然后下降达到平稳。
（4）乳状液稳定性（emuIsion stability，ES）通常表示为：

（5-23）
预先加热（或不加热）的乳状液，经低速离心（或放置）几小时后，乳状液破坏出现水和油层分离现象。当油滴向上移动形成密集的填充层时，乳状液常常出现分层（不聚结），同时水相向下移动在底部形成水层，用这个实验可以测定泄水速率，但与被实验蛋白质的乳化性质无关。许多食品乳状液因为分层而失去稳定性。发现O/W型乳状液的φ值在0.77和0.88之间稳定性最好，φ值较低发生泄水，而φ值较大则易发生油层聚结和分离。
关于评价蛋白质的乳化性质，目前尚无标准的统一方法，只能是相对比较。
3) 影响乳化作用的因素许多因素影响乳状液的特性和乳化结果，例如仪器设备的类型、输入能量的强度、加油速率、油相体积、温度、pH、离子强度、糖类和低分子量表面活性剂与氧接触、油的种类（熔点）、可溶性蛋白质浓度和蛋白质的乳化性质等。
蛋白质溶解度在25%～80%范围和乳化容量或乳状液稳定性之间通常存在正相关。不溶性蛋白质对乳化作用的贡献很小，然而也不需要能完全溶解的蛋白质，因此蛋白质在出现表面性质之前必须溶解，并向界面扩散。在肉馅胶体中（pH4～8）有氯化钠（0.5～1mol/L）存在可提高蛋白质的乳化容量，很可能是因为肌原纤维蛋白质发生盐溶，所以溶解度和伸展性两者都增大。热聚集形成的不溶性大豆蛋白质比可溶性的乳化效率低，但不溶性蛋白质颗粒常常能够在已经形成的乳状液中起到稳定作用。
pH影响蛋白质的乳化性质。某些蛋白质在等电点pH值时能微溶，因而降低乳化能力，不能稳定油滴的表面电荷（排斥）。另一方面，在等电点或一定的离子强度时，由于蛋白质以高粘弹性紧密结构形式存在，可防止蛋白质伸展或在界面吸附（不利于乳状液的形成），但是可以稳定已吸附的蛋白质膜，阻止表面形变或解吸，后者有利于乳状液维持稳定。因为界面蛋白质膜的形变或解吸均发生在乳状液失去稳定作用之前，同时在蛋白质等电点时脂类和蛋白质的疏水相互作用加强。有些蛋白质在等电点时具有最令人满意的乳化性质（明胶、血清蛋白和卵清蛋白），而有一些蛋白质则相反，在非等电点pH值时乳化作用更好（大豆蛋白、花生蛋白、酪蛋白、乳清蛋白、牛血清蛋白和肌原蛋白）。此外，蛋白质的表观特性在某种程度上还决定于实验条件。
花生蛋白的乳化容量与pH和氯化钠浓度的关系见图5-29在这种情况下，表观乳化容量和蛋白质溶解度之间存在着良好的正相关。


图5－29 pH和氯化钠浓度对花生蛋白离析物乳化容量的影响
○——0.1mol/L NaCl；
●——0.2mol/L NaCl；
▲——0.5mol/L NaCl；
——1.0mol /L NaCl
加热通常可降低被界面吸附的蛋白质膜的粘度和刚性，结果使乳状液稳定性降低。β-乳球蛋白热处理时，可使蛋白质分子内的巯基（-SH）暴露，并与相邻分子间-SH形成二硫交联键，在界面上发生有限聚集。可是高度水合的界面蛋白质膜的胶凝作用可提高表面的粘度和刚性，从而使乳状液保持稳定。因此，肌原纤维蛋白的胶凝作用有助于肉类乳胶体例如香肠的热稳定性，其结果是提高这类食品对水和脂肪的保护力和粘结性。
添加小分子表面活性剂，一般对依靠蛋白质稳定的乳状液的稳定性不利，因为它们会降低蛋白质膜的硬性，使蛋白质保留在界面的能力减弱。
由于某些蛋白质从水相向界面缓慢扩散和被油滴吸附，使水相中蛋白质的浓度降低，因此蛋白质起始的浓度必须较高才能形成具有适宜厚度和流变学性质的蛋白质膜。实际上，如果用0.5％～5%蛋白质浓度（W/W，乳状液），界面蛋白质浓度可达0.5～20mg/m2。
4) 蛋白质乳状液的表面特性可溶性蛋白质乳化作用最重要的特性是其向油/水界面扩散和在界面吸附的能力。一般认为蛋白质的一部分一旦与界面界接触，非极性氨基酸残基则朝着非水相，于是体系的自由能降低，蛋白质的其余部分自动在界面上吸附。大多数蛋白质在吸附时广泛伸展，如果吸附面积增大，可以扩展成单分子层（约1mg/m2，10～20
厚）。有研究者认为，蛋白质的疏水性愈大，界面的蛋白质浓度也愈大，使界面张力变小，乳状液更稳定。但是，蛋白质的总疏水性（按亲水和疏水氨基酸残基的体积比P或平均疏水性
确定）和乳化性质不十分相关。根据疏水亲和色谱、疏水分配或用疏水性试剂测定的结果，增加蛋白质的表面疏水性与降低界面张力和增大乳化作用指数均存在明显的相关性（图5-30）。然而，研究乳清蛋白质浓缩物对乳状液稳定作用时发现，在碱性pH时β-乳球蛋白是在油界面上吸附的主要蛋白质，而在酸性pH时，被吸附的是α-乳清蛋白，在产生吸附作用的pH条件下，这两种蛋白质都不显示表面疏水性和吸附作用之间有相关性。这可能是当韧性蛋白质在与脂类表面接触时能够伸展和扩展，并容易和脂类液滴产生疏水相互作用，因此，形成粘弹性适宜的吸附膜，使乳状液有良好的稳定性（无论是它们具有大的
值还是大的表面疏水性起始值）。


图5-30 各种蛋白质的表面疏水性与（a）油/水界面张力和（b）乳化作用指数相互关系，表面疏水性是按单位质量蛋白质结合的疏水荧光探针测定，乳化作用指数是每g蛋白质形成的界面表面积。1.牛血清清蛋白；2.β-乳球蛋白；3.胰蛋白质；4.卵清蛋白；5.伴清蛋白；6.溶菌酶；7.κ-酪蛋白；8-12.卵清蛋白于85℃分别加热1、2、3、4或5min；19-23.每mol卵清蛋白分别结合0.2、0.3、1.7、5.7、或7.9mol十二烷基硫酸盐；24-28.为分别结合0.3、0.9、301、4.8或8.2mol亚油酸酯的卵清蛋白（每mol蛋白质）
结构稳定和表面疏水性大的球蛋白（例如乳清蛋白、溶菌酶和卵清蛋白）不是好的乳化剂，除非它们经过不丧失溶解性的预处理后仍然能够伸展，适度热处理似乎能够起到这样的作用。与上面提到的蛋白质相比，酪蛋白酸盐是一种较好的乳化剂，因为它们除了溶解度高外，还具有解离的和伸展的结构（无规卷曲），总疏水性也较大，而且多肽链的高度疏水和高度亲水区隔开。酪蛋白（微胶束）和脱脂奶粉、肌动球蛋白（肉和鱼肉蛋白）、大豆蛋白（特别是大豆离析物）以及血液的血浆和珠蛋白都具有很好的乳化性质（表5-18）。
表5-18 各种蛋白质的乳化作用指数值a
蛋白质
乳化作用指数
（每克供试蛋白质的界面（m2）的稳定性）
pH6.5 pH8.0
蛋白质
乳化作用指数
（每克供试蛋白质的界面（m2）稳定性）
pH6.5 pH8.0
合成（88%）酵母蛋白
322 341
大豆蛋白离析物
41 92
牛血清清蛋白
197
血红蛋白
75
酪蛋白酸钠
149 166
酵母蛋白
8 59
β-乳球蛋白
153
溶菌酶
50
乳清蛋白粉末
119 142
卵清蛋白
49
蛋白质分散在0.5%的磷酸盐缓冲液中，pH6.5，离子强度0.1，琥珀酰化（%）表示酵母蛋白中琥珀酰化的赖氨酸基数
对水-油或水-空气界面吸附的蛋白质的行为已进行过很多研究，但关于不同蛋白质在这些界面的构象以及最初构象和在界面上的构象之 间的关系同乳化或起泡性的关系仍不完全了解，产生厚和高度水化且带电荷的吸附蛋白质膜可能对稳定乳状液或泡沫最重要。
5) 蛋白质-脂类相互作用
蛋白质-脂类的相互作用对蛋白质的提取产生不利的影响，特别是从富含脂类的物质（像油料种子或鱼类）中提纯蛋白质，例如油料种子用水或碱性水溶液不可能直接提取蛋白质，因为形成了稳定的蛋白质乳状液而阻碍离心。中性三酰甘油酯通过疏水相互作用与蛋白质结合，所以只能用非极性溶液例如己烷使之除去。可是，磷脂与蛋白质是以极性键更紧密地结合在一起，又需要极性溶剂例如乙醇或丙醇等才能分离。
有时干燥的蛋白质物料吸附一定量的油脂是需宜的，每克大豆浓缩物和离析物分别可结合70ml和170ml油脂，向日葵蛋白离析物每克结合油脂可达到400ml，织构菜籽蛋白每克能结合150ml油脂。从而可以看出，不溶性和疏水性较大的蛋白质结合油脂量最大，小颗粒低密度蛋白粉比密度大的蛋白粉结合油脂量更多。油脂结合量随着温度上升而减少，因为这时油脂粘度降低。植物蛋白粉及其浓缩物中的糖类组分对油脂结合无明显影响，蛋白质对油脂和非极性挥发性化合物的结合存在某些相似性。
氧化的脂类不仅与食品蛋白质相互作用，而且损害蛋白质的营养价值。
2．起泡性食品泡沫的形成和破坏食品泡沫通常是气泡在连续的液相或含可溶性表面活性剂的半固相中形成的分散体系。种类繁多的泡沫其质地大小不同，例如蛋白质酥皮、蛋糕、棉花糖和某些其他糖果产品、点心顶端配料、冰淇淋、蛋奶酥、啤酒泡沫、奶油冻和面包等。大多数情况下，气体是空气或CO2，连续相是含蛋白质的水溶液或悬浊液。某些食品泡沫是很复杂的胶态体系，例如冰淇淋中存在分散的和群集的脂肪球（多数是固体）、乳胶体（或悬浊液）、分散的冰晶悬浮体，多糖凝胶、糖和蛋白质的浓缩溶液以及空气气泡。泡沫中，薄液层连续相（薄片）使气泡分散，气-液界面可调节至1m2/mL液体，如乳状液一样，产生界面同样需要做功。通常用表面活性剂以保持界面，使之防止气泡聚集，因为表面活性剂能够降低界面张力，并且在气泡之间形成有弹性的保护层，某些蛋白质可通过在气-液界面吸附形成保护膜，这种情况下，两个邻近的气泡之间的薄片由被液层隔开的2个吸附蛋白质膜所组成。各种泡沫的气泡大小很不相同，直径从1微米到几cm不等，气泡的大小取决于多种因素，例如，液相的表面张力和粘度、输入的能量，分布均匀的细微气泡可以使食品产生稠性、细腻和松软性，提高分散性和风味感。
产生泡沫有三种方法：最简单的一种方法是让鼓泡的气体通过多孔分配器（例如烧结玻璃），然后通入低浓度（0.01％～2.0%，W/V）蛋白质水溶液中，最初的气体乳胶体因气泡上升和排出而被破坏，由于气泡被压缩成多面体而发生畸变，使泡沫产生一个大的分散相体积（φ）（图5-31）。如果通入大量气体，液体可完全转变成泡沫，甚至用稀蛋白质溶液同样也能得到非常大的泡沫体积。一般可膨胀10倍（膨胀率为1000%），在某些情况下可能达到100倍，对应的φ值分别为0.9和0.99（假定全部液体都转变成泡沫），泡沫密度也相应地改变。


图5-31 形成泡沫图解。A.液体体积；B.掺入的气体体积；C.分散体的总体积；D.泡沫中的液体体积（=E-B）；E.泡沫体积。泡沫体积定义为100×E/A；膨胀量为100×
B/A=100×（C-A）/A，起泡能力为100×B/D，泡沫相体积为100×B/E。
第二种起泡方法是在有大量气相存在时搅打（或搅拌）或振摇蛋白质水溶液产生泡沫，搅打是大多数食品充气最常用一种方法，与鼓泡法相比，搅打产生更强的机械应力和剪切作用，使气体分散更均匀。更剧烈的机械应力会影响气泡的聚集和形成，特别是阻碍蛋白质在界面的吸附，导致对蛋白质的需要量增加（1％～40%,W/V）。在搅打时，掺合的空气体积通常出现一最大值（动力学平衡），试样体积通常增加300%～2000%不等。
第三种产生泡沫的方法是突然解除预先加压溶液的压力，例如在分装气溶胶容器中加工成的掼奶油（搅打奶油）。
乳状液和泡沫之间的主要差别是泡沫中分散相（气体）的体积分散比乳状液中的变化范围更大。因为许多种泡沫都有很大的界面面积，所以它们通常是不稳定的。三种主要失稳（泡沫破坏）历程如下：
（1）薄片液体因重力、压力差和蒸发等原因而出现泄水（或泄漏），气泡的内压力P用拉普拉斯（Laplace′s）毛细管压力方程表示：

（5-24）
式中Patm表示大气压力（Pa·S），
表示界面张力（N/m），R是气泡的曲率半径（m）。
泄漏是在泡沫形成时发生的现象，低密度泡沫中由于气泡倾向于紧密压在一起，从而促使薄片泄漏，界面张力小和直径大的气泡可降低内部压力和泄漏。高度膨胀（φ值大）有利于泄漏的持续进行。当泡沫形成后泄漏会进一步使φ值增大和液体薄片的厚度和强度降低。当主体液相粘稠（如加糖时）和吸附的蛋白质膜的表面粘度很大时，泄漏将会减少。相反，蛋糕和面包类的泡沫食品，是在泡沫形成后加热，因而此时会因空气膨胀和粘度下降导致气泡破裂和解体。
(2)气体从小气泡扩散到大气泡的这种歧化作用，是因为气体溶解在水相中所引起的重新分配。
(3)隔离气泡的液体薄片破裂，可导致气泡通过聚集而变大，最终使泡沫崩溃。液体薄片的泄漏和破裂两者相互依存，因为液体薄片破裂可以增加泄漏，而泄漏会使薄片的厚度和强度变小。如果薄片的两层吸附蛋白质膜彼此接近至50～150?，由于泄漏或碰撞使膜的应力减弱，以致发生破裂。在这样的距离范围内，两个被吸附蛋白质膜之间的相互作用力究竟是静电排斥力还是分子引力起主要作用，至今还不清楚，但厚而富有弹性的吸附蛋白质膜能够阻止膜破裂。
对泡沫稳定性有利的三个重要因素是：界面张力小，主体液相粘度大，以及吸附蛋白质膜牢固并有弹性。
2） 起泡性质的评价评价蛋白质起泡性质可采用不同的方法。方法的选择取决于产生泡沫的方法是鼓泡、搅打或振摇。
气泡的平均大小是可以测定的，从而能粗略估计界面的面积。
起泡率有不同的表示方法：1）“稳态”泡沫体积（100×泡沫体积/液相最初体积）；2）膨胀率[100×（分散体总体积-流体最初体积）/ 流体最初体积]%；3）起泡能力（100×泡沫中气体的体积/泡沫中液体的体积）%；4）泡沫中气体与鼓泡气体的体积比（鼓泡法）；5）泡沫密度（图5-31）。此外，达到一定泡沫体积所需的时间或膨胀量也是重要的。
起泡能力（Fp）一般随液相中蛋白质浓度（Pc）的增加而增大，直到某一最大值。各种蛋白质起泡能力的大小可以通过测定Fp最大值的一半（Pc值）进行比较（表5-19），这些数字说明在低浓度的蛋白质中明胶的起泡能力最大，但不能从一种较高浓度蛋白质（例如1%，W/V）的起泡能力的测定值推出表中的这些数值。
泡沫稳定性可按下述测定结果进行评价：1）一定时间后，液体泄漏或泡沫崩溃（体积减少）的程度；2）全部或一半泄漏（体积减少一半）的时间；3）泄漏开始前的时间。
表5-19 蛋白质起泡能力蛋白质
起泡能力a（%）
（0.5%蛋白质溶液，W/V）
蛋白质
起泡能力a（%）
（0.5%蛋白质溶液，W/V）
牛血清清蛋白
280
β-乳球蛋白
480
乳清分离蛋白
600
血纤维素原蛋白
360
卵清蛋白
40
大豆蛋白（酶水解）
500
760
蛋清
240
明胶（酸法加工猪皮）
牛血浆
260
a根据上述公式的计算值
泡沫强度或刚性可根据泡沫柱承受重量的能力或泡沫的粘度进行评价。
某些情况下，泡沫加热时的特性也是很重要的。例如蛋白酥皮或蛋糕，应该在起泡前或起泡时将蔗糖加至蛋白质溶液中，随后加热泡沫。
在这些不同的实验中，蛋白质物料性能完全依赖于所用的设备和实验条件。为了比较蛋白质的起泡能力，应采用标准操作方法和一种标准蛋白质，卵清蛋白是最常用的标准，因为它具有较好的起泡性质。多数情况下，需用廉价的蛋白质物料与卵清蛋白的起泡性质进行比较。
3).影响泡沫形成和稳定性的环境因素蛋白质溶液的pH、盐类、糖、脂类和蛋白质浓度等因素，都影响泡沫的形成和稳定性。下面对这些因素分别进行讨论。
（1）pH
蛋白质溶解度大虽然是起泡能力大和泡沫稳定性高的必要条件，但不溶性蛋白质微粒（在等电点时的肌原纤维蛋白、胶束和其他蛋白质）对稳定泡沫也能起到有利的作用，很可能是由于增大了表面粘度。虽然泡沫膨胀量一般在蛋白质的等电点pH时不大，但泡沫的稳定性常常是相当好的，如球蛋白（pH5～6）、谷蛋白（pH6.5～7.5）和乳清蛋白（pH4～5）都具有这种特性。这种现象表明在等电点时，分子间的静电吸引作用使被吸附在空气-水界面的蛋白质膜的厚度和刚性增大。但也发现蛋白质在极限pH值时泡沫的稳定性增大，可能是由于粘度增加的原因。卵清蛋白在天然泡沫的pH值（8～9）和接近等电点pI（4～5）时都显示最大的起泡性能，大多数食品泡沫都是在与它们的蛋白质成分等电点不同的pH条件下制成的。
（2）盐类
盐类不仅影响蛋白质的溶解度、粘度、伸展和聚集，而且还改变起泡性质。因此，盐的种类和蛋白质在盐溶液中的溶解特性，影响蛋白质的起泡性。大多数球状蛋白质例如牛血清清蛋白，卵清蛋白、谷蛋白和大豆蛋白等的起泡性和泡沫稳定性，随着NaCl浓度的增加而增加，这主要是由于盐对蛋白质电荷的中和作用。相反，另外一些蛋白（如乳清蛋白，特别是β-乳球蛋白），由于盐溶效应，其起泡性和泡沫稳定性，则随着盐浓度的增加而降低。在特定盐溶液中，蛋白质的盐析作用通常可以改善起泡性。反之，盐溶使蛋白质显示较差的起泡性。NaCl通常能增大膨胀量和降低泡沫稳定性(表5-20)，可能是由于降低蛋白质溶液的粘度的结果。二价阳离子例如Ca2+和Mg2+在0.02～0.04mol/L范围，能与蛋白质的羧基生成桥键，使之生成粘弹性较好的蛋白质膜，从而提高泡沫的稳定性。
表5-20 NaCl对乳清分离蛋白起泡性和稳定性的影响
NaCl浓度（mol/L）
总界面面积（cm2/mL泡沫）
泡沫面积破裂50%的时间（Sec）
0.00
333
510
0.02
317
324
0.04
308
288
0.06
307
180
0.08
305
165
0.10
287
120
0.15
281
120
(3)糖类蔗糖、乳糖和其他糖类通常能够抑制泡沫膨胀，但也可提高泡沫的稳定性。后者是因为糖类物质能增大体相粘度，降低了薄片流体的脱水速率。相反，在糖溶液中由于提高了蛋白质结构的稳定性，于是蛋白质不能够在界面吸附和伸长，因此，在搅打时蛋白质就很难产生大的界面面积和大的泡沫体积。所以制作蛋白酥皮和其他含糖泡沫甜食，最好在泡沫膨胀后再加入糖。卵清蛋白和糖蛋白（卵类粘蛋白，卵清蛋白）有助于泡沫的稳定，因为这类蛋白质能在薄层中吸附和保持水分。
(4)脂类当蛋白质被低浓度（直到0.1%）脂类污染时，脂类物质将会严重损害起泡性能，因此，无磷脂的大豆蛋白质制品、不含蛋黄的蛋白质、“澄清的”乳清蛋白或低脂乳清蛋白离析物与它们的含脂（脂质污染）对应物相比，其起泡性能更好。可能是由于具有表面活性的极性脂类化合物占据了空气-水界面，对吸附蛋白质膜的最适宜构象产生干扰，从而抑制了蛋白质在界面的吸附，使泡沫的内聚力和粘弹性降低，最终造成搅打过程中泡沫破裂。即使低浓度脂（0.1%）也会阻止蛋白质的泡沫形成。
(5)蛋白质浓度蛋白质浓度影响泡沫的某些特性。蛋白质浓度愈高，泡沫愈牢固。蛋白质浓度增加至10%时，泡沫稳定性的增加超过泡沫体积的增大。初始液相中的蛋白质浓度在2%～8%（W/V）（搅打法），一般可达到最大膨胀量，并产生适宜的液相粘度和吸附膜厚度。对于一个气泡直径为150μm和φ=0.95的典型泡沫。起泡前液相中蛋白质浓度为0.1%，如果全部被吸附，则可产生1mg/m2的界面蛋白质浓度，形成的表面刚性能使泡沫保持稳定。增加蛋白质浓度将会产生更小的气泡和更稳定的泡沫。起泡前使蛋白质溶液陈化，有利于泡沫的稳定性，可能是由于促进蛋白质-蛋白质的相互作用能形成更厚的吸附膜。
(6)温度
蛋白质加热部分变性，可以改善泡沫的起泡性。因此在产生泡沫前，适当加热处理可提高大豆蛋白（70-～80℃）、乳清蛋白（40～60℃）、卵清蛋白（卵清蛋白和溶菌酶）等蛋白质的起泡性能，热处理虽然能增加膨胀量，但会使泡沫稳定性降低。若用比上述更剧烈的条件热处理则会损害起泡能力（图5-32）。除非蛋白质的胶凝作用能使稳定泡沫的吸附膜产生足够的刚性，否则加热泡沫将会使空气膨胀、粘性降低、气泡破裂和泡沫崩溃。卵清蛋白的泡沫在加热时仍保持其结构，而乳清蛋白的泡沫是不耐热的，在70℃加热1min，可以改善起泡性，但是在90℃加热5min，则降低起泡性，尽管此时蛋白质仍然保持溶解，但是蛋白质分子的-SH之间会形成二硫交联键，分子间发生聚合，增加了蛋白质的分子质量，使之不宜在空气-水界面吸附。


图5-32 干燥-复水的乳清蛋白受热处理影响溶解度、乳胶稳定性和泡沫膨胀量。
乳清蛋白经超滤、浓缩在各种温度下（横坐标）下加热30min，干燥，然后复水。
—— 加热的乳清蛋白在pH4.6的蛋白质的溶解度（%）；
－·－ 加热的乳清蛋白浓缩物在pH6.6制成的乳胶体；
- - - 在pH6.6用加热提取的乳清蛋白浓缩物制成的泡沫的膨胀量
要想形成足够量的泡沫，必须使搅动的持续时间和强度适合于蛋白质的充分伸展和吸附。但过度强烈搅拌会降低膨胀量和泡沫的稳定性，卵清对过度搅拌特别敏感，搅打卵清或清蛋白超过6～8min可引起蛋白质在空气-水界面发生聚集-絮凝。这些不溶解的蛋白质在界面不能被完全吸附，使液体薄片的粘性不能满足泡沫高度稳定性的要求。
4).影响泡沫形成和稳定性的分子特性蛋白质作为一类有效的起泡剂或乳化剂，同样应满足前面提到的三点要求。实验结果表明，泡沫的形成和稳定性对蛋白质性质的要求略有不同，泡沫的形成包括可溶性蛋白质向空气-水界面扩散、伸展、浓集和快速扩展，结果降低界面张力。影响泡沫特性的分子性质是：蛋白质分子的柔顺性，电荷密度和分布，以及疏水性。
空气-水界面的自由能显著地高于油-水界面的自由能。因此，要保持空气-水界面的稳定性，蛋白质就必须具有快速吸附的能力和形成新的界面，同时使界面张力降低到最低水平。自由能的降低与分子在界面上的迅速伸展、重排和疏水残基在界面的暴露有关。
几乎不具有二级和三级结构的柔顺性蛋白质分子，例如β-酪蛋白是有效的表面活性剂。球蛋白伸展前经过温和加温、变性剂（例如二硫化物还原剂）处理或蛋白质部分水解（若伸展不伴随聚集和溶解度降低），则有利于蛋白质在界面更好地取向和起泡能力提高。另一方面，溶菌酶由于分子内的4个二硫键，使之具有紧密折叠的结构，在界面吸附非常缓慢，仅能部分伸展，界面自由能降低很小。因此，溶菌酶不是一种好的起泡剂。可以认为，一种优良的起泡剂在界面必须是柔顺性的。如前所述，蛋白质的表面疏水性与降低表面和界面张力的能力之间存在着直接的相关性（图33，表5-21），酪蛋白和其他蛋白质的疏水衍生物能在空气-水界面更好地取向和扩散，具有较大的起泡能力。
泡沫稳定性与气泡周围蛋白质膜的特性有关，要使泡沫的稳定性高，每个气泡必须有一层粘结、富有弹性而不透气的蛋白质厚膜。相对分子质量高的球蛋白因能部分阻止表面伸展，所以适合气泡外面蛋白质膜特性的要求，它能形成具有良好表面流变学性质的吸附膜和稳定性高的泡沫，这很可能是部分伸展的几层球蛋白通过疏水、氢键、静电相互作用，首先在界面缔和形成稳定的膜。显然，在使蛋白质膜稳定的蛋白质分子间的内聚相互作用和能引起蛋白质聚集或破裂的蛋白质自缔合之间存在着临界平衡。另一方面，蛋白质必须靠疏水相互作用在界面牢固吸附，这对于防止蛋白质解吸和随后发生液体泄漏损失是非常重要的。同时还要求蛋白质分子有足够的韧性和流动性，以阻止应力形变、界面扩大和薄片的厚度变薄。一个同时具有良好起泡能力和泡沫稳定性的蛋白质，其柔顺和刚性必须保持适当平衡。界面扩大可导致界面的吸附蛋白质分子浓度降低和张力增大。蛋白质必须拖带位于下面的水分子一起从低界面张力区向高界面张力区移动，只有这样才能形成非常稳定的泡沫，使薄片能恢复最初厚度和蛋白质膜的极性侧链（或多肽环）与薄片内的水相互作用，以减少液体泄漏。此外，蛋白质的电荷密度与泡沫稳定性之间通常是负相关。


图5-33 起泡能力和平均疏水性的相关性（A）；
泡沫稳定性与蛋白质的电荷密度之间的关系（B）；
表5-21 各种蛋白质的表面活性和疏水性蛋白质种类
水/空气界面张力
（N/m）
水/油界面张力
（N/m）
相对表面疏水性
牛血清清蛋白
58×10-3
54×10-3
10.3×10-3
9.5×10-3
1400
1300
κ1-酪蛋白
β-乳球蛋白
60×10-3
11.0×10-3
750
溶菌酶
64×10-3
11.2×10-3
100
胰蛋白酶
64×10-3
12.0×10-3
90
伴清蛋白
64×10-3
12.1×10-3
70
卵清蛋白
61×10-3
11.6×10-3
60
具有良好起泡性质的蛋白质有卵清蛋白、血红蛋白的珠蛋白部分、牛血清蛋白、明胶、乳清蛋白、酪蛋白胶束、β-酪蛋白、小麦蛋白（特别是麦谷蛋白）、大豆蛋白和某些蛋白质的低度水解产物。结构无序的β酪蛋白（韧性无规卷曲）能迅速降低表面和界面张力，并促使泡沫的形成，可是被吸附蛋白质的膜薄使泡沫稳定性差。κ酪蛋白形成泡沫时伸展缓慢，也许它是靠分子内的二硫键维持稳定，在界面的扩展不如β酪蛋白，因此，不能迅速形成泡沫，但生成的蛋白质膜既厚又牢固，使泡沫具有良好的稳定性。血清蛋白是高度有序的球形韧性结构，足以在泡沫界面部分地伸展和吸附，并使被吸附分子的残余结构能产生良好的泡沫稳定性。就卵清蛋白而言，由于各种蛋白质成分不相同，物理化学性质可能互相补充，结果可迅速形成低密度、稳定、耐热的泡沫。大多数蛋白质是一种复合蛋白，因此，它们的起泡性质受吸附在界面上的蛋白质组分之间的相互作用影响。例如，蛋清之所以具有优良的起泡性能，是与它的蛋白质组成有关。酸性蛋白质如果适当与碱性蛋白结合，则可提高起泡性。乳胶体和泡沫的形成有许多相似之处，但蛋白质的乳化能力和起泡能力之间不存在紧密的相关性，可能是因为泡沫稳定性比乳胶体稳定性对残余蛋白质结构有更多的要求。
四、粘度一些流体和半固体类食品（例如调味汁、汤和饮料等）的可接受性与产品的粘度或稠度密切相关。流体的粘度反映它对流动的阻力，用粘度系数η表示。对于理想溶液η为剪切应力（即单位面积上的作用力，F/A）对剪切速率（两液层之间的速率梯度，dν/dr）的比，即

（5—25）
牛顿流体服从上述关系式，具有粘度系数不随剪切力或剪切速率变化的特性。但是包括蛋白质在内的大多数亲水性大分子的溶液分散体（匀浆或悬浮体）、乳状液、糊状物或凝胶都不符合牛顿流体的特性，其粘度系数随剪切速率的增加而降低，这种特性叫做假塑性或切变稀释。表示为

（5-26）
式中 m表示稠度系数，n表示流动特性指数。
蛋白质切变稀释的原因可以解释为：1）蛋白质分子的主轴朝着流动方向逐渐取向，使摩擦阻力减小；2）蛋白质的水合范围沿着流动方向形变（如果蛋白质是高度水合和分散的）；3）氢键和其他弱键的断裂可导致蛋白质聚集体或网络结构的解离。在上述情况下，朝着流动方向的分子或颗粒的表观直径变小。
弱键的断裂是缓慢发生的，以致有时蛋白质流体在达到平衡之前，剪切应力和表观粘度（剪切速率和温度不变）随着时间而降低，当停止剪切处理时，可能（或者不能）重新形成原来的聚集体或网络结构的解离。如果恢复到原来的状态，粘度系数的降低是可逆的，这种体系是触变的（thixotropic）。例如，大豆蛋白离析物和乳清蛋白浓缩物的分散体是触变的。
由于蛋白质-蛋白质的相互作用，大多数蛋白质流体的粘度系数随蛋白质浓度的增加呈指数增大，（图5-34),这种相互作用还可以解释为什么蛋白质在高浓度时,剪切稀释效应更明显。只有当蛋白质-蛋白质的相互作用很大时(象蛋白质糊或凝胶中),才显示出可塑性粘弹性能,所以,流体只有在受到超过某些相互作用力(屈服应力)时才开始流动。


图5—34 7S和11S大豆蛋白溶液在20℃时浓度对粘度（或稠度指数）的影响
影响蛋白质流体粘度特性的一个主要因素是被分散的分子或颗粒的表观直径，而表观直径取决于下述参数：蛋白质分子固有的特性，例如相对分子质量、大小、体积、结构和对称性、电荷和易变形程度（环境因素，例如pH、离子强度和温度等）；蛋白质-溶剂的相互作用，这种作用影响溶胀，溶解度和分子周围的流体动力学水合作用范围；蛋白质-蛋白质相互作用，决定聚集体的大小，对于高浓度蛋白质，蛋白质-蛋白质相互作用是主要因素。
蛋白质分子的形状和大小与溶液粘度的关系，以增比粘度ηSP（Specific Viscosity）表示
ηSP=βC（ν2+δ1ν1） （5-27）
式中 ηSP—增比粘度（溶液粘度比溶剂粘度增加的百分数，代表溶质对粘度的贡献。）
β—形状因子
C—浓度
v2,、v1—分别代表未水合蛋白质和溶剂的比体积
δ1—每g蛋白质结合水的质量（g）
这里ν2是与分子的柔顺性有关，蛋白质的比体积愈大，则柔顺性愈大。
对于稀蛋白质溶液的粘度，可以分别用相对粘度ηrel，比浓粘度ηSP/C和特性粘度[η]表示。
采用Ostwald—Fenske毛细管粘度计测定时，ηrel（Relative Viscosity）表示为

（5-28）
式中 ρ、ρ0—分别表示蛋白质溶液和溶剂的密度
t,t0—分别表示指定体积的蛋白质溶液和溶剂流经毛细管的时间其他几种粘度的表示，可以通过相对粘度得到增比粘度：ηSP﹦ηrel-1 （5-29）
比浓粘度：ηred（reduced viscosity）

（5-30）
式中C—蛋白质浓度特性粘度[η]（intrinsic viscosity）

（5-31）
将比浓粘度（ηSP/C）对蛋白质浓度（C）作图，然后外推到蛋白质浓度为零（极限），即得到特性粘度[η]。特性粘度[η]是描述单个粒子对粘度的贡献，与粒子大小有关。[η]与分子尺寸的关系符合Flory粘度公式

（5-32）
或
（5-33）
式中，
和
均为常数，
值约为2.1×1021。

制作人
：
何慧
（ 80 学时 ）
教材,Textbook Series for 21st century
1.,食品化学,阚建全主编中国农大出版社 2002.9
2.,食品分析与感官评定,吴谋成主编中国农业出版社 2002.3
主要参考书
1.,食品化学,王 璋等编中国轻工出版社 1999年
2.,食品化学,刘邻渭 主编中国农业出版社 2000年
3.,食品分析,大连轻工等八校合编中国轻工出版社 1994年
References
4,Food Chemistry,
Owen R,Fennema
3rd Edition,1996
5,Food Chemistry,
Belitz,Grosch.
Second Edition,
1999
第一章 绪论第三章 碳水 化合物第四章 脂质第五章 蛋白质第六章 维 生素和矿物质第八章 风味化学（一）
第九章 风味化学（二）
第二章 水第七章 食品色素第一节 食品化学与分析的研究内容第二节 食品化学发展史第三节 食品化学的研究方法第三节 食品化学研究现状及展望
1.食品化学与分析的研究内容化学分子水平
Composition
Structure
Physicochemical
properties
Nutrition
Safety
Changes
influence
Storage
Processing
Transportation
sale
Food quality
Safety
I tell
you!
(1) 研究食品的化学组成食品中的化学成分
Natural Compositions
Unnatural Compositions
Inorganic Compositions
Organic Compositions
Food Additives
Contaminant
Water
Mineral
Carbohydrates
Lipids
Proteins
Vitamins
Hormone
Flavor Compositions
Toxic Substances
Natural Additives
Synthetic Additives
Processing
Environmental Pollution
食品中的基本营养素
（ 3）研究食品贮藏、加工新技术，开发新产品和新的食物资源
（ 4）研究化学反应的动力学行为和环境因素的影响
（ 2）揭示食品在加工贮藏中发生的化学变化
2.食品化学与相关学科的关系
Food
Sc
ien
ce
Food Micoorganism
Food Chemistry Food Engineering
化学生物化学食品化学 植物学动物学分子生物学等食品化学的 准备课程无机化学,有机化学,
分析化学,物理化学,
生物化学 。
食品化学起源于何时难以从历史记载中找到答案
食品化学在十九世纪初逐步成为一门独立的学科
食品化学作为科学加以研究应追溯到十八世纪与食品化学发展相关的科学家
A,L,avoisier (France)
( 1743-1794）
C,W,Scheele
(Sweden) (1742-1786）
Nicolas (France)
( 1767-1845)
J,V,Liebig (Germany)
（ 1803-1873）
M,E,Chevreul
(France) ( 1786-1889)
A,L,avoisier
采用模拟体系或简单体系进行研究
将动态多因子科学地分解成静态单因子
对于不同的研究对象用不同的研究手段
将生物技术用于食品化学研究中
保健食品的研究方兴未艾
全天然食品受到青睐
开发新的食物资源
食品品种更趋多样化
未来食品 -合成食品
The End

第十章 食品添加剂第一节 概 述食品添加剂（food additives）通常是人们为了改善食品质量和保持或提高营养价值，在食品加工或贮藏过程中添加的少量天然或合成的物质，例如增强营养，改善色、香、味或质地，方便加工，延长货架期，使消费者更容易接受。它们具有某些特定的功能，既可以是单一成分，也可以是混合物。这些物质首先必须是有益的和安全的，而且是受消费者欢迎的物质。各个国家对食品添加剂都有严格的规定和限量，新研制的食品添加剂也必须经有关专家和部门的严格审查批准后才能使用。如果采用经济、良好的制作方法和先进的加工工艺，能得到同样或相似的效果，所以最好不使用食品添加剂。
有关食品添加剂的定义，由于各国饮食习惯、加工方法、使用范围和种类的差异，因此在定义上有所不同。
根据中华人民共和国《食品卫生法（试行）》规定，我国对于食品添加剂的定义是指“为改善食品品质和色、香、味以及为防腐和加工工艺的需要而加入食品中的化学合成或天然物质”。营养强化剂是指“为增强营养成分而加入食品中的天然或人工合成的属于天然营养范围的食品添加剂”。
联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）联合组成的食品法规委员会（CAC）在集中各国意见的基础上曾于1983年规定：食品添加剂是指其本身通常不以食用为目的，也不作为食品的主要原料物质，这种物质并不一定具有营养价值。在食品的制造、加工、调制、处理、罐装、包装、运输和保藏过程中，由于技术上（包括调味、着色和赋香等感官）的目的，有意识加入到食品中，同时直接或间接地导致这些物质或其副产品成为食品的一部分，或者改善食品的性质。它们不包括污染物或者为了保持、提高食品营养价值而加入食品中的物质。
食品添加剂品种繁多，据不完全统计，目前世界上使用的食品添加剂达14 000种以上，其中直接使用的约4000种（不包括香料在内），间接使用的约为1000种。
各国对食品添加剂的分类方法差异很大，通常是按其在食品中的功能进行分类的。其实，按使用功能划分类别也并非十分完美，因为不少添加剂具有多种功能，例如抗坏血酸既是一种广泛使用的天然抗氧化剂，又是营养强化剂。因此，只能考虑它主要使用的功能和习惯划分。
多数国家与地区将食品添加剂按其在食品加工、运输、贮藏等环节中的功能分为以下6类：①防止食品腐败变质的添加剂有防腐剂、抗氧化剂和杀菌剂；②改善食品感官性状的添加剂有鲜味剂、甜味剂、酸味剂、色素、香料、香精、发色剂、漂白剂和抗结块剂；③保持和提高食品质量的添加剂如组织改良剂、面粉面团质量改良剂、膨松剂、乳化剂、增稠剂和被膜剂；④改善和提高食品营养的添加剂有维生素、氨基酸和无机盐；⑤便于食品加工制造的添加剂有消泡剂、净化剂；⑥其他功能的添加剂有胶姆糖基质材料、酸化剂、酶制剂、酿造用添加剂和防虫剂等。
我国将食品添加剂划分为22类，美国FDA规定的有32类，欧洲共同体有9类，日本将食品添加剂划分为25类。
本书就主要和通常使用的食品添加剂分别予以介绍。
第二节 酸和发酵酸一、酸和食品自然界中广泛存在着有机酸和无机酸。酸的重要特性是产生氢离子或水合离子H3O+，因而具有酸味。酸在生物体中作为中间代谢物或与其他物质构成复杂的缓冲系统的成分，具有多种功能。在食品和食品加工中，酸有多种用途。
酸和酸盐大量用于化学缓冲系统，后面将作详细讨论。在食品保存中酸有特异性的抑制酸性微生物的作用，因而酸是常用的抗菌剂，如山梨酸、苯甲酸。某些酸离解后对特定的金属离子有螯合作用，形成配合物，使食品保持稳定，延长贮藏期，如柠檬酸及其衍生物。酸可使果胶凝固，酸还可作消泡剂和乳化剂。在奶酪和乳制品生产中（如酸奶），酸可以使乳蛋白凝结。在天然培养过程中，由链球菌和乳酸杆菌产生的乳酸使pH降低至接近酪蛋白的等电点而引起凝结。将凝乳酶和酸性物质如柠檬酸加入冷牛奶（4～8℃）可以生产奶酪，然后再加热到35℃便生成均匀的凝胶。将酸加入温热牛奶中会产生蛋白质沉淀而不是凝胶。
在水果和蔬菜罐头食品中，添加柠檬酸使pH值降低到4.5以下，可以达到灭菌的目的，同时还可抑制有毒微生物（梭菌肉毒杆菌）的生长。
酸对食品除了能产生酸味之外，还有调节和强化人的味觉能力，成为重要的调味剂。此外，用来制造奶油软糖和奶油巧克力软糖的酸，如酒石酸氢钾，可引起蔗糖的有限水解（转化）产生果糖和葡萄糖。这些单糖由于增加了糖浆组成的复杂性，降低了平衡相对湿度，抑制蔗糖晶体的过分生长，从而有效地改善了软糖的质量。
应当指出，短链游离脂肪酸（C2～C12）对食品的味道有重要影响。例如丁酸本身有难闻的气味，浓度较高时产生强烈的水解酸败味；可是，在浓度底时，会有奶酪和黄油这类食品的典型香味。
在食品加工中，有时为了控制反应速率，需要使酸缓慢释放。例如δ-葡糖酸内酯和丙交酯的水解就是这样（图10-1和图10-2）。


δ-葡萄糖内酯 葡糖酸图10-1 δ-葡糖酸内酯水解


丙交酯 乳酸图10-2 丙交酯水解
δ-葡糖酸内酯在乳制品和某些化学发酵系统的含水系统中可发生缓慢水解,生成葡糖酸，用于缓慢产酸。
丙交酯是乳酸脱水生成的环状双内酯，它亦可用在水溶液系统中缓慢释放酸。脱水反应是在低水活性和升温条件下发生的，而将丙交酯加入高水活性的食品中，则发生逆反应（水解）生成2mol的乳酸。
常用于食品的有机酸有,
醋酸 （CH3COOH）
柠檬酸苹果酸 　（HOOC-CHOH-CH2-COOH）
乳酸 （CH3-CHOH-COOH）
富马酸 （HOOC-CH=CH-COOH）
琥珀酸 （HOOC-CH2-CH2-COOH）
酒石酸 （HOOC-CHOH-CHOH-COOH）
磷酸是唯一作为食品酸化剂使用的无机酸。在有香味的碳酸饮料，特别是可乐和类似啤酒的无醇饮料中，磷酸是广泛使用的一种重要酸化剂。
一些食用酸类的离解常数见表10-1。
表10-1 某些食用酸的离解常数（25℃）
酸 离解步数 pka
酸 离解步数 pka
有机酸醋酸 4.75
乙二酸 1 4.43
2 5.41
苯甲酸 4.19
正丁酸 4.81
柠檬酸 1 3.14
2 4.77
3 6.39
甲酸 3.75
富马酸 1 3.03
2 4.44
乙酸 4.88
乳酸 3.08
苹果酸 1 3.40
2 5.10
丙酸 4.87
琥珀酸 1 4.16
2 5.61
酒石酸 1 3.22
2 4.82
无机酸碳酸 1 6.37
2 10.25
正磷酸 1 2.12
2 7.21
3 12.67
硫酸 2 1.92
本表摘自：Weast，R.C.(ed.)(1988),Handbook of Chemistry and Physics,CRC Press,BocaRaton,FL.
二,化学发酵系统和发酵酸发酵酸是化学发酵系统的重要组成部分。它和碳酸氢钠、淀粉及其他补充剂制成发酵粉，成为家庭和面包饼干厂所大量使用的化学发酵剂。
化学发酵系统是一个复杂体系，它在适当水分和温度条件下，能在生面团或面糊中反应释放出二氧化碳。二氧化碳的释放连同带入的空气和水汽使之膨胀，使加工制品具有特殊的多孔蜂窝状结构。
二氧化碳通常来自碳酸氢钠，有时也来自其他碳酸盐。在极少数情况下，也可以用碳酸铵(NH4)2CO3和碳酸氢铵NH4HCO3。但这两种铵盐对温度不稳定，在焙烤温度下即分解：
因此，它们和碳酸氢钠不同，不需要外加发酵酸即可起作用。
在无钠食物中，可用碳酸氢钾KHCO3代替碳酸氢钠作为发酵体系的一种成分。缺点是它有吸潮性和稍带苦味，使其应用受到限制。碳酸氢钠易溶于水（619g/100ml），溶液呈弱碱性。它在水中完全离解成Na+和HCO3-。碳酸氢根又进行水解和进一步离解,
HCO3-+H2O
H2CO3+OH-
HCO-3
H++CO23-
这些仅适用于简单溶液的反应，在含水的面团物料体系中，由于蛋白质和其他天然存在的各类离子参与反应，体系中离子的分布变得更加复杂，难于进行理论计算。
发酵酸提供的氢离子与面团中的碳酸氢钠反应放出二氧化碳气体：
R-O-，H+ +NaHCO3→R-O-，Na++H2O+CO2↑
重要的是要注意保持发酵酸和碳酸氢钠（发酵盐）的适当比例。碳酸氢钠过量会使焙烤食品带肥皂味，而过量酸又会使食品带酸味，若比例很不适当有时还带苦味。
一般说来，发酵酸经常是以盐或酯的形式存在，包括强酸弱碱盐、酸式盐和内酯。在含水物料体系中，它们通过水解或离解可提供氢离子与发酵盐（主要是碳酸氢钠），反应释放出二氧化碳，这种反应实质上是中和反应。然而，发酵酸的中和能力各不相同，其相对活度取决它的中和值。发酵酸的中和值，是由中和100份重量的碳酸氢钠的重量分数来确定。应当指出，在天然面粉中的情况下，焙烤食品达到中性或任何预定pH所需发酵酸的量与从简单水溶液测定的理论量可能很不相同。尽管如此，中和值对于确定发酵体系起始配方是有用的。完全平衡的发酵过程中适当的剩余盐能起到缓冲作用，有助于稳定最终产品的pH值。
发酵酸大多是在室温下水溶性很有限的酸类，溶解度的差异决定着室温下释放二氧化碳起始速率的差异，并且这种速率的差异正是发酵酸分类的基础。一般说来，发酵酸室温下溶解度的大小与释放二氧化碳的快慢有着平行的关系。发酵酸一般在焙烤前放出一部分二氧化碳，其余部分则是在高温焙烤过程中释放出来。
研究在室温下不同发酵酸与碳酸氢钠反应产生二氧化碳的起始速率对于食品加工工艺有重要意义。图10-3表示NaHCO3与三种发酵酸作用释放CO2量（%）的情况。曲线a是作用快的磷酸二氢钙一水合物[Ca（H2PO4）2· H2O]，曲线c是作用慢的1-3-8磷酸铝钠[NaH14Al3（PO4）8?4H2O]，而曲线b则是从无水磷酸二氢钙[Ca（H2PO4）2] 放出CO2的曲线。曲线表明：反应10min，有60%以上的CO2很快从磷酸二氢钙一水合物中放出，而作用慢的1-3-8磷酸铝钠仅释放出约20%的CO2，这是因为水合铝覆盖层起阻隔作用，使覆盖层下面的发酵酸在加热活化之前仅有一小部分能发生反应。气体释放时间的推迟与水分渗透穿过覆盖层所需要的时间大体上是一致的。这一性质可以用来解释某些面制食品为什么在焙烤前需要放置一段时间。
图10-3 27℃时NaHCO3反应产生的二氧化碳曲线
a.与磷酸二氢钙一水合物反应；b.与覆盖的无水磷酸二氢钙反应；
c.与1-3-8磷酸铝钠反应。 （引自Stahl和Ellimger的数据）
图10-4 温度对慢速的酸式焦磷酸盐反应释放二氧化碳速率的影响焙烤是食品加工中的重要工艺过程。在焙烤期间,从发酵体系中释放出的二氧化碳对食品的质地产生最后的完善和修饰作用。因此需要很好地控制焙烤温度和时间。已知反应速率随温度升高而增大，绝大部分的发酵体系都是如此。图10-4表示温度对慢作用焦磷酸氢钠（Na2H2P2O7）发酵酸释放二氧化碳速率的影响。可以看出，温度略微升高（从27℃升至30℃），气体产生明显加快，温度更高则气体释放速率急剧增加（见49℃的曲线），温度接近60℃时，二氧化碳在1min内几乎全部释放。
不同的发酵酸对温度的敏感程度是不一样的。对温度不太敏感的发酵酸，只有在接近最高焙烤温度时，才显示出较剧烈的作用。例如，磷酸一氢钙（CaHPO4），它是一种微碱性酸式盐，在室温下并不与碳酸氢钠发生反应；可是，在焙烤温度升至60℃以上时，它可在水的作用下释放出氢离子，因而使发酵过程活化。作用很慢的发酵酸只能用作较高焙烤温度和较长焙烤时间的食品生产，如某些特别类型的饼干。人们常常采用由多种发酵酸成分组成的发酵酸配方。对于某些特殊的生面团和糊状物，有必要使用特别的发酵粉配方体系。
通常使用的发酵酸包括：酒石酸氢钾、硫酸铝钠、δ-葡糖内酸内酯铝钠、各种磷酸氢钙、磷酸铝钠、酸式焦磷酸钠等正磷酸、焦磷酸盐和磷酸盐。它们的某些性质见表10-2。
关于发酵粉的规格，各国有不同的规定。例如美国的标准，要求配方必须产生按发酵粉重量计为12%的有效二氧化碳，并且含有按重量计为26%～30%的碳酸氢钠。
最后介绍一些实际应用例子，作为本节的结束：
表10-2 常用发酵酸的某些性质发酵酸
化学式
中和值a
室温下相对反应速率b
硫酸铝钠
Na2SO4·Al2（SO4）3
100
慢
磷酸氢钙二水合物
CaHPO4·2H2O
33
无
磷酸二氢钙一水合物
Ca（H2PO4）2·H2O
80
快
1-3-8磷酸铝钠
NaH14Al3（PO4）·4H2O
100
慢
酸式焦磷酸钠
Na2H2P2O7
72
慢
酒石酸氢钾
KHC4H4O6
50
中等
δ－葡糖酸内酯
C6H10O6
55
慢
a.在简单模拟体系中，中和100份重量的发酵酸所需NaHCO3的重量分数。
b.NaHCO3存在下，释放CO2的速率。
（引自Stahl和Ellinger）。
方便食品的崛起刺激了配制发酵混合物和冷冻生面团的大量销售。在白色和黄色蛋糕粉中，最广泛使用的发酵酸配料包含无水磷酸二氢钙[Ca（H2PO4）2]和磷酸铝钠[NaH14Al3（PO4）8·4H2O]；巧克力蛋糕粉则通常包含无水磷酸二氢钙和酸式焦磷酸钠（Na2H2P2O7）。
饼干和面包卷制品所用的冷冻生面团，要求在制备和包装期间以较慢的起始速率释放二氧化碳，而在焙烤期则大量释放气体。饼干配方按总生面团重量计算,通常含1%～1.5%的NaHCO3和1.4%～2.0%作用缓慢的发酵酸，例如有覆盖层的磷酸一氢钙和酸式焦磷酸钠。
典型的酸配料一般含有10%～20%作用快的无水磷酸二氢钙和80%～90%作用较慢的磷酸铝钠或酸式焦磷酸钠。在已制好的饼干配料中，发酵酸通常包含30%～50%无水磷酸一氢钙和50%～70%磷酸铝钠或酸式焦磷酸钠。
焦磷酸盐在生面团中的作用是，它能生成具有大范围反应活性的正磷酸盐。例如，面粉中的焦磷酸酶能使酸式焦磷酸钠水解成正磷酸盐（图10-5）。


酸式焦磷酸钠 正磷酸盐图10-5 酸式焦磷酸钠的酶水解碳酸氢钠和焦磷酸盐反应生成若干焦磷酸一氢三钠，后者亦可水解生成正磷酸盐。但必须指出，这种酶作用可导致气体的生成，有助于使冷冻生面团的包装密封，但它亦可导致正磷酸盐大晶体的生成，而这种大晶体可能被消费者误认为是玻璃碎片，所以应尽量设法避免产生。
第三节 碱在食品加工中的作用在食品和食品加工中碱和碱性物质（多是碱性盐类）有多种应用。它们包括对过量酸的中和、体系pH的调节、改善食品的颜色和风味、与某些金属离子的螯合、二氧化碳气体的产生以及各种水果和蔬菜的去皮。在生产像发酵奶油这类食品过程中，需要用碱中和过量的酸。在用搅乳器搅拌前，加入乳酸菌使奶油发酵，产生按乳酸计大约0.75%的可滴定酸度。然后用碱中和至约0.25%的可滴定酸度。减小酸度可以提高搅拌效率并阻止产生氧化性臭味。许多碱和碱性物质可单独使用或混合使用作为中和剂，但在选择它们时要注意考虑溶解度、碱的强度、是否会产生气泡等有关性质。特别是要考虑碱性试剂或碱的过量是否会产生异味。在有相当量的游离脂肪存在时，更应该注意。
有时需要用碱将食品调节到较高的pH值以便获得更稳定更满意的性质。例如，在干酪加工中加入适量的（1.5%～3.0%）碱性盐，如磷酸氢二钠、磷酸三钠和柠檬酸三钠,使pH从5.7提高到6.3,并且能使蛋白质(酪蛋白)分散。这种盐与蛋白质的相互作用能改善奶酪蛋白的乳化和对水的结合量,这是由于盐与酪蛋白胶束中的钙组分相结合,形成不溶性的磷酸盐或可溶性螯合物(柠檬酸盐)的缘故。
普通速溶牛奶凝胶布丁的制作是将含有预糊化淀粉的干混料与冷牛乳混合，然后在冰箱中放置一定时间，添加碱性盐如焦磷酸四钠（Na4P2O7）和磷酸氢二钠（Na2HPO4），使牛乳酪蛋白钙与预糊化淀粉结合形成凝胶。布丁形成的最适pH应在7.5～8.0之间,虽然碱性的磷酸盐可提供某种必须的碱性，但通常还需加入适当的其他碱化剂。
磷酸根和柠檬酸根对钙、镁等金属离子有配位作用。加入的磷酸盐和柠檬酸盐，可与酪蛋白的钙、镁离子形成络合物，从而改变液体牛乳中盐的平衡。随所加盐的类型和浓度不同，在乳蛋白质体系中可起到稳定作用、胶凝作用或去稳定作用，其机理比较复杂，至今还不十分了解。
应当着重指出的是，为了改善加工食品的颜色和风味，使消费者更加喜爱，常需进行碱处理。例如，成熟的橄榄用氢氧化钠溶液（0.25%～2.0%）处理，有助于除去它的苦味成分和显现较深的颜色。在焙烤前将椒盐卷饼浸入87～88℃的1.25%氢氧化钠溶液中，由于发生麦拉德褐变反应，使之表面变得光滑并产生深褐色。一般认为用氢氧化钠处理生产玉米粥和玉米面饼的生面团，可以破坏其中的二硫键。大豆蛋白质经过碱处理后可增溶并引起某些营养成分的损失。在脆花生的生产中使用少量碳酸氢钠溶液处理，可促使羰氨褐变，并且通过二氧化碳的释放使之具有孔状结构和松脆感。碳酸氢钠亦用于加工可可粉生产深色（荷兰）巧克力。
在食品加工中，强碱还大量用于各种水果和蔬菜的去皮。只要它们与氢氧化钠的热溶液（约3%，60～82℃）接触，随后稍加磨擦即可达到去皮的目的，与其他传统去皮技术相比，此种去皮法可减少工厂的大量废水。强碱引起细胞和组织成分不同程度的增溶作用（溶解薄层间的果胶质）是腐蚀性去皮工艺的理论依据。
前面讨论的食品在焙烤期间，利用发酵粉中的碳酸氢盐和碳酸盐与发酵酸反应产生二氧化碳，也是碱在食品加工中的重要应用。
第四节 缓冲体系和盐类一,食品中的缓冲液和pH控制人们把能够抵抗少量外加酸、碱或稀释的作用，而本身的pH值不发生显著变化的作用称为缓冲作用，具有缓冲作用的体系称为缓冲体系（buffering system）。因为绝大多数食品都是生物来源的复杂物质，它们都是天然缓冲体系。生物要维持生命活动，其pH必须保持在一定范围内，否则就会导致死亡。在生物来源的物质中参与pH控制或构成缓冲体系的物质有蛋白质、有机酸和弱的无机酸及其盐。在植物中还有柠檬酸（柠檬、西红柿、大黄）、苹果酸（苹果、西红柿、莴苣）、草酸（大黄、莴苣）以及酒石酸（葡萄、菠萝），它们都是构成缓冲体系的物质。它们一般与磷酸盐一起作用来控制pH。牛乳是一个复杂的缓冲体系，它含有二氧化碳、蛋白质、磷酸盐、柠檬酸盐和其他成分。
在食品加工过程中，要使体系的pH稳定在预期的水平，必须通过缓冲体系。乳酪和腌菜发酵产生乳酸时，是自然完成的过程。有些情况下，要使产品味道更为可口而又不损失风味，需要在食品和饮料中使用相当数量的酸，但必须建立一个缓冲体系，才能做到这一点。缓冲体系的主要成分是弱有机酸和它的盐，同离子效应（Common ion effect）是体系pH稳定的基础。弱有机酸盐的酸根是该酸的共轭碱。弱有机酸-共轭碱组成缓冲体系，可以用HA-A-表示。
（1）
缓冲溶剂具有一定的缓冲作用，是由于体系中含有浓度较大的缓冲剂（弱酸和它的共轭碱），可以使少量外加酸或碱对pH的影响减少。当然，一个体系的缓冲能力是有一定限度的。当外加酸或碱的量接近缓冲剂的量时,体系就会逐渐失去缓冲作用。所以，每个缓冲体系都有一定的缓冲容量。缓冲容量的大小取决于缓冲剂的总浓度（C总=CHA+CA-）和缓冲组分浓度的比值（即CA-：C HA）。缓冲剂的总浓度愈大，缓冲容量愈大。当缓冲剂组分浓度比值等于1时，缓冲容量最大，离1越远容量越小。缓冲体系的有效缓冲范围是 pH≈ 　。
在食品工业中，葡萄酸、醋酸、柠檬酸和磷酸的钠盐经常用作控制pH和调节酸味。在调节酸味上，柠檬酸盐优于磷酸盐，其酸味显得更为平和。需要低钠或无钠产品时，可用钾盐代替钠盐。但是不可使用钙盐，因钙盐难溶并与系统中其他组分不相溶。
常见酸-盐体系的缓冲范围是：
柠檬酸和柠檬酸钠 pH2.1～4.7
醋酸和醋酸钠 pH3.6～5.6
磷酸二氢钠和磷酸氢二钠 pH6.0～8.0
碳酸氢钠和碳酸钠 pH9.0～11.0
二,盐类在乳制品加工中的应用
前面第二节介绍的发酵盐和发酵酸以及第三节介绍的许多碱性物质,严格地讲都是盐类在食品和食品加工中的应用。本节只简要地补充介绍盐类在乳制品和肉类加工食品中的作用。
在加工奶酪和人造奶酪中广泛使用盐类来改善其内部结构，使之具有均匀柔嫩的质地。人们常常把这些添加剂看成是乳化盐，因为它们有助于脂肪的分散和体系的稳定。虽然对盐的乳化机理仍不完全清楚，但很可能是当盐加入奶酪中时，盐的阴离子与钙结合导致奶酪蛋白的极性和非极性区的重排和暴露，这些盐的阴离子成为蛋白质分子间的离子桥，因而成为捕集脂肪的稳定因素。奶酪加工使用的盐包括磷酸一钠、二钠和三钠、磷酸二钾、六偏磷酸钠、酸式焦磷酸钠、焦磷酸四钠、磷酸铝钠、柠檬酸三钠、柠檬酸三钾、酒石酸钠和酒石酸钾钠。向炼乳中加入一定量的磷酸盐如磷酸三钠能阻止乳脂和水相的分离，加入量随季节不同和牛乳来源不同而变化。经高温短时消毒的炼乳在存放时常会发生胶凝，加入多磷酸盐如六偏磷酸钠和三聚磷酸钠，可通过蛋白质变性和增溶机理阻止凝胶的生成，这一机理涉及到磷酸盐对钙和镁的络合。
加入适量的磷酸盐可以增大猪、牛、羊肉、家禽和海味品对水的保持能力，从而可减少水分的损失。三聚磷酸钠（Na5P3O10）是最常使用在加工肉类、家禽和海味中的磷酸盐。它常与六偏磷酸钠[（NaPO3）n，n=10～15]掺和使用，以便增加肉类对腌制用盐水中钙、镁等离子的耐受能力。因为如果盐水中含有较多的钙、镁等离子时，正磷酸盐和焦磷酸盐常常会发生沉淀。需要加以说明的是六偏磷酸钠，常称为格氏盐。把磷酸二氢钠加热到973k，然后骤然冷却制得的直链多磷酸盐玻璃体：


它易溶于水，能与钙、镁等离子发生络合反应。过去曾把格氏盐看成是具有（NaPO3）的组成，因而被称为六偏磷酸钠，实际上并不存在（PO33-） 这样的独立单位，而是一个长链聚合物。


对碱式磷酸盐和多磷酸盐增强肉类水合作用的机理虽不少人做过大量研究，但现在仍不很清楚，它可能与下列因素有关：离子强度效应，pH变化的影响，以及磷酸根阴离子同二价阳离子的配位和它与心肌纤维蛋白质的特殊相互作用等。 也有人认为是多磷酸根阴离子与蛋白质的结合使肌动蛋白与肌浆球蛋白之间交联键同时断裂，造成了肽键间静电排斥力增大和肌肉体系的溶胀所致。如果外面存在可以利用的水，它便被吸收在松散的蛋白质网络内，呈固体状态。另外，由于离子强度增大，可能使蛋白质的相互作用减弱，使部分肌肉纤维蛋白形成胶体溶液。在碎肉制品中，如大红肠和香肠，添加氯化钠（2.5%～4.0%）和多磷酸盐（0.35%～0.5%）有助于形成更稳定的乳胶,在烹煮后则形成凝聚蛋白质构成的粘结网络。例如,用多磷酸盐浸过的(6%～12%溶液,保留量0.35%～0.50%)鱼片、甲壳类动物和家禽,烹调时在表面形成一层可增进水分保持的凝聚蛋白,可以认为盐引起的增溶作用主要发生在组织表面。
第五节 螯合剂一、螯合物和螯合剂
螯合物又叫内配合物，它是由配合物的中心离子和配位体的两个或两个以上配位原子键合而成的具有环状结构的配合物。
根据螯合物形成的条件，凡含有两个或两个以上能提供孤电子对的原子的配位体称为螯合剂。一般配位体都含有下述功能基团：-OH，-SH，-COOH，-PO3H2,>C=O，-NR2，-S-，-O-。这些功能基团彼此处于合适的几何位置，能以一种有利的空间环境螯合金属离子。金属螯合物由于具有环形结构呈现特殊的稳定性。一般说来，以五元环和六元环最为稳定。作为配位体的螯合剂绝大多数是有机化合物，但也有极少数无机化合物，如上面提到过的三聚磷酸钠可与钙离子形成螯合物，其结构如下：


柠檬酸和它的衍生物，各种磷酸盐和乙二胺四乙酸盐（EDTA）是食品中广泛使用的螯合剂。例如，EDTA与钙形成高度稳定的螯合物，配位包含两个氮原子的电子对和四个羟基的氧原子上的四个自由电子对。这六个电子供体基团与钙离子形成一个具有多个五元环的极其稳定的螯合物，如图10-6所示：
图10-6 EDTA螯合钙
体系的pH也会影响金属螯合物的形成。不电离的羧酸基团不是一个有效的供体基团，但羧酸根离子起着有效的作用。适当提高pH值让羧基解离，可增强螯合能力。但是，在有的情况下，由于OH-争夺金属离子反而使螯合效力降低。金属离子一般是以水合配合物形式存在于溶液中，这些配合物的分解速率会影响螯合剂对金属离子的螯合速度。生成螯合物反应的平衡常数也称为螯合物的生成常数。该常数越大表示生成螯合物的倾向越大。螯合物的生成常数又叫稳定常数。
金属离子+螯合剂=金属离子·螯合剂

例如，对钙而言，EDTA的logK稳为10.7，焦磷酸盐为5.0,柠檬酸盐为3.5。
二、螯合物在食品中的作用
螯合物对食品的稳定起着重要的作用。食品工业中应用的许多螯合剂是天然物质，如多元羧酸（柠檬酸、苹果酸、酒石酸、草酸和琥珀酸），多磷酸（三磷酸腺苷和焦磷酸盐）和大分子（卟啉和蛋白质）。许多金属在生物体中心以螯合状态存在，如叶绿素中的镁；各种酶中的铜、铁、锌和锰；蛋白质中的铁，如铁蛋白；肌红蛋白和血红蛋白中卟啉环中的铁。当这些离子由于水解或其他降解反应被释放时，会引起一些反应并导致食品变色、氧化性酸败、浑浊以及味道改变。在食品中有选择地适量加入螯合剂，可使这类金属离子形成螯合物，从而使食品保持稳定。
螯合剂也可依靠链终止或作为氧的清除剂而阻止氧化作用，仅从这个意义上讲，螯合剂不能说成是抗氧化剂。然而，它们都是有效的抗氧化剂的增效剂，因为它们能除去那些能催化氧化作用的金属离子。当选择一种螯合剂作为抗氧化剂的增效剂时，首先必须考虑的是它的溶解度，因为不溶解将是无效的。柠檬酸和柠檬酸酯（20～200mg/Kg）丙二醇溶液可使脂肪和油增溶，因此是全部脂类体系的有效增溶剂。另一方面，Na2EDTA和Na2CaEDTA的有限溶解性在纯脂肪体系中是无效的。可是，EDTA盐（达到500 mg/Kg）在乳胶体系中却是很有效的，如色拉调料、蛋黄酱以及人造黄油，因为它们在水相中可以起作用。
多磷酸盐和EDTA用于海产品罐头的加工，可阻止鸟粪石或磷酸铵镁（MgNH4PO4·6H2O）的玻璃状晶体的生成。海味含有相当数量的镁离子，在存放期间镁离子可能与磷酸铵反应生成晶体，此晶体往往误认为是碎玻璃污染。螯合剂可以螯合镁并减少鸟粪石的生成。螯合剂亦可用来螯合海产食品中的铁、铜和锌离子以及阻止它们反应，特别是与硫化物反应会引起产品变色。
对动物有特殊生理功能的必需微量元素除Mn，Fe，Co，Mo，Cu，I，Zn之外，还有V，Cr，F，Si，Ni，Se，Sn等，它们都以配合物的形式存在于动物体内。微量元素又是酶和蛋白质的关键成分，参与激素的作用（如Zn，Ni），有些影响核酸代谢（如V，Cr，Ni，Fe，Cu等），因此在动物食品中加入适量的螯合剂，可以起到稳定作用。
在蔬菜漂洗前加入螯合剂可以抑制金属离子引起的变色，并能除去细胞璧中果胶中的钙，从而增进鲜嫩度。
柠檬酸和磷酸常用作饮料中的酸化剂，它们亦能螯合金属离子，避免这些金属离子催化萜烯这类香料化合物的氧化和变色反应。螯合剂使铜螯合，对发酵麦芽饮料可起到稳定作用。游离铜能催化多酚化合物的氧化，进而与蛋白质反应生成永久性糊状物而变浑浊。
EDTA有极强的螯合能力，但在食品中过多地使用可能导致人体内钙或其他矿物质缺乏。因此对它的使用量和使用范围已有所规定。在某些情况下，食品中通常是使用Na2CaEDTA，而不用全钠（Na，Na2，Na3或Na4EDTA）或EDTA。可是，根据食品中天然存在的钙和其他二价阳离子的含量，在控制用量的条件下使用这类螯合剂仍然是可以的。
第六节 抗氧化剂
在生物体系和食品中，氧化还原反应普遍存在。虽然有的氧化还原反应可以消除食品中的有害细菌，但同时也带来某些有害的影响。食品中维生素、色素和脂质的降解反应，不仅会造成营养价值损失，而且往往产生臭味，导致食品变质。为防止或延缓食品的氧化，在贮藏加工和包装工艺过程中，一般可采用冷冻、隔氧或添加适量化学试剂的方法。抗氧化剂是指能抑制或阻止食品发生氧化反应的所有物质。一般抗氧化剂都是还原性物质。例如抗坏血酸被认为是一种抗氧剂，用于抑制水果和蔬菜切割表面的酶促褐变。在这种应用中，抗坏血酸作为还原剂将氢质子转移到被酶氧化的酚类化合物中将其还原。在封闭体系中，抗坏血酸易与氧反应，因此可作为去氧剂。同样，亚硫酸和亚硫酸盐易氧化成磺酸盐和硫酸盐，是干果类食品中有效的抗氧化剂。最常用的食品抗氧化剂是酚类物质。最近，“食品抗氧剂”一词多用于指那些能阻止脂质氧化的自由基链反应的一类物质，然而，这个词并不只限于此种意义。
各种抗氧化剂的抗氧化效果不同。常常发现几种抗氧化剂的组合有更大的保护作用，显示出协同效应，但此协同效应的机理还不清楚。例如，一般认为抗坏血酸可以使参与脂质氧化链反应的酚类抗氧化剂获得再生或形成大的供氢体。但是，抗坏血酸不溶于脂肪，要使它达到上述效果，必须使之减小极性以增大亲油性。其方法是将抗坏血酸用脂肪酸酯化形成诸如棕榈酰抗坏血酸酯这类化合物。
铜和铁这类金属离子可以催化脂质氧化，是脂质氧化的助氧化剂。加入螯合剂，例如柠檬酸或EDTA，可使之钝化，因此，螯合剂可作为抗氧化剂的增效剂，它们大大增强了酚类抗氧剂的效果。可是，把它们单独作为抗氧化剂使用，往往是无效的。
许多天然产物具有抗氧化能力，例如生育酚。存在于棉籽中的棉酚也是一种抗氧化剂，但是它有毒性。天然抗氧化剂中还有松柏醇（发现于植物中）、愈创木酯以及愈创木酯酸（来自愈创树酯胶）。所有这些化合物在结构上都与人工合成抗氧化剂如丁基化羟基茴香醚（BHA）、丁基化羟基甲苯（BHT）、丙基没食子酸盐（PG）、二-叔-丁基氢醌（TBHQ）相似。目前，它们已在食品加工和贮藏中得到广泛应用。此外，近几年来，对茶叶中茶多酚作为油脂天然抗氧化剂应用的研究亦取得了重大进展。
Isao Kubo对以没食子酸为基础的抗氧化剂与抗微生物剂的分子设计作了详述，Walker与Ferrar对于食品中酶促褐变的控制进行了讨论。
第七节 抗菌剂许多化学防腐剂具有抗菌作用，能防止食物腐坏，在保证食品安全性方面有重要作用。下面分别介绍主要的抗菌剂。
一,亚硫酸盐和二氧化硫二氧化硫(SO2)及其衍生物早已是普遍使用的食品防腐剂。它们添加到食品中,作为抗氧化剂与还原剂以阻止非酶褐变(nonenzymic browing)和酶催化反应(enzyme catalyzed reactions)以及控制微生物。通常SO2及其衍生物代谢成为硫酸盐,并经过尿液排出体外,不产生明显的病理效应。然而由于最近了解到二氧化硫及其衍生物的剧烈反应导致敏感性哮喘，所以它们在食品中的使用近来受到控制并要求严格地在标签上注明。无论如何，它们在当前的食品保护中仍占主要地位。
在食品中，一般使用的形式包括SO2气体和钠、钾、钙的亚硫酸盐（SO32-）、亚硫酸氢盐（HSO3-）和偏亚硫酸盐（S2O52-）。最常用的亚硫酸盐是偏亚硫酸钠与偏亚硫酸钾。因为它们在固态的氧化反应中也有非常好的稳定性。不过，当滤去固体有问题或气态也能控制pH时，则使用气态二氧化硫。
在酸性介质中，二氧化硫是最有效的抗菌剂，这种抗菌作用是未离解的亚硫酸产生的。溶液酸度增加至pH3.0以下时，主要存在形式是不解离的亚硫酸，并有部分二氧化硫气体逸出。酸度高时二氧化硫可产生强的抗菌效果，因为未解离的亚硫酸更容易穿透细胞壁。亚硫酸抑制酵母、霉菌和细菌的程度各不相同，特别是酸度低时更是如此。低酸度时HSO3-离子对细菌有效，但对酵母无效。而且，对格兰氏阴性菌的效果远远超过对格兰氏阳性菌的效果。
二氧化硫作为食品保鲜剂，从微生物学与化学的应用来看，据信其效果都是由于亚硫酸离子的亲核性所致。含四价硫和氧的离子与核酸之间的反应，可引起微生物失活或被抑制，认为是酸性亚硫酸离子与乙醛在细胞中的反应；还原酶中的二硫键，以及生成亚硫酸加成物，使细胞代谢所必需的酶反应不能发生；SO2与酮基反应生成羟基磺酸盐（酯），使之抑制烟酰铵二核苷酸（nicotinamide dinucleotide）参与的呼吸机制中的几步反应。
在已知的食品非酶褐变抑制剂中，二氧化硫可能是最有效的。其化学机理复杂多样，如二氧化硫阻碍非酶褐变（图10-7），最重要的是含四价硫和氧的阴离子（酸性亚硫酸）与还原糖和其他参与褐变反应化合物的醛基反应。这种可逆的酸性亚硫酸加成物因为结合了羰基而延缓了褐变过程，不过也有认为此反应除去了类黑精结构中的羰基发色团从而产生了漂白效果。含亚硫酸根与羟基的反应是不可逆的，尤其是在褐变反应中与糖的4-位羟基以及抗坏血酸中间体作用生成了相对稳定的磺酸酯（R-CHSO3--CH2R′），从而延缓了整个反应，特别是倾向于产生有色颜料的反应。
二氧化硫也能抑制某些酶催化反应，特别是酶促褐变。在处理新鲜水果和蔬菜过程中，常常发现由于酚类物质酶催化氧化引起的褐变，严重影响质量。应用亚硫酸盐或偏亚硫酸氢盐溶液喷洒或浸渍，可以得到良好效果。在处理前需预先剥皮或切开土豆、胡萝卜或苹果，不论柠檬酸存在与否，此种方法均可使酶促褐变得到有效的控制。
二氧化硫在多种食品中具有抗氧化作用，但也有副作用。例如将二氧化硫通入啤酒中，在存放期间会明显阻止氧化风味的形成。鲜肉在二氧化硫存在时，虽能有效地保持红色，但此种方法会掩盖变质的肉制品，所以规定禁止使用。
面粉经二氧化硫作用，会使蛋白质的二硫键发生可逆性断裂。这对面包生面团的焙烤性质有好的影响。水果干燥前常用二氧化硫处理，此种处理虽能防止褐变，但会引起花青素苷色素的氧化漂白。利用二氧化硫的氧化漂白可用于制造白葡萄酒和糖水樱桃。
图10-7 某些硫（Ⅳ）氧阴离子（HSO3-，SO32－）阻止Mailaid褐变反应的机理。
二氧化硫和亚硫酸盐在人体内经过代谢可转变成硫酸盐，然后从尿中排出，而无任何明显的病理学变化，然而，对二氧化硫及其衍生物的有关安全性问题，还正在观察之中。因为有报道认为，某些气喘患者进食亚硫酸氢盐食物后，有剧烈反应并可能导致突变。另外，二氧化硫有明显带刺激性的令人讨厌的味道并污染空气，值得注意。
二,亚硝酸盐和硝酸盐亚硝酸和硝酸的钠盐和钾盐通常用于肉类腌制。它们的作用是保持肉类的颜色、抑制微生物的生长及产生特殊风味。实际起作用的是亚硝酸盐而不是硝酸盐。肉中的亚硝酸盐分解形成一氧化氮，它与血红素反应生成亚硝基肌红蛋白，使腌制的肉类呈现粉红色。感官评价表明，亚硝酸盐显然是通过抗氧剂的作用使腌肉产生风味，但其机理尚不清楚。另外，亚硝酸盐（150～200mg/kg）能抑制碎肉罐头和腌肉中的梭状芽胞杆菌。亚硝酸盐的抑制作用在pH5.0～5.5比在较高pH值时更为有效。对亚硝酸盐的抗菌机理还不清楚。有人认为亚硝酸盐与巯基反应可形成在厌氧条件下不被生物代谢转化的化合物，从而起到抗菌的作用。
研究证明亚硝酸盐在腌肉中生成少量而且能显毒性的亚销胺。
硝酸盐存在于多种植物中，如菠菜。过度施肥的土壤所生长的植物组织中可累积大量硝酸盐。硝酸盐在肠道中被还原成亚硝酸盐而被吸收，这样会由于形成高铁血红蛋白而导致青紫症，所以人们对在食品中使用亚硝酸盐和硝酸盐产生了异议。
三,山 梨 酸直链脂肪族酸一般显示出抗霉菌活性，其中α-不饱和脂肪酸同系物特别有效。山梨酸（2，4-己二烯酸）和它的钠盐和钾盐广泛用于乳酪、焙烤食品、果汁、葡萄糖、蔬菜等各类食品以抑制霉菌和酵母菌。山梨酸阻止霉菌的生长特别有效，而且浓度高达0.3%（按重量计）也几乎无味道。山梨酸的使用方法包括直接加入、表面涂抹或掺入包装材料中。活性随pH降低而增强，表明未解离形式比解离形式抑菌力更强。山梨酸有效范围为pH＜6.5，明显高于丙酸和苯甲酸的有效pH范围。
山梨酸的抗霉菌作用是由于霉菌不能代谢脂肪族链中α不饱和二烯体系。山梨酸的二烯结构可干扰细胞中的脱氢酶，脱氢酶使脂肪酸正常脱氢，这是氧化作用的第一步。可是，在高等动物体内并不产生此种抑制效应。所有证据均表明，人和动物对山梨酸和天然脂肪酸的代谢完全一样。但也曾出现几种霉菌能代谢转化山梨酸，并认为这种代谢是通过β-氧化作用进行的，与哺乳动物的代谢相似。
短链（C2～C12）饱和脂肪酸对许多霉菌亦有中等程度抑制效力。然而，有些霉菌能促进饱和脂肪酸的β-氧化生成相应的β-酮酸，特别是当酸浓度恰好显示抑制作用时。生成的β-酮酸通过脱羧反应生成相应的甲基酮如图10-8所示。
图 10-8 脂肪酸通过霉菌酶氧化生成β-酮酸，随后脱羧成甲基酮甲基酮不显示抗霉菌性质。
关于抗菌机理有人认为抗霉菌酸附着在细胞表面可引起细胞通透性的变化；又有人认为不饱和脂肪酸可发生氧化，生成的自由基附着在细胞膜的关键位置显示抑制作用。可是，上述这些机理都是推测性的，缺乏足够的根据。
山梨酸的抗菌性质亦可通过酶转化反应而受到破坏。由山梨酸直接脱羧生成碳氢化合物1，3-戊二烯（H3C-CH=CH-CH=CH2）已经得到证明。
含有山梨酸的葡萄酒在瓶中经乳酸菌作用腐敗后，会散发出象老鹤草的臭气味。人们认为其抗理可能是乳酸菌将山梨酸还原成2，4-己二烯醇，，然后由它们的酸性环境，引起重排生成仲醇。最终反应生成乙氧基化己二烯，它具有一种强烈的、易辨认的老鹤草叶气味。上述破坏山梨酸抗菌性质的酶转化见图10-9所示：
图10-9 破坏山梨酸抗菌性质的酶转化
（a）脱羧作用；（b）还原羧基，随后进行重排并产生醚经研究确定山梨酸盐有广泛的抗菌活性，对与新鲜家禽、鱼和肉腐败有关的多种细菌均有抗菌活性。对于咸肉和在减压下包装的冷冻鲜鱼，它在阻止产生肉毒杆菌毒素方面特别有效。
四,游 霉 素游霉素或匹马菌素是一个多烯抗霉菌的大环内酯（I），可用来防止加工干酪时霉菌的生长。这种霉菌抑制剂的商业名称为Delvocid。当它用在直接同空气接触和易生长霉菌的食品表面是高效的。游霉素应用于发酵食物，如加工奶酪，特别的引起了人们的注意，因为它选择性地只抑制霉菌而让催熟的细菌正常地生长和代谢。


五,甘 油 酯许多游离脂肪酸和酰基甘油对革兰氏阳性细菌和某些酵母菌表现出强烈的抗菌活性。不饱和化合物，特别是那些18碳原子的化合物，可显示强的脂肪酸活性；中等链长（12碳原子）对甘油酯化的抑制作用最强。
单月桂酸甘油酯（Ⅱ），商业名称Monolaurin，当以浓度15～250mg/kg存在时，能抑制几种潜在致病的葡萄球菌和链球菌。由于它的脂质性质，能用在某些含脂食品中。
单月桂酸甘油酯
（Ⅱ）
这类亲油药剂对C肉毒菌亦显抑制作用。具有此种功能的单月桂酸甘油酯在腌（熏）肉和冷冻的包装鲜鱼方面得到了应用。
六,丙 酸丙酸（CH3-CH2-COOH）是丙酸菌产生的，它天然存在于瑞士奶酪中（达1%）。丙酸和它的钠、钙盐对霉菌和某些细菌具有抗菌活性。丙酸在面包、糕点以及饼干生产中有广泛用途。它不仅可以有效地抑制霉菌，而且对胶粘的面包微生物芽孢杆菌属的肠膜菌也是有效的。一般用量可达到0.3%。正如其他羧酸抗菌剂一样，其未解离形式是有效的。在大多数应用中，有效性范围可提高到pH5.0。丙酸对霉菌和某些细胞的毒性与它们不能代谢3碳骨架有关。可是，在哺乳动物中，丙酸的代谢与其他脂肪酸相似，尚未证明在上述用量水平产生毒性效应。
七,醋 酸醋酸（乙酸）是醋的主要成分。醋对食物的防腐作用古人早已利用。除了利用醋（含4%醋酸）和醋酸之外，在食品防腐方面亦可应用醋酸钠（CH3COONa）、醋酸钾、醋酸钙[（CH3COO）2Ca]以及二醋酸钠（CH3COONa·CH3COOH·1/2H2O）。将这些盐用于面包和其他焙烤食品（加入量0.1%～0.4%）以阻止胶粘和霉菌生长而对酵母菌无害。
醋和醋酸可用于腌肉和腌鱼制品，如果有发酵的糖类化合物存在，至少必须添加3.6%的酸方可阻止乳酸菌和酵母菌的生长。醋酸还用于番茄酱、蛋黄酱和腌菜这类食品。它能表现出双重功能，即抑制微生物和产生香味。和其他脂肪酸一样，醋酸的抗菌活力随pH减小而增大。
八,苯 甲 酸苯甲酸（C6H5COOH）广泛用作食品抗菌剂。它天然存在于酸果蔓、梅干、肉桂和丁香中。未解离酸具有抗菌活性，在pH2.5～4.0范围内呈现最佳活性，因而适合用于酸性食品，如果汁、碳酸饮料，腌菜和泡菜。在食品中添加少量苯甲酸时，对人体并无毒害。因它与人体内的甘氨酸结合后形成马尿酸（甘氨酸苯甲酰）易于从体内排掉（图10-10）。


苯甲酸 甘氨酸 马尿酸
图10-10 苯甲酸与甘氨酸结合反应这种解毒作用使苯甲酸不会在体内蓄积。
苯甲酸的钠盐比苯甲酸更易溶于水，故一般使用钠盐。它在食品中部分转变为有活性的酸的形式。它抑制酵母菌和细菌的作用强，而对霉菌的作用小。通常将苯甲酸与山梨酸（即己二烯酸）或对-羟基苯甲酸烷基酯（parabens）合并使用，使用范围0.05%～0.1%。
九、对-羟基苯甲酸烷基酯对-羟基苯甲酸烷基酯商业名称叫Parabens。它包括从甲基到庚基的一系列物质，例如。


对-羟基苯甲酸烷基酯（n为0～6）
各国采用的烷基种类不完全相同。例如美国使用的是甲基、丙基和庚基酯；其他一些国家也有采用乙基和丁基酯的。Parabens可用做焙烤制品、软饮料、啤酒、小肉片菜卷、腌菜、果酱、肉冻以及糖浆中的微生物防腐剂。它们几乎不影响食品的香味，是霉菌和酵母菌的有效抑制剂，用量范围是0.05%～0.10%(按重量)；但对细菌、特别是革兰氏阴性细菌无作用。随着对-羟基苯甲酸酯类烷基链长的增加，其抗菌活性增大，但在水中的溶解度却降低。故通常使用烷基链较短的化合物，因它易溶于水。与其他抗真菌剂比较，这类化合物在pH7或更高时仍具有活性，显然表明在这个pH范围内化合物仍有相当部分保持不解离状态。酚羟基使分子具有弱酸的特性。酯链甚至在消毒温度下对水解也是稳定的。对-羟基苯甲酸与苯甲酸有许多共同性质，并且它们常常合并使用。它对人毒性很小，在酯基水解和随后的代谢共轭作用，使它们可以经尿排泄到体外。故这类添加剂可安全地使用。
十,环 氧 化 物环氧乙烷和环氧丙烷是活泼的环醚，它们可破坏包括孢子甚至病毒在内的各种微生物。



环氧乙烷 环氧丙烷这些烯烃氧化物与绝大多数食品抗菌剂不同，它们在所用浓度范围内不仅对微生物有抑制作用，而且有致死效应。它们常用于处理某些低水分食品和无菌包装材料的消毒。为了使这类抗菌剂和微生物能保持紧密接触，可先用蒸气熏蒸，然后用冲洗和抽真空方法除去绝大部分剩余未反应的环氧化物。
关于环氧化物的作用机理，目前还不甚了解。对环氧乙烷而言，曾假定一个羟基乙基基团（-CH2-CH2-OH）与主要中间代谢物进行烷基化，可以解释致死效应。攻击位置可以是代谢体系中任何不稳定的氢。环氧化物还可以与水反应生成乙二醇（图10－11）。然而，乙二醇毒性低，因此并不能解释其抑制效应。


图10-11 环氧乙烷与水和氯离子反应此外，环氧化物可能对维生素B2、维生素PP和维生素B6等有不利影响。
环氧乙烷比环氧丙烷的反应性强，挥发性（沸点13.2℃）和可燃性也比环氧丙烷大。为了安全，环氧乙烷通常以混合物的形式提供，混合物组成为10%的环氧乙烷和90%的二氧化碳。将需消毒的产品放在密闭室中，先抽真空，然后用环氧乙烷-二氧化碳混合气将容器升压到13.6Kg，以提供足以在一定时间内可杀死微生物的环氧乙烷浓度所需的压力。当使用环氧丙烷时，因其沸点稍高（沸点34.3℃），必须充分加热使环氧化物处于气态。
环氧化合物由于不仅具有较强的杀菌能力，而且还能消除食品中的大部分活性氧，反应后生成的二乙醇类化合物毒性又较低，因此在食品中得到广泛应用。但它们的使用范围主要局限在干制食品，如坚果和香料等。对于高水分食品，环氧化合物因首先与水反应而耗尽，而象香料类中的风味化合物，因沸点低、易挥发，又是热不稳定的，因此不宜热杀菌。
按规定环氧乙烷处理的产品中，残留量不能超过500mg/kg,环氧丙烷的残留量应低于300mg/kg。
十一,抗菌素抗菌素是由各种微生物天然产生的一大组抗菌剂组成的。它们具有选择性的抗菌活性。抗菌素在控制动物致病微生物方面的成功使它们有可能应用于食品防腐方面。可是，由于担心经常使用抗菌素会产生微生物抗药性，有的国家已禁止在食品中使用。但是，有的国家却允许限制性地使用少量的抗菌素。它们包括乳酸链球菌肽、氯四环素和氧四环素。食品中抗菌素的大多数实际应用都涉及将它们作为食品保藏的辅助物。这包括推迟冷冻易腐食物和降低加热过程的剧烈程度。对于新鲜肉类、鱼和家禽这一类易腐食物，广谱抗菌素具有较好的作用。事实上，近几年来，有的国家的食品和药物管理局允许将宰杀家禽整体浸入氯四环素或氧四环素溶液中。这样就可延长它们的货架期，残留抗菌素可用一般烹煮方法破坏。
乳酸链球菌肽应用于食品防腐已进行过广泛地探索。发现这个多肽抗菌素对革兰氏阳性微生物是有效的，特别是阻止孢子的增生。目前医药上尚未使用此种抗菌素。
乳酸链球菌肽是由乳酸链球菌产生的，世界上有些地区用它来阻止乳制品腐敗，例如用于加工奶酪和炼乳，乳酸链球菌肽对革兰氏阴性腐败菌无效，并且有些梭状芽孢杆菌株有抗药性。然而，它对人体基本无毒，不会导致对医药抗菌素有交叉抗药性，并且能在肠道中无害地降解。
十二,焦碳酸二乙酯焦碳酸二乙酯已用作饮料类食品的抗菌剂，如果汁、酒和啤酒。它的优点是可用于水溶液的冷巴氏消毒法（Cold Pasteurigalion Process），并易水解成乙醇和二氧化碳：


在酸性饮料中（低于pH 4.0）其用量范围为120～300mg/kg,在此条件下大约60min内可杀灭全部酵母菌。其他有耐受力的微生物如象乳酸菌,只有当微生物数量很少(﹤500个/ml)和pH低于4.0时，才能达到消毒的目的。低pH的好处是能降低焦碳酸二乙酯的分解速率和增强它的杀菌效力。
浓焦碳酸二乙酯有刺激性。可是，在酸性饮料中24h内基本上完全水解，几乎无直接毒性。遗憾的是，焦碳酸二乙酯与一些化合物反应有可能生成乙酯基衍生物和乙酯。
焦碳酸二乙酯易与氨反应生成尿烷（氨基甲酸乙酯）：


焦碳酸二乙酯 尿烷尿烷是一种已知的致癌物质。虽然尚未见到食品经焦碳酸二乙酯处理后生成尿烷的报道，但有人采用灵敏的同位素稀释示踪技术已发现曾用焦碳酸二乙酯处理过的橙汁、啤酒和葡萄酒含有0.17～2.6mg/kg的尿烷。由于氨普遍存在于动、植物组织中，因此用焦碳酸二乙酯处理过的食品有可能含有极少量尿烷。基于这一点，有的国家已明令禁止在食品中使用焦碳酸二乙酯。
第八节 非营养和低热量甜味剂非营养和低热量甜味剂包括一大类可产生甜味的物质，它们能增强甜味。由于美国对于环己烷氨基磺酸盐的禁用和糖精的安全性评价等问题，促使人们更深入地研究新的低热量甜味剂，以满足人们对低热量食品与饮料的需求。因而发现了许多有甜味的化合物，增加了一批有潜在商业应用价值的低热量甜味剂，它们的相对甜度列于表10-3中。
表10-3 一些甜味剂的相对甜度甜味剂 相对于蔗糖的甜度
（蔗糖＝1，按单位质量计）
阿瑟休发姆K（Acesulfame K） 200
阿里塔姆（Alitame） 2000
阿斯巴特姆（AsPartame） 180～200
环己烷氨基磺酸盐（Cyclamate） 30
甘草苷（Glycyrrhizin） 50～100
蒙利灵（Monellin） 3000
新橙皮苷二氢查耳酮
（Neohesperitin dihydrochalcone） 1600～2000
糖精（Saccharin） 300～400
斯切维苷（Stevioside） 300
三氯蔗糖（Sucralose） 600～800
索马甜（Thaumatin） 1600～2000
a.相对甜度是指相对于蔗糖的甜度，在浓缩或饮料加工时，其相对甜度值可能发生变化。
环己氨基磺酸盐（Cyclamata）
美国在1949年批准环己氨基磺酸盐作为食品添加剂，环己氨基磺酸及其钠盐、钙盐作为调味剂得到广泛的应用，直到1969年底美国食品医药管理局（U.S.Food and　Drug Administration，简称FDA）宣布禁止使用为止。它比蔗糖甜三十倍，味道与蔗糖相似，没有感到明显的异味，而且热稳定性高。其甜味的持久性比蔗糖高。
有些早期对小鼠的实验证明环己氨基磺酸盐及其水解产物可引起膀胱癌（bladder cancer）。


环己烷氨基磺酸钠 环己胺然而后来的实验并没有证实早期的报道结果，于是陆续向美国政府申请重新认可为甜味剂。现在已有包括加拿大在内的四十余个国家允许环己氨基磺酸盐用在低热量食品中，尽管通过深入地试验研究，证实环己烷基磺酸盐与环己胺都不是致癌物质或基因毒物。但由于种种原因，美国FDA至今仍未重新批准它们在食品中使用。1982年FAO/WHO经食品添加剂专家委员会再次评价，并规定其ADI为0～11mg/kg，此后，许多国家又开始许可使用。
我国规定，本品可用于酱菜类、调味酱汁、配制酒、糕点、饼干、面包、混沌、冰淇淋、饮料，最大使用量0.65g/kg。浓缩果汁按浓缩倍数80%加入。用于蜜饯最大用量为1.0g/kg。
本品常与糖精钠按9：1比例混合使用。
二,糖 精
目前市场上大量使用糖精作为非营养甜味剂出售。用量取决于所期望的甜度。可是，较高浓度时通常略带苦味。根据公认的经验，糖精比同样浓度的蔗糖甜300倍左右，曾经有人对糖精的安全性产生过怀疑，这刺激了对另一些低热量甜味剂的寻求。糖精在人体中很快被吸收，然后经尿迅速排出。现已证明使用糖精是安全的。目前世界上有九十多个国家允许使用。


1984年由JECFA评价后暂定ADI为 0～2.5mg/kg。但终因其安全性问题，实际应用逐渐减少。1992年我国轻工业部宣布控制、压缩糖精的生产，限制食品、饮料中使用糖精，故本品有逐渐被取代的趋势。
三,阿斯巴特姆 （Aspartame）
最近，美国允许用阿斯巴特姆（Aspartame）作为干食品混合物和软饮料中的甜味剂，并且仍在不断扩大应用范围，其他国家也已经准许使用。阿斯巴特姆的学名是L-天冬酰基-L-苯基丙氨酸甲基酯，其立体化学构型如下。


阿斯巴特姆的立体化学构型阿斯巴特姆虽是一种热量物质（一种二肽），食用后完全消化，但由于它的强甜度（大约比4%蔗糖浓度甜200倍），用量很小，所以产生的热量也很少。
阿斯巴特姆具有肽的性质，对水解和其他化学作用以及微生物降解作用等都很敏感，因此在水体系中存放的有效期受到限制。除了由于苯基丙氨酸的甲基酯，或两个氨基酸之间肽键发生水解而引起甜味损失之外，还会出现分子内的缩合，生成二酮吡嗪（5-苄基-3，6-二氧代-2-对二氮己环醋酸）如图10-12所示。
在中性和碱性pH（即pH＞6）条件下，此反应特别容易发生，因为非质子化胺基更容易参与反应。同样，碱性pH可促使羰基-氨基反应。在此条件下，阿斯巴特姆容易与葡萄糖和香草醛起反应。与葡萄糖反应使之失去甜味，而与香草醛反应，则主要失去香草风味。


阿斯巴特姆 二酮对二氮环图10-12 阿斯巴特姆分子内缩合产生二酮对二氮环降解产物阿斯巴特姆是由天然存在的氨基酸组成的，规定其每日摄入量很小（每人不超过0.8g）,已有大量证据表明,将它用于软饮料时,在限制用量条件下不会产生危险。但是,用阿斯巴特姆作为甜味剂,必须标明其苯基丙氨酸的含量,以避免苯酮尿症病人食用。实验证明,在食品中可能遇到的浓度条件下,二酮对二氮己环对人体是无害的。阿斯巴特姆的ADI是0～40mg/kg,其中杂质二酮对二氨己环的ADI为0～7.5mg/kg。
我国规定本品可按正常生产需要应用于各类食品，通常的用量为0.5g/kg，常与蔗糖或其他甜味剂并用。
关于二肽类甜味剂的研究很多，出了一些较好的产品，对结构与甜味之间的关系也有一定的了解，目前比较有应用价值的有以下两种：
超阿斯巴特姆（Superaspartame）。它是在阿斯巴特姆的游离氨基上代入（对-氰苯基）氨甲酸基[（P-eyanopHenyl）Carbamoyl]
4-氰基-对苯酰二氨基丙酸，450×蔗糖超阿斯巴特姆，14000×蔗糖
从上式可以看出它可认为是两个甜味分子的组合，因而起了增甜作用。其甜度是蔗糖的一万四千倍。
阿斯塔姆（Alitame）是由L-天冬氨酸和D-丙氨酸结合而成的二肽甜味剂。其化学名称是L-天冬-D-丙氨酸-N-3-（2，2，4，4-四甲基）-硫代四环酰胺。[N-3-（2，2，4，4-tetramethyl）-thietanylamide of L-Asp-D-Ala]。结构式为：


它是无规则结晶，水溶性好，其甜度为蔗糖的二千倍。甜味纯正，极似蔗糖，无后味，与阿斯巴特姆相比，具有较高的热稳定性和水解稳定性，因此它在冷冻甜食、酸奶、饮料和糕点制作中得到了广泛应用。
阿瑟休发姆K
最近，英国已批准阿瑟休发姆（Acesulfame K，6-甲基1，2，3，-氧噻嗪-4（3H）-2，2-二氧化物）可用作非营养甜味剂。它们商品名称Acesulfame K，是根据其结构与乙酰醋酸和氨基磺酸及其钾盐的结构之间的联系命名的（图10-13）。




乙酰醋酸 氨基磺酸 Acesulfame
图10-13 Acesulfame结构相关化合物阿瑟休发姆K的甜度是3%蔗糖溶液甜度的200倍左右，它的甜度品质介于环己烷氨基磺酸盐和糖精之间，广泛试验证明它对动物无毒，并且在食品中特别稳定。用较低成本的合成方法可以制得很高纯度的阿瑟休发姆K（图10-14）。
阿瑟休发姆作为一种可应用的非营养甜味剂，在食品应用方面取得了一些经验，已经成为人们感兴趣的甜味剂。


图10-14阿瑟休发姆K的一种工业合成方法
五,其他非营养性或低热量甜味剂下面介绍几种从天然物质中提取的甜味剂：
甘草酸是一种天然的甜味物质，它存在于甘草根中。一般只准许将它作为香料使用，而不用作甜味剂。它的根部提取物含甘草酸的钙盐和钠盐。甘草酸是一种植物糖苷，水解时生成2mol的葡糖醛酸和1mol的甘草亭酸。在蔗糖甜味阈值的1/50仍可检查到甘草酸的甜味，可见它的临界甜味阈值极低。
甘草酸主要用在烟草产品中，也可用于食品和饮料。它的类似甘草的香味影响它在某些应用中的适应性。对结构上与甘草酸相似的物质已进行过探索。卡哈苡苷是甜叶菊叶子中发现的一种天然存在的糖苷甜味剂，其甜度是蔗糖的300倍。
新橙皮苷二氢查耳酮也是一种非营养甜味剂，它是从柑橘属水果的苦味黄酮制得的。这个强甜味物质以及其他类似化合物都是由下列物质经氢化生成的，产生柚（皮）苷二氢查耳酮的柚（皮）苷；产生新橙皮苷二氢查耳酮的新橙皮苷；产生橙皮苷二氢查耳酮4＇-O-（葡萄）糖苷的橙皮苷。所有这些甜味物质都和它们含有（1→2）-键合的二糖有关。这些二氢查耳酮还必须进行动物喂养实验，在取得可靠的安全性之后才准许用于食品。
热带非洲的一种甜水果卡姆费（kafemfe），含有很甜的可作为低热量甜味剂的物质。这种物质称为ThaumatinⅠ和Ⅱ，属于碱性蛋白质，分子量约为20 000。按mol计算这种蛋白质的甜度大致是蔗糖的105倍。卡姆费甜水果的提取物是以商业名称Talin出售的，在日本用它作甜味剂和香味增强剂也已得到了批准。Talin的甜度是4%蔗糖溶液的5 000倍，但是显示略微带甘草味的持久甜味。蒙利灵（monellin）是偶然发现的一种浆果中含有的一种有甜味的蛋白质物质，分子量约为11 500，它具有类似卡姆费中发现的那些甜味剂的性质。这些物质价格昂贵，对热不稳定，并且在室温下当溶液pH低于2时，则甜度完全丧失，故其应用会受到一定限制。
另一种碱性蛋白质米拉考林（miraculin）是从奇迹果（Synsepalum dulcificum）中分离出来的。它没有味道，但具有使酸味食品带甜味的特殊性质。此物质的分子量为42 000，是一种糖蛋白。与其他蛋白质甜味剂相似，它对热不稳定，并且在低pH值时无活性。此外，米拉考林的味感效应持续时间长，这可能会限制它的应用。
织构化形成剂和组织硬化剂
一,织构化形成剂织构化形成剂有增加结合水、增大粘度和改善质地以及松软度的作用。织构化形成剂主要是多元醇，它是糖类化合物的衍生物，羟基是多元醇的唯一功能团，因此它们一般是水溶性的吸湿材料，浓度较高时出现中等大小的粘度。尽管多元醇为数不少，但用于食品的仅有少数几种，它们是丙二醇（CH2OH-CHOH-CH3）、丙三醇（CH2OH-CHOH-CH2OH），山梨醇和甘露醇[CH2OH-（CHOH）4-CH2OH]。大多数多元醇是天然存在的，但也有例外，如丙二醇。游离的甘油存在于发酵的葡萄酒和啤酒中；山梨醇存在于梨、苹果和梅干这类水果中。
多元醇由于多羟基结构，还有控制粘度、增加容积、保留水分、降低水活性、控制结晶、改善脱水食品的复水性以及用作风味化合物溶剂等作用。多元醇在食品中的许多应用依赖于糖、蛋白质、淀粉和树胶的功能性质，例如糖含有醛基和酮基，这些基团的化学稳定性差，特别是在高温情况下容易发生缩合、脱水和其他反应。
多元醇虽然一般显甜味，但远不及蔗糖，而短链多元醇在高浓度时略带苦味。但使用量少时（2%～10%），影响不大。可是用量多时，如在中等水分食品（甘油25%）和无糖膳食中（不含蔗糖的糖果，山梨醇，40%），这些多元醇对产品的味道有相当大的影响。
图10-15 37℃时不同重量甘油的纤维素模拟体系水分吸着等温线近来，食品应用方面已注意发展多元醇的聚合物。乙二醇（CH2OH-CH2OH）是有毒的，聚乙二醇（6000分子质量）允许在某些食品的涂层和增塑中使用。甘油经碱催化聚合制成聚甘油[CH2OH-CHOH-CH2-（O-CH2CHOH-CH2）n-O-CH2CHOH-CH2OH]，也具有良好的性质。它可以进一步用脂肪酸酯化加以改性，生成象类脂化合物性质的材料。这些聚甘油物质允许用于食品，因为它的水解产物为甘油和脂肪酸可参与正常代谢。
多元醇对中等水分食品的稳定性有重要性影响。这类食品含有相当数量的水分（15%～30%）。虽然这类食品不经冷冻，微生物也不会使其变质。干果、果酱、果冻、果汁软糖、水果蛋糕以及牛肉干等中等水分的食品具有稳定性。其中有的在食用前可以复水，但所有这类食品均具有可塑质地，可以直接食用。
大部分中等水分含量的食品的水活性为0.70～0.85,而那些含有保湿剂的食品每100g固体含大约20g水（按重量为17%水）。如果用解吸法制成水活性为0.85，的中等水分食品，仍然易受霉菌和酵母菌的侵袭。要克服这个困难，可以在加工时将各种成分加热并添加山梨酸这样的抗霉菌剂。近来发现用吸附法制成的中等水分食品，不需加入化学合成抑制剂，因此生产稳定的中等水分食品应该是可以办到的。
要使食品获得所期望的水活性，通常须加入一种能结合水的保湿剂。这类保湿剂为数不多，主要是甘油、蔗糖、葡萄糖、丙二醇和食盐。图10-15表示甘油对纤维素模拟体系的水活性的影响。
从等温线可看出在37℃10%甘油体系中，水活性0.9相当于100g固体的水分含量为25g,而在40%甘油体系中同样水活性却相当于100g固体水分含量为75g。
甘油的主要风味缺陷是甜中带苦的感觉。而蔗糖和葡萄糖用于中等水分食品时甜味又过高。因此对于中等水分食品中可将甘油、盐、丙二醇和蔗糖以适当比例混合使用。
二、组织硬化剂食品体系中果胶物质的游离羧基通过与多价阳离子（如钙离子或铝离子）的交联作用使结构稳定，增加硬度。植物组织热加工或冷冻时由于细胞结构改变会变软。这些组织的稳定性和完整性取决于细胞受损伤的程度和细胞壁成分之间分子键合的程度。通常采用加入钙盐的方法（0.1%～0.25%钙）促进游离羧基间的交联使难溶的果胶酸钙和果胶酯酸钙的数量增多，结构稳定，这些稳定的结构支撑组织团块，甚至在经受热加工以后仍然能保持结构的完整性。番茄、浆果和苹果的切片，在装灌或冷冻前加入一种或多种钙盐，可使它变硬。最常用的钙盐是氯化钙、柠檬酸钙、硫酸钙、乳酸钙以及磷酸一钙。大多数钙盐是微溶性的，有的还带苦味。
把某些铝盐添加到发酵后的盐水酸菜中，这样加工成的黄瓜要比不加这些盐的黄瓜脆硬的多。变脆过程与三价铝离子和果胶物质生成配合物有关，所用铝盐有酸性矾盐、硫酸铝钠[（NaAl（SO4）2·12H2O）]、硫酸铝钾、硫酸铝铵以及硫酸铝[Al2（SO4）3·18H20]。可是，近期研究证明，硫酸铝对刚装罐或低温消毒的泡菜有软化作用，可能抵消体系中的醋酸或乳酸，因此在这些食品中不宜添加这种盐。软化原因还不太清楚。同时还发现,在加工期间不直接加入添加剂也可控制某些蔬菜和水果的硬度和质地,方法是控制酶的活力,例如,果胶甲酯酶在低温烫漂时(70～82℃经3～15min)可被活化,而不要采用使酶失去活力的烫漂方法(88～100℃经3min)。低温烫漂后产品的硬度，可通过在高压灭菌前保持适当时间来加以控制。保持时间长短控制着产品酶水解程度的大小。保持时间长，酶水解的量大，时间短酶水解的量小。酶水解果胶的甲氧基生成果胶酯酸和果胶酸。这些酸拥有大量的游离羧基，可与内部原有的或外加入的钙离子（产生交联）作用，形成更稳定的结构导致硬化效应。相反，未经酶水解的果胶与果胶甲酯酶结合得不紧，果胶的游离羧基少，易溶于水，因此能从细胞壁中自由移出。已经发现青豆、马铃薯、花菜和酸樱桃的果胶甲酯酶被活化可以产生硬化效应。若采用添加钙离子和酶活化相结合的方法能使硬化效应更大。
第十节 稳定剂和增稠剂许多亲水性的胶体物质对于乳浊液、悬浊液和泡沫具有稳定作用，并且有增稠性质。它们独特的结构和功能特性在食品中被广泛使用。这些物质大多数来自天然树胶，或经过化学改性以后获得所需的特性。它们许多属于多糖类如阿拉伯树胶、瓜尔豆树胶、羧甲基纤维素、鹿角藻胶、琼脂、淀粉和果胶。明胶来自胶原蛋白，属于广泛应用的少数非糖类化合物的稳定剂。所有稳定剂增稠剂都是亲水的，能以溶胶形式分散在水中，故称为水胶体物质。可增大粘度，有些情况下还能形成冻胶。亲水胶体除能稳定胶体分散体系外，还能抑制结晶（糖和冰），改进（减小粘结）焙烤制品的糖霜，以及提高香料和风味的保存效力。亲水胶体一般使用浓度约为2%或更小。亲水胶体在许多应用中的功效，直接取决与它们增大粘度的能力。例如，水胶体稳定水包油型乳浊液正是根据这一性质。它们不是起真正乳化剂的作用，因为它们的分子不具有一端亲水另一端亲油的双亲性分子的特性。
十一节 代脂肪（Fat Replacers）
虽然脂肪是一种重要的常规食物组分，但食物中的过多的脂肪会有带来冠心病和癌症的风险。消费者受到劝告去吃瘦肉，特别是鱼和无皮的家禽等低脂食品。并且限制消费油炸食品，高脂肪焙烤的食品和调料，调味品等。不过，消费者还是要求有丰富的，具有传统高脂食品口感的低热量食品。
在发达国家里很容易得到丰富多彩的高脂肪食物制品，同时也为提供仿高脂食品的低脂食品生产技术与产品大量进入市场提供了机会。在过去的二十年内，低脂肪代用品的开发有了很大的进展。有许多种类的化学品被建议用于制造低脂食品。包括碳水化合物、蛋白质、磷脂以及合成的产品。
当食品中少用或完全不用脂肪时，品质产生了变化，因此需要有其他的组分来替代。因此，“脂肪替代物”（Fat replacer）这个词就出现了，它是泛指能替代脂肪功能的组分，它们具有相同的物理结构与口感而不产生热量，称之为“脂肪取代品”（fat substitutes），这类物质能同时保留食品具有类似脂肪的口感以及各种加工应用中的特性如油炸食品。
另一类物质，它们不具有与脂肪完全等同的功能，被称为“仿脂肪”（Fat mimetics）。因为它们能在某些应用中起到模拟脂肪的效果。一个例子是用假润湿剂（Pseudomoistness）来模拟高脂肪焙烤食品中由于脂肪带来的润湿效果。有些物质例如专用的改良淀粉可带来膨松润湿的口感。
一,糖类代脂肪经过适当处理过的淀粉、树脂、半纤维素与纤维素，以各种方式用在低脂肪食品中，部分起着油脂的作用。关于这类物质的化学已在第3章和本章第9节与第10节中讨论过。有关它们在低脂肪食品中应用的情况也有评述。一般而言，有些拟脂肪的糖类基本不产生热量（如树脂、纤维），另外有些为16.7kJ(4Kcal)ɡ-1,如改性淀粉,不象常用的油脂有37.6kJ(9Kcal) ɡ-1热量。这些物质凭借其能保留湿度与固态膨松的性状，在食品中模拟光洁或乳酪状以增加油煎食品或冰淇淋的口感。这些产品的商品名称有Avical，Oatrim，Klecogel与Slandid。
二,蛋白质代脂肪有许多蛋白质（第5章）已开发成为代脂肪并已得到GRAS的安全论证。但是它们不能在高温下用来油炸食品，所以在应用上受到一些限制，不过这些蛋白质[16.7kJ(4Kcal)ɡ-1]在食品中替代脂肪还是很有价值的,尤其是作为水包油乳化剂。为此,可将它们制成各种微粒(Φ＜3μm),象所说的活动球形滚珠那样来模拟脂肪的物理性能。蛋白质溶液也有增稠作用、润滑作用与封口涂层的功能。明胶（Gelatin）是个功能较全的低脂固体产品，如麦淇淋（magarine）在制造过程中具有热可逆的凝胶性。最后增稠为麦淇淋。
制造蛋白质代脂肪有许多方案，其中每一个都要用可溶性蛋白质作为起始原料。从可溶蛋白得到微粒状蛋白，由下列过程之一来促成：（a）内部疏水反应；（b）等电点沉淀；（c）加热变性和（或）凝集作用；（d）形成蛋白-蛋白配合物；（e）形成蛋白质-多糖的配合物，这些过程常伴随着物理剪切作用，足以保证形成微粒。某些蛋白质代脂肪的商品名称有：Sinmplease，Trailedger，和Lita。
三,合成低卡路里的三酰化甘油脂肪替代物近年来，出现了某些甘油三脂（Triglycerides），虽然它们具有同样的结构特征，但是当人类与其他单胃动物食用时却不产生足够的热量。这些甘油三脂是用氢化、直接酯化或酯交换等不同的方法来合成的。其中之一是中等链长的甘油三酯（medium-chain triglycerides，MCTs），它早已用来治疗某些脂类代谢紊乱。MCTs是由有C6～C10链长的脂肪酸构成。它们产生的热量约为34.7kJ（8.3Kcal）g-1。而正常甘油三酯产生的热量约为37.6kJ(9Kcal)g-1
在同一个甘油三酯分子中混有饱和的短链脂肪酸（C2～C5）与长链脂肪酸（C14～C24）是另一种方案，这样一来就大大地降低了热值。热值降低的原因部分是由于短链脂肪酸每单位重量的产热量要低于长链脂肪酸的产热量。此外，甘油分子中长链脂肪酸的位置影响到吸热量。某种饱和脂肪酸长短链的组合甚至可影响到降低一半以上的热量。
按照上述原则构成的甘油三酯家族，其商品名称为Salatrim（短和长链酰基甘油三酯分子，Short and long　acyltriglyceride molecular），最近已推荐申请GRAS用于食品中。Salatrim是混合的甘油三酯，主要由植物油氢化得到的硬脂酸（C18）作为长链脂肪酸，以及不同比例的乙酸（C2）、丙酸（C3）、丁酸（C4）作为短链酸（X）。人们知道不同Salatrim产品的热量在19.6与21.3kJ(4.7和5.1Kcal)g-1之间。而且可以调控脂肪酸的组分来得到所需的物理性质，如熔点。


1－丙酰－2－丁酰－3－硬脂酰－Sn－甘油
(1-Propionyl-2-butyryl-3-stearoyl-sn-glycerol)
Caprenin是一种类似合成的甘油三酯的商品名：[约20.9kJ(5Kcal)g-1]含有中等长度链的脂肪酸,己酸(C6)、葵酸(C10)与长链脂肪酸山嵛酸（二十二碳酸，C22）（X1），己酸与葵酸来自椰子油和棕榈油，山嵛酸则来自海生动物油、氢化菜籽油与花生油,花生油约含3%的山嵛酸。


1－己酰－2－葵酰－3－二十二碳酰－Sn－甘油
（1-CaprylyI-2-capryl-3-behenyl-sn-glyceaol）菜子油中含约35%芥 酸(C22:1)它经氢化得山嵛酸。海生动物油中含有10%以上的二十二碳己烯酸(docosahexaenoic aeid,DHA),它经氢化后得山嵛酸。Caprenin用于糖果条，并已申请GRAS用于食品中。
四、合成脂肪替代品已发现一大类合成的化合物具有模拟脂肪与替代脂肪的性能。其中多数含有类似三酰基化甘油的结构与功能基，例如triolkoxgcarballates，事实上其酯基与经典的脂肪中是相反的（即一个三元羧酸与饱和醇酯化而不是甘油与脂肪酸发生酯化）。由于它们合成上的特性，这些化合物能抑制酶的水解，而且在肠道内多数不消化。美国FDA批准了许多这类化合物，证明它们很难得到，并且期望它们在食品中发挥最大作用。
1,聚右旋葡萄糖（Polydextrose）
聚右旋葡萄糖作为低热量碳水化合物，有时候作为模拟脂肪应用。因为它只产生4.18kJ（1Kcal）g-1热量，所以它作为低热量的糖和脂肪双重目标特别诱人。时下商品名为Litesse的聚右旋葡萄糖是由葡萄糖（最低是90%）、山梨醇（最高是2%）和柠檬酸经过无规聚合而制得，其中含少量葡萄糖单体与1.6葡糖酐，保持适当的水溶性，聚合物的分子质量控制在22 000以下。


Litesse
2,蔗糖多元酯 （Sucrose Polyester）
蔗糖多元酯（商品名Olestra）是碳水化合物脂肪酸多元酯家族中之一员，它与天然的脂肪物理和化学性质一样，具有亲脂性，不消化与不吸收。蔗糖多元脂的制造是用植物油得来的，脂肪酸（X11）与蔗糖经过各种方法酯化而制得，用作替代脂肪的蔗糖多元酯需要高度酯化反应来制造。而用作乳化剂的制品只需要低度酯化。美国在1983年已批准用作乳化剂的蔗糖多元酯。经过二十多年的安全和健康试验。1996年又批准了高度酯化的蔗糖多元酯在食品中有限使用。
SUCROSE POLYESTER ISONMER（XⅡ）
十二节 咀嚼物质（Masticatory Substances）
咀嚼物质，是用来提供持久的柔顺性能的咀嚼用胶。这类物质是不易分解的天然或合成品。合成的咀嚼胶是由一氧化碳，氢与催化剂通过Fischer-Tropsch法的合成产品，在除去小分子量化合物之后加氢而生成合成胶。化学改性的咀嚼物质是将树脂（它们多数由二萜组成）经过部分氢化，然后与季戊四醇或甘油发生酯化反应而制成。另外一些高聚物如合成橡胶也可用作咀嚼物质，它们是由乙烯、丁二稀或乙烯基单体等合成的。
多数的咀嚼用胶是直接来自植物的树胶。它们是经过加热、离心及过滤等深加工处理得到的纯化胶。广泛使用的天然咀嚼糖胶有来自Sapotaceal（Sapodille）类的糖胶树脂（Chiele）Gutta Katiau，来自Palaguium sp的树胶，以及来自Henea biailiensi的天然树胶等。
十三节 表观控制剂和澄清剂啤酒、葡萄酒以及许多果汁在贮藏期间可能会有雾状物或沉淀生成。参与形成雾状胶体的物质可能有天然酚类物，其中包括花色素苷、类黄酮、原花色素，以及单宁、蛋白质、果胶等物质。利用特殊的酶使蛋白质部分地水解可减少雾状物的形成。可是，在某些情况下，如酶活性过高时，相反地又会产生不利影响，例如啤酒中出现泡沫。
处理多酚混合物的一种重要方法是使用澄清剂（或称净化剂）和吸附剂。已经使用的许多澄清剂是非选择性的，而吸附剂则是选择性的。由多酚类形成的雾状物也可以用过滤助剂（如硅藻土）除去。
当多种物质同时存在时，溶解度愈小的物质愈容易被吸附。悬浮的或几乎不溶的物质如单宁-蛋白质复合物，趋向于集中在界面上，因而优先地被吸附。
膨润土是澄清剂的典型代表，它是一种蒙脱土的粘土。蒙脱土是一种复杂的水合硅酸铝，含有可以交换的阳离子，通常是钠离子。膨润土由不溶性带负电荷的硅酸盐小片组成，当以水悬浮体的形式存在时具有很大的比表面积，可达750m2/g。它选择性地优先吸附蛋白质，这种吸附作用是蛋白质的正电荷与硅酸盐负电荷之间的吸引引起的。同时，被吸附蛋白质覆盖的膨润土颗粒又可吸附一些酚和单宁，当然也不排除它们和蛋白质一起被膨润土颗粒吸附。膨润土常用来作为葡萄酒的澄清剂或净化剂以清除蛋白质悬浮物，每吨添加量为1kg/T左右。它通常可使蛋白质含量从50～100mg/L降低并稳定在10mg/kg以下。膨润土迅速形成重而紧密的沉淀，最后用过滤法除去沉淀。
某些蛋白质的合成树脂也是重要的澄清剂，如明胶和鱼胶是用来净化饮料的最常用的蛋白质。苹果汁中加入少量明胶可使明胶-单宁复合物聚集和沉淀，复合物沉淀时能捕集除去其他悬浮物固体。明胶的用量必须在加工时确定。多酚物质含量低的果汁，可补充加入单宁或鞣酸（0.005%～0.01%）以促进明胶凝聚。这种凝聚作用与蛋白质中的酰胺键和酚羟基之间的氢键键合可能有关系。
需要指出的是，在低浓度时明胶和其他可溶性澄清剂具有保护胶体的作用，但浓度升高时，它们又能引起沉淀，浓度更高时则又不会引起沉淀，用胶体澄清剂和水之间的氢键键合作用可以解释它们的溶解性。而溶解性和胶粒水合作用大小的变化，取决于澄清剂和多酚化合物的比例。可以设想水和蛋白质或多酚化合物之间氢键几乎全被破坏时，会产生最完全的沉淀。这种情况只有当溶解的澄清剂的量和除去的单宁量大致相等时才有可能发生。
聚酰胺和聚乙烯吡咯烷酮等合成树脂能够防止白葡萄酒褐变和除去啤酒中的雾状物。这些聚合物有可溶和不溶两种形式。在饮料中通常使用不溶的高分子交联型物质，以避免饮料中有残留聚合物的存在。合成树脂在酿造工业中特别有用，因为可逆冷冻引起的雾状物（冷雾）和与产生氧化风味有关的永久性雾状物是非常麻烦的问题。这些雾状物是由发芽大麦中的原花青素和天然蛋白质之间生成的复合物所引起的，过度地除去蛋白质会损害泡沫特性，但有选择地除去多酚化合物可以延长啤酒的稳定期。最初应用的是聚酰胺（尼龙）66，但采用交联聚乙烯吡咯烷酮（PVP）效率更高。每10T啤酒用1.5～2.5kg不溶性PVP处理便可控制冷雾和改进贮藏稳定性。一般在发酵以后和过滤之前加入PVP能很快吸附多酚物质。


十四节 面粉漂白剂和面包改良剂刚磨好的小麦面粉带淡黄颜色，形成的生面团呈现粘结性，不便于加工或焙烤。面粉储藏时会慢慢变白并经过老化或成熟过程，可以改善其焙烤性能。实际上，可采用化学处理方法以加速这些自然过程，并且用其他添加剂以增强酵母的发酵活性和防止陈化。
面粉的漂白主要与类胡萝卜素色素的氧化有关。氧化导致类胡萝卜素共轭双键体系的破坏。一般认为氧化剂对生面团的改良与谷蛋白中巯基的氧化有关,氧化剂或者只起漂白作用，或者既可漂白又能改善生面团性能，或者仅有改善生面团的效果。例如，一种常用的面粉漂白剂过氧化苯甲酰[（C6H5CO）2O2]，具有漂白或脱色作用，但不影响焙烤性能。既可作漂白剂同时又是改良剂的物质包括：氯气（Cl2）、二氧化氯（ClO2）、氯化亚硝酰（NOCl）、以及氮的氧化物（二氧化氮NO2，四氧化二氮N2O4）。这些氧化剂都是气态的，与面粉接触可立即起作用。
主要作为生面团改良剂的氧化剂，发挥作用是在生面团阶段而不是在面粉中。属于这种物质的有溴酸钾（KBrO3）、碘酸钾（KIO3）、碘酸钙[Ca（IO3）2]和过氧化钙（CaO2）。
面粉厂通常将过氧化苯甲酰加入面粉（0.015%～0.075%）。过氧化苯甲酰是粉状物质，一般是和稀释剂或稳定剂一道加入。这些物质包括硫酸钙、碳酸镁、磷酸二钙、碳酸钙以及磷酸铝钠。过氧化苯甲酰是自由基引发剂，加入以后需要几小时方可分解成能够引发类胡萝卜素氧化所需的自由基。
氧化面粉的气态物质的漂白能力各不相同，但都能有效地改进面粉的焙烤品质。例如面粉经二氧化氯处理，可得到良好的加工性质。含少量氯化亚硝酰的氯气广泛用作软化小麦糕点面粉的漂白剂和改良剂。在氯的氧化作用中生成的盐酸使pH值降低，从而改善焙烤蛋糕的质量。空气通过强电弧所产生的四氧化二氮（N2O4）和其他氮的氧化物仅是中等有效的漂白剂，但它们能提高面粉的焙烤品质。
作为生面团改良剂的氧化剂在面粉中的添加量为10～40mg/kg。通常把它们掺合到含有许多无机盐的生面团改良剂混合物中，而后在面包加工时添加进去。溴酸钾是广泛用作生面团改良剂的氧化剂，只有在酵母发酵作用使生面团的pH降低，充分活化时才起反应。因此在加工过程中起作用较晚，使面包体积增大，面包对称性、团粒和组织特性均有所改善。
对氧化剂处理改善焙烤品质的原因，新近的看法是：改良剂在适当条件下氧化谷蛋白中的巯基（-SH）产生大量的分子间二硫键（-S-S-）这种交联作用使谷蛋白形成薄而粘结的蛋白质膜网，其中包含发酵的小泡。结果得到更强韧、更干燥、更富于伸展性的生面团和良好特性的最终产品。但必须避免面粉的过度氧化，因为过度氧化会使产品略带灰色、生产出颗粒不均匀和体积减小的次品面包。
为了得到用酵母发酵的生面团，一般是在小麦面粉中加入少量的大豆粉。大豆粉含有大豆脂肪氧合酶。加入这种酶是引发类胡萝卜素产生自由基氧化的最好方法。加入大豆脂肪氧合酶亦可大大改善生面团的流变性质，但其机理尚不清楚。虽然曾经认为谷蛋白-SH的氧化涉及脂类氢过氧化物，但有证据表明：其他蛋白质与脂质的相互作用，也与用氧化剂改良生面团有关。
在生面团调节剂中通常掺入的无机盐有：氯化铵（NH4Cl）、硫酸铵[（NH4）2SO4]、硫酸钙（CaSO4）、磷酸铵[（NH4）3PO4]和磷酸一氢钙（CaHPO4）。它们加入生面团中可促进酵母生长和有助于控制pH。铵盐的主要作用是为酵母的生长提供可直接利用的氮源。磷酸盐是利用它的缓冲作用将酸度控制在略低于正常的pH，以改进生面团的品质。当供应的水呈碱性时，这一点特别重要。
在面包生产工业中，也用其他类型的物质作为生面团的改良剂。例如用硬脂酰-2-乳酸钙[C17H35-COOC(CH3)HCOOC(CH3)HCOO]2Ca]和低含量（0.5%）的乳化剂来改善生面团的混合性能和增大面包体积。也可用水胶态树胶来改善生面团的持水容量和改善生面团及焙烤产品的其他性质。鹿角藻胶、羧甲基纤维素、角豆胶和甲基纤维素都是发酵工业中较有用的水胶体。已发现甲基纤维素和羧甲基纤维素不仅可阻止面包老化和陈化，而且还能阻止面包在贮藏期间水分向面包表面迁移。鹿角藻胶（0.1%）可以软化甜面团产品的外层质地。将亲水胶体(例如0.25%羧甲基纤维素)掺入油炸面饼混合料中，能明显减少油炸饼的脂肪吸着量。这些优点显然是由于生面团品质的改善和油炸面饼表面形成了水合阻挡层的缘故。
十五节 抗结剂和调节剂阻止粉状颗粒彼此粘结成块的物质称为抗结剂，能改善流动性能，使混合料便于加工的物质称为调节剂。实际上，抗结剂往往就是调节剂。一般作为抗结剂或调节剂的添加剂，附着在颗粒表层使之具有一定程度的憎水性。它们多是硅酸、脂肪酸、磷酸等的钙盐和镁盐。例如，硅酸钙（CaSiO3·XH2O）用来阻止发酵粉（达到5%），食盐（达到2%）以及其他食品发生结块。研细的硅酸钙吸收2.5倍自身重量的液体而仍然保持自由流动。除吸收水分以外,硅酸钙还可有效的吸收油和其他非极性有机物质。这一特性使之能用于成分复杂的粉状混合物和某些含有游离香精油的香料。
从动物油脂制得的食品级长链脂肪酸的钙盐和镁盐可用作调节剂。通常将硬脂酸钙加到粉状食品中以阻止凝聚或粘结，并且在加工时增大流动性，以及保证最终产品在贮存有效期内不致于结块。硬脂酸钙不溶于水并能很好地粘附在颗粒表面使之具有憎水性外层。商业硬脂酸盐粉末的体积密度大（约0.32g/ml）,比表面大。这使它作为调节剂使用(0.5%～2.5%)是相当经济的。在生产片状果糖时，硬脂酸钙可用作脱模润滑剂(1%)。
食品工业中使用的其他抗结剂包括硅铝酸钠、磷酸三钙、硅酸镁和碳酸镁等。它们的使用量与其他抗结剂相似（例如，硅铝酸钠用在粉状蔗糖中的用量约为1%）。微晶纤维素粉可用来阻止格栅状乳酪结块。抗结剂要求能通过代谢除掉（淀粉和硬脂酸盐）或是在规定用量条件下无毒害作用。
十六节 气体和推进剂的应用食品工业中使用的气体包括可参加反应的气体和惰性气体，例如，氢气用来氢化不饱和脂肪，氯气用来漂白面粉和消毒设备，二氧化硫用来抑制干果的酶促褐变。乙烯气用来催熟水果，环氧乙烯用作香料和杀菌剂，空气用于氧化成熟橄榄使之出现好的颜色等。此外，食品中还广泛使用惰性气体。
惰性气体用在某些除氧过程或需要防止氧气的场合。例如用氮气或二氧化碳冲刷液面空气，去除喷雾液体；在加工期间或加工后，用惰性气体覆盖产品防止空气氧化等。二氧化碳能在产品上方形成一种稠密的、比空气重的覆盖层，因而在许多加工应用中受到重视。但它并不是完全不产生化学影响的气体，因为它较容易溶于水并在某些食品中能产生强烈的碳酸气味。氮气在常温下是完全惰性的。氮气覆盖时应彻底冲洗容器排掉空气，随后保持适当的正压以阻止空气扩散进入系统。或采用先彻底抽真空，然后充氮密封产品的办法，这样可提高抗氧化能力和延长食品有效期。
将二氧化碳加入液态产品中（碳酸化），可加工成碳酸化软饮料。它们包括各类果汁、啤酒和某些葡萄酒，使它们变成能产生气泡、有浓厚气味、略带酸味和刺激性的饮料。二氧化碳的用量和引入方式随产品类型不同而异。例如，啤酒在发酵过程中已部分碳酸化，装瓶前还要再进行碳酸化处理。啤酒通常含有3～4倍体积的二氧化碳（在16℃和1大气压时，1体积啤酒在相同温度和压力下含3～4倍体积的二氧化碳气体）。碳酸化通常在较低温度（4℃）和增大压力下进行的，以增加二氧化碳的溶解度。由于胶体的表面吸附和化学结构，在常压下溶液中保留有大量二氧化碳。某些产品中由于二氧化碳同氨基酸和蛋白质的自由氨基之间的快速可逆反应可以产生部分氨甲酰化合物。另外，碳酸和碳酸氢根离子的形式，也有助于二氧化碳体系的稳定。啤酒中痕量金属杂质和作为气泡核心的草酸盐微晶体的存在引起啤酒自发释放二氧化碳（即涌出）。
推进剂通常在食品工业中主要用来分装流体食品，使工艺流程自动化。推进剂有气体推进剂和液体推进剂两类。它们必须符合无毒、不可燃和经济的条件。
推进剂通常与食品紧密接触，可能成为食品的附带成分。用于压力分装食品的推进剂主要有一氧化二氮（N2O）、氮气（N2）和二氧化碳（CO2）。泡沫和喷洒液型产品通常用N2O和CO2进行分装，因为这些推进剂易溶于水，并且分装时发生膨胀，有助于形成喷雾或泡沫。二氧化碳也用于乳酪涂层材料类产品，因为这类产品容许浓气味和酸味。氮气在水中和脂肪中溶解度小，常用来分装避免产生泡沫的流体食品在如番茄酱、果酱、食用油和糖浆。所有这些气体用作食品推进剂都必须遵守有关温度和压力的有关规定，避免操作时液化。规定在21℃时压力不得超过7Kg/cm2，或54℃ 时压力不得超过9.5 Kg/cm2，在这些条件下，上述气体均不会液化。应注意的是，产品分装时避免压力降低，因压力降低会给产品均匀性和分装的完善性造成困难。气体推进剂一般不会产生使人讨厌的颜色和风味，可是，单独使用二氧化碳会给某些食品带来不好的味道。
液化推进剂虽然已广泛用于非食品产品，但由于有臭味、腐蚀性或毒性，一般不准许在食品工业中应用液化推进剂。允许用于食品的仅有八氟环丁烷、或氟利昂318（CF2-CF2-CF2-CF2）、一氯五氟乙烷或氟利昂115。在容器中，这些推进剂以液层形式位于食品上面，容器顶部空间存在气体推进剂。使用液化推进剂能使分装工作在恒压下进行，但是装料必须先摇动成乳胶，以便从容器放出时成为泡沫或喷雾状。这种推进剂是无毒的，并且不会使食品产生异味，可是，与气体推进剂比较，它们价格昂贵。液化推进剂除应用于喷油液产品外，还常与一氧化二氮一道用来分装搅打乳脂和发泡的顶端配料。

第九章 风味
第一节 概 述风味化学通常被认为是食品化学中采用气相色谱法和快速扫描质谱法而发展起来的一门新分支。早期经典化学方法也曾较好地应用于某些风味研究，特别是在香精油和香料提取物方面的应用。
风味是指以人口腔为主的感觉器官对食品产生的综合感觉(嗅觉、味觉、视觉、触觉)。鼻腔粘膜的嗅觉细胞对痕量挥发性气体具有察觉能力，口腔中的味蕾主要分布于舌表面的味乳头中，一小部分分布于软颚、咽喉与咽部，使人能够察觉到甜、酸、咸和苦味。三叉神经系统不但能感觉辣、冷、美味等属性，而且也能感觉由化学物质引起的而至今尚未完全清楚的风味。非化学的或间接感觉(视觉、听觉和触觉)也会影响味觉和嗅觉的感觉。
本章主要讨论产生味觉或气味反应的物质，食品体系中具有重要特征效应化合物的化学性质以及风味化合物的活性与结构关系。存在于不同食品中的风味化合物这里不详细讨论，有关食品中主要成分的风味化学，如麦拉德反应所产生的风味、脂类自身氧化产生的风味、低热量甜味素与大分子结合的风味等都已在碳水化合物和脂类物质章节中提及。
第二节 味觉和非特殊滋味感觉
一、味 觉
人们对糖的代用品产生了越来越浓厚的兴趣，并希望能开发出新的甜味剂。由于苦味与甜味物质的分子结构有密切关系，因此对苦味机理的研究主要放在甜味方面。蛋白质水解物和成熟干酪中出现的苦味是令人讨厌的，这便促进了人们对肽的苦味原因的研究。由于目前国外鼓励在膳食中减少钠的含量，因此，近来人们又重新对咸味机理的研究产生兴趣。
1．甜味物质的结构基础
在提出甜味学说以前，一般认为甜味与羟基有关，因为糖分子中含有羟基。可是这种观点不久就被否定，因为多羟基化合物的甜味相差很大。再者，许多氨基酸、某些金属盐和不含羟基的化合物，例如氯仿(CHCl3)和糖精也有甜味。显然在甜味物质之间存在着某些共同的特性。多年来，逐渐发展成一种从物质的分子结构来阐明与甜味相关的学说，以便解释一些化合物呈现甜味的原因。
夏伦贝格尔(Shallenberger)曾首先提出关于风味单位的AH/B理论，对能引起甜味感觉的(图9-1)所有化合物都适用。最初认为，这种风味单位是由共价结合的氢键键合质子和距离质子大约3?的电负性轨道结合产生的。因此，化合物分子中有相邻的电负性原子是产生甜味的必须条件。同时，其中一个原子还必须具有氢键键合的质子。氧、氮、氯原子在甜味分子中可以起到这个作用，羟基氧原子可以在分子中作为AH或B，例如氯仿、邻-磺酰苯亚胺和葡萄糖。
图9-1 β-D-吡喃果糖甜味单元中AH/B和γ定域之间的关系
图9-1所示的是甜味单位AH/B的组成部分加上立体化学条件。通常将有甜味的单个分子的活性基团和味觉感受器之间的相互作用看成是AH/B的组成部分在味觉感受器结构上发生的氢健键合。最近，对这种学说还增加了第三个特性，以补充对强甜味物质作用机制的解释。甜味分子的亲脂部分通常称为γ，一般是亚甲基(-CH2-)、甲基(-CH3)或苯基(-C6H5),可被味觉感受器类似的亲脂部位所吸引。强甜味物质能产生完美的甜味，其立体结构的全部活性单位(AH、B和γ)都适合与感受器分子上的三角形结构结合，这就是目前甜味学说的理论基础。
氯仿 邻-磺酰苯亚胺葡萄糖
γ位置是强甜味物质的一个非常重要的特征，但是对糖的甜味作用是有限的。可能由于某些分子容易和味觉感受器接近而发生作用，从而影响对甜味的感受程度。用甜味单位的组成来解释不同甜味物质的甜味变化本质，不仅对确定甜味持续时间、强度或暂时甜味感觉方面是重要的，而且与辨别某些化合物的甜味和苦味之间的某些相互作用有关。
甜味-苦味糖的结构和感受器相互作用，会产生味道感觉。尽管试验溶液的浓度低于苦味感觉的阈值，但其化学结构产生的苦味仍然可以抑制甜味。糖的苦味是由异头中心结构、环氧、己糖的伯醇基和取代成分所产生的总效应。往往糖分子的结构和立体结构的改变会导致失去甜味，或抑制甜味甚至产生苦味。
2．苦味物质
苦味和甜味同样依赖于分子的立体化学结构，两种感觉都受到分子特性的制约，从而使某些分子产生苦味和甜味感觉。糖分子必须含有两个可以由非极性基团补充的极性基团，而苦味分子只要求有一个极性基团和一个非极性基团。有些人认为，大多数苦味物质具有和甜味物质分子一样的AH/B部分和疏水基团，位于感觉器腔扁平底部的专一感觉器部位内的AH/B单位的取向，能够对苦味和甜味进行辨别。适合苦味化合物定位的分子，产生苦味反应，适合甜味定位的分子引起甜味反应，如果一种分子的几何形状能够在两个方位定位，那么将会引起苦味-甜味反应。这样一种模式对氨基酸显得特别正确，氨基酸D异构体呈甜味，而L异构体呈苦味。甜味感受器的疏水或γ位置是非方向性的亲脂性，它可能参与甜味或苦味反应。大分子有助于每个感受器腔内的感受位置的立体化学选择性。大多数有关苦味和分子结构的关系可以通过这些学说加以解释。
3．食品中重要的苦味化合物苦味在食品风味中有时是需要的。由于遗传的差异，每个人对某种苦味物质的感觉能力是不一样的，而且与温度有关。一种化合物是苦味或是苦甜味，这要依个人而定。有些人对糖精感觉是纯甜味，但另一些人会认为它有微苦味或甜苦，甚至非常苦或非常甜。对许多其他化合物，也显示出个体感觉上的明显差异。苯基硫脲(PTC)是这一类苦味化合物中最明显的例子，不同的人对它的感觉就有很大差异。
苯基硫脲
肌酸是肌肉食品中的一种成分，人对肌酸也表现出类似上述的味觉灵敏度特性。正像其他苦味物质一样，肌酸分子也含有引起苦味感觉的AH/B部分。每克瘦肉中含肌酸达到约5g时，则足以使人对某些肉汤感到苦味。
肌酸
奎宁是一种广泛作为苦味感觉标准的生物碱，盐酸奎宁的阈值大约是10ppm。一般说来，苦味物质比其他呈味物质的味觉阈值低，比其他味觉活性物质难溶于水。食品卫生法允许奎宁作为饮料添加剂，例如在有酸甜味特性的软饮料中，苦味能跟其他味道调合，使这类饮料具有清凉兴奋作用。
盐酸奎宁
除某些软饮料外，苦味是饮料中的重要风味特征，其中包括咖啡、可可和茶叶等。咖啡因在水中浓度为150～200ppm时，显中等苦味，它存在于咖啡、茶叶和可拉坚果中。可可碱(theobromine，3，7-二甲基黄嘌呤)与咖啡因很类似，在可可中含量最多，是产生苦味的原因。可乐软饮料中添加咖啡因，浓度相当于200ppm。大部分用作添加剂的咖啡因是用溶剂从生咖啡豆中提取得到的，这也是制取脱咖啡因咖啡的加工过程。
咖啡因 可可碱
酒花大量用于酿造工业，使啤酒具有特征风味。某些稀有的异戊间二烯衍生化合物产生的苦味是酒花风味的重要来源。这些物质是律草酮或蛇麻酮的衍生物，啤酒中律草酮最丰富，在麦芽汁煮沸时，它通过异构化反应转变为异律草酮。
律草酮 异律草酮
异律草酮是啤酒在光照射下所产生的臭鼬鼠臭味或日晒味化合物的前体物，当有酵母发酵产生的硫化氢存在时，异己烯链上与酮基邻位的碳原子发生光催化反应，生成一种带臭鼬鼠味的3-甲基-2-丁烯-l-硫醇(异戊二烯硫醇)化合物，在预异构化的酒花提取物中酮的选择性还原可以阻止这种反应的发生，并且采用清洁的玻璃瓶包装啤酒也不会产生臭鼬鼠味或日晒味。挥发性酒花香味化合物是否在麦芽汁煮沸过程中残存，这是多年来一直争论的问题。现已完全证明，影响啤酒风味的化合物确实在麦芽汁充分煮沸过程中残存，它们连同苦味酒花物质所形成的其他化合物一起使啤酒具有香味。
柑桔加工产品出现过度苦味是柑桔加工业中一个较重要的问题。以葡萄柚来说，有稍许苦味是需宜的，但是新鲜的和待加工的水果，其苦味往往超过许多消费者所能接受的水平。脐橙和巴伦西亚橙的主要苦味成分是一种叫柠檬苦素的三萜系二内酯化合物(A和D环)，它也是葡萄柚中的一种苦味成分。在无损伤的水果中，并不存在柠檬苦素，由酶水解柠檬苦素D环内酯所产生的无味柠檬苦素衍生物是主要的形式(图9-2)。果汁榨取后，酸性条件有利于封闭D环而形成柠檬苦素，从而推迟苦味的出现。
图9-2 柠檬苦素结构和酶导致的无苦味衍生物反应
（分子的其余部分，包括A环在内仍保持不变）
采用节杆菌属(Arthrobacter SP.)和不动细菌属(Acinetobacter SP.)的固定化酶去除橙汁苦味的方法是一种解决苦味的临时办法，因为在酸性条件下环又可以重新关闭。然而，使用柠檬苦素酸脱氢酶打开D环可使化合物转变成无苦味的17-脱氢柠檬苦素酸A环内酯(图9-2)，这是一种有效的橙汁脱苦味方法，但这种方法至今还没有用于大量生产。
柑桔类果实还含有多种黄酮苷，柚皮苷是葡萄柚和苦橙(Citrus auranticum)中主要的黄酮苷。柚皮苷含量高的果汁非常苦，经济价值很小(除非用大量低苦味的果汁稀释)。柚皮苷的苦味与由鼠李糖和葡萄糖之间形成的1→2键的分子构象有关。柚皮苷酶是从商品柑桔果胶制剂和曲霉(Aspergillus)中分离出来的，这种酶水解1→2键(图9-3)生成无苦味产物。固相酶体系还扩大到对柚皮苷含量过高的葡萄柚汁的脱苦味。商业上还从葡萄柚皮中回收柚皮苷，并应用于一些食品中以代替苦味的咖啡因。
图9-3 柚皮苷生成无苦味衍生物的酶水解部位结构
蛋白质水解物和干酪有明显非需宜的苦味，这是肽类氨基酸侧链的总疏水性所引起的。所有肽类都含有相当数量的AH型极性基团，能满足极性感受器位置的要求，但各个肽链的大小和它们的疏水基团的性质极不相同，因此，这些疏水基团和苦味感觉器主要疏水位置相互作用的能力也大不相同。已证明肽类的苦味可以通过计算疏水值来预测。一种蛋白质参与疏水缔合的能力与各个非极性氨基酸侧链的疏水贡献总和有关，这些相互作用主要对蛋白质伸展的自由能产生影响。因此，根据△G=∑△g的关系，用下述方程式
Q=∑△g/n
可计算出蛋白质子平均疏水值，式中△g表示每种氨基酸侧链的疏水贡献，n是氨基酸残基数。各个氨基酸的△g值按溶解度数据测定得到，其结果列于表9-1。Q值大于1400的肽可能有苦味，低于1300的无苦味。肽的分子量也会影响产生苦味的能力，只有那些分子量低于6000的肽类才可能有苦味，而分子量大于这个数值的肽由于几何体积大，显然不能接近感受器位置。
表9-1 各种氢基酸的计算△g值氨基酸
△g值(J mol-1)
氨基酸
△g值
(J mol-1)
氨基酸
△g值
(J mol-1)
甘 氨 酸
0
精 氨 酸
3052.6
脯 氨 酸
10，955.8
丝 氨 酸
167.3
丙 氨 酸
3052.6
苯丙氨酸
11，081.2
苏 氨 酸
1839.9
蛋 氨 酸
5436.1
酪 氨 酸
12，001.2
组 氨 酸
2090.8
赖 氨 酸
6272.4
异亮氨酸
12，419.4
天冬氨酸
2258.1
缬 氨 酸
7066.9
色 氨 酸
12，544.8
谷 氨 酸
2299.9
亮 氨 酸
10，119.5
图9-4表明αs1酪蛋白在残基144～145和残基150～151之间断裂得到的肽，其计算Q值为2290，这种肽非常苦。从αs1酪蛋白得到强疏水性肽，是成熟干酪中产生苦味的原因。曾有人用这种方法预测了脂类衍生物和糖类的苦味。
图9-4 强非极性αS1酪蛋白衍生物的苦味肽
羟基化脂肪酸，特别是一些羟基衍生物常常带苦味，可以用分子中的碳原子数与羟基数的比值或R值来表示这些物质的苦味。甜化合物的R值是1.00～1.99，苦味化合物为2.00～6.99，大于7.00时无苦味。
盐类的苦味与盐类阴离子和阳离子的离子直径有关。离子直径小于6.5?的盐显示纯咸味(LiCl=4.98?，NaCl=5.56?，KCl=6.28?)，因此有些人对KCl感到稍有苦味。随着离子直径的增大(CsCl=6.96?，CsI=7.74?)，盐的苦味逐渐增强，因此氯化镁(8.60?)是相当苦的盐。
4．咸味和酸味物质
氯化钠和氯化锂是典型咸味的代表。近来一些国家主张降低膳食中食盐的量，引起人们对食品中的钠盐替换物产生兴趣，特别是用钾离子和铵离子来代替。
食品中采用的氯化钠的替换物的风味不如添加NaCl调味的食品风味，目前正在进一步了解咸味的机理，希望找到一种接近NaCl咸味的低钠产品。
从化学结构上看，阳离子产生咸味，阴离子抑制咸味。钠离子和锂离子产生咸味，钾离子和其他阳离子产生咸味和苦味。在阴离子中，氯离子对咸味抑制最小，它本身是无味的。较复杂的阴离子不但抑制阳离子的味道，而且它们本身也产生味道。长链脂肪酸或长链烷基磺酸钠盐产生的肥皂味是由阴离子所引起的，这些味道可以完全掩蔽阳离子的味道。
月桂酸钠 月桂磺酸钠
描述咸味感觉机理最满意的模式是：水合阳-阴离子复合物和AH/B感觉器位置之间的相互作用。这种复合物各自的结构是不相同的，水的羟基和盐的阴离子或阳离子都与感受器位置发生缔合。
同样，酸味化合物感觉也涉及AH/B感受器，但目前的资料还不足以确定水合氢离子(H3O+)、解离的无机或有机阴离子、或未离解的分子在酸味反应中的作用。同一般概念相反，一种酸溶液的强度似乎不是酸味感觉的主要决定因素，而其他尚不了解的分子特性似乎是最重要的决定因素，例如重量、大小和总的极性等。
二、风味增强剂在烹调和加工食品的过程中，人们已经利用了风味增强剂，但对风味增强的机理并不清楚。风味增强剂对植物性食品、乳制品、肉禽、鱼和其他水产食品风味的作用是很显著和需宜的。人们最熟知的这类物质是L-谷氨酸钠(MSG)、5′-核苷酸和5′-肌苷一磷酸(5′-IMP)、D-谷氨酸盐和2′-或3′-核糖核苷酸并不能增强风味的活性。MSG、5′-IMP和5′-鸟苷一磷酸是商业上已经出售的风味增强剂，而5′-黄嘌呤一磷酸和几种天然氨基酸，包括L-鹅膏蕈氨酸(L-ibotenic acid)和L-口蘑氨酸(L-tricholomic acid)是商业上有应用前景的产品。酵母水解物在食品中产生的很多风味，均是由于5′-核糖核苷酸的存在而引起的。食品工业中大量使用的纯风味增强剂是来源于微生物，其中包括核糖核酸所产生的核苷酸。
已研究出的几种很强的增强风味的5′-核糖核苷酸的人工合成衍生物，一般是嘌呤-2位的取代物。风味强化活性主要与这些物质的感受器位点有联系，可能是共同占有专门感受甜味、酸味、咸味和苦味感觉的感受器位点。事实证明，在产生可口味道和增强风味时，MSG和5′-核糖核苷酸之间发生协同作用。这表明在活性化合物之间存在某些共同的结构特征，其作用机理有待进一步研究。
5′-肌苷一磷酸(5′-IMP) L-谷氨酸钠(MSG)
除了5′-核糖核苷酸和MSG外还有其他增强风味的化合物存在，其中麦芽酚和乙基麦芽酚是必须提到的两个化合物，因为它们已在商业上作为甜味食品和果实的风味增强剂产品出售。高浓度麦芽酚具有使人感到愉快的焦糖风味并在稀溶液中产生甜味，当使用浓度约为550ppm时，可使果汁具有温和可口、饮用舒适的感觉。麦芽酚属于一类以平面烯醇酮式存在的化合物，平面烯酮式优于环状二酮式，因为烯酮式能发生强的分子间氢键键合。
麦芽酚和乙基麦芽酚(-C2H5，代替环上-CH3，)二者都能适合甜味感受的AH/B部位(图9-1)，而乙基麦芽酚是比麦芽酚更有效的甜味增强剂，这些化合物的风味增强作用的机理目前尚不清楚。
稳定的烯醇酮 二酮式
三、涩 味
涩味可使口腔有干燥感觉，同时能使口腔组织粗糙收缩。涩味通常是由于单宁或多酚与唾液中的蛋白质缔合而产生沉淀或聚集体而引起的。另外，难溶解的蛋白质(例如某些干奶粉中存在的蛋白质)与唾液的蛋白质和粘多糖结合也产生涩味。涩味常常与苦味混淆，这是因为许多酚或单宁都可以引起涩味和苦味感觉。
单宁(图9-5)具有适合于蛋白质疏水缔合的宽大截面，还含有许多可转变成醌结构的酚基，这些基团同样也能与蛋白质形成化学交联键，这样的交联键被认为是对涩味起作用的键。
图9-5 原花色苷单宁结构的缩合单宁键(B)和水解单宁键(A)，
以及能与蛋白质缔合引起涩味的大疏水区
涩味也是一种需宜的风味，例如茶叶的涩味。如果在茶中加入牛乳或稀奶油，多酚便和牛乳蛋白质结合，使涩味去掉。红葡萄酒是涩味和苦味型饮料，这种风味是由多酚引起的。考虑到葡萄酒中涩味不宜太重，通常要没法降低多酚单宁的含量。
四、辣 味
调味料和蔬菜中存在的某些化合物能引起特征的辛辣刺激感觉，这称之为辣味。虽然这些感觉和一般的化学刺激或催泪作用引起的感觉难以分开，但是这些化合物确实具有味的感觉。某些辣味成分(例如红辣椒、黑胡椒和生姜中存在的)是非挥发性的，它们能作用于口腔组织。而某些香调味料和蔬菜所含的辣味成分中具有微弱的挥发性，产生辣味和香味，例如芥末、辣根、小萝卜、洋葱、水田芥菜和芳香调味料丁香等。所有这些调味料和蔬菜在食品中能提供特征风味，并使口味增强。在加工食品中添加少量这类物质，可以使人感到需宜的风味。
红辣椒(Capsicum)含有一类称为辣椒素的化合物(capsaicionids)，该物质属于不同链长(C8～Cl1)的不饱和一元羧酸的香草酰胺。辣椒素是这些辣味成分中的代表。人工合成的几种含有饱和直链酸成分的辣椒素化合物可代替天然辣味提取物或辣椒油。不同辣椒品种中的总辣椒素含量变化非常大，例如，红辣椒含0.06％，红辣椒粉含0.2％，印度的山拉姆(Sannam)辣椒含0.3％,
非洲的乌干达Uganda中含0.85％。而甜红辣椒中辣味化合物含量很低，主要用于着色和增加菜肴的风味。红辣椒还含有挥发性芳香化合物，成为食品风味中的一部分。黑胡椒和白胡椒是由piper nigrum浆果加工制得，所不同的是黑胡椒是由未成熟的青浆果制成，而白胡椒是由成熟的浆果制成。胡椒的主要辣味成分是胡椒碱，一种酰胺。分子中不饱和结构的反式构象是强辣味所必须的，在光照和贮藏时辣味会损失，这主要是由于这些双键异构化作用所造成的。胡椒还含有挥发性化合物，其中1-甲酰胡椒碱和胡椒醛(3，4-亚甲二氧基苯甲醛)为含胡椒调味料或胡椒油的食品提供风味。胡椒碱可以人工合成，并已用于食品中。
辣椒素 胡椒碱
姜是一种多年生的块茎植物(Zingiber of ficinale Roscoe)，含有辣味成分和某些挥发性芳香成分。新鲜生姜的辣味是由一类叫做姜醇的苯烃基酮所产生的，(6)-姜醇是其中最有效的一种。在干燥和贮存时，姜醇脱水形成一个和酮基共轭的外部双键，反应的结果是生成一种生姜酚的化合物，它比姜醇辣味更强。(6)-姜醇加热到高温时会导致所连接的羟基裂解成为酮基，生成甲基酮(β-3-甲氧基-4-羟苯基丁酮)、姜油酮，从而显示出温和的辣味。
(6)-姜醇
五、清凉风味当某些化学物质接触鼻腔或口腔组织刺激专门的味感受器时，会产生清凉感觉，效果很类似薄荷、留兰香卷(叶)薄荷和冬青油等薄荷风味。虽然许多化合物都能引起这种感觉，但以天然形式(L异构体)存在的-(-)薄荷醇是最常用的，对此芳香成分总的感觉还是樟脑味。樟脑除产生清凉感觉外，还具有一种由d-樟脑产生的特有樟脑气味。与薄荷有关的化合物所产生的清凉作用和结晶多元醇甜味剂(例如木糖醇)所产生的凉味机理有稍许不同，后者一般认为是物质吸热溶解所产生。
-(-)薄荷醇 d-樟脑
蔬菜，水果和调味料风味
一、葱属类中的含硫挥发物
葱属类植物以具有强扩散香气为特征。主要种类有葱头、大蒜、韭葱、细香葱和青葱。在这些植物组织受到破碎和酶作用时，它们才有强烈的特征香味，这说明风味前体可以转化为香味挥发物。在葱头中，引起这种风味和香味化合物的前体是S-(1-丙烯基)-L-半胱氨酸亚砜，韭葱中也有这种前体存在。用蒜氨酸酶可迅速水解前体，产生一种假的次磺酸中间体以及氨和丙酮酸盐(图9-6)，次磺酸再重排即生成催泪物硫代丙醛-S-氧化物，呈现出洋葱风味。酶水解前体化合物时生成的丙酮酸是一种性质稳定的产物，形成葱头加工产品的风味。不稳定的次磺酸还可以重排和分解成大量的硫醇、二硫化物、三硫化物和噻吩等化合物。这些化合物对熟葱头风味也起到有利作用。
大蒜的风味形成一般与葱头风味形成机理相同。除前体S-(2-丙烯基)-L-半胱氨酸亚砜外，二烯丙基硫代亚磺酸盐(蒜素)(图9-7)使鲜大蒜呈现特有风味，而不能形成葱头中具有催泪作用的S氧化物。大蒜中的硫代亚磺酸盐风味化合物的分解和重排几乎与葱头中化合物的分解和重排(图9-6)相同，生成的甲基丙烯基和二烯丙基二硫化物，使蒜油和熟大蒜产生风味。
图9-6 形成葱头风味的反应
图9-7 鲜大蒜中主要风味化合物
二,十字花科中的含硫挥发物
十字花科植物，例如甘蓝(Brassica oleracea)、龙眼包心菜(Brassica oleracea L.)、芜菁(Brassica rapa)，黑芥子(Brassica juncea)、水田芥菜(Nastrurtium of ficinake)、小萝卜(Raphanus sativus)和辣根(Armoracia lapathifolia)中的活性辣味成分也是挥发性物质，具有特征风味。辣味常常是刺激感觉，刺激鼻腔和催泪。在这种食物组织破碎以及烹煮时作用更加明显。这种食物组织的风味主要是硫葡糖苷酶作用于硫葡糖苷前体所产生的异硫氰酸酯所引起的(图9-8)。
十字花科植物中存在多种其他硫葡糖苷，都产生特征风味。小萝卜中的轻度辣味是由香味化合物4-甲硫基-3-叔丁烯基异硫氰酸酯产生的。除异硫氰酸酯外，硫葡糖苷还产生硫氰酸酯(R-S＝C＝N)和腈(图9-8)，辣根、黑芥末、甘蓝和龙眼包心菜含有烯丙基异硫氰酸酯和烯丙基腈，各种物质浓度的高低随生长期、可食用的部位和加工条件不同而有所不同。在温度比室温高很多时，加工(烹煮和脱水)往往会破坏异硫氰酸酯，提高腈含量并促进其他含硫化合物的降解和重排。几种芳香异硫氰酸酯存在于十字花科植物中，例如，2-苯乙基异硫氰酸酯是水田芥菜中一种主要香味化合物。这种化合物能使人产生一种兴奋的辣味感觉。
4-甲硫基-3-叔丁烯基异硫氰酸酯
图9-8 十字花科植物风味的形成过程
三、香菇类蘑菇中特有的硫化物香菇(Letinus edodes)中已发现一种罕见的C-S裂解酶体系。提供风味的香菇多糖酸(lentine acid)前体是一个结合成γ谷氨酰胺肽的S-取代L半胱氨酸亚砜。在风味形成过程，首先是酶水解γ谷氨酰胺肽键释放出半胱氨酸亚砜前体(蘑菇糖酸)，然后蘑菇糖酸受到S-烷基-L-半胱氨酸亚砜裂解酶作用，生成具有活性的风味化合物蘑菇香精(lenthionine) (图9-9)，这些反应只有在植物组织破坏后才发生，而风味是在干燥和复水或新鲜组织短时间浸渍时出现的。除蘑菇香精外，还生成聚噻嗯烷，但风味主要是由蘑菇香精产生的。
图9-9 香菇型蘑菇中的蘑菇香精的形成
四、蔬菜中的甲氧基烷基吡嗪挥发物许多新鲜蔬菜可以散发出青香—泥土香味，这种香味对识别它们是否新鲜有很大的作用。甲氧基烷基吡嗪类，这类化合物使蔬菜散发出芬芳的香味，例如2-甲氧基-3-异丁基吡嗪，它可产生一种很强的甜柿子椒香味，其可感觉出的阈值水平是0.002ppb。生土豆、青豌豆和豌豆荚的大部分香味是由2-甲氧基-3-异丙基吡嗪产生的，2-甲氧基-3-仲丁基吡嗪是红甜菜根的香味物质。这些化合物是植物体内生物合成的，某些微生物菌株(如Pseudomonas perolens，Pseudomonas tetrolens)也能合成这些特征性物质，图9-10表示酶作用形成甲氧基吡嗪的反应机理。
图9-10 酶作用形成甲氧基烷基吡嗪的途径
五、脂肪酸的酶作用产生的挥发物
1．植物中脂肪氧合酶产生的风味在植物组织中，由酶诱导的不饱和脂肪酸氧化和分解产生的特征香味，与某些水果的成熟和植物组织破坏有关。这与脂类化合物自动氧化形成风味化合物不同。由这种酶作用所产生的化合物可显示特殊风味(图9-11)。脂肪酸专一性氢过氧化作用所产生的2-反-己烯醛和2-反-6-顺壬二烯醛受脂肪氧合酶的催化，而脂肪酸分子裂解还生成含氧酸，含氧酸不会影响风味。由于发生连续反应，所以香味随时间而变化。例如，脂肪氧合酶所产生的醛和酮转换成相应的醇时(图9-12)，通常比母体羰基化合物有更高的感觉阈值，而且香味更浓。通常C6化合物产生像刚割的青草植物一样的香味，C9化合物类似黄瓜和西瓜香味，C8化合物类似蘑菇或紫罗兰或志鹳草叶的气味。这种C6和C9化合物是伯醇和醛，C8化合物为仲醇和酮。
图9-11 亚麻酸在脂肪氧合酶作用下形成醛的反应
（A）：新鲜西红柿中的主要形式
（B）：黄瓜中的主要形式
图9-12 黄瓜和甜瓜中的醛转化为醇引起的微妙风味变化
2．长链脂肪酸?氧化作用产生的挥发物成熟的梨、桃、杏和其他水果散发出一种令人愉快的香味，一般是由长链脂肪酸的β氧化生成的中等链长(C8～C12)挥发物引起的。图9-13说明了用这种方法生成的乙基癸-2-反，4-顺-二烯酯反应，但没有表明过程中含氧酸(C8～C12)的生成及含氧酸环化产生的γ和δ内酯。乳脂降解时，也会出现类似的反应。C8～C12内酯化合物具有类似椰子、桃的香味。
图9-13 梨中亚油酸β氧化后酯化生成的主要风味物质
六、支链氨基酸产生的挥发物支链氨基酸与某些果实成熟有关，产生重要的风味前体，香蕉和苹果是这种过程的典型例子。这些果实的成熟风味大多是由氨基酸挥发物引起的，这种风味形成过程的最初反应称为酶催化斯特雷克尔(Strecker)降解反应，因为出现的氨基酸转移和脱羰基作用与非酶褐变时发生的反应相似。包括酵母和产生啤酒风味的乳酸链球菌株(Streptococcus lactis)在内的若干种微生物，也能按类似于图9-14表示的形式改变大多数氨基酸。植物还可以从氨基酸(除亮氨酸外)中产生类似的衍生物2-苯乙醇，它具有玫瑰或丁香花香味。虽然这些反应生成的醛、醇和酸直接赋予成熟果实风味，但酯类也是起决定性的特征效应化合物。很早就知道，醋酸异戊酯在香蕉风味中起重要作用，但还需其他化合物才能产生完美的香蕉风味。2-甲基丁酸乙酯比3-甲基丁酸乙酯(图9-14)更像苹果的风味，前者是成熟的红香蕉苹果香味的主要成分。
图9-14 后熟果实中酶转化亮氨酸成为香味化合物
七、挥发性萜类化合物的风味植物中含有丰富的萜烯，可以用于香精和香料工业。人们往往对萜烯提供风味的重要性估计过低，而实际上它们大多对柑桔果实和许多调味料及草本植物的香味有很大作用。在许多果实中，萜烯的浓度低，生胡萝卜风味大部分是由萜烯产生的。
萜烯是由异戊间二烯化合物通过生物途径合成(图9-15)。
图9-15 异戊间二烯化合物生物合成单萜烯
单萜烯含有10个碳原子，倍半萜烯含有15个碳原子。虽然萜烯构成一些天然风味挥发物中的某些支链烷基化合物，但它们也可以转化成芳香化的环状化合物。异丙苯醛(1-甲酰-4-异丙基苯)是枯茗香料中一种特征性的化合物，它属于萜烯芳香衍生物。香精油或含萜烯的香味提取物可用硅胶柱色谱法分离，分离成不含氧烃和含氧烃两部分。含氧萜烯通常比不含氧的萜烯产生更需宜的风味，因此前者用于食品时其风味更受人们欢迎。
萜烯往往具有很强的特征效应，因此对天然产物香味的认别有丰富经验的人不难鉴别它们。例如，单萜烯、柠檬醛和苎烯分别具有柠檬和酸橙特有的香味。


柠檬醛（柠檬） 苎烯（酸橙）
萜烯对映异构物具有很不同的气味特征，L-香芹酮[4(R)-(-)香芹酮]具有强烈的留兰香特征香味，而d香芹酮[4(S)-(+)香芹酮]具有芷茴香香料(调味料)的特征香味。
倍半萜烯也是重要的特征香味化合物，?-二甲基亚甲基十二碳三烯醛和诺卡酮属于这类化合物，分别使橙和葡萄柚有特征风味。二萜烯(C20)分子太大且不挥发，因此不能直接产生香味。
-二甲基亚甲基十二碳三烯醛（橙） 诺卡酮（葡萄柚）
4(S)-(+)香芹酮（芷茴香） 4(R)-(-)香芹酮（留兰香）
八、莽草酸合成途径中产生的风味在莽草酸合成途径中能产生与莽草酸有关的芳香化合物，如苯丙氨酸和其他芳香氨基酸。除了芳香氨基酸产生风味化合物外，莽草酸还产生与香精油有关的其他挥发性化合物(图9-16)。同时还为木质素聚合物提供苯基丙醇化合物。木质素在高温热解时，生成许多酚类化合物，用于产生食品烟熏的特殊香味，这些香味多是由莽草酸途径前体形成的化合物引起的。从图9-16中还可明显看出，香草提取物中最重要的特征化合物香草醛，在自然界可以经过莽草酸途径或处理木料浆料和纸加工中的副产品得到。本章中讨论过的生姜、胡椒和辣椒的辣味成分中的甲氧基芳香环也具有图9-16中所示的那些化合物的主要特征。肉桂醇是桂皮香料中的一种重要香气成分，丁香中的丁子香酚是主要的香味和辣味成分。
图9-16 莽草酸途径的前体物产生的某些重要风味化合物
九,柑橘类风味许多受欢迎的新鲜水果和饮料中都有柑橘风味。关于天然柑橘风味的化学知识大多来源于对加工果汁、果皮香精油、香精油及添加饮料中的含水香精等的研究。萜烯、醛、酯、乙醇和已鉴定的不同柑橘提取物中大量挥发性物质是形成柑橘风味最主要的成分。但是柑橘类水果中具有特征效应的化合物却相对较少，在一些主要柑橘类水果中起重要作用的风味成分见表9-2。橘子和橙子的风味很宜人，但极易变味。由表9-2可以看出，虽然其他风味物质大量存在，但含量相对较少的萜烯和醛却是形成这些风味所必需的化合物。橘子和橙子中均有α-和β-二甲基亚甲基十二碳三烯醛，其中α-二甲基亚甲基十二碳三烯醛是橙子呈现成熟橘子风味的最重要风味物质。葡萄柚中含有诺卡酮和1-对-薄荷烯-8-硫醇两种特征风味物，后者是影响柑橘风味的含硫化合物之一，诺卡酮已广泛用于葡萄柚风味的人工合成。
表9-2 柑橘风味中起重要作用的挥发性化合物橙子
橘子
葡萄柚
柠檬
乙醛
乙醛
乙醛
乙醛
辛醛
辛醛
癸醛
香叶醛
壬醛
癸醛
乙酸乙酯
β-蒎烯
柠檬醛
α-甜橙醛
丁酸甲酯
_牛儿萜醇
丁酸乙酯
γ-萜品烯
丁酸乙酯
乙酸_牛儿酯
d-柠烯
β-蒎烯
d-柠烯
乙酸橙花酯
α-蒎烯
麝香草酚
诺卡酮
香柠檬烯
甲基-N-氨茴酸甲酯
1-对-薄荷烯-8-硫醇
丁子香烯
香芹乙醚
里哪基乙醚
小茴香乙醚
表茉莉酮酸甲酯
柠檬风味是大量重要成分共同作用产生的，尤其是几种萜烯醚的作用。同样，莱姆酸橙也含有很多产生风味的挥发性物质，并有两种莱姆酸橙香精油得到广泛应用，其中由蒸馏提取的墨西哥莱姆酸橙油因具有较强的莱姆酸橙油风味，而大量用于莱姆酸橙柠檬汽水和可乐饮料。冷榨处理的波斯莱姆酸橙油和离心处理的墨西哥莱姆酸橙油因其风味天然而越来越受到欢迎。同蒸馏法相比，冷榨和离心处理过程较温和，从而保留了易于感受的重要新鲜莱姆酸橙风味物质，如这些宜人的清新香气化合物柠檬醛，在酸性条件下蒸馏时会降解生成具有刺鼻气味的对-伞花烯和α-对-二甲基苯乙烯，从而使蒸馏得到的莱姆酸橙油有较强的刺鼻气味。
含有萜烯的柑橘香精油和风味提取物可通过硅酸色谱柱及极性和非极性溶剂洗脱后分离成无氧和含氧化合物两部分，橙油中得到的无萜橙油主要含有氧化萜烯、乙醇和醛，与无氧化合物部分相比，风味中的含氧化合物部分更重要。
十、草本香料和调味料风味
尽管国内、国际标准协会和工业标准协会关于草本香料和调味料的定义有所不同，但都被当作调味料和辛辣调味品，即作为风味调料、调味品和增加食品香味的天然蔬菜产品。美国食品药物管理局并没有把葱蒜味的产品如洋葱、大蒜作为调味料，但是国际上和工业中关于调料的分类一般都包括此类物质。辛辣调味料曾被定义为增加食品风味的物质或辛辣调味品，但该定义对于芳香植物材料并没有提出一个该分类体系的依据，因此有些情况下仍保留此说法。在植物学的基本分类体系中，将适于烹调的草本香料同调味料划分开，包括芳香的软茎植物，如甘牛茎、迷迭香、麝香、罗勒、薄荷和芳香的灌木（鼠尾草）和树（月桂树）。按此分类，调味料包括了所有能作食品调味和增加食品风味的芳香植物材料。调味料一般没有叶绿素，包括根茎或块茎植物（姜）、树枝（肉桂）、花蕾（丁香）、果实（莳萝、胡椒）和种子（肉豆蔻、芥子）。
调味料和草本香料可用于增加料味、烟熏味和辛辣滋味及赋予食品和饮料特有的风味。这些物质中有的已广泛用于医药和化妆品，其中有许多物质表现出抗氧化和抑菌作用。虽然全世界有许多草本香料和调味料，但仅有70多种被认为是食品中有用的成分。因为调味料的风味特征随其产地及遗传性的改变而变化，因此，这类调味料可赋予食品多种风味。这里仅讨论食品工业中广泛应用的草本香料和调味料。
调味料一般来自热带植物，而草本香料主要来自亚热带或非热带植物。调味料还包括来自莽草酸途径的高浓度苯丙酚（如丁香中的丁香酚），草本香料包括由萜烯生物合成的高浓度对-薄荷醛（p-menthaniods）(如胡椒薄荷醇)。
丁香酚 薄荷醇
调味料和草本香料中含有大量的挥发性化合物，但大多数情况下，这些能提供特征风味和香味化合物的含量很丰富，但有的含量也极低。表9-3和表9-4中列出了应用于食品工业的草本香料和调味料中的重要风味化合物。
表9-3 应用于食品工业的草本香料中最重要的风味化合物草本香料
植物部分来源
重要的风味化合物
罗勒，甜味剂月桂
叶子叶子
甲基-对-丙烯基苯酚、沉香醇、甲基丁子香酚
1，8-桉树脑
甘牛至
叶子、花
顺/反-桧烯水合物 萜-4-醇
Oregano
叶子、花
香芹酚、麝香草酚
迷迭香
叶子
马鞭烯酮、1，8-桉树脑、樟脑、沉香醇
鼠尾草、番月参
叶子
鼠尾草-4（14）-烯-1-酮、沉香醇
鼠尾草、达尔马提亚
叶子
_酮、1、8-桉树脑、樟脑
鼠尾草、西班牙
叶子
顺/反-醋酸桧酯、1，8-桉树脑、樟脑
香草薄荷
叶子
香芹酚
龙蒿
叶子
甲基佳味酚、茴香脑
麝香
叶子
麝香草酚、香芹酚
胡椒薄荷
叶子
1-薄荷醇、薄荷酮、薄荷呋喃
绿薄荷
叶子
1-_蒿萜酮及其衍生物
表9-4 应用于食品工业的调味料中的主要风味化合物调味料
植物部分来源
主要风味化合物
甘椒
浆果、叶子
丁子香酚、β-丁子香烯
茴香芹
果实
（E）-茴香脑、甲基蒌叶酚
辣椒
果实
辣椒素、二氢辣椒素
贡蒿
果实
d-_蒿萜酮、_蒿萜酮衍生物
小豆蔻
果实
α-萜乙酯、1，8-桉树脑、沉香醇
肉桂、中国肉桂
皮、叶子
肉桂醛、丁香酚
丁香
花蕾
丁香酚、丁子香乙酯
芫荽
果实
d-沉香醇、C10-C142-链烯缩醛
枯茗
果实
枯茗醛、p-1,3-肉豆蔻二缩醛
小茴香
果实、叶子
d–香芹酚
茴香
茴香
（E）-茴香脑、小茴香酮
姜
根茎
橙花醛、萜醛、姜醇、生姜酚
肉豆蔻种衣
假种皮
桧烯、α–蒎烯、1-萜-4-醇
芥子
种子
烯丙基异硫氰酸盐
肉豆蔻
种子
桧宁（sabinine）、α–蒎烯、肉豆蔻醚
荷兰芹
叶、种子
芹菜脑
辣椒
果实
胡椒碱、δ-3-蒈烯、β-胡萝卜菲烯
番红花
眼点（柱头）
藏红花醛
姜黄
根茎
姜黄酮、1，8-桉树脂、姜烯
香草
果实、种子
香草醛、对-羟基苄甲醚
第四节 乳酸-乙醇发酵中的风味
微生物产生的风味是很广泛的，但对它们在发酵风味化学中的特殊作用并不完全了解。在干酪中，甲基甲酮和仲醇可使蓝霉干酪具有特征风味，某些硫化物可使表面成熟干酪具有适宜的风味性质。在干酪中由微生物产生的特征风味化合物一般不能归入“特征效应”化合物。虽然酵母发酵广泛地用于啤酒、葡葡酒、酒精和酵母发酵面包，但并不能产生强烈的特征效应风味化合物，然而在酒精饮料中的乙醇可以认为是具有特征效应的物质。
异质发酵的乳酸细菌(例如，明串珠球菌属)的主要发酵产物中(图9-17)，醋酸、丁二酮和乙醛的混合物为发酵奶油和乳酪提供大部分特征香味。同质发酵的乳酸菌(例如，链球乳酸菌)仅产生乳酸、乙醛和乙醇。乙醛是酸牛乳同质发酵过程中产生的“特征效应”化合物，丁二酮是大多数混合菌株乳汁发酵中的“特征效应”香味化合物，一般称为乳品或奶油型增香剂；乳酸为加工或发酵的乳制品提供酸味。尽管3-羟基丁酮基本上无气味，但它可以氧化成丁二酮。
图9-17 乳酸菌异质发酵代谢产生的主要挥发性产物
乳酸菌产生极少量的乙醇(百万分之几)，它们以丙酮酸作为代谢的主要最终H受体，但酵母产生的乙醇是代谢中的主要最终产物。乳酸链球菌啤酒株和所有啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae，Saccharomyces carlsbergensis)同样也可以通过转氨和脱羧使氨基酸转变为挥发性化合物(图9-18)。虽然某些被氧化的化合物(醛和酸)也可以出现，但这些有机体主要生成还原形式的衍生物(醇类)。葡葡酒和啤酒的风味可直接归之于发酵作用，它们的风味物质是这些挥发物质及其与乙醇相互作用形成的混合酯和缩醛，这些混合物产生发酵饮料中的酵母风味和水果味道。
图9-18 苯丙氨酸作为模拟的前体化合物通过微生物的利用氨基酸酶法形成的挥发物
第五节 脂肪和油的风味挥发物
脂肪和油经过自动氧化异味不断增加，这是众所周知的。醛和酮是自动氧化的主要挥发物，当食品中这些化合物的浓度足够高时，产生油漆、脂肪、金属、纸和蜡的味道。在烹调和加工食品过程中，当这些化合物浓度适合时，则产生需宜的风味。
植物甘油酯和动物储存的脂肪水解，主要产生肥皂味的脂肪酸。另外，乳脂能产生多种挥发性化合物(图9-19)，影响乳制品的风味。偶数碳短链脂肪酸(C4～C12)在干酪和其他乳制品中可产生非常重要的风味，其中丁酸是最主要的。羟基脂肪酸水解可形成焙烤食品中类似水果风味的内酯，但会引起贮藏和灭菌的炼乳变味。β-酮酸因水解后加热生成甲基酮，使乳制品的风味几乎与内酯相同。
脂肪水解(除乳脂外)不能产生上述特征风味，但是动物脂肪具有肉的特征风味。
图9-19 三酰基甘油水解裂解对乳脂中挥发性风味化合物生成的影响
第六节 肉品的风味挥发物
肉的风味引起人们很大的注意，尽管进行了大量的研究，但是对各种肉中引起强“特殊效应”的风味化合物的了解还是很有限的。
一、反刍动物肉及乳中的特征风味肉的特征风味与类脂化合物有密切联系。羊肉中产生的汗气味是与某些中等链长的挥发性脂肪酸有关，其中几种甲基支链脂肪酸是非常重要的。羔羊肉和羊肉中最重要的一种支链脂肪酸是4-甲基辛酸(图9-20)。反刍动物胃中发酵能产生醋酸酯、丙酸酯和丁酸酯，而由醋酸酯生物合成的大多数脂肪酸是非支链的。丙酸酯会导致甲基支链脂肪酸的产生，当饲料和其他因素导致反刍动物胃中丙酸化合物的浓度增高时，脂肪酸分子中会出现较大的甲基支链。Ha和Lindsay发现几种带甲基支链的中等链长的脂肪酸与种属紧密相关，其中4-乙基辛酸（在水中阈值为1.8mg/kg）是使肉和奶制品产生类似于羊肉风味的重要成分。此外，几种烷基酚（甲基苯酚的异构体，乙基苯酚的异构体，异丙基苯酚的异构体和甲基-异丙基苯酚的异构体）可使肉和奶产生典型的类似牛肉和羊肉的特征风味。烷基苯酚在肉和奶中一般以共轭结合或游离形式存在，是莽草酸途径中的生化中间产物，已发现饲料中存在此组分。烷基苯酚硫酸酯，磷酸酯及葡萄糖酸酯的共轭化合物在体内形成，并由循环系统输送，该共轭化合物在酶解及热解的作用下可释放出苯酚，从而大大提高了奶制品及肉在烹调和发酵过程中的风味。
对-异丙基苯酚硫酸酯 对-乙基苯酚磷酸酯对-甲苯酚葡萄糖酸酯
图 9-20 反刍动物甲基支链中等链长脂肪酸的生物合成
二、非反刍动物肉的特征风味
非反刍动物肉的风味，特别是对猪肉和家禽肉的风味还不太了解。已证明，γ-C5、C6和C12内酯在猪肉中的含量相当丰富，这些化合物可以使猪肉产生某些似甜味的风味。
猪肉、猪油和猪油渣中明显的猪肉风味是由猪小肠内氨基酸在微生物作用下生成的对甲基苯酚及异戊酸引起的，而色氨酸产生的类似于吲哚和甲基吲哚结构的物质可加强肉中令人不愉快的猪肉味。目前，主要集中研究与猪性别特征气味有关的风味化合物，它可使猪肉产生强烈的异味。散发尿味的5α-雄-16-烯-3-酮（图9-21）和呈麝香味的5α-雄-16-烯-3α-醇是产生这种异味的两种主要化合物。这些与猪性别气味有关的风味化合物主要存在于雄性猪中，但雌性及阉割的雄性猪中也有。这种类固醇化合物令一些人尤其是女性感到恶心,但有一些人因遗传原因对此气味毫无感觉。由于这些与猪性别气味有关的化合物只能使猪肉风味变坏，因此，可作为与猪种属有关的特征风味化合物。
图 9-21 与猪性别气味有关的呈尿味的类固醇类化合物的形成
许多研究者对家禽的特殊风味进行了研究，现已证实，脂类氧化可产生鸡的“特征效应”化合物，羰基-顺-4-癸烯醛，反-2-顺-5-十一碳二烯醛和反-2-顺-4-反-7-十三碳三烯醛使鸡汤产生特有的风味，这几种化合物是花生四烯酸和亚油酸产生的，小鸡能积累α-生育酚（抗氧化剂），而火鸡却不能，烘烤的火鸡肉中形成的羰基化合物比小鸡中多。此外，脂类自动氧化的产物受环境的影响很大，铜离子和α-生育酚的存在可导致乳脂选择性氧化生成1，顺-5-二烯-3-辛酮，这是由于金属离子污染奶油所引起的。金属离子对家禽也同样可以引起脂类化合物的氧化，所形成的风味与化合物的种类有关。
三、鱼和海产食品风味的挥发物
海产食品的特征风味比其他肉类食品的风味更广泛，像鱼翅、贝类和蟹类等海产的风味和每种食品的新鲜度有密切关系。三甲胺氧化物通过酶降解会产生三甲胺和二甲胺(图9-22)，在海产品中发现有大量的这类物质存在。十分新鲜的鱼基本上不含三甲胺，这种化合物产生腐鱼气味，三甲胺氧化物成为海鱼体内缓冲体系的一部分，伴随二甲胺产生的甲醛容易使蛋白质发生交联，因而使冷藏的鱼肌肉变硬。
图9-22 新鲜海鱼中微生物形成的主要挥发物
像鳕鱼肝油所呈现的鱼风味，一部分是由ω-3-不饱和脂肪酸自动氧化产生的羰基所引起，其特征香味似乎来自2，4-癸二烯醛类和2，4，7-癸三烯醛的混合物，而顺-4-庚烯醛可以使冷冻鳕鱼产生香味。
从市场上得到的新鲜、冷冻和加工海产品，其新鲜风味和香味往往明显地减少或损失，然而，十分新鲜的海产品呈现的风味明显不同于“商业新鲜”的海产品风味。最近发现了由一组酶产生的醛、酮和醇可供鉴定鲜鱼的特征香味，这些物质很类似植物脂肪氧合酶所产生的C6、C8和C9化合物。氢过氧化作用后紧接着的是歧化反应，虽然首先产生醇(图9-23)，但最后是还形成相应的羰基，这些化合物中有的具有烹调新鲜鱼的特征风味。
图9-23 新鲜鱼香味中长链ω-3-不饱和脂肪酸经酶产生的重要挥发物甲壳类动物和软体动物的风味除依靠挥发物的作用外，主要依靠非挥发性物质。例如，熟雪白蟹肉风味可用12种氨基酸、核苷酸和盐离子的混合物来模拟，二甲基硫化物可为熟蛤肉和牡蛎提供极好的特征香味。
第七节 加工过程中风味挥发物的产生各类食品，无论是来源于动物、植物还是微生物，在烹调或加工中都会出现风味化合物，一些反应物在适宜的条件(热、pH和光)下通过反应产生风味。
一、热加工引起的风味
在加工食品过程中，还原糖和氨基化合物的作用会导致褐变色素的生成，褐变反应可产生风味。无论是热加工，还是焦化反应的降解产物和食品其他成分之间的相互作用均可产生热风味。
虽然许多化合物都可作为加工过程中的需宜风味，但是这些化合物中只有较少的物质才真正具有特征效应风味，它们一般呈现坚果味、肉味、烘烤味、焦味、烤面包味、花味、植物味或焦糖味。一些食品在加工过程中产生的风味化合物是非环状的，但也有许多是含氮、硫或氧取代基的杂环化合物(图9-24)．它们存在于许多食品和饮料中(例如烤肉、煮肉、咖啡、烤坚果、啤酒、饼干、快餐食品、可可粉)。然而，这些化合物的产生取决于形成风味物质的前体、温度、时间和水活性等因素。因此可以通过选择反应混合物和反应条件来得到加工风味浓缩物。原料选择常常包括还原糖、氨基酸和含硫化合物(表9-5)。若加工处理时的温度较高，可以产生具有特征风味的化合物。硫胺素就是一种常用的原料，因为在它的结构中有氮和硫两种原子。
图9-24 通常与食品加热或褐变有关的风味化合物中的某些杂环结构
一般食品在加工或模拟加工时产生大量的风味化合物，目前还难以从化学的角度来解释它们的形成机理，因此只好从一些较重要的风味挥发物质和它们的形成机理加以说明。烷基吡嗪是所有焙烤食品、烤面包或类似的加热食品中的重要风味化合物，它们形成的最直接途径是α-二羰基化合物与氨基酸的氨基缩合，发生斯特雷克尔降解反应。一般选用蛋氨酸作为斯特雷克尔降解反应的氨基酸，因为它含有一个硫原子，可生成甲二磺醛，它是煮土豆和干酪饼干风味的重要特征化合物（图9-25）。甲二磺醛容易分解为甲烷硫醇和二甲基二硫化物，从而使风味反应中的低分子量硫化物含量增加。
图9-25 食品加工中生成的烷基吡嗪及小分子硫化物
表9-5 产生肉风味的某些常用原料水解植物蛋白质酵母自溶物牛肉提取物特殊动物脂鸡蛋固形物甘 油谷氨酸钠
维生素B2
半胱氨酸谷胱甘肽葡萄糖阿拉伯糖
5＇-核糖核苷酸蛋氨酸
硫化氢和氨容易发生反应形成风味化合物，模拟体系中常含有硫化氢和氨，因而往往利用它们来研究反应机理。半胱氨酸热降解(图9-26)产生氨、硫化氢和乙醛，随后乙醛和3-羰基-2-丁酮(来自麦拉德反应)巯基衍生物反应产生煮牛肉风味的噻唑啉。
某些杂环风味化合物容易发生降解反应或进一步与食品(或反应混合物)中的成分相互作用。
图9-26 在烹调的牛肉中由半胱氨酸和糖—氨基产生褐变反应生成的噻唑啉
由于式中两种化合物的不同性质，使之各自具有不同的肉香味。其中2-甲基-3-呋喃硫醇(还原形式)产生烤肉香味，当它氧化成二硫化物时，其风味完全呈现出烹调好的肉风味，并能保持一些时间。
加工成分复杂的食品时，硫、硫醇或多硫化合物可以与各种化合物结合产生新的风味。虽然加工的食品中常常有二甲基疏醚生成，但它一般不容易反应。在植物中，蛋氨酸首先转化S-甲基蛋氨酸硫盐，此盐容易受热分解为二甲基硫醚（图9-27）。在新鲜的和罐装甜谷物、西红柿汁、煨牡蛎和蛤肉中，由于生成二甲基硫醚而产生极好的特征香味。
图9-27 S-甲基蛋氨酸锍盐热降解产生的二甲基硫化物
图9-28表明某些化合物能在加工过程中产生需宜香味，如焦糖香味，存在于许多加工的食品中。平面烯醇-环酮结构是由糖的前体产生，引起像焦糖的风味。环烯广泛作为合成槭糖浆的风味物质，麦芽酚也广泛作为甜食品和饮料的一种风味增强剂。在煮牛肉中已发现两种呋喃酮，它们能增加肉的香味。4-羟基-5-甲基-3(2H)-呋喃酮有时称为“菠萝化合物”，因为它首先是从加工菠萝中分离出来的，具有强烈的特征风味。
图9-28 一些重要的像焦糖香味的化合物结构
巧克力和可可粉的风味已受到人们的极大关注。然而可可豆在收获后，若条件控制不当则会发酵，因此，可可豆需要烘烤，有时也加碱处理，使涩味减少，颜色变暗。在可可豆发酵阶段，蔗糖水解成为还原糖，游离出氨基酸，某些多酚类物质也被氧化。烘烤可可豆时，生成许多吡嗪和其他杂环化合物。斯特雷克尔降解反应产生的醛之间的相互作用，使可可粉具有独特风味。图9-29表4示苯基乙醛(来自苯基丙氨酸)和3-甲基丁醛(来自亮氨酸)之间发生反应形成可可粉中一种重要的风味。 这种醇醛缩合的产物5-甲基-2-苯基-2-己烯醛具有一种特征持久的巧克力香味。这个例子说明，加工过程中产生风味的反应并不总是生成杂环芳香化合物。
图9-29 两个醛间的醇醛经缩合生成重要的可可粉香味挥发物
二、类胡萝卜素氧化分解的挥发物由氧化类胡萝卜素(异戊间二烯)产生的许多香味化合物，其中不少是重要的烟草特征香味物质。图9-30中的化合物是很重要的食品风味化合物。这些化合物都具有独特的甜味，象花和水果的风味，其浓郁程度变化很大。它们与食品混合能产生微妙的效果，这种效果可能是很需宜的也可能是非需宜的。β-大马士革酮在葡葡酒中显示的风味很明显，但在啤酒中，这种化合物仅含10亿分之几就会产生一种不新鲜的葡萄干味。β-紫罗酮具有一种与水果风味协调的愉快的紫罗兰花的芬芳气味，但它也是氧化、冻干的胡萝卜中的主要臭味化合物。此外，这些化合物也为红茶提供了明显风味。
茶螺烷及其有关的衍生物具有甜味、水果味和茶叶的泥土特征味。虽然这些化合物及有关其他化合物的浓度都很低，但分布却很广泛，可使许多食品具有完美的混合风味。
图9-30 类胡萝卜素氧化裂解形成茶叶风味的某些重要化合物
第八节 风味分析风味化学分析常常与色质联用仪分析挥发性化合物联系起来，但是这种看法过于局限。由于食品中风味物质的浓度低(mg/kg，1:106，mg/kg，1:109和ng/kg，1:1012)、风味混合物的复杂性(例如咖啡中已经确证的挥发物超过450种)、挥发性极大（蒸气压大）和某些风味化合物的不稳定性，以及风味化合物和食品中的其他成分处于动力学平衡状态等因素给食品分析带来的复杂因素使风味物质的定量和定性分析相当困难。此外，风味化合物的鉴定以及阐明其化学结构和感官特性之间的关系则更难解决。要成功地鉴别风味化合物，除了先将它们与食品的众多组分分离，还需将风味物质分离成单个的组分，采用毛细管电泳或毛细管气相色谱法等现代分析技术可达到此目的。同时，HPLC的高速发展也为许多较高沸点化合物的分离和分析提供了有效的分离和分析方法。
风味分析的结果是评价加工过程的适宜性以及原料、中间产品和成品质量的重要指标。同时，食品风味的研究也可以丰富合成香味的种类，这些物质的化学性质与发现的天然风味物质的成分相同，即所谓“等天然风味”。
一、风味成分的提取分离
原料中风味成分的分析应选择那些风味阈值较低，且对食品风味影响较大，但在食品中含量较低（μg/kg级）的风味物质。欲将这些微量的挥发性化合物完全分提出来，并保持原有结构，尚存在许多难以解决的问题。首先对不同的挥发性化合物采用的分离方法不一样，各种方法都存在某些不足，这样往往使风味化合物的质谱分析结果不一致（如表9-6）。
此外，分析和了解食品中的风味酶，以及能引起风味改变的酶的活力，同样也是一个难以解决的问题。例如水果、蔬菜在均质过程中，水解酶会破坏风味中的酯类物质；而脂肪氧合酶、过氧化氢水解酶却能形成新的挥发物而增加风味。因此，这些物质干扰分析，虽然可以通过在组织捣碎时加入酶抑制剂或采取尽量快速制备样品的方法。或是添加乙醇或甲醇也可有效达到抑制酶催化反应的目的，但是醇可与酸和醛反应生成酯和缩醛，同样又会使风味发生变化。
当水果的pH值极低时，非酶反应产生的产物（表9-7）干扰风味物质的分离。食品离析物的溶液（尤其是肉）在加热浓缩时，硫醇、醛和胺等反应物质可缩合形成杂环类及其他风味。 风味分离中另一个不可忽视的因素就是风味物质与固态食品基质的结合，同样也给风味化合物的完全分离带来了困难。因此，风味化合物的分离在风味成分的分析中十分重要。
顶空分析（headspace analysis）常用于检测食品顶空中的香气成分。然而食品中一些重要风味成分含量极低，以致无法利用该方法进行气相色谱（GC）分析，仅能通过嗅觉检测载气中的这些物质。以白面包皮为例，其风味物质的检测灵敏度如图9-31所示，其中对风味起重要作用的物质（如2-乙酰-1-吡咯和2-乙基-3，5-二乙基吡嗪）在FD色谱中有较高的风味稀释系数（flavor dilution factor，FD系数），但气相色谱却不能检出，只有从相对多的食品中提取浓缩后，才可以鉴定出这些风味成分。
1,蒸馏、抽提真空蒸馏常用于挥发性风味物质分离。蒸馏出的挥发性化合物通过高效冷阱浓缩，得到含水的馏出液经有机溶剂提取，最后回收溶剂。利用Likens-Nickersons 装置可完成这种连续蒸馏提取过程（图9-32）。表9-6中列举的一组化合物的实验数据表明，该装置对于C5～C11的同系物有很高的回收率。然而，这种方法对易溶于水的极性化合物的提取却不完全。如表9-6中列举的小分子同系物或3(2H)-呋喃。另外，当化合物分子量大于150Da时，挥发性减小，从而使回收率大大降低。
表9-6 利用Likens和Nikerson蒸馏提取戊烷的装置从高度稀释的水溶液（0.6mg/kg）中分离得到的挥发性化合物的产率（%）
碳原子数
1-烷醇
2-烷醇
醛
烷
3
痕量
4
痕量
痕量
痕量
5
93
79
101
6
97
104
91
64
7
101
101
101
94
8
102
94
94
103
9
99
97
83
94
10
102
90
11
101
94
12
104
表9-7 挥发性化合物分离过程中风味的变化条件
反应
有酶存在时
1 酯的水解
2 不饱和脂肪酸的氧化分解
非酶反应
3 醛的氢化
4糖苷的水解
5 羟基酸的内酯化
6 二元醇，三元醇和多元醇的结晶
7三烯丙醇（tert-allyl alcohols）的脱水和重排
8 风味物质浓缩时，硫醇，胺和醛之间的反应
图9-31 白面包皮中风味物质的顶空分析其中a：毛细管气相色谱图（箭头表示风味物质的位置）
b,FD色谱图风味物质：1-甲基丙醛，2-丁二酮，3- 3-甲基丁醛，4- 2，3-戊二 酮，5-丁酸,
6- 2-乙酰-1-二氢吡咯，7- 1-辛烯酮，8- 2-乙基-3，5-二甲基吡嗪，
9-（E）-2-壬烯醛
（根据Schieberle and Grosch,1992）
在蒸馏/提取同时进行的过程中，常使用低沸点溶剂以便于风味物质的连续浓缩。因此，在标准大气压或真空条件下即可完成该过程。食品的热处理引起的反应（如表9-7）可改变风味成分，从表9-8中可看出蒸馏提取在同时进行时，糖甙释放的风味物质浓度很高。
通过使用冷阱（图9-33）从脂肪和油脂中回收挥发性物质可使浓缩物中不含水。
对于溶解在易挥发溶剂中的风味物质需要在极温和的条件下进行浓缩，否则易形成其他的产物（表9-7）。稀释样品必须首先进行感官检测，这样才能保证风味物质的分析结果同原料中存在的情况一致，否则将产生不同程度的误差。
表9—8 草莓汁中风味物质的分离真空蒸馏（I）同蒸馏/提取（II）比较风味物质 I II
苯甲醛 202 5260
沉香醇 1.1 188
图9-32 同时提取及蒸馏挥发性化合物的Likens-Nickersons 装置
1：装有水溶性样品，需水浴加热的圆底烧瓶
2：装溶剂的水浴加热的玻璃瓶
3：冷凝管
4：浓缩分离器
2．气体提取
气体抽提是从食品中分离提取挥发性成分常用的一种方法，利用惰性气体（N2，CO2或He）将挥发性成分吸附到多孔，粒状聚合材料上（Tenax GC,Porapak Q,Charomosorb 105），然后通过程序升温使挥发物逐步解析。低温时，洗脱剂带走痕量的水分，随着温度的逐步升高，使释放出的挥发物随载气进入与气相色谱相连的冷阱后进行分析（表9-9）。
表9-9 以Porapak Q为固定相,利用气相色谱分离出的一些化合物的相对保留时间化合物
相对保留时间
化合物
相对保留时间
水
1.0
甲硫醇
2.6
甲醇
2.3
乙硫醇
20.2
乙醇
8.1
二甲硫(甲硫醚)
19.8
乙醛
2.5
甲酸乙醚
6.0
丙醛
15.8
其中：Porapak为苯乙烯-二乙烯苯聚合物，T=55℃
图9-33 从脂肪，油脂及其他高沸点溶剂中分离挥发性化合物的装置
1：样品
2：有保护套（40℃～60℃）的螺旋旋转式玻璃柱（以便大面积分散样品）
3：使用液氮、干冰或丙酮制冷的浓缩冷阱
4：接真空泵
5：挥发性化合物接收瓶
3．顶空分析(Headspace Analysis)
顶空分析的过程很简单，将食品样品密封在容器内，在适宜的温度下放置一段时间，待食品基质结合的挥发性物质和存在蒸汽中的挥发物达到平衡后，从顶空取样进行分析（静态的顶空分析）。
由于容器顶空过大和水的存在不利于分离，因此样品量要求适宜，所以该方法仅能检测出一些较主要的挥发物质。若将容器顶空中的挥发物通过聚合物吸附和浓缩，可提高分析的灵敏度。然而，该方法很难获得同原顶空气体组成完全一致的代表性样品。下面的系统分析模型（如图9-34）可以说明这个问题。其中样品e和f都是通过不同聚合物的吸附获得的，它们互不相同，而b是直接进行容器顶空分析的。虽然在很大程度上可通过改变气体流出参数（流速、时间）使结果一致，但仍存在很大的差异。图9-34中a和g的比较表明，在混合物模型中，通过蒸馏-提取得到的结果，除乙醇外，都有很好的重现性。
图9—34 风味化合物分离方法的比较（根据Jennings and Filsoof,1977）
其中图a：a:乙醇，b:2-戊酮，c:庚烷,d:戊醇，e:己醇，f:己酸，
g,2-辛酮，h,d-柠檬烯，i:庚酸，k,γ-庚醛内酯
图b：a图中风味混合物的顶空分析
图c：风味混合物10ul溶解在100ml水中的容器顶空分析
图d：与c的方法大致相同，但是用80%饱和氯化钠溶液
图e：与c法相同，但用氮气纯化和Porapak Q捕获
图f：与e法相同，但用Tenax GC法捕获
图g：与e法相同，但用Nickerson-Likens装置蒸馏提取
二、分离
在浓缩含有酚、有机酸或碱的风味物质时，首先用有机酸或碱进行提取，以便将这些化合物从中性挥发物中分离出来。然后分别分析酸、碱和中性部分，由于中性部分含有许多化合物，因此在大多数情况下，即使使用高效的气相色谱柱也不能将它们完全分离成单峰。然而利用气相、液相色谱分离可以将挥发性化合物分离成相应的级分，如图9-35中对白兰地风味的分析。
白兰地(465L)
1)用水稀释(1:1V/V) 2)用二氯己烷提取 (2:1V/V)
提取物(690g)
氢氧化钠 pH9.5
酚酸
中性提取物(557g)
挥发性部分(533g) 蒸馏
非挥发性部分 分子蒸馏
微挥发部分(18.4g)
硅胶柱液相色谱d
组分16(3.9g) 组分17(0.53g) 组分18(0.92g) 组分19(3.83g)
HPLC
二次分离物 二次分离物 二次分离物 二次分离物
1-5 b 1-8b 1-11 b 1-11b
a：分析仅限于对白兰地风味有重要贡献的组分；
b：GC/MS方法可鉴定18种乙缩醛、59种醇、28种醛、35种酮、3种内酯、8种酚和44种其他的化合物；
c：酸的GC/MS分析；
d：收集的22种组分中，其中的4种进一步用HPLC分析；
图9-35 白兰地a中的挥发性化合物
三,化学结构
质谱仪已成为风味物质结构分析中不可缺少的仪器，因为气相色谱洗脱出的物质量足以进行质谱分析。若能得到相关的参考物质，则通过比较两者的质谱，至少两种不同极性的毛细管柱的保留时间，以及经过气相色谱/风味检测得出的风味阈值，从而可以鉴定风味的组成物质，如果检测值与标准不符，则需结合1H-NMR等方法重新鉴定风味物质的结构。事实上，1H-NMR还常常用来鉴定一些质谱难以确定的物质的结构。如图9-36中的两种化合物，它们的质谱非常相似，只有通过1H-NMR才能发现他们的差异。因此，1H-NMR是鉴别风味化合物结构常用的方法。
图9-6 质谱及1H-NMR谱
选自 2-乙酰-3-甲基吡嗪（a）和4-乙酰-2-甲基嘧啶（b）的记录结果。
四、与风味的相关性
早期常将挥发性化合物当作风味物质，尽管在许多食品中已列出百余种化合物，但它们中到底哪些对风味真正有贡献，以及含量极低的重要风味物质仍然还不清楚。
现在的研究越来越集中在那些对风味有贡献的化合物，可以利用风味值（aroma values）进行描述。在对易挥发组分进行定性和定量分析的基础上，根据风味阈值可计算风味值。
通过该方法测定了番茄酱中最重要的七种风味物质的风味值，结果见表9-10。
表9-10 番茄酱中的风味物质化合物
浓度（μg/Kg）a
风味阈值(μg/kg)b
风味值
二甲基硫醚
2000
0.3
6.7×103
β-大马士革酮
14
0.002
7.0×103
3-甲基丁醛
24
0.2
1.2×102
1-硝基-2-苯基乙烷
66
2
33
丁子香酚
100
6
17
甲醛
3
0.2
15
3-甲基丁酸
2000
250
8
a：干物质，28～30（w/w）百分比
b：在介质中
将这些风味物质以一定浓度溶解在水中后，结果发现该模型的风味与番茄酱的风味很接近，产生的细微差别仅在于番茄酱中有着较高风味值的风味物质-二甲基三硫醚。研究表明番茄酱中有400多种挥发性化合物，但仅有少量的物质与风味有关。
五,风味的感官评价风味化合物和食品的感官评价在风味研究中十分重要，在某些情况下，需由经验丰富的风味品尝专家或研究者对样品进行感官评价。有时还需专业人员进行感觉分析以及有意义的数据统计分析，同时在风味评价中，还需掌握更多的有用信息和资料。由于阈值体现了化合物风味的强度，因此风味评价中阈值的测定很重要。阈值是由总体中个体代表所决定的，在一个规定的介质中（如水、牛奶、空气等），将选定的风味物质配成一系列浓度，然后由风味感官评价人员感觉其最低浓度，最后根据评论小组中一半（或大多数）评论员所能感觉到的这种化合物的最低浓度范围称之为阈值。化合物的风味或气味强度差异很大，往往有着很低阈值的痕量化合物，却比一个有着高阈值且含量很高的化合物对食品风味的影响更大。根据风味单位OU（OU=风味化合物的浓度/阈值浓度）能估计风味化合物对风味的贡献。香味提取物稀释分析（aroma extract dilution analysis，AEDA）已被用于鉴别食品中最有效力的气味物质，该方法是首先将待测风味化合物从食品中提取出来，然后经多次稀释后用气相色谱测定相应的浓度，得到风味稀释因子，随后对稀释后的风味化合物进行感官评定。这些方法虽然为食品和饮料中最具有效力的风味化合物的鉴定提供了信息，但不能说明食品基质和心理反应对风味化合物综合感觉的影响，因此，用于推测实际的食品系统，这些方法还远远不够。
长期以来，化学风味参数测定所提供的食品风味的强度和质量的准确资料，一直是风味研究中感兴趣的问题。虽然利用主观感觉信息与客观风味化学数据的相互关系来评价食品风味已取得很大进展，但是单纯靠分析方法进行常规的风味特征评价仍然还有一定局限。
能够提供“特征”或“特征效应”风味化合物的种类是相当有限的，而且它们的浓度一般非常低，且极不稳定。因此，在早期欲确定“特征效应”化合物是不可能的。虽然现代分析技术灵敏度很高，可以发现很多风味化合物，但目前还没有能力鉴定不稳定的风味化合物，例如焙烤坚果中的二氢吡嗪和新鲜泡制咖啡中的呋喃基硫醛。
第九节 风味化学及工艺学的发展前景
在过去的40年中，随着对风味化学认识的日益增多和现代分析技术的发展，使食品中许多风味的调节及控制成为可能。同时相信，在不久的将来，风味化学一定会在许多方面取得更大的发展和更多的成果，诸如在风味与大分子的结合，利用计算机分析和评价结构与风味活性的关系，控制产生植物风味的前体糖甙和调控风味化学反应，以及与风味相关的植物栽培遗传学和细胞培养（微生物和组织培养）的研究等领域。
有关天然风味真实性的观点一直是人们关注的焦点。同时人们也注意进一步研究有关风味化合物的真实分析和阐述结构与风味的相互关系，从而更深入认识微妙的分子结构，特别是光学异构体对风味产生的影响。同位素（如C13和重氢）质谱技术在很多方面可以区分天然分子和合成分子，但是合成分子中的C13的丰度变化常常不能有效的测定搀杂物。然而，近代核磁共振技术的发展使得人们不仅可以测定分子中特定位置的天然同位素，而且还能提供同位素的指纹图谱，这样就能清楚地检测出天然原始风味物中的杂质。
对于对映体和其他手性化合物独特气味和风味特性的深入了解，使人们对等天然合成物质的精确性产生了质疑。对映体之间气味性质的差异不仅会影响食品风味，而且也将显著影响嗅觉过程中对分子结构和功能关系的认识。这些都将有待于进一步研究。
毫无疑问，酶技术在食品及其组成成分中风味形成的应用已将成为风味工艺学中重要的研究领域。早在40年前就提出风味酶概念，即将其作为食品加工过程中风味再生的物质，这种技术已变得越来越重要。然而由于天然风味物质的性质非常复杂，风味酶在食品中的应用还会遇到很多困难。近期，对风味酶采取的包埋技术使得酶和底物能很好接合，从而有效地控制风味化合物的产生量，也避免了不协调风味。总之，随着对高质量标准化复合食品的日益重视，利用酶技术提高风味显得越来越重要。同时，对于风味化合物，尤其是具有重要特征的风味化合物的鉴别尚需进行更深入地研究。

维生素和矿物质
第一节 概 述食品中维生素和矿物质的含量是评价食品营养价质的重要指标之一。人类在长期进化过程中，不断地发展和完善对营养的需要，在摄取的食物中，不但需要蛋白质、糖类化合物和脂肪，而且需要维生素和矿物质，如果维生素或矿物质供给量不足，就会出现营养缺乏的症状或某些疾病，摄入过多也会产生中毒。维生素是多种不同类型的低分子量有机化合物，它们有着不同的化学结构和生理功能，是动植物食品的组成成分。人体每日需要量很小，但却是机体维持生命所必需的要素。目前已发现有几十种维生素和类维生素物质，但对人体营养和健康有直接关系的约为20种。其主要的维生素的分类、功能及来源见表8－1。
食品加工(例如烹调)虽然有悠久的历史，但工业化的食品加工仅有几十年历史。随着科学的进步，加工技术的改进，交通运输的发达及冷冻技术的发展，人们可以在任何一个地区或一年中的任何季节获得有营养价值的各种食品。因此，由于营养不均衡所造成的疾病已逐渐减少。本章主要讨论各种维生素的化学性质以及在食品加工、贮藏过程中导致维生素和矿物质损失的基本原因。
表8-1主要维生素的分类、功能及来源分类
名称
俗名
生理功能
主要来源
水溶性维生素
B
族维生素
VB1
VB2
VPP
VB6
VB11
VB12
VH
VH1
硫胺素，抗神经类维生素
核黄素
烟酸、尼克酸、抗癞皮病维生素
吡咯醇、抗皮炎维生素
叶酸
氰钴素
生物素
对-氨基苯甲酸
抗神经类、预防脚气病
预防唇、舌发炎
预防癩皮病、形成辅酶ⅠⅡ的成分与氨基酸代谢有关
预防恶性贫血
预防恶性贫血
预防皮肤病,促进脂类代谢
有利于毛发的生长
酵母、谷类、肝、胚芽
酵母、肝
酵母、米糠、谷类、肝
酵母、米糠、谷类、肝
肝、植物的叶
肝
肝、酵母
肝、酵母
C
族维生素
VC
VP
抗坏血酸、抗干眼病维生素
芦丁、渗透性维生素、柠檬素
预防及治疗坏血病、促进细胞间质生长增加毛细血管抵抗力，维持血管正常透过性
蔬菜、水果
柠檬、芸香
脂溶性维生素
VA（A1，A2）
抗干眼病醇、抗干眼病维生素、视黄醇
替代视觉细胞内感光物质、预防表皮细胞角化、促进生长，防治干眼病
鱼肝油、绿色蔬菜
VD（D1，D3）
骨化醇、抗佝偻病维生素
调节钙、磷代谢、预防佝偻病和软骨病
鱼肝油、奶油
VE
生育酚、生育维生素
预防不育症
谷类的胚芽及其中的油
VK（K1，K2，K3）
止血维生素
促进血液凝固
菠菜、肝
第二节 维生素的稳定性维生素是有机体中极其重要的微量营养素，它的生物活性功能表现在许多方面，例如辅酶或它们的前体物质（包括烟酸、硫氨素、核黄素、生物素、泛酸、维生素B6、维生素B12和叶酸）。维生素还是很好的抗氧化物质，如抗坏血酸、某些类胡萝卜素和维生素E等。有的维生素如维生素A和维生素D等是遗传调节因子。而有的维生素具有某些特殊功能，例如维生素A与视觉有关，血凝过程中许多凝血因子的生物合成依赖于维生素K。然而，维生素在食品中的含量非常少，食品经过收获、贮藏、运输和加工处理后，维生素都会有不同程度的损失。因此食品在加工过程中除必须保持营养素最小损失和食品安全外，还须考虑加工前的各种条件对食品中营养素含量的影响，如成熟度、生长环境，土壤情况、肥料的使用、水的供给、气候变化、光照时间和强度，以及采后或宰杀后的处理等因素。关于维生素的性质虽然已经知道了很多，但是对于它们在复杂食品体系中的特性却了解很少。研究维生素的稳定性大多数采用的是模拟体系，这与复杂的食品体系有很大的差别。但这对于了解食品的性质仍然是有帮助的。表8-2总结了维生素在不同条件下的稳定性。每一种维生素有各种不同的形式，因此，稳定性也各不相同。
表8-2 维生素的稳定性营养素
一般条件
酸
碱
空气
光
热
烹饪时损失率(%)
维生素A
S
U
S
U
U
U
40
抗坏血酸
U
S
U
U
U
U
100
生物素
S
S
S
S
S
U
60
胡萝卜素
S
U
S
U
U
U
30
维生素B类
S
S
S
U
S
S
5
维生素B12
S
S
S
U
S
10
10
维生素D
S
S
U
U
U
U
40
叶酸
U
U
U
U
U
U
100
维生素K
S
U
U
S
U
S
5
尼克酸
S
S
S
S
S
S
75
泛酸
S
U
U
S
S
U
50
维生素B6
S
S
S
S
U
U
40
核黄素
S
S
U
S
U
U
75
硫胺素
U
S
U
U
S
U
80
维生素E
S
S
S
U
U
U
55
S：稳定 U：不稳定
一、成熟度的影响
关于成熟度对食品中营养素含量影响的资料不多，目前仅对西红柿有较多的研究。抗坏血酸含量随成熟期的不同而变化，西红柿中维生素C的含量在其未成熟的某一个时期最高(表8-3)。
表8—3 不同成熟时期西红柿中抗坏血酸含量的变化花开后的周数
单个平均重量（g）
颜色
抗坏血酸（mg%）
2
33．4
绿
10．7
3
57.2
绿
7.6
4
102.5
绿-黄
10.9
5
145.7
红-黄
20.7
6
159.9
红
14.6
7
167.6
红
10.1
二、采后及贮藏过程中的影响食品从采收或屠宰到加工这段时间，营养价会发生明显的变化。因为许多维生素的衍生物是酶的辅助因子(cofactor)，它易受酶，尤其是动、植物死后释放出的内源酶所降解。细胞受损后，原来分隔开的氧化酶和水解酶会从完整的细胞中释放出来，从而改变维生素的化学形式和活性。例如维生素B6、硫胺素或核黄素辅酶的脱磷酸化反应维生素B6葡萄糖苷的脱葡萄糖基反应和聚谷氨酰叶酸酯的去共轭作用都会导致植物或动物采收或屠宰后的维生素的分布和天然存在的状态发生变化，其变化程度与贮藏加工过程中的温度高低和时间长短有关。一般而言，维生素的净浓度变化较小，主要是引起生物利用率的变化。相对来说，脂肪氧合酶的氧化作用可以降低许多维生素的浓度，而抗坏血酸氧化酶则专一性的引起抗坏血酸含量损失。对豌豆的研究表明，从采收到运往加工厂贮水槽的一小时内，所含维生素会发生明显的还原反应。新鲜蔬菜如果处理不当，在常温或较高温度下存放24小时或更长时间，维生素也会造成严重的损失。
植物组织经过修整或细分(如水果除皮)均会导致营养素的部分丢失。据报道，苹果皮中抗坏血酸的含量比果肉高，凤梨心比食用部分含有更多的维生素C，胡萝卜表皮层的烟酸含量比其他部位高，土豆、洋葱和甜菜等植物的不同部位也存在营养素含量的差别。因而在修整这些蔬菜和水果以及摘去菠菜、花椰菜、绿豆、芦笋等蔬菜的部分茎、梗和梗肉时，会造成部分营养素的损失。在一些食品去皮过程中由于使用强烈的化学物质，如碱液处理，将使外层果皮的营养素破坏。
食品在加工、贮藏过程中，许多反应不仅会损害食品的感官性状，而且也会引起营养素的损失。除了前面已提及的酶反应，还要考虑食品在配料时，由于其他原料的加入而带来酶的污染，例如加入植物性配料会将抗坏血酸氧化酶带入成品，用海产品作为配料可带入硫胺素酶。当食品中的脂质成分发生氧化时，产生的过氧化氢、氢过氧化物和环氧化物，能够氧化类胡萝卜素、生育酚、抗坏血酸等物质，导致维生素活性的损失。对其他易被氧化的维生素，如叶酸、维生素B、维生素H和维生素D等的反应虽然研究不多，但是导致的损失是可以预见的。氢过氧化物分解产生的含羰基化合物，能造成其他一些维生素如硫胺素、维生素B和泛酸等的损失。此外糖类化合物中的非酶褐变反应生成的高活性羰基化合物，它们也能以同样的方式破坏某些维生素。
三、谷类食物在研磨过程中维生素的损失
谷类在研磨过程中，营养素不同程度会受到损失，其损失程度依种子内的胚乳与胚芽同种子外皮分离的难易程度而异，难分离的研磨时间长，损失率高，反之则损失率低。因此研磨对每种种子的影响是不同的，即使同一种子，各种营养素的损失率亦不尽相同（图8－1）。
人们对谷类在研磨过程中所造成的维生素和矿物质的损失十分重视，早在二十世纪40年代就提出了在食品加工的最后阶段增补或添加营养素的设想。经过长期的讨论，许多国家的食品药物管理局规定了富强面包添加营养素的标准，规定了硫胺素、烟酸、核黄素和铁的需要量，但钙和维生素D的添加量却视情况而定。
图8-1 小麦出粉率与面粉中维生素保留比例之间的关系
四、浸提和热烫
食品中水溶性维生素损失的一个主要途径是经由切口或易受破损的表面而流失。此外在加工过程中洗涤、水槽传送、漂烫、冷却和烹调等亦会造成营养素的损失，其损失特性和程度与pH、温度、水分含量、切口表面积、成熟度以及其他因素有关。
在食品加工过程中，如食物暴露在空气中，易受空气的氧化或微量元素的污染，有时在浸渍过程中，亦可增加食品的矿物质含量，如浸渍在硬水中，会增加食品中钙的含量。在上述加工过程中，漂烫可导致许多重要的营养素损失。热烫通常采用蒸汽或热水两种方法，其方法的选择则依食品种类和以后的加工操作而定。一般来说，蒸汽处理引起的营养素损失最小。食品在工厂加工，如果是在良好的操作条件下进行，其浸提、热烫、烹调造成的营养素损失，一般不会大于家庭操作的平均损失。罐装食品中维生素含量的有关数据（表8-4）已经证实了这一点。
表8-4 维生素在罐装中的损失a
产品
生物素
叶酸
B6
泛酸
A
硫胺素
核黄素
烟酸
C
芦笋
0
75
64
一
43
67
55
47
54
利马豆
一
62
47
72
55
83
67
64
76
青豆
一
57
50
60
52
62
64
40
79
甜菜
一
80
9
33
50
67
60
75
70
胡萝卜
40
59
80
54
9
67
60
33
75
玉米
63
72
0
59
32
80
58
47
58
蘑菇
54
84
一
54
一
80
46
52
33
豌豆
78
59
69
80
30
74
64
69
67
菠菜
67
35
75
78
32
80
50
50
72
西红柿
55
54
—
30
0
17
25
0
26
a,包括漂白
五、化学药剂处理的影响由于贮藏和加工的需要，常常向食品中添加一些化学物质，其中有的能引起维生素损失。例如，漂白剂或改良剂在面粉加工中常使用，它会降低面粉中维生素A，C，E等的含量，即使传统的面粉加工方法，由于天然氧化作用也会造成同样的损失。二氧化硫(SO2)及其亚硫酸盐、亚硫酸氢盐和偏亚硫酸盐常用来防止水果和蔬菜中的酶或非酶褐变，作为还原剂它可防止抗坏血酸氧化，但作为亲核试剂，在葡萄酒加工中它又会破坏硫胺素和维生素B6。
在腌肉制品中，亚硝酸盐常作为护色剂和防腐剂。它既可以是人工添加于食品中，又可由微生物还原硝酸盐而产生。例如菠菜、甜菜等一些蔬菜本身就含有高浓度的硝酸盐，常通过微生物作用而产生亚硝酸盐。亚硝酸盐不但能与抗坏血酸迅速反应，而且还能破坏类胡萝卜素、硫胺素及叶酸。
此外亚硝酸盐还可作为氧化剂：
NO+H2O H++HNO2+e- Eo=﹣0.99V
亦可在N或S原子上发生亲核取代反应，或者参与双键加成反应。由于反应产物为N2O3，所以反应对pH相当敏感，反应式如下：
H++NO2－ HNO2 pKa=3.4
H++NO2－+HNO2 N2O3+H2O
因此，当pH高于6时，同抗坏血酸几乎不发生反应，而在pH接近或低于3.4时，反应相当迅速。通常在肉制品中添加抗坏血酸以防止N-亚硝酸盐的形成。
抗坏血酸+HNO2→2-亚硝酸抗坏血酸酯→半脱氢抗坏血酸自由基+NO生成的NO与肌红蛋白结合生成腌肉的红色，半脱氢抗坏血酸残基也仍有部分维生素C活性，可防止亚硝酐的生成。环氧乙烯(ethylene oxide)和环氧丙烯(propylene oxide)主要用作消毒剂，使蛋白质和核酸烷基化，并以类似的反应机理同硫胺素类维生素反应导致它们失去活性。蛋白质常在碱性条件下提取，当用碱性发酵粉时，pH增高，食物在烹调过程中，常见到这种情况。例如蛋类，由于CO2的溢出，使pH近于9，在这种碱性条件下，硫胺素、抗坏血酸和泛酸这类维生素的破坏大大增加。食品呈强酸性的情况甚为少见，而且维生素对此种条件反应不敏感。
维生素的每日参考摄入量如何正确评估维生素每日的摄入量应该根据不同人群个体的差异来决定。综合考虑国际上对每日膳食中营养素供给量（RAD）的局限性和膳食营养素参考摄入量（Dietary Reference Intakes简称DRIs）,中国营养学会和中国预防医学科学院营养与食品卫生研究所制定出了中国居民的DRIs值（表8-5）。DRIs是在RDAs的基础上发展起来的一组每日平均膳食营养素摄入量的参考值，包括四项内容：平均需要量（EAR,Estimated Average Requirement）、推荐摄入量（RNI,Recommended Nutrient Intake）、适当摄入量（AI,adequate Intake）和可耐受最高摄入量（UL,Tolerable upper Intake Lever）。
在研究维生素的摄入量时，必须考虑维生素的生物利用率和影响生物利用率的因素。因此，在食品加工和贮藏过程中必须注意上述问题。维生素的生物利用率与机体的吸收代谢等有关，这个概念不是指维生素的损失，而主要是指可能存在的消耗利用作用。对于一种食品的营养充足性描述必须注意以下三点。
食品在消费时维生素的含量；
食品在消费时维生素的存在状态和特性；
食品在食用时维生素的生物利用率；
影响维生素利用率的因素包括：
① 膳食的组成会影响其在肠道停留的时间、黏度、乳化特性和pH值等；
② 维生素的存在形式和状态不同，使之在体内的吸收速率、吸收程度与转变为代谢活性形式（例如辅酶）的难易程度，或者代谢功能作用的大小等都会有所差别；
③ 维生素和其他食物成分（例如蛋白质、淀粉、膳食纤维、脂类物质）之间的反应会影响维生素在肠内的吸收。

表8-5 (Ⅰ) 常量和微量元素的RNIs或AIs
RNIs or AIs of some elements
　
　
年龄Age
/岁Year
钙Ca
磷P
钾K
钠Na
镁Mg
铁Fe
碘I
锌Zn
硒Se
铜Cu
氟F
铬Cr
锰Mn
钼Mo
AI
AI
AI
AI
AI
AI
RNI
RNI
RNI
AI
AI
AI
AI
AI
/mg
/mg
/mg
/mg
/mg
　
/mg
/?g
/mg
/?g
/mg
g
/?g
/mg
/?g
0～
300
150
500
200
30
0.3
50
1.5
15(AI)
0.4
0.1
10
0.5～
400
300
700
500
70
10
50
8.0
20(AI)
0.6
0.4
15
1～
600
450
1000
650
100
12
50
9.0
20
0.8
0.6
20
15
4～
800
500
1500
900
150
12
90
12.0
25
1.0
0.8
30
20
7～
800
700
1500
1000
250
12
90
13.5
35
1.2
1.0
30
30
男M
女F
男M
女F
11～
1000
1000
1500
1200
350
16
18
120
18.0
15.0
45
1.8
1.2
40
50
14～
1000
1000
2000
1800
350
20
25
150
19.0
15.5
50
2.0
1.4
40
50
18～
800
700
2000
2200
350
15
20
150
15.0
11.5
50
2.0
1.5
50
3.5
60
50～
1000
700
2000
2200
350
15
150
11.5
50
2.0
1.5
50
3.5
60
孕妇 Pregnant women
早期 1st trimester
800
700
2500
2200
400
15
200
11.5
50
中期 2nd trimester
1000
700
2500
2200
400
25
200
16.5
50
晚期 3 rd trimester
1200
700
2500
2200
400
35
200
16.5
50
乳母 Lactating mothers
1200
700
2500
2200
400
　
25
200
21.5
65
　
　
　
　
　
(凡表中数字缺如之处表示未制定该参考值)
表8-5(Ⅱ) 脂溶性和水溶性维生素的RNIs或AIs
RNIs or AIs of some vitamins
　
年龄Age /岁Year
维生素A
维生素D
维生素E
维生素B1
维生素B2
维生素B6
维生素B12
维生素C
泛酸
叶酸
烟酸
胆碱
生物素
VA
VD
VE
VB1
VB2
VB6
VB12
VC
Pantothenic acid
Folic acid
Niacin
Choline
Biotin
RNI
RNI
AI
RNI
RNI
AI
AI
RNI
AI
RNI
RNI
AI
AI
/?gRE
/?g
/ mgα-TE*
/mg
/mg
/mg
/?g
/mg
/mg
/?gDFE
/mgNE
/mg
/?g
0～
400（AI）
10
3
0.2(AI)
0.4(AI)
0.1
0.4
40
1.7
65(AI)
2(AI)
100
5
0.5～
400（AI）
10
3
0.3(AI)
0.5(AI)
0.3
0.5
50
1.8
80(AI)
3(AI)
150
6
1～
500
10
4
0.6
0.6
0.5
0.9
60
2.0
150
6
200
8
4～
600
10
5
0.7
0.7
0.6
1.2
70
3.0
200
7
250
12
7～
700
10
7
0.9
1.0
0.7
1.2
80
4.0
200
9
300
16
11～
700
5
10
1.2
1.2
0.9
1.8
90
5.0
300
12
350
20
男M 女F
男 M
女 F
男 M
女 F
男M
女F
14～
800 700
5
14
1.5
1.2
1.5
1.2
1.1
2.4
100
5.0
400
15
12
450
25
18～
800 700
5
14
1.4
1.3
1.4
1.2
1.2
2.4
100
5.0
400
14
13
450
30
50～
800 700
10
14
1.3
1.4
1.5
2.4
100
5.0
400
13
450
30
孕妇Preganant women
1.7
早期 1st trimester
800
5
14
1.5
1.7
1.9
2.6
100
6.0
600
15
500
30
中期 2nd trimester
900
10
14
1.5
1.7
1.9
2.6
130
6.0
600
15
500
30
晚期 3rd trimester
900
10
14
1.5
1.7
1.9
2.6
130
6.0
600
15
500
30
乳母Lactating mothers
1200
10
14
1.8
1.7
1.9
2.8
130
7.0
500
18
500
35
*α-TE=α-生育酚当量。α-TE is tocopherol equivalent.
(凡表中数字缺如之处表示未制定该参考值)
表8-5(Ⅲ) 微量营养素的ULs
ULs of some micronutrients
　
年龄age
/岁year
钙
磷
镁
铁
碘
锌
硒
铜
氟
铬
锰
钼
维生素A
维生素 D
维生素B1
维生素C
叶酸
烟酸
胆碱
Ca
P
Mg
Fe
I
Zn
Se
Cu
F
Cr
Mn
Mo
VA
VD
VB1
VC
Folic acid
Niacin
Choline
/mg
/mg
/mg
/mg
/?g
/mg
/?g
/mg
/mg
/?g
/mg
/?g
/?gRE
/?g
　
/mg
/mg
/?gDFE
/mgNE*
/mg
0～
10
55
0.4
　
400
600
0.5～
30
13
80
0.8
500
800
1～
2000
3000
200
30
23
120
1.5
1.2
200
80
50
600
300
10
1000
4～
2000
3000
300
30
23
180
2.0
1.6
300
110
2000
20
50
700
400
15
1500
7～
2000
3000
500
30
800
28
240
3.5
2.0
300
160
2000
20
50
800
400
20
2000
男M
女F
11～
2000
3500
700
50
800
37
34
300
5.0
2.4
400
280
2000
20
50
900
600
30
2500
14～
2000
3500
700
50
800
42
35
360
7.0
2.8
400
280
2000
20
50
1000
800
30
3000
18～
2000
3500
700
50
1000
45
37
400
8.0
3.0
500
10
350
3000
20
50
1000
1000
35
3500
50～
2000
3500^
700
50
1000
37
37
400
8.0
3.0
500
10
350
3000
20
50
1000
1000
35
3500
孕妇Pregnant women
2000
3000
700
60
1000
35
400
2400
20
1000
1000
3500
乳母Lactating mothers
2000
3500
700
50
1000
　
　
35
400
　
　
　
　
　
　
20
　
1000
1000
　
3500
注：* NE=烟酸当量。NE is niacin equivalent
# DFE=膳食叶酸当量。DFE is dietary foalte equivalent
▲ 60岁以上磷的UL为3000mg。UL of phosphorus is 300mg for people 60 years over.
(凡表中数字缺如之处表示未制定该参考值)
表8-5(Ⅳ) 蛋白质及某些微量营养素的EARs
EARs of protein and some micronutrients
　
年龄 /岁Year
蛋白质Protein /( g/kg)
锌
硒
维生素A
维生素 D
维生素B1
维生素B2
维生素C
叶酸
Zn
Se
VA
VD
VB1
VB2
VC
Folic acid
　
/mg
/?g
/?gRE*
/?g
/mg
/mg
/mg
/?gDFE
0-
2.25～1.25
1.5
375
8.88*
0.5-
1.25～1.15
6.7
400
13.8*
1-
7.4
17
300
0.4
0.5
13
320
4-
8.7
20
0.5
0.6
22
320
7-
9.7
26
700
0.5
0.8
39
320
男 M
女F
男 M
女F
男 M
女F
11-
13.1
10.8
36
700
0.7
1
320
14-
13.9
11.2
40
1
0.9
1.3
1
13
320
18-
0.92
120
13.2
8.3
41
1.4
1.3
1.2
1
75
320
孕妇 Pregnant women
1.3
1.45
66
520
早期 1st trimester
120
8.3
50
中期 2nd trimester
120
+ 5
50
晚期 3rd trimester
120
+ 5
50
乳母lactating mothers
0.18
120
+10
65
1.3
1.4
96
450
50-
0.92
75
320
注：* 0~2.9岁南方8.88μg，北方地区为13.8μg。0~2.9years,8.88μg for north,13.8μg for south china.
# RE为视黄醇当量。RE is retinol equivalent
(凡表中数字缺如之处表示未制定该参考值)
第四节 水溶性维生素一、抗坏血酸结构和化学性质
维生素C，又名抗坏血酸（Ascorbic Acid），是一种十分重要的生物活性物质。L-抗坏血酸是高度水溶性化合物，极性很强，具有酸性和强还原性，这些性质是由于其结构中的2，3-烯二醇与内酯环羰基共轭所决定的。抗坏血酸主要以还原型的L-抗坏血酸存在于水果和蔬菜中，在动物组织和动物加工产品中含量较少。抗坏血酸的双电子氧化和氢离子的解离反应，使之转变为L-脱氢抗坏血酸（DHAA），DHAA在体内可以完全还原为抗坏血酸，因此，具有与抗坏血酸相同的生物活性。L-异抗坏血酸和L-抗坏血酸的差别在于C５位上羟基所处的位置,它们是C５位的光学异构体，L-异抗坏血酸具有与L-抗坏血酸相似的化学性质，但不具有维生素C的活性。L-异抗坏血酸和L-抗坏血酸在食品中广泛作为抗氧化剂使用，抑制水果和蔬菜的酶促褐变。自然界存在的抗坏血酸主要是L-异构体，而D-异构体的含量很少。在食品中使用时，D-异构体不是作为维生素的用途而是作为抗氧化剂添加到食品中的。L-异构体又有氧化型和还原型两种，L-抗坏血酸和L-脱氢抗坏血酸的异构体，如下所示：



L-抗坏血酸(还原型) L-脱氢抗坏血酸(氧化型)



L-异抗坏血酸 L-抗坏血酸
D-抗坏血酸 D-脱氢抗坏血酸
抗坏血酸在水溶液中，C3位置上的羟基易电离(pKa1=4.04，25℃)，其游离酸水溶液pH为2.5，C2位置上的羟基较难电离(pka2=11.4)。在不同的pH条件下抗坏血酸能吸收不同波长的紫外光(见表8-6)。
表8-6 抗坏血酸紫外光吸收特征
pH
最大吸收光波长（λmax）nm
2
244
6～10
266
＞10
296
2．稳定性
抗坏血酸极易受温度、盐和糖的浓度、pH、氧、酶、金属催化剂特别是Cu2+和Fe3+、水分活度、抗坏血酸的初始浓度以及抗坏血酸与脱氢抗坏血酸的比例等因素的影响而发生降解。由于多种因素影响抗坏血酸的降解，因此，除了反应历程中的最初产物外，要想确切弄清前体物与产物的关系很是困难的。现在提出的反应机理和历程都是基于动力学和物理化学测定，以及对游离产物的结构鉴定所得出的。这些研究大多是在pH低于2的模拟体系或高浓度有机酸中进行的，因此，它们与发生在含有抗坏血酸的特定食品中准确的降解模式不可能完全相同。
图8-2表明了氧和重金属对降解反应途径和产物的影响。在有氧存在下，抗坏血酸首先降解形成单阴离子(HA-)，可与金属离子和氧形成三元复合物，按照Buettner的观点，单阴离子HA-的氧化有多种途径，取决于金属催化剂(Mn+)的浓度和氧分压的大小。一旦[HA-]生成后，很快通过单电子氧化途径转变为脱氢抗坏血酸（A），A的生成速率近似与(HA-),[O2]和[Mn+]的一次方成正比。当金属催化剂为Cu2+或Fe3+时，速率常数要比自动氧化大几个数量级，其中Cu2+催化反应速率比Fe3+大80倍。即使这些金属离子含量为几个mg/kg，也会引起食品中维生素C的严重损失。在真实的食品体系中，当金属离子与其它组分（例如氨基酸）结合或催化其他反应时，可能生成活泼的自由基或活性氧，从而加速抗坏血酸的氧化。在氧分压低时，非催化氧化反应与氧浓度不成正比(表8-7)，当氧分压低于0.4atm时，反应速率几乎趋向稳定，这表明它是一种不同的氧化途径，可能是由于氢过氧自由基(HO2·)或氢过氧化物直接氧化的结果。与此相反，在催化反应历程中，当氧分压在1.0～0.4atm时，反应速率与氧分压成正比，而在氧分压低于0.20atm时，氧化速率与溶解氧分压无关。这一反应历程是这样假定的，即在催化氧化反应中，金属与阴离子形成复合物MHA(n-1)+，此复合物与氧结合成为金属-氧-配位体三元复合物MHAO2(n-1)+，后一种复合物含有一个双自由基共振结构（图8-2），能迅速分解为抗坏血酸自由基负离子(AH·)及原来的金属离子(Mn+)和(HO2·)。抗坏血酸自由基负离子(AH·)迅速与O2反应生成脱氢抗坏血酸(A)。可见在催化反应中，氧与催化剂的依赖关系是确定反应历程的关键，而MHAO2(n-1)+的形成是该氧化反应机理中的限速步骤。在解释糖和其它溶质对抗坏血酸稳定性的影响时，氧是相当重要的，高浓度的溶质对溶解氧有盐析效应。
表8-7 抗坏血酸非催化反应的速度常数(S-1)随氧分压的变化氧分压（atm）
抗坏血酸负离子的比速度常数×10-4
氧分压（atm）
抗坏血酸负离子的比速度常数×10-4
1.00
0.81
0.62
0.40
5.87
4.68
3.52
2.75
0.19
0.10
0.05
2.01
1.93
1.91
在非催化氧化反应历程中，抗坏血酸负离子(HA-)在限速步骤中是直接与分子氧起化学反应，首先生成自由基负离子(AH·)和氢过氧自由基(HO2·)，随后又迅速生成(A)和H2O。
从上述反应机理可以看出，催化反应和非催化反应历程都有共同的中间体，用分析产物的方法是很难区分的。由于抗坏血酸易氧化成脱氢抗坏血酸，脱氢抗坏血酸又易经温和的还原反应再还原成抗坏血酸。而脱氢抗坏血酸的氧化是不可逆的，尤其在碱性介质中，它可以使内酯水解形成2，3-二酮基古罗糖酸(DKG)，只是在这时才引起维生素活性的损失。
非催化氧化降解反应速率与pH之间是非线性关系，其两者的相关性曲线呈S形，抗坏血酸pK1值随着pH值增大而相应的不断增加，当pH大于6时，曲线趋向平坦，速率常数为6×10-7s-1,说明在中性pH值时，抗坏血酸的氧化降解可以忽略不计。但是当有痕量的金属离子存在时，将加快抗坏血酸的降解。同时也表明首先是单阴离子(monoanion)发生氧化。在催化氧化反应中，反应速率与[H+]浓度成反比，这表明H2A和HA-要争夺O2，HA-的比速率常数比H2A大1.5～3.0数量级。不同离子状态的抗坏血酸对H+的亲合力大小依次为：H2A＜HA-＜A2-。
在厌氧反应条件下，抗坏血酸的氧化速率在pH为4时达到最大，这是因为25℃时抗坏血酸的pK1=4.04,pH为2时降到最小，然后随着酸度的增加而增加，pH低于2时的特征反应在食品中毫无意义。但是，pH为4时的反应速率最大具有相当重要的意义。当pH≥8时由于体系中存在足够的A2-(pK2=11.4,25℃),因此氧化速率提高。
图8-2为推测的厌氧降解路线。Kurata、Sakurai认为，抗坏血酸是经过酮基互变异构体(H2A-Keto)进行反应的，该互变异构体与其负离子(HA--Keto)达到平衡时，HA--Keto经去内酯化作用生成DKG。尽管在有氧存在下厌氧途径仍能使抗坏血酸降解，然而在常温下非催化氧化反应速率比厌氧反应速率大2～3个数量级。因此，在有氧存在下，两个反应都起作用，而其中以氧化途径占优势。在无氧条件下，金属催化剂不会对反应产生影响，可是一些Cu2+和Fe3+的螯合物仍会产生催化作用，催化反应速率在某种程度上是不依赖于氧的浓度，其催化效力是金属螯合物稳定性的函数。
图8—2 抗坏血酸的降解
粗线结构为有维生素活性的物质；H2A，还原性抗坏血酸；
HA-单阴离子抗坏血酸；A 脱氧抗坏血酸； AH·抗坏血酸自由基负离子；
DKG 2，3-二酮基古罗糖酸； Mn+ 金属催催化剂； HO2·氢过氧自由基
图8-2也显示了DKG的进一步降解。由于营养价值已经损失，所以这些反应就显得不重要了。但是这些降解产物会参与非酶褐变，最终形成风味化合物的前体物质。不过在一些食品中，抗坏血酸的分解与非酶褐变有着密切的关系。已有证据表明，抗坏血酸降解形成的产物取决于分解作用是否发生了氧化反应。而在DKG形成以后，发生不同途径的分解，其反应本身又不需要分子氧，这两者似乎相互矛盾。然而，在氧化降解过程中，抗坏血酸有相当多的部分迅速转化为A，而A通过相互作用又影响反应。
木糖酮(X)可由DKG脱羧形成，而3-脱氧戊糖酮(DP)是DKG的C4发生β-消去反应后，再脱羧后形成的。影响分解反应的方式可能是DKG的累加速率，或者是与A更特殊的相互作用。无论是哪一种情况，在这个阶段从反应开始都显示出其它糖类化合物非酶褐变反应的特性。木糖酮继续降解生成还原酮和乙基乙二醛，而DP降解则得到糠醛(F) 和2-呋喃甲酸(FA)，所有这些生成物又都可以与氨基结合而引起食品褐变。某些糖和糖醇能防止抗坏血酸氧化降解，这可能是因为它们能够结合金属离子，从而降低了金属离子的催化活性，有利于食品中维生素C的保护，其机理尚需进一步研究。
Sparyar、Kevei完成了当时争议最大的研究课题，即影响抗坏血酸降解的因素：如Cu2+催化反应与氧浓度的关系；Fe3+的催化；pH和温度；脱氢抗坏血酸和异抗坏血酸的浓度；半胱氨酸与谷氨酸以及多酚类物质等。如果半胱氨酸浓度相当高，抗坏血酸离子可以完全得到保护，即使半胱氨酸摩尔浓度过量亦是如此，这种保护作用与半胱氨酸和铜相互作用有关。此外，某些糖和糖醇也能保护抗坏血酸免遭氧化降解，可能是由于它们结合金属离子而降低其催化活性的原因。
研究表明，将L-脱氢抗坏血酸在pH2，4，6和8的磷酸缓冲液中加热回流3小时，或在25℃保温200小时，可分离出挥发性降解产物。在已鉴定的15个产物中，有5个主要产物，即3-羟基-2-吡喃酮、2-呋喃甲酸、2-呋喃甲醛、乙酸和2-乙酰呋喃。这些化合物的生成取决于pH和温度，与氧的存在没有明显的影响。抗坏血酸易被亚硝酸迅速氧化，因此在食品中添加抗坏血酸可防止含有亚硝酸钠的产品形成亚硝胺，所添加的抗坏血酸量则取决于pH和氧的浓度。
3．分析方法测定食品中抗坏血酸的方法有很多,但缺乏专一性，兼之许多食物中有多种干扰物质，因此选择适合的方法在测定中很重要。抗坏血酸最大吸光值在245 nm波长处，但直接用分光光度法测定抗坏血酸并不常用。
现在常使用的分光光度法是用还原染料对抗坏血酸进行氧化测定，如2，6-二氯靛酚(2，6-dichlorophenolindophenol)，但该方法没有将脱氢抗坏血酸考虑在内，故测定值中仅有80％抗坏血酸的维生素活性。因此，在氧化还原过程中，常将样品加入还原剂后再进行测定，如通入H2S等。另一常用的方法是利用A的羟基与苯肼反应生成二苯腙来测定抗坏血酸含量，其缺点是食品中含有无维生素活性的羰基物质亦可发生同样反应，从而引起测定误差。
HPLC法现常被用来测定抗坏血酸的总量，而且也可同时测定L-抗坏血酸和还原型的抗坏血酸的含量。
4．加工的影响抗坏血酸具有强的还原性，因而在食品中是一种常用的抗氧化剂，被广泛作为食品添加剂使用，例如利用抗坏血酸的还原性使邻醌类化合物还原，从而有效抑制酶促褐变而作为面包中的改良剂。由于抗坏血酸具有较强的抗氧化活性，常用于保护叶酸等易被氧化的物质。此外抗坏血酸还可以清除单重态氧、还原氧和以碳为中心的自由基，以及使其它抗氧化剂（如生育酚自由基）再生。但因抗坏血酸对热、pH和氧敏感而且易溶于水，很易通过扩散或渗透过程从食品的切口或破损表面浸析出来，在热加工过程中造成损失。增大表面积、水流速和升高水温均可使食品中的抗坏血酸的损失大为增加，然而在加工食品中，造成抗坏血酸最严重损失的还是来自化学降解。
富含抗坏血酸的食品，例如水果制品，通常由于非酶褐变引起维生素的损失和颜色变化，所以在食品加工过程中，用含量来估计抗坏血酸的浓度来作为食品加工的指标是不可靠的。在罐装果汁食品中，抗坏血酸的损失是通过连续的一级反应进行的，初始反应速率依赖于氧，反应直到有效氧消耗完，然后接着进行厌氧降解。在脱水橙汁中，抗坏血酸降解是温度和水分含量的函数。关于水分活度对各种食品中的抗坏血酸稳定性的影响，可参见图8-3。
图8—3 水分活度与抗坏血酸破坏速率的关系
O橙汁晶体；●蔗糖溶液；△玉米，大豆乳混合物；□ 面粉水分活度非常低时，食品中的抗坏血酸仍可发生降解，只是反应速率非常缓慢，以致在长期贮藏过程中，也不会导致抗坏血酸过多损失。各种食品和饮料中的维生素C的稳定性数据见表8-8。
抗坏血酸的稳定性随温度降低而大大提高，但是少数研究表明，在制冷或冷冻贮藏过程中，会加速其损失。当冷冻贮藏温度高于-18℃时，最终亦会导致严重损失。
食品在加热时浸提，其抗坏血酸损失远比其他加工步骤带来的损失大，这一观察结果，亦可类推于大多数水溶性营养素。通常非柑桔类产品在加热时抗坏血酸大量损失。图8-4为豌豆经各种技术加工后抗坏血酸的损失情况。
表8-8 在23℃贮藏12个月后强化食品和饮料中抗坏血酸稳定性
产品
样本数
保留（%）
平均
范围
方便米饭
4
71
60～87
干果汁饮料混合物
3
94
91～97
可可粉
3
97
80～100
全脂奶粉（空气包装）
2
75
65～84
全脂奶粉（充气包装）
1
93
干豆粉
1
81
土豆片
3
85
73～92
冻桃
1
80
冻杏
1
80
苹果汁
5
68
58～76
红莓汁
2
81
78～83
葡萄汁
5
81
73～86
菠萝汁
2
78
74～82
番茄汁
4
80
64～93
葡萄饮料
3
76
65～94
橙饮料
5
80
75～83
碳酸饮料
3
60
54～64
浓炼乳
4
75
70～82
在23℃贮藏6个月冷藏5个月后解冷
另外一种可减少抗坏血酸损失的加工方法是用二氧化硫(SO2)进行处理,例如果品蔬菜产品经SO2处理后，可减少在加工贮藏过程中抗坏血酸的损失。此外，糖和糖醇也能保护抗坏血酸免受氧化降解，这可能是它们结合金属离子从而降低了后者的催化活性，其详细的反应机理有待进一步研究。
图8—4 豌豆加工中抗坏血酸的保存率
5．维生素C的生理功能维生素C是一种必需维生素,具有以下较强的生理功能：
⑴ 促进胶原的生物合成，有利于组织创伤的愈合，这是维生素C最被公认的生理活性。
⑵ 促进骨骼和牙齿生长，增强毛细血管壁的强度，避免骨骼和牙齿周围出现渗血现象。一旦维生素C不足或缺乏会导致骨胶原合成受阻，使得骨基质出现缺陷，骨骼钙化时钙和磷的保持能力下降，结果出现全身性骨骼结构的脆弱松散。因此，维生素C对于骨骼的钙化和健全是非常重要的。
⑶ 促进酪氨酸和色氨酸的代谢，加速蛋白质或肽类的脱氨基代谢作用。
⑷ 影响脂肪和类脂的代谢。
⑸ 改善对铁、钙和叶酸的利用。
⑹ 作为一种自由基清除剂。
⑺ 增加机体对外界环境的应激能力。
二,硫 胺 素
1．硫胺素的化学结构
硫胺素(Thiamin)又称维生素B1，它由一个嘧啶分子和一个噻唑分子通过一个亚甲基连接而成。它广泛分布于植物和动物体中，在α-酮基酸和糖类化合物的中间代谢中起着十分重要的作用。硫胺素的主要功能形式是焦磷酸硫胺素，即硫胺素焦磷酸酯，然而各种结构式的硫胺素都具有维生素B1活性。
图8-5 硫胺素的几种存在形式硫胺素因为含有一个季氮原子，故具有强碱性，在食品的整个正常pH范围内，都是完全离子化的。此外，嘧啶环上的氨基亦可因pH不同而有不同程度离解，当嘧啶环N1位上质子电离(pKa1=4.8)生成硫胺素游离碱。 硫胺素的辅酶作用是通过噻唑环上第二位上的氢解离成强的亲核基，其原因是3位上N+的正电荷有助于C2失去质子而具负电性的缘故，通过研究氚在该位置的交换表明，在室温和pH5时，硫胺素的半衰期为2min，在pH7时，交换反应进行极快，以至用常规技术亦无法跟踪。在碱性范围内，硫胺素游离碱再失去一个质子（表观pKa＝9.2）生成硫胺素假碱。
2．分析方法虽然利用微生物培养法可测定食品中硫胺素的含量，但这种方法并不常用。最常用的方法是莹光法和高效液相色谱法。硫胺素在稀酸的条件下从加热的食物匀浆中提取出来，用磷酸酯酶水解成磷酸化的硫胺素，然后用层析法去掉非硫胺素的荧光成分，再用氧化剂把它转化成高荧光的脱氢硫胺素，这种形式的硫胺素测定就非常容易了。另外，用磷酸酯酶处理后，用HPLC法测定总硫胺素的含量也是可行的。硫胺素变成脱氢硫胺素后用荧光分光光度计来检测。
3．稳定性硫胺素是所有维生素中最不稳定的一种。其稳定性易受pH、温度、离子强度、缓冲液以及其他反应物的影响，其降解反应遵循一级反应动力学机制。由于几种降解机制同时存在，因此，许多食品中硫胺素的热降解损失随温度的变化关系不遵从Arrhenius方程。典型的降解反应是在两环之间的亚甲基碳上发生亲核取代反应，因此强亲核试剂如HSO3-易导致硫胺素的破坏。硫胺素在碱性条件下发生的降解和与亚硫酸盐作用发生的降解反应是类似的(见图8-6)，两者均生成降解产物5-(β- 羟乙基)-4-甲基噻唑以及相应的嘧啶取代物(前者生成羟甲基嘧啶，后者为2-甲基-5-磺酰甲基嘧啶)。
图8-6 硫胺素降解
在低水分活度和室温时，硫胺素相当稳定。例如早餐谷物制品在水分活度为0.1～0.65和37℃以下贮存时，硫胺素的损失几乎为零。在45℃时反应加速。当aw≥0.4时，硫胺素的降解更快，在aw为0.5～0.6时，其降解达到最大值（图8-6），然后水分活度继续增加至0.85时，硫胺素降解速率下降。亚硝酸盐也能使硫胺素失活，其原因可能是NO2-与嘧啶环上的胺基发生反应。此外人们很早就注意到，在肉制品中添加NO2-后，硫胺素的失活比在缓冲液中微弱，其原因可能与蛋白质的保护作用有关。酪蛋白和可溶性淀粉也可抑制亚硫酸盐对硫胺素的破坏作用。虽然对保护效应的机理还不清楚，但其中必有其它降解机理存在。硫胺素以多种不同形式(如游离型、结合型、蛋白质磷酸复合型等)存在于食物中，其稳定性取决于各种形式的相对浓度，在一定的动物种类中各种形式之间的比例则又取决于动物死亡前的营养状态，且各种肌肉亦不同。植物采后和动物立即宰杀后的生理应力不同，也会造成含量比的差异。一些研究表明，硫胺素与硫胺素酶结合后产物的稳定性比游离态差。Farter指出，谷物中的硫胺素可因烹调和焙烤造成严重损失，肉类、蔬菜和水果中的硫胺素损失是由于加工和贮藏等操作引起的。硫胺素的稳定性受系统性质和状态的影响很大。温度是影响硫胺素稳定性的一个重要因素(参见表8-9)。
表8-9 贮存食品中硫胺素的保留率品种
贮藏12个月后的保留率(%)
35℃ 1.5℃
品种
贮藏12个月后的保留率(%)
35℃ 1.5℃
杏子绿豆利马豆
35 72
8 76
48 92
番茄汁豌豆橙汁
60 100
68 100
78 100
正如前述，硫胺素降解的速率对pH极为敏感。图8-7是高温下pH值对游离硫胺素和脱羧辅酶速率的关系。图还显示出，谷物制品中的淀粉及蛋白质在被检测的pH范围以外时的保护效应，脱羧辅酶比硫胺素更敏感，其敏感程度的差异是pH的函数，但在pH7.5以上则不存在差异。在酸性pH范围内（pH＜6），硫胺素降解较为缓慢，而在pH6～7时，硫胺素降解加快，噻唑环破坏增加，当pH为8时，体系中已不存在噻唑环，硫胺素经分解或重排生成具有肉香味的含硫化合物。这是因为硫胺素嘧啶环上的氨基和噻唑环第2位上易受到pH的强烈影响，在这两个位置上都有发生降解反应的可能。根据次级产物的性质，嘧啶环更易发生降解反应。一般在中等水分活度及中性和碱性pH时，硫胺素降解速率最快。
硫胺素像其他水溶性维生素一样，在烹调过程中会因浸出而带来损失(表8-10)；在脱水玉米、豆乳、淀粉中，硫胺素降解受水含量影响极大。例如体系中含水量低于10％时，在38℃贮藏182d，产品中的硫胺素几乎不受损失，而在水分含量增至13％ 时，则有大量损失。由于硫胺素的物理流失和化学降解的方式多，因此在食品加工贮藏过程中必须极为小心，否则会造成硫胺素的大量损失。
已发现在各种鱼和甲壳动物的提取物中硫胺素遭到破坏，过去认为是具有酶活性的抗硫胺素作用所致，然而最近从鲤鱼内脏得到的抗硫胺素因子是对热稳定的，并证实它不是酶，而是一种氯化血红素或类似的化合物。同样证明在鲔鱼、猪肉以及牛肉中的各种血红素蛋白亦都具有抗硫胺素的活性。
图8-7 硫胺素和脱羧辅酶降解速率与pH的关系
图8-8 早餐谷物食品在45℃贮藏条件下硫胺素的降解速率与体系中水分活度的关系
4．加工的影响
表8-10各类食品经加工处理后硫胺素的保留率产品
加工处理
保留率（%）
谷物土豆
大豆粉碎的土豆蔬菜冷冻、油炸鱼
挤压烹调水中浸泡16h后油炸，在亚硫酸溶液浸泡16h后油炸
用水浸泡后在水中或碳酸盐中煮沸各种热处理各种热处理各种热处理
48～90
55～60
19～24
23～52
82～97
80～95
77～100
硫胺素热分解可形成具有特殊气味的物质，它可在烹调的食物中产生“肉”的香味。在图8-5中总结了可能发生的某些反应，并说明在释放噻唑环后，再进一步降解产生元素硫、硫化氢、呋喃、噻吩和二氢硫酚等产物，虽然对反应生成这些物质的机理不清楚，但在反应中必然会有噻唑环的严重降解和重排。
5．硫胺素的生理功能：
食品中的硫胺素几乎能被人体完全吸收和利用，可参与糖代谢，能量代谢，并具有维持神经系统和消化系统正常功能，以及促进发育的作用。
三 核 黄 素
1．结构
核黄素(Riboflavin)即维生素B2，其结构式为：
图8-9 核黄素的化学结构式核黄素是一大类具有生物活性的化合物，其母体化合物是7，8-二甲基-10（1′-核糖醇）异咯嗪，所有衍生物均含有黄素，5′位上的核糖醇磷酸化后生成黄素单核苷酸（Flavin Mononucleotide,FMN）再加上5′-腺苷单磷酸即使黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide,FAD)，在许多与黄素有关的酶中，FMN和FAD作为辅酶催化各种氧化还原反应。FMN和FAD在食品或消化系统中，由于磷酸酶的作用很容易转变成核黄素。生物材料中存在少量的通过共价键与酶结合的FAD，它能在8α位上与氨基酸残基结合。核黄素与其它黄素的化学性质相当复杂，每种黄素能以多种离子状态存在于氧化体系中,核黄素在氧化还原体系中常以游离维生素、辅酶等三种状态存在并发生氧化还原循环。它们包括了其母体即全氧化型的黄色的醌，在不同pH下的红色的或兰色的黄素半醌以及无色的氢醌。这些型式的变化都包含了一个电子的得失或获得一个H+。黄素半醌N5的pKa=8.4而黄素氢醌N1的pKa=6.2。
图8－10 核黄素的氧化还原牛乳和人乳中的FAD和游离的核黄素含量占总核黄素的80%以上（表8－11）。核黄素中的10-羟乙基黄素是哺乳类黄素激酶的抑制剂，能抑制组织吸收核黄素。光黄素是核黄素的拮抗剂，这几种黄素衍生物含量很少。在食品中FAD、FMN等活性物质是和拮抗物共存，所以只有能准确测定核黄素的各种形式才能判断食品的营养价值。 一些形式的核黄素存在于食品中，但它们在营养学上的重要性还没有被人们充分认识。
表8-11核黄素类化合物在新鲜人乳和牛乳中的分布化合物
人乳(%)
牛乳(%)
FAD
38-62
23-44
核黄素
31-51
35-59
10-羟乙基黄素
2-10
11-19
10-甲酰基黄素
痕量
痕量
7α-羟基核黄素
痕量-0.4
0.1-0.7
8α-羟基核黄素
痕量
痕量-0.4
2．稳定性核黄素具有热稳定性，不受空气中氧的影响，在酸性溶液中稳定，但在碱性溶液中不稳定，光照射容易分解。若在碱性溶液中辐射，可导致核糖醇部分的光化学裂解生成非活性的光黄素及一系列自由基(图8-11)，在酸性或中性溶液中辐射，可形成具有蓝色荧光的光色素和不等量的光黄素。光黄素是一种比核黄素更强的氧化剂，它能加速其它维生素的破坏，特别是抗坏血酸的破坏。在出售的瓶装牛乳中，由于上述反应，会造成营养价的严重损失，并产生不适宜的味道，称为“日光臭味”。如果用不透明的容器装牛乳，就可避免这种反应的出现。
在大多数加工或烹调过程中，食品中的核黄素是稳定的。一些报道研究了各种加热方法对六种新鲜或冷冻食品中核黄素稳定性的影响，结果表明核黄素的保留率常大于90％，其中豌豆或利马豆无论是经过热烫或其他加工，核黄素保留率仍在70％以上。从检测通心粉中的核黄素的光化学降解可知，它是温度、光和水活性的函数。核黄素分解反应分为两个阶段：第一阶段是在光辐照表面的迅速破坏阶段，第二阶段为一级反应，系慢速阶段。光的强度是决定整个反应速率的因素。
图8-11 核黄素的光化学变化
3．分析方法
核黄素在440～500nm波长下产生黄绿色荧光，在稀溶液中荧光强度与核黄素浓度成正比，故可采用荧光法进行检测。也可用于酪乳酸杆菌(Lactobacillus casei)微生物法或HPLC法进行测定。
四、烟 酸
1．结构
烟酸（Niacin）为B族维生素成员之一，包括尼克酸(即吡啶β-羧酸)和尼克酰胺，或称为烟酸和烟酰胺，通称为烟酸，结构式如下：
图8-12 烟酸、烟酰胺和辅酶的结构
它们的天然形式均有同样的烟酸活性。在生物体内，烟酰胺是带氢的辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)及烟酰胺腺嘌呤二核苷酯磷酸(NADP)的组分。烟酸是一种最稳定的维生素，对热、光、空气和碱都不敏感，在食品加工中也无热损失。烟酸广泛存在于蔬菜和动物来源的食品中，高蛋白膳食者对烟酸的需求量减少，这是由于色氨酸可代谢为烟酰胺。在咖啡中存在相当多的葫芦巴碱（Trigonelline）或N-甲基烟酸，而在绿叶蔬菜和豆类中含量较少。当咖啡在温和的碱性条件下焙炒，葫芦巴碱脱甲基生成烟酸，结果使咖啡中的烟酸含量和活性提高30倍。烟酸在食品烹调的过程中，通过转化反应，也可改变食品中烟酸的含量。例如玉米在沸水中加热，可从NAD和NADP中释放出游离的烟酸胺。NADP和NADPH的还原态，在胃液中不稳定，所以生物利用率很低 。食品中键合态的烟酸含量直接影响烟酸的生物利用率。
2．分析方法
测定烟酸需首先用硫酸水解食品，使烟酸从结合状态(作为辅酶)中释放出来，烟酸的吡啶环在溴化氰的作用下开环，形成的裂解产物与磺胺酸结合生成黄色染料，其最大吸收波长为470nm，其吸光度与浓度成正比，可用来测定含量。如果采用碱萃取，由于释放出游离烟酸而使测定结果远高于生物测定法。此外亦可采用HPLC法测定食品中游离的或结合的烟酸或烟酰胺。
3．稳定性烟酸在食品中是最稳定的维生素。但蔬菜经非化学处理，例如修整和淋洗，也会产生与其他水溶性维生素同样的损失。猪肉和牛肉在贮藏过程中产生的损失是由生物化学反应引起的，而烤肉则不会带来损失，不过烤出的液滴中含有肉中烟酸总量的26％，乳类加工中似乎没有损失。
五、维生素B6
1．结构
维生素B6指的是在性质上紧密相关，具有潜在维生素B6活性的三种天然存在的化合物，吡哆醛(pyridoxal)[I]，吡哆素或称吡哆醇(pyridoxine或pyridoxol)[Ⅱ]以及吡哆胺(pyridoxamine)[Ⅱ]，其结构式为：
吡
图8-13 维生素B6及其复合物的结构这些化合物以磷酸盐形式广泛分布于动植物中。磷酸吡哆醛是许多氨基酸转移酶中的一种辅酶(例如转胺基，消旋和脱羧反应中酶的辅酶)。它作为辅酶的作用是通过与氨基酸发生羰-氨缩合反应，生成席夫氏碱，再与金属离子螯合形成一个稳定的物质，结构如下：
大多数情况下，水果、蔬菜和谷类中的维生素B6是以吡哆醇-5′-β-D-葡萄糖苷的形式存在，约占维生素B6的5%～75%，只有被β-葡萄糖苷酶水解后才具有营养活性。维生素B6显示复杂的离子化作用，存在几种离子状态（表8－12）。由于吡啶鎓（C5H5NH+）N的碱性(pKa≈8)和3-OH的酸性（pKa≈3.5～5.0），因此在pH中性时，维生素B6的吡啶体系主要以两性离子的形式存在。维生素B6的净电荷明显依赖于pH。此外吡哆胺和5′-磷酸-吡哆胺的氨基（pKa≈10.5），以及5′-磷酸-吡哆醛及5′-磷酸-吡哆胺（pKa＜2.5，～6和～12）的5′-磷酸酯也同样分别对维生素B6的这些形式的电荷有贡献。
表8－12 维生素B6化合物的pKa
pKa
PN
PL
PM
PLP
PMP
3-OH
5.00
4.20～4.23
3.31～3.54
4.14
3.25～3.69
吡啶鎓N
8.96～8.97
8.66～8.70
7.90～8.21
8.69
8.61
4′-氨基
10.4～10.63
ND
5′-磷酸酯
pKa1
<2.5
<2.5
pKa2
6.20
5.76
pKa3
ND
ND
注:PN,吡啶醇;PL,吡啶醛;PM,吡啶胺;PLP,5′-磷酸-吡哆醛;PMP,5′-磷酸-吡哆胺;ND,未检测
2．稳定性维生素B6的三种形式都具有热稳定性，遇碱则分解。其中吡哆醛最为稳定，通常用来强化食品，维生素B6在氧存在下，经紫外光照射后即转变为无生物活性的4- 吡哆酸。
吡哆醛溶液与谷氨酸一起加热生成吡哆胺和α-酮戊二酸的混合物。氨基酸、吡哆醛和多价金属离子，经100℃加热得到同样的产物。半胱氨酸和吡哆醛在与灭菌相同的条件下反应，其反应产物对鼠不显示维生素B6活性，但对卡尔斯酵母菌(Sacharomyces carlsbergensis)尚有近20％活性，其反应产物为双-4-吡哆二硫化物，它可能是通过噻唑环形成的。
图8-14 吡哆醛及与蛋白质反应产物吡哆醛与5′-磷酸-吡哆醛同蛋白质的巯基直接反应的历程，见图8-14与上述的反应相似。维生素B6与氨基酸、肽或蛋白质的氨基相互作用生成席夫碱可认为是吡哆醛和吡哆胺之间的相互转换的结果。由于5′-磷酸-吡哆醛由于磷酸根能够阻止分子内半缩醛的生成，使之羰基仍保持反应的形式，因此，5′-磷酸-吡哆醛生成的席夫碱比吡哆醛相对较多，当在酸性条件下维生素B6席夫碱会进一步解离，例如在胃液环境中维生素B6将完全解离。此外，这些席夫碱还可以进一步重排生成多种环状化合物。B6与半胱氨酸的这种反应对于食品在热加工时维生素B6的稳定性是重要的。
图8-15 吡哆醛、吡哆胺的席夫碱结构的形成
3．分析方法
食品中维生素B6含量的测定通常是采用酸水解样品提取维生素B6，然后用卡尔斯伯酵母作试验进行微生物学检测。亦可用HPLC法进行测定。
4．加工的影响虽然可以从食品中得到维生素B6三种形式的纯化合物，但是尚未对食品在加工过程中维生素B6的破坏进行过系统的研究，但可以肯定，食品在加热、浓缩、脱水等加工过程中，维生素B6的三种形式的化合物及其含量必然会发生变化。
从上面提到的化学反应，便不难发现维生素B6的各种形式在新鲜和加工的食品中的分布是完全不同的。通过对Polansky和Toepfer的某些数据的换算，就能清楚地知道蛋在脱水过程中，吡哆醛含量增加而吡哆胺减少。牛乳中的天然维生素B6主要是吡哆醛，在乳粉中也同样如此。不过鲜乳中有较多的吡哆胺，淡炼乳中，则吡哆胺是主要形式，说明牛乳在加工过程中三种形式的维生素B6的稳定性是有差别的。 乳制品在热加工中，维生素B6的稳定性已引起人们极大的关注。据研究，液体牛乳和配制牛乳在灭菌后，维生素B6活性比加工前减少一半，且在贮藏的7～10d内仍继续下降。但添加吡哆醇的牛乳，在灭菌过程中则是是稳定的。此外用鼠做动物饲养实验，其维生素B6活性降低，甚至比用卡尔斯的酵母实验更显著。 用高温短时巴氏消毒(HTST，92℃，2～3s)和煮沸2～3min消毒，维生素B6仅损失30％，但瓶装牛乳在119～120℃消毒13～15min，则维生素B6减少84％，当用143℃蒸汽通过预热牛乳3～4s进行超高温短时灭菌，维生素B6的损失几乎可以忽略。牛乳加热使维生素B6失去活性，其原因可能是维生素B6以牛乳蛋白中释放出来的半胱氨酸反应所致。维生素B6能发生光降解，光的波长和反应速率之间的关系尚不清楚，可能是自由基诱发氧化使PL和PM转变为无营养的4-吡哆酸。由于起始反应无须氧参与，因此维生素B6的光降解速率与有无氧存在无关，但强烈的依赖于温度，而水活性影响较少（表8-13）。
表8－13温度、水活性及光强度对脱水模拟体系食品中的吡哆醛降解的影响光强（流明/m2）
水活性 aw
温度/℃
K/d-1
t1/2/d
4300
0.32
5
0.092
7.4
28
0.1085
6.4
37
0.2144
3.2
55
0.3284
2.1
0.44
5
0.0880
7.9
28
0.1044
6.6
55
0.3453
2.0
2150
27
0.0675
10.3
对许多加工食品中的维生素B6的损失情况进行分析表明，罐装蔬菜维生素B6的损失约60%～80%，冷藏损失约40%～60%，海产品和肉制品在罐装过程中，约有45％的维生素B6损失，水果和水果汁冷藏时，损失约15％，罐装时损失38％，谷物加工成各类谷物产品时，维生素B6损失为50％～95％，碎肉损失为50％～75％。
在食品加工过程中，一般食品中的维生素B6都较易损失。1952年曾对一些小儿麻痹症患者进行调查，发现有50%～60%是由于液态或固态的加工食品中维生素B6成分的损失所引起的。液体食品中乳蛋白的存在易导致吡哆醛的不稳定，当用维生素B6的稳定形式—吡哆醇进行强化后，这一问题就迎刃而解了。
不同形式的维生素B6在模拟体系和食品中，热破坏时的动力学和活化能是不同的，在非光化学降解中，维生素B6的形式、温度、溶液pH和其他反应物（例如蛋白质、氨基酸和还原糖）的存在均影响维生素B6的降解速率，在低pH条件下（如0.01mol/LHCl）所有形式的维生素B6都是稳定的。当在pH＞7时，PM损失较大；而pH为5时PL损失较大（表8－14）。在110～145℃温度范围内测定了吡哆醛[I]、吡哆醇[Ⅱ]和吡哆胺[Ⅲ]在0.1mol/L磷酸缓冲液(pH7.2)中的降解速率，表明Ⅲ、Ⅱ、I降解反应动力学反应分别为假1级、1.5级和2级，活化能也随维生素B6的不同形式而在167.2～355.3kJ/mol范围内变化。用花菜菜汤进行类似试验，结果明显低于模拟体系的活化能(122.86kJ/mol)，动力学为假1级的非线性反应。
表 8- 14 pH和温度对水溶液中吡哆醛和吡哆胺降解的影响化合物
温度/℃
PH
K/d-1
t1/2/d
吡哆醛
40
4
0.0002
3466
5
0.0017
407
6
0.0011
630
7
0.0009
770
60
4
0.0011
630
5
0.0225
31
6
0.0047
147
7
0.0044
157
吡哆胺
40
4
0.0017
467
5
0.0024
289
6
0.0063
110
7
0.0042
165
60
4
0.0021
330
5
0.0044
157
6
0.0110
63
7
0.0108
64
注:在pH4～7和40℃或60℃,140d内吡哆醇无明显损失; K,一级反应常数;t1/2/d,降解50%所需时间;
膳食中所有维生素B6的形式都能被有效吸收和发挥维生素B6的功能，即便是转变为席夫碱的维生素B6在胃酸条件下仍能降解和显示高生物利用率。
六、叶 酸 酯结构
叶酸酯(folate)类似于蝶酰-L-谷氨酸的结构和营养活性，其结构式见图
8-16。叶酸酯的结构中3N和C4原子之间处于共振稳定结构。
图8—16 叶酸酯的结构
叶酸是由α-氨基-4-羟基喋啶与对氨基苯甲酸相连接，再以-NH-CO-键与谷氨酸连接组成。在生物体系中，叶酸酯以各种不同的形式存在，只有谷氨酸部分为L-构型和C6为6S构型的叶酸酯和四氢叶酸酯才具有维生素活性。喋啶环可被还原生成二氢或四氢叶酸酯，在N5和N10位上有五种不同的一碳取代物，谷氨酸残基能伸展为不同长度的多-γ-谷氨酰侧链。假如多谷氨酰侧链不超过6个残基，那么叶酸化合物的理论数可能超过140种，但目前还只分离和鉴定出30种。
叶酸是一种暗黄色物质，不易溶解于水，其钠盐溶解度较大。天然存在的量很少，从人体对叶酸的需要量看，叶酸是维生素中需求量最大的维生素。从肝脏和酵母分离出的叶酸主要是含有三个谷氨酸或七个谷氨酸的衍生物，食品中80%的叶酸以聚谷氨酰叶酸的形式存在，具有维生素活性的只有叶酸及其叶酸的多谷氨酸酯衍生物。叶酸的活性形式是四氢叶酸(THFA)，叶酸还原酶将叶酸还原为四氢叶酸时需在喋啶核的5，6，7，8位加上4个氢原子。四氢叶酸的主要作用是进行单碳残基的转移，这些单碳残基可能是甲酰基、亚胺甲基、亚甲基或甲基等。单碳残基参入到四氢叶酸的N5或N10位置。叶酸以这种方式在嘌呤与嘧啶的合成、氨基酸的相互转换作用以及某些甲基化的反应中起着重要作用。如四氢叶酸携带的甲酰基团可用于下列各种反应：嘌啶2，5和8位碳的合成； 甘氨酸转变为丝氨酸；高半胱氨酸甲基化形成蛋氨酸；由尿嘧啶合成胸腺嘧啶；由乙醇胺合成胆碱，尼克酰胺甲基化形成N′-甲基尼克酰胺苷。
2．稳定性
叶酸在厌氧条件下对碱稳定。但在有氧条件下,遇碱会发生水解，水解后的侧链生成氨基苯甲酸-谷氨酸(PABG)和喋啶-6-羧酸，而在酸性条件下水解则得到6-甲基喋啶。叶酸酯在碱性条件下隔绝空气水解，可生成叶酸和谷氨酸。叶酸溶液暴露在日光下亦会发生水解形成PABG和喋呤-6-羧醛，此6-羧醛经辐射后转变为6-羧酸，然后脱羧生成喋呤，核黄素和黄素单核苷酸(FMN)可催化这些反应。
食品加工中使用的亚硝酸盐和亚硫酸能与食品中的叶酸发生相互作用，现已引起人们的重视。因亚硫酸能导致叶酸侧链解离，生成还原型喋呤-6-羧醛和PABG。在低温条件下亚硝酸与盐酸反应生成N10亚硝基衍生物，在高温条件下，2-氨基亦可参与反应，生成2-羧基-10-硝基衍生物。近来还证明，N10-亚硝基叶酸对鼠类有弱的致癌作用，可见对于人体是有害的。
二氢叶酸(FH2)和四氢叶酸(FH4)在空气中容易氧化，对pH也很敏感，在pH 8～12和pH1～2最稳定。在中性溶液中，FH4与FH2同叶酸一样迅速氧化为PABG、喋啶、黄嘌呤、6-甲基喋呤和其他与喋呤有关的化合物。在酸性条件下，能够观察到PABG的定量解离。当FH4的N5位被取代后，由于空间位阻稳定性提高，在硫醇、半胱氨酸或抗坏血酸盐存在时，将明显降低空气对FH4的氧化作用。FH2比FH4稍稳定，但仍能发生氧化降解，FH4在酸性溶液中比在碱性溶液中氧化更快，其氧化产物为PABG和7，8上二氢喋呤-6-羧醛。硫醇和抗坏血盐酸这类还原剂能使FH2和FH4的氧化减缓。
四氢叶酸的几种衍生物稳定性顺序为：5-甲酰基四氢叶酸＞5-甲基-四氢叶酸＞10-甲基-四氢叶酸＞四氢叶酸。叶酸的稳定性仅取决于喋啶环，而与聚合酰胺的链长无关。食品中叶酸酯主要以5-甲基-四氢叶酸形式存在，经氧化降解转变为如图8-17的两种产物，其中5-甲基-二氢叶酸易被巯基和抗坏血酸还原为5-甲酰基四氢叶酸，因此仍具有维生素活性。
图8－17 5－甲基－四氢叶酸酯的氧化降解曾应用许多分析方法都未能完全分离叶酸酯降解所形成的复杂产物，Reed和Archer则成功地采用HPLC法研究了FH4复杂的化学氧化反应，证明在pH4.7和10的水溶液中FH4被空气氧化的主要产物是对—氨基苯基谷氨酸酯，由此可见，氧化主要导致四氢叶酸酯的裂解，在pH4时含喋呤环的产物主要为蝶呤，pH 7和10时为6－甲酰喋呤。仅测定了FH2在pHl0时的反应。FH2和喋呤的形成历程见图8-18。
5，10-亚甲基-FH4不如-FH4易被氧化，然而在高pH和有胺或氨盐存在时，
稳定性降低。10-甲酰-FH4同FH4一样对氧和氧化剂都不稳定。此外，5-甲酰-FH4在中性或弱碱性溶液中时对氧稳定，而在弱酸性溶液中，与碘或二铬酸盐缓慢反应；5-甲酰-FH4在碱性溶液中非常稳定，不易水解，而10-甲酰-FH，遇碱则迅速失去甲酰基，在酸性条件下，5-甲酰和10-甲酰FH4都脱去一分子水形成5，10-亚甲基-FH4。在有空气或氧化剂存在时，5-甲基FH4在碱性范围内容易氧化，磷酸盐缓冲液和Cu2+可加速氧化降解，其中后者可使氧化速率提高20倍。氧化生成产物可能为5，6-二氢5-甲基叶酸酯，这种产物只有还原型方具有维生素活性。
图8-18由四氢叶酸酯形成蝶呤和7，8-二氢叶酸酯
3．分布及分析方法
只是在最近完成了多谷氨酸酯衍生物的合成后，测定自然界叶酸衍生物的分布才成为可能。Stockstad和他的研究小组证明，卷心菜中90％以上叶酸酯是以含有5个氨基酸残基的多谷氨酸酯的形式存在的，主要为5-甲基衍生物。他们还指出大豆中的叶酸酯主要含52％单谷氨酸酯和16％的双谷氨酸酯，其次是戊谷氨酸酯。大豆中叶酸酯的总活性有65％～70％来自5-甲酰-FH4；牛乳中的叶酸酯含有大约60％的单谷氨酸酯，其余部分为2～7谷氨酸酯，在这种情况中，叶酸酯总活性的90％～95％来自5-甲基-FH4。某些动物性食品如肝脏中的叶酸有35％左右10-甲酸基-四氢叶酸。
研究还表明，叶酸酯在肠道中的吸收率与r-谷酰基侧链的长度成反比。因此，在确定一种食品能否作为这类维生素的来源之前，必须估测链的长度。可惜现在对大多数食品还不能提供这方面的资料。
食品中叶酸的含量测定，通常采用微生物学方法进行。测定前，先将食品中的多谷氨酸酯衍生物在结合酶的作用下裂解生成游离叶酸。此外，也可用HPLC法测定叶酸酯。
4．营养稳定性
最近研究了某些食品的一谷酰基型四氢叶酸酯衍生物在溶液中的营养稳定性，并同叶酸进行比较。可通过叶酸溶液促进干酪乳酸杆菌生长的能力来测定它的营养稳定性。当四氨叶酸中含有1％抗坏血酸时，在121℃保温15min，仍能保持67％的活性；若抗坏血酸浓度降低到0.05％进行上述同样处理，活性全部损失；抗坏血酸浓度为0.20％时，在相同条件下，5-甲基FH4能完全得到保护；若不存在抗坏血酸时，5-甲基FH4在碱性条件下，也具有最大的营养稳定性；室温下，在pH9的0.1mol／L三羟甲基氨基甲烷(TRIS)缓冲溶液中，其半衰期为330h，而在pHl.0的0.1mol／L HCl溶液中则为25h。已证明最稳定的还原型叶酸是5-甲酰基-FH4，在室温下pH4～10范围内，半衰期约为30d；10-甲酰基-FH4，在pH7．0时，半衰期为100h左右，比预期的更稳定。这可能是由于转变为更稳定的氧化产物10-甲酰叶酸所致。通过对体系进行含量测定，证明10-甲酰叶酸具有营养活性。叶酸本身是相当稳定的，在室温下，pH7.0的0.05mol／L柠檬酸盐-磷酸盐缓冲溶液中，叶酸的半衰期超过700h。然而，叶酸在没有柠檬酸盐存在时，很不稳定，在上述同样条件下，半衰期仅有48h。另外还有研究表明，固体状态的纯叶酸在正常条件下贮存，每年分解率为1％ (25℃，相对湿度75％)。
叶酸酯经蝶酰聚谷氨酸酶水解除去聚谷氨酰后，在肠内可被吸收。食品中天然叶酸酯的生物利用率平均约为50%左右或更低。而聚谷氨酰基叶酸酯的生物利用率更低，只有单谷氨酰基叶酸酯的70%。其生物利用率低的原因是：①叶酸酯是通过非共价键与食品基质结合。②四氢叶酸酯在胃液中易降解。③肠内缺乏专一转化酶，使叶酸酯中的聚谷氨酰基转化为容易吸收的单谷氨酰基叶酸酯，或许该酶活性被食品中其他组分抑制。如果水果、蔬菜和肉类经过均质、冷冻（解冻）或其他处理，由于细胞破损，水解酶被释放从而提高了聚谷氨酰基叶酸酯的生物利用率。
5．加工的影响
食品在加工过程中叶酸衍生物损失的程度和机理仍不清楚。通过研究加工和贮藏的牛乳表明，初期的失活过程是氧化作用，叶酸的破坏量与抗坏血酸平行进行的，添加抗坏血酸能增加叶酸的稳定性。牛乳在经过脱氧作用后能增加这两种维生素的稳定性，但是在15～19℃贮藏14d，二者皆明显降低。
牛乳经高温短时巴氏消毒(92℃，2～3s)总叶酸酯大约有12％损失；经煮沸2～3min消毒)其损失为17％；瓶装牛乳消毒(在119～120℃，13~15min)产生的损失很大，约39％,牛乳经预热后再通入143℃蒸汽3～4s进行高温短时消毒,总叶酸酯量只有7％损失。
小鸡豆(garbanzo)在加工过程中，叶酸会受到不同程度的损失。如冲洗、浸泡，叶酸损失约5％，经水煮热烫的豆中，叶酸会随杀青时间的增加而保留值下降，在热烫时间由5min增至20min时，总叶酸含量则从75％下降到54％。如采用蒸汽热烫则在某种程度上可提高叶酸的保留值。小鸡豆中所含的叶酸对热加工相当稳定，在118℃加热灭菌30min，游离叶酸和总叶酸酯其保留值分别为干豆中原始量的60％和70％，即使在118℃将加工时间从30min增加到53min，其中叶酸含量减少亦不明显。
以鸡肝为例，测定其在贮藏和加工过程中叶酸多谷氨酸酯的损失，发现在未受损伤的组织中，叶酸多谷氨酸酯在4℃受内源结合酶作用48h，仅发生轻微降解。若完全降解则需要120h，而均质组织则在保存48h后，几乎完全降解成叶酸单谷氨酸酯和少量的二谷氨酸酯．如果肝脏在贮藏或者其它操作前加热到100℃以上，则由于氧合酶的失活，使多谷氨酸酯变得稳定。
对鸡肉采用生物学、微生物学和HPLC等分析方法测定液相模拟体系经热加工时对叶酸生物利用率的影响，发现这些方法测得的结果基本上是一致的。熟牛肝中，叶酸得到完全利用，而在熟卷心菜中，则仅有60％得到利用。
各种食品在加工过程中，叶酸损失情况可参见表8-15。
表8—15 各种加工引起食品中叶酸的损失情况食品
加工方法
叶酸活性的损失（%）
蛋类肝大西洋庸鲽花菜胡萝卜肉类葡萄柚汁番茄汁
玉米面粉肉类或菜类
油炸、煮炒烹调烹调煮煮
γ辐射罐装或贮藏罐装暗处贮藏（1年)
光照贮藏（1年）
精制碾磨罐装和贮藏(3年)
罐装和贮藏(5年)
18-24
无
46
69
79
无可忽略
50
7
30
66
20-80
可忽略可忽略
七、维生素B12
1．结构
维生素B12由几种密切相关的具有相似活性的化合物组成，这些化合物都含有钴，故又称为钴胺素，维生素B12为红色结晶状物质，是化学结构最复杂的维生素。它有两个特征组分，一是类似核苷酸的部分，它是5，6-二甲苯并咪唑通过α-糖苷键与D-核糖连接，核糖3′位置上有一个磷酸酯基；二是中心环的部分，它是一个类似卟啉的咕啉环系统，由一个钴原子与咕啉环中四个内氮原子配位。在通常离析出的形式中，二价钴原子的第6个配位位置被氰化物取代，生成氰钴胺素。与钴相连的氰基，被一个羟基取代,产生羟钴胺素，它是自然界中一种普遍存在的维生素B12形式，这个氰基也可被一个亚硝基取代，从而产生亚硝钴胺素，它存在于某些细菌中。在活性辅酶中，第六个配位位置通过亚甲基与5-脱氧腺苷连接。结构式见图8-19。


图8-19 维生素B12结构维生素B12主要存在于动物组织中，它是维生素中唯一只能由微生物合成的维生素。许多酶的作用需要维生素B12辅酶。如甲基丙二酰变位酶和二醇脱水酶，以及同叶酸一起参与由高半胱氨酸形成甲硫氨酸。维生素B12的合成产品是氰钴胺素，为红色结晶，非常稳定，可用与食品氧化和营养补充。
图8－16食品中维生素B12的分布含量
食品
维生素B12含量(μg/100g湿重
丰富
器官(肝、肾、心脏)、贝类(蛤、蝝)
>10
中等以上
脱脂浓缩乳、某些鱼、蟹、蛋黄
3～10
中等
肌肉、鱼、乳酪
1～3
其他
液体乳、赛达乳酪、农家乳酪
<1
2．稳定性氰钴胺素水溶液在室温并且不暴露在可见光或紫外光下是稳定的，最适宜pH范围是4～6，在此范围内，即使高压加热，也仅有少量损失。在碱性溶液中加热，能定量地破坏维生素B12。还原剂如低浓度的巯基化合物，能防止维生素B12破坏，但用量较多以后，则又起破坏作用。抗坏血酸或亚硫酸盐也能破坏维生素B12。在溶液中，硫胺素与尼克酸的结合可缓慢地破坏维生素B12；铁与来自硫胺素中具有破坏作用的硫化氢接合，可以保护维生素B12，三价铁盐对维生素B12有稳定作用,而低价铁盐则导致维生素B12的迅速破坏。
3．分析方法
维生素B12的含量，通常是通过赖氏乳杆菌(Lactobacillus leichmannii)用微生物学的方法进行检测。各种形态的维生素B12均可用色谱法分离得到，HPLC法分析食物中的维生素B12并不是很好，因为浓度太低。一般来说测定维生素B12首先将食物样品在缓冲液中匀浆，然后在60℃的条件下，用木瓜蛋白酶和氰化物的盐类使之反应，这样使维生素B12去掉蛋白质而转变成氰钴胺素从而得到更多的稳定的兰色氰钴胺素，这样就可以测定其含量。
4．加工的影响
除在碱性溶液中蒸煮外，维生素B12在其他情况下，几乎都不会遭到破坏，肝脏在100℃煮沸5min维生素B12损失8％，肉在170℃焙烤45min则损失30％。用普通炉加热冷冻方便食品，如鱼、油炸鸡、火鸡和牛肉，其维生素B12可保留79％～100％。牛乳在加工的各种热处理过程中，维生素B12的稳定性见表8-17。
表8-17牛乳在热处理过程中维生素B12的损失处理
损失(%)
处理
损失(%)
巴氏消毒2～3s
7
在143℃灭菌3～4s(通入蒸汽)
10
煮沸2～5min
30
蒸发
70-90
在120℃灭菌13min
77
喷雾干燥
20-30
八、泛 酸
1．结构、稳定性和分布泛酸(Pantothenic Acid)又称维生素B5是人和动物所必需的，是辅酶A(CoA)的重要组成部分，在人体代谢中起重要作用。泛酸是泛解酸和β丙氨酸组成的，学名称为D(+)-N-(2，4-二羟基-3，3-二甲基-丁酰)-β丙氨酸，其结构式如下：
图8-20 泛酸不同形式结构图泛酸在pH4～7的范围内稳定，在酸和碱的溶液中水解，在碱性溶液中水解生成β-丙氨酸和泛解酸，在酸性溶液中水解成泛解酸的γ-内酯。泛酸广泛分布于生物体中，主要作为辅酶A的组成部分,参与许多代谢反应，因此是所有生物体的必需营养素。食品中泛酸的分布见表8－18。
表8-18一些食品中的泛酸含量食品
泛酸含量(mg/g)
干啤酒酵母
200
牛肝
76
蛋黄
63
肾
35
小麦麸皮
30
荞麦
26
菠菜
26
烤花生
25
全乳
24
白面包
5
2．分析方法泛酸在天然物质中含量很低，通常用微生物学的方法进行检测。常用Saccharomyces carlsbergensis(检测10ng)和植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)(检测1ng)作为实验生物体。
3．加工的影响
曾对507种食品中泛酸的含量进行分析，在肉罐头中泛酸损失20%～35%；蔬菜食品中损失46%～78%；冷冻食品中也有较大的损失，其中肉制品损失21%～70%；蔬菜食品损失37%～57％；水果和水果汁经冷冻和罐装，泛酸损失分别为7％和50%，稻谷在加工成各种食品时，泛酸损失37%～74％，而肉加工成碎肉产品时，则损失50%～70%。牛乳经巴氏消毒和灭菌，泛酸损失一般低于10%，干乳酪比鲜牛乳中泛酸损失要低。泛酸热降解遵循一级动力学机制，在pH6～4范围，速率常数随pH降低而增加。膳食中泛酸在人体内的生物利用率约为51%，然而还没有证据显示这会导致严重的营养问题。
九、生物素
1．结构和分布生物素（Biotin）和硫胺素一样，是一种含硫维生素。是由脲和噻吩两个五元环组成。它的结构中含有三个不对称中心，另外两个环可以为顺式或反式稠环，在8个可能的立体结构中，只有顺式稠环D-生物素具有维生素活性。生物素和生物胞素（Biocytin）。是两种天然维生素（图8-21），其结构式如下：
图8-21 生物素和生物胞素结构生物素广泛分布于植物和动物体中(表8-19)，很多动物包括人体在内都需要生物素维持健康。在糖类化合物、脂肪和蛋白质代谢中具有重要的作用。主要功能是作为羧基化反应和羧基转移反应中的辅酶，以及在脱氨作用中起辅酶的作用。以生物素为辅酶的酶是用赖氨酸残基的ε-氨基与生物素的羧基通过酰胺键连接的。
图8-19一些食品中生物素的含量食品
生物素含量(μg/g)
食品
生物素含量(μg/g)
苹果
0.9
蘑菇
16.0
豆
3.0
柑橘
2.0
牛肉
2.6
花生
30.0
牛肝
96.0
马铃薯
0.6
乳酪
1.8～8.0
菠菜
7.0
莴苣
3.0
番茄
1.0
牛乳
1.0～4.0
小麦
5.0
2．分析方法
通常采用波依法霉样真菌(Allescheria boydii)(检测0.5ng)或阿拉伯糖乳酸杆菌(lactobacillus arabinosus)(检测0.05ng)以微生物学的方法对生物素进行定量分析。HPLC法测定生物素的研究也正在进行，但方法都不是很成熟。微生物法和配基测定法适用于游离的生物素，但操作时须十分小心，因为在酸解时生物素容易降解。
3．稳定性纯生物素对热、光、空气非常稳定。在微碱性或微酸性（pH5～8）溶液中也相当稳定，即使在pH9左右的碱性溶液中，生物素也是稳定的，极端pH条件下生物素环上的酰氨键可能发生水解。在醋酸溶液中用高锰酸盐或过氧化氢氧化生物素生成砜，遇硝酸则破坏其生物活性，形成亚硝基脲衍生物，遇甲醛也能使其失活。
在谷粒的碾磨过程中生物素有较多的损失，因此完整的谷粒是这种维生素的良好来源，而精制的谷粒产品则损失多。生物素对热稳定，在食品的制备过程中损失不大。
在生蛋清中发现一种蛋白质，即抗生物素蛋白，它能与生物素牢固结合形成抗生物素的复合物，它使生物素无法被生物体利用。但抗生物素蛋白遇热易变性，失去与生物素结合的能力，因此，鸡蛋烹调时，抗生物素蛋白活性受到破坏。人体肠道内的细菌可合成相当量的生物素，故人体一般不缺乏生物素。
脂溶性维生素维生素A
1.结构及化学性质具有维生素A活性的物质包括一系列20个碳和40个碳的不饱和碳氢化合物。它们广泛分布于动植物体中，其结构如下,
图8-22常见类视黄素结构维生素A醇的羟基可与脂肪酸结合成酯，亦可氧成醛和酸。动物肝脏含维生素A最高，以醇或酯的状态存在。植物和真菌中，以具有维生素A活性的类胡萝卜素形式存在，经动物摄取吸收后，类胡萝卜素经过代谢转变为维生素A。在近600种已知的类胡萝卜素中有50种可作为维生素A源,其中一些常见的类胡萝卜素结构和维生素A前体的活性见表8-18。最有效的维生素A前体是β-胡萝卜素，经水解可生成两个分子的维生素A。
具有维生素A或维生素A原活性的类胡萝卜素，必须具有类似于视黄醇（图8-22）的全反式结构，即在分子中至少有一个无氧合的β-紫罗酮环。同时在异戊二烯侧链的末端应有一个羟基或醛基或羧基，β-胡萝卜素是类胡萝卜素中最具有维生素A原活性，在肠黏液中受到酶的氧化作用后，在C15-15′链处断裂，生成两个分子的视黄醇。若类胡萝卜素的一个环上带有羟基或羰基，其维生素A原的活性低于β-胡萝卜素，若两个环上都被取代则无活性。
由于类胡萝卜素主要是由碳氢组成的化合物，类似脂类结构，故不溶于水，而是脂溶性的。只有胡萝卜素与蛋白质结合后才能溶于水。高浓度不饱和的类胡萝卜素体系能产生一系列复杂的紫外和可见光光谱(300～500nm)，从而可以解释它的淡橙—黄色素的原因。
表8-20：类胡萝卜素结构及维生素A前体活性化合物
结 构
相对活性
β-胡萝卜素
α-胡萝卜素
β-阿朴－8′－胡萝卜醛
玉米黄素
角黄素
虾红素
番茄红薯
50
25
25～30
0
0
0
0
2．分析方法
目前测定食品中维生素A活性的最理想方法是先将类胡萝卜素进行色谱分离，然后将各种不同立体异构体的活性进行累加。早期的含量测定方法是利用维生素与三氯化锑反应(Carr-Price反应)进行检测，但得到的结果偏高，而且对加工过程中引起的顺-反异构化作用不敏感,现在多采用HPLC法分析。
3．稳定性
天然存在的类胡萝卜素都是以全反式构象为主，当食品在热加工时转变为顺式构象，也就失去了维生素A活性。类胡萝卜素的这种异构化在不适当的贮藏条件下也常发生。HPLC分析表明，在许多食品中类视黄醇和类胡萝卜素含有全反式和顺式异构体（表8－19），水果和蔬菜的罐装将会显著引起异构化和维生素A活性损失。此外，光照、酸化、次氯酸或稀碘溶液都可能导致热异构化，使类视黄醇和类胡萝卜素全反式转变为顺式结构。
图8－21某些新鲜加工果蔬中的β-胡萝卜素异构体分布产品
状态
占总β-胡萝卜素的百分数(%)
13-顺
反式
9-顺
红薯
新鲜
0.0
100.0
0.0
罐装
15.7
75.4
8.9
胡萝卜
新鲜
0.0
100.0
0.0
罐装
19.1
72.8
8.1
南瓜
新鲜
15.3
75.0
9.7
罐装
22.0
66.6
11.4
菠菜
新鲜
8.8
80.4
10.8
罐装
15.3
58.4
26.3
羽衣甘蓝
新鲜
16.3
71.8
11.7
罐装
26.6
46.0
27.4
黄瓜
新鲜
10.5
74.9
14.5
腌黄瓜
巴氏灭菌
7.3
72.9
19.8
番茄
新鲜
0.0
100.0
0.0
罐装
38.8
53.0
8.2
桃
新鲜
9.4
83.7
6.9
罐装
6.8
79.9
13.3
杏
脱水
9.9
75.9
14.2
罐装
17.7
65.1
17.2
油桃
新鲜
13.5
76.6
10.0
李
新鲜
15.4
76.7
8.0
食品在加工过程中，维生素A前体的破坏随反应条件不同而有不同的途径(图8-23)。缺氧时，有许多可能的热转换，特别是β-胡萝卜素的顺-反异构作用，这已从蔬菜在烹调和罐装中得到说明。厌氧灭菌造成的维生素活性的总损失为5％～6%，损失的程度取决于温度、时间和类胡萝卜素的性质。在高温时，β-胡萝卜素分解成一系列的芳香族碳氢化合物，其中最主要的分解产物是紫多烯(lonene)。
若有氧存在，类胡萝卜素受光、酶和脂质过氧化氢的共氧化或间接氧化作用而导致严重损失。β-胡萝卜素发生氧化作用，首先生成5，6-环氧化物，然后异构化为β-胡萝卜素氧化物，即5，8-环氧化物(mutachrome)。高温处理时，β-胡萝卜素可能分解成许多小分子的挥发性化合物。而影响食品的风味。维生素A的光化学异构化作用，可以通过直接的或间接的光敏化剂产生，所生成的顺式异构体的比例和数量与光学异构化的途径有关。在异构化过程中还伴随一系列的可逆反应和光化学降解。光催化氧化主要生成β-胡萝卜素氧化物。例如橙汁中的5，6-环氧化物经异构化作用转变为β-胡萝卜素氧化物，此产物进一步裂解生成与脂肪酸氧化产物相似的一系列复杂化合物。维生素A的氧化可导致维生素活性的完全丧失。
从以上可见，食品中维生素A和类胡萝卜素发生的氧化降解，存在着两种途径，一种是直接过氧化作用，另一种是脂肪酸氧化产生的自由基导致的间接氧化。β-胡萝卜素和其他类胡萝卜素在低氧分压（＜0.197atm O2＝时显示抗氧化作用，但在氧分压较高时可起到助氧化剂的作用。β-胡萝卜素能抑制单重态氧、羟基自由基和超氧阴离子自由基，以及与ROO·作用生成ROO-β-胡萝卜素，从而起到抗氧化剂的作用。
进一步氧化





图8-23 β-胡萝卜素的裂解
脱水食品在贮藏过程中，易被氧化而失去维生素A和维生素A前体的活性。表8-22列举了胡萝卜素经不同方法脱水后其β-胡萝卜素的含量，从中可以看出它的损失情况。
像脂肪氧化一样，维生素A的损失速率是酶、水活性、贮藏气压和温度的函数。因此，在贮藏过程中维生素A的损失主要取决于干燥脱水的方法和避光情况，水分和氧浓度对类胡萝卜素活性的影响参见表8-23。即使在氧气浓度极低的条件下，损失量仍可测出。虽然小虾贮藏时的损失速率随含水量增加而下降，但是其他食品(如玉米)并不如此，显得很复杂。一般说来，在同一食品中的类胡卜素的稳定程度与不饱和脂肪酸相似。
表8-22 新鲜胡萝卜与经不同方法脱水后胡萝卜中的β-胡萝卜素含量胡萝卜
浓度范围（mg/kg）
新鲜胡萝卜
真空冷冻干燥萝卜
常规空气风干萝卜
980-186
870-1125
636-987
表8-23类胡萝卜素破坏速率产品
水分含量
气体状态
破坏速率常数k（h-1）
胡萝卜片20℃
虾制品37℃
5
<0.5
3
5
8
空气
2%氧气空气空气空气空气
6.1×10-1
1.0×10-3
1.1×10-3
0.9×10-3
0.6×10-3
0.1×10-3
Ea=79.4kJ/mol
4．维生素A的生理功能
维生素A是复杂机体必需的一种营养素，它以不同方式几乎影响机体内的一切组织细胞。维生素A（包括胡萝卜素）最主要的生理功能是：维持视觉,促进生长;增强生殖力和清除自由基。
β-胡萝卜素有很好的抗氧化作用，能通过提供电子抑制活性氧的生成达到清除自由基的目的。但必须指出，在高氧分压时显示助氧化作用。将它与亚油酸过氧化物共同温育的实验表明，β-胡萝卜素能有效地保护小鼠对抗血卟啉的致死性光敏作用，而血卟啉的光敏作用就在于自由基攻击了表皮溶酶体膜。另有研究表明，β-胡萝卜素不仅能清除游离态氧以减少光敏氧化作用，而且还是单线态氧的淬灭剂。美国波士顿大学的Palozza等人在一项用肝微体膜进行的实验中发现，β-胡萝卜素与维生素E两者在抑制脂质过氧化反应过程中有协同增效作用。由于β-胡萝卜素的自由基清除作用，使得它在延缓衰老、防止心血管疾病和肿瘤方面发挥作用，这已被部分研究和临床实验所证实。
二、维生素K
维生素K是脂溶性萘醌类的衍生物。天然的维生素K有两种形式，维生素K1(叶绿醌或叶绿基甲基萘醌)，仅存在于绿色植物中，如菠菜、甘蓝、花椰菜和卷心菜等叶菜中含量较多，维生素K2(甲基萘醌或聚异戊烯甲基萘醌)，由许多微生物包括人和其他动物肠道中的细菌合成。此外还有几种人工合成的化合物具有维生素K活性，其中最重要的是2-甲基萘醌，4-二甲基萘醌，又称为维生素K3-甲基萘醌，在人体内变为维生素K2，其活性是K1和K2的2～3倍。下图是它们的结构式，统称为维生素K。
萘醌
图8-24 维生素K的结构式天然存在的维生素K是黄色油状物，人工合成的是黄色结晶。所有K类维生素都抗热和水，但易受酸、碱、氧化剂和光(特别是紫外线)的破坏。由于天然维生素K相对稳定，又不溶于水，在正常的烹调过程中损失很少。然而人工合成的维生素K溶于水。关于维生素K在食品中的作用机理尚不太清楚，仅知道它具有光反应活性。维生素K存在于绿色蔬菜中，并能由肠道中的细菌合成，所以人体很少有缺乏的。它的生理功能主要是有助于某些凝血因子的产生，即参与凝血过程，故又称为凝血因子。
三、维生素D
维生素D是甾醇类衍生物，虽然已鉴定出许多具有有维生素D活性的甾醇类化合物，但是在食物中出现的只有两种即麦角钙化甾醇（维生素D2）和胆钙化甾醇（维生素D3），具有实用性。结构式如下：


图8-25 维生素D的结构式
维生素前体(麦角固醇和7-脱氢胆固醇)经紫外辐射可产生维生素D2和D3。酵母和真菌含麦角固醇，而7-脱氢胆固醇则是在鱼肝油及人体和其他动物的皮肤里发现的。人的皮肤在日光下暴露可生成维生素D3,这是一个多步骤形成过程，它包括脱氢胆固醇的光化学修饰和非酶异构化。由于是在体内合成，因此，膳食中维生素D的需求量与受光照的程度有关。生命体中维生素D2和D3有几种羟基取代保护物，胆钙化甾醇的1，25-二羟基衍生物是D 3具有生理活性的主要形式。肉类与乳制品富含维生素D3及其25-羟基衍生物在食品中通常与维生素A共存，7-脱氢胆固醇在鱼、蛋黄、奶油中含量丰富。尤其是海产鱼肝油中含量特别丰富。维生素D是脂溶性的，对氧和光敏感。但一般在加工中不会引起维生素D的损失。但油脂氧化酸败可用起维生素D破坏。
维生素D的生理功能是促进钙、磷的吸收，维持正常血钙水平和磷酸盐水平；促进骨骼和牙齿的生长发育；维持血液中正常的氨基酸浓度；调节柠檬酸的代谢。
四、维生素E
1．结构与化学性质
在自然界中发现的许多生育酚和生育三烯醇，统称为维生素E,都具有维生素E活性。它们之间的区别在于分子环上甲基（-CH3）的数量和位置，分别为α，β，γ，δ生育酚（图8-25），α、β、γ和δ生育三烯醇。α-生育酚具有最高维生素E活性，其它生育酚具有α-生育酚的1%～50％的生物活性。通常食物中非α生育酚提供的维生素E活性相当于各种食品中标明的α-生育酚总量的20％。α-生育酚为多异戊间二烯衍生物(苯并二氢吡喃醇核)，其分子中都含有饱和C16侧链(叶绿基)，不对称中心在2，4′和8′位置上，甲基可能被不同的R1,R2,R3取代 (结构式如下) 。

α生育酚
R1
R2
R3
α
CH3
CH3
CH3
β
CH3
H
CH3
γ
H
CH3
CH3
δ
H
H
CH3
生育酚母核
H
H
H
图8-26 维生素E的结构式自然界中的立体异构体D-α-生育酚，具有2D、4′D和8′D三种构型，许多对映立体异构体(diasteeoisomers)可由化学合成得到。维生素E，特别是α-生育酚在食品中研究最为深入，因为它们是优良的天然抗氧化剂。能够提供氢质子和电子以淬灭自由基，而且它们是所有生物膜的天然成分，通过其抗氧化活性使生物膜保持稳定，同时也能阻止高不饱和脂肪酸氧化，与过氧自由基反应，生成相对稳定的α-生育酚自由基，然后通过自身聚合生成二聚体或三聚体，使自由基链反应终止。相对而言，生育酚乙酯因其酚羟基被酯化而不再具有抗氧化活性，但是在体内其酯链被酶切断后，又恢复了抗氧化活性。
2．分析方法和分布
维生素E在人体和动物体中具有多种功能，但对它的生化功能尚不十分清楚，可以利用各种生物学性质进行生物测定。Ames按生物学测定中使用的生理学过程进行了如下归类。
(1) 涉及生物学功能的生物测定。例如预防鼠类胎儿死亡和吸收作用，以及鸡脑软化症。
(2) 用生物学参数的测定。例如防止红细胞溶血作用。
(3) 体内维生素E水平的测定。例如肝脏和血浆中的含量。
在自然界中已发现8种生育酚，因此仅用简单的比色分析方法测定食品中维生素E 的含量是不可靠的。其分析步骤包括萃取、皂化及非皂化部分的的薄层（TLC）和气液(GLC)色谱分析。高效液相色谱(HPLC)法是目前采用最多的分析方法。
表8-24植物油和某些食品中各种生育酚的含量食品
α-T
α-T3
β-T
β-T3
ΓT
γ-T3
δ-T
植物油(mg/100g)
向日葵籽油
56.4
0.013
2.45
0.207
0.43
0.023
0.087
花生油
0.013
0.007
0.039
0.394
13.1
0.03
0.922
豆油
17.9
0.021
2.80
0.437
60.4
0.078
37.1
棉籽油
40.3
0.002
0.196
0.87
38.3
0.089
0.457
玉米胚芽油
27.2
5.37
0.214
1.1
56.6
6.17
2.52
橄榄油
9.0
0.008
0.16
0.417
0.471
0.026
0.043
棕榈油
9.1
5.19
0.153
0.4
0.84
13.2
0.002
其他食品(μg/ml或g)
婴儿配方食品(皂化)
12.4
0.24
14.6
7.41
菠菜
26.05
9.14
牛肉
2.24
面粉
8.2
1.7
4.0
16.4
大麦
0.02
7.0
6.9
2.8
注,T,生育酚; T3,生育三酚.
维生素E广泛分布于种子和种子油(菜油)、谷物、水果、蔬菜以及动物产品等各类食品中，在大多数动物性食品中，α-生育酚是维生素 E的主要形式，而在植物性食品中却存在多种形式，随品种不同有很大差异。食品中天然存在的α-生育酚的生物活性是最重要的。但是其他天然存在的异构体也具有重要的维生素活性和抗氧化活性。某些谷物中各种生育酚的含量参见表8-24。
3．稳定性
维生素E在无氧和无氧化脂质存在时显示良好的稳定性，罐装加工对维生素E活性影响很小，分子氧使维生素E降解加速，当有过氧自由基和氢过氧化物存在时维生素E失活更快，其反应历程如图8-27。 食品在加工、贮藏和包装过程中，一般都会造成维生素E的大量损失，在谷物加工过程中，机械加工和氧化作用能导致维生素E活性的损失。如将小麦磨成面粉及加工玉米、燕麦和大米时，维生素E损失约80％。 在分离、除脂或脱水等加工步骤中，以及油脂精炼和氧化过程中也能造成维生素E损失。如脱水可使鸡肉和牛肉中α-生育酚损失36％～45％，但猪肉却损失很少或不损失。制作罐头导致肉和蔬菜中生育酚量损失41％～65％，炒坚果破坏50％。食物经油炸损失32％～70％的维生素E。然而通常家庭烘炒或水煮不会大量损失。生育酚不溶于水，不会随水流失，然而水分活度影响维生素E的降解，影响规律与不饱和脂肪酸相似，在单分子水层值时降解速率最小，高于或低于此水分活度，维生素E的降解速率均增大。马铃薯片在贮存过程中，生育酚大量损失。有研究表明，在23℃下贮存一个月的马铃薯片加工后生育酚损失71％，贮存两个月损失77％。当把马铃薯片冷冻于-12℃下一个月损失63％，两个月损失68％。氧化损失通常伴随着脂肪氧化，其原因可能是由于食品在加工过程中使用了化学药剂，如加入苯甲酰基过氧化物或过氧化氢所造成的维生素E的损失；脱水食品是极易对维生素E造成破坏的，其机理同维生素A所述。生育酚被氧化后其产物有二聚物、三聚物和二羟基化合物及醌类，例如α-生育酚与亚硝酸发生氧化反应生成的产物（图8-28）。
α-生育酚在pH5以下经空气氧化生成的产物同生育酚与亚硝酸反应生成物是相似的。生育酚被亚油酸甲酯氢过氧化物氧化时，pH、水分含量和温度亦对其产生影响。无氧条件下，生育酚与亚油酸甲酯氢过氧化物反应形成加成化合物。初始氧化产物很明显是半醌，随后半醌进一步氧化生成生育酚醌，或与烷氧游离基进行厌氧性反应形成加成化合物。此外，单重态氧还能攻击生育酚分子的环氧体系，使之形成氢过氧化物衍生物，再经过重排，生育酚醌和生育酚醌-2-3-环氧化物（图8-28）因此维生素E是一种单重态氧抑制剂。用抗坏血酸和α-生育酚可作为保护剂防止亚硝胺的形成，在这个实验中，α生育酚在pH5以下与亚硝酸盐反应生成的产物与它经空气氧化生成的产物是相同的。








图8-27 硝酸氧化α-生育酚产物图8- 28维生素E降解途径图8-29 α-生育酚与单重态氧反应途径
4．维生素E的生理功能维生素E是生命有机体的一种重要的自由基清除剂，具有较强的抗氧化活性，能有效地阻止食物和消化道内脂肪酸酸败，保护细胞免受不饱和脂肪酸氧化产生毒性物质的伤害，同硒能产生协同效应，并可部分代替硒的功能。同样硒也能够治疗维生素E的某些缺乏症。此外，还能提高机体的免疫能力，保持血红细胞的完整性，调节体内化合物的合成，促进细胞呼吸，保护肺组织免遭空气污染。
矿物质一、概 述
食品中的矿物质是由不同种类的元素和离子组成的，其中有许多是人类营养必不可少的，特别是一些微量元素，但是当摄入过量时则又成为有害的因素。其DRIs列于表8-4。矿物质中参与人体生命代谢的约有25种，其中氮、氢、氧、碳占人体矿物质原子总量的99%，微量元素(例如铁、碘、锌、硒、铜、铬、氟、铅、锡等)对人体健康起着重要作用，一旦缺乏将会造成多种疾病。然而，人体对矿物质的需求其个体差异较大，不同的人群、种族和工作性质等也都影响对矿物质的需求量，因此很难设定一个固定的界限。但是实际上是可以提供一个最佳健康需求浓度或安全浓度范围。
食品中矿物质含量的变化主要取决于环境因素，如植物赖以生长的土壤成分或动物饲料的性质。化学反应导致食品中矿物质的损失不如物理去除或形成生物不可利用的形式所导致的损失那样严重。 矿物质最初是通过水溶性物质的浸出以及植物非食用部分的剔除而损失掉的。矿物质主要在谷物碾磨过程中损失。许多研究指出，膳食中食品高度精加工步骤越多，导致矿物质的损失就越严重。因此，在饮食中必须补充微量矿物质。但是，微量矿物质固有的营养毒性，使这种补充复杂化。矿物质与食品中其他成分之间的相互影响是同样重要的。多价负离子，如草酸根和植酸根能与二价金属离子形成盐，这些盐极难溶解，不能被肠道所吸收，因此，测定矿物质的生物利用率就显得非常必要。
二、物理和化学性质
为了充分合理地利用矿物质，首先必须了解矿物质的性质、存在状态及在食品加工或贮藏过程中的变化。下面就其相关的物理和化学性质作简单介绍。
1.溶解性在所有的生物体系中都含有水，大多数营养元素的传递和代谢都是在水溶液中进行的。因此，矿物质的生物利用率和活性在很大程度上依赖于它们在水中的溶解性。镁、钙、钡是同族元素，仅以+2价氧化态存在。虽然这一族的卤化物都是可溶性的，但是其重要的盐，包括氢氧化物、碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐、草酸盐和植酸盐都极难溶解。食品在受到某些细菌分解后，其中的镁能形成极难溶的络合物NH4MgPO4·6H2O，俗称鸟粪石。铜以+1或+2价氧化态存在并形成络离子，它的卤化物和硫酸盐是可溶性的。各种价态的矿物质在水中有可能与生命体中的有机质，例如蛋白质、氨基酸、有机酸、核酸、核苷酸、肽和糖等形成不同类型的化合物，这有利于矿物质的稳定和在器官间的输送。
2.酸碱性任何矿物质都有正离子和负离子。但从营养学的角度看，只有氟化物、碘化物和磷酸盐的负离子才是重要的。水中氟化物成分比食品中更常见，其摄入量极大地依赖于地理位置，碘以碘化物(I-)或碘酸盐(IO3-)的形式存在，磷酸盐以多种不同形式存在，其中包括磷酸盐(PO43-)、磷酸氢盐(HPO42-)、磷酸二氢盐(H2PO4-)或者是磷酸(H3PO4)，它们的电离常数分别为：k1=7.5X10-3，k2=6.2X10-8，k3=1.0×10-12。各种微量元素参与的复杂生物过程，可以利用Lewis的酸碱理论解释，由于不同价态的同一元素，可以通过形成多种复杂物参与不同的生化过程，因而显示不同的营养价值。
3.氧化还原性碘化物和碘酸盐与食品中其他重要的无机负离子(磷酸盐，硫酸盐和碘酸盐)相比是比较强的氧化剂。正离子比负离子种类多，结构也更复杂，它们的一般化学性质可以通过它们所在的元素周期表中的族来考虑。有些金属离子从营养学的观点来说是重要的，而有些则是非常有害的毒性污染物，甚至产生致癌作用。而碳酸盐和磷酸盐则比较难溶解。其他一些金属具有多种氧化态，如锡和铝(+2和+4)、汞(+1和+2)、铁(+2和+3)、铬(+3和+6)，锰(+2，+3，+4、+6和+7)。这些金属中有许多能形成两性离子，既可作为氧化剂，又可作为还原剂．钼和铁最为重要的性质是能催化抗坏血酸和不饱和脂质的氧化。微量元素的这些价态变化和相互转换的平衡反应，都将影响组织和器官中的环境特性，例如pH、配位体组成、电效应等。从而影响其生理功能。
4、微量元素的浓度
研究表明，微量元素的浓度和存在状态，影响各种生化反应，许多原因不明的疾病（例如癌症和地方病）都与微量元素相关，但实际上对必需微量元素的确认并非一件易事，因为矿物元素的价态和浓度，乃至排列的有序性和状态，对生命活动都会产生不同的作用。
5、螯合效应许多金属离子也可作为有机分子的配位体或螯合剂，如血红素中的铁，细胞色素中的铜，叶绿素中的镁，以及维生素B12中的钴。具有生物活性结构的铬称为葡萄糖耐量因子(GTF)，它是三价铬的一种有机络合物形式。在葡萄糖耐量生物检测中，它比无机Cr3+离子的效能高50倍．葡萄糖耐量因子除含有约65％的铬外，还含有烟酸、半胱氨酸、甘氨酸和谷氨酸。精确的结构还不清楚，Cr6+无生物活性。金属离子的螯合效应与螯合物的稳定性受其本身结构和环境因素的影响。一般五元环和六元环螯合物比其他更大或更小的环稳定。金属离子的Lewis碱性也会影响其稳定性，一般碱性越强越稳定。带电荷的配位体有利于形成稳定的螯合物。不同的电子供给体所形成的配位键强度不同，对氧来说H2O＞ROH＞R2H；氮 H3N＞RNH2＞R3N；而硫是 R2S＞RSH＞H2S。此外，分子中的共轭结构和立体位阻有利于螯合物的稳定。
三、功能特性及存在状态钙在成人体内总含量约为1200g，近99%存在于骨骼内。骨矿物质含有两个物理及化学特性不同的磷酸钙池，即无定形相和疏松结晶相。骨钙不断被吸收和沉积，骨组织不断处于更新过程。在儿童和青少年期，骨钙沉积速率大于吸收速率。在晚年，则吸收速率高于沉积速率。所以，随着年龄增加，钙将逐渐流失。在钙摄入不足或吸收不良时，机体动用骨骼钙，而软组织钙维持恒定。在这种情况下年轻人不仅骨骼钙化不充分，而且由于脱钙可造成骨强度降低。
磷是骨组织的一种必须成分，其与钙的比值为1：2。成人体内近85%（700g）的磷分布于骨骼。磷在软组织中以可溶性磷酸盐离子形式存在，在脂肪、蛋白质和碳水化合物及核酸中以酯类或苷类化合物键合形式存在。在酶内则以酶活性调节因子形式存在。磷也在机体许多不同的生化反应中发挥重要作用。代谢过程中所需要的能量大部分来源于三磷酸腺苷、磷酸肌酸盐及类似化合物的磷酸键。
镁在成人体内含量约为20～28g,其中40%分布于肌肉及软组织中，约1%分布于细胞间液，其余则分布于骨骼中。血浆镁的平均浓度为0.85mmol/L。健康人体内镁水平由激素调节而维持恒定，但其平衡机制尚不清楚。许多疾病拌有体内镁水平降低，但只有部分病例表现有镁缺乏症状。
铁是血红蛋白、肌红蛋白以及多种酶的组成成分，因此，它是一种人体必须的营养素。除了这些功能形式外，体内约30%的铁以储存形式存在，如铁蛋白和含铁血黄素，还有一小部分在血液转铁蛋白中。
锌是许多重要代谢途径的酶的成分之一，是植物、动物和人类共同必需的元素。相当大的一部分锌储存在骨骼和肌肉中，但这些储备不易达到其他部位以满足生理需要。动物实验表明，体内可供利用的锌储备较少，而且很快发生代谢转化，因此，一旦发生锌缺乏，机体很快出现生理和生化变化。
碘是人类必需的微量元素之一，它是甲状腺激素-甲状腺素和三碘甲腺酪原氨酸的主要组成成分。碘在食物和水分子中主要以碘分子形式存在，少量以有机形式与氨基酸结合。碘能完全、迅速地被机体吸收，并被运输到甲状腺用于合成甲状腺激素。碘缺乏可以引起一系列疾病，如拌有智力低下的严重呆小症，以及甲状腺肿大等。
硒是人体必须的元素，其生化基础是它存在于谷光甘肽过氧化物酶的活性部位。
食品中的矿物质的含量受各种因素的影响。以铜为例，土壤中铜含量、地区、季节、水源、化肥、杀虫剂、农药和杀菌剂的使用，以及膳食的性质等因素都影响人体对铜的吸收。此外，矿物质在加工过程中作为直接或随接添加剂进入食品，这是一种十分易变的因素。因此，食品和水分中的矿物质含量可以变化很大(参见表8-19,表8-20)。
表 8-25 饮用水和食品中微量元素的浓度元 素
浓 度
砷钡铍镉铬钴铜铅锰镁汞钼镍硒银锡钒锌
0-100ｕg/L，每日食品中137-330ｕg
<1mg/L
<1ｕg/L
<10ｕg/L
<100ｕg/L
在每kg绿叶菠菜中可高达0.5mg
存在于动物和植物食品中，1-280ｕg /L
20-600ｕg/L
0.5-1.5mg/L
6-120mg/L
<1ｕg/L，每天由食物中摄入10ｕg
<100ｕg/L，每kg食物中含有100-1000ｕg
1-100ｕg/L,每日食品中含有300-600ｕg
<10ｕg/L，在kg克粮食，肉和海产品中含量100-300ｕg
痕量
1-2ｕg/L，每日食品中含有1-30mg
2-300ｕg/L
3-2000ｕg/L
食品
供给量
/g
热量
/kcal
矿物质
Ca
Mg
P
Na
K
Fe
Zn
Cu
Se
炒鸡蛋
100
157
57
13
269
290
138
2.1
2.0
0.06
8
白面包
28
75
35
6
30
144
31
0.8
0.2
0.04
8
全麦面包
28
70
20
26
74
180
50
1.5
1.0
0.10
16
无盐通心粉
70
99
5
13
38
1
22
1.0
0.4
0.07
19.0
米饭
98
108
10
42
81
5
42
0.4
0.6
0.01
13.0
速食米饭
88
108
10
42
81
5
42
0.4
0.6
0.01
13.0
熟黑豆
86
113
24
61
120
1
305
2.0
1.0
0.18
6.9
红腰果
89
112
25
40
126
2
356
3.0
0.9
0.21
1.9
全脂乳
244
150
291
33
228
120
370
0.1
0.9
0.05
3.0
脱脂乳/无脂乳
245
86
302
28
247
126
406
0.1
0.9
0.05
6.6
美国乳酪
43
159
261
10
316
608
69
0.2
1.3
0.01
3.8
赛达乳酪
43
171
305
12
219
264
42
0.3
1.3
0.01
6.0
农家乳酪
105
108
63
6
139
425
89
0.1
0.4
0.03
6.3
低脂酸乳
227
144
415
10
326
150
531
0.2
2.0
0.10
5.5
香草冰淇淋
67
134
88
9
67
58
128
0.1
0.7
0.01
4.7
带皮烤马铃薯
202
220
20
55
115
16
844
2.8
0.7
0.62
1.8
去皮煮马铃薯
135
116
10
26
54
7
443
0.4
0.4
0.23
1.2
椰菜,生的茎
453
126
216
114
297
123
1470
4.0
2.0
0.40
0.9
椰菜,熟的新茎
540
151
249
130
318
141
1575
4.5
2.1
0.23
1.1
生碎胡萝卜
55
24
15
8
24
19
178
0.3
0.1
0.03
0.8
熟的冻胡萝卜
73
26
21
7
19
43
115
0.4
0.2
0.05
0.9
鲜整只番茄
123
26
6
14
30
11
273
0.6
0.1
0.09
0.6
罐装番茄汁
183
31
17
20
35
661
403
1.0
0.3
0.18
0.4
橘汁(解冻)
187
83
17
18
30
2
356
0.2
0.1
0.08
0.4
橘汁
131
60
52
13
18
0
237
0.1
0.1
0.06
1.2
带皮苹果
138
80
10
6
10
1
159
0.3
0.1
0.06
0.6
香蕉(去皮)
114
85
7
32
22
1
451
0.4
0.2
0.12
1.1
烤牛肉(圆听)
85
205
5
21
176
50
305
1.6
3.7
0.08
—
烤小牛肉(圆听)
85
160
6
28
234
68
389
0.9
3.0
0.13
—
烤鸡脯
85
140
13
25
194
62
218
0.9
0.8
0.04
—
烤鸡腿
85
162
10
20
156
77
206
1.1
2.4
0.07
—
煮熟鲑鱼
85
183
6
26
234
56
319
0.5
0.4
0.06
—
罐装带骨鲑鱼
85
130
203
25
277
458
231
0.9
0.9
0.07
—
表 8- 26部分食品中矿物质组成a
碘可作为一个易变性的特殊例子来讨论。第一，食品中碘的含量依赖于地理位置。住在沿海地区的人，通过食用海产品、乳制品和蔬菜，容易从饮食中摄入较大量的碘。此外，碘还可大量通过大气转移到土壤中，动物在食用含碘量高的饲料可导致乳品中的碘含量高。第二，食品中碘的一个重要来源是碘盐，以碘化钾或碘酸盐的形式存在的碘稳定性高。第三，食品中各种形式碘的损失还没有广泛进行研究，但是，浸滤造成的损失是普遍的。例如，煮沸加工时，鱼中碘损失多达80％，若不使用水来进行加工，则损失量较小。
四、加工过程中的损失与获取在烹调或热烫过程中由于水的作用而引起的矿物质损失是不可忽视的(表8-23)。矿物质的损失是其溶解度的函数，在某些情况下，有的矿物质含量在加工过程中可以增加(表8-23中的钙)。从人体健康以及减少金属罐的腐蚀观点出发，硝酸盐的损失可以认为是有益的。
各种食品的制作方法对土豆中铜含量的影响见表8-30。从表8-30中还能够发现水煮豆类中的一些矿物质损失稍有不同，与菠菜不同的是豆中钙的损失与其他主要矿物质的损失程度大约相当。
食品中的微量元素和矿物质还能够通过对加工设备，加工使用的水及包装材料的接触而得到。表8-26中列举子罐装食品中液体和固体部分中矿物质的分布以及不同包装引起微量元素和矿物质的差异。
表8-27 铬在小麦和小麦产品中的分布
产 品
相对生物价
产 品
相对生物价
麦粒麦胚
3
4
面包白面包
3.6
3
表8-28 蛋和乳品中的矿物质分布食品
每100 mg/100g
Ca
P
Mg
Na
K
Fe
Cu
Mo
Zn
全蛋蛋白蛋黄全奶脱脂奶干酪
26
1
12
252
259
74
103
3
43
197
197
159
5.3
3.1
0.7
22
22
6
79
56
3
120
134
444
54
43
15
348
408
89
1.1
0.03
0.36
0.07
0.07
<0.1
29
1.6
1.7
12
12
<20
<20
<10
<20
<10
<10
<40
1
0.003
0.25
1.0
1.1
0.4
表8-29 热烫对菠菜中矿物质损失的影响
g/100g
损失（%）
未热烫
热烫
钾
6.9
3.0
56
钠
0.5
0.3
43
钙
2.2
2.3
0
镁
0.3
0.2
36
磷
0.6
0.4
36
亚硝酸盐
2.5
0.8
70
表8-30 加工的土豆中的铜含量类型
铜（mg/100g新鲜重量）
类型
铜（mg/100g新鲜重量）
原料
0.21±0.10
土豆泥
0.10
水煮
0.10
法式炸土豆片
0.27
焙烤
0.18
快餐土豆
0.17
油炸土豆片
0.29
去皮土豆
0.34
表8-31 生海军豆和煮过的海军豆中矿物质的含量矿物质
mg/100g
损失（%）
生
煮
钙
135
69
49
铜
0.80
0.33
59
铁
5.3
2.6
51
镁
163
57
65
锰
1.0
0.4
60
磷
453
156
65
钾
821
298
64
锌
2.2
1.1
50
表8—32 蔬菜罐头中微量金属元素的分布蔬菜
罐a
组分b
g/Kg
铝
锡
铁
绿豆
La
L
0.10
5
2.8
S
0.7
10
4.8
菜豆
La
L
0.07
5
9.8
S
0.15
10
26
小粒青豌豆
La
L
0.04
10
10
S
0.55
20
12
旱芹菜心
La
L
0.13
10
4.0
S
1.50
20
3.4
甜玉米
La
L
0.04
10
1.0
S
0.30
20
6.4
蘑菇
P
L
0.01
15
5.1
S
0.04
55
16
a,La=涂漆罐头 P=素铁罐头
b,L=液体 S=固体
五、食品中矿物质的利用率和安全性
1,矿物质的利用率测定特定食品或膳食中一种元素的总量，仅能提供有限的营养价值，而测定为人体所利用的食品中这种元素的含量却具有更大的实用意义。食品中铁和铁盐的利用率不仅取决于矿物质的存在形式，而且还取决于影响它们吸收或利用的各种实验条件，测定矿物质生物利用率的方法有化学平衡法，生物测定法，体外试验和同位素示踪法。这些方法已广泛用于测定家畜饲料中矿物质的消化率。
在检测人体对矿物质利用的研究中，放射性同位素示踪法是一种理想的方法。这种方法是在生长植物的介质中加入放射性铁，或在动物屠宰以前注射放射性示踪物质(55Fe和59Fe)，通过生物合成制成标记食品，标记食品食用后，测定示踪物质的吸收，这称为内标法，也可用外标法研究食品中铁和锌的吸收，即将放射性元素加入到食品中。用外标法测定铁和锌的生物利用率也是行之有效的。铁的价态影响吸收，二价铁盐比三价铁盐易于利用。元素铁微粒的大小以及食品的类型也影响铁的吸收。人体对动物食品利用率最高，而谷物食品则最低(图8-11)。另外，维生素能增强铁的吸收，磷酸盐在钙含量很低的情况下，降低铁吸收，糖也降低铁的吸收，这可能是由于含植酸盐的原因。蛋白质、氨基酸和碳水化合均都影响铁的利用率。
饮食铁的吸收与个体或生理因素有关。在缺铁者或缺铁性贫血病人群中，对铁的吸收率提高。妇女对铁的吸收比男人高，儿童随着年龄的增大铁的吸收减少。锌的利用率同样受到各种饮食和个钵因素的影响。钙、锌、铁的利用率与某些食品中植酸盐(肌醇六磷酸酯)的存在紧密相关的。对动物中锌的平衡研究表明，植酸盐能降低饮食中锌的吸收和内分泌锌的重吸收，同时也发现铁、铜和锰的含量减少。另一方面，植酸单铁与硫酸亚铁胺具有相同的利用率，由于植酸酶在肠中分解植酸复合物使吸收情况变得更为复杂。
制定合理的、有效的食品强化计划，需要有关食物来源和膳食中矿物质利用率的完整资料，这些资料在评价替代食品和类似食品的营养性质时也是重要的。关于测定人体营养必需的各种微量元素的生物利用率，以及弄清在现代膳食中影响矿物质利用率的各种因素，都有待进一步研究。
图8—30 成人对各种食品中铁的吸收．结果以平均数土标准偏差表示
2、矿物质的安全性
从营养的角度来看，有些矿物质不但没有营养价值，而且对人体健康有危害，汞和镉就属于这样的矿物质，同时，所有矿物质在超过一定量以后，对人体具有毒性。

第六章 酶第一节 概述酶（enzyme）是一类具有很强催化活性的蛋白质，存在于一切生物体内，由生物细胞合成，并参与新陈代谢有关的化学反应。所以，在食品中涉及到许多酶催化的反应，它们对食品的品质产生需宜或不需宜的影响和变化，例如，水果、蔬菜的成熟，加工和贮藏过程中的酶促褐变引起的颜色变化、某些风味物质的形成、水果中淀粉和果胶物质的降解，肉类和奶制品的熟化，以及发酵生产的酒精饮料等。有时为了提高食品品质和产量，在加工或贮藏过程中添加外源酶，例如利用淀粉酶和葡萄糖异构酶以玉米淀粉为原料生产高果糖玉米糖浆，牛乳中添加乳糖酶以解决人群中乳糖酶缺乏的问题。在食品贮藏和热处理过程中，常常根据组织亚细胞结构中酶的分布模式和活性的变化，作为评价处理效果的一项指标，例如在牛奶、啤酒和蜂蜜的巴氏灭菌中了解消毒的效果；区别新鲜和冷冻的肉与鱼类食品。食品成分的分析中，常常利用酶的专一性和敏感性测定食品原料与产品的组成变化，达到控制质量的目的。关于酶的本质和基础理论在生物化学中已有详细介绍，因此，本章着重介绍酶在食品加工和贮藏过程中的特点、作用，及与此相关的一些基本知识。
一、酶的化学本质人们对酶的认识起源于生产实践。我国几千年前就开始制作发酵饮料及食品，夏禹时代，酿酒已经出现，周代已能制作饴糖和酱。春秋战国时期已知道用曲治疗消化不良。西方国家19世纪初曾提出引起某些化学反应的物质，并对酒的发酵过程进行了大量研究。1878年提出了“酶”这个名称，已知生物体系中的化学反应很少是在没有催化剂的情况下进行的，这些催化剂是称为酶的专一蛋白质。酶的突出特征是它们的催化能力和专一性，酶加快反应速率至少是一百万倍，最高可达1017倍（如OMP脱羧酶）。酶在被催化的反应上以及选择被称为底物的反应物上，都是高度专一的。
千万种蛋白质已被提纯，并已证明它们有酶促活力。20世纪80年代以前一致相信所有的酶都是蛋白质，后来核糖酶（riboyzmes）的发现，表明RNA分子也可能像蛋白质一样，是有高度催化活性的酶。此外，在有些酶中除蛋白质外还含有另外的一些成分，例如碳水化合物、磷酸盐和辅酶基团。实际上生物体内除少数几种酶为核糖核酸分子外，大多数的酶类都是蛋白质。但是，也还必须注意到：蛋白质不是生物催化领域唯一的物质。目前食品工业中应用的酶都是蛋白质，下面章节中提及的酶，也都专指化学本质为蛋白质的酶。
酶是球形蛋白质，它同其他蛋白质一样，由氨基酸组成，也具有两性电解质的性质，并具有一、二、三、四级结构。因而也受到环境因素的作用而变化或沉淀，乃至丧失酶活性。酶的相对分子质量一般为13k～1000k范围。酶中的蛋白质有的是简单蛋白，有的是结合蛋白，后者为酶蛋白与辅助因子结合后形成的复合物。根据酶蛋白分子的特点可将酶分为三类，即单体酶，只有一条具有活性部位的多肽链，相对分子质量在13k～35k之间，例如溶菌酶、胰蛋白酶等，属于这一类的酶很少，一般都是催化水解反应的酶；寡聚酶，由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基可以是相同的多肽链，也可以是不同的多肽链。亚基间不是共价键结合，彼此很容易分开。相对分子质量从35k到几百万，例如磷酸化酶a和3－磷酸甘油醛脱氢酶等；多酶体系是由几种酶彼此嵌合形成的复合体，相对分子质量一般都在几百万以上，例如脂肪酸合成的脂肪酸合成酶复合体。
酶的辅助因子包括金属离子（例如Fe、Cu、Zn、Mg、Ca、Na、K等）及有机化合物，它们本身无催化作用，但一般在酶促反应中运输转移电子、原子或某些功能基团，如参与氧化还原或运载酰基的作用。有些蛋白质也具有此种作用，称之为蛋白辅酶。与酶蛋白成松散结合的辅助因子，在大多数情况下，可以通过透析或其他方法将它们从全酶中除去，这种辅助因子称为辅酶（cofactor 或 coenzyme）。但是，也有少数辅助因子是以共价键和酶蛋白牢固结合在一起，不易透析除去，这种辅助因子称为辅基（prosthetic group）。
二、酶的特征
1、酶的催化作用酶的显著特征是催化作用和专一性，酶是一种生物催化剂，除具有一般催化剂的性质外，还显示出生物催化剂的特性：酶的催化效率高，以分子比表示，酶催化反应的反应速率比非催化反应高108～1020倍，比其他催化反应高107～1013倍。以转换数kcat表示，大部分酶为1000，最大的可达几十万，甚至一百万以上，酶的作用具有高度的专一性（Specificity），一种酶只能作用于一种或一类底物，比其他一般催化更加脆弱，容易失活，凡使蛋白质变性的因素都能使酶破坏而完全失去活性。所以，酶作用的条件一般都比较温和，酶活力的调控在生物体的生命活动中起着重要的作用，酶的催化活力与其辅基和金属离子密切相关。
酶的催化反应，如同所有的化学反应一样都需要服从热力学定律。当考虑放热反应中的催化作用时，反应底物分子A生成产物B的活化能为△E是相当高的，在大多数情况下，这样的反应不能自发进行，反应物A处于亚稳态。在加入合适的催化剂后，使A转化为活化能较低的过渡态，形成中间产物EA或EP（图6-1），最后释放出产物P和游离的催化剂。在催化反应过程中，反应速率常数增大几个数量级，但反应平衡常数不变。由于酶的高度催化活性，在体外实验中，仅需要10-8～10-6mol/L的酶，催化就已经相当显著。但是在活细胞中酶的浓度则高出很多。
图6-1 在非催化和酶催化过程自由能的变化
A→P；——没有催化剂；……有催化剂E
表6-1列出了催化剂对某些反应的活化能和反应速率的影响。
表6-1 催化剂对某些反应的活化能和反应速率的影响反 应
催化剂
活化能
kJ?mol-1
速率常数
Krel（25℃）
H2O2→H2O + 1/2 O2
无
75
10
I－
56.5
～2.1×103
过氧化氢酶
26.8
～3.1×108
酪蛋白+n H2O→(n+1)肽
H+
86
1.0
胰蛋白酶
50
～2.1×106
乙酸丁酯+H2O→丁酸+乙醇
H+
55
1.0
脂肪酶
17.6
～4.2 ×106
蔗糖+H2O→葡萄糖+果糖
H+
107
1.0
转化酶
46
～5.6×1010
亚油酸+O2→亚油酸氢过氧化物
无
150～270
1.0
Cｕ2+
30～50
～102
脂肪氧合酶
16.7
～107
2、酶的专一性酶除了能显著提高反应速率外，还具有很高的专一性，它只能催化一种或一类化学反应（反应专一性），而且对底物有严格的选择（底物专一性）。另外变构酶还具有调节专一性的作用。
（1）酶的底物专一性酶的底物专一性（Substrate specficity）即特异性是指酶对它作用的底物有严格的选择性，酶专一性分为两种类型：
①结构专一性：有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个底物，而不作用于任何其他底物，这种专一性称为“绝对专一性”。例如脲酶只能催化尿素水解，而对尿素的衍生物不起作用。麦芽糖酶只作用于麦芽糖而不作用于其他双糖。
有些酶对底物要求比上述绝对专一性略低一些，它的作用对象不只是一种底物，这种专一性称为“相对专一性”。这些酶对键两端的基团要求程度不同，只对其中一个基团要求严格，而对另一个则要求不严格，这种专一性称为“族专一性”或“基团专一性”，这方面是有一些差异的。对于少部分酶是基团专一性，例如水解酶，其中胰蛋白酶只能水解精氨酸或赖氨酸残基的羧基形成的肽键或酯键。此性质常用于蛋白质序列的分析之中。另外一种相对专一性的酶是只作用于一定的键，对键两端的基团并无严格要求，称为“键专一性”，这类酶对底物的结构要求最低，例如酯酶催化酯键的水解，而对底物
中的R及R′基团则没有严格的要求，它既能催化水解甘油脂类、简单脂类，也能催化丙酰、丁酰胆碱或乙酰胆碱等，只是对于不同的脂类，水解速率有所不同。大多数酶催化反应仅对一种底物起作用或优先催化一种底物，如脲酶。酶的这种专一性评价，只有对纯酶而言才是可靠的，然而在食品中应用的酶多数是由几种酶组成的混合物，同时还含有其他杂质，因此，不容易对这些酶的专一性作确切评价。
②立体专一性（Stereospecificity）：酶的立体专一性非常明显，对于一些含有手性基团的化合物，存在光学或立体异构体，而某些酶能够识别底物的顺、反异构或旋光异构体，也就是只能催化一个对映异构体，而对另外一个对映体则没有作用。因此，可利用酶的这个性质分离手性化合物。酶的立体专一性在食品分析和加工中是非常重要的。
（2）酶反应专一性酶反应专一性（Reaction specificity）是指底物在允许的几个热力学反应中，只有一个反应可以被酶催化。酶的分类和命名是以酶反应的专一性，而不是底物专一性为依据的。
3、酶的催化理论研究证明任何酶与底物作用，酶的特殊催化作用只局限于它的大分子的一定区域。对于不需要辅酶的酶来说，酶的活性中心就是指起催化作用的基团在酶的三级结构中的位置，这些基团在一级结构上可能相差甚远，甚至位于不同的肽链上，但是它们通过肽链的盘绕、折叠而在空间构象上相互靠近。对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或辅酶分子的某一部分结构往往就是活性中心的组成部分。确定酶的活性中心有助于研究酶的专一性。
为了解释酶的催化理论，早期E.Fisher提出了“模板”（template）或锁与钥匙学说（lock and key theory），认为底物分子或底物分子的一部分像钥匙，而酶比喻为锁。底物专一地楔入到酶的活性中心部位，也就是说底物分子进行化学反应的部位与酶分子上有催化效能的基团间有紧密互补的关系（图6－2）。
图6－2　酶专一性的锁和钥匙机制利用“Fisher”的理论还不能解释酶的结构既适合于可逆反应的底物，又适合于可逆反应的产物，而且也不能解释酶的专一性中的所有现象。在催化时，很多酶的构象在与底物结合时发生了变化。Koshland后来在1958年提出了“诱导楔合”（induced-fit hypothesis），当酶分子与底物接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生有利于与底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补楔合，进行反应（图6-3）。以后X－射线衍射分析的实验结果支持了这一假说，证明了酶与底物结合时，确有显著的构象变化。


图6-3 酶与底物专一催化作用的“诱导楔合”机制示意图事实上，通过旋光测定，了解到许多酶在它们的催化循环中的确有构象变化，特别是X-射线衍射分析发现未结合在游离羧酸肽酶与结合了甘氨酰酪氨酸底物的羧肽酶在构象上有很大区别。
三,酶的命名与分类
1,习惯命名法
1961年以前使用的酶的名称都是沿用习惯命名，比较简单，应用历史较长，但缺乏系统性。有时出现一酶数名或一名数酶的情况。但由于沿用已久，尽管容易混淆，但仍然使用。习惯命名的4个原则是：①绝大多数酶依据其底物来命名，如淀粉酶、蛋白酶；②根据其所催化的反应性质来命名，如水解酶、转氨酸、氧化酶；③根据作用底物和反应性质两个原则来命名，例如琥珀酸脱氢酶；④在上述基础上加上酶的来源或酶的其他特点进行命名，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。
2,国际系统命名法与分类
1961年国际生化协会酶学会议上提出了一个新的系统命名与分类的原则，已为国际生化协会所采用。1992年对此进行了修改。按照国际系统命名法原则，每一种酶有一个系统名称和习惯名称，前者必须明确标准酶的底物及催化反应的性质，每个酶有一个特定的编号。这种系统命名原则及系统编号是相当严格的。
国际系统分类的原则是将所有的酶促反应按反应性质分为6大类，分别用1、2、3、4、5、6的编号表示，再根据底物中被作用的基团或键的特点将每一大类分为若干个亚类，每一个亚类又按顺序编成1、2、3、4…等数字，每一个亚类可再分为若干个亚－亚类，仍用1、2、3、4…编号。每一种酶都被指定为一个由4位数字组成的酶委员会编号（EC number）。例如黄嘌呤氧化还原酶的系统命名为EC 1.2.3.2。其中第一个数字指明该酶属于6大类中的哪一类；第二个数为酶属的亚类；第三个数字是该酶所属的亚－亚类；第四个数字则表明该酶在一定亚－亚类中的排号。－表6-2列出了食品中的一些重要酶的系统分类。
表6-2 食品中的一些重要的酶分类类和亚类
酶
EC编号
1,氧化还原酶
1.1 供体为OH-OH
1.1.1 受体为NAD+或NADP+
乙醇脱氢酶
1.1.1.1
丁二醇脱氢酶
1.1.1.4
L-艾杜糖醇-2-脱氢酶
1.1.1.14
L-乳糖脱氢酶
1.1.1.27
苹果酸脱氢酶
1.1.1.37
半乳糖-1-脱氢酶
1.1.1.48
葡萄糖-6-磷酸-1-脱氢酶
1.1.1.49
1.1.3 受体为氧
葡萄糖氧化酶
1.1.3.4
黄嘌呤氧化酶
1.1.3.22
1.2　供体为醛基
1.2.1 受体为NAD+或NADP+
醛脱氢酶
1.2.1.3
1.8　供体为含硫化物
1.8.5　受体为醌或醌类化合物
谷胱甘肽脱氢酶
1.8.5.1
1.10　体供为二烯醇或二酚
1.10.3　受体为氧
抗坏血酸氧化酶
1.10.3.3
1.11　受体为氢过化物
过氧化氢酶
1.11.1.6
过氧化物酶
1.11.1.7
1.13 作用于单一供体
1.13.11　与分子氧结合
脂肪氧合酶
1.13.11.12
1.14　作用于一对供体
一元酚单加氧酶（多酚氧化酶）
1.14.18.1
2　转移酶
2.7　转移磷酸
2.7.1　受体为OH
己糖激酶
2.7.1.1
甘油激酶
2.7.1.30
丙酮酸激酶
2.7.1.40
2.7.3　受体为N-基
肌酸激酶
2.7.3.2
3　水解酶
3.1　切断酯键
3.1.1　羧酸酯水解酶
羧酸酯酶
3.1.1.1
三酰甘油酯酶
3.1.1.3
磷酸酯酶A2
3.1.1.4
乙酰胆碱酯酶
3.1.1.7
果胶甲酯酶
3.1.1.11
磷酸酯酶A1
3.1.1.32
3.1.3　磷酸单酯水解酶
碱性磷酸酯酶
3.1.3.1
3.1.4　磷酸双酯水解酶
磷脂酶C
3.1.4.2
磷脂酶D
3.1.4.4
3.2　水解O-糖基化合物
3.2.1　糖苷酸
α-淀粉酶
3.2.1.1
β-淀粉酶
3.2.1.2
葡糖糖化酶
3.2.1.3
纤维素酶
3.2.1.4
聚半乳糖醛酸酶
3.2.1.15
溶菌酶
3.2.1.17
α-D-糖苷酶(麦芽糖酶)
3.2.1.20
β-D-糖苷酶
3.2.1.21
α-D-半乳糖苷酶
3.2.1.22
β-D-半乳糖苷酶(乳糖酶)
3.2.1.23
β-呋喃果糖苷酶(转化酶或蔗糖酶)
3.2.1.26
1,3-β-D-木聚糖酶
3.2.1.32
α-L-鼠李糖苷酶
3.2.1.40
支链淀粉酶
3.2.1.41
外切聚半乳糖醛酸酶
3.2.3.67
3.2.3 水解S-糖基化合物
葡糖硫苷酶(黑芥子硫苷酸酶)
3.2.3.1
3.4 肽酶
3.4.21 丝氨酸肽键内切酶
微生物丝氨酸肽键内切酶如枯草杆菌蛋白酶
3.4.21.62
3.4.23 天冬氨酸肽键内切酶
凝乳酶
3.4.23.4
3.4.24 金属肽键内切酶
嗜热菌蛋白酶
3.4.24.27
3.5 作用于除肽键外的C-N键
3.5.2 环内酰胺中
肌酸酐酶
3.5.2.10
4 裂解酶
4.2 C-O-裂解酶
4.2.2 作用于多糖
果胶酸裂解酶
4.2.2.2
外切聚半乳糖醛酸裂解酶
4.2.2.9
果胶裂解酶
4.2.2.10
5 异构酶
5.3 分子内氧化还原酶
5.3.1 醛糖和酮糖间的互变
木糖异构酶
5.3.1.5
葡萄糖-6-磷酸异构酶
5.3.1.9
四、生物体中的酶自然界所有的生物体中都含有许多种类的酶，一些特殊的酶仅存在于细胞内的一类细胞器中。细胞核中含有的酶主要涉及到核酸的生物合成和水解降解，线粒体中含有与氧化磷酸化和生成ATP有关的氧化还原酶。细胞中的许多酶常常在一个连续的反应链中起作用。酶在生物体内是非均匀分布的，特定的器官含有特定的酶，在植物组织中这些酶随着生长、发育，其数量将会发生变化，有的甚至十分显著。
在完整细胞内，许多多酶体系具有自我调节的能力，酶的活力一般是通过以下几种方式控制：隔离分布在亚细胞膜内，被细胞器控制；酶结合于膜或细胞壁上；酶作用的底物结合于膜或细胞壁；酶与底物分离。此外，还可通过依靠酶原的生物合成和生理上重要的内源酶抑制剂控制。
一旦组织受损将使酶与底物接近，导致食品在色泽、质地、风味和营养上的改变。因此，热处理、低温保藏和酶抑制剂的使用均有利于稳定产品质量。
食品加工的生物材料中含有数以百计的不同种类的酶，这些酶对于原料的生长、成熟、加工和保藏等均起着重要的作用。表6-3列举了一些食品原料中几种酶的相对含量。可见不同的植物中各种酶的含量差异较大。
表6-3 不同原料中几种酶的相对含量酶
来源
相对含量（％）
聚半乳糖醛酸酶
番茄
1.0
鳄梨
0.065
欧楂(Medlar)
0.027
梨
0.016
菠萝
0.024
胡萝卜
0
葡萄
0
脂肪氧合酶
大豆
1.00
摩尔拉豆(Urd bean)
0.64
绿豆
0.47
碗豆
0.32
小麦
0.02
花生
0.01
过氧化物酶
青刀豆
1.00
豆荚
0.72
菜豆
0.62
菠菜
0.32
利马豆
0.15
多酚氧化酶是植物中最受注意的一种酶，在葡萄、洋李、无花果、枣、茶叶和咖啡豆中含量很高，它在这些果实中起着人们期望的作用。另外，多酚氧化酶在桃、苹果、香蕉、荔枝、马铃薯、莲藕和莴苣中的含量也是相当高，然而它对这些果实起着不需宜的作用，易引起褐变，造成变质和腐烂，对于新鲜果实的保藏带来极大困难。胡椒中不存在多酚氧化酶。
酶在食品中的活力与其生长环境和成熟度有关，从而给生产质量的稳定性带来诸多不便。幸运的是，酶变性的速率依然遵循一级反应动力学，因此，酶失活到一定程度所需的时间与酶的浓度无关。然而不同起始浓度的酶失活，即使将酶失活到相同的百分数，但剩余的绝对酶活仍然是不同的。对于起始浓度高的酶，完全失活则需要较长时间。食品原料中的同功酶往往具有不同的热稳定性。
五、酶的分离纯化与活力测定
1、酶的分离纯化
食品工业中使用的酶大多数对酶的纯度要求不高，然而在某些特殊的情况下却需要纯酶制剂，如在研究酶的结构、功能、生物学作用和理化性质，对酶进行鉴定，必须采用纯酶，作为生化试剂和药物酶对酶的纯度要求也高。
根据酶在体内作用的部位，可以将酶分为胞外酶和胞内酶两大类。胞外酶易于分离，而胞内酶存在于细胞内，必须破碎细胞才能进行分离。根据酶是蛋白质这一特性，可采用提纯蛋白质的方法进行分离纯化。
酶是生物活性物质，在提纯时必须考虑尽量减少酶活力的损失，全部操作需要在低温下进行。一般在0～5℃范围，当用有机溶剂分级分离时应在-15℃～-20℃进行。在抽提溶剂中加入EDTA可螯合重金属，以防止酶失活；对于含-SH的酶蛋白，需要加入少量巯基乙醇防止-SH氧化。干燥常采用真空冷冻干燥，以减少酶活的损失。酶制品在一般在-20℃以下低温保存。
2,酶活力的测定酶活力(enzyme activity)也称酶活性，是指酶催化一定化学反应的能力。酶活力的大小可以用在一定条件下，它所催化的某一化学反应的反应速率来表示，即酶催化的反应速率愈快，酶的活力就愈高，反之，速率愈慢，酶的活力就愈低。所以测定酶的活力就是测定酶促反应的速率。而酶反应速率可用单位时间内，单位体积中底物的减少量或底物的增加量来表示。因此，酶的活力大小是以酶的活力单位为根据而定义。
1961年国际酶学会议规定，1个酶活力单位，是指在特定条件下，在1min内能催化1μmol底物的量，或是转化底物中1μmol有关基团的酶量，称为国际系统单位SI，即kat。特定条件：温度选定为25℃，其他条件(如pH及底物浓度)均采用最适条件。
酶活力单位只能作为相对比较，并不直接表示酶的绝对量，因此实际上还需要测定酶的比活力(Specific activity),也就是酶含量的大小，即每mg酶蛋白所具有的酶活力，一般用(U/mg蛋白质)表示。有时也用U/g或U/ml表示。可以作为比较每单位酶蛋白的催化能力。对同一种酶而言，比活力愈高，表示酶愈纯。
第二节 酶的催化反应动力学酶催化反应动力学研究酶催化反应的速率，以及影响反应速率的各种因素。食品中的酶仅能通过间接测定它们的催化活性而与其他酶区别，下面分别讨论反应速率与反应物的浓度(主要指酶和底物)、活化剂与抑制剂、pH、温度、反应介质的离子强度、水活性，以及其他环境条件的相关性。
一、底物浓度的影响
1、米氏学说的意义早在20世纪初就已经观察到了酶被底物饱和的现象，而这种现象在非酶催化反应中则是不存在的。实际上底物对酶反应速率的影响比较复杂。以反应速率
对底物浓度[S]作图(图6-4)，可以看到当底物浓度较低时，反应速率与底物浓度的关系是呈正比关系，为一级反应，之后随着底物浓度的增加，反应速率不是成直线增加，这一段反应表现为混合级反应。如果再继续加大[S]底物浓度，曲线表现为零级反应，反应速率趋向一个极限。说明酶已被底物饱和。这可以用1913年前后Michaelis与Menten提出的学说解释。首先考虑单一底物的反应，酶(E)与底物(S)形成复合物E·S。
图6-4 酶反应速率与底物浓度的关系
然后E·S释放出产物P及游离形式的酶,


已知在最高活性反应，E·S的形成速率与E·S的分解速率达到平衡前，持续大约5msec。
在讨论上述反应时，首先假设：
(1)底物浓度远大于酶的浓度，即[S]0>>[E]0,大多数酶促反应的[S]0在10-4～10-2mol/L范围，[E]0为10-8～10-6mol/L，因此被酶结合的S量，亦即[E·S]，它与总的底物浓度相比，可以忽略不计。
(2)产物P 的浓度接近0时，不存在逆反应，即讨论酶反应初始速率。
(3)k2控制生成产物P这一步的速率，远小于酶-底物配合物释放出底物这一步的反应速率常数
。因此，
为限制整个反应速率的反应速率常数，
接近0。E和E·S基本上处于平衡状态。
一般地说，上述假设是符合实际情况的，当达到平衡时上式可以写为：


然而，在反应中总的酶浓度[E]t必须等于游离酶的浓度[E]和[E·S]之和，即[E]t=[E]+[E·S]。代入(6-2)式可得：


由于
是限制步骤的反应速率常数，因此整个反应速率
=
[E·S]
于是


式中常数
称为米氏常数(Michaelis constant)或
。当底物浓度很高时，所有的酶都被底物所饱和，并变成E·S复合物，即[E]=[E·S]时，酶促反应达到最大速率
，所以

=
［E·S］=
［E］t (6-5)
用(6-4)除以(6-5)得：


这就是米氏方程(Michaelis-Meten方程)，它表明了当已知
和
时，酶反应速率常数与底物浓度之间的定量关系。
利用米氏方程讨论与实验所得到的曲线(图6-4)之间的关系。当[S]<<
时，式(6-6)可以近似地表示为
，于是
正比于[S]，即与曲线初始阶段的一级反应相符。然而，随着[S]的增加
与[S]相比可以忽略时，则
=
。可见利用米氏方程讨论的结果与实验得到的曲线是一致的。说明米氏方程为单分子酶反应提供了一个很好的模型。
当酶促反应处于
=1/2
的特殊情况时：


由此可知
的物理意义，即
值是当酶反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度，它的单位为mol/L。
米氏常数是酶学研究中的一个极为重要的常数，现作如下分析：
(1)
是酶的特征常数之一，一般只与酶的性质有关，而与酶浓度无关。
(2)如果一个酶有几种底物，则每一种底物对映一个特定的
值，
与pH和温度有关。因此，
作为常数是在pH和温度一定时，对一定底物而言。
(3)同一种酶有几种底物时，其中
最小的底物一般称为该酶的最适底物或天然底物。
1/
可近似地表示酶对底物亲和力的大小，1/
愈大，表明酶的亲和力愈大，也就是说达到最大反应速率一半所需要的底物浓度就愈小。
(4)
不等于
，只有在
<<
、
时，
才可看作是
(这里的
实际上是E·S的解离平衡常数，而不是E + S生成E·S的平衡常数)。在某些酶催化反应中，形成E·S的平衡迅速建立，E·S形成的速率大大地超过E·S分解为产物的速率，例如胰蛋白酶、转化酶、乳酸脱氢酶、脂酶等。因此
、
远远大于
，在这种情况下
是整个反应中最慢的一步，也就是限制反应速率的步骤。于是
,
和
才有共同涵义。
(5)在没有抑制剂(或仅有非竞争性抑制剂存在时，E·S分解速率和E·S形成速率的比值符合米氏方程，称为
，而在另一情况下，
发生变化，不符合米氏方程，此时的比值称为表观米氏常数
′。
(6)根据预先要求的反应速率，利用
和米氏方程可以求出实际应用中需要加入的底物浓度和反应速率。
2.米氏常数的求法以酶的
-[S]图上可以得到
，再从1/2
可求得相应的[S]，即Km值，但实际上不能得到真正的
，而仅仅是一个近似值，因此也就不可能准确测定
值。为了得到准确的
值，Lineweaver和Eadic 等 人对米氏方程进行了修改，使之成为直线方程，然后用图解法求出准确的
值。
(1)Lineweaver-Burk法(双倒数作图法)
Lineweaver-Burk法是对米氏方程的两边同时取倒数，即有下面形式：


然后以
作图，得到一条直线，外推至与x轴相交，直线在-x轴和y轴的截距分别为
，直线的斜率为
。
此法方便且最常用,但实验点过分集中在直线的左端，作图不易十分准确(图6-5)。


图6-5 双倒数作图法
3.Eadic-Hofstee法
Eadic-Hofstee法又名
-
/[S]法，是将米氏方程改写为：


以
对
作图，得到一条直线，其y轴的截距为
，x轴截距为
，斜率为-
。
酶的
值范围很宽，一般在10-6～10-1mol/L之间，表6-4列出了一些酶的
。
表6-4 一些酶的
值酶
底物

(mol/L)
过氧化氢酶
H2O2
2.5×10-2
转移酶
蔗糖
2.8×10-2
棉子糖
3.5×10-1
谷氨酸脱氢酶
谷氨酸
1.2×10-4
α-酮戊二酸
2.0×10-3
NAD氧化型
2.5×10-5
NAD还原型
1.8×10-5
乳酸脱氢酶
丙酮酸
1.7×10-5
β-半乳糖苷酶
乳糖
4.0×10-3
溶菌酶
6-N-乙酰-葡萄糖胺
6.0×10-6
苏氨酸脱氨酶
苏氨酸
5.0×10-3
二、pH对酶反应速率影响大多数酶的活力都受其环境pH的影响，每种酶通常在一个较窄的pH范围内具有催化活性，在某一特定pH时，酶反应具有最大反应速率，高于或低于此值，反应速率下降，通常称此pH为酶的最适pH，一般在5.5～8.0之间，
对pH的关系通常呈钟形曲线(图6-6)。


图6-6 pH值对酶促反应速率的影响
pH对酶活力的影响是一个较复杂的问题，底物和辅助因子都会影响酶的最适pH。因此酶的最适pH有时因底物种类、浓度及缓冲液或成分不同而不同。酶分子中的电荷分布，也就是构成酶分子的氨基酸残基侧链的可离解状态，影响酶的催化活性。但必须注意，最适pH常与酶的等电点不一致，所以酶的最适pH并不是一个常数，只是在一定条件下才有意义。一些酶的最适pH值见表6-5。
表6-5 一些酶的最适pH值酶
最适pH
酶
最适pH
酸性磷酸酯酶(前列腺腺体)
5
葡萄糖氧化酶
5.6
碱性磷酸酯酶(牛乳)
10
α-葡糖苷酶(微生物)
6.6
α-淀粉酶(人唾液)
7
果胶裂解酶(微生物)
9.0～9.2
β-淀粉酶(红薯)
5
果胶酯酶(高等植物)
7
羧肽酶A(牛)
7.5
黄嘌呤氧化酶(牛乳)
8.3
过氧化氢酶(牛肝)
3～10
脂肪酶(胰脏)
7
纤维素酶(蜗牛)
5
脂肪氧合酶-1(大豆)
9
无花果蛋白酶(无花果)
6.5
脂肪氧合酶-2(大豆)
7
木瓜蛋白酶(木瓜)
7～8
胃蛋白酶(牛)
2
β-呋喃果糖苷酶(土豆)
4.5
胰蛋白酶(牛)
8
凝乳酶(牛)
3.5
聚半乳糖醛酸酶(番茄)
4
多酚氧化酶(桃)
6
pH影响酶催化活力的原因主要有以下三个方面：
（1）极端pH(过高或过低)都将影响蛋白质的构象，甚至使酶变性或失活。
（2）当pH改变不很剧烈时，酶虽然不变性，但是活力受到影响。因为催化活性依赖于酶的质子移变基团(Prototropic group)在酶的活性位点上产生的静电荷数量。而且，底物分子的解离状态(影响程度与底物分子中与酶结合的那些功能基的pK′值有关)和酶分子的解离状态也受pH的影响。对于一种酶只有一种解离状态，也就是只有最适pH能够满足酶的活力中心与底物基团结合，以及催化位点的作用，因此,除此pH外，均会降低酶的催化活力。此外，pH还影响到E·S的形成，从而降低酶活性。
（3）pH影响酶分子中其他基团的解离，因而也影响到酶分子的构象和酶的专一性，同时底物的离子化作用也受pH的影响，从而使底物的热力学函数发生变化，结果降低了酶的催化作用。
图6-7表明pH对几种酶的催化作用的影响，可见酶活力受pH的影响很大。因此，酶在提纯和应用中必须保持pH恒定，同时应预先确定酶的pH稳定范围。


图6-7 pH对几种酶的活力影响
a.胃蛋白酶作用于N-乙酰-L-苯丙氨酰-L-二碘酪氨酸；
b.过氧化物酶作用于愈创木酚；
c.胰凝乳蛋白酶作用于酪蛋白；
d.碱性磷酸酯酶作用于对-硝基苯磷酸酯。
通常是测定酶催化反应的初速度和pH的关系来确定酶的最适pH值。然而在食品加工中酶作用的时间相当长，因此除确定酶的最适pH外，还应当考虑酶的pH稳定性。
三、温度对酶反应速率的影响热处理在食品加工和贮藏过程中是一个重要的因素。因为温度改变能够引起食品中各种成分的化学或生物化学变化，而且也会引起酶的作用和微生物发生变化，通过冷藏可以延缓或抑制食品中不利变化和反应；热处理可以促进有利的化学反应或酶反应，也可以通过使酶和微生物失活而阻止不利反应的发生。温度对酶反应速率的影响也是很大的，如图6－8所示呈钟形曲线，每一种酶都具有一个最适温度，在最适温度的两侧，反应速率都比较低。一般从温血动物组织中提取的酶，最适温度一般在35～40℃，植物酶的最适温度稍高，在40～50℃，从细菌中分离出的某些酶的最适温度可达70℃，目前人们正在研究和寻找提高酶的耐热性的方法，以扩大酶在食品工业中的应用范围。
温度对酶的反应速率的影响不仅是在
这一步，而且还影响酶的稳定性、酶反应中所有的缔合或离解平衡(缓冲溶液的离子化作用、底物、产物和辅助因子的离子化)、酶－底物复合物的缔合或离解、酶的可逆反应
、底物(特别是气体)的溶解性、酶的活性部位和酶-底物复合物的质子移变基团的离子化。
温度对酶催化反应的影响通常从酶对热的稳定性、反应活化能Eα和酶活性位点上主要的质子移变基团的化学性质这三个方面进行讨论。
图6-8 温度与酶反应速率的关系图
温度对酶催化反应速率的影响有双重效应：一方面是当温度升高，反应速率加快，同于一般化学反应。对于许多酶来说，当温度从22℃升高到32℃时，反应速率可提高2倍。另一方面，随着温度升高，酶逐渐变性，从而降低酶的催化反应速率。酶最适反应温度是这两种效应平衡的净结果。大部分酶在60℃以上变性，少数酶能耐受较高的温度，如细菌淀粉酶在93℃时活力最高。
同样酶的最适温度不是酶的特征物理常数，而是上述影响的综合结果，它不是一个固定值，而与酶作用的时间长短以及酶和底物的浓度、pH、辅助因子等有关。酶在干燥状态比在潮湿状态对温度的耐受力要高。


图6-9 酶在不同温度下的变性速率酶（Ea＝60,000Cal?mol-1）热失活的一级速率常数K1在温度40、45、55和60℃时分别为0.005、0.020、0.090、0.395和1.80min。
酶的热失活通常遵循一级反应动力学(图6-9)，通过阿伦尼乌斯方程可以得到酶的变性速率常数，从而确定酶的热稳定性。酶热变性的活化能随酶的种类而异，一般在167～418kJ/mol范围。于是，当温度升高时，酶变性的速率提高很快。各种酶的热稳定性相差较大，这与酶的结构和本质有关，例如牛奶中的脂酶和碱性磷酸酶是不耐热的，而酸性磷酸酶则相对稳定，土豆中的酶，以过氧化物酶的热稳定性最好，加热不易使之失活。对于那些能引起食品品质下降的酶，在贮藏过程中需进行失活处理，例如半熟的梨中脂肪氧合酶是导致其腐烂的酶，一般仅需加入较少量的漂白剂处理，便能使之失活。在食品保藏中，如果贮存温度低于玻璃化转变温度Tg和Tg′，则酶的活性完全被抑制。
图6-11 温度(49.6～-60.2℃)对酶催化反应速率的影响
A,转化酶催化蔗糖在缓冲溶液中的水解，两条虚线的交点指出了在溶液的冻结点酶催化反应速率的变化出现了转折；
B,β-半乳糖甘酶催化邻-硝基苯-β-半乳糖苷水解，pH6.1，50%二甲基亚砜-水；
C,β-半乳糖甘酶催化对-硝基苯-β-半乳糖水解，pH7.6，50%二甲基亚砜-水。
在温度低于0℃，特别是在溶液冷冻干燥时，酶的活性并没有完全停止。其活性差异与酶的类型有关（图6-10）。从图6-10(A)可以看出，在温度49.6～-19.4℃的范围，转化酶催化蔗糖水解，在冻结点反应速率变化出现了转折。而在温度25～-60.2℃的范围，β-半乳糖苷酶催化邻或对-硝基苯-β-半乳糖苷水解，整个酶活力分别降低105和104.3倍，但是仍然还具有活性，仅在-3℃时直线的斜率发生变化，同时溶液开始冻结。斜率的变化是由于体系发生相变，改变了限制速率的反应步骤，酶因冷冻浓缩缔合为聚合体或者是底物和水之间的氢键键合增加。如果水解是在50%二甲基亚砜-水溶液中进行，则直线B和C的斜率没有发生改变，因为体系中没有冰出现，所以此时酶催化反应仍服从阿仑尼乌斯方程。因此，食品应尽量避免在稍低于水的冰点温度保藏，减少因冷冻而引起的酶和底物浓缩造成的酶活力增加。此外，冷冻和解冻能破坏组织结构，从而导致酶与底物更接近，图6-11看出鳄鱼组织中的磷脂酶在-4℃的活力相当于-2.5℃的5倍。
图6-11 在冰点温度以下鳄鱼肌肉中磷脂酶催化磷脂水解的速率常数(
)
四、酶浓度对酶反应速率的影响一般认为在pH、温度和底物浓度一定时，酶催化反应速率正比于酶的浓度，当[S]>>[E]时，足以使酶饱和，在大多数情况下上述关系是正确的(图6-12)。这里酶必须是纯酶。


图6-12 底物浓度、pH、温度和缓冲溶液一定时，酶浓度与反应速率的关系
然而，至少有些例外，[E]与
之间不存在线性关系。例如底物溶解度受到限制，底物中存在竞争性抑制剂，底物缓冲剂或水中的不可逆抑制剂如Hg2+、Ag+或Pb2+等重金属离子，以及溶液中酶主要辅助因子的不溶解等因素，都会造成酶催化反应与米氏方程偏离。
五、水活性对酶活力的影响酶与蛋白质一样，反应速率受水活性的影响，只有酶的水合作用达到一定程度时才显示出活性。例如溶菌酶的水合作用已由红外光谱和核磁共振谱得到证实，当溶菌酶中蛋白质含水量为0.2g/g蛋白质时，酶开始显示催化活性，当水合程度达到0.4g/g蛋白质时，在整个酶分子的表面形成单分子水层，此时酶的活性提高，当含水量为0.7g/g蛋白质时，溶菌酶活性达到极限，这样才能保证底物分子扩散到酶的活性部位。β-淀粉酶在aW0.8(～2%水含量)以上才显示出水解淀粉的活力，当水活性aW为0.95(～12%水含量)时，酶的活力提高15倍(图6-13)。从上述例子可以得出如下结论：①食品原料中水分含量低于1%～2%才能抑制酶的活力；②采用有机溶剂替代部分水的方法，测定酶促反应所需要的含水量，例如，以能与水混溶的甘油替代水，使混合溶剂中水含量为75%，此时脂肪氧合酶和过氧化物酶的活力减少，当水分含量减少至20%和10%时；二者的酶活力降低至0(6-14图)，甘油的粘度和特殊效应可能会影响酶的活力；③对于疏水性较强的酶，例如脂肪酶可以用与水不混溶的有机溶剂替代水讨论不同水分含量对酶活力的影响。以脂肪酶催化三丁酯转移至各种醇中为例，将“干”的脂肪酸颗粒（0.48%水含量），分别悬浮于含水量为0.3％、0.6％、0.9％和1.1%（W/W）的正丁醇中，其初始反应速率分别为0.8、3.5、5和4μmol酯转移/h·100mg脂肪酶。因此，猪胰脂肪酶在0.9%水分含量时具有最大的催化酯转移速率。


图6-13 水分活度对酶活力的影响
○ 磷酸酯酶催化卵磷脂水解
● β-淀粉酶催化淀粉水解


图6-14 水中甘油的含量对过氧化物酶（▲）和脂肪氧合酶（●）催化反应速率的影响
有机溶剂对酶的催化作用主要影响酶的稳定性和可逆反应进行的方向，亲水和疏水有机溶剂对酶的影响是不相同的。同水不能互溶的有机溶剂，因为溶剂强烈的疏水作用，使酶的专一性发生改变，从催化水解转向催化合成。例如脂肪酶的“干”的颗粒(水分含量约1%)悬浮于与水不相溶的有机溶剂中时，酶催化酯基转移的速率提高6倍以上，而水解速率则降低16倍。此外，脂肪酶在有机溶剂中由于构象的变化还能够形成立体专一性。有的酶在有机溶剂中比在水相更稳定，例如核糖核酸酶和溶菌酶，核糖核酸酶在水含量为6%时，其热转变温度（Tm）为124℃，在145℃时半衰期为2.0h。当增加水分含量时稳定性降低，其稀溶液的Tm为61℃，而且酶的半衰期也同时缩短。
Kang等指出，酶在水-与水混溶的有机溶剂体系中的热稳定性和催化活性，不同于水-与水不混溶的有机溶剂体系中的情形。例如蛋白酶催化酪蛋白水解，在5%乙醇-95%的缓冲液体系或5%乙腈-95%缓冲液体系中与仅在缓冲溶液中相比较，均能使
增加和
减少，以及稳定性降低（通过CD和DSC分析的结果）。这是质子溶剂如醇和胺，在水解酶反应中的竞争作用所致。
六、激活剂对酶反应速率的影响凡是能提高酶活性的物质，都称为激活剂。其中大部分是离子和简单有机化合物，激活剂按分子大小分为三类。
（1）无机离子金属离子对酶的作用有两方面：一方面是作为酶必不可少的辅助因子；另一方面是它能使很多酶的构象稳定，从而作为激活剂起作用，它们不但影响底物与酶的结合，同样也影响路易斯酸形成或作为电子载体参与催化反应的过程。
作为激活剂起作用的金属离子有K+、Na+、Mg2+、Zn2+、Fe2+和Cu2+等，其中Mg2+是多种激酶与合成酶的激活剂。例如对于催化水解磷酸酯键的酶或者是将ATP的磷酸酯残基转移到适宜受体的酶，Mg2+通过亲电路易斯酸的方式作用，使底物或被作用物的磷酸酯基上的P-O键极化，以便产生亲核攻击。
激活剂对酶的作用具有一定的选择性，即一种激活剂只能对某些酶起激活作用，而对另一种酶可能有抑制作用，有时离子之间还存在拮抗效应。例如Na+抑制K+的激活作用，Mg2+激活的酶则常为Ca2+所抑制。而有的金属离子如Zn2+和Mn2+可替代Mg2+起激活作用。
金属离子浓度对酶的作用有影响，有的激活剂在高浓度时甚至可以从激活剂转为抑制剂。例如Mg2+对NADP+合成酶的激活，在浓度为5～10×10-3mol/L时具有激活作用，但在30×10-3mol/L时则酶活下降；若用Mn2+代规Mg2+，则在1×10-3mol/L起激活作用，高于此浓度，酶活下降，也不再有激活作用。
此外，阴离子和氢离子也都具有激活作用，但不明显，如Cl-和Br-对动物唾液中的α-淀粉酶仅显示较弱的激活作用。
（2）中等大小的有机分子某些还原剂，如半胱氨酸、还原型谷胱甘肽、氰化物等能激活某些酶，使酶中二硫键还原成硫氢基，从而提高酶活性，如木瓜蛋白酶和D-甘油醛-3-磷酸脱氢酶。
金属螯合剂EDTA因能螯合酶中的重金属杂质，从而消除了这些离子对酶的抑制作用。
（3）具有蛋白质性质的大分子物质能起到酶原激活的作用，使原来无活性的酶原转变为有活性的酶。
七、抑制剂对酶催化反应速率的影响酶是蛋白质，因此，凡能使蛋白质变性的任何作用都能使酶失活，例如剪切力、非常高的压力、辐照或是与有机溶剂混溶。同时也可以通过对酶的主活性中心基团修饰而使酶失活。在食品中，所有这些抑制方法都能有效控制酶活性。这种使酶活力丧失的作用称为失活作用。凡使酶活力下降，但并不引起酶蛋白变性的作用称为抑制作用。所以，抑制作用不同于变性作用。实际上在食品中存在一些非竞争性抑制剂，如酚类化合物和芥子油，它们可以非选择性地抑制较宽的酶谱。此外，食品中因环境污染带来的重金属、杀虫剂和其他的化学物质都可成为酶的抑制剂。
从动力学观察考虑，抑制作用可以分为两类，即可逆抑制作用和不可逆的抑制作用。
1、不可逆抑制作用在不可逆抑制作用中，抑制剂通常以非常牢固的以共价键与酶发生共价结合，形成不解离的EI复合物，而使酶分子中的一些重要基团发生持久的不可逆变化，从而导致酶失活，不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而恢复酶活性。


抑制剂对酶的抑制作用依赖于上式的反应速率常数
、酶的浓度[E]和抑制剂的浓度[I]。这样，不可逆抑制作用就成为反应时间的函数。
有时酶的活性位点是与某些化合物结合，生成一中间产物P，然后该中间产物与酶作用形成共价化合物E-P，从而使酶不可逆失活。


当上式中
＞
时酶迅速失活，这里将底物称为抑制剂，或者实际上S不是底物。它们在医药上具有很高的价值，食品中控制酶活也是非常有用的。
另外的一类不可逆抑制剂是与酶的氨基酸侧链上的一些基团，例如巯基、氨基、羧基和咪唑基等结合，通常将这类反应称为蛋白质修饰，如－SH与碘乙酸的反应。
2、可逆的抑制作用可逆的抑制作用是指抑制剂与酶蛋白的结合是可逆的，可采用透析或胶凝法除去抑制剂，恢复酶的活性。在可逆抑制剂与游离状态的酶之间仅在几msec内就能建立一个动态平衡，因此可逆抑制反应非常迅速。可逆的抑制作用也可以采用动力学方法处理。通常将可逆抑制分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制三种类型。异位抑制和其他类型的可逆性抑制将不在本书中阐述。
（1）竞争性抑制（Competitive inhibition）
抑制剂与游离酶的活性位点结合，从而阻止底物与酶的结合，所以底物与抑制剂之间存在竞争反应。假设[I]0>>[E]0，这样[I]≌[I]0




根据单底物反应的稳定态理论，得到一个派生的米氏方程。


这是
0′，在抑制剂浓度一定时的初始抑制速率。
为酶-抑制剂复合物的解离常数或抑制常数，是一个衡量抑制程度的标准。
愈小，抑制剂与酶的亲和力愈强。
如果上式按Lineweaver-Burk方程改写，则为：




图6-15 Lineweaver-Burk方程的竞争性抑制剂对酶催化反应动力学的影响

=
；[I0]1=
；[A]0为初始底物浓度
抑制剂存在与不存在时的线性关系见图6-13，由图可见，y轴截距无论是存在或不存在竞争性抑制剂，都是相同的，且
不受影响。当底物浓度很高时，抑制剂可从活性位点驱除，也就是说可以消除抑制作用的影响。而且在有抑制剂存在时的直线斜率
大于没有抑制剂的情况，也就是Km变大。在许多情况下，竞争性抑制剂具有与底物相类似的结构，与酶形成可逆的EI复合物，但EI不能离解成产物P，因此酶反应速率下降。最典型的例子是丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制，因为丙二酸是二羧酸化合物，与酶的正常底物琥珀酸结构很相似。
（2）非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）
非竞争性抑制剂不与酶的活性位点结合，而是与酶的其他部位相结合。这样抑制剂就可以同等的与游离酶，或与酶-底物反应。因此，以下过程可以同时平行进行：


这里
/
是解离常数，是相对于E·S和E·S·I的形成速率常数
，
/
解离常数是相对于E·I和E·S·I的形成常数
而言，假设在E·S·I和E·I状态下，酶没有活性，且解离常数
和
在数字上相同，这样即可以得到简单的线性非竞争性抑制底物反应方程
和相应的lineweaver-Burk方程。
酶的恒定方程为


双倒数直线( 图6-16)表明，在非竞争性抑制存在时，对酶催化反应的
没有影响，而简单的非竞争性抑制作用直线的斜率和在y轴上的截距都增加，即
减小为
。由此可知，增加底物浓度不能消除抑制剂的影响。这也意味着，非竞争性抑制剂降低了酶的催化反应效果。


图6- 16简单的非竞争性线性抑制作用图

=
；[I0]1=
；[A]0为初始底物浓度
非竞争性抑制剂一般是具有能结合酶中-SH基的基团，而这种-SH基对于酶活性来说也是很重要的，因为它们有助于维持和稳定酶分子的构象。这类试剂是含有Cu2+、Hg2+、Ag+等金属离子的化合物，此外，EDTA结合酶中的金属离子引起的抑制，也属于非竞争性抑制。
3、反竞争性抑制（uncompetitive inhibiton）
反竞争性抑制作用不像竞争性抑制和非竞争性抑制反应，抑制剂不能直接与游离酶结合，仅能与酶-底物复合物反应，形成一个或多个中间复合物。


这里E·S·I不能从底物形成产物P，根据米氏方程，反应速率为
相对于Lineweaver-Burk方程和恒定方程为


由双倒数法作图(图6-17)可知，在反竞争性抑制剂存在时，最大速率
和
均减小，而
的比值不变，所以直线的斜率与没有抑制剂时相等。反竞争性抑制作用，在单底物存在的情况下相当罕见，而以双底物催化反应中发生较多。


图6-17 线性反竞争抑制作用图

=
；[I0]1=2
；[A]0为初始底物浓度
无抑制剂和有抑制剂存在的各种情况下，酶催化的最大反应速率
和
值见表6-6所示。
表6-6 有无抑制剂存在时酶催化反应的
和
值类型 公式




无抑制剂





竞争性抑制

不变
增加
非竞争性抑制

减小
不变
反竞争性抑制

减小
减小
注：在正常情况下非竞争性抑制剂存在时，
为米氏常数；竞争性抑制剂和别构酶存在时，
′为表观米氏常数。
第三节 酶在食品中的作用酶对于食品的质量有着非常重要的作用。实际上，没有酶就没有生命，也就没有食品。食物的生长和成熟过程无不与酶活性相关，而且，甚至有时生长的环境条件也影响包括酶在内的食物的组成成分。Bray报道了植物在生长和成熟期间，由于水分缺乏会影响到基因的表达。
成熟之后的采收、保藏和加工条件都将显著影响食品变化的速度，从而影响食品的品质。由酶催化的反应，有的是需宜的，有的则是不需宜的。因此，控制这些酶的活力则有利于提高食品的质量和延长货架期。
在食品加工中添加外源酶以改善食品的特性和用于许多产品的生产。早在古代，人们便开始不知不觉的在食品加工过程中采用酶催化反应，这些酶可能是存在于食品中的内源酶，也可能来自微生物。目前已有几十种酶成功地在食品工业，例如，葡萄糖、饴糖、果葡糖浆的生产、蛋白质制品加工、果蔬加工、食品保鲜以及改善食品的品质和风味等方面得到应用。
一、内源酶在食品质量中的作用
1、颜色食品的色泽是众多消费者首先关注的感官指标和是否接受的标准。任何食品，无论是新鲜的还是经过加工的，都具有代表自身特色和本质的色泽，多种原因乃至环境条件的改变，即可导致颜色的变化，其中酶是一个敏感的因素。众所周知新鲜的瘦肉应该是红色，而不是紫色或褐色。因为红色是肌肉的主要色素，仅来自氧合肌红蛋白。只有当氧合肌红蛋白发生氧化还原反应或其他反应，才能改变肉的颜色，如肌肉中的酶催化竞争氧的反应，使之改变了氧合肌红蛋白的氧化-还原状态和水分含量，从而使肉的颜色由原来的红色转变为脱氧肌红蛋白的紫色和高铁血红蛋白的褐色。莲藕由白色变为粉红色后，其品质下降，这是由于莲藕中的多酚氧化酶和过氧化物酶催化氧化了莲藕中的多酚类物质的结果。
绿色常常作为人们判断许多新鲜蔬菜和水果质量标准的基础，在成熟时，水果的绿色减褪而代之以红色、橙色、黄色和黑色。青刀豆和其他一些绿叶蔬菜，随着成熟度增加导致叶绿素含量降低。以上所述的颜色变化都与食品中的内源酶有关，其中最主要的是脂肪氧合酶(Lipoxygenase)、叶绿素酶(Chlorophyllase)和多酚氧化酶(Polyphenol oxidase)。
(1)脂肪氧合酶脂肪氧合酶(亚油酸酯:氧 氧化还原酶，EC 1.13.11.2)对于食品有6个方面的影响，其中有的是需宜的，有的则是不需宜的。两个有益的功能是用于小麦粉和大豆粉的漂白；制作面团时在面筋中形成二硫键。然而，脂肪氧合酶对亚油酸酯的催化氧化则可能产生一些负面影响，破坏叶绿素和胡萝卜素，从而使色素降解而发生褪色；或者产生具有青草味的不良异味；破坏食品中的维生素和蛋白质类化合物；食品中的必需脂肪酸，例如亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸遭受氧化性破坏。
脂肪氧合酶的上述所有反应结果，都是来自酶对不饱和脂肪酸(包括游离的或结合的)的直接氧化作用，形成自由基中间产物，其反应历程如图6-18所示。在反应的第1、2和3步包括活泼氢脱氢形成顺，顺-烷基自由基、双键转移，以及氧化生成反，顺-烷基自由基与烷过氧自由基；第4步是形成氢氧化物。然后，进一步发生非酶反应导致醛类(包括丙二醛 )和其他不良异味化合物的生成。自由基和氢过氧化物会引起叶绿素和胡萝卜素等色素的损失、多酚类氧化物的氧化聚合产生色素沉淀，以及维生素和蛋白质的破坏。食品中存在的一些氧化剂如VE、没食子酸丙酯、去甲二氢愈创木酸等能有效阻止自由基和氢过氧物引起的食品损伤。


图6-18 脂肪氧合酶的催化反应历程
(2) 叶绿素酶叶绿素酶（叶绿素 脱植基叶绿素-水解酶，EC 3.1.1.14）存在于植物和含有叶绿素的微生物中，水解叶绿素生成植醇和脱植基叶绿素。尽管将此反应归之于植物绿色的损失，然而还没有足够证据说明，脱植基叶绿素仍然具有绿色。因此，无根据说明脱植基叶绿素脱色(即失去Mg2+)的稳定性低于叶绿素。叶绿素酶在植物体内的作用至今仍然还是不清楚。关于叶绿素酶在植物食品原料保藏期中对于叶绿素的催化水解很少有研究涉足。
(3) 多酚氧化酶多酚氧化酶（1,2-苯二酚:氧 氧化还原酶，EC 1.10.3.1）通常又称为酪氨酸酶(Tyrosinase)、多酚酶(Polyphenolase)、酚酶(phenolase)、儿茶酚氧化酶(Catechol oxidase)、甲酚酶(Cresolase)或儿茶酚酶(Catecholase)，这些名称的使用是由测定酶活力时使用的底物，以及酶在植物中的最高浓度所决定。多酚氧化酶存在于植物、动物和一些微生物(特别是霉菌)中，它催化两类完全不同的反应。




这两类反应一类是羟基化，另一类是氧化反应。前者可以在多酚氧化酶的作用下氧化形成不稳定的邻-苯醌类化合物，然后再进一步通过非酶催化的氧化反应，聚合成为黑色素(melanin)，并导致香蕉、苹果、桃、马铃薯、蘑菇、虾发生非需宜的褐变和人的黑斑形成。然而对茶叶、咖啡、葡萄干和梅干，以及人的皮肤色素形成产生需宜的褐变。当邻苯醌与蛋白质中赖氨酸残基的ε-氨基反应，可引起蛋白质的营养价值和溶解度下降，同样由于褐变反应也将会造成食品的质地和风味的变化。
据估计，热带水果50%以上的损失都是由于酶促褐变引起的。同时酶促褐变也是造成新鲜蔬菜例如莴苣和果汁的颜色变化、营养和口感变劣的主要原因。因此，科学工作者提出了许多控制果蔬加工和贮藏过程中酶促褐变的方法，例如驱除O2和底物酚类化合物以防止褐变，或者添加抗坏血酸、亚硫酸氢钠和硫醇类化合物等，将初始产物、邻苯醌还原为原来的底物，从而阻止黑色素的生成。另一方面，这些还原剂都能直接引起酶失活，从而抑制酶促褐变。这是因为抗坏血酸能够破坏酶活性位点上的组氨酸残基，而亚硫酸氢钠和硫醇可以除去酶活性位点中的Cu2+。然而实际上这些方法都不是行之有效的措施。
4-己基间苯二酚、苯甲酸和其他一些非底物酚类化合物，也可作为多酚氧化酶的有效竞争性抑制剂，其
一般在1～10μmol/L之间。
二、质地质地对于食品的质量是一项致关重要的指标，水果和蔬菜的质地主要与复杂的碳水化合物有关，例如果胶物质、纤维素、半纤维素、淀粉和木质素。然而影响各种碳水化合物结构的酶可能是一种或多种，它们对食品的质地起着重要的作用。如水果后熟变甜和变软，是酶催化降解的结果。蛋白酶的作用可使动物和高蛋白植物食品的质地变软。
1、果胶酶果胶酶（pectic enzymes）有3种类型，它们作用于果胶物质都产生需宜的反应。其中果胶甲酯酶(pectin methylesterase)和聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase)存在于高等植物和微生物中，而果胶酸裂解酶(pectate lyases)仅在微生物中发现。
果胶甲酯酶(果胶 果胶基水解酶，EC 3.1.1.11)水解果胶的甲酯键，生成果胶酸和甲醇。


果胶甲酯酶又称为果胶酯酶(Pectinesterase)、果胶酶(Pectase)、脱甲氧基果胶酶(Pectin demethoxylase)。当有二价金属离子，例如Ca2+存在时，果胶甲酯酶水解果胶物质生成果胶酸，由于Ca2+与果胶酸的羧基发生交联，从而提高了食品的质地强度。
聚半乳糖醛酸酶(聚-α-1,4-半乳糖醛酸苷 聚糖-水解酶，EC 3.2.1.15)水解果胶物质分子中脱水半乳糖醛酸单位的α-1,4-糖苷键。


聚半乳糖醛酸酶有内切和外切酶两种类型存在，外切型是从聚合物的末端糖苷键开始水解，而内切型是作用于分子内部。由于植物中的果胶甲酯酶能迅速裂解果胶物质为果胶酸，因此关于植物中是否同时存在聚半乳糖醛酸酶(作用于果胶酸)和聚甲基半乳糖醛酸酶(作用于果胶)，目前仍然有着不同的观点。聚半乳糖醛酸酶水解果胶酸，将引起某些食品原料物质(如番茄)的质地变软。
果胶酸裂解酶[聚-（1,4-α-D-半乳糖醛酸苷）裂解酶，EC 4.2.2.2]在无水条件下能裂解果胶和果胶酸之间的糖苷键，其反应机制遵从β-消去反应。它们存在于微生物中，而在高等植物中没有发现。H2O


由上述反应式可见，果胶裂解酶裂解糖苷键后生成一个含还原基的产物和另一个含双键的产物，其中前一个产物与聚半乳糖醛酸酶作用于果胶生成含还原基的产物相同，同时二者都能降低食品质地强度，因此，不可能用这种方法区别它们。然而，果胶裂解酶因生成的第二个产物含有双键，在235nm波长的摩尔消光系数为4.80×103（mol/L）-1cm-1。因此，可以根据反应体系在235nm处的吸光度变化区别果胶裂解酶和聚半乳糖醛酸酶。果胶裂解酶也包括内切酶和外切酶两种类型。同样也可以根据作用底物的专一性将果胶裂解酶分为两种类型，即作用于果胶或果胶酸的果胶裂解酶。
原果胶酶（Protopectinase）是第4种类型的果胶降解酶，仅存在于少数几种微生物中。原果胶酶水解原果胶生成果胶。然而，植物中原果胶酶的活力是来源于果胶甲酯酶和聚半乳糖醛酸酶二者共同作用的结果，是否是真实的原果胶酶作用，这一问题仍然还不清楚。
2、纤维素酶和戊聚糖酶众所周知，树和棉花中富含纤维素，而水果、蔬菜中含量却很少。纤维素在细胞结构中起着重要的作用。关于纤维素酶（cellulases）在豆类变软中的作用尚无定论。但是在果蔬汁加工中却常利用纤维素酶改善其品质。关于微生物纤维素酶的研究报道较多，主要在于它能将纤维素转化为可溶性葡萄糖的潜在能力。半纤维素存在于高等植物中，它是木糖、阿拉伯糖或木糖与阿拉伯糖以及少量其他戊糖和己糖聚合而成的聚合物。
戊聚糖酶(Pentosanases)存在于微生物和一些高等植物中，能够水解木聚糖、阿拉伯聚糖和木糖与阿拉伯糖的聚合物为小分子化合物。在小麦中存在少数浓度很低的内切和外切水解戊聚糖酶，然而对它们的特性了解较少。
3、淀粉酶淀粉酶(Amylases)不仅存在于动物中，而且也存在于高等植物和微生物中，能够水解淀粉。因此，食品在成熟、保藏和加工过程中淀粉被降解也就不足为奇了。淀粉在食品中主要提供粘度和质地，如果在食品的贮藏和加工中淀粉被淀粉酶水解，将显著影响食品的品质。淀粉酶包括α-淀粉酶，β-淀粉酶和葡糖淀粉酶三种主要类型，此外还有一些降解酶。表6-7列出了某些降解酶。
α-淀粉酶存在于所有的生物体中，能水解淀粉(直链淀粉和支链淀粉)、糖原和环状糊精分子内的α-1,4-糖苷键，水解物中异头碳的α-构型保持不变。由于水解是在分子的内部进行，因此α-淀粉酶对食品的主要影响是降低粘度，同时也影响其稳定性，例如布丁、奶油沙司等。唾液和胰α-淀粉酶对于食品中淀粉的消化吸收是很重要的，一些微生物中含有较高水平的α-淀粉酶，它们具有较好的耐热性。
β-淀粉酶从淀粉的非还原末端水解α-1,4糖苷键，生成β-麦芽糖。因为β-淀粉酶是外切酶，只有淀粉中的许多糖苷键被水解，才能观察到粘度降低。它主要存在于高等植物中，它不能水解支链淀粉的α-1,6-糖苷键，但能够完全水解直链淀粉为β-麦芽糖。因此，支链淀粉仅能被β-淀粉酶有限水解。麦芽糖浆聚合度大约为10，在食品工业中，应用十分广泛，麦芽糖可以迅速被酵母麦芽糖酶裂解为葡萄糖，因此，β-淀粉酶和α-淀粉酶在酿造工业中非常重要。β-淀粉酶是一种巯基酶，它能被许多巯基试剂抑制。在麦芽中，β-淀粉酶可以通过二硫键与另外的巯基以共价键连接，因此，淀粉用巯基化合物处理，例如半胱氨酸，可以增加麦芽中β-淀粉酶的活性。
葡糖淀粉酶又名葡糖糖化酶，是从淀粉的非还原末端水解α-1,4键生成葡萄糖，其中对支链淀粉中的α-1,6键的水解速率比水解直链淀粉的α-1,4键慢30倍，糖化酶在食品和酿造工业上有着广泛的用途，例如果葡糖浆的生产。
表6-7 一些淀粉和糖原降解的酶名称
作用的糖苷键
说明
内切酶(保持构象不变)
α-淀粉酶(EC 3.2.1.1)
α-1,4
反应初期产物主要是糊精；终产物是麦芽糖和麦芽三糖
异淀粉酶(EC 3.2.1.68)
α-1,6
产物是线性糊精
异麦芽糖酶(EC 3.2.1.10)
α-1,6
作用于α-淀粉酶水解支链淀粉的产物
环状麦芽糊精酶
(EC 3.2.1.54)
α-1,4
作用于环状或线性糊精，生成麦芽糖和麦芽三糖
支链淀粉酶(EC 3.2.1.41)
α-1,6
作用于支链淀粉、生成麦芽三糖和线性糊精
异支链淀粉酶(EC 3.2.1.57)
α-1,4
作用于支链淀粉生成异潘糖，作用于淀粉生成麦芽糖
新支链淀粉酶
α-1,4
作用于支链淀粉生成异潘糖，作用于淀粉生成麦芽糖
淀粉支链淀粉酶
α-1,4
α-1,6
作用于支链淀粉生成麦芽三糖，作用于淀粉生成聚合度分为2～4的产物。
外切酶(非还原端)
β-淀粉酶(EC 3.2.1.2)
α-1,4
产物为β-麦芽糖
α-淀粉酶
α-1,4
产物为α-麦芽糖，对于专一外切α-淀粉酶的产物是麦芽三糖、麦芽四糖、麦芽五糖和麦芽六糖，并保持构象不变。
葡糖糖化酶(EC 3.2.1.3)
α-1,6
产物为β-葡萄糖
α-葡萄糖苷酶
(EC 3.2.1.20)
α-1,4
产物是α-葡萄糖
转移酶
环状麦芽糊精葡萄糖转移酶(EC 2.4.1.19)
α-1,4
由淀粉生成含6～12个糖基单位的α-和β-环状糊精
4、蛋白酶蛋白酶在食品生产中，不仅用于提高食品的质地和风味，而且也常用于肉制品和乳制品的加工，例如利用凝乳酶形成酪蛋白凝胶制造干酪。这些酶可以从动物、植物或微生物中分离得到。当明胶中加入菠萝，由于存在于菠萝中的菠萝蛋白酶的作用使之不能形成凝胶，而凝乳酶能够水解κ-酪蛋白中的Phe105-Met106单个肽键，使牛乳形成凝胶，κ-酪蛋白的专一性水解使酪蛋白胶束失稳，并引起聚集和形成凝乳(农家干酪)。有时也添加微生物酶改善干酪的风味。在焙烤食品加工中，将蛋白酶作用于小麦面团的谷蛋白，不仅可以提高混合特性和需要的能量，而且还能改善面包的质量。蛋白酶另外一个显著的作用是在肉类和鱼类加工中分解结缔组织中的胶原蛋白、水解胶原、促进嫩化。动物屠宰后，肌肉将变得僵硬(肌球蛋白和肌动蛋白相互作用引起伸展的结果)，在贮存时(7～21d)，通过内源酶(Ca2+-激活蛋白酶，或许是组织蛋白酶)作用于肌球蛋白-肌动蛋白复合体，肌肉将变得多汁。添加外源酶，例如木瓜蛋白酶和无花果蛋白酶，由于他们的选择性较低，主要是水解弹性蛋白和胶原蛋白，从而使之嫩化。组织蛋白酶存在于动物组织细胞的溶菌体内，在酸性pH具有活性，当动物宰后其pH下降，这些酶释放出来，可能导致肌肉细胞中的肌原纤维及胞外结缔组织分解。
啤酒中的沉淀与蛋白质沉降有关，可以通过加入植物蛋白酶水解消除。特别应该强调的是，利用酶水解蛋白质应该尽量避免产生苦味肽或氨基酸。
三、风味对食品中风味和异味有贡献的化合物不计其数，然而评价这些化合物的结合却不是一件容易的事情。鉴定酶在产生食品风味的生物合成途径和形成不需宜风味的历程，同样也是相当困难的，许多风味物质的形成都与多种酶的作用途径有关。食品在加工和贮藏过程中酶还可以改变食品的风味或增色，特别是风味酶的发现和应用，使之更能真实的让风味再现、强化和改变。例如，将奶油风味酶作用于含乳脂的巧克力、冰淇淋、人造奶油等食品，可增强这些食品的奶油风味。
食品在加工和贮藏过程中，由于酶的作用可能使原有的风味减弱或失去，甚至产生异味。例如不恰当的热烫处理或冷冻干燥，由于过氧化物酶、脂肪氧合酶等的作用，会导致青刀豆、玉米、莲藕、冬季花菜和花椰菜等产生明显的不良风味。即使经热处理后的过氧化物酶，当在常温下保存，酶活力仍能部分恢复。过氧化物酶的再生是它又一个重要特征，这一点对于新鲜水果和蔬菜贮藏是特别值得注意的。过氧化物酶是一种非常耐热的酶，广泛存在于所有高等植物中，其中对辣根的过氧化物酶研究最为清楚。通常将过氧化物酶作为一种控制食品热处理的温度指示剂，同样也可以根据酶作用产生的异味物质作为衡量酶活力的灵敏方法。过氧化物酶从风味、颜色和营养的观点看似乎也是重要的，例如，过氧化物酶能导致维生素C的氧化降解。当不饱和脂肪酸不存时，它能催化胡萝卜素和花色苷失去颜色，过氧化物酶还能促进不饱和脂肪酸的过氧化物降解，产生挥发性的氧化风味化合物。此外，过氧化物酶在催化过氧化物分解的历程中，同时产生了自由基，已经知道，反应中产生的自由基能引起食品许多组分的破坏。因此，关于酶催化氧化风味的形成和其他异味的产生，过氧化物酶与脂肪氧合酶的影响机制仍不十分清楚。但有一点可以肯定，二者对氧化风味均有贡献，有时往往是共同作用的结果。除此之外，未经热烫的冷藏蔬菜所产生的异味，不仅与过氧化物酶和脂肪氧合酶有关，而且还与过氧化氢酶、α-氧化酶（α-Oxidase）和十六烷酰-辅酶A脱氢酶有关。
Whitaker和Pangborn等人研究认为，青刀豆和玉米产生不良风味和异味主要是脂肪氧合酶催化氧化的作用，而冬季花椰菜却主要是在半胱氨酸裂解酶的作用下形成不良风味。然而，另外的研究表明，尽管过氧化物酶还不是完全决定食品产生异味的酶，但是，它以较高的水平在自然界存在，优良的耐热性能，使之仍能作为判断一种冷冻食品风味稳定性和果蔬热处理是否充分的一项指标。
柚皮苷是葡萄柚和葡萄柚汁产生苦味的物质，可以利用柚皮苷酶处理葡萄柚汁，破坏柚皮苷从而脱除苦味，也有采用DNA技术去除柚皮苷生物合成的途径达到改善葡萄柚和葡萄柚汁口感的目的。
四、营养质量酶对食品营养影响的研究相对报道较少。已知脂肪氧合酶氧化不饱和脂肪酸，会引起亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸这些必需脂肪酸含量降低，同时产生过氧自由基和氧自由基，这些自由基将使食品中的类胡萝卜素(维生素A的前体物质)、生育酚(维生素E)、维生素C和叶酸含量减少，破坏蛋白质中的半胱氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸残基，或者引起蛋白质交联。一些蔬菜(如西葫芦)中的抗坏血酸能够被抗坏血酸酶破坏。硫胺素酶会破坏氨基酸代谢中必需的辅助因子硫胺素。此外，存在于一些微生物中的核黄素水解酶能降解核黄素。多酚氧化酶不仅引起褐变，使食品产生不需宜的颜色和味道，而且还会降低蛋白质中的赖氨酸含量，造成营养价值损失。
第四节 食品加工中的固定化酶酶的固定化是20世纪50年代发展起来的一项技术，人们基于生物体内的酶固定在细胞壁和膜的现象，提出酶的固定化，希望酶能重复使用，同时又能稳定酶、改变酶的专一性、提高酶活力，从而改善酶的各种特性。前面已经提到，食物中的内源酶或添加的外源酶，能够改变食品的色泽、风味、质地和营养，乃至影响加工过程和食品的货架期。因此，食品加工中酶的应用愈来愈广泛。
所谓固定化酶(immobilized enzyme)，是指在一定空间内呈闭锁状态存在的酶，能连续地进行反应，反应后的酶可以回收重复使用。根据1971年第一届国际酶工程会议对酶的分类，酶可分为天然和修饰酶，固定化酶属于修饰酶。
在食品加工中固定化酶的使用显得尤为重要。食品是一个相当复杂的物理体系，而不是一个复杂的化学问题。由于酶的高度专一性，只能作用于特定底物，例如葡萄糖，因此，葡糖氧化酶能从这复杂的混合物中选择性地与葡萄糖反应，生成共价化合物。然而数以百计的化合物则不发生变化。在固定化酶体系中，特定的排列对于酶与底物结合是必需的，这就可能制备固定化酶和循环使用。固定化酶在食品分析中也有着特别的价值。
酶的固定化，可以通过将酶包裹于聚合基质或连接于载体分子而限制酶的移动；也可以采用酶的交联，通过蛋白质交联或无活性材料的加入，从而产生无数不同材料的固定方法；连接于合成材料载体上；最近还报道了交联酶晶体的方法。
固定化酶依不同用途有颗粒、线条、薄膜和酶管等形状，其中颗粒状占绝大多数。食品工业上固定化酶的使用，能将酶和反应物分开，使之产物不含酶，因此不需要加热使酶失活，有助于提高食品的品质，同时也能产生更大的经济效益。
一、酶的固定化方法酶固定有多种方法，根据固定化酶的应用目的、应用环境不同，可用于固定化制备的物理、化学手段、材料等多种多样。然而，固定化酶的制备和方法选择，需要遵循下面的基本原则。
①必须注意维持酶的催化活性和专一性。酶蛋白的活性中心是酶的催化反应必需的，酶蛋白的空间构象与酶活力密切相关，因此，在酶的固定化过程中应避免酶蛋白的高级结构发生变化，同时要保证酶活性部位不与载体结合。由于蛋白质的高级结构保持稳定是氢键、疏水相互作用和离子键等弱相互作用的结果，因此，固定化时应尽量采取温和的条件，保护好酶蛋白的活性基团。
②固定化的载体必须有一定的机械强度，才能使之在制备过程中不易破坏或受损。而且酶与载体必须牢固的结合，以利于反复使用，同时应尽可能降低生产成本。
③固定化酶应有最小的空间位阻，有利于酶与底物接近，以提高产品质量和增加反应性。
④固定化酶的载体应具有最大的稳定性，在应用过程中，不与任何废物、产物或反应液发生化学反应。
酶的固定化方法有多种，按照结合的方法分为三类：非共价结合法(包括结晶法、分散法、物理吸附法和离子结合法)、化学结合法(交联法和共价结合法)与包埋法(微囊法、网络法)。
1、非共价结结合法结晶法：是使酶结晶实现固定化的，因此，对于晶体来说，载体就是酶蛋白本身，它提供了非常高的酶浓度。对活力较低的酶来说，这一点更具优越性。这种方法是酶在反复使用时，由于酶耗损而使固定化酶浓度降低。
分散法：是将酶分散或悬浮于水不相溶的有机相中，然后通过离心或过滤的方法将酶固定。这种方法可能引起酶活力降低或影响酶的构象与稳定性。Ottolina等报道了脂肪酶(LPL)在催化乙酰化反应体系中的作用，酶在水体系中有较高的乙酰化活力，而在甲苯中活力较低，脂肪酶在冻干的过程中失去活力，添加聚乙二醇可显著提高活力。
物理吸附法：是将酶吸附在不溶性载体上的一种固定方法。所用的载体一般是多孔玻璃、活性炭、酸性白土、漂白土、高岭土、氧化铅、硅胶、膨润土、羟基磷灰石、磷酸钙、金属氧化物等无机载体，以及淀粉、白蛋白等天然高分子载体。最近，大孔合成树脂、陶瓷、单宁和疏水基载体(丁基或己基-葡聚糖凝胶)也引起了人们的关注。物理吸附的最大优点是酶活性中心不易被破坏，而且酶的高级结构变化较少，因而酶活损失很小。若能找到适当的载体，这是最理想的方法。但是，酶与载体之间是以弱的相互作用结合，酶易脱落，也易受pH、浓度和离子强度的影响，使酶从载体上解吸。
离子结合法：是酶通过离子键结合在具有离子交换基的水溶性载体上的固定化方法。常用的阴离子交换剂载体有DEAE-纤维素，DEAE-葡聚糖凝胶，Amberlite IRA-193、IRA-410、IRA-900；阳离子交换剂载体如CM-纤维素，Amberlite CG-50、IRC-50、IR-120，Dowex-50等。离子结合法操作简单、条件温和，酶的高级结构和活性中心不易被破坏，而且酶活回收率较高。但是，酶同载体结合力较弱，容易受离子强度和pH的影响。
2、化学结合法化学结合法是酶通过共价键与载体结合的固定化方法，该法报道较多。一般有两种结合的方式，一是将载体先活化，然后与酶的相关基团发生偶联反应。常选用的载体包括纤维素、葡聚糖、交联葡聚糖、琼脂糖、魔芋葡甘聚糖、胶原、聚丙烯酰胺、尼龙、聚酯、玻璃和陶瓷等。另一种是将载体接上双官能试剂，例如戊二醛、1，5-二氟-2,4-二硝基苯，然后将酶偶联上去。可与载体共价结合的酶的官能团有α-氨基或ε-氨基、α、β或γ位的羧基、巯基、羟基、咪唑基、酚基等。参与共价结合的氨基酸残基不应是酶的活化部位。
共价结合因为比较牢固，即使当底物浓度较高或存在盐等原因时，酶也不易脱落。因此，如何选择性地进行反应是酶固定化的关键。由于反应条件比较激烈，常会出现酶蛋白高级结构的变化，或破坏部分活性中心，这样酶活回收率较低，一般为30%左右，甚至底物的专一性也会发生变化。
3、包埋法包埋法分为网络型和微囊型两种，前者是将酶包埋在高分子凝胶网络中，后者是将酶包埋在高分子的半透膜中。包埋法一般不需要与酶蛋白的氨基酸残基进行结合反应，很少改变酶的高级结构，酶活回收率较高。但是在包埋时发生的化学聚合反应，使酶容易失活。因为只有小分子才能在高分子凝胶网络的微孔中扩散，并且这种扩散阻力会导致固定化酶的动力学行为改变，从而降低酶的活力。因此，包埋法只能适合作用于小分子的底物和小分子产物的酶，对那些作用于大的底物和产物的酶则是不适宜的。
通常采用的载体材料有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、光敏树脂、淀粉、高纯度魔芋葡甘露聚糖、明胶、胶原、海藻酸和鹿角藻胶等。载体上结合的酶一般为载体质量的0.1%～10%，酶活力在0.1～500U/mg。微囊型固定化酶通常是直径为几μm到几百μm的球状体。颗粒比网络型小得多，有利于底物和产物扩散，但是制备成本较高，反应条件要求也较严格。
二、固定化酶的性质酶固定化实际上是酶的一种修饰，因此，酶本身的结构必然随着固定化的不同而受到不同程度的影响和变化，同时，酶固定化后，其催化作用由均相转变为异相。再者，酶、底物和载体可能带有电荷，因此产生静电相互作用，上述原因带来的扩散限制效应、空间效应、电荷效应、以及载体性质造成的分配效应等因素都必然会对酶的性质产生影响。
1、固定化后酶活力和稳定性的变化固定化酶的活力在大多数情况下比天然酶小，其专一性也可能发生变化。例如，胰蛋白酶用羧甲基纤维素载体固定后，对酪蛋白的活力降低30%。这主要是由于在固定化过程中酶的空间构象发生变化或因空间位阻及扩散阻力，直接影响到活性中心和底物的定位。酶在包埋后，使大分子底物不能透过膜与底物接触。然而也有极少数情况，酶与载体交联后提高了酶的稳定性而使酶活力提高。
大多数情况下酶固定化后其稳定性都有不同程度增加，这是十分有利的。Merlose曾对50种固定化酶的稳定性进行了研究，发现其中有30种酶固定化后稳定性提高，只有8种酶的稳定性降低。固定化酶的稳定性提高主要表现在耐热性增加，以及对有机试剂和酶抑制剂耐受性的提高。酶固定化后也可能使最适反应pH的范围改变，这是由于酶在固定化时与载体多点连接，从而防止了酶蛋白分子的伸展，而且减少了与其他分子反应的基团。此外，酶固定化后其活力可缓慢释放，因此使酶的稳定性比天然状态高。
2、固定化酶最适条件的变化酶固定化后由于热稳定性提高，因而最适反应温度发生变化，一般比固定以前提高。但也有少数报道例外。
酶的催化能力对环境pH非常敏感。固定化酶对底物作用的最适pH变化可达1～2个pH单位，而且酶活力－pH曲线也会发生一定的偏移，一般二者的曲线关系已再不是钟形曲线。这主要是微环境表面电荷带来的影响所致。通常，带负电荷的载体，其最适pH较游离酶偏高。这是由于载体的聚阴离子效应，使固定化酶扩散层的H+浓度比周围外部溶液高，这样外部溶液的pH只有向碱性偏移，才能抵消微环境作用。反之，使用带正电荷的载体其最适pH向酸性偏移。
3、固定化酶对米氏常数的影响固定化酶的表观米氏常数
′随载体的带电性能而变化。当酶结合于电中性载体时，由于扩散限制造成
′上升。然而对带电载体，由于载体和底物之间的静电相互作用，将引起底物分子在扩散层和整个溶液之间的不均匀分布，产生电荷梯度效应，结果造成与载体电荷相反的底物，在固定化酶微环境中的浓度高于整体溶液。因此，固定化酶即使在溶液的底物浓度较低时，也可达到最大反应速率，即固定化酶的表观米氏常数
′低于溶液的
值。然而，当载体与底物电荷相同时，就会造成固定化酶的表观米氏常数
′值显著增加，这是根据Hornby 等提出的固定化酶催化反应扩散动力学方程得到的。采用流动柱状反应器时固定化酶的反应速率和表观米氏常数分别为




式中
，Nernst扩散层厚度；D，底物扩散系数；z，底物的价数；F，Faraday常数；V，载体附近的电位梯度。

项称为扩散项。严格地说，项中
和
不是扩散系数，而只有
和D才是与扩散有关的参数。由扩散项可知，
′随
/D减小而降低，当
/D的极限值趋于零时，
′接近
，通常采用小的载体和提高流动速度（或搅拌速度）可使扩散层厚度
减小。其中D与反应体系组成有关。
为静电项。如果z与V具有相同符号，即底物和载体带有相同电荷，则静电项大于1，
′增大；如果z与V符号相反，那么静电项小于1，相应
′减小；如果z与V=0。那么静电项等于1，此时
′仅是扩散因素的函数。
这里必须指出，在上述固定反应器中，酶的催化反应速率
不再是

，然而实际工作中总是期望底物尽可能多地转变成产物。酶在反应器中所遵从的反应速率动力学，取决于反应时间。可用下式表示


式中
，速率常数；[E]0，酶的总浓度；t，底物在反应器中停留的时间。
载体引起的电荷效应使
′发生变化，实际上，这是由于酶蛋白分子的高级结构发生变化和载体的静电相互作用影响了酶与底物的亲和力，从而使
′发生变化。
′的变化程度与溶液中的离子强度有关。一般在高离子强度时，
′接近原酶的
值。
三、固定化酶在食品中的应用固定化酶尽管有许多优点，但是真正用于食品加工中的却很少，然而在食品分析中应用较多。淀粉转化为果糖是最有意义的体系。在淀粉转化的过程中需要将淀粉颗粒加热到105℃使之被破坏，但是由于淀粉溶涨，溶液的粘度太高，不利于酶的催化反应进行，如果此时使用热稳定性相对较高的地衣形芽孢杆菌(Bacillus lichenformis)产生的α-淀粉酶，将淀粉水解到DP=10，但是，在如此高的温度下，淀粉和溶剂中的任何微生物都会遭到破坏，因此，上述途径毫无实际意义。如果将葡糖淀粉酶和葡萄糖异构酶固定在柱状反应器上，对淀粉进行水解和异构化催化反应，则是十分有利的，而且相对较稳定，至于柱子的污染和再生也不存在问题。此外，在食品加工中应用的还有氨酰基转移酶(aminoacylase)、天冬氨酸酶(aspartase)、富马酸酶(fumarase)和α-半乳糖苷酶(α-galactosidase)等固定化酶。一些国家将乳糖酶固定在载体柱上，用以水解牛奶中的乳糖为半乳糖和葡萄糖，生产不含乳糖的牛奶以满足乳糖酶缺乏的人群的需要。
第五节 食品加工中的酶制剂自然界有许许多多的生物质，例如淀粉、纤维素、木质素、脂类、核酸和蛋白质需要转化，那么首先需要的是淀粉酶、纤维素酶、木质素过氧化物酶、脂肪酶、核酸酶和蛋白酶，其需要量是如此之大。然而存在的主要问题是以上例举的潜在底物的不溶性或溶解性差，使酶不能有效催化。虽然有些方法可以增加溶解度和水解速率，但是需要消耗价值昂贵的能量，使之在目前不经济。在生物质的转化过程中必须是环境上可接受的，而且产品是无害的。
在食品加工中所用的酶制剂，目前已有几十种。例如葡萄糖、饴糖、果葡糖浆等甜味剂与啤酒、酱油等的生产，蛋白质制品和果蔬的加工，乳制品和焙烤食品中的应用，食品保鲜以及食品品质和风味的改善等。应用的酶制剂主要有α-淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、葡萄糖异构酶、果胶酶、脂肪酶、纤维素酶和葡萄糖氧化酶等，这些酶主要来自可食的或无毒的植物、动物，以及非致病、非产毒的微生物。世界食品用酶有50%以上是由Novo Nordisk公司提供的，其中有60%的酶是由基因改组的微生物生产的，但必须指出，对于基因重组的酶在食品工业中应用要进行严格的安全评价，目前食品工业中主要应用的酶制剂见表6-8。
表6-8 食品工业中应用的酶制剂酶
来源
主要用途
α-淀粉酶
枯草杆菌、米曲霉、黑曲霉
淀粉液化、生产葡萄糖、醇等
β-淀粉酶
麦芽、巨大芽孢杆菌、多黏芽孢杆菌
麦芽糖生产、啤酒生产、焙烤食品
糖化酶
根霉、黑曲霉、红曲霉、内孢酶
糊精降解为葡萄糖
蛋白酶
胰脏、木瓜、菠萝、无花果、枯草杆菌、霉菌
肉软化、奶酪生产、啤酒去浊、香肠和蛋白胨及鱼胨加工
纤维素酶
木霉、青霉
食品加工、发酵
果胶酶
霉菌
果汁、果酒的澄清
葡萄糖异构酶
放线菌、细菌
高果糖浆生产
葡萄糖氧化酶
黑曲霉、青霉
保持食品的风味和颜色
橘苷酶
黑曲霉
水果加工、去除橘汁苦味
脂肪氧化酶
大豆
焙烤中的漂白剂
橙皮苷酶氨基酰化酶
黑曲霉霉菌、细菌
防止柑橘罐头和橘汁浑浊
DL-氨基酸生产L-氨基酸
乳糖酶
真菌、酵母
水解乳清中的乳糖
脂肪酶
真菌、细菌、动物
乳酪的后熟、改良牛奶风味、香肠熟化
溶菌酶
食品中的抗菌物质
一、甜味剂生产使用的酶制剂玉米淀粉的转化已经有许多成功的产品，例如采用α-淀粉酶、糖化酶和葡萄糖异构酶催化玉米淀粉生产不同聚合度的糖浆、葡萄糖和果糖以及饴糖、麦芽糖等。在这些甜味剂的生物催化加工中，酶起着极为关键的作用，因此，必须保证酶的高度专一性，同时除去影响酶作用的有毒成分，使之得到理想的食品配料和满足食品加工所需的功能特性。例如淀粉在糖化过程中所采用的α-淀粉酶和糖化酶要求达到一定的纯度，应不含或尽量少含葡萄糖苷转移酶，因为葡萄苷转移酶会生成不需要的异麦芽糖。
在甜味剂的生物技术生产中，高果糖玉米糖浆的生产就是一个成功的实例。生产过程使用的酶都是固定化的，因为α-淀粉酶固定化后，不存在外部扩散限制，可以多次连续反应，因此只有通过酶的固定化才能提高酶的耐热性。表6-9列出了生物催化生产的某些甜味剂。


表6-9 生物催化生产的某些甜味剂原料
产品
酶
淀粉
玉米糖浆
α-淀粉酶、支链淀粉酶
葡 萄 糖
α-淀粉酶、糖化酶
果 糖
α-淀粉酶、糖化酶，葡萄糖异构酶
淀粉+蔗糖
蔗糖衍生物
环状糊精葡萄糖基转移酶和支链淀粉酶(或异构酶)
蔗糖
葡萄糖+果糖
转化酶
蔗糖
异麦芽寡糖
β-葡萄糖基转移和异麦芽寡糖合成酶
蔗糖+果糖
明串珠菌二糖
α-1,6-糖基转移酶
乳糖
葡萄糖+半乳糖
β-半乳糖苷酶
半乳糖
半乳糖醛酸葡萄糖
半乳糖氧化酶半乳糖表异构酶
几种化合物
L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯
嗜热菌蛋白酶、青霉素酰基转移酶
斯切维苷
α-糖基化斯切维苷
Ribandioside-A
α-葡萄糖苷酶
β-糖基转移酶
此外，在焙烤食品的生产中，为了保证面团的质量，通常添加α-淀粉酶，以调节麦芽糖的生成量，使产生的二氧化碳和面团气体的保持力相平衡。制造糕点中加入转化酶，使蔗糖水解为转化糖，防止糖浆中的蔗糖结晶析出。
二、纤维素酶和果胶酶在食品加工中的应用纤维素酶的作用是水解纤维素，增加其溶解度和改善风味，例如在焙烤食品、水果和蔬菜泥生产、茶叶加工和土豆泥的生产中经常使用。目前的纤维素酶主要是由微生物生产的，而且非常有效，它的结构和功能可以通过基因或克隆确定。纤维素酶根据它作用于纤维素和降解的中间产物可以分为四类。
1、内切纤维素酶(endoglucanases)(1,4(1，3；1，4)-β-D-葡聚糖4-葡聚糖水解酶，EC 3.2.1.4)作用于棉花和微晶粉末纤维素的结晶区是没有活性的，但是它们能水解底物(包括滤纸、可溶性底物，例如羧甲基纤维素和羟甲基纤维素)的无定形区。它的催化特点是无规水解β-葡萄糖苷键，使体系的粘度迅速降低，同时也有相对较少的还原基团生成。反应后期的产物是葡萄糖、纤维二糖和不同大小的纤维糊精。
2、纤维二糖水解酶（cellobiohydrolases）(1,4-β-D-葡聚糖纤维二糖水解酶，EC 3.2.1.91)是外切酶，作用于无定形纤维素的非还原末端，依次切下纤维二糖。纯化的纤维二糖水解酶对棉花几乎没有活性，但是能水解大约40% 微晶粉末纤维素中可水解的键。相对于还原基团的增加，粘度降低较慢。内切纤维酶和纤维二糖水解酶催化水解纤维素的结晶区，具有协同作用。有关机制尚不清楚。
3、外切葡萄糖水解酶（exoglucohydrolases）(1,4-β-D-葡聚糖葡萄糖水解酶，EC 3.2.1.74)从纤维素糊精的非还原末端水解葡萄糖残基，水解速率随底物链长的减小而降低。
4、β-葡萄糖苷酶(β-Glucosidases)(β-D-葡萄糖苷葡萄糖水解酶，EC 3.2.1.21)裂解纤维二糖和从小的纤维素糊精的非还原末端水解葡萄糖残基。它不同于外切葡萄糖的水解酶，其水解速率随底物大小的降低而增加，以纤维二糖为底物时水解最快。
果胶酶在水果加工中是最重要的酶，广泛存在于各类微生物中，可以通过固体培养或液体深层培养法生产。主要用于澄清果汁和提高产率。通过降低黏度，使悬浊物质失去保护胶体而沉降。脱果胶的果汁即使在酸糖共存的情况与也不致形成果冻，因此可用来生产高浓缩果汁和固体饮料。例如苹果、无花果、葡萄汁的生产，在果肉破坏后有较高的粘稠度，很难过滤和提高果汁的产率。一旦加入果胶酶后即可使黏度降低，有利于汁、渣分离。此外，在橘子罐头加工中，常使用果胶酶和纤维素酶脱囊衣，以代替碱处理。在面包制造过程中，添加适量的α-淀粉酶和蛋白酶，以缩短面团的发酵时间和改善面包质量及防止老化。
三、脂肪酶在食品加工中的作用脂肪酶水解三酰甘油为相应的脂肪酸、甘油单酯、甘油双酯和甘油。根据立体专一性将脂肪酶分为1，3-型专一性、2-型专一性或非专一性脂肪酶。脂肪酶广泛分布在植物、动物和微生物中，一般是以液体形式存在，固体脂肪酶催化水解较慢、脂肪酶主要用于食品的特殊风味形成，例如奶酪、面包以及焙烤食品的保鲜。在巧克力奶的制作中，利用脂肪酶对牛奶中的脂肪进行限制性水解，可以增强产品的“牛奶风味”。特别是在定向酯交换和三酰甘油位置分析中脂肪酶具有重要的意义，但在酯合成的实际应用中还有相当大的距离。
脂肪酶一般按下列方式水解三酰基甘油



然而，也存在一些例外，这取决于酶的位置专一性和脂肪酸专一性。
四、蛋白质食品加工中使用的酶制剂蛋白质是食品中的主要营养成分之一，所有的生物质中都含有蛋白质，在肉、豆类、坚果、谷物中大约含2%～35%的蛋白质。通常蛋白质在水中溶解度较小，可以被来自植物和微生物中的蛋白酶迅速水解。几乎在所有的生物材料中都含有内切和外切蛋白酶。在啤酒、奶酪、酱油和肉制品生产中蛋白酶的应用较为普遍。蛋白质和肽序列分析中蛋白酶的应用也十分广泛。
蛋白酶一般来源于动物、植物和微生物，不同来源的蛋白酶在反应条件和底物专一性上有很大差别。在食品加工中应用的蛋白酶主要有中性和酸性蛋白酶。这些蛋白酶包括木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶、凝乳酶、枯草杆菌蛋白酶、嗜热菌蛋白酶等。
蛋白酶催化蛋白质反应后生成小肽和氨基酸，有利于人体消化和吸收。蛋白质水解后溶解度增加，其他功能特性例如乳化能力和起泡性也随之改变。如果蛋白质的平均疏水性较高，则水解可能产生苦味物质。因此，加工过程中必须控制酶对蛋白质的水解程度。或者几种蛋白酶共同作用，使苦味肽进一步分解，以除去苦味。通常利用木瓜蛋白酶或菠萝蛋白酶配制肉类嫩化剂，分解肌肉结缔组织的胶原蛋白。凝乳酶水解牛奶中的κ-酪蛋白生产干酪。在啤酒发酵完后，添加木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶或霉菌酸性蛋白酶降解蛋白质，以防止啤酒浑浊，延长啤酒的货架期。酱油和豆浆生产中，利用蛋白酶催化大豆水解，不仅使生产周期大大缩短，而且还可提高蛋白质的利用率和改善产品风味。此外，在牛肉汁和鸡汁的生产中常用蛋白酶提高产品收率，如果将酸性蛋白酶在中性pH条件下处理冻鱼类，可以脱除腥味。
第六节 酶在食品分析中的应用酶法分析是一种经常采用的方法，相对化学分析具有快速、专一、高灵敏度和高精确度等优点。通常的食品分析需要对样品进行分离、纯化，特别是对含量很低的化合物，往往会带来较大误差。 然而采用酶法分析却无需将待测物和其他组分分离，例如测定血液、尿和植物中的葡萄糖含量，不需要任何分离步骤，只要除去干扰吸光度的不溶物，即可以直接采用葡萄糖氧化酶比色。酶的催化反应的条件一般较温和，大多数在接近室温和中性pH条件下进行，仅需要在几分钟内即可完成。因此，可以避免或限制非酶引起的化合物变化。对于非需宜的酶促反应可以通过污染或失活的方法除去。固定化酶由于能重复使用，在食品分析中应用较广，目前使用的有固定化酶柱，酶电极，含酶的薄片和酶联免疫分析(ELISA)。
酶法分析中最好选择分光光度法和电化学方法测定反应物和底物。当这两种方法不适用时，可以采用复合酶分析。复合反应中包括一个辅助反应和一个指示剂反应，前者是将食品成分中的反应物转变为产物，后者涉及到一个指示酶或它的反应物或产物，在整个反应中是形成还是分解是很容易分析的。在大多数情况下，指示剂的反应是在辅助反应之后发生。
上式中A是被分析的食品成分，C或R或S是被测定物。复合反应的平衡状态与浓度有关，但反应必须通过某些方法进行调整。也可以通过几个依次发生的辅助反应和一个指示反应，同时测定食品成分中的几个组分。例如测定食品中的葡萄糖、乳糖和蔗糖含量。其辅助反应是葡萄糖用ATP磷酸化，以及乳糖和蔗糖分别在β-半乳糖苷酶和β-果糖苷酶的作用下裂解为葡萄糖和半乳糖及葡萄糖和果糖，然后再将葡萄糖磷酸化。最后根据葡萄糖-6-磷酸是NADP依赖的指示剂反应的底物进行反应，从而测定食品中葡萄糖、乳糖和蔗糖的含量。
食品酶学分析包括测定食品成分和食品中的酶活，所测定的食品成分可以作为酶的底物，也可以作为酶的抑制剂。同时必须了解影响酶活力的所有因素。
一、被测化合物是酶的底物当被测化合物是酶的底物时，根据底物消耗的情况，可以分别采用终点测定法和动力学的方法。
1、终点测定法终点测定法又称为总的变化方法(图6-19)，只有当反应进行比较完全时该方法才是一种可靠的分析方法。根据反应前后酶反应体系的吸光度或荧光强度的总变化，测定产物(或底物)的量。与动力学方法比较，食品中待分析的底物浓度绝对不能低于酶催化辅助反应的米氏常数
。当酶反应遵循一级反应动力学时，反应速率是很容易计算的。


图6-19 底物浓度对吸光度的影响
（1） CA、CB和CC3个底物浓度对吸光度变化的影响，吸光度最初变化快，以至反应在几分钟内即可完成。在此方法中仅需要知道最初和最终吸光度。
（2） 根据（1）中的数据，得到底物浓度和吸光度总变化的相关图。
终点法的优点是不需要精确地控制酶反应的pH和温度，然而需要较多的酶使反应在2～10min内完成，表6-10列出了在终点法中所用的酶浓度。在某些情况下，酶催化反应不能进行完全就已达到平衡，此时可以通过提高反应物浓度或去除反应的某一产物，从而打破平衡，使其向有利于产物的方向进行。例如，在乳酸脱氢酶催化反应中，乳酸和NAD+是底物，反应生成丙酮酸，可以加入草氨酸除去。使反应向产物方向进行。另外，可以在完全相同的反应条件下，制作标准曲线，然后通过标准曲线得到待测化合物的浓度。
表6-10 食品酶学分析中，采用终点法所需要的某些酶的浓度底物
酶


酶浓度(μcat/L)
葡萄糖
己糖激酶
1.0×10-4(30℃)
1.67
甘油
甘油激酶
5.0×10-5(25℃)
0.83
尿酸
尿酸氧化酶
1.7×10-5(20℃)
0.28
富马酸
富马酸酶
1.7×10-6(21℃)
0.03
2、动力学方法动力学方法是根据测量反应速率，以得到底物浓度。尽管
和[S]0不是线性的，但是一条相对正常的双曲线。当[S]0>100
，酶催化反应的速率与底物无关，显然不能从测定酶催化反应的速率，计算作为酶底物的待测物浓度。因此，被测定化合物的浓度必须小于100
（一般在0.1～10
之间，最好小于5
），这样即可根据方程


求出[S]0。根据Lineweaver-Burk方程，以1/
对1/[S]0作图制作标准曲线，然后从标准曲线测定待测物浓度。该方法不易受干扰，可以进行自动分析，但是对反应条件(例如酶浓度、pH和温度)要求严格控制，待测物的测定和标准曲线制作的条件应完全相同。另外，要求分析使用的酶具有高的
，以便测定较高的底物浓度。动力学方法对裂解酶和异构酶特别适宜，当水含量保持不变时，水解酶催化的水解反应也可以认为是单底物反应。
二、被测定的化合物是酶的激活剂或抑制剂某些酶，但不是所有的酶，必须要有辅助因子存在才显示活性。辅助因子可以是有机化合物，例如磷酸吡哆醛或NAD+，也可以是金属离子例如Zn2+或Mg2+。因此，当一个酶催化反应加入激活剂后，则
以可重现的方式增加，食品分析即是建立在此理论基础之上的。


式中Act为激活剂。从上式可以看出激活剂浓度与
之间的关系，如果激活剂牢固地与酶结合(辅基，例如
＜10-9mol/L，那么
与［Act］呈线性关系；如果激活剂与酶是松散地结合
＞10-9mol/L，则
与［Act］的关系是曲线。待测化合物是松散结合的激活剂,那么就十分类似于测定底物浓度。
当食品中的待测化合物是酶法分析中使用的酶的抑制剂时，则降低反应速率
。这些化合物与酶能可逆与不可逆地结合，因而要设计一个实验解释反应的结果，这与测定酶、底物或活化剂的浓度相比，则是相当复杂的。
三、食品热烫和灭菌效果的酶指示剂前面已经强调，酶是鉴定食品热处理的理想指示剂。当然，这并不完全是测定酶活的真正意义，实际上在对未加工食品的品质评价、优化特定食品中的加工参数、以及酶制剂使用之前的分析，酶活的测定都是十分重要的。
蔬菜和水果热烫是一种温和的热处理，主要是为了防止酶引起的食品变质和贮藏过程中微生物生长。因此食品的有限加工是为了使食品在1～2周内冷冻保藏，或干制品贮存1～2年能保证安全和质量。蔬菜中的微生物在低温下比大多数酶更易破坏。因此，食品在冷冻和解冻过程中，酶会因为细胞的完整性被破坏而释放出来。这样，就可以根据测定释放出的酶的酶活力，检测食品原料在冷冻和解冻时的质量变化。
同样也可以根据温和热处理和灭菌前后酶活力的变化，指示品质的变化和热处理是否充分。例如水果和蔬菜中的过氧化物酶，牛奶制品和火腿中的碱性磷酸酶，蛋品中的β-乙酰氨基葡萄糖苷酶，尽管它们对食品质量不会带来影响，然而由于这些酶相对其他酶具有更高的热稳定性，而且又容易正确测定它们的酶活力，因而它们是很重要的指示剂。
表6-11 评价食品质量的酶指示剂目的
酶
食品原料
适度热处理
过氧化物酶
水果和蔬菜
碱性磷酸酶
乳、乳制品、火腿
β-乙酰氨基葡萄糖苷酶
蛋
冷冻和解冻
苹果酸酶
牡蛎
谷氨酸草酰乙酸转氨酶
肉
细菌污染
酸性磷酸酶
肉、蛋
过氧化氢酶
乳
谷氨酸脱羧酶
乳
过氧化氢酶
青刀豆
还原酶
乳
昆虫污染
尿酸酶
保藏谷物
尿酸酶
水果产品
新鲜程度
溶血卵磷脂酶
鱼
黄嘌呤氧化酶
鱼中次黄嘌呤
成熟度
蔗糖合成酶
马铃薯
果 胶 酶
梨
发芽
淀粉酶
面粉
过氧化物酶
小麦
色泽
多酚氧化酶
咖啡、小麦
多酚氧化酶
桃、鳄梨
琥珀酸脱氢酶
肉
风味
蒜氨酸酶
洋葱、大蒜
谷氨酰胺酰基转肽酶
洋葱
营养价值
蛋白酶
消化能力
蛋白酶
蛋白质抑制剂
L-氨基酸脱羧酶
必需氨基酸
赖氨酸脱羧酶
赖氨酸
水果的成熟度与许多酶的活力变化相关，可以果胶酶作为判断梨成熟度的指示剂。颜色和风味是评价食品质量，乃至新鲜程度的重要指标，多酚氧化酶的活力反映了富含多酚类的水果、蔬菜褐变的程度，例如桃、鳄梨、莲藕和苹果等，可以用多酚氧化酶指示它们在加工和贮藏过程的褐变度。同样，一些特殊风味酶可以作为某些蔬菜、水果特征风味强弱的指示剂，当洋葱和大蒜的细胞受损后，由于蒜氨酸酶的作用，使风味增强。以上说明，各类食品原料都可以选用特征的酶作为它们加工、贮藏过程中品质变化的指标。
酶活力的测定，实际上是测定酶催化反应的速率，因此应该在酶的最适反应条件下测定其活力，包括缓冲液的类型、离子强度、pH、温度和底物浓度等，其中温度是一个尤为重要的参数，对测定结果影响很大。温度的变化对反应速率影响非常显著，例如，温度上升1℃会导致反应活性增加10%，因此，在可能的情况下尽量将温度恒定在25℃。此外，在酶活力分析中也要注意底物浓度的调整，使之满足酶催化反应方程。

脂 类
概述
脂类是生物体内一大类微溶于水，能溶于有机溶剂（如氯仿、乙醚、丙酮、苯等）的重要有机化合物。脂类主要有脂肪（三酰甘油）、磷脂、糖脂、固醇等，这些脂类不但化学结构有差异，而且具有不同的生物功能。三酰甘油占动植物脂类的99%。根据在室温下的存在状态，习惯上将固体状态的三酰甘油称为脂肪，液体状态称为油，它们是生物体内重要的贮存能量的形式。在机体表面的脂类有防止机械损伤和防止热量散发的作用。磷脂、糖脂、固醇等是构成生物膜的重要物质。三酰甘油也称脂肪，中性脂肪或甘油三酯，它们是一个分子甘油和三个分子脂肪酸脱水结合而成的酯。若三个脂肪酸分子是相同的则称为单纯甘油酯，若不相同则称为混合甘油酯。用于加工组合食品的脂肪和油，例如人造奶油、起酥油等几乎全是纯甘油三酯混合物。
在食品中脂类表现出独特的物理和化学性质，脂类的组成、晶体结构，熔融和固化行为以及它同水与其他非脂类分子的缔合作用，使食品具有各种不同的质地。这些性质在焙烤食品、人造奶油、冰淇淋、巧克力，制作糖果点心和烹调食品中都是特别重要的。脂类经过复杂的化学变化或与食品中的其他组分相互作用，会形成很多有利于食品品质的或有害的化合物。
膳食脂类在营养中起着重要的作用，可供给热量和必需脂肪酸，作为脂溶性维生素载体并增加食品的风味。但是，脂类的氧化对人和动物的毒性，已成为十多年来人们讨论的问题。
命名
根据有机化学物质的命名法，下面将对脂肪酸和脂类的命名加以说明。
一、脂肪酸
脂肪酸是指天然脂肪水解得到的脂肪族一元羧酸。通常可以把羧酸看作是烃分子中的氢原子被羧基取代后的化合物。根据分子中烃基是否饱和，脂肪族羧酸可以分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。饱和脂肪酸的烃链完全为氢所饱和，如软脂酸、硬脂酸等；不饱和脂肪酸的烃链含有双键，如油酸含一个双键，亚油酸含两个双键，亚麻酸含三个双键，花生四烯酸含四个双键。脂肪酸常用俗名或系统命名法命名。
天然脂肪酸以偶数直链饱和与不饱和脂肪酸所占的比例最大，但现在已知其中有少量许多种其他脂肪酸存在，包括奇数脂肪酸、支链脂肪酸和羟基脂肪酸等。
1、普通名称或俗名
通常是根据来源命名，例如酪酸、棕榈酸、月桂酸、硬脂酸和油酸。
2、系统命名法
（1）选择含羧基的最长碳链为主链，按照与其相同碳原子数的烃定名为某酸（将烃中的甲基以－COOH代替），例如
CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2COOH
烷烃 链烷酸
己烷 己 酸若是含两个羧基的酸，选择含两个羧基最长的碳链为主链。
（2）主链的碳原子数及编号从羧基碳原子开始，顺次编为1，2，3，…，也可用天干甲、乙、丙……来表示。
（3）主链碳原子编号除上法外，也常用希腊字母把原子的位置定为α，β，γ，…以此表示碳原子的位置。
（4）若含双键（三键）则选择含羧基和双键最长碳链为主链，定名为某稀酸，并把双键位置写在某烯酸前面。
（5）酸的命名是以数字标记表示碳原子数和双键数，数字与数字之间有一冒号。冒号前面的数字表示碳原子数，冒号后的数字表示双键数。
（6）用于三酰甘油的缩写，每种酸用其名称的第一个字母表示。例如P和L分别表示棕榈酸（palmitic）和油酸（linoleic）。
根据以上命名原则,CH3CH2CH2COOH称为正丁酸（n-butanoic acid），
同样,称为3-甲基丁酸（3-methylbutanoic acid）或β-甲基
丁酸。表4-1给出天然脂肪中的某些脂肪酸的系统名称和普通名称。例如油酸在
9，10之间有一个不饱和双键，CH3—(CH2)7—CH=CH—(CH2)7—COOH即称为9
－十八（碳）烯酸（9-Octadecenoic acid）。在某些情况下，可从分子甲基端的第一个双键位置区别不饱和脂肪酸，甲基碳叫ω（Omega）碳，所以亚油酸
CH3—(CH2)4—CH=CH—CH2—CH=CH(CH2)7COOH，即称9，12－十八碳二烯酸，也叫18：2ω6酸。
表4-1 某些普通脂肪酸的命名缩写
系统名称
普通名称
符号
4：0
n-丁酸（butanoic）
丁酸（butyric）
B
6：0
n-己酸（hexanoic）
己酸（caproic）
H
8：0
n-辛酸（octanoic）
辛酸（caprylic）
OC
10：0
n-癸酸（decanoic）
癸酸（capric）
D
12：0
n-十二酸（dodecanoic）
月桂酸（lauric）
La
14：0
n-十四酸（tetradecanoic）
肉豆蔻酸（myristic）
M
16：0
n-十六酸（hexadecanoic）
棕榈酸（palmitic）
P
18：0
n-十八酸（octadecanoic）
硬脂酸（stearic）
Sta
20：0
n-二十酸（arachidic）
花生酸（eicosanoic）
Ad
16：1
十六-9-烯酸（9-hexadecenoic）
棕榈油酸（palmitoteic）
Po
18：1
十八-9-烯酸（9-octadecenoic）
油酸（oleic）
O
18：2
十八-9：12-二烯酸（9，12-octadecadienoic）
亚油酸（linoleic）
L
18：3
十八-9：12：15-三烯酸（9，12，15-octadecatrienoic）
亚麻酸（linolenic）
Ln
20：4
二十-5：8：11：14-四烯酸（5，8，11，14-eicosatetraenoic）
花生四烯酸（arachidonic）
An
20：5
二十-5：8：11：14：17-五烯酸（5，8，11，14，17-eicosapenta enoic）
二十碳五烯酸（EPA）
22：1
二十二-13-烯酸（13-docosenoic）
芥酸（erucic）
E
22：5
二十二-7：10：13：16：19-五烯酸（7，10，13，16，19-docosapentaenoic）
二十二碳五烯酸
22：6
二十二-4：7：10：13：16：19-六烯酸（4，7，10，13，16，19-docosahexaenoic）
二十二碳六烯酸（DHA）
a，s用于表示硬脂酸缩写，也可用于表示三酰甘油组成的饱和脂肪酸，例如s3或sss代表所有脂肪酸都是饱和的，su2或su表示一饱和，二不饱和脂肪酸等等。
（7）通常用顺式（cis）和反式（trans）表明双键的几何构型，它们分别表示烃基在分子的同侧或异侧。
顺式 反式脂肪酸的顺式构型是天然存在的形式，而反式构型在热力学上是有利的，有两个顺式双键的亚油酸称为顺－9，顺－12－十八碳二烯酸，但是如果连接的四个基团完全不同就会产生困难，像以下的构型。
这种情况下，可根据堪恩－英戈尔德－普莱劳格（Cahn-Engold-Prelog）确定的方法，按连接在双键两个碳原子上的二个碳原子或基团的排列顺序规则，凡在双键平面的一侧有两个排位较优（high-priority）的原子或基团（原子序数较大的）用Z（德文Zusammen指相同）表示构型，如果两个排位较优的原子或基团位于双键的两侧则用E（德文Entgegen意指相反）表示它的构型。
二、酰基甘油中性脂肪是甘油的脂肪酸一、二和三酯，分别称单酰甘油，二酰甘油和三酰甘油。例如下面的三硬脂酰甘油，也称甘油三硬脂酸酯或三硬脂精。
甘油本身是完全对称的分子，但如果一个伯羟基被酯化或二个伯羟基被不同的脂肪酸所酯化，则中心碳原子获得手性（不对称性）。下述两条原则用于确定甘油衍生物的绝对构型。
1、R/S体系
Cahn等曾提出用R和S表示绝对构型，用D和L表示对映体的绝对构型，这种方法的缺陷在于要确定一对映体与已知D化合物的关系需要经过5~6步才能得到验证，与同一化合物的L对映体的关系又要经过另外的5~6步。所以，对D和L的确定无疑是很麻烦的。目前除糖类化合物和氨基酸仍旧采用D、L体系外，其他的化合物已很少使用。
在R/S体系中，首先按原子序数大小确定手性碳上连接的4个原子或原子团的排列顺序，原子序数最大的原子最优先排列，原子序数或基团最小的远离观察者，其余基团则以三足鼎立的形式面向观察者。如果按顺序排列的其他基团是顺时针方向的，用R表示，若按反时针方向定位的则以S表示。这种体系表示的酰基甘油构型如图4-1所示。无论在R或S构型中，不对称碳2上的氢原子是排位最小的取代成分，因此，在图中应位于纸平面的下面。碳2的取代成分中氧的排位最高，应优先排列，不对称中心碳原子连接的其余两个取代基是－CO－（因为氧的排位较高，可不考虑碳1和碳3上的氢），这样，必须对连接在－CO－基团上的原子作比较，长链饱和酰基比短链的排位高，不饱和碳链的排位比饱和的高，双链比支链高，二个双键的比一个的高，顺式比反式高，有支链的比没有支链的高。因而，构型1按优先顺序逐渐降低的顺时针方向排列，是R构型，同样的构型Ⅱ为S构型。
虽然R/S体系能表示酰基甘油的立体化学构型，但用图形表示结构还必须考虑三酰甘油分子的1和3位置上的酰基是否相同。因而，这种体系不适用于这些位置上脂肪酸种类不相同时的情况。
2,立体有择位次编排（stereospecific numbering,Sn）
立体有择位次编排体系（即Sn-系统命名）是由赫尔斯曼（Hirschmann）提出的，这种系统简明，可应用于合成脂肪和天然脂肪。甘油的费歇尔（Fisher）平面投影式中位于中间的羟基写在中心碳原子的左边，碳原子以1—3按自上而下的顺序编排：
例如，如果硬脂酸在Sn-1位置酯化，油酸在Sn-2，肉豆蔻酸在Sn-3位置酯化，可能生成的酰基甘油是：
上述甘油酯可称为1-硬酯酰-2-油酰-3-肉豆蔻酰-Sn-甘油、Sn-甘油-1-硬脂酸酯-2-油酸酯-3-肉豆蔻酸酯，Sn-StOM或Sn-18:0-18:1-14:0。
下面的词头用于指明脂肪酸在三酰基甘油分子中分布的位置。
Sn紧接在名词甘油的前面，表明Sn-1，Sn-2和Sn-3的位置。
rac两个对映体的外消旋混合物，缩写中的中间碳原子酰基连接在Sn-2位置，而其余两种脂肪酸酰基在Sn-1和Sn-3之间均等地分配，即rac-StOM表示等量的Sn-StOM和SnMOSt。
β表示缩写符号中间的脂肪酸酰基在Sn-2位置，而其余两种酸的位置可能是Sn-1或Sn-3，例如，β-StOM表示任何比例的Sn-StOM和Sn-MOSt的混合物。
单酸酰基甘油（例如MMM）或者酸的分布位置是未知的，也可以不写词头，可能是异构体的混合物，例如StOM用来表示Sn-StOM，Sn-MOSt，Sn-OStM,Sn-MStO，Sn-StMO和Sn-OMSt的混合物。
三、磷脂磷脂是含磷酸的脂类，主要是磷酸甘油脂和神经鞘磷脂。前者以甘油为骨架，甘油的1位和2位的两个羟基与两条脂肪酰链生成酯，3位羟基与磷酸生成酯，这是最简单的磷酸甘油脂，称为磷脂酸。磷脂酸中的磷酸基团又可与其他的醇进一步酯化，生成多种磷脂，例如磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇、二磷脂酰甘油及缩醛磷脂等。甘油磷脂中含有与甘油残基连接的O-酰基、O-烷烃基或O-烯烃基的连接方式，普通甘油磷脂是磷脂酸衍生物，例如3-Sn磷脂酰胆碱（俗名卵磷脂），或者按与三酰甘油相类似的系统名称命名，磷酸基表示磷酸二酯桥，称为1-棕榈酰-2-亚油酰-Sn-甘油基-3-磷酸胆碱。
一切脂肪和油以及含脂肪食品都含有一些磷脂，纯净动物脂肪例如猪脂肪和牛脂肪中磷脂的含量最低，粗植物油例如棉籽油、玉米油和大豆油中磷脂含量为2%~3%。鱼、甲壳类和软体动物的肌肉组织含大约0.7%的磷脂。磷脂因含有亲水和疏水基而具有表面活性。最重要磷脂的结构如图4-2所示，油经过中和、漂白和脱臭等精炼加工以后，磷脂含量实际上降低到零。大豆磷脂含大约35%的卵磷脂和65%脑磷脂（表4-3），磷脂的脂肪酸组成一般不同于油，酰基通常比甘油酯更不饱和，许多植物油的磷脂含有2个油酸残基。乳磷脂不含乳脂三酰甘油中存在的短链脂肪酸，却含有更多的长链多不饱和脂肪酸。
图4-2 大豆卵磷脂混合物的组成
表4-3 商品大豆卵磷脂的近似组成成分
质量分数%
成分
质量分数%
磷脂酰脂碱（PC）
20
其他磷脂
5
磷脂酰乙醇胺（PE）
15
甘油三酰
35
磷脂酰肌醇（PI）
20
碳水化合物、甾醇、甾醇甘油酯
5
神经鞘磷脂以神经鞘氨醇为骨架，神经鞘氨醇的第二位碳原子上的氨基与长链脂肪酸以酰胺键连接成神经酰胺。神经酰胺的羟基与磷酸连接，再与极性头胆碱式乙醇胺相连接生成如下的神经鞘磷脂：
分类
根据脂类的化学结构及其组成，将脂类分为简单脂质、复合脂质和衍生脂质（表4-4）。
（1）简单脂质由脂肪酸和醇类结合而成。
1）脂肪：脂肪酸甘油酯。
2）蜡类：脂肪酸与长链醇所组成的酯。
（2）复合脂类：由脂肪酸、醇及其他基团所组成的酯。
1）甘油磷脂：甘油与脂肪酸、磷酸盐和其他含氮基团组成，又名磷酸酰基甘油。
2）神经鞘磷脂：鞘氨醇与脂肪酸、磷酸盐和胆碱组成。
3）脑苷脂：鞘氨醇、脂肪酸和简单糖组成。
4）神经节苷酯：含鞘氨醇、脂肪酸和碳水化合物。
（3）衍生脂类：上述各种脂类的水解产物，包括脂肪酸，固醇类、碳氢化合物、类胡萝卜素、脂溶性维生素等。
食品中主要的脂类化合物是脂酰甘油，根据动物或植物脂肪和油的组成，酰基甘油习惯上分为以下几类。
1、乳脂这类脂肪来源于哺乳动物的乳汁，主要是牛奶。乳脂的主要脂肪酸是棕榈酸、油酸和硬脂酸，它与其他动物脂肪不同的是乳脂中含有相当多的C4～C12短链脂肪酸和少量支链脂肪酸以及奇数碳原子脂肪酸。
2、月桂酸酯此类脂肪来源于某些棕榈植物，例如椰子和巴巴苏（bobasu），这种脂肪的特征是月桂酸含量高达40%～50%，C6、C8和C10脂肪酸的含量中等，不饱和脂肪酸含量少，熔点较低。
3、植物奶油它来源于各种热带植物的种籽，是以脂肪的熔点范围窄为特征，这主要因为脂肪酸在三酰基甘油分子中的排列方式不同，饱和脂肪酸含量大于不饱和脂肪酸，但是在这些植物油中不存在三饱和酰甘油酯。植物奶油广泛用于糖果生产，可可脂是这类脂肪中最重要的一种。可可脂含油酸软脂酸硬脂酸甘油酯51.9%，油酸二硬脂酸甘油酯18.4%，软脂酸二油酸甘油酯8.7%，硬脂酸二油酸甘油酯12.0%，油酸二软脂酸甘油酯和二软脂酸硬脂酸甘油酯分别为6.5%和2.5%。
4、油酸-亚油酸酯自然界中这类脂最为丰富，全部来自植物界。植物油脂中，含有大量的油酸和亚油酸，饱和脂肪酸低于20%。这类油脂中最主要的是棉籽、玉米、花生、向日葵、红花、橄榄、棕榈和芝麻油。
5、亚麻酸酯植物油例如豆油、小麦胚芽油、大麻籽油和紫苏油均含有大量亚麻酸，其中以豆油为最重要，含大量亚麻酸是其产生生油味的原因。
6、动物脂肪包括家畜动物的储存脂肪如猪油、牛油，这类脂肪均含有大量C16和C18脂肪酸和中等量不饱和脂肪酸，且大部分是油酸和亚油酸，仅含少量奇数碳原子酸。此外这类脂肪还含有相当多的完全饱和的三酰甘油酯，所以熔点较高。
蛋脂由于具有乳化特性和高胆固醇含量而显得尤为重要，脂肪在全蛋中约占12%，几乎全集中在蛋黄内，在蛋黄中脂肪含量高达32%～36%，主要脂肪酸为18:1（38%）、16:0(23%)和18:2（16%）。在蛋黄脂中三酰甘油占66%、磷脂28%、胆固醇5%。
7、海产动物油脂这类油以含大量多达6个双键的长链不饱和脂肪酸为特征，如二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸，且富含维生素A和D，由于高度不饱和性，所以比其他动物和植物油脂更容易氧化。
第四节 油脂的物理特性
一、三酰基甘油分布理论
三酰基甘油中脂肪酸的分布显著影响脂肪的结构和性质，关于三酰基甘油的分布有着多种理论，主要介绍以下典型的几种分布理论。
1、均匀或最广泛分布这种理论是希尔迪奇（Hilditch）和威廉姆斯（Williams）对天然脂肪的三酰甘油的组成进行一系列定量研究后提出来的，天然脂肪的脂肪酸倾向于尽可能广泛地分布在全部三酰甘油酯分子中，因此，如果一种S酸的含量低于总脂肪酸量的1/3，那么这种酸在任何三酰甘油分子中只能有一次机会，如果X表示另一种脂肪酸，于是，只有XXX和SXX二种三酰基甘油分子。若S脂肪酸为总脂肪酸含量的1/3和2/3之间，则应该至少出现一次，但绝对不会出现三次，即仅有SXX和SSX存在。当S脂肪酸超过总脂肪酸含量的2/3时,它在每个分子中至少可以出现两次，即可能存在SSX和SSS二种三酰甘油。
上述均匀分布理论的缺点，在很多天然脂肪特别是动物来源的脂肪中明显地表现出来。事实上，在饱和脂肪酸低于67%的脂肪中也存在三饱和酰基甘油，这种理论只适用于由两种脂肪酸组分构成的体系，而且未考虑位置异构体，因此这种理论是不正确的。
2、无规（1，2，3无规）分布按照这种理论，脂肪酸在每个三酰基甘油分子内和全部三酰基甘油分子间都是随机分布的。因此，甘油基所含三个位置的脂肪酸组成应该相同，而且与总脂肪的脂肪酸组成相等。根据这种理论，可按下式计算出一定种类的脂肪酸所占的比例。
%Sn-XYZ=(总脂肪中的X摩尔%)×(总脂肪中Y摩尔%)×(总脂肪中Z摩尔%)×10-4
式中，Y，Y，Z表示在酰基甘油1，2，3位置的组成脂肪酸。例如，假若一种脂肪含8%棕榈酸，2%硬脂酸，30%油酸和60%亚油酸，于是，可以预计总共有64种三酰甘油分子（n=4，n3=64）。以下是三酰甘油的百分含量的计算实例：
%Sn-OOO=30×30×30×10-4=2.7
%Sn-PLSt=8×60×2×10-4=0.096
%Sn-LOL=60×30×60×10-4=10.6
式中O代表油酸；P代表棕榈酸；L代表亚油酸；St代表硬脂酸。
大多数脂肪并不完全符合随机分布模式。例如在许多情况下按随机分布理论预计的全饱和三酰甘油的比例均超过实验测定值。现代分析技术证明，在天然脂肪中Sn-2位置的脂肪酸组成不同于结合在1，3位置的脂肪酸。但随机分布计算方法有助于了解其他假说和预测酯交换反应中各种脂肪酸的无规分布情况。
3、有限无规分布根据卡尔赦（Kartha）首先提出的有限无规假说，动物脂肪中饱和与不饱和脂肪酸是无规分布的，而全饱和三酰甘油（SSS）的量只能达到使脂肪在体内保持流动的程度。按照这种理论，过量的SSS将会同UUS和UUU进行交换，形成SSU和SUU，Kartha的计算并未考虑个别酸的位置异构体或在甘油基上占据的位置。
4、1，3无规-2无规已知在甘油基碳2位置的脂肪酸与1或3位置上的不相同，假定有二种不同来源的脂肪酸分别在2和1、3位置无规酯化，这样，1和3位置上的脂肪酸组成可能相同。
根据这种假说，按下式可计算已知的三酰甘油的含量。
%Sn-XYZ=（1，3位置X摩尔%）×（2位置Y摩尔%）×（1，3位置X摩尔）×10-4
用化学方法或酶法部分脱酰基，对所生成的单酰或二酰基甘油进行分析测定，可知道Sn-2和1，3位置上脂肪酸的种类。
5、1-无规-2无规-3无规分布按照这种理论，三种不同的脂肪酸无规分布在天然三酰基甘油分子的三个位置上，这样，Sn-1，Sn-2和Sn-3脂肪酸的数量不相同，不同三酰基甘油的含量可用下式计算。
%Sn-XYZ＝（Sn-1X摩尔%）×（Sn-2Y摩尔%）×（Sn-3Z摩尔%）×10-4
根据这种理论计算天然脂肪的分子种类，必须区别Sn-1和Sn-3位置的脂肪酸组成。通常用布罗克-霍夫（Brocker-Hoff）或兰斯（Lanks）等人的方法进行测定。
二、天然脂肪中脂肪酸的位置分布
早期研究主要的三酰基甘油的种类，是根据不饱和性（即三饱和、二饱和、二不饱和与三不饱和）通过部分结晶和氧化－离析方法进行。近来采用酶法水解立体特异性分析技术，能够准确测定许多三酰基甘油中三个位置的脂肪酸分布。表4-4中列出的数据表示植物和动物脂肪中脂肪酸的分布。
表4-4 某些天然脂肪的三酰甘油中各个脂肪酸的位置分布（脂肪酸摩尔％）
脂肪来源
位置
4：0
6：0
8：0
10：0
12：0
14：0
16：0
18：0
18：1
18：2
18：3
20：0
20：1
22：0
24：0
牛奶
1
5
3
1
3
3
11
36
15
21
1
2
3
5
2
6
6
20
33
6
14
3
3
43
11
2
4
3
7
10
4
5
0.5
1
1
4
4
39
29
16
3
4
椰子
2
0.3
2
5
78
8
1
0.5
3
2
3
3
32
13
38
8
1
0.5
3
2
1
34
50
12
1
可可脂
2
2
2
87
9
3
37
53
9
1
18
3
28
50
玉米
2
2
-
27
70
3
14
31
52
1
1
14
6
23
48
9
大豆
2
1
-
22
70
7
3
13
6
28
45
8
1
13
3
72
10
0.6
橄榄
2
1
-
83
14
0.8
3
17
4
74
5
1
1
14
5
59
19
-
1
1
-
1
花生
2
2
-
59
39
-
-
-
-
0.5
3
11
5
57
10
-
4
3
6
3
1
4
41
17
20
4
1
牛
2
9
17
9
41
5
1
3
1
22
24
37
5
1
1
1
10
30
51
6
猪
2
4
72
2
13
3
3
-
-
7
73
18
1、植物三酰基甘油一般说来，种籽油脂的不饱和脂肪酸优先占据甘油酯Sn-2位置，在这个位置上亚油酸特别集中，而饱和脂肪酸几乎都分布在1、3位置。在大多数情况下，饱和的或不饱和的脂肪酸在Sn-1和Sn-3位置基本上是等量分布的。
可可脂的三酰基甘油大约有80%是二饱和的，18:1脂肪酸集中于Sn-2位置，饱和脂肪酸只分布在第一位置（β-POS构成主要种类），Sn-2位置的油酸是Sn-1位置上油酸的1.5倍。
椰子油中三酰基甘油大约有80%是三饱和的，月桂酸集中在Sn-2位置，辛酸在Sn-3位置，豆蔻酸和棕榈酸在Sn-1位置。
含芥酸的植物，例如菜籽油中脂肪酸表现相当大的位置选择性，芥酸优先选择1，3位置，而Sn-3位置上比Sn-1位置上的芥酸多。
2、动物三酰基甘油不同动物或同一种动物的不同部位的脂肪中三酰基甘油的分布情况都不相同，改变膳食脂肪可引起储存脂肪中脂肪酸组成的变化。但一般说来，Sn-2位置的饱和脂肪酸含量比植物脂肪高，Sn-1和Sn-2位置的脂肪酸组成也有较大差异。大多数动物脂肪中，16：0脂肪酸优先在Sn-1位置酯化，14：0脂肪酸优先在Sn-2位置酯化。乳脂中短链脂肪酸有选择地结合在Sn-3位置，牛脂肪中大部分三酰基甘油属于SUS型。
猪脂肪不同于其他动物脂肪，16：0脂肪酸主要集中在甘油基的Sn-2位置，18：0脂肪酸主要在Sn-1位置，18：1脂肪酸在Sn-3位置，而大量的油酸在Sn-3和Sn-1位置。猪油中主要的三酰基甘油是Sn-SPS、OPO和OPS。长链多不饱和脂肪酸为海产动物油的特征，它们优先在Sn-2位置上酯化。
三、结晶和稠度
1、晶体结构目前关于脂肪晶体结构和特性的知识大部分来自X-射线衍射研究，应用其他技术，例如核磁共振、红外光谱、量热法、显微观察、膨胀测定法和差热分析法等，特别是目前发展的核磁共振成像技术，获得了一些重要的发现。
在任何一种物质的固体或晶体中，原子或分子在它固定的位置形成一个可重复和高度有序的三维结构。一般把这种三维结构的空间排列称为空间格子（space lattice）。例如将空间格子的点连接起来，则形成一系列的面平行晶胞，每个晶胞都含有空间格子的全部要素（element），因此，完整的晶体是由晶胞在三维空间并列堆积成的，如图4-3所示。简单的空间格子，每个晶胞的每个角上有一个原子或分子，由于每个角为八个其他邻近的晶胞所共有，所以每个晶胞只有一个原子或分子，由此可见，空间格子的每个点与它周围所有其他的点是相似的。轴比率a:b:c以及晶轴OX、OY和OZ之间的角度均为定值，通常以此来区分不同空间格子的排列。
图4-3 晶体的晶格 图4-4 硬脂酸晶胞长链有机化合物在晶体中并排堆积可产生最大的范德华相互作用力，在晶胞中可鉴别出三个间距，即二个短间距和一个长间距。因此，直链烷烃的长间距随着碳原子数目的增加而逐渐增大，而短间距仍保持不变。分子末端基团（例如甲基或羧基）彼此连接成为平面。假若链对晶胞底倾斜，则长间距因倾斜角度而略微变小，由于羧基之间共享氢键，脂肪酸倾向于形成最适于头与头相接的双分子（图4-4），因而脂肪酸的长间距比碳原子数相同的烃类大一倍。
当相似的脂类化合物在混合物中共存时，可形成多种分子的晶体。在链长只相差一个碳原子的中等或低分子量脂肪酸所形成的复合结晶中，一对脂肪酸靠羧基和羧基相结合。另外由一种酸排列成的结晶，分子可无规分布在另一分子的晶格内形成固体溶液。在某些条件下，缓慢冷却可使一种结晶层沉积在另一种结晶表面形成层状结晶（layer crystal）。
2、同质多晶（polymorphism）
同质多晶是化学组成相同而晶体结构不同的一类化合物，但融化时可生成相同的液相。金刚石和碳黑是同质多晶，同质多晶有时称为同质多晶变体，是以具有某些特殊性质例如X-射线间距、比容、熔点等为特征，从而可以和同一种化合物的其他形式相区别。根据几个因素可确定特定化合物在结晶时所出现的同质多晶类型，这些因素包括纯度、温度、冷却速率、晶核的存在和溶剂的种类。
未熔化的固态可以从一种同质多晶转变成另外一种，这取决于它们各自的稳定性。在整个存在期间，无论温度变化与否，两种晶型如果一种是稳定的而另一种是亚稳定的，则称这两种晶型是单向转变的（monotropic），即只能向更稳定的形式转变。两种晶型，当它们都有一定的稳定范围时，称为双向转变的（enantiotropic），即无论哪一种变体都是稳定的，在固态中的转变向哪一方进行取决于温度。它们的相对稳定性改变时的温度称为转变点（transition point），已知某些脂肪酸衍生物中存在双变晶现象，但天然脂肪总是单向转变的。
长碳链化合物的同质多晶现象与烃链不同的堆积排列或不同的倾斜角有关，可以用亚晶胞（subcell）概念来描述堆积的方式。
（1）亚晶胞
亚晶胞是沿着主晶胞内链轴方向重复的最小空间单元，图4-5表示脂肪酸晶体的亚晶胞晶格，在这种情况下，每个亚晶胞包含一个亚乙基，亚晶胞高度表示烃链中交错的碳原子之间的距离，即2.54?，甲基和羧基不属于亚晶胞晶格的组成部分。
图4-5 脂肪酸晶体中的亚晶胞晶格
已观测出烃的亚晶胞有7种堆积类型，最普通的是图4-6中的三斜晶系、普通正交晶系和六方晶系3种，三斜（T//）堆积(triclinic)又称为β型，两个亚甲基单位一起构成亚乙基重复单元，这样每个亚晶胞都有一个亚乙基重复单元，并且所有锯齿形平面都是平行的。直链烃、脂肪酸和三酰甘油中均有这种亚晶胞存在。
普通正交堆积（common orthorhombic，O⊥）又称为β＇型，每个亚晶胞中有二个亚乙基单位，交错的链平面与它相毗连的平面垂直，直链烷烃和脂肪酸及其酯类物质中存在这类亚晶胞堆积。
正六方形堆积（hexagonal,H）一般称为α型，烃类在刚好低于熔点温度时迅速冷却结晶可以出现这种堆积，链无规取向并绕其长垂直轴旋转，在烃、醇和乙酯中可观测到这种堆积。
（2）脂肪酸偶数碳原子饱和脂肪酸可以结晶成任何一种同质多晶型，这取决于所采用的结晶方法。长间距长度缩短（或增大链的倾斜角）时，偶数碳脂肪酸的同质多晶型物记为A、B和C；奇数碳脂肪酸记为A＇、B＇、C＇。A和A＇型为三斜晶亚晶胞链堆积（T//），其余的均为普通正交（O⊥）堆积。
硬脂酸的β型已详细地研究过，其晶胞为单斜晶系，包含4个分子，其轴长：a=5.54?，b=7.38?，c=48.84?。但c轴对a轴的倾斜角等于63°38＇时，长间距等于43.76?（图4-4）。
就油酸而言，低熔点的每个晶胞的长度等于两个分子的长度，而顺式双键附近的烃基部分向相反的方向倾斜（图4-7）。
图4-7 油酸的晶体结构
（3）三酰甘油
一般说来，三酰甘油由于它们的碳链较长，表现出烃类的许多特征。它们有三种主要同质多晶型即α、β＇和β，其中α型最不稳定，β型有序程度最高，因此最稳定。表4-5中列出每种晶型的特征。
表4-5 单酸三酰甘油同质多晶型物的特征特性
α型
β＇型
β型
链堆积
正六方
正交
三斜
短间距（?）
4.15
3.8～4.2
4.6，3.9，3.7
特征红外光谱
单谱带720cm-1
双峰727和719 cm-1
单谱带717 cm-1
密度
最小
中等
最稠密
熔点
最低
中间
最高
由一种脂肪酸构成的三酰基甘油，例如StStSt，当其熔融物冷却时，可结晶成密度最小，熔点最低的α型。若进一步使α型冷却，则链更紧密的堆积，并逐渐转变为β型。如果α型加热至熔点，可迅速转变成最稳定的β型。α型熔融物冷却并保持温度高于熔点几度，可直接得到β＇型。加热β＇型至熔点温度，则发生熔融，并转变成稳定的β型。X-射线衍射结果表明，α型脂肪酸侧链为无序排列，β＇型和β型显示有规则的排列，β型是按同一方向排列的（见下图4-8所示）。
单酸三酰基甘油晶格中的分子排列是音叉式或者是椅式结构，如图4-9所示的三月桂酸甘油酯。甘油基1，3位置上的脂肪酸链和2位置上的方向相反。
图4-9 三月桂酸甘油酯晶格中的分子排列 图4-10 a，b，c三酰甘油结晶中的分子排列
因为三酰甘油可以由各种脂肪酸组成，所以不符合以上的简单同质多晶型的分类原则。对于含不同脂肪酸的三酰甘油，得到某些同质多晶型是困难的。已观测到有的甘油酯β＇型的结晶熔点比β型的高，像棉籽中的PStP甘油酯倾向于结晶成密度较高的β＇型，将这种晶型添加在油中，比用大豆中的StStSt甘油酯β型（雪花状）有更大的硬化力。
混合三酰基甘油的同质多晶结构更为复杂，因为碳链趋向于按长度或不饱和度分离，形成由三链长度构成的长间距结构。含不同链长脂肪酸的混合三酰基甘油可形成各种形状的音叉式结构（4-10c）。如果三酰甘油分子2位置上的碳链比其他两个碳链少或多4个或更多碳原子，则碳链可能分离，如图4-10a。不对称的三酰基甘油酯，可以形成类似图4-10b中的链式排列，也可能根据不饱和性出现链的自身配对。如图4-10c所表示的，这样的结构用希腊字母后面接一个数字来表示，例如β-3表示具有三个分子脂肪酸链长度的β型变体（图4-11）。在液体状态观察得到了三酰甘油的层状结构，此时三酰甘油是以烃类无序的椅式构象存在。
图4-11 β-型双和三椅式排列
脂肪的同质多晶型变化表明，一种脂肪的同质多晶型的特征主要受三酰基甘油分子中脂肪酸的组成及其位置分布的影响。一般说来，相对有一些密切关联的三酰甘油组成的脂肪倾向于迅速转变成稳定的β型。相反，非均匀组成的脂肪则较缓慢地转变成稳定型，例如，高度无规的脂肪表现出缓慢转变成β＇型的特性。
易结晶成β型的脂肪包括大豆、花生、玉米、橄榄、椰子油和红花油，以及可可脂和猪油等。棉籽油、棕榈油、菜籽油、乳脂和牛脂以及改性猪油易形成稳定的β＇型晶体。β＇型晶体适合于制备起酥油、人造奶油，可用于焙烤食品中，因为它们有助于大量的小空气泡的掺合，使产品产生更好的可塑性和奶油化性质。
可可脂中，StOSt（30%）、POSt（40%）和POP（15%）是三种主要的甘油酯，已鉴定出6种同质多晶型（Ⅰ-Ⅵ），其熔点依顺序增大。I型最不稳定，熔点最低。V型最稳定，是所需要的结构，因为它使巧克力涂层外观明亮光滑，通过适当的调温可以得到这种晶型，即成型前加温使部分结晶的物料在32℃左右保持一段时间，然后迅速冷却并在16℃左右贮存。不适当的调温或在高温下贮存，都会使巧克力的β-3Ⅴ型结晶转变为熔点较高的β-3Ⅵ型，结果都会导致巧克力表面起霜，即表面沉积小的脂肪结晶，使外观呈白色或灰色。巧克力起霜与β-3V型变成β-3VI型有关。
乳化剂例如山梨醇酯添加到可可脂中，能改变熔点和同质多晶类型，同时能推迟或抑制可可脂从β-3V型转变为不需要的β-3VI型或其他亚稳态的同质多晶型。这种特性不是利用山梨醇酯的表面活性，而是在于它的独特化学结构。
3、结晶的形成和固化
溶液或熔化物转变成固体是一个复杂的过程，在这个过程中，首先必须分子间接触、取向，然后互相作用，形成高度有序的结构。正如化学反应一样，能垒（energy barrier）对抗分子聚集成晶体。同质多晶形愈复杂，愈稳定（例如高度有序、紧密和熔点高），则愈难以形成晶体。因此，在刚好低于熔点温度时，结晶一般不能形成稳定的晶体，而是处于亚稳定的过冷状态。稳定性最小和有序性最小的α型，在略微低于熔点温度时容易结晶。
虽然能垒的大小随着温度下降而降低，但形成晶核的速度不能随着温度降低无限制地增大，当温度降低到某一点时，由于脂类的粘度增大，严重干扰结晶过程。在过冷液体中由于形成亚微晶核，便开始结晶，当这些晶核逐渐长大以后，晶体的生长速度取决于温度、搅拌或者向过冷液体中加入类似天然形状的小晶体也可促使晶核的形成。
4、熔化
（1）热焓曲线
图4-12中表示简单三酰基甘油的稳定β型和亚稳态α型的热焓曲线。固态变为液态时吸热，曲线A，B，C表示β型的热焓随着温度上升而增加。在熔点时吸热（熔化热）温度不上升，直至全部固体转变成液体时温度才继续上升（最终在B点熔化）。另一方面，从不稳定的多晶型转变成稳定形式时放出热量（图4-12中从E点开始延长至曲线AB）。
图4-12 稳定（β）和不稳定（α）多晶型物的熔化热焓曲线
同样，脂肪因熔化而膨胀和同质多晶型转变而收缩，可用比体积的变化（膨胀）对温度作图，由于熔化膨胀对应于熔化热，膨胀系数对应于比热，因此，所得到的膨胀曲线（膨胀率对温度作图）与量热曲线（热焓对温度作图）很相似。膨胀法使用的仪器很简单，它比量热法更为实用，膨胀法广泛用于测定脂肪的熔化性能，如果有几种不同熔点的组分存在，则熔化温度范围大，得到与图4-13
中相似的膨胀或量热曲线。
点X表示脂肪开始熔化，在这一点下面，体系全部呈固态。点Y表示熔化终止，在这一点上面，脂肪全部呈液态。曲线XY表示体系的固体成分逐渐熔化。如果脂肪熔化温度范围小，则熔化曲线的斜率陡峭。相反，若脂肪熔化开始和终止之间的温度相差很大，这种脂肪的可塑性范围大。因此，添加熔点较高或较低的组分，能使脂肪的可塑性范围向熔化曲线两侧的任何一侧伸延。
（2）固体脂肪指数
油脂食品在加工中，甘油酯的组成、构象、结晶类型固然十分重要，然而脂肪的固液比却是另一个不可忽视的因素，它显著的影响脂肪的塑性。
图4-13 甘油酯混合物熔化热（Ｈ）或膨胀（Ｄ）曲线
在不同温度时，塑性脂肪（软化脂肪）的固体和液体比例可通过差示扫描量热法、核磁共振和绘制量热曲线，或者按与图4-13相似的熔化膨胀曲线进行测定。例如，用膨胀计测定比容时，从足够低的温度确定固体线的起始点和在足够高的温度确定液体线的起始点，由两者之间的间隔确定熔化曲线，于是可用外推法得到固体线和液体线。由图4-13所示，可计算出任何温度下的固体和液体比例（ab/bc），ab/ac和bc/ac分别表示在温度t时的固体分数和液体分数，固体与液体比称为固体脂肪指数（SFI），它与脂肪在食品中的功能性有重要关系。
采用膨胀法测定SFI比较精确，但是费时，而且只适用于测定SFI低于50%的脂肪。宽线核磁共振（NMR）法是利用固体的衰减信号比液体快，测定脂肪中固体的氢质子数与总氢质子数之比（即为固体百分量）得到SFI，常用于食品生产的在线分析。目前普遍采用脉冲核磁共振，它比宽线NMR更精确。近来超声技术也用来测定SFI，因为固体脂中的超声速率大于液体脂。脂肪的加工产品，如人造奶油、可可脂、起酥油等，对脂肪中固体含量有不同要求，固体含量的多少影响脂肪的熔化温度和可塑性，当固体含量少，脂肪容易熔化，如果固体脂含量很高，脂肪变脆。
5、脂肪的稠性
天然脂肪及其加工产品是由组成和结构不相同的多种酰基甘油构成的复杂混合物，但表现出如同只含几种成分的简单混合物的特性，每一类相似的化合物似乎起着单一组分的作用。所以只有当组分明显不相同，甘油酯才表现出不同的熔化特性，某些油脂的混合物因氢化或添加高熔点组分可使起始固化点（凝固点）降低，其低共熔曲线类似图4-14中液体曲线。塑性脂肪的膨胀曲线并非一条平滑的熔化曲线，而是由若干近似直线但斜率不相同的线段组成的（图4-15）。曲线的拐点用脂肪甘油酯的最终熔化点K表示，市售脂肪的熔化温度范围不大，因此，在膨胀曲线上只出现几个拐点，说明各个甘油酯组分的熔化行为如同单一的组分。添加高熔点脂肪酸的天然脂肪的膨胀曲线，能明显地表现出这种脂肪固体组分的熔化特性。脂肪中固体组分的相对含量按图4-16中垂直距离d确定，利用图4-15、4-16和4-17的膨胀曲线能够了解塑性脂肪的熔化特性。
图4-14 简单二元体系相图
图4-15 全氢化起酥油（Ａ）和人造奶油（Ｂ）的膨胀曲线
图4-16 混合0－15％高度硬化棉籽油的普通棉籽油的膨胀曲线的上部分
图4-17 猪油和乳脂的膨胀曲线
黄油（硬奶油）熔化温度范围较窄，其三酰甘油组分主要是β-POSt，β-StOSt和β-POP。黄油和可可脂在口腔温度能很快熔化，是适合糖果加工用的油脂，它与猪油的膨胀曲线明显不同（图4-17）。
市售脂肪的稠度受到诸多因素的影响，包括脂肪中固体组分的比例、晶体的数目、大小和种类、粘度、机械作用和处理温度等。
（1）脂肪中固体组分的比例：脂肪的固体含量愈高，硬度愈大。
（2）晶体的数目、大小和种类：在一定含量的固体中，含大量小结晶的比含少量粗大结晶的可形成硬度更大的脂肪，而缓慢冷却则以形成大的软晶体为特征。高熔点甘油酯构成的晶体比低熔点甘油酯具有较大的硬化力。
（3）液体的粘度：由温度引起的稠度变化与熔化物的粘度变化有关。
（4）温度处理：如果一种脂肪趋向于极度过冷；可通过以下方法来防止，让脂肪在尽可能低的温度下加热熔化后，并在恰好高于熔点温度保持一段时间，然后冷却结晶，这样能形成很多晶核和小晶体，而且稠度稳定。
（5）机械作用：结晶的脂肪一般是触变的，剧烈振荡以后，脂肪可逆地变得更软。
6、介晶相（液晶）
固态脂类的分子在三维空间形成高度有序的结构，而在液态中，由于分子间的作用力减弱，分子自由运动成为完全无序状态。介于液态和晶态之间的相，称为介晶相（mesomorphic phase）或液晶(liquid crystal)。典型的兼（两）亲化合物，即具有极性部分又具有非极性部分，可以形成介晶相。例如，在加热一种兼亲结晶化合物时，在温度达到真熔点之前，烃区熔化，并转变成类似液态的无序状态，这种现象是因为极性基团之间存在较强的氢键键合，而烃链之间的范德华力较弱。纯晶体加热形成液晶是热致变的。有水存在和温度超过烃区的熔点（所谓krafft温度）时，三酰甘油的烃链转变成无序态，而水渗入有序的极性基团之间。这种借助于熔剂形成的液晶称为“离液的”（lyotropic）。介晶结构取决于兼亲化合物的浓度、化学结构、含水量、温度以及混合物中存在的其他成分。介晶结构主要有层状、六方型和立体型三种。
　（1）层状结构：这种结构相当于生物膜的双层膜，是由被水隔开的双层脂类分子构成[图4-18（a）]。这种结构的粘性和透明度比其他介晶结构小。
层状相的持水能力依赖于脂类组分的性质，例如单酰甘油层状液晶容纳的水达30%左右，相当于脂类双层间大约有16?厚的水层。如果向水中添加少量离子型表面活性物质，层状相将发生几乎无限的溶胀，假若增加的水分含量超过层状相的膨胀极限，将会逐渐形成由脂类和水的交替层所组成的同心圆球形聚集物的分散体。
一般来说，层状液晶相在加热时易转变成六方型Ⅱ或立方介晶相，如果层状液晶相在低于Krafft温度下冷却，可形成一种在脂类双层间保留着水和烃链的重新结晶的亚稳态凝胶，持续保持这种状态，水即被挤出，凝胶相转变成微晶水悬浮液，称为凝聚胶（coagel）。
　（2）六方型：在这种结构中，脂类按正六方形排列成圆柱体，圆柱体内充满液态烃链，圆柱体之间的空隙被水所占据[图4-18（b）]，这种液晶称为六方型Ⅰ或中间物，也可能形成六方型Ⅱ结构，这种结构与上述的六方型Ⅰ相反，圆柱体内部充满水并且被兼亲物质的极性基团所包围，烃链向外伸延构成圆柱体之间的连续相[图4-18（c）]。六方形Ⅰ液晶如果加水稀释便形成球形胶束，可是六方型Ⅱ液晶用水稀释却不能形成这种胶束。
（3）立方型或粘性各向同性型：虽然许多长链化合物以这种状态存在，但并不具有同层状和六方型液晶完全一样的特征，拉尔逊（Larsson）曾研究了单酸甘油酯水体系中立方相的结构。在这些体系中存在封闭水区，根据体心立方晶格中空间充满堆积的多面体，可提出一个立方介晶相模型[图4-18(d)]。立方介晶相通常是很粘滞和完全透明的。
图4-18　脂类的介晶结构。（a）层状；（b）六方型Ⅰ；（c）六方型Ⅱ；（d）立方型
在生物体系中，介晶态对于许多生理过程都是非常重要的，例如，介晶态影响细胞膜的可渗透性，液晶对乳状液的稳定性也起着重要作用。
四、乳状液和乳化剂
乳状液一般是由两种不互溶的液相组成的分散体系，其中一相是以直径0.1~50μm的液滴分散在另一相中，以液滴或液晶的形式存在的液相称为“内”相或分散相，使液滴或液晶分散的相称为“外”相或连续相。介晶或液晶对于乳状液的性质是很重要的。在乳状液中，液滴和（或）液晶分散在液体中，形成了水包油或油包水的乳状液，一般用缩写O/W和W/O表示。
小分散液滴的形成使两种液体之间的界面面积增大，并随着液滴的直径变小，界面面积成指数关系增加。实际上，界面面积可以变得非常大，例如1ml油在水中被分散成为1μm直径的小油珠，可形成1.9×1012个小球，其总界面面积为6m2。
食品乳状液的分散相体积百分数在一个很大范围变化，例如牛奶中为2.3%，蛋黄酱中为65%-80%，在有的乳状液中甚至可达到99%。当大小均一的完整小球达到最大密度时，可占乳状液体积的75%。因为液滴的大小和（或）液滴变形的能力各不相同，所以只有分散相的体积大于74%的乳状液才能存在。
当液滴分散在连续相中，由于界面面积增加，需要作功，可用下列关系式表示：
δW= γ·δA
式中γ表示界面张力，由于液滴分散增加了两种液体的界面面积，需要较多的能量，所以乳状液是热力学不稳定体系，也是液珠发生凝并的推动力,因此，很多乳状液是不稳定的。一般失稳（破乳）不外乎以下几种类型：
（1）分层或沉降：由于重力作用，使密度不相同的相产生分层或沉降，沉降速度遵循斯托克斯（Stokes）定律


式中V为油珠的运动速度，r表示油珠半径，g代表重力，△p为两相密度的差值，η表示连续相粘度。当油珠半径愈大，两相密度差愈小，且沉降速度愈快。在油珠形成簇时，按此方程计算得到的结果可能出现极大的偏差，因此，在计算时应该用簇半径代替油珠半径。
　（2）絮凝或群集：乳状液絮凝时，脂肪球成群的而不是各自地运动。未均质的牛奶，脂肪球容易絮凝，絮凝会加快分层速度，但不能使包围每个脂肪球的界面膜破裂，因此，脂肪球原来的大小不会改变。球表面的静电荷量不足，斥力减少，是引起絮凝的主要原因。
　（3）聚结：这是乳状液失去稳定性的最重要的途径，它使界面膜破裂，脂肪球相互结合，界面面积减小，严重时导致均匀脂相和均匀水相之间产生平面界面。聚结过程中脂肪球先互相接触，然后通过絮凝、分层或沉降以及布朗运动最终发生聚结。
图4-19 絮凝和聚结示意图
乳状液中添加乳化剂可阻止聚结，乳化剂是表面活性物质，界面吸附时能使乳状液表面张力降低，阻碍聚结的产生，同时还能增加表面电荷。
乳状液和乳化剂在食品加工中是很重要的。牛奶、乳脂（鲜奶油）、蛋黄酱、色拉调味汁、冰淇淋和蛋糕奶油属O/W型乳状液，而黄油和人造奶油为W/O型乳状液。肉乳状液包含更复杂的体系，这种体系中的分散相是细小的脂肪粒（固体），连续相是含有盐及可溶性和不溶性蛋白质、肌肉纤维和结缔组织颗粒的水溶液。
1、乳状液稳定性
下面简略讨论影响乳状液稳定性的因素。
（1）界面张力：大多数乳化剂是两亲化合物（amphiphilic compounds），它们浓集在油－水界面，明显地降低界面张力和减少形成乳状液所需要的能量，因此添加表面活性剂可提高乳状液的稳定性。但应该强调的是对于乳状液的稳定性更重要的影响因素是界面膜的性质.一般认为降低界面张力是使乳状液保持稳定的重要方法，但界面张力只是影响稳定性的因素之一；尽管添加表面活性剂可降低界面张力，但界面自由能仍然是正值，因此，还是处在热力学的不稳定状态。
（2）电荷排斥力：乳状液保持稳定主要取决于乳状液小液滴的表面电荷互相推斥作用，因此，经典胶体稳定性的DLVO理论通常用来解释乳状液的稳定性。根据这种理论，分散的颗粒受到两种作用力，即范德华吸引力和颗粒表面双电层所产生的静电斥力。因此，乳状液的稳定性决定于这两种作用力的平衡和净位能大小。如果排斥电位超过吸引电位（即静电斥力大于分子间的范德华吸引力），则产生反向碰撞能（即对抗碰撞的能垒），若能垒超过颗粒的动能，悬浮体保持稳定。仅当颗粒间的距离非常小时范德华位能（负的）才成为重要的影响因素。在中等距离时，排斥电位大于吸引位能。DLVO理论最初是为解释无机溶胶（分散相由亚微球形固体颗粒组成）提出的，因此应用于乳状液（分散相由被乳化剂稳定的小油滴组成）时，必须慎重。例如乳状液的聚结是由于液滴周围的吸附膜破裂，在计算油滴的相反碰撞势能能垒时应考虑油滴紧密靠近时出现的畸变或变平（distortion或flattening）等因素。DLVO理论也可以用来解释静电荷对乳状液稳定性的作用。
离子表面活性剂能够在含有油滴的水相中建立起双电层，对O/W型乳状液的稳定性产生明显影响，但对W/O乳状液的稳定性并不重要，因为油相一般不能提供足够的产生强电位梯度的抗衡离子。
（3）细微固体粉末的稳定作用：与分散的油滴大小相比，是非常小的固体颗粒,其界面吸附可以在液滴的周围形成物理垒（physical barrier），使乳状液保持稳定，同时，从界面驱出固体颗粒需要吸收能量，因为这样会引起油/水界面增大。具有这种作用的物质有粉末状硅胶、各种粘土、碱金属盐和植物细胞碎片等。乳状液类型及其稳定性主要取决于两相湿润固体颗粒的相对能力，容易湿润固体颗粒的相构成连续相，如果固体和油之间的界面张力（rso）大于固体和水之间的界面张力（rsw），则固体和水相的接触角θ小于90°，固体颗粒大部分存在于水相，这样有利于O/W型乳状液的形成（图4-20）。如果rsw＞rso，则有利于形成W/O型乳状液。显然，若固体颗粒只能在两相的一相中存在，则不会起到稳定作用。另外，两种液体与固体表面的接触角接近90°时，能形成最稳定的乳状液，调节pH值和使固体表面吸附不同种类的两性化合物，都可以改变固体的表面及其接触角。对于这一点，两性化合物疏水基团的浓度和链长是重要的影响因素。
综上所述，用固体颗粒稳定乳状液所添加的表面活性剂应在最小湿润相（非连续的）中易溶解，其表面活性剂浓度应调整到能使粉末和两液相之间产生接近90°的接触角，并在固/液界面牢固地吸附这种表面活性剂。液/液界面吸附可降低界面张力，因而减小固体颗粒转移所需要的能量，使乳状液的稳定性降低。
图4-20 固体颗粒接触角
（4）大分子物质的稳定作用：各种大分子物质，包括某些树胶和蛋白质，都能在乳状液液滴的周围形成厚膜，因此，对聚结产生物理垒。当蛋白质被吸附时可出现伸展并在界面取向，使非极性基团朝着油相排列，同时它们的极性基团朝着水相排列。对乳状液起稳定作用主要取决于蛋白质薄膜的流变学（粘弹性）性质和厚度。
多数大分子乳化剂是水溶性蛋白质，它们一般有助于O/W型乳状液的形成并使其保持稳定。蛋白质溶液分散体在油中一般是不稳定的。因此，增强乳状液稳定性最有效的方法是使被吸附的大分子膜分散在连续相中，而且这种膜应该具有凝胶样的弹性。
（5）液晶的稳定作用：液晶对乳状液稳定性具有重要作用，在乳状液（O/W或W/O）中，乳化剂、油和水之间的微弱相互作用，均可导致油滴周围形成液晶多分子层，这种界面能垒使得范德华力减弱和乳状液的稳定性提高，当液晶粘度比水相粘度大得多时，这种结构对于乳状液稳定性将起着更加明显的作用。
液晶多分子层类型在很大程度上依赖于乳化剂的性质。例如，乳化剂和油水为1：1时，聚山梨酸酯（polysorbates）和水形成六方型I液晶。当有三酰甘油酯存在时，可转变成层状液晶。有水和油存在时，硬脂酰乳酸钠（和水形成层状液晶）和不饱和单酰甘油（和水形成粘稠的各向同性结构）都能生成六方型II液晶。如果油的添加量过多，可以和界面液晶形成O/W型乳状液。
　（6）连续相粘度增加对稳定性的影响：任何一种能使乳状液连续相粘度增大的因素都可以明显地推迟絮凝和聚结作用的发生。明胶和多种树胶，其中有的并不是表面活性物质，但由于它们能增加水相粘度，所以对于O/W型乳状液保持稳定性是极为有利的。
除这些因素外，相和分散的小球之间的最小密度差也有利于乳状液保持稳定，可以从斯托克斯定律得到证明。
2、乳化剂
食品工业中目前可利用的乳化剂，其结构和性质都不相同，乳化剂可分为阴离子型、阳离子型或非离子型；天然的或合成的；表面活性剂、粘度增强剂或固体吸附剂等，乳化剂的疏水性和亲水性是其最主要的性质。食品加工中常利用乳化剂控制脂肪球滴聚集，提高乳状液的稳定性；在焙烤食品中能够保持软度，防止“老化”，并通过与面筋蛋白相互作用，起到强化面团的作用；此外，还可控制脂肪结晶和改善以脂类为基质产品的稠度。下面介绍几种选择乳化剂或混合乳化剂的方法，其中较重要的一种是根据分子的亲水－亲脂平衡（hydrophilie-lipophilie balance,HLB）性质选择乳化剂。因为乳化剂是含疏水和亲水基团的化合物，易溶解于连续相，所以根据乳化剂的相对亲水－疏水性质可预测所形成的乳状液类型（O/W或W/O）。根据亲水-亲脂平衡概念，每种表面活性剂的HLB可以用一个数值表示。
用实验方法测定乳化剂的HLB值非常繁琐，但是根据乳化剂特性可以准确地计算出这个数值。格里木（Griffim）建议采用下式计算多元醇、脂肪酸酯的HLB：


式中S表示酯的皂化值，A是脂肪酸的酸值，在某些情况下皂化值不容易准确测定但可按下式计算


式中E代表氧化乙烯的重量百分数，P代表多元醇的重量百分数，当氧化乙烯是唯一存在的亲水基团时，则方程式可简化为


普通乳化剂的HLB值见表4-6。乳化剂在水中的溶解度取决于其HLB值的大小。通常，HLB值范围在3~6之间的乳化剂可形成W/O型乳状液，数值在8~18之间则有利于形成O/W型乳状液。
表4-6 某些乳化剂的HLB和ADI值乳 化 剂
HLB值
ADI（mg/kg体重）
一硬脂酸甘油酯
3.8
不限制
一硬脂酸一缩二甘油酯
5.5
0~25
一硬脂酸三水缩四甘油酯
9.1
0~25
琥珀酸一甘油酯
5.3
二乙酰酒石酸一甘油酯
9.2
0~50
硬脂酰乳酸钠
21.0
0~20
三硬脂酸山梨糖醇酐酯（司班15）
2.1
0~25
一硬脂酸山梨糖醇酐酯（司班60）
4.7
0~25
一油酸山梨糖醇酐酯（司班80）
4.3
聚氧乙烯山梨糖醇酐一硬脂酸酯（吐温60）
14.9
0~25
丙二醇一硬脂酸酯
3.4
0~25
聚氧乙烯山梨糖醇酐一油酸酯（吐温80）
15.0
0~25
HLB值是代数加和值，因此，用简单的计算方法即可得到两种或更多种乳化剂混合物的HLB值，并且可以确定使乳状液产生最大稳定性的乳化剂混合物的组成。虽然HLB值可用来比较乳状液的稳定性，但它仍然受许多因素的限制。第一，商品乳化剂通常不是单一的成分，而是一组化合物组成的混合物。仅根据化学性质直接计算HLB是非常困难的，因为HLB法并未考虑乳化剂的浓度、液晶特性（mesomorphic behavior）、温度、乳化剂电离与体系中其他化合物的相互作用以及油和水相的性质、相对浓度等。例如，纯单酰甘油酯的HLB值近似3.8，因此，它只能形成W/O型乳状液。但是当乳化剂浓度达到能够在小脂肪球周围形成保护性液晶层时，单酰甘油酯便形成O/W型乳状液。此外，通常用混合乳化剂制成的O/W型乳状液要比用HLB值相同的单一的乳化剂制成的乳状液更稳定。
根据乳状液的相变温度（phaseinversion temperature,PIT）选择乳化剂，温度是一个很重要的因素。乳化剂在较低的温度下，优先溶解于水，而在较高温度时则会优先溶解于油，并且表现出极强的疏水相互作用。测定相变时的温度可以为乳化剂的选择提供依据。乳化剂的相变温度和乳状液的稳定性之间存在着良好的正相关。
根据毒理学研究，包括动物实验和短期及长期饲养实验，联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）食品标准委员会确定了人体对大多数食品乳化剂的每日允许摄入量（ADI）。某些乳化剂的HLB和ADI值见表4-6。
食品乳化剂
（1）甘油酯甘油酯是一类广泛用于食品工业的非离子型乳化剂。单酰甘油酯（单酰甘油）可直接将甘油和脂肪或精炼脂肪在碱性催化剂存在下进行反应获得。商品单酰甘油酯通常是脂肪酸单酯、二酯和三酯的混合物，单酰甘油酯约占45%，但用分子蒸馏法可以制备含90%以上单酰甘油酯的产品。蒸馏的单酰甘油酯通常用于加工人造黄油、快餐食品、低热量涂布料、松软的冷冻甜食和食用面糊等产品。
增加单酰甘油酯中醇基部分的游离羟基数目，可以提高亲水性。因此，脂肪酸和聚甘油进行酯化反应可制成HLB值范围广的聚甘油酯。甘油聚合可生成含30个以上甘油单位的聚甘油链。
单酰甘油-水系统的相特性，对单酰甘油的最适功能性（functionality）是非常重要的。单酰甘油酯如12:0和16:0脂肪酰甘油酯是层状液晶，而较长碳链脂肪酸酯通常形成六方型II或立方型液晶，当含水量低时，不饱和单酰甘油在室温下可生成层状液晶；含水量增加到约20%，即形成粘性各向同性相；在温度超过70℃时，可转变成六方型II；如果含水量增加到40%以上，粘性各向同性相成为凝胶块状物，而且很难使其均匀地分布。
商业上生产的蒸馏单酰甘油酯通常是水溶性混合物，以便在使用时能在食品中均匀分布。中和游离脂肪酸或者添加少量离子型化合物可以明显提高蒸馏单酰甘油的溶胀性。用缓冲液调节pH7时，可得到均匀透明的稀释分散体系，当体系冷却时形成稳定的凝胶。
25%左右的饱和蒸馏单酰甘油酯混合物水溶液加热至大约65℃，生成的液晶相用醋酸或丙酸酸化至pH3，然后用刮板式热交换器冷却，这样即可制成结晶水合物产品，这种产品是极小的单酰甘油酯β结晶在水中的稳定分散体系，具有特别光滑的质地，可用于食品焙烤工业。
（2）乳酰单酰甘油用羟基羧酸酯化单酰甘油酯能增加单酰甘油酯的疏水性，例如，甘油、脂肪酸和乳酸可制成乳酰单酰甘油。
脂肪酸 甘油 乳酸 乳酰单酰甘油丁二酸和苹果酸也可按相似的方法酯化单酰甘油酯。单酰甘油酯与二乙酰酒石酸酐反应生成乙酰化酒石酸单酰基甘油。
二乙酰酒石酸酐 单酰甘油 乙酰化酒石酸单酰甘油二乙酰酒石酸酯和二乙酰丁二酸酯在水中均可形成一定溶胀度的层状液晶，它们和蒸馏单酰甘油酯一样，当添加NaOH时，其吸水能力将急剧增大。苹果酸酯可形成含水量达到20%的立方液晶相，在温度较高及含水较多时，则形成六方型II液晶相，丁二酸酯不能和水形成液晶相，但具有液晶性。
（3）硬脂酰乳酸钠（SSL）
SSL这种离子型乳化剂是一种强亲水性表面活性剂，能在油滴和水之间形成稳定的液晶相，因此可用来产生十分稳定的O/W型乳状液。硬脂酸与二分子乳酸和氢氧化钠反应可生成这种产物：
硬脂酸 乳酸 硬脂酰二乳酸钠
由于这类乳化剂对淀粉有很强的配位能力，所以硬脂酰乳酸钠盐和钙盐一般用于焙烤和淀粉工业。
（4）乙二醇或丙二醇脂肪酸单酯乙二醇或丙二醇脂肪酸单酯同样也广泛用于焙烤食品，亲水性更强的酯可以用脂肪酸和二元醇制成，例如丙二醇单酯、壬乙二醇单酯。
（5）脱水山梨醇脂肪酸酯与聚氧乙烯脱水山梨醇脂肪酸酯脱水山梨醇脂肪酸酯通常是脂肪酸的山梨醇酐或脱水山梨醇的混合酯，山梨醇首先脱水生成已糖醇酐或已糖二酐，然后和脂肪酸进行酯化反应，所生成的产物在商业上叫做司班（spans）。
这些乳化剂可促进W/O型乳状液的形成，脱水山梨醇酯和环氧乙烷反应生成亲水性更强的化合物，聚氧乙烯链通过醚键与羟基加成，生成聚氧乙烯脱水山梨醇脂肪酸酯，商品名称为吐温（Tweens）。
一般说来，这些化合物在水中形成六方型I液晶，它们能溶解少量三酰甘油，随着三酰甘油的增加，出现层状液晶。乳化剂增溶非极性脂类的能力对乳状液界面相平衡的形成是很重要的。
　（6）卵磷脂大豆卵磷脂和蛋黄中的磷脂是天然乳化剂，主要形成O/W型乳状液，蛋黄含10%的磷脂，可用作蛋黄酱、色拉调味汁和蛋糕乳状液的稳定剂。商品大豆卵磷脂是一种磷脂的混合物，包含有大约等量的磷脂酰胆碱（卵磷脂，PC）和磷脂酰乙醇胺（脑磷脂，PE），以及部分磷脂酰肌醇及磷脂酰丝氨酸。粗卵磷脂一般含有少量甘油三酯、脂肪酸、色素、碳水化合物以及甾醇。在冰淇淋、蛋糕、糖果和人造奶油等加工工业中用作乳化剂，添加量一般为0.1%~0.3%，商品卵磷脂是油脂加工的副产品，根据在乙醇中溶解度不同的分级结晶原理可以得到含不同磷脂组成和不同HLB特性的卵磷脂乳化剂。
（7）各种植物中的水溶性树胶，属于O/W型乳状液的乳化剂，由于能增大连续相的粘度和（或者）在小油珠周围形成一层稳定的膜，使聚结作用受到抑制。这类物质包括阿拉伯树胶、黄蓍胶、汉生胶、果胶、琼脂、甲基和羧甲基纤维素以及鹿角藻胶（carrageenan），在糖类化合物这一章的有关内容中已经作过介绍。此外，蛋白质的乳化剂功能，将在第五章详细讨论。
第五节 脂类的化学性质
一、脂解
脂类化合物在酶作用或加热条件下发生水解，释放出游离脂肪酸。活体动物组织中的脂肪实际上不存在游离脂肪酸，然而动物在宰杀后由于酶的作用可生成游离脂肪酸，动物脂肪在加热精炼过程中使脂肪水解酶失活，可减少游离脂肪酸的含量。
乳脂水解释放出短链脂肪酸，使生牛奶产生酸败味（水解酸败）。但添加微生物和乳脂酶能产生某些典型的干酪风味。控制和选择脂解也应用于加工其他食品，例如酸牛奶和面包的加工。
与动物脂肪相反，成熟的油料种籽在收获时油脂将发生明显水解，并产生游离脂肪酸，因此大多数植物油在精炼时需用碱中和。在油炸食品时，食品中大量水分进入油脂，油脂又处在较高温度条件下，因此脂解成为较重要的反应。在油炸过程中，由于游离脂肪酸含量的增加，通常引起油脂发烟点和表面张力降低，以及油炸食品品质变劣。同时游离脂肪酸比甘油酯对氧化作用更为敏感。
酶催化脂解是广泛用于脂类研究的一种分析方法。胰脂肪酶和蛇毒磷酸二酯酶被用来确定脂肪酸在酰基甘油分子中的位置和分布，这些酶的专一性在某些脂类化学合成中制备中间产物是特别有用的。
二、脂类氧化
脂类氧化是食品败坏的主要原因之一，它使食用油脂，含脂肪食品产生各种异味和臭味，统称为酸败。另外，氧化反应能降低食品的营养价值，某些氧化产物可能具有毒性，在某些情况下，脂类进行有限度氧化是需要的，例如产生典型的干酪或油炸食品香气。
对脂类氧化产物和脂类的氧化机理已作过广泛研究。食品脂类的氧化非常复杂，用较简单的模拟体系虽然可查明例如油酸酯、亚油酸酯和亚麻酸酯等不饱和脂类的氧化反应机理，但应用于更复杂的食品脂类体系情况就更为复杂。
（一）自动氧化（Autoxidation）
自动氧化作用是脂类与分子氧的反应，是脂类氧化变质的主要原因，同时人们也开始认识到光敏氧化反应的作用及其与自动氧化之间的相互关系。在食品中，脂类氧化分为酶催化氧化和非酶氧化。非酶氧化包括自动氧化和光敏氧化。
1、自动氧化反应的一般特性
自动氧化相当复杂，涉及许多中间反应和中间产物，因此，一般采用模拟体系进行研究，例如选用一种不饱和脂肪酸或者是它的中间产物在一定条件下研究其氧化过程。大量证据表明，脂肪自动氧化是典型的自由基链反应历程，并具有以下特征：凡能干扰自由基反应的化学物质，都将明显地抑制氧化反应速率；光和产生自由基的物质对反应有催化作用；氢过氧化物ROOH产率高；光引发氧化反应时量子产率超过1；用纯底物时，可察觉到较长的诱导期。
根据亚油酸乙酯的实验结果，吸氧速率可表示为：
速率=

式中RH表示底物脂肪酸（这里H表示α亚甲基上的氢原子，受邻近双键或多个双键激活的影响容易除去），ROOH是形成的氢过氧化物，P表示氧压，λ和k2是经验常数。
脂类自动氧化的自由基历程可简化成三步（即引发、传递和终止）：
引发剂
游离基(R˙,ROO˙) 引发 （1）
R˙+ O2
ROO˙ 传递 （2）
ROO˙+ RH
ROOH + R˙ （3）
R˙+ R˙
（4）
R˙+ ROO˙
非自由基产物 终止 （5）
ROO˙+ ROO˙
（6）
在高氧压时，λ[RH]/P《1，反应（4）和（5）可忽略不计，于是得到下式：
速率=

因此，吸氧速率与氧压无关。
在低氧压时，λ[RH]/P﹥1，反应（5）和反应（6）忽略不计。
速率=

因为RH+O2→自由基是热力学上难以反应的一步（活化能约146kJ/mol），所以通常靠催化方法产生最初几个引发正常传递反应所必须的自由基，如氢过氧化物的分解，金属催化或光的作用可导致第一步引发反应，当有足够量自由基形成时，反应物RH的双键α碳原子上的氢被除去，生成烷基自由基R·,开始链反应传递，于是氧在这些位置（R·）发生加成，生成过氧自由基ROO· ；这样，ROO·又从另一些RH分子的α亚甲基上除去氢形成氢过氧化物ROOH和新的R·；然后新的R·自由基与氧作用重复以上反应步骤。由于R·的共振稳定，反应序列通常伴随着双键位置的转移，因此通常生成含共轭双烯基的异构氢过氧化物。一旦这些自由基相互结合生成稳定的非自由基产物，则链反应终止。
脂类自动氧化的主要初产物氢过氧化物是相对不稳定的，能参与很多复杂的分解和相互作用的反应，产生无数个分子量、风味阈值及生物学意义不同的化合物（图4-21）。
2、氢过氧化物的形成
氢过氧化物是脂类自动氧化的主要初期产物，已用现代分析技术定性和定量分析了来自油酸酯、亚油酸酯和亚麻酸酯的各种氢过氧化物异构体。
（1）油酸酯：油酸酯的碳8和11的氢，可导致两个烯丙基中间产物的形成，氧攻击每个基团的末端碳原子，生成8、9、10和11烯丙基氢过氧化物的异构体混合物。
反应中形成的8和11氢过氧化物略微多于9和10异构体。在25℃时，8和11氢过氧化物中，顺式和反式数量相等，但9和10的异构体主要是反式。
（2）亚油酸酯：亚油酸酯的1，4戊二烯结构比油酸酯的丙烯体系对氧化作用更为敏感（约20倍），两个邻近双键使11碳亚甲基活化程度增大一倍。在此位置脱氢生成戊二烯自由基中间产物，与分子氧反应生成等量的共轭9-和13-二烯氢过氧化物的混合物。9和13-顺式、反式-氢过氧化物可以通过互变异构和某些几何异构化形成反式、反式-异构体。因此，两种氢过氧化物（9和13）中的每一种都有顺、反和反、反式存在。
（3）亚麻酸酯：亚麻酸酯分子中存在二个1，4-戊二烯结构，碳11和14两个活性亚甲基脱氢产生二个戊二烯基。
氧攻击每个自由基的末端碳，结果生成异构9-，12-，13-和16-氢过氧化物混合物，这四种氢过氧化物中的每种都有几何异构体，每种都具有顺式、反式或反式、反式构型，而共轭双烯体系中，隔离双键总是顺式。在反应中形成的9-，16-氢过氧化物明显多于12-和13-异构体，因为氧优先与碳9和碳16反应，而12-和13-氢过氧化物较快的分解，或12-和13-氢过氧化物按如下所示反应得通过1，4环化形成六元环过氧化物的氢过氧化物，或通过1，3环化形成像前列腺素的环过氧化物。
3、单重态氧的氧化作用
正如以上所讨论的，不饱和脂肪酸氧化的主要途径为自催化自由基历程（自动氧化），它可以阐明氢过氧化物（ROOH）形成和分解的链反应。然而，很难解释开始进行反应时所必需的起始自由基是怎样产生的，活性单重态氧（1O2）可引发油脂光氧化变质，则是较满意的解释。
（二）光敏氧化
电子带电荷，它们如同具有两种不同取向的磁体，且自旋量等于+1和-1，原子中的电子总角动量为2S+1，原子的外层轨道因有两个未成对电子，它们可按相互自旋平行或反平行排列，形成两个不同的能态，即2（1/2+1/2）+1=3和2（1/2-1/2）+1=1，分别称为三重态氧（3O2）和单重态氧（1O2），三重态氧的二个电子位于2Pz反键轨道，自旋相同而轨道不同，这些电子遵从pauli不相容原理而彼此分开。
所以静电排斥能量很小，处于基态。
在单重态中，两个电子自旋相反，静电排斥能量大，处于激发态。单重态氧可以有两种能态，一种是比基态能量大94kJ的1△，另一种是大于基态能量157kJ的1∑，分别按下面方式排列。



　 单重态氧比三重态氧亲电子的能力更强，因此，能迅速和高电子密度部分，例如—C=C—起反应（比3O2大约快1500倍），当所生成的氢过氧化物分解，并引发自由基链反应。
单重态氧可以通过各种方式产生，最重要的是通过食品中天然色素的光敏作用，因此，单重态氧引起的脂类氧化又称光敏氧化。已知有两种光敏氧化途径，第一种是在吸收光以后，敏化剂（Sens）和底物（A）起反应生成中间产物，然后中间产物（m）和基态（三重态）氧反应生成氧化产物（P）
Sens + A + hv → m - I*
m - I* + 3O2→ m - I + 1O2 → P + Sens
第二种途径，在光辐照下与敏化剂起反应的是分子氧而不是底物。
1Sens + hυ → 1Sens → 3Sens*
3Sens* + 3O2→ 1Sens + 1O2*→ m -Ⅱ
m -Ⅱ + A → P + Sens
（*为激发态）
光敏氧化的机理与自动氧化不同，它是通过“烯”反应进行氧化。
下面是亚油酸酯的光敏化氧化机理：
9-OOH 10-OOH 12-OOH 13-OOH
含脂肪的食品中，一些天然色素例如叶绿素和肌红蛋白，都可以作为光敏剂，产生1O2，此外人工合成色素赤鲜红（erythrosine）也是活性光敏化剂。
β-胡萝卜素是最有效的1O2猝灭剂，生育酚、原花青素、儿茶素也具有这种作用，合成抗氧化剂例如BHT和BHA也是有效的1O2猝灭剂。
单重态氧形成氢过氧化物与自由基自动氧化的反应机制不相同，其中最重要的是“烯”反应，它包括形成一个六元环过渡态，氧插入双键端，而后移位生成反式构型烯丙基10-氢过氧化物，因此，油酸酯生成9和10-氢过氧化物（而不是自由基自动氧化产生的8，9，10和11-氢过氧化物），亚油酸酯生成9，10，12和13-氢过氧化物（而不是9，13），亚麻酸酯形成的是9，10，12，13，15和16-氢过氧化物混合物（不是9，12，13和16）。
实验证明，在脂类光敏氧化过程中单重态氧是自由基活性引发剂，根据单重态氧产生的氢过氧化物的分解特点可用来解释脂类氧化生成的某些产物。然而，一旦形成初始氢过氧化物，自由基链反应将成为主要反应历程。
　（三）脂类氧化的其他反应
1、氢过氧化物的分解氢过氧化物按几步进行分解，生成很多种分解产物。每种氢过氧化物产生一系列起始分解产物，它们的特征依其在母体分子的位置而定，其中有的还能进一步分解和氧化。氢过氧化物在分解过程中可产生大量自由基。许多可能的反应途径的复杂性，使氧化产物变得非常复杂，以致在大多数情况下完全不了解它们的氢过氧化物的来源。
氢过氧化物极不稳定，一经形成就开始分解，在自动氧化的第一步，生成速度超过分解速度，而在随后的几步反应中则相反。
氢过氧化物分解均裂按下面示意图进行。第一步是氧-氧键断裂，产生一个烷氧自由基和羟基自由基。
氢过氧化物分解的第二步是烷氧自由基两端的任一端的碳-碳键位置发生裂断。一般说来，酸性一侧（羧基或酯）断裂生成醛和酸（或酯），在烃（或甲基）一边断裂生成烃和含氧酸（或氧代酯）。如果这种断裂产生的是乙烯基，则形成醛，反应如下：
例如，油酸甲酯的8-氢过氧化物异构体，在烃基一侧a断裂即生成癸醛和8-氧代辛酸甲酯;在酯基一侧（b）断裂则形成2-十一烯醛和庚酸甲酯。
可以预计其余三种油酸酯的氢过氧化物都各自按同样方式产生四种有代表性的产物，即9-氢过氧化物产生壬醛，9-氧代壬酸甲酯，2-癸烯醛和辛酸甲酯；10-氢过氧化物生成辛烷，10-氧代8-壬烯酸甲酯，壬醛和9-氧代壬酸甲酯
11-氢过氧化物可产生庚烷、11-氧代-9-十五烯酸甲酯、辛醛和10-氧代癸酸甲酯。
油酸酯在特殊条件下可在氢过氧化物和双键之间发生异裂。
如上所述，亚油酸酯自动氧化产生两个共轭氢过氧化物，即9和13-氢过氧化物。图4-22表示9-烷氧基的断裂。单重态氧的氧化作用可形成4个异构氢过氧化物。其中两个不具有自动氧化作用的特征，10-氢过氧化物可能生成2-辛烯、10-氧代-8-癸烯酸甲酯、3-壬烯醛和9-氧代壬酸甲酯；12-氢过氧化物生成已醛、12-氧代-9-十二烯酸甲酯、2-庚烯醛和9-十一烯酸甲酯。如果在加热条件下亚油酸酯自动氧化生成碳链长小于Ｃ9的系列酯和氧代酯，即Ｃ6、Ｃ7、Ｃ8醛基酯、二羧酸系列和Ｃ5、Ｃ6、Ｃ7乙基酯系列（图4-23）。
图4-22 甲基-9-氢过氧基10，12-十八碳二烯酸甲酯的分解产物
图4-23 短链酯、氧化酯和二羧酸形成的机制
已知亚麻酸酯的9，12，13和16氢过氧化物生成某些裂解产物，但几种其他产物特别是较长碳链和不饱和氧代酯尚未确证，可能此化合物很快发生分解。
环状过氧化物或氢过氧基环状过氧化物一般是多不饱和脂肪酸氧化时形成的产物，并再分解成许多种化合物。以下表示3，5-辛二烯-2-酮的形成：
　
　
2．醛类进一步分解
醛类是脂肪氧化过程中生成的一类主要化合物，在氧化的脂肪中存在着多种醛类化合物。饱和醛容易氧化成对应的酸，以及发生二聚和缩合反应，例如三个己醛分子可结合成三戊基三恶烷。
脂肪自动氧化生成醛、醇、酸、酯和烃及其他聚合物或双官能团氧化物，产生令人难以接受的气味，例如亚油酸酯的次级氧化产物三烷基三恶烷，具有较强的气味。有研究报道油酸自动氧化生成醛、醇、烷基甲酸酯和烃的历程，认为油酸酯的10-氢过氧化物生成的壬醛脱氢后，在两种羰基自由基之间产生共振平衡（见图4-24），导致过酸（peracid）和α-氢过氧基醛的形成，碳-碳和氧-氧裂解可以产生能够引发链反应或结合成氧化产物的各种自由基。
图4-24 推测的壬醛自动氧化机理
　 脂类氧化生成的不饱和醛的α-亚甲基，当受到氧的攻击，可发生典型的自动氧化反应，生成短链烃、醛和二醛化合物。
上述反应形成的丙二醛，可用硫代巴比妥酸（TBA）法测定。
关于含共轭双键的醛类的氧化机理，是由于氧攻击烯的中心位置生成环氧化物。以亚麻酸酯的9-氢过氧化物生成的主要醛2，4-癸二烯醛为例，产生2，3-环氧或4，5-环氧衍生物中间产物，图4-25表示2，3-环氧化物的形成和分解：
图4-25 2,4-癸二烯醛2,3-环氧化物的形成和分解
同样，4，5-环氧化物分解生成己醛、2-丁烯醛、己烷和2-丁烯-1，4二醛。
3.胆固醇的氧化胆固醇氧化后可生成具有一定细胞毒性、血管紧张和致癌作用的有害物质。图4-26为胆固醇自动氧化的机制，氧化初期的产物是两种氢过氧化物异构体，即7α-和7β-胆固醇氢过氧化物，其中7β-氢过氧化物的含量较高。氢过氧化物分解生成7α-和7β-羟基胆固醇，胆固醇α-和β-环氧化物和7-酮基胆固醇，此外，还有来自侧链衍生的20-和25-羟基胆固醇，以及通过消去反应生成的一系列酮，即胆甾3，5-二酮和胆甾3，5-二酮基-7-酮等。

胆甾-3，5-二酮基-7-酮 胆甾烷三醇 25-羟基胆固醇胆固醇 烷基自由基 过氧自由基
胆固醇5，6-环氧化物 烷氧自由基 7-氢过氧化物
7-羟基胆固醇 7-酮基胆固醇图4-26 胆固醇自动氧化机制
胆固醇氧化还生成一些另外的产物，如挥发性化合物，以及分子量相对较高的化合物和许多小分子量氧化物。
胆固醇的氧化产物，已在干燥蛋制品、肉和乳制品、油炸食品和加热脂肪等系列加工食品中被测定证实。
4．烷基游离基和烷氧自由基的其他反应
当烷氧自由基从甲基的一侧裂解时，生成的烷基自由基可参与多种反应，如图4-29所示，例如与羟基结合生成醇，脱氢则形成1-烯烃或氧化生成末端氢过氧化物，氢过氧化物再分解生成对应的烷氧自由基，烷氧自由基继续反应形成醛，或者进一步裂解生成另一种烷基自由基。
烷氧自由基若夺取另一个分子的α-亚甲基氢原子则生成羟基酸，或失去氢原子形成酮酸。
羟基酸 酮酸
烷氧自由基或过氧自由基与双键反应形成下述环氧化物。
图4-27 烷基自由基的某些反应
5.形成二聚和多聚化合物
二聚和多聚反应是脂类在加热过程和氧化反应中的主要反应，通常还伴随碘值降低以及分子量、粘度和折光指数增大。
在低氧压时脂类的两个酰基之间可以按不同的方式形成碳-碳键。
双键和共轭二烯通过狄尔斯-阿德耳（Diels-Alder）反应生成四取代环己烯。
1，4-Diels-Alder反应例如，亚油酸酯在热氧化时产生一个共轭双键，然后与另一个亚油酸酯分子（或油酸酯）反应，形成环状二聚物。
就酰基甘油而言，两个三酰基甘油分子的酰基或者分子内的两个酰基发生二聚反应。
低氧压时自由基可相互结合成非环状二聚物，例如油酸酯形成8，9，10或11碳位偶联的二聚物（脱氢二聚物）的混合物。
可能形成（1）（1），（1）（2），（1）（3），（1）（4），（2）（2），（2）（3），（2）（4），（3）（3），（3）（4）或（4）（4）自由基与双键加成的多种二聚物。
自由基和双键发生加成反应还可以生成二聚自由基，这种二聚自由基能够夺取另一个分子的氢原子，或者攻击另一个双键，形成无环或环状化合物，油酸酯和亚油酸酯的二聚反应分别表示在图4-28和4-29中。在不同酰基甘油的酰基之间也可以发生类似的反应，生成二聚和三聚三酰基甘油。
图4-28 油酸酯二聚反应
图4-29 亚油酸酯二聚合反应
在供氧充足的情况下，烷基或烷氧基与过氧自由基结合，生成各种各样的二聚酸和聚合酸以及碳-氧-碳或碳-氧-氧-碳交联酰基甘油（图4-30）。
图4-30 酰基甘油聚合反应
同一分子的自由基在双键上发生加成反应可生成环状单体，碳链较长的多不饱和脂肪酸易环化，如图4-31中所示的花生四烯酸的环化反应。
图4-31 花生四烯酸环化反应
（四）生物体系中脂类的氧化
以上主要是关于纯脂类在液相中的氧化，然而包括食品在内的生物体系中，脂类分子通常以非常有序的状态存在，分子间的距离和迁移均受到一定限制，并且和邻近的非脂类物质如蛋白质、糖类化合物、水、酶、盐类、维生素、抗氧化物质前体和抗氧化剂紧密地结合在一起。显然，在这些天然体系中，脂类的氧化反应机理和产物，与纯脂类中进行的那些反应完全不相同。在生物体内脂类的氧化包括酶促氧化和非酶氧化。
生物体组织中脂类非酶氧化反应的机理复杂，所以多采用较简单的非体相脂类体系进行研究，然后用所得的结果解释复杂的生物体系中脂类的氧化。非体相脂类模拟体系包括单分子层（水相表面或硅胶吸附）、人工脂类包囊和磷脂双层膜。米德（Mead）等认为这些非体相的氧化作用与体相中脂类的氧化作用不同。生成的中间产物也不同，在单分子层的非体相体系中，亚油酸酯氧化主要生成顺式或反式环氧化合物，为一级动力学反应。而体相脂类氧化生成的主要中间产物是氢过氧化物，其反应比非体相脂类氧化反应更为复杂，当活性不饱和酸碳链的双键之间插有抗氧化能力的饱和碳链，倘若碳链长度足以能干扰氧的传递，则过氧化速度降低。要查明分子取向对脂类氧化反应历程和产物的影响，还必须做更多的研究。
脂类的酶促氧化途径，是从脂解开始的，得到的多不饱和脂肪酸被脂肪氧合酶或环氧酶氧化分别生成氢过氧化物或环过氧化物。过去认为脂肪氧合酶只限于对植物中脂类的氧化，而现在已证明动物中也存在脂肪氧合酶体系。植物和动物脂肪氧合酶都具有区域专一性（即催化特定碳原子氧合）和立体专一性（形成对应的氢过氧化物）。接下去的反应包括酶裂解氢过氧化物及环过氧化物，生成各种各样的分解产物，它们常常是许多天然产物产生特征风味的原因。在有其他成分如蛋白质或抗氧化物质存在时，脂类与非脂类的氧化产物反应，不仅可以终止氧化反应（酶或非酶的），而且还能影响反应速率，例如某些非酶褐变产物具有抗氧化剂的作用。蛋白质的碱性基团可催化脂类氧化，并与氧化生成的羰基化合物发生醇醛缩合反应，最终也生成有抗氧化能力的褐色素。而脂类氧化生成的氢过氧化物能使含硫蛋白质发生氧化，造成食品营养成分的大量损失。脂类的次级氧化产物可引发蛋白质游离基反应或者与赖氨酸的ε-氨基形成席夫氏碱加成产物，此外，游离糖类化合物也可加快乳状液中脂类的氧化速度。
（五）脂类氧化的测定
脂类氧化是一个非常复杂的过程，包括氧化引起的各种各样的化学和物理变化，这些反应往往是同时进行和相互竞争的，而且受到多个变量的影响。由于氧化性分解对食品加工产品的可接受性和营养品质有较重要的意义，因此需要评价脂类的氧化程度。下面介绍一些常用的测定方法。
1．过氧化值：过氧化物是脂类自动氧化的主要初级产物，常用碘法测定。该法基于过氧化物使碘化钾释放出碘
ROOH+2KI→ROH+I2+K2O
或将亚铁氧化成为高铁
ROOH+Fe2+→ROH+OH-+Fe3+
测定过氧化物的含量，一般用每千克脂肪中氧的毫摩尔数（mmol O2/kg）表示。也可用比色方法测定。虽然过氧化值用于表示氧化初期产生的过氧化物，但并不十分准确可靠，因为分析结果随操作条件而变化，并且这种方法对温度的变化非常敏感。脂类在氧化过程中，过氧化值达到最高值后即开始下降。
如果将油脂的过氧化值与酸败味联系在一起考虑，有时可得到良好的相关性，但是结果往往不一致，因为产生酸败所吸收的氧或形成的过氧化物数量，随油脂的组成（饱和度高的脂肪，酸败所吸收的氧较少）、抗氧化剂和微量金属离子的存在以及氧化条件等各种因素而变化。
2．硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid,TBA）法：这是广泛用于评价脂类氧化程度的方法之一。不饱和体系的氧化产物与TBA反应生成有颜色的化合物，例如两分子TBA与一分子丙二醛反应形成粉红色物质，因而可用于比色测定。
但并非所有脂类氧化体系中都有丙二醛存在，很多链烷醛、链烯醛和2，4-二烯醛也能与TBA试剂反应产生黄色色素（450nm），但只有二烯醛才产生红色色素（530nm），因此，需要在两个最大吸收波长（黄色450nm，红色530nm）下进行测定。
一般说来，只有含三个或更多个双键的脂肪酸才能产生足够量与TBA反应的物质，反应历程如图4-32所示。丙二醛至少有一部分是多不饱和脂肪酸自动氧化的产物，类似前列腺素的环过氧化物的分解。
除了脂肪氧化体系中存在的那些化合物以外，还发现其他化合物也能够和TBA试剂反应生成特征红色色素，因而干扰测定，例如蔗糖和木材熏烟中的某些化合物与TBA反应显红色。因此，腌制和熏制的鱼肉加工品用TBA试剂检测脂肪的氧化程度时应进行校正。若一部分丙二醛已经与氧化体系中的蛋白质发生反应，则分析结果偏低，此外，风味评分与TBA值往往不一致，因一定量的油脂氧化所产生的TBA相对值因食品种类而异。但是，在很多情况下，TBA检验法仍可用来对一种试样的不同氧化状态进行比较。
　
丙烷 丙二醛 丁二烯
图4-32 形成丙二醛的可能途径
　 ３．总羰基化合物和挥发性羰基化合物的测定:总羰基化合物的测定方法通常是基于脂类的氧化产物醛和酮能与2，4-二硝基苯肼反应生成腙的这一原理。但是，在检验条件下，不稳定底物的分解也可产生羰基化合物，例如氢过氧化物，从而干扰定量测定的结果。为使这种干扰降低至最小程度，在测定前预先使氢过氧化物还原为非羰基化合物或在低温下进行反应。
在氧化的脂肪中，羰基化合物的主要部分是分子量较大和不能直接产生香味的那些化合物。现已能用各种技术分离和测定挥发性羰基化合物，最普通的方法是在常压或减压下蒸馏回收挥发性分解产物，然后将蒸馏液和适当的试剂反应测定羰基化合物的含量。
　 4．茴香胺（anisidine，甲氧基苯胺）值：在醋酸存在时，茴香胺与醛反应显黄色，如果醛化合物含有一个和羰基共轭的双键，则使350nm波长处摩尔吸收值增大，因此，茴香胺值主要是测定2-链烯醛。一般用氧化值（OV）（即2×过氧化值+茴香胺值）评价油脂的氧化。
5．克雷斯试验（Kreis test）：这是商业、卫生监督部门最初用于评价脂肪氧化的一种检验方法。在盐酸酸性条件下脂肪的氧化产物1，2-环氧丙醛（丙二醛异构体）和间苯三酚反应显红色。但是无氧化异味的新鲜油脂试样在加入克雷斯试剂后也可能出现颜色，并且各个实验室之间很难得到一致的检验结果。
　 ６．光谱法：紫外光谱法是测定脂类的氧化程度的一种常用方法。通常在234nm（共轭双烯）处测定油脂吸收值，用于监测油脂的氧化过程。但是，除脂肪氧化初期外，吸收值的变化和脂肪的氧化程度没有多大联系。
红外光谱法也可用于测定脂类的氧化，根据反应过程中醛类化合物的生成及羟基含量的增加，观察2780cm-1的醛基吸收峰的出现与变化，以及3400cm-1~3600cm-1的羟基吸收峰的增加，判断脂类的氧化程度。
　 ７．环氧己烷检验法：根据卤化氢和环氧乙烷基团发生加成反应的原理，在醋酸溶液中，油脂试样用HBr滴定至结晶紫指示剂转变至蓝绿色为滴定终点，根据HBr的浓度和消耗的体积计算出试样中环氧化物的含量。但这种检验方法不够灵敏，而且缺乏专一性，因为卤化氢试剂还能与α，β不饱和羰基和共轭二烯醇等化合物发生反应。同时对于某些反式环氧化物，这种反应并不是定量的。另一种比色测定环氧乙烷的方法，是根据环氧乙烷和苦味酸反应的原理，其优点是灵敏度高，干扰小。
　 ８．碘值：碘值用来表示油脂的不饱和程度，碘值降低说明油脂已发生氧化，所以有时用这种方法监测油脂自动氧化过程中二烯酸含量下降的趋势。碘值用所吸收碘的百分数表示。
　 ９．荧光法：脂类氧化生成的羰基化合物与具有游离氨基的某些细胞组分相互作用，形成有荧光的化合物，因而用荧光法检测生物组织中的油脂氧化产物是一种较灵敏的方法。
　 １０．色谱法：液相色谱、气相色谱、薄层色谱、高效液相色谱和凝胶渗透色谱等多种色谱技术已用于测定油脂和含脂类食品中的氧化产物。色谱法对挥发性、极性或聚合的化合物能同时完成分离和定量测定。例如，戊烷或己醛是油脂自动氧化过程中产生的特征化合物，可用气相色谱法测定。
　 １１．感观评价：最终判断食品的氧化风味需要进行感官检验。风味评价通常是由有经验的人员组成评尝小组，采用特殊的风味评分方式进行的。
几种快速试验方法也可用于测量脂类在不同条件下耐受氧化的能力。
　（1）史卡尔（Schaal）烘箱试验法：置油脂试样于65℃左右的烘箱内，定期取样检验，直至出现氧化性酸败为止。也可以采用感官检验或测定过氧化值的方法判断油脂是否已经酸败。
　（2）活性氧法（AOM）：这是一种广泛采用的检验方法，油脂试样保持在98℃条件下，不断通入恒定流速空气，然后测定油脂达到一定过氧化值所需的时间。
　（3）酸败法：如AOM法一样，不断通入恒定流速的空气到油中，通常在100℃进行试验，测定氧化产物电导值的增加，用时间表示脂类氧化“诱导期”的长短，判断氧化作用。
　（4）吸氧法：按密闭容器内出现一定的压力降所需的时间测定油脂试样的吸氧量，或在一定氧化条件下测定油脂吸收预先确定的氧量的时间，作为衡量油脂稳定性的方法。这种检验特别适用于抗氧化剂的活性研究。
（六）影响食品中脂类氧化速率的因素
食用脂肪中的脂肪酸对氧化敏感性明显不同，食品中还存在很多影响脂类氧化速率的非脂类成分，这些复杂组分可能产生共氧化，或者与其他氧化产物相互作用，以及它们对各种不同自动氧化进程的影响，使得任何精密的氧化动力学分析方法几乎都不可能在食品中得到应用。以下简要介绍有关的影响因素。
　 １．脂肪酸组成：
脂肪酸的双键数目、位置和几何形状都会影响氧化速率。花生四烯酸、亚麻酸、亚油酸和油酸的相对氧化速率近似为40：20：10：1。顺式酸比对应的反式异构体更容易氧化，含共轭双键的比非共轭双键的活性更高，室温下饱和脂肪酸自动氧化非常缓慢，当油脂中不饱和酸已氧化酸败时，饱和脂肪酸实际上仍保持原状不变。但是，在高温下，饱和脂肪酸将发生明显的氧化。
　 ２．游离脂肪酸与对应的酰基甘油的比例：
游离脂肪酸的氧化速率略大于甘油酯中结合型脂肪酸，天然脂肪中脂肪酸的无规分布使其氧化速率降低。脂肪和油中存在少量游离脂肪酸并不会明显影响氧化稳定性，但是，当商品油脂中存在较大量游离脂肪酸时，将使炼油设备或贮存罐中具有催化作用的微量金属与脂肪酸的结合量增加，从而加快脂类的氧化速率。
　 ３．氧浓度：
如前所述，油脂体系中供氧充分时，氧分压对氧化速率没有影响，而当氧分压很低时，氧化速率与氧压成正比。但氧分压对速率的影响还与其他因素有关，例如温度、表面积等。
　 ４．温度：
一般说来，脂类的氧化速率随着温度升高而增加，按氧分压对氧化速率的影响，温度同样是一个很重要的因素。当温度较高时，氧化速率随着氧浓度增大而增加的趋势不明显，因为温度升高，氧的溶解度降低。
　 ５．表面积：
脂类的氧化速率与它和空气接触的表面积成正比关系，但是，当表面积与体积比例增大时，降低氧分压对降低氧化速率的效果不大。在O/W水包油乳状液中，氧化速率决定于氧向油相中的扩散速率。
　 ６．水分：
在脂类的模拟体系和各种含脂肪食品中，已证明脂类氧化速率主要取决于水活度。在含水量很低（αw值约低于0.1）的干燥食品中，脂类氧化反应很迅速。当水分含量增加到相当于水活度0.3时，可阻止脂类氧化，使氧化速率变得最小，这说明水的保持效应可降低金属催化剂的催化活性，同时可以猝灭自由基，促进非酶褐变反应（产生具有抗氧化作用的化合物）和（或）阻止氧同食品接触。在水活度较高时（aw=0.55-0.85），氧化速度又加快进行，可能是增加了体系中催化剂的流动性引起的。
　 ７．分子取向脂类分子的取向对其氧化有着重要的影响。例如在37℃、pH7.4和催化剂Fe2+-Vc存在的水相中，研究多不饱和脂肪酸（PUFA）的氧化稳定性，发现氧化稳定性随不饱和度的增加而增加，实际与预期的结果相反，这说明PUFA的氧化与在水相中存在的构象有关。脂类分子的取向对氧化速率的影响以亚油酸酯为例说明，亚油酸酯有两种取向，一种是有序状态（以单分子层吸附在硅胶表面），另一种为体相结构。在60℃时，亚油酸乙酯处在单分子层时比体相状态能结合更多的氧，因此氧化速率也就大得多；但是在180℃的结果则相反，这是由于体相状态的亚油酸乙酯分子与自由基结合的运动速率明显高于单分子层，从而抵销了因结合氧能力的差异带来的影响。两种取向的主要分解产物虽然不完全相同，但它们都来自氢过氧化物的经典分解产物。
８．物理状态
胆固醇氧化的近期研究表明，物理状态对脂类氧化速率的影响也是非常重要的。将固态和液态的微晶胆固醇膜碎片悬浮在水溶液介质中，研究了在不同温度、时间、pH和缓冲液等各种条件中的氧化稳定性，结果氧化类型和反应速率与条件有关，其中胆固醇的物理状态是最显著的影响因素，实际上其他因素是通过基质和介质的物理状态影响胆固醇氧化。
９．分子的淌度和玻璃化转变脂类的氧化速率与分子的淌度（即迁移速率或流动性）有关。在玻璃化转变温度以下时，分子的运动受到扩散限制，致使氧化速率低。高于玻璃化转变温度时，温度对分子的淌度影响明显，此时氧化速率与温度有极大的相关性。
１０．乳化作用在O/W水包油的浮浊液中，或者是油滴分散在水介质中的食品，氧化时氧必须扩散至水相，通过油－水界而方可与脂类结合，因此氧化速率与许多因素的相互作用有关，即乳化剂的类型和浓度，油滴的大小，界面的表面积，水相粘度，水相介质的组成和多孔性，以及pH等。
１１．助氧化剂
过渡金属元素，特别是那些氧化-还原电位对脂类氧化适宜的二价或多价金属元素是主要的助氧化剂，例如Co、Cu、Fe、Mn和Ni。如果体系中有这些元素存在，甚至浓度低至0.1ppm时，也可以使诱导期缩短和氧化速率增大。大多数食用油脂中都含有微量的重金属，主要来自油料作物生长的土壤、动物体以及加工、贮存所用的金属设备和包装容器。所有食品包括流体食品（蛋、奶、果汁）中均天然存在游离的和结合形式的微量金属，关于金属催化作用的机理有以下几种假设：
a.加速氢过氧化物的分解
Mn++ROOH→M(n+1)++OH-+RO·
Mn++ROOH→M(n-1)++H++ROO·
b.与未被氧化的底物直接发生反应
Mn++RH→M(n-1)++H++R·
c.分子氧活化生成单重态氧和过氧化自由基
除过渡金属元素以外，存在于很多种食品中的羟高铁血红素（hematin）也是一种重要的助氧化剂。此外，辐射能，例如可见光、近紫外线和γ射线等都是脂类氧化的有效促进剂。
１２．抗氧化剂抗氧化剂在食品化学中特别重要,将在下面专门论述。
（七）抗氧化剂
抗氧化剂是一类能延缓或减慢油脂氧化的物质，已报道有几百种具有抗氧化活性的天然和合成化合物，在食品中使用，它们应是廉价、安全的，对食品的品质如色泽、风味、质地不产生较显著的影响。目前在食品中允许使用的主要抗氧化剂是具有苯环取代成分的一元或多元酚类化合物（图4-33）。通常是将抗氧化剂和其他酚类抗氧化剂或各种金属螯合剂混合在一起使用，这样可以对脂类产生很好的抗氧化效果，习惯上将抗氧化剂分为两类，即主抗氧化剂和增效剂。允许使用的抗氧化剂和金属螯合剂见表4-7。
2-BHA（2-叔丁基 3-BHA（3-叔丁 BHT（2，8-二叔羟基茴香醚） 基对羟基茴香醚） 丁基化羟基甲苯）
TBHQ PG
（2-叔丁基氢醌） （没食子酸丙酯或焙酸丙酯）
THBP
（2，4，5-三羟基苯丁酮） （4-羟甲基-2，6-二叔丁基酚）
图4-33食品中应用的几种主要抗氧化剂的化学结构
表4-7 食品中允许使用的抗氧化剂主 要 抗 氧 化 剂
增 效 剂
生育酚，茶多酚
柠檬酸和柠檬酸异丙酯、磷酸、酒石酸、卵磷脂、
愈创树脂
硫代二丙酸及其月桂基二酯和十八烷基二酯
培酸丙酯（PG）
叔丁基对羟基茴香醚（BHA）
2，6-二叔丁基对甲酚（BHT）
2，4，5-三羟基丁酮（THBP）
抗坏血酸及抗坏血酸棕榈酸酯
4-羟基-2，6-二叔丁基酚
叔丁基氢醌（TBHQ）
１．抗氧化效果和作用机制：抗氧化剂作用机制是阻止引发阶段自由基的形成或中断自由基的链传递反应，推迟自动氧化。过氧化物分解剂或金属螯合剂或单重态氧抑制剂，都可以阻止自由基的引发，但由于不能从体系中完全消除微量过氧化物和金属引发剂，所以目前仍集中对自由基受体所起的作用进行研究。
博尔兰特（Bolland）曾用含有氢醌抑制剂的亚油酸乙酯自动氧化模拟体系对抗氧化剂作用的动力学进行了详细的研究，他们假定抗氧化剂是通过氢给体或自由基受体作用来抑制链反应，并断定自由基受体（AH）主要是与ROO·而不是和R·基起反应。
ROO·+AH→ROOH+A·
还认为一个抑制剂分子最多可能终止的氧化链数目是2，因此可将反应分两步表示。
ROO·+AH2→ROOH+AH·
AH·+AH·→A+AH2
另一些研究者对抗氧化机理曾提出过不同的看法，认为自由基中间体AH·由于和ROO·基反应形成了稳定产物，或者ROO·基和抑制剂（inh·）间形成复合物，而后一种复合物再同另一个ROO·基反应生成稳定的产物。
ROO·+inh→[RO2-inh·]
[RO2-inh·]+ROO·→稳定产物
虽然所有这些反应都可能发生，但博尔兰特等人最初的观点仍然是最重要的，因此基本反应历程可看成是抑制剂反应（1）和链传递反应（2）之间相互竞争。这两种反应都为放热反应。
ROO·+AH→ROOH+A· （1）
ROO·+RH→ROOH+R· （2）
抗氧化剂的抗氧化效果与多种因素有关，包括活化能、速率常数、氧化-还原电位、抗氧化剂损失或破坏的程度和溶解性质等。活化能随A-H和R-H的离解能增大而增大，所以，抗氧化剂（AH）的效果随A-H键能的降低而增加。但是最理想的是所形成的抗氧化剂自由基本身必须不引发新的自由基产生或者不参与链反应而被迅速氧化。在这一点上，酚类是很好的抗氧化剂，因为它们是极好的氢或电子供给体。另外，由于它们的自由基中间体的共振非定域作用（resonance delocalization）和没有适合于分子氧进攻的位置，所以比较稳定。例如，氢醌与过氧化自由基反应，形成稳定的半醌共振混合物。
半醌自由基中间体能够进行许多种反应，形成更稳定的产物，它们又可以互相反应形成二聚物、歧化物（dismutate），重新形成原抑制剂分子的醌类化合物：
或者与另一个ROO·游离基反应：
一元酚不能形成半醌或醌，但它们可生成具有中等共振非定域作用的自由基中间体，并且受到空间位阻作用。以BHT的二个叔丁基为例，在起始氢给予作用以后，叔丁基进一步降低烃氧自由基的链引发作用。亚油酸酯和BHA之间的净反应（net reaction）可表示如下：
抗氧化剂除了化学作用外，在油脂中的溶解性和挥发性对抗氧化效果也有影响。抗氧化剂的溶解性可影响它同过氧自由基部位的接近，而抗氧化剂的挥发性影响它本身在贮存或加热过程中在油脂中存在的持久性。近几年来着重研究抗氧化剂在界面的作用，特别是像膜、胶束和乳状液这类体系中。抗氧化剂分子的两亲特性的重要作用已在双相和多相体系中被证实。
２．增效作用（synergism）：在抗油脂氧化体系中，使用二种或二种以上抗氧化剂的混合物比单独一种所产生的抗氧化效果更大，这种协同效应称为增效作用。增效作用分为两类，一类是由混合的自由基受体所产生的增效作用，另一类是金属螯合剂和自由基受体的联合作用。但是在通常的情况下，所谓增效作用是指能起到一种以上的作用而言，例如抗坏血酸既可以作为电子的给体，同时又是金属螯合剂、氧的清除剂，而且在体系中有利于形成具有抗氧化活性的褐变产物。尤里（Uri）曾提出一种假说，可解释两种混合自由基受体在体系中所起的作用。例如AH和BH，假定B-H键的离解能小于A-H，并且BH因为空间位阻只能与RO2·缓慢地起反应，于是发生以下反应：
RO2·+AH→ROOH+A·
A·+BH→B·+AH
因此，BH在体系中可产生备用效应（sparing effect），因为它能使主抗氧化剂再生，此外，还使A·通过链反应而消失的趋势大为减弱。以酚类抗氧化剂和抗坏血酸结合的体系为例，因为酚类抗氧化剂是两者之中抗氧化效力较强的一种，为主抗氧化剂，而抗坏血酸为增效剂。
一般说来，金属螯合剂能部分钝化微量金属元素的催化作用，这些金属通常是以脂肪酸盐的形式存在于油脂中，金属螯合剂产生的增效作用可以极大地增强自由基受体的抗氧化性质。柠檬酸、酒石酸、磷酸、多磷酸盐和抗坏血酸是常用的金属螯合剂。
３．抗氧化剂的选择：抗氧化剂的选择是一个很重要的问题，因为各种抗氧化剂的分子结构不相同，它们在各种油脂或含油脂食品中以及在不同的加工、操作条件下作为抗氧化剂使用时，抗氧化效果表现出明显的差别。除在特殊应用中只强调抗氧化剂或其混合物的抗氧化效果外，一般情况下还需要考虑其他一些因素，例如在食品中是否容易掺合、抗氧化剂的持续特性（carry-through characteristics）、对pH的敏感性、是否变色或产生异味、有效性和价格等。实际上在选择最适合的抗氧化剂或合并使用几种抗氧化剂时，将会碰到很多具体问题，例如食品中是否已经存在或加工过程中产生了抗氧化物质或助氧化剂，以及添加的抗氧化剂将会怎样起作用等。
近年来十分注意研究各种抗氧化剂的应用效果以及亲水-亲脂性的复杂关系。Porter提出两种不同类型的抗氧化剂具有不同的应用方式。一种是表面积-体积比小的体系，例如在散装油脂（脂类-气体界面）中，用亲水-亲脂平衡值较大的抗氧化剂（例如PG或TBHQ）最为有效。因为这类抗氧化剂集中于油脂的表面，而油脂与分子氧的反应主要在油脂表面发生。另一种是表面积-体积比例大的体系，例如具有极性脂膜、中性脂类的胞内胶束和乳化油胶束的各类食品，脂类在这些高水浓度的多相体系中，往往处于中间相状态，因此，用亲脂性较强的抗氧化剂最有效。例如BHT、BHA、高级烷基、没食子酸酯和生育酚。
4,常用主抗氧化剂的特性：
（1）生育酚：生育酚是一种自然界分布最广的天然抗氧化剂，是植物油中主要的抗氧化剂，动物脂肪中只有少量存在。生育酚共有七种成分，它们是母育酚（tocol）的甲基取代物，其中α、γ和δ三种异构体在植物油中含量最多。
生育酚：α=5，7，8-三甲基
γ=7，8-二甲基
β=5，8-二甲基
δ=8-甲基这些衍生物的抗氧化能力不同，其顺序为δ>γ>β>α，同时温度和光对生育酚的相对活性有明显影响。在油脂加工中，未精炼的植物油中生育酚的含量多，在精炼后的油中仍保留一部分足以保持油脂稳定性。生育酚的抗氧化能力与浓度有关，低浓度时具有抗氧化作用，如果浓度过高则得到的结果相反，将会起到助氧化剂的作用。
母育酚生育酚的抗氧化活性机制：生育酚同所有的酚类抗氧化剂一样，是通过竞争反应而起作用:
ROO·+RH→ROOH+R·
生育酚（TH2）按下列方式与过氧自由基反应：
ROO·+TH2→ROOH+TH·
α-生育酚自由基相对较稳定，因为它的未成对电子是非定域的，显示如图4-34中在能量上有益的共振结构（Ⅴ），因此远不如过氧自由基活泼，使α-生育酚成为一种有效的抗氧化剂。α-生育酚自由基还可猝灭另一个过氧自由基生成甲基生育酚醌（T）。
甲基-生育酚醌或是与另一个α-生育酚反应生成甲基生育酚醌和产生一个生育酚分子。
TH·+TH·→T+TH2
图4- 34 α-生育酚自由基的共振结构
生育酚的助氧化作用：生育酚在一定条件下可起到助氧化剂的作用。通常在脂肪浓度大大超过生育酚浓度时，氧化导致生育酚几乎耗尽，然而脂肪相对于生育酚的减少仅很少变化，同时使ROOH积累，当ROOH积累的浓度较高时，反应向平衡的反方向进行，而使生育酚再生，进一步发挥抗氧化作用。
ROO·+TH2→ROOH+TH·
从而又促进了链传递反应：
RH+ROO·→ROOH+R·
当α-生育酚的浓度较高时，通过下述反应形成自由基产生助氧化作用。
ROOH+TH2→RO·+TH·+H2O
（2）愈创树脂：是一种热带木本植物分泌出的树脂。由于它含有相当多的酚酸，所以在动物脂肪中的抗氧化效果比在植物油中更显著。这种树脂带红棕色，在油中的溶解度很小，并产生异味。
（3）丁基化羟基茴香醚（BHA）：商品BHA是2-BHA和3-BHA两种异构体的混合物（图4-35），它和丁基化羟基甲苯（BHT），都广泛用于食品工业，BHA和BHT均易溶于油脂，对植物油的抗氧化活性弱，特别是在富含天然抗氧化剂的植物油中，如果将BHA，BHT和其他主要抗氧化剂混合一起使用，抗氧化效果可以提高。BHA具有典型的酚气味，当油脂在高温加热时这种气味特别明显。新近的动物实验结果表明，这两种抗氧化剂对人体健康有害。
（4）去甲二氢愈创木酸（NDGA）：NDGA是从沙漠地区的拉瑞阿属植物（Larrea divaricata）中提取的一种天然抗氧化剂，在油脂中溶解度约0.5%~1%，当油脂加热时溶解度增大。NDGA在油脂中几乎无持续性，并且在有铁存在或高温下贮存时，颜色略微变深，pH值对NDGA的抗氧化活性有明显的影响，强碱条件下容易破坏并失去活性。这种抗氧化剂对防止脂肪-水体系和某些肉制品中羟高铁血红素的催化氧化是很有效的，由于NDGA价格高，目前还不可能得到广泛应用。在美国仅应用于包装材料，不允许作为食品添加剂使用。
（5）没食子酸(焙酸)及其烷基酯：从没食子酸的酚结构可以看出这种酚酸及其烷基酯具有很强的抗氧化活性。没食子酸可溶于水，几乎不溶于油脂。没食子酸酯在油脂中的溶解度随烷基链长的增加而增大，没食子酸丙酯是我国允许使用的一种油脂抗氧化剂，能阻止亚油酸酯的脂肪氧合酶酶促氧化，缺点是在碱性和有微量铁存在时产生蓝黑色，在食品焙烤或油炸过程中将迅速挥发。
（6）叔丁基氢醌（TBHQ）：TBHQ是70年代开始应用的一种抗氧化剂。美国食品药品管理局（FDA）于1972年对这种抗氧化剂进行过广泛试验。TBHQ微溶于水，在油脂中的溶解性中等，很多情况下，对多不饱和原油和精炼油的抗氧化效果比其他普通抗氧化剂更好，而且不发生变色或改变风味稳定性，在油炸食品中还具有很好的持续性。大量动物饲养试验和生物学研究表明，按正常用量水平的1000-10000倍测定安全限度，证明TBHQ是一种安全性高的抗氧化剂。
（7）2，4，5-三羟基苯丁酮（THBP）：在结构上，THBP与没食子酸相似，并且抗氧化性质也类似，THBP目前尚未广泛应用。
（8）4-羟基-2，6-二叔丁基酚：是BHT甲基上的一个氢原子被羟基取代后生成的产物，挥发性比BHT小，抗氧化性能与BHT相当。
某些抗氧化剂按100倍以上允许用量进行动物试验，结果证明目前允许使用的各种抗氧化剂是安全的。但也有报道BHT能引起动物组织增生。在对天然抗氧化剂的大量研究中，发现许多生物材料中存在着抗氧化物质，例如香辣味植物、油料种子、柑桔果肉和皮、燕麦、茶叶、葡萄籽、莲藕、向日葵壳、可可壳、大豆、红豆，以及动物和微生物蛋白的水解液加热和非酶褐变的产物等。
5,抗氧化剂分解：
抗氧化剂在高温下会显著分解，但在食品中由于氧化剂的使用浓度很低，因而分解产物的含量也很少。
4种酚类抗氧化剂在185℃加热1h，其稳定性秩序为：TBHQ

第三章 糖类第一节 概述
糖类化合物是自然界分布广泛、数量最多的有机化合物，是食品的主要组成成分之一，也是绿色植物光合作用的直接产物。自然界的生物物质中，糖类化合物约占3/4，从细菌到高等动物都含有糖类化合物，植物体中含量最丰富，约占其干重的85%～90%，其中又以纤维素最为丰富。其次是节肢动物，如昆虫、蟹和虾外壳中的壳多糖（甲壳质）。
糖类化合物的分子组成可用Cn(H2O)m通式表示，统称为碳水化合物。但后来发现有些糖如鼠李糖（C6H12O5）和脱氧核糖（C5H10O4）并不符合上述通式，而且有些糖还含有氮、硫、磷等成分，显然碳水化合物的名称已经不适当，但由于沿用已久，至今还在使用这个名词。根据糖类的化学结构特征，糖类的定义应是多羟基醛或酮及其衍生物和缩合物。
糖类化合物是生物体维持生命活动所需能量的主要来源，是合成其他化合物的基本原料，同时也是生物体的主要结构成分。人类摄取食物的总能量中大约80%由糖类提供，因此，它是人类及动物的生命源泉。我国传统膳食习惯是以富含糖类化合物的食物为主食，但近十几年来随着动物蛋白质食物产量的逐年增加和食品工业的发展，膳食的结构也在逐渐发生变化。
一,糖类化合物的种类糖类化合物常按其组成分为单糖、寡糖和多糖。单糖是一类结构最简单的糖，是不能再被水解的糖单位，根据其所含碳原子的数目分为丙糖、丁糖、戊糖和己糖等；根据官能团的特点又分为醛糖和酮糖。寡糖一般是由2～20个单糖分子缩合而成，水解后产生单糖。多糖是由多个单糖分子缩合而成，其聚合度很大。因此，这些高分子聚合物的性质不同于单糖和低聚糖，在大多数情况下多糖不溶于水，也没有甜味，其物理化学性质与它们的分子质量大小、结构和形状相关。常见的多糖有淀粉、纤维素和果胶。由相同的单糖基组成的多糖称同聚多糖，不相同的单糖基组成的称杂聚多糖；如按其分子中有无支链，则有直链、支链多糖之分；按其功能不同，则可分为结构多糖、贮存多糖、抗原多糖等。
二、食品中的糖类化合物陆地植物和海藻干重的四分之三由糖类化合物构成。谷物、蔬菜、果实和可供食用的其他植物都含有糖类化合物。
大多数植物只含少量蔗糖，大量膳食蔗糖来自经过加工的食品。在加工食品中添加的蔗糖量一般是比较多的（表3-1）。蔗糖是从甜菜或甘蔗中分离得到的，果实和蔬菜中只含少量蔗糖、D-葡萄糖和D-果糖（表3-2，表3-3和表3-4）。
谷物只含少量的游离糖，大部分游离糖输送至种籽中并转变为淀粉。玉米粒含0.2%～0.5%的D-葡萄糖、0.1%～0.4%的D-果糖和1%～2%的蔗糖；小麦粒中这几种糖的含量分别小于0.1%，0.1%和1%。
甜玉米具有甜味，是因为采摘时蔗糖尚未全部转变为淀粉。玉米和其他谷物在生长期中，由叶片光合作用获得的大部分能量用于合成蔗糖并输送至种籽转变成淀粉。未完全成熟的玉米含有大量蔗糖，如果适时采摘后并迅速煮沸或冷冻，使转化蔗糖的酶系被钝化，这样便可保持大量蔗糖成分，提供可口的膳食。
市场上销售的水果一般是完全成熟之前采收的，果实有一定硬度利于运输和贮藏。在贮藏和销售过程中，淀粉在酶的作用下生成蔗糖或其他甜味糖，水果经过这种后熟作用而变甜变软。这种后熟现象和谷粒、块茎及根中的糖转变为淀粉的过程正好相反。
淀粉是植物中最普通的糖类化合物，甚至树木的木质部分中也存在淀粉，而以种籽、根和块茎中含量最丰富。天然淀粉的结构紧密，在低相对湿度的环境中容易干燥，同水接触又很快变软，并且能够水解成葡萄糖。
表3-1 普通食品中的糖含量食 品
糖的百分含量（%）
食 品
糖的百分含量（%）
可口可乐脆点心冰淇淋橙 汁
9
12
18
10
蛋糕（干）
番茄酱果冻（干）
36
29
83
表3-2 豆类中游离糖含量（%鲜重计）
豆 类
D-葡萄糖
D-果糖
蔗 糖
利马豆嫩荚青刀豆青豌豆
0.04
1.08
0.32
0.08
1.20
0.23
2.59
0.25
5.27
表3-3 水果中游离糖含量(%鲜重计)
水 果
D-葡萄糖
D-果糖
蔗 糖
苹果葡萄桃梨樱桃草莓温州蜜桔甜柿肉枇杷肉杏香蕉西瓜番茄
1.17
6.86
0.91
0.95
6.49
2.09
1.50
6.20
3.52
4.03
6.04
0.74
1.52
6.04
7.84
1.18
6.77
7.38
2.40
1.10
5.41
3.60
2.00
2.01
3.42
1.51
3.78
2.25
6.92
1.61
0.22
1.03
6.01
0.81
1.32
3.04
10.03
3.11
0.12
表3-4 蔬菜中游离糖含量(%鲜重计)
蔬 菜
D-葡萄糖
D-果糖
蔗 糖
甜菜硬花甘蓝胡萝卜黄瓜苣 菜洋葱菠菜甜玉米甘薯
0.18
0.73
0.85
0.86
0.07
2.07
0.09
0.34
0.33
0.16
0.67
0.85
0.86
0.16
1.09
0.04
0.31
0.30
6.11
0.42
4.24
0.06
0.07
0.89
0.06
3.03
3.37
动物产品所含的糖类化合物比其他食品少，肌肉和肝脏中的糖原是一种葡聚糖，结构与支链淀粉相似，以与淀粉代谢相同的方式进行代谢。
乳糖存在于乳汁中，牛奶中含4.8%，人乳中含6.7%，市售液体乳清中为5%。工业上采取从乳清中结晶的方法制备乳糖。
食品中常见的糖类化合物见表3-5。
表3-5 食品中存在的糖类名称
结构式
分子量
熔点℃
[α]D
存在
戊糖类
L-阿拉伯糖
（L-arabinose）

（β）
150.1
158（α）
160（β）
+190.6（α）
→+104.5
植物树胶中戊聚糖的结构单糖
D-木糖
（D-xylose）

（β）
150.1
145.8
+93.6（α）
→+18.8
竹笋、木聚糖（秸杆、玉米）、植物粘性物质的结构单糖
D-2-脱氧核糖
（D-2-deoxyribose）


134.1
87～91
-56（最终）
脱氧核糖核酸（DNA）
D-核糖


150.1
86～87
-23.1
→+23.7
核糖核酸（RNA）、腺苷三磷酸（ATP）
己糖类
D和L-半乳糖
（D,L-galactose）


180.1
168（无水）
118～120
（结晶水）
+150.7（α）
+52.5（β）
→+80.2
广泛存在于动植物中，多糖和乳糖的结构单糖
D-葡萄糖
（D-glucose）

（β）
180.1
83 （α，含结晶水）
146（无水）
148～150（β）
+113.4（α）
+19.0（β）
→+52.5
以单糖、低聚糖、多糖、糖苷形式广泛分布于自然界
D-甘露糖
（D-mannose）

（β）
180.1
133（α）
+29.3（α）
-17.0(β)
→+14.2
棕榈、象牙果（lvorynut）、椰子、魔芋等多糖
D-果糖
（D-fructose）

（β）

180.1
102～104
（分解）
-132(β)
→-92
蔗糖、菊糖（inulin）的结构单糖、果实、蜂蜜、植物体
L-山梨糖
（L-sovbose）
(L-木己酮糖)

（α）
180.1
165
-43.4(最终)
由弱氧化醋酸杆菌（A.suboxydans）作用于山梨糖醇而得到，为果胶的结构单糖
L-岩藻糖
（L-fucose）
(6-脱氧-L-半乳糖)

（α）
164.2
145
-152.6
→-75.9
海藻多糖、黄蓍胶树胶、粘多糖、人乳中的低聚糖
L-鼠李糖
（L-rhammnose）
(6-脱氧-甘露糖)


164.2
123～128(β)
（无水）
+38.4（β）
→+8.91
主要以糖苷的形式存在于黄酮类化合物、植物粘性物多糖中
D-半乳糖醛酸
(D-galacturonic acid)


（β）
194.1
160(β)
分解
+31（β）
→+56.7
果胶、植物粘性物质多糖
D-葡糖醛酸
（D-glucuronic acid）


（β）
194.1
165分解
+11.7（β）
→+36.3
糖苷、植物树胶、半纤维素、粘多糖等
D-甘露糖醛酸
（D-manuronic acid）

（β）
194.1
165～167(β)
-47.9（β）
→23.9
海藻酸、微生物多糖
D-葡糖胺
（D-glucosamine）
(2-氨基-2脱氧-D-葡萄糖)

（α）
179.2
88(α) 110(β)
+100（α）
+28(β)
→47.5
大多作为甲壳质、肝素、透明质酸。乳汁低聚糖的N-乙酰基
D-山梨（糖）醇
（D-sorbitol）
(葡糖醇)


182.1
110～112
-2.0
浆果、果实、海藻类
D-甘露（糖）醇
（D-mannitol）


182.1
166～168
+23～+24
广泛存在于植物的渗出液甘露聚糖、海藻类
半乳糖醇
（galactitol）
C6H14O6
182.1
188～189
马达加斯加甘露聚糖
第二节 糖类化合物的结构
一,单糖碳水化合物分子中含有手性碳原子，即不对称碳原子，它连接4个不同的原子或基团，在空间形成两种不同的差向异构体，立体构型呈镜面对称。
单糖的分子量较小，一般含有5或6个碳原子，分子式为Cn(H2O)n，单糖是D-甘油醛的衍生物，如图3-1所示。


图3-1 甘油醛产生的8种D-己糖的示意图
单糖可以形成缩醛和缩酮，糖分子的羰基可以与糖分子本身的一个醇基反应，形成半缩醛或半缩酮，分子内的半缩醛或半缩酮，形成五元呋喃糖环或更稳定的六元吡喃糖环。例如，葡萄糖分子的C5羟基和C1羟基反应（图3-2），C5旋转180°使氧原子位于环的主平面，而C6处于平面的上方，当葡萄糖分子的C1成为半缩醛结构中的成分时，它连接4个不同的基团，因而C1是手性碳原子，可形成立体构型不同的α和β两种异头物。




图3-2 D-葡萄糖的环形和异头结构
天然葡萄糖属于D异构系列，它还有一个镜像分子L异构系列。α-D-型中异头碳原子C1连接的氧原子与葡萄糖手性碳原子C5的氧原子在分子的同一侧，而β-D-型C1连接的氧原子与C5的氧原子处在分子的异侧。如果用哈沃斯（Haworth）环结构表示，α-吡喃葡萄糖异头碳原子的氧和C6在异侧，而β-吡喃葡萄糖的异头碳原子的氧和哈沃斯环形的羟甲基C6在同一侧。
除C1外的任何一种手性构型有差别的糖都称为差向异构体，例如，D-甘露糖是D-葡萄糖的C2差向异构体，D-半乳糖为D-葡萄糖的C4差向异构体。因此，一个6碳醛糖有16种异构体，其中8种为D异构系列，另8种是它们的差向异构体L异构系列。在自然界中L-糖系列比D异构系列少很多，但具有重要的生化作用。L-阿拉伯糖和L-半乳糖是食品中存在的两种L-糖，均为一些多糖的糖基单元。


D-葡萄糖 D-甘露糖 D-半乳糖
～OH表示半缩醛羟基天然存在的糖环结构实际上并不像哈沃斯表示的投影式平面图，吡喃糖有如下所示的椅式和船式两种不同构象。


4C1（椅式） 1B（船式）
很多己糖以相当刚性的且在热力学上稳定的椅式构象存在，只有少数是韧性的船式构象，还有其他几种构象，例如半椅式和邻位交叉式构象，但都因能量较高而不常见。
一般规律是，稳定的环构象是其全部或大多数庞大基团相对环轴为平伏键，而环的最小取代成分（氢）为竖直键。
呋喃糖比吡喃糖稳定性低，可迅速出现所谓信封式和扭曲式的平衡混合物。呋喃糖和吡喃糖环的构象已经用核磁共振波谱法测定，提供了很多关于单糖在溶液中的构象知识，其结构模型有助于观察和了解它的三维空间结构。


信封式 扭曲式
二,糖苷如上所述，糖分子的羰基与一个醇基结合生成半缩醛或半缩酮，并在原来羰基位置形成一个新的手性中心。如果将糖溶解于微酸性乙醇中，半缩醛或半缩酮形式的糖和醇反应生成缩醛或缩酮。在这种混合缩醛或缩酮产物中，溶剂醇构成分子的一部分，糖本身的醇基是另一部分，脱水形成的产物称为糖苷。糖苷中的糖部分称为糖基，非糖部分称为配基。


D-葡萄糖 烷基D-吡喃葡萄糖苷糖苷通常包含一个呋喃糖环或一个吡喃糖环，新形成的手性中心有α或β型两种。因此，D-吡喃葡萄糖应看成是α-D-和β-D-异头体的混合物，形成的糖苷也是α-D-和β-D-吡喃葡萄糖苷的混合物。
在酸催化剂作用下生成糖苷的反应是可逆的，若要得到高产率糖苷，在反应过程中必须除去反应中生成的水。由于吡喃糖苷比呋喃糖苷稳定，所以它是主要的糖苷产物。反应进行一段时间后，几乎不存在呋喃糖苷，只是在糖基化反应刚开始的阶段，呋喃糖苷才占主要部分。糖基是指除去异头碳上羟基后剩下的糖残基。
形成糖苷的配基不只是醇基，例如，糖和硫醇RSH反应能够得到硫糖苷，与胺（RNH2）反应生成氨基糖苷。
天然糖苷是糖基从核苷酸衍生物（例如腺苷二磷酸和尿苷二磷酸）中转移至适当的配基上形成的产物，所生成的糖苷可以是α或β型的，这决定于酶的催化专一性。
人类膳食中除低聚糖和多糖外，还有少量糖苷存在。它们的含量虽然不多，但具有重要的生理效应，例如天然存在的强心苷（毛地黄苷和毛地黄毒苷）、皂角苷（三萜或甾类糖苷），都是强泡沫形成剂和稳定剂，类黄酮糖苷使食品产生苦味或其他风味和颜色，植物中形成糖苷有利于那些不易溶解的配基变成可溶于水的物质，这对类黄酮和甾类糖苷特别重要，因为糖苷形式有利于他们在水介质中输送。
几种复杂糖苷的甜味很强，例如斯切维苷（stevoside）、奥斯莱丁（osladin）和甘草酸（glycyrrhizic acid）。但大多数糖苷，特别是当配基部分比甲基大时，则可会产生微弱以至极强的苦味、涩味。醛糖或酮糖均可形成糖苷，例如D-甘露糖可形成缩醛，D-果糖（酮糖）可形成缩酮。
氧糖苷连接的O-糖苷在中性和碱性pH环境中是稳定的，而在酸性条件下易水解。食品中（除酸性较强的食品外）大多数糖苷都是稳定的，糖苷在糖苷酶的作用下水解。


D-甘露糖 乙基-β-D吡喃甘露糖苷


D-果糖 甲基-β-D-吡喃果糖苷


对一种新糖苷的鉴定，可以采用化学方法和波谱方法。波谱方法中最适用的是核磁共振波谱法，用1～50mg材料，便可确定异头构型、环构象以及环的大小。


次黄嘌呤核苷5’-磷酸，R=H
黄嘌呤核苷5’-磷酸，R=OH
鸟嘌呤核苷5’-磷酸，R=NH2
氮糖苷键连接的N-糖苷不如O-糖苷稳定，在水中易水解。然而，某些N-糖苷却十分稳定，例如N-葡糖基胺。某些N-葡糖基嘌呤和嘧啶，特别是次黄嘌呤核苷、黄嘌呤核苷和鸟嘌呤核苷的5′-磷酸衍生物，是风味增强剂（见上图）。
N-糖苷（糖基胺）在水中不稳定，通过一系列复杂反应分解，同时溶液的颜色变深，由最初的黄色变为深棕色。这些反应是引起麦拉德褐变的原因，关于这一点将在以后讨论。
S-糖苷的糖基和配基之间存在一个硫原子，这类化合物是芥子和辣根中天然存在的成分，称为硫葡糖苷。天然硫葡糖苷酶可使糖苷配基裂解和分子重排（图3-3）。芥子油的主要成分是异硫氰酸酯RN=C=S,其中R为烯丙基、3-丁烯基、4-戊烯基、苄基或其他基团。烯丙基硫葡糖苷是S-糖苷这类化合物中研究得最多的一种，通常叫做黑芥子硫苷酸钾(Sinigrin),某些食品的特殊风味是由这些化合物产生的。近来发现S-糖苷及其分解产物是食品中的天然毒素。


图3-3 硫葡糖苷酸钾的酶分解
如果形成的O-糖苷的供氧基是同一个糖分子内的羟基，则生成分子内糖苷，并构成一个脱水环，这可以用D-葡萄糖热解生成1，6-脱水-β-D-吡喃葡萄糖（左旋葡萄糖）的反应来说明。


D-葡萄糖 1，6-脱水-β-D-吡喃葡萄糖（左旋葡萄糖）
在发生这种反应时，D-葡萄糖由原来稳定的4C1构象翻转成为相当不稳定的1C4构象。4C1表示碳C4在4个原子的平面上方，C1位于平面下方。左旋葡聚糖可用D-葡萄糖、纤维素或淀粉热解制备，或者在有强碱存在的条件下加热苯基β-D-吡喃葡萄糖苷得到。在焙烤面包的热解条件下，糖或糖浆加热至高温时，有少量左旋葡聚糖形成，食品中若大量存在这种物质将会产生苦味。
某些食物中含另一类重要的糖苷即氰糖苷，在体内降解即产生氢氰酸，它们广泛存在于自然界，特别是杏、木薯、高粱、竹、利马豆中。苦杏仁苷（amygdalin）、扁桃腈（mandelonitrile）糖苷是人们熟知的生氰糖苷，彻底水解则生成D-葡萄糖、苯甲醛和氢氰酸。其他的生氰糖苷包括蜀黍苷，即对-羟基苯甲醛腈醇糖苷和亚麻苦苷（linamarin），后者又名丙酮氰醇糖苷。在体内，这些化合物降解生成的氰化物通常转变为硫氰酸盐而解除毒性，这种反应包括氰化物离子、亚硫酸根离子和硫转移酶（硫氰酸酶）的催化作用。人体如果一次摄取大量生氰糖苷，将会引起氰化物中毒，过去曾有很多关于人摄取木薯、利马豆、竹笋、苦杏仁等发生中毒的报道。此外，还发现牛摄入未成熟的小米或高粱引起的中毒。若进食致死剂量的氰化物食物，则出现神志紊乱、昏迷、全身发绀、偶尔肌肉颤动、抽搐、最后昏迷等中毒症状，非致死剂量生氰食品引起头痛、咽喉和胸部紧缩、肌肉无力和心悸。为防止氰化物中毒，最好不食用或少食用这类产氰的食品；也可将这些食品在收获后短时期贮存,并经过彻底蒸煮后充分洗涤，尽可能将氰化物去除干净，然后方可食用。




图3-4 几种常见的生氰糖苷


苯甲醛 氢氰酸 龙胆二糖
图3-5 苦杏仁苷水解物
三、低聚糖
1．结构和命名低聚糖是由2～20个糖单位以糖苷键结合而构成的糖类，可溶于水，普遍存在于自然界。天然低聚糖是通过核苷酸的糖基衍生物的缩合反应生成，或在酶的作用下，使多糖水解产生。自然界中的低聚糖的聚合度一般不超过6个糖单位，其中主要是双糖和三糖。低聚糖的糖基组成可以是同种的（均低聚糖），也可以是不同种的（杂低聚糖）。其命名通常采用系统命名法，此外习惯名称如蔗糖、乳糖、麦芽糖、海藻糖、棉子糖、水苏四糖等，也经常使用。食品中常见的低聚糖见表3-6。
低聚糖的糖基单位几乎全部都是己糖，除果糖为呋喃环结构外，葡萄糖、甘露糖和半乳糖等均是吡喃环结构。


O-β-D-呋喃果糖基-(2→1)-α-D O-α-D-吡喃葡萄糖基-(1→4)-D-吡喃吡喃葡萄糖（蔗糖） 葡萄糖（麦芽糖）
低聚糖也同样存在分支，一个单糖分子同二个糖基单位结合可形成如下的三糖分子结构，它存在于多糖类支链淀粉和糖原的结构中。


O-α-D-吡喃葡萄糖基-(1→4)-D-[α-D-
吡喃葡萄糖基-(1→6)]-D-吡喃葡萄糖
名 称
结 构
分子量
熔 点
[α]D
存 在
二糖类
纤维素、玉米嫩枝有游离的纤维二糖存在
纤维二糖(cellobiose)
4-O-β-D-吡喃葡糖基-D-吡喃葡萄糖)
342.3
225
分解
+14.2→+36.2
龙胆二糖(qentiobiose)
6-O-β-D-吡喃葡糖基-D-吡喃葡萄糖
342.3
86(α) 190～195 (β)
+31(α)→+9.6
+11(β)→+9.6
树木渗出液、各种糖苷、酵母β-葡聚糖等多糖
异麦芽糖(isomaltose)
6-O-α-D-吡喃葡糖基- D-吡喃葡萄糖
342.3
120
+119→+122
蜂蜜、葡萄糖母液、饴糖、发酵酒。
曲二糖(kojibiose) 2-O-α-D-吡喃葡糖基- D-吡喃葡萄糖
342.3
120
+162→+137
发酵酒、蜂蜜。
乳糖(lactose) 4-O-β-D-吡喃半乳糖基-D-吡喃葡萄糖
342.3
223(α)
252(β)
+89.4(α) →55.4
+34.9(β) →55.4
乳汁
昆布二糖（laminaribiose） 3-O-β-D-吡喃葡糖基-D-吡喃葡萄糖
342.3
196～205
+24→+19
海藻、β-(1→3)葡聚糖
麦芽糖 （maltose） 4-O-α-D-吡喃葡糖基-D-吡喃葡萄糖
342.3
160.5
102～103（结晶水）
+111.7→+130.4
麦芽汁、蜂蜜、广泛分布各种植物中，淀粉等多糖
蜜二糖(melibiose）
6-O-α-D-吡喃半乳糖基-D-吡喃葡萄糖
342.3
82～85(β) 分解
+111.7(β)→129.5
植物树胶、可可豆
α-葡糖-β-葡糖苷 (sophorose) α-O-β-D吡喃葡萄糖基-D-吡喃葡萄糖
342.3
195～196(结晶水)
+33→+19
糖苷、游离形式存在于葡萄糖母液中
蔗糖(sucrose)
β-D-呋喃果糖基-α-D-吡喃糖苷
342.3
184～185
+66.5
广泛分布于甘蔗、甜菜等植物中，是非还原性糖。
黑曲霉二糖（nigerose）
3-O-α-D-吡喃糖-D-吡喃葡萄糖
342.3
+134→+138
葡萄糖母液、啤酒
α,α-海藻糖
（α,α-trehalose）
342.3
97
+178.3
鞘翅类昆虫分泌的蜜
三糖类
松三糖
O-α-D-吡喃葡糖基-(1→3) -O-β-D-呋喃果糖基-(2→1)-α-D-吡喃葡萄糖苷
504.4
153～154
+88.2
松柏类树的渗出液、蜂蜜，是非还原性糖
棉子糖
（rafinose）
O-α-D-吡喃半乳糖基-(1→6)- O-α-D-吡喃葡糖基-(1→2)-β-D-呋喃果糖苷
504.4
118119（无水）分解
+105.2
棉籽、大豆、甘蔗、甜菜。非还原性糖
水苏四糖
（stachyose）
α-D-吡喃半乳糖基-(1→6)- O-α-D-吡喃葡糖基-(1→2)-β-D-
呋喃果糖苷
504.4
101（结晶水）
+131～+132
大豆、甜菜，非还原性糖
环状糊精
（cyclodextrin）
-α-D-葡萄糖-(1→4)-
-[α-D-葡萄糖-(1→4) ]n—
-α-D-葡萄糖-(1→4)
α；n＝6，β；n＝7，γ；n＝8
α，972
β，1,135
γ,1,297
软化芽孢杆菌
（Bacillus ma-
cerans）
作用于淀粉形成的微生物多糖
低聚糖构象的稳定主要靠氢键维持。纤维二糖、麦芽糖、蔗糖和乳糖的构象如下：


O-β-D-吡喃葡萄糖基-（1→4）-D-吡喃葡萄糖（ 纤维二糖）


O-α-D-吡喃葡糖基-（1→4）-D-吡喃葡萄糖（麦芽糖）


O-β-D-呋喃果糖基-α-D-吡喃葡萄糖（蔗糖）


O-β-D-吡喃半乳糖基-（1→4）-D-吡喃葡萄糖（乳糖）
从以上的构象图可知，纤维二糖和乳糖的构象主要靠糖残基C3位羟基上的氢与糖残基环上氧原子之间形成氢键保持稳定，在水溶液中的构象与结晶状态的近乎相似。麦芽糖在结晶和非水溶液中，是由葡萄糖残基 C3位羟基和葡萄糖残基C2位上的羟基之间形成氢键；而在水溶液中则是靠葡萄糖残基上的-CH2OH基与葡萄糖残基的C3位羟基之间建立氢键，使存在的部分构象异构体保持稳定状态，这两种构象都是符合最小能量的结构。蔗糖分子结构中存在着2个氢键，第1个氢键由果糖残基的C1羟基和葡萄糖残基的 C2位羟基之间构成，而第2个氢键是由果糖残基C6位羟基和葡萄糖残基环上的氧原子间产生的。
此外，还有分子量更大的低聚糖，特别应该提到的是饴糖和玉米糖浆中的麦芽糖低聚物（聚合度DP 或单糖残基数为4～10），以及被称为沙丁格糊精（schardinger dextrins）或环状糊精（cyclodextrin）的6～12单位环状α-D-吡喃葡萄糖基低聚物（图3-6）。它是淀粉在α-淀粉酶的作用下降解为麦芽糊精，然后由软化芽孢杆菌得到的葡聚糖转移酶（仅裂解α-1，4键）作用于麦芽糊精，使葡糖基转移至麦芽糊精的非还原末端，则得到具有6～12个吡喃葡萄糖单位的


图3-6 沙丁格糊精非还原性环状低聚糖，主要产物为含有7个葡萄糖单位的β-环状糊精。X-射线衍射和核磁共振分析证明，β-环状糊精的结构（图3-7）具有高度的对称性，是一个中间为空穴的圆柱体。其底部有6个C6羟基，上部排列12个C2、C3羟基。内壁被C-H所覆盖，与外侧相比有较强的疏水性。β-环状糊精的结构具有高度对称性，分子中糖苷氧原子呈共平面。β-环状糊精在圆柱体的一面的一个框是由C6羟基排列成的，而另一面的框是由C2、C3羟基形成的，因此，它能稳定的将客体化合物如维生素、风味物质和作为营养的苦味物质等，配合在非化学计量的包合结构中，使客体化合物被截留在糖类化合物环内，从而起到稳定食品香味的作用，此外还可作为微胶囊化的壁材。


图3-7 β-环状糊精的圆柱结构示意图
2.食品中重要的低聚糖低聚糖存在于多种天然食物中，尤以植物类食物较多，如果蔬、谷物、豆科、海藻和植物树胶等。此外，在牛奶、蜂蜜和昆虫类中也含有。蔗糖、麦芽糖、乳糖和环状糊精是食品加工中最常用的低聚糖（表3-6）。许多特殊的低聚糖（如低聚果糖、低聚木糖、甲壳低聚糖和低聚魔芋葡苷露糖）具有显著的生理功能，如在机体胃肠道内不被消化吸收而直接进入大肠内为双歧杆菌所利用，是双歧杆菌的增殖因子。有防止龋齿、降低血清胆固醇、增强免疫等功能。
双糖由两个单糖缩合而成，葡萄糖生成的同聚双糖包括纤维二糖、麦芽糖、异麦芽糖、龙胆二糖和海藻糖（图3-8）。市售麦芽糖是采用来自芽孢杆菌属（Bacillus）细菌的淀粉酶水解淀粉制备的，是食品中较廉价的温和甜味剂。


图3-8 同聚双糖结构
由D-葡萄糖构成的以上五种双糖，除海藻糖外，都含有一个具有还原性的游离半缩醛基，称为还原糖。因而具有还原银、铜等金属离子的能力，糖被氧化成糖羧酸；α-海藻糖不含游离的半缩醛基，因此不容易被氧化，是非还原糖。
蔗糖、乳糖、乳酮糖（lactulose）和蜜二糖是杂低聚糖（图3-9），除蔗糖外其余都是还原性双糖。糖的还原性或非还原性在食品加工中具有重要的作用，特别是当食品中同时含有蛋白质或其他含氨基的化合物时，在制备、加工或保藏时易受热效应的影响。乳糖存在于牛奶和其他非发酵乳制品如冰淇淋中，而在酸奶和奶酪等发酵乳制品中乳糖含量较少，这是因为在发酵过程中乳糖的一部分转变成了乳酸。乳糖具有刺激小肠吸收和保持钙的能力。乳糖在到达小肠前不能被消化，当到达小肠后由于乳糖酶的作用水解成D-葡萄糖和D-半乳糖，因此为小肠所吸收。如果缺乏乳糖酶，会使乳糖在大肠内受到厌氧微生物的作用，发酵生成醋酸、乳酸和其他短链酸，倘若这些产物大量积累则会引起腹泻。
三糖同样也存在于食品中，有同聚三糖或杂聚三糖（图3-10）、还原或非还原性糖之分，像麦芽三糖（同聚三糖，还原性D-葡萄糖低聚物）、甘露三糖（杂三糖，D-葡萄糖和D-半乳糖还原性低聚物）和蜜三糖（属非还原性的杂聚三糖，是由D-半乳糖基、D-葡萄糖基和D-果糖基单位组成的杂三糖）。


图3-9 杂聚双糖


麦芽三糖


甘露三糖


蜜三糖
图3-10 同聚三糖和杂聚三糖
3,特性
低聚糖如同其他糖苷一样容易被酸水解，但对碱较稳定。蔗糖水解称为转化，生成等摩尔葡萄糖和果糖的混合物称为转化糖（invert suger）。蔗糖的旋光度为正值（[α]=+66.5），经过水解后变成负值，因为水解产物葡萄糖的比旋光度[α]=+52.7°，而果糖的比旋光度[α]=-92.4°，所以蔗糖水解物的旋光度为-19.8°，蔗糖无变旋光性。从还原性双糖因水解而引起的变旋光性可以知道异头碳的构型，因为α-异头物比β-异头物的旋光度大，β-糖苷裂解使旋光度增大，而α-糖苷裂解却降低旋光度。
多 糖
1,命名和结构多糖是大分子聚合物(DP值由20到几千,一般大于20,只有少数小于100),含有各种糖基单位,一般称为聚糖。按质量计，约占天然碳水化合物的90%以上。特定单糖同聚物的英文命名是用单糖的名称作为词头，词尾为an，例如D-葡萄糖的聚合物称为D-葡聚糖。有些多糖的英文命名过去用ose结尾，例如纤维素和直链淀粉。其他多糖的名称现在已经作了修改，如琼脂糖（agarose）改为agaran，有些较老的命名词尾是以in为后缀，例如果胶和菊糖。
多糖的聚合度实际上是不均一的，分子量呈高斯（Gaussian）分布，有些多糖分子量范围狭窄。某些多糖以糖复合物或混合物形式存在，例如糖蛋白、糖肽、糖脂、糖缀合物等糖复合物。几乎所有的淀粉都是直链和支链葡聚糖的混合物，分别称为直链淀粉和支链淀粉。商业果胶主要是含有阿拉伯聚糖和半乳聚糖的聚半乳糖醛酸的混合物。纤维素、直链淀粉、支链淀粉、果胶和瓜尔豆聚糖的重复单位和基本结构如下。
纤维素 直链淀粉
支链淀粉
果胶
瓜尔豆聚糖
多糖可由一种或由几种糖基单位组成，分别称为同聚糖（homoglycans）和杂聚糖（heteroglycans）。单糖分子间通过糖苷键连接可成线型结构（如纤维素和直链淀粉）或带支链的结构（支链淀粉、糖原、瓜尔聚糖），支链多糖的分支位置和支链长度因种类不同存在很大差异。单糖残基序列可以是周期性的，一个周期包含一个或几个交替的结构单元（纤维素、直链淀粉或透明质酸）；序列也可能包含非周期性链段分隔的较短或较长的周期性排列残基链段（海藻酸、果胶、鹿角藻胶）；也有一些多糖链的糖基序列全是非周期性的（如糖蛋白的碳水化合物部分）。
多糖的糖基组成单位可以被酸完全水解成单糖，利用气相色谱法和气相-质谱联用法测定。化学和酶水解可用来了解多糖的结构，酶法水解得到低聚糖，分析低聚糖可以知道多糖序列位置和连接类型。食品中常见的多糖见表3-7。
表3-7 食品中常见的多糖同多糖名称
结构单糖
结构
分子量
溶解性
存在
直链淀粉
(amylose)
D-葡萄糖
α-(1→4)葡聚糖直链上形成支链
104~105
稀碱溶液
谷物和其他植物
支链淀粉
(amylopectin)
D-葡萄糖
直链淀粉的直链上连有α-(1
→6)键构成的支链
105~106
水
淀粉的主要组成成分
纤维素
(cellulose)
D-葡萄糖
聚β-(1→4)葡聚糖直链，有支链
104~105
植物结构多糖
几丁质
(chitin)
N-乙酰-
D-葡糖胺
β-(1→4)键形成的直链状聚合物有支链
稀、浓盐酸或硫酸、碱溶液
甲壳类动的壳昆虫的表皮
葡聚糖
(右旋糖酐)
(dextran)
α-(1→6)葡聚糖为主链，α-(1→4)(0%~50%)，α-(1→2)(0%~0.3%)，α-(1→3)(0%~0.6%)键结合在主链上构成支链，形成网状结构
104~106
肠膜状明串珠菌
(ceuconostoc mesenteroides)
产生的微生物多糖
糖原
(glycogen)
D-葡萄糖
类似支链淀粉的高度支化结构α-(1→4)和α- (1→6)键
3×105~
4×106
水
动物肝脏内的贮藏多糖
菊糖
(inulin)
D-果糖
β-(2→1)键结合构成直链结构
3~7×103
热水
菊科植物大量存在的多聚果糖，大理菊、菊芋的块茎和菊苣的根中最多
甘露聚糖
(manna)
D-甘露糖
种籽甘露聚糖：β-(1→4)键连接成主链，α-(1→6)键结合在主链上构成支链。 酵母甘露聚糖：α-(1→4)键结合成主链，具有高度支化结构
碱
棕榈科植物如椰子种籽胚乳，酵母
木聚糖
(xylan)
D-木糖
β-（1→4）键结合构成直链结构
1~2×104
稀碱溶液
玉米芯等植物的半纤维素
出芽短梗孢糖或茁霉胶
(pulluan)
D-葡萄糖
-[(1→6)α-D-吡喃葡萄糖-(1→4)α-D-吡喃葡萄糖-(1→4)-α-D-吡喃葡萄糖-]n-
~2×105
水
一种类酵母真菌茁霉(pullularia pulluans)作用于蔗糖、葡萄糖、麦芽糖而产生的孢外胶质多糖
果胶
(protin)
D-半乳糖醛酸
-[(1→4)-α-D-吡喃半乳糖-]n-
水
植物
杂多糖名称
结构单糖与结构
分子量
溶解性
存在
海藻酸
(alginic acid)
D-甘露糖醛酸和L-古洛糖醛酸的共聚物
~105
碱
褐藻细胞壁的结构多糖
琼脂糖
(agarose)
由D-半乳糖和3、6-脱水-L-半乳糖以β-(1→3)键相间隔连结而成的-(1→3)-[β-D-吡喃半乳糖(1→4)-3、6-无水α-L-吡喃半乳糖-(1→3)]n-。主链上连接硫酸、丙酮酸和葡萄糖醛酸残基称为琼胶。琼脂为琼脂糖和琼胶的混合物
1~2×105
热水
红藻类细胞的粘性多糖
阿拉伯树胶(arabic gum)
是由D-半乳糖、D-葡萄糖醛酸、L-鼠李糖、L-阿拉伯糖组成的
105~106
水
金合欢属植物树皮的渗出物
鹿角藻胶(carageenan)
3、6-脱水-D-半乳糖及其2-或6-硫酸酯、D-半乳糖-2、6-二硫酸酯、2、4-和6-硫酸酯构成复杂的支化结构，有κ、ι、λ、μ四种
热水
红藻类鹿角藻细胞壁结构多糖
2.构象单糖的结构单位在链中的构象、位置和类型可确定多糖的链构象,除不规则构象外,有规则的构象在多糖链中至少存在部分周期性序列,下面用葡聚糖和几种其他多糖为例解释某些有代表性的链构象。
(1)伸长或拉伸螺条构象(extended or stretched ribbon-type conformation)
伸长或拉伸螺条构象是β-D-吡喃葡萄糖残基以1→4糖苷键连接成的多糖的特征，例如纤维素中存在的构象。某些β-D葡聚糖链构象见图3-11。
图3-11 以（1→4）-β-D-吡喃葡萄糖单位的多糖周期构象
从以上结构可看出，某些多糖的拉伸链构象是由于单糖以氧桥连接的锯齿形结构所引起的，而且链略微缩短或压缩，这样就会使邻近残基间形成氢键以维持构象的稳定。在螺条拉伸构象中，每一圈的单体数目用n表示，n值从2到±4，每个单位的轴间螺距以h表示，h为单糖单位长度。葡聚糖（例如纤维素）属于这种构象。
另一种链构象是如果胶和海藻酸盐的强褶裥螺条构象（plated ribbon-type conformation）（图3-12）。果胶链段是由1→4连接的α-D-吡喃半乳糖醛酸单位组成，海藻酸盐链段由1→4连接的α-L-吡喃古洛糖醛酸单位构成。



图3-12 果胶和海藻酸的褶裥螺条构象链段
从海藻酸链段结构可看出，Ca2+能使构象保持稳定，二个海藻酸链装配成类似蛋箱的构象，通常称为蛋箱型构象。


上述举例可看出，线性螺条链构象的共同特征是具有锯齿型几何形状。
（2）空心螺旋构象(hollow helix-type conformation)
苔藓植物地衣中的地衣多糖是由1→3连接的β-D-吡喃葡萄糖单位组成，以具有空心螺旋型构象为其结构特征（图3-13），这种链构象的形式与单体连接的U-形几何形状有关。直链淀粉具有这种几何形状，所以呈现螺旋构象。（图3-14）


图3-13 地衣多糖的链构象


图3-14直链淀粉链构象
空心螺旋构象的每一圈单体数目(n)和每个残基轴间螺距(h)因多糖的种类不同而异，n值在2±10之间，h值可接近极限值0。在β-(1→3)-葡聚糖的构象中n=5.6和h=3.16?。
螺旋构象可通过各种不同的方式保持稳定。当螺旋直径大时能形成笼形物，较小螺旋直径将产生更大的伸展或拉伸链，形成双股或三股螺旋，而强拉伸链使构象稳定一般是由锯齿和褶裥缔合，而不是形成股绳式螺旋。图3-15为螺旋构象的稳定作用。


图3-15 螺旋构象的稳定作用。a笼形化合物，b双股或三股螺旋线团，c“筑巢”
（3）弯曲构象弯曲型构象是由于单体以氧桥连接呈现皱纹的几何形状所引起的,1→2连接的β-D-吡喃葡萄糖多糖属于这种构象,n=2～4和h=2～3，但在自然界不具有重要性（图3-16）。
图3-16 弯曲构象
（4）松散结合构象由1→6连接的β-D-吡喃葡萄糖单位构成的葡聚糖,是这类多糖结构的典型,其构象表现出特别大的易变性。葡聚糖的这种构象（图3-17）具有很大的柔顺性,它与连接单体间的连接桥性质有关。从上述结构形式可知,连接桥有3个能自由旋转的键,而且糖残基之间相隔较远。


图3-17 β-(1→6)-D-吡喃葡聚糖构象
（5）杂聚糖构象从上面的例子可以知道，根据保持多糖的单体、单位键和氧桥的几何形状，可以预计同聚糖的构象，但很难预计包含不同构象的几个单体周期序列的杂聚糖构象，例如L-鹿角藻胶中的β-D-吡喃半乳糖-4-硫酸酯单位呈U型几何形状，而3,6-脱水-α-D-吡喃半乳糖-2-硫酸酯残基是锯齿形。（图3-18）


图3-18 L-鹿角藻胶中的链构象
从计算结果表明L-鹿角藻胶的构象从短的压缩螺条型到拉伸的螺旋型不等，但实际上X-射线衍射分析结果证明L-鹿角藻胶存在拉伸螺旋，而且是稳定的双股螺旋构象。
（6）链间的相互作用前面已经讲述，多糖结构中以周期排列的单糖序列可因非周期链段的嵌入而中断，这种由序列引起的干扰会导致构象无序。L-鹿角藻胶可以更详细地解释上述现象，因此它将能阐明大分子胶凝形成凝胶的机制。
L-鹿角藻胶在其生物合成反应中最初得到的是β-D-吡喃半乳糖-4-硫酸酯（4C1，Ⅰ）和α-D-吡喃半乳糖-2，6-二硫酸酯（4C1，Ⅱ）单位相互交替构成的周期序列（图3-19）。当链生物合成完全时，由于受到酶催化反应，α-D-吡喃半乳糖-2，6-二硫酸酯（Ⅱ）大部分去掉了一个硫酸基，转变成3，6-脱水-α-D-吡喃半乳糖-2-硫酸酯（1C4，Ⅲ），这种转变与链的几何形状变化有联系。某些已脱去一个硫酸酯的残基单位，在链序列中起到干扰部位的作用。而一个链中未发生这种转变的有序链段，可以与另一个链的相同链段发生缔合，形成双螺旋。非周期或无序的链段则不能参与这种缔合，见图3-20。


图3-19 L-鹿角藻胶的结构单元


图3-20 凝胶的胶凝过程示意图
L-鹿角藻胶由于链与链的相互作用而形成具有三维网络结构的凝胶，溶剂被截留在网络之中，凝胶强度受α-D-吡喃半乳糖-2，6-二硫酸酯残基数和分布的影响，这种结构特性是与生物合成有关。L-鹿角藻胶形成凝胶的机制同样可用来解释其他大分子凝胶的凝结过程。因此，多糖形成凝胶，除分子链应有足够的长度外，同时要求大分子链结构必须存在周期序列或有规则的构象断续出现（即部分有序 ），这种断续的产生一般是由于多糖链上嵌入不同几何形状键合的糖残基（例如鹿角藻胶、海藻酸盐、果胶），或者链中适当分布有游离的或酯化的羧基（糖醛酸），或者是嵌入了侧链的结果。当多糖胶凝时，分子的有序链段间发生缔合则可形成双螺旋、多双螺旋族，或者拉伸螺条型构象缔合成蛋箱型。此外，还有某些其他的类似缔合（图3-21a），或者是如图3-21，e所示的双股螺旋和螺条二者结合所构成的形式（图3-21）。


图3-21 正规构象间链的聚集
a双螺旋，b双螺旋族，c.蛋箱型，d.螺条-螺条，e.双螺旋、螺条相互作用
3,多糖的特性食品中各种多糖分子的结构、大小以及次级链相互作用的方式均不相同，这些因素对多糖的特性起着重要作用。膳食中大量的多糖是不溶于水和不能被人体消化的，它们是组成蔬菜、果实和种子细胞壁的纤维素和半纤维素。它们使某些食品具有物理紧密性、松脆性和良好的口感，此外，还有利于肠道蠕动。食品中的多糖除纤维素外，大都是水溶性的，或者是在水中可分散的。这些多糖在食品中起着各种不同的作用，例如硬性、松脆性、紧密性、增稠性、粘着性、形成凝胶和产生口感，并且使食品具有一定的结构和形状，以及松脆或柔软，溶胀或胶凝，或者完全可溶解的特性。
（1）多糖的溶解性多糖分子链是由己糖和戊糖基单位构成，链中的每个糖基单位大多数平均含有3个羟基，有几个氢键结合位点，每个羟基均可和一个或多个水分子形成氢键。此外，环上的氧原子以及糖苷键上的氧原子也可与水形成氢键，因此，每个单糖单位能够完全被溶剂化，使之具有较强的持水能力和亲水性，使整个多糖分子成为水溶性的。在食品体系中多糖能控制或改变水的流动性，同时水又是影响多糖物理和功能特性的重要因素。因而，食品的许多功能性质，包括质地都与多糖和水有关。
水与多糖的羟基是通过氢键结合的，在结构上产生了显著的改变，这部分水由于使多糖分子溶剂化而自身运动受到限制，通常称这种水为塑化水，在多糖中起着增塑剂的作用。它们仅占凝胶和新鲜组织食品中总含水量的一小部分，这部分水能自由地与其他水分子迅速发生交换。
多糖是一类高分子化合物，由于自身的属性而不能增加水的渗透性和显著降低水的冰点，因而在低温下仅能作为低温稳定剂，而不具有低温保护剂的效果。例如淀粉溶液冻结时形成了两相体系，其中一相为结晶水（冰），另一相是由大约70%淀粉与30%非冻结水组成的玻璃态。高浓度的多糖溶液由于粘度特别高，因而体系中的非冻结水的流动性受到限制。另一方面多糖在低温时的冷冻浓缩效应，不仅使分子的流动性受到了极大的限制，而且使水分子不能被吸附到晶核和结合在晶体生长的活性位置上，从而抑制了冰晶的生长。上述原因使多糖在低温下具有很好地稳定性。因此在冻藏温度（-18℃）以下，无论是高分子质量或低分子质量的多糖，均能有效阻止食品的质地和结构受到破坏，从而有利于提高产品的质量和贮藏稳定性。
高度有序的多糖一般是完全线性的，在大分子碳水化合物中只占少数，分子链因相互紧密结合而形成结晶结构，最大限度地减少了同水接触的机会，因此不溶于水。仅在剧烈条件下，例如在碱或其他适当的溶剂中，使分子链间氢键断裂才能增溶，例如纤维素，由于它的结构中β-D-吡喃葡萄糖基单位的有序排列和线性伸展，使得纤维素分子的长链和另一个纤维素分子中相同的部分相结合，导致纤维素分子在结晶区平行排列，使得水不能与纤维素的这些部位发生氢键键合，所以纤维素的结晶区不溶于水，而且非常稳定。正是纤维素的这种性质使大树能够长期存活。然而大部分多糖不具有结晶，因此易在水中溶解或溶胀。水溶性多糖和改性多糖通常以不同粒度在食品工业和其他工业中作为胶或亲水性物质应用。
（2）粘度与稳定性可溶性大分子多糖都可以形成粘稠溶液。在天然多糖中,阿拉伯树胶溶液(按单位体积中同等重量百分数计)的粘度最小,而瓜尔胶(guargum)或瓜尔聚糖(guaran)及魔芋葡甘聚糖溶液的粘度最大。多糖(胶或亲水胶体)的增稠性和胶凝性是在食品中的主要功能，此外，还可控制液体食品及饮料的流动性与质地，改变半固体食品的形态及O/W乳浊液的稳定性。在食品加工中，多糖的使用量一般在0.25%～0.50%范围，即可产生很高的粘度甚至形成凝胶。
大分子溶液的粘度取决于分子的大小、形状、所带净电荷和溶液中的构象。多糖分子在溶液中的形状是围绕糖基连接键振动的结果，一般呈无序状态的构象有较大的可变性。多糖的链是柔顺性的，有显著的熵运动，在溶液中为紊乱或无规线团状态（图3-22）。但是大多数多糖不同于典型的无规线团，所形成的线团是刚性的，有时紧密，有时伸展，线团的性质与单糖的组成和连接方式相关。


图3-22 多糖分子的无规线团
线型多糖在溶液中具有较大的屈绕回转空间，其“有效体积”和流动产生的阻力一般都比支链多糖大，分子链段之间相互碰撞的频率也较高。分子间由于碰撞产生摩擦而消耗能量，因此，线型多糖即使在低浓度时也能产生很高的粘度（如魔芋葡甘聚糖）。其粘度大小取决于多糖的聚合度DP（相对分子质量）、伸展程度和刚性，也与多糖链溶剂化后的形状和柔顺性有关。
支链多糖在溶液中链与链之间的相互作用不太明显，因而分子的溶剂化程度较线性多糖高，更易溶于水。特别是高度支化的多糖“有效体积”的回转空间比分子量相同的线性分子小得多（图3-23），分子之间相互碰撞的频率也较低，这意味着支链多糖溶液的粘度远低于DP相同的线性多糖。


图3-23 相同分子质量的线性多糖和高度支链多糖在溶液中占有的相对体积
对于仅带一种电荷的线性多糖，通常在分子链上连接的是阴离子，例如羧基、硫酸半酯基或磷酸基，由于产生静电排斥作用，使得分子伸展，链长增加和阻止分子间缔合，这类多糖溶液呈现高的粘度，而且pH值对其粘度大小有较显著的影响。含羧基的多糖在pH2.8时电荷效应最小，这时羧基电离受到了抑制，这种聚合物的行为如同不带电荷的分子。
由于立体化学的原因，所有线型分子无论是带电荷或不带电荷，都比分子量相同的支链分子或灌木丛状分子具有更多的回转空间。因此，一般说来，线型多糖溶液比支链多糖溶液的粘性更大。多糖在食品中主要是产生粘稠性、结构或胶凝作用，所以线型多糖一般是最实用的。
一般而言，不带电荷的线型均一多糖，因其分子链中仅具有一种中性单糖的结构单元和一种键型，如纤维素或直链淀粉，分子链间倾向于相互缔合和形成部分结晶，这些结晶区不溶于水，而且非常稳定。当在剧烈条件下加热，多糖分子在水中形成不稳定的分散体系，随后分子链间又相互作用形成有序排列，产生有规律的构象。通常构象非常有规律时会出现部分结晶态，这是中性线型多糖形成沉淀和凝胶的必备条件。例如直链淀粉在加热后溶于水，分子链伸长，当溶液冷却时，分子链段相互碰撞分子间形成氢键相互缔合，成为有序的结构，在重力的作用下会使形成的颗粒产生沉淀。淀粉中出现的这种不溶解效应，称为“老化”。伴随老化，水被排除，则称之为“脱水收缩”。面包和其他焙烤食品，会因直链淀粉分子缔合而变硬。支链淀粉在长期储藏后，分子间也可能缔合产生老化。带电荷的线型多糖会因库仑斥力阻止分子链段相互接近，同时引起链伸展，产生高粘度，形成稳定的溶液，很难发生老化现象。例如海藻酸钠、黄原胶和鹿角藻胶。在鹿角藻胶分子中存在很多的硫酸半酯基，是带负电荷的线性混合物，即使溶液的pH值很低时也不会出现沉淀，因为鹿角藻胶分子中的硫酸根在适合的pH范围都是完全处于电离状态。
胶体溶液是以水合分子或水合分子的集聚态分散，溶液的流动性与这些水合分子或聚集态的大小、形状、柔顺性和所带电荷多少相关。多糖溶液包括假塑性流体和触变流体两类。假塑性流体具有剪切稀化的流变学特性，流速随剪切速率增加而迅速增大，此时溶液粘度显著下降。液体的流速可因应力增大而提高，粘度的变化与时间无关。线性高分子通常为假塑性流体，具有剪切稀化的流变学特性。一般而言，多糖分子质量愈大则表现出的假塑性俞大。假塑性小的多糖，从流体力学的现象可知，称为“长流”，有粘性感觉；而假塑性大的流体为“短流”其口感不粘。
触变流体同样具有剪切稀化的特征，但是粘度降低不是随流速增加而瞬间发生。当流速恒定时，溶液的粘度降低是时间的函数。剪切停止后一定时间，溶液粘度即可恢复到起始值，这是一个胶体-溶液-胶体的转变。换言之，触变溶液在静止时是一种弱的凝胶结构。
（3）凝胶胶凝作用是多糖的又一重要特性。在食品加工中，多糖或蛋白质等大分子，可通过氢键、疏水相互作用、范德华引力、离子桥接(ionic cross bridges)、缠结或共价键等相互作用，在多个分子间形成多个联结区。这些分子与分散的溶剂水分子缔合，最终形成由水分子布满的连续的三维空间网络结构（图3-24）。


图3-24 典型的三维网络凝胶结构示意图
凝胶兼有固体和液体的某些特性。当大分子链间的相互作用超过分子链长的时候，每个多糖分子可参与两个或多个分子连接区的形成，这种作用的结果使原来流动的液体转变为有弹性的、类似为海绵的三维空间网络结构的凝胶。凝胶不象连续液体那样完全具有流动性，也不象有序固体具有明显的刚性，而是一种能保持一定形状，可显著抵抗外界应力作用，具有粘性液体某些特性的粘弹性半固体。凝胶中含有大量的水，有时甚至高达99%，例如带果块的果冻、肉冻、鱼冻等。
凝胶强度依赖于连结区结构的强度，如果连结区不长，链与链不能牢固地结合在一起，那么，在压力或温度升高时，聚合物链的运动增大，于是分子分开，这样的凝胶属于易破坏和热不稳定凝胶。若连结区包含长的链段，则链与链之间的作用力非常强，足可耐受所施加的压力或热的刺激，这类凝胶硬而且稳定。因此，适当地控制连结区的长度可以形成多种不同硬度和稳定性的凝胶。
支链分子或杂聚糖分子间不能很好地结合，因此不能形成足够大的连结区和一定强度的凝胶。这类多糖分子只形成粘稠、稳定的溶胶。同样，带电荷基团的分子，例如含羧基的多糖，链段之间的负电荷可产生库仑斥力，因而阻止连结区的形成。
（4）水解
多糖在食品加工和贮藏过程中不如蛋白质稳定。在酸或酶的催化下，低聚糖和多糖的糖苷键易发生水解，并伴随粘度降低。
糖苷、低聚糖和多糖水解的难易程度，除了同它们的结构有关外，还受pH、时间、温度和酶的活力等因素的影响。在某些食品加工和保藏过程中，碳水化合物的水解是很重要的，因为它能使食品出现非需宜的颜色变化，并使多糖失去胶凝能力。糖苷键在碱性介质中是相当稳定的，但在酸性介质中容易断裂。糖苷水解反应机理可用下式表示。


上述反应中，失去ROH和产生共振稳定碳鎓离子（正碳离子）是决定反应速率的一步。由于某些碳水化合物对酸敏感，所以在酸性食品中不稳定，特别在高温下加热更容易发生水解。
糖苷的水解速率随温度升高而急剧增大，符合一般反应速率常数的变化规律（表3-8）。从表3-9中可见，异头物的水解速率因种类而异，β-D-糖苷的水解速率小于α-D异头物。在低聚糖和多糖中，由于结构的差异和缔合度的不同可引起水解速率的变化，多糖的水解速率随多糖分子间的缔合度增加而明显的成比例降低。
表3-8 温度对糖苷水解速率的影响a
ka
糖苷（0.5mol/L硫酸溶液中）
70℃ 80℃ 93℃
甲基-α-D-吡喃葡萄糖苷 2.82 13.8 76.1
甲基-β-D-呋喃果糖苷 6.01 15.4 141.0
a：一级反应速度常数，k×106sec-1。
表3-9 异头型对各种糖苷水解速率的影响a
α-D异头物
kb
β-D异头物
k
曲二糖1→2
1.46
槐糖1→2
1.17
黑曲霉糖1→3
1.78
昆布二糖1→3
0.99
麦芽糖1→4
1.55
纤维二糖1→4
0.66
异麦芽糖1→6
0.40
龙胆二糖1→6
0.58
a：温度80℃，0.1 mol/L HCl。
b：一级反应速率常数，k×105sec-1。
在食品加工中常利用酶作催化剂水解多糖，例如果汁加工、果葡糖浆的生产等。从二十世纪70年代开始，工业上采用α-淀粉酶和葡萄糖糖化酶水解玉米淀粉得到近乎纯的D-葡萄糖。然后用异构酶使D-葡萄糖异构化，形成由54%D-葡萄糖和42%D-果糖组成的平衡混合物，称为果葡糖浆。这种廉价甜味剂可以代替蔗糖。据报道，美国市场每年销售蔗糖约110亿kg，目前销售量下降，其中25%左右为果葡糖浆所代替。我国也生产这种甜味剂，并用于非酒精饮料、糖果和点心类食品的生产。商业上的高果葡糖糖浆的组成和相对甜度见表3-10。用右旋糖当量（dextrose equivalent，DE）测定淀粉对D-葡萄糖的转化度，并按干重计算还原糖百分含量。
淀粉生产玉米糖浆有三种不同方法。第一种方法是酸转化法。淀粉（30%～40%水匀浆）用盐酸调整使其浓度近似为0.12%，于140～160℃加热煮15～20min或直至达到要求的DE值，水解结束即停止加热。用碳酸钠调至pH4～5.5，离心沉淀、过滤、浓缩，即得到纯净的酸转化玉米糖浆。
表3-10 高果葡糖糖浆的组成和甜度
组成和甜度
果葡糖浆类型
普通果葡糖浆（42%果糖） 55%果糖 90%果糖
葡萄糖果糖低聚糖相对甜度
52
40
7
42
55
90
6
5
3
100
105
140
第二种是酸-酶转化玉米糖浆的方法，即淀粉经酸水解后再用酶处理。酸处理过程与第一种方法相同，采用的酶有α-淀粉酶、β-淀粉酶和葡萄糖糖化酶。选用何种酶取决于所得到的最终产品。例如生产62DE玉米糖浆是先用酸转化至DE值达到45～50，经过中和、澄清处理后再添加酶制剂，通常用α-淀粉酶转化，使DE值达到大约62，然后加热使酶失活。
高麦芽糖玉米糖浆也是一种酸-酶转化糖浆，即先用酸处理至DE值达到20左右，经过中和、澄清后添加β-淀粉酶转化至DE值达到要求为止，然后加热使酶失活。
第三节 糖类化合物的性质一,链状糖类化合物反应糖类，特别是还原糖通常用环形结构表示，但实际上仍然有很少量以开链形式存在，链状形式是某些反应所要求的存在形式，例如不同大小环形结构的转变、变旋和烯醇化等反应。例如D-葡萄糖溶解于水时，很快有葡萄糖的开链式、五元环、六元环和七元环等不同结构形式的化合物处于平衡状态，在室温下以六元环为主，七元环痕量，为五种异构体，即α-和β-D-吡喃葡萄糖，α-和β-D-呋喃葡萄糖以及开链状醛式葡萄糖（图3-25），其中开链醛式D-葡萄糖的数量只占0.003%。一定种类的糖，当它在水溶液中达到平衡时，各种异构体的数量取决于它们的相对稳定程度。纯异构体例如结晶α-D-吡喃葡萄糖溶解于水，共有上述5种异构体处于平衡状态。


图3-25 D-葡萄糖水溶液中存在的5种异构体
用α-或β-D-葡萄糖达到平衡时形成的一定比例的异构体混合物，可作为说明变旋现象和一种异头物转变成另一种异头物的例子。β-D-葡萄糖溶解于纯水中，用旋光法观察到最初旋光值[α]D为+18.7°，几小时以后转变为+53°。α-D-葡萄糖起始旋光值为[α] D为+112°，放置后也降低至+53°，这就是葡萄糖溶液的变旋现象。平衡时的旋光度相当于体系中存在36.2%的α-D-葡萄糖和63.8%的β-D-葡萄糖。酸或碱可作为一种催化剂，使变旋速度大大加快。
酚类或类黄酮糖苷、烯醇与羰基共轭的糖苷以及配基能发生β-消去反应的糖苷在碱性介质中不稳定，发生明显降解。其他大多数糖苷对碱是稳定的，只有在相当剧烈的条件下，例如在75℃时的10%氢氧化钠溶液中，糖苷键才能断裂。呋喃糖苷比吡喃糖苷更不稳定。
当酸或碱的浓度超过还原糖变旋作用所要求的浓度时，糖便发生烯醇化。这是由于碱的催化作用使糖的环状结构变为链式结构，生成如图3-26所示的D-葡萄糖-1，2-烯二醇。在烯二醇结构中，C2 失去了非对称性，说明D-葡萄糖烯二醇式可以向两个方向变化，生成D-葡萄糖及C2差向异构体D-甘露糖的混合物。假若烯二醇的双键电子对沿着碳链向下迁移则形成C2羰基。D-葡萄糖或D-甘露糖都可以通过这种方式转变为D-果糖。同样,D-果糖的烯醇化反应生成C3差向异构体D-甘露糖，但烯二醇这种中间产物未曾分离得到。按照人工合成的途径实现这种转变所用的碱类有氢氧化钙、吡啶、铝酸钠，以及硼酸和三乙胺混合物。大多数还原糖在pH3～4范围内是稳定的。


图3-26 Ｄ－葡萄糖劳布莱德－阿尔贝答－范爱肯史特恩反应
（Lobry de Bruyn-Alberde-Van Ekenstein）
二,氧化反应
醛糖在温和条件下用含溴水的中性或碱性缓冲液氧化，生成醛糖酸，通常将此反应用于糖的定量。因为β-吡喃糖相对α-吡喃糖具有更强的酸性，其氧化速率更快，所以可认为反应是通过吡喃糖的活泼形式阴离子进行，氧化产物为δ-内酯，它与γ-内酯和游离的醛糖酸的游离形式处于平衡状态，在pH＞3时醛糖酸的产率最高。（见图3-27）


图3-27 葡萄糖氧化历程
D-葡萄糖在葡萄糖氧化酶作用下易氧化成D-葡糖酸，商品D-葡糖酸及其内酯的制备如图3-28所示。利用此反应可测定食品和其他生物材料中D-葡萄糖的含量，以及血中D-葡萄糖的水平。在室温下葡糖酸-δ-内酯和γ-内酯都可以水解生成D-葡糖酸，这两种内酯通过中间双环的形式相互转变。D-葡糖酸-δ-内酯（Gluconar-Lactone,GDL系统命名为D-葡萄糖-1，5-内酯），在室温下完全水解需要3小时，随着水解不断进行，pH值逐渐下降，是一种温和的酸化剂，可用于要求缓慢释放酸的食品中。例如肉制品、乳制品和豆制品，特别是焙烤食品中作为发酵剂。

图3-28　D-葡萄糖在葡萄糖氧化酶催化下的氧化作用
三,还原反应单糖通过电解、硼氢化钠或催化氢化可被还原成对应的糖醇，酮糖还原由于形成了一个新的手性碳原子，所以得到两种糖醇。食品加工中有重要用途的糖醇是木糖醇，此外还有外消旋核糖醇、D，L-阿糖醇、内消旋木糖醇。己糖醇总共有10种立体异构体（内消旋阿洛糖醇、内消旋半乳糖醇、D，L-山梨糖醇、D，L-艾杜糖醇、D，L-甘露糖醇和D，L-阿卓糖醇），其中仅山梨糖醇和甘露糖醇可代替蔗糖用于保健食品、降低中等水分食品的水活性或作为软化剂、保湿剂、结晶抑制剂和改善脱水食品的复水特性。山梨糖醇存在于梨、苹果和李等水果中。
四,酯化与醚化反应糖分子中的羟基与简单醇的羟基类似，能同有机酸和一些无机酸形成酯。在自然界中发现有多糖酸酯、硫酸酯、醋酸酯、琥珀酸半酯和其他羧酸酯等特殊多糖酯存在。例如，马铃薯淀粉中含有少量磷酸酯基，鹿角藻胶中含有硫酸酯基（硫酸半酯）。糖磷酯通常是代谢的中间产物（图3-29）。商业上常将玉米淀粉衍生化生成单酯和双酯，最典型的是琥珀酸酯、琥珀酸半酯和二淀粉己二酸酯。蔗糖脂肪酸酯是食品中一种常用的乳化剂。
糖的羟基如醇羟基，除能形成酯外还可生成醚。但天然存在的多糖醚类化合物不如多糖酯那样多。然而多糖醚化后可明显改善其性能。例如，食品中使用的羧甲基纤维素钠和羟丙基淀粉等。
D-葡萄糖-6-磷酸酯


D-果糖-1，6-二磷酸酯图3-29 糖磷酸酯代谢中间产物
在红海藻多糖特别是琼脂、k-鹿角藻胶和L-鹿角藻胶中存在一种特殊的醚，即这些多糖中的D-半乳糖基的C3和C6之间由于脱水形成的内醚。


3,6-脱水-α-Ｄ-吡喃半乳糖基
五,糖类化合物的脱水和热降解糖的脱水和热降解是食品中的重要反应，酸或碱均能催化这类反应的进行，其中，许多属于β-消去反应类型。戊糖脱水生成的主要产物是2-呋喃糖，而己糖生成5-羟甲基-2-呋喃醛(HMF)和其他产物，例如2-羟基乙酰呋喃和异麦芽酚。这些初级脱水产物的碳链裂解可产生其他化学物质，例如乙酰丙酸、甲酸、丙酮醇（1-羟-2-丙酮）、3-羟基丁酮、二乙酰、乳酸、丙酮酸和醋酸。这些降解产物有的具有强烈的气味，可产生需宜或非需宜的风味。这类反应在高温下容易发生，例如热加工的果汁中可形成2-呋喃醛和5-羟甲基-2-呋喃醛。用鼠进行动物试验研究这些化合物的毒性，发现呋喃甲醛的毒性比5-羟甲基-2-呋喃醛的更强。鼠饲喂试验结果表明，即使膳食中HMF摄入量高达450mg/Kg体重，也不至于有毒害作用。糖分子内脱水反应生成的一个重要中间产物是3-脱氧松，图3-30表示D-葡萄糖形成这种化合物的反应过程。烯醇式3-脱氧葡糖松可继续发生β-消去反应（如图3-31所示）。顺式-3，4-烯糖闭环，脱水生成HMF（图3-32）。
根据β-消去反应原理，可以预测大多数醛糖和酮糖的初级脱水产物。就酮糖而言，2-酮糖互变异构所生成的2，3-烯二醇有两种β-消去反应途径，一种途径是生成2-乙酰呋喃，另一种是生成异麦芽酚。


图3-30 D-葡萄糖分解生成3-脱氧-D-葡萄糖松


图3-31 由烯醇式3-脱氧-D-葡糖松形成的3-脱氧-D-葡糖松-3，4烯


图3-32 3-脱氧-D-葡糖松-3，4烯环化和脱水形成羟甲基呋喃醛
糖在加热时可发生碳-碳断裂和不断裂两种类型的反应，后一类使糖在熔融时发生正位异构化、醛糖-酮糖异构化以及分子间和分子内的脱水反应。
正位异构化：α-或β-D-葡萄糖
α/β平衡醛糖-酮糖的互变异构：


D-葡萄糖 D-果糖更复杂的糖类化合物（例如淀粉）在200℃热解时，转糖苷反应是最重要的反应，在此温度下，α-D-(1→4)键的数目随着时间延长而减少，同时伴随有α-D-(1→6)和β-D-(1→6)键甚至β-D-(1→2)键糖苷键的形成。
某些食品经过热处理，特别是干热处理，容易形成大量的脱水糖。D-葡萄糖或含D-葡萄糖单位的聚合物特别容易脱水（图3-33）。
热解反应使碳-碳键断裂，所形成的主要产物是挥发性酸、醛、酮、二酮、呋喃、醇、芳香族化合物、一氧化碳和二氧化碳。这些反应产物可以利用气相色谱（GC）或气相质谱联用仪（GC-MS）进行鉴定。


1，6-脱水-β-D-吡喃葡萄糖 1，6-脱水-β-D-呋喃葡萄糖


1，4：3，6-二脱水-D-吡喃葡萄糖 左旋葡糖烯松
图3-33 D-葡萄糖或含D-葡萄糖的聚合物的热解产物
六、非酶褐变反应食品褐变反应分为氧化褐变和非氧化褐变两种。氧化褐变或酶促褐变是多酚氧化酶催化酚类和氧之间的反应，这是苹果、香蕉、梨及莴苣在切开时所发生的普通褐变现象，这种反应与糖类化合物无关。非氧化褐变和非酶褐变反应是食品中常见的一类重要反应。
直接加热糖类化合物特别是糖或糖浆，可产生一类称为焦糖化（caramelization）的复杂反应，少量的酸或某些盐类对这类反应有促进作用。温和加热或初期热分解能引起异头移位（anomeric shifts）、环的大小改变和糖苷键断裂以及生成新的糖苷键。但是，热分解由于脱水主要引起左旋葡聚糖的形成或者在糖环中形成双键，后者可产生不饱和的环状中间体，例如呋喃环。共轭双键具有吸收光和产生颜色的特性，在不饱和环体系中，通常可发生缩合反应使之聚合，使食品产生色泽和风味。催化剂可加速这类反应的发生，这类反应常用于制备焦糖色素。例如，蔗糖是用于生产焦糖色素和食用色素香料的物质，蔗糖在酸或酸性铵盐存在的溶液中加热，可制得适用于食品、糖果和饮料的各种产物。商业上生产的三种焦糖色素，其中最大量的是用亚硫酸氢铵作催化剂制备用于可乐饮料的耐酸焦糖色素（pH2～4.5）；另一种是蔗糖溶液和铵离子溶液一起加热制成焙烤食品着色剂，其水溶液的pH为4.2～4.8，并含有带正电荷的胶体粒子；第三种是蔗糖直接热解形成略带负电荷胶体粒子的焦糖色素，溶液pH为3～4，用于啤酒和其他酒精饮料。D-葡萄糖在pH4左右的酸性溶液中加热生成直径0.46～4.33nm的聚合或环状缩合物颗粒。焦糖色素是我国传统使用的天然色素之一，无毒性。但近来发现，加铵盐制成的焦糖含4-甲基咪唑，有强致惊厥作用，含量高时对人体有毒。我国食品卫生法规定添加量不得超过200mg/Kg。
　焦糖色素含有酸度不同的羟基、羰基、烯醇基和酚羟基，是结构不清楚的大聚合物分子，提高温度和pH值可加快反应速率，例如在pH8时的反应速率为pH5.9时的10倍。
　糖的某些热解反应能产生具有独特味道和香气的不饱和环状化合物。例如麦芽酚（3-羟基-2-甲基吡喃-4-酮）和异麦芽酚（3-羟基-2-乙酰呋喃）使焙烤的面包产生香味；2-H-4-羟基-5-甲基-呋喃-3-酮有像烤肉的焦香味，可作为各种风味和甜味增强剂。
对非氧化褐变或非酶褐变的麦拉德反应至今还没有一个确切的定义，已知麦拉德反应必须有极少量氨基化合物存在，通常是氨基酸、肽、蛋白质、还原糖和少量水作为反应物。麦拉德反应生成可溶和不溶的高聚物等，由于有还原酮和荧光物质形成，因而体系的还原能力和滴定酸度增高。产物的检测方法一般是在波长420nm或490nm比色定量测定所形成的黄色或棕色色素，用色谱法分离鉴定产物，测定释放出的二氧化碳含量，以及紫外、红外光谱分析测定等。
麦拉德反应包括许多反应，在初始期还原糖与胺反应生成葡基胺，以无紫外吸收的无色溶液为特征，还原能力强，随着反应不断进行，溶液变成黄色，在近紫外区吸收明显增强，同时还有少量的糖脱水变成HMF，以及发生键断裂形成α-二羰基化合物和开始生成色素。在很多食品的加工过程中，根据食品初期出现还原能力增大可检测氨基糖的存在。添加还原剂，如亚硫酸盐能阻止食品褐变；但在麦拉德褐变的最后阶段，由于发生了复杂的醇醛缩合和聚合反应，食品或溶液开始变为红棕色或深褐色，并有明显的焦糖香味和不溶解的胶体状类黑精物质出现，以及少量二氧化碳产生，这时即使再添加亚硫酸盐也不能褪色。
麦拉德褐变起始反应（图3-34）是还原糖开链式的羰基碳原子首先受到氨基氮原子的孤对电子的亲核攻击，然后失水闭环形成葡基胺（glycosyamine），当还原糖过量时则形成二葡基胺，葡基胺经阿马道莱（Amadori）重排反应生成1-氨基-2酮糖（图3-35），此化合物已在发生褐变的冷冻干燥杏干中检出。
假若起始糖反应物为酮糖，按与醛糖反应相同的历程生成葡基胺，然后发生汉斯（Heyns）重排（即逆阿马道莱重排），生成2-氨基醛糖（图3-36）。
　形成的阿马道莱化合物至少可沿着两种途径降解，一种是pH≤5时首先形成3-脱氧松中间产物，最后生成5-羟甲基-2-呋喃醛；另一种途径是在pH＞5时，通过生成甲基-α-羰基化合物（图3-37）。这两种途径生成的环状化合物迅速聚合产生不溶于水的含氮化合物类黑精色素（melanoidin），除了产生HMF和还原酮外，还有吡嗪和咪唑环。
从营养学的观点讲，当一种氨基酸或一部分蛋白质链参与麦拉德反应时，显然会造成氨基酸的损失，这种破坏对必需氨基酸来说显得特别重要，其中以含有游离ε-氨基的赖氨酸最为敏感，因而最容易损失。其他氨基酸对麦拉德降解反应同样也很敏感，这些氨基酸是碱性L-精氨酸和L-组氨酸。碱性氨基酸侧链上有相对呈碱性的氮原子存在，所以比其他氨基酸对降解反应更敏感。值得注意的是，如果食品已发生麦拉德反应，氨基酸及其营养价值都会有一些损失。但即使是没发生麦拉德反应的食品，也并不能保证营养价值无损失，其原因是氨基酸降解和营养价值损失早在形成色素之前就已经发生。


麦芽酚 异麦芽酚 2-H-4-羟基-5-甲基-呋喃-3-酮


图3-34 　葡基胺的形成过程和麦拉德褐变起始反应


图3-35 　葡基胺的阿马道莱重排
酮糖 2-氨基醛糖
图3-36　 酮糖形成葡基胺和汉斯重排



图3-37　 阿马道莱化合物形成类黑精色素的途径
凡含蛋白质和还原糖的食品，即使在较低温度下短时间加热，也可引起氨基酸损失，特别是碱性氨基酸，其中尤以L-赖氨酸在褐变时损失最大（表3-11）。
表3-11 乳制品中L-赖氨酸的降解食品名称
温度（℃）
时间
L-赖氨酸降解（%）　
鲜牛奶
100
几分种
5
炼奶
—
—
20
脱脂奶粉
150
几分种
40
脱脂奶粉
150
3小时
80
麦拉德反应并不是食品制备、加工或保藏中使必需氨基酸受到破坏的唯一途径，还有另一种叫做斯特雷克尔（Strecker）降解途径，它包括α-二羰基化合物和α-氨基酸之间的相互作用（图3-38）。斯特雷克尔反应产生的挥发性产物，例如醛、吡嗪和糖的裂解产物，可以使食品具有香气和风味，在食品生产过程中常常利用斯特雷克尔反应，使某些食品如面包、蜂蜜、枫糖浆、巧克力等产品具有特殊的风味。食品加工中，在某些情况下麦拉德反应和斯特雷克尔反应是需要的，而在另一些情况下则是非需要的反应。这就必须了解和控制发生这些反应的条件以及反应性质和程度的影响。这些条件包括温度、pH、水分含量、金属离子以及糖的结构等。


2，3-丁二酮 L-缬氨酸 3-氨基-2-丁酮 甲基丙醛


四甲基吡嗪
图3-38 L-赖氨酸与2，3-丁二酮的斯特克雷尔降解反应
控制食品中麦拉德反应和斯特雷克尔反应的程度是十分重要的，这不仅是因为反应超出一定限度会给食品的风味带来不利的影响，而且还因为其降解产物可能属于有害物质。这类反应形成的类黑精前体（premelanoidin）产物可能导致亚硝酸胺或者其他致突变（mutagenic）物质形成，这些产物的毒性还有待进一步研究。
　pH对麦拉德褐变有很重要的影响，在pH≤6时褐变反应程度较微弱，因为在强酸性条件下氨基被质子化，阻止了葡基胺的形成，所以麦拉德褐变反应不明显。随着pH增大褐变反应速度加快，在中等水分含量，当pH7.8～9.2时褐变速度最快，氨基氮将严重损失。
人们根据全蛋粉在贮藏过程中出现的颜色变化，很早就开始研究水分含量对褐变的影响。有的科学工作者还观察了在预先制备的D-葡基胺的无水甲醇溶液中，添加不同数量的盐酸和水所产生的颜色变化。发现含一定浓度酸的无水体系中褐变反应速度最快。增加水的含量则反应速度降低。在D-木糖和甘氨酸组成的固态体系中，当相对湿度为0或100%时并不发生褐变，而相对湿度为30%时褐变反应速度最大。因此，可以认为食品在中等水分含量时褐变反应速度最快。
　铜和铁等金属离子能促进褐变反应，且Fe3+比Fe2+的作用更强，但Na+无影响。从金属离子催化麦拉德褐变反应，说明褐变色素的形成属于氧化-还原反应。
　麦拉德曾研究过碳的结构与褐变程度的关系。他发现普通糖类褐变反应的容易程度依下列顺序逐渐增大：D-木糖＞D-核糖＞L-阿拉伯糖＞己糖（D-半乳糖，D-甘露糖，D-葡萄糖，D-果糖）＞双糖（麦芽糖、乳糖和蔗糖）。D-果糖反应活性比醛糖弱很多，因为褐变反应中，酮糖的反应机理与醛糖不同。
每种特定糖形成色素的反应程度直接与其平衡溶液中的链式结构（游离羰基）的百分含量成正比，这充分说明在麦拉德褐变时胺只能和链式结构的糖类发生反应。
当不希望食品出现麦拉德褐变时，只要使水活性降低至0.2以下就能抑制这种反应的发生，增大液体食品的稀释度或者降低pH和温度，也可达到同样的效果。另外，除去食品中能参与褐变反应的底物也能使褐变程度减弱，这种底物通常是糖类。例如，在全蛋粉干燥前添加葡萄糖氧化酶可使D-葡萄糖降解；在鱼肉制品中加入一种有D-核糖氧化酶活性的戊醋乳杆菌（Lactobacillus pentoaceticum）能使褐变降低至最低程度。SO2和亚硫酸盐是最广泛用于抑制褐变的化学物质（图3-39）。


图3-39 亚硫酸盐防止褐变的机理示意图
SO2或SO32-虽然能够抑制食品褐变，但它们不能防止参与麦拉德反应的氨基酸的营养价值受损失，因为在二氧化硫抑制褐变前，氨基酸已开始参与反应，并随之发生降解。此外，斯特克雷尔反应是引起必须氨基酸营养价值损失的重要途径，而二氧化硫和亚硫酸盐对该反应几乎无抑制作用。
控制食品加工贮藏中的麦拉德褐变有三个方面的重要意义。第一，褐变产生深颜色及强的香气和风味，对许多食品在品质上，特别是感官上可能是需要的或非需要的。例如果汁热加工时为保持其新鲜水果风味，需阻止褐变；第二，为了防止营养成分损失，特别是必需氨基酸如赖氨酸的损失，需要避免发生褐变反应。这种营养损失对于赖氨酸缺乏的食品（例如谷物）是很重要的。大豆粉或大豆离析物与D-葡萄糖一起加热时，大豆蛋白质中的赖氨酸将会大量损失，同样对于谷物焙烤食品、面包和豆类焙烤制品也会引起损失；第三，有报道麦拉德反应会形成某些致突变产物。Powire等已证实D-葡萄糖或D-果糖与L-赖氨酸或L-谷氨酸发生褐变反应所生成的某些产物可引起致突变作用，并且在沙门氏菌TA100菌株中得到证实，但另一些研究者用不同的模拟体系尚未证实上述这些褐变产物有致突变作用。
第四节 食品中单糖和低聚糖的功能一,亲水功能糖类化合物对水的亲和力是其基本的物理性质之一，这类化合物含有许多亲水性羟基，羟基靠氢键键合与水分子相互作用，使糖及其聚合物发生溶剂化或者增溶。因而在水中有很好的溶解性。糖类化合物的结构对水的结合速度和结合量有极大的影响（表3-12）。
表3-12 糖吸收潮湿空气中水分的百分含量（%）
糖
不同相对湿度（RH）和时间吸收水（%）
（20℃）
60%，1h
60%，9d
100%，25d
D-葡萄糖
0.07
0.07
14.5
D-果糖
0.28
0.63
73.4
蔗糖
0.04
0.03
18.4
麦芽糖（无水）
0.80
7.0
18.4
含结晶水麦芽糖
5.05
5.1
—
无水乳糖
0.54
1.2
1.4
含结晶水乳糖
5.05
5.1
—
虽然D-果糖和D-葡萄糖的羟基数目相同，但D-果糖的吸湿性比D-葡萄糖要大得多。在100％相对湿度环境中，蔗糖和麦芽糖的吸水量相同，而乳糖所能结合的水则很少。当两种糖的水合物形成稳定的结晶结构以后则不容易从环境中吸收水。实际上，结晶很好的糖完全不吸湿，因为它们的大多数氢键键合位点已经形成了糖-糖氢键。不纯的糖或糖浆一般比纯糖吸收水分更多，速度更快，“杂质”是糖的异头物时也明显产生吸湿现象，有少量的低聚糖存在时吸湿更为明显，例如饴糖、玉米糖浆中存在的麦芽低聚糖。杂质可干扰糖分子间的作用力，主要是妨碍糖分子间形成氢键，使糖的羟基更容易和周围的水分子发生氢键键合。
糖类化合物结合水的能力和控制食品中水的活性是最重要的功能性质之一，结合水的能力通常称为保湿性。根据这些性质可以确定不同种类食品是需要限制从外界吸入水分或是控制食品中水分的损失。例如糖霜粉可作为前一种情况的例子，糖霜粉在包装后不应发生粘结，添加不易吸收水分的糖如乳糖或麦芽糖能满足这一要求。另一种情况是控制水的活性，特别重要的是防止水分损失，如糖果蜜饯和焙烤食品，必须添加吸湿性较强的糖，即玉米糖浆、高果糖玉米糖浆或转化糖、糖醇等。

二、风味结合功能很多食品，特别是喷雾或冷冻干燥脱水的那些食品，碳水化合物在这些脱水过程中对于保持食品的色泽和挥发性风味成分起着重要作用，它可以使糖-水的相互作用转变成糖-风味剂的相互作用。


食品中的双糖比单糖能更有效地保留挥发性风味成分，这些风味成分包括多种羰基化合物(醛和酮)和羧酸衍生物(主要是酯类)，双糖和分子量较大的低聚糖是有效的风味结合剂。环状糊精因能形成包合结构，所以能有效地截留风味剂和其他小分子化合物。
大分子糖类化合物是一类很好的风味固定剂，应用最普通和最广泛的是阿拉伯树胶。阿拉伯树胶在风味物颗粒的周围形成一层厚膜，从而可以防止水分的吸收、蒸发和化学氧化造成的损失。阿拉伯树胶和明胶的混合物用于微胶囊和微乳化技术，这是食品风味固定方法的一项重大进展。阿拉伯树胶还用作柠檬、莱姆、橙和可乐等乳浊液的风味乳化剂。
三,糖类化合物褐变产物和食品风味如前所述，非氧化褐变反应除了产生深颜色类黑精色素外，还生成多种挥发性风味物质，这些挥发物质有些是需要的，有些则是非需要的。非氧化褐变使加工食品产生特殊的风味，例如花生、咖啡豆在焙烤过程中产生的褐变风味。褐变产物除了能使食品产生风味外，它本身可能具有特殊的风味或者能增强其他的风味，具有这种双重作用的焦糖化产物是麦芽酚和乙基麦芽酚。


糖类化合物的褐变产物均具有特征的强烈焦糖气味，可以作为甜味增强剂。麦芽酚可以使蔗糖甜度的检出阈值浓度降低至正常值的一半。另外，麦芽酚还能改善食品质地并产生更可口的感觉。据报道，异麦芽酚增强甜味的效果为麦芽酚的6倍。糖的热分解产物有吡喃酮、呋喃、呋喃酮、内酯、羰基化合物、酸和酯类等。这些化合物总的风味和香味特征使某些食品产生特有的香味。
异麦芽酚糖胺褐变反应也可以形成挥发性香味剂，这些化合物主要是吡啶、吡嗪、咪唑和吡咯。葡萄糖和氨基酸的混合物(1/1，W／W)加热至100℃时，所产生的风味特征包括焦糖香味(甘氨酸)、黑麦面包香味(缬氨酸)和巧克力香味(谷氨酰胺)。胺-羰基褐变反应产生的特征香味随着温度改变而变化，如缬氨酸加热到100℃时可以产生黑麦面包风味，而当温度升高至180℃，则有巧克力风味。脯氨酸在100℃时可产生烤焦的蛋白质香气，加热至180℃，则散发出令人有愉快感觉的烤面包香味。组氨酸在100℃时无香味产生，加热至180℃时则有如同玉米面包、奶油或类似焦糖的香味。含硫氨基酸和D-葡萄糖一起加热可产生不同于其他氨基酸加热时形成的香味。例如甲硫氨酸和D-葡萄糖在温度100℃和180℃反应可产生马铃薯香味，盐酸半胱氨酸形成类似肉、硫磺的香气，胱氨酸所产生的香味很像烤焦的火鸡皮的气味。褐变能产生风味物质，但是，食品中产生的挥发性和刺激性产物的含量应限制在能为消费者所接受的水平，因为过度增加食品香味会使人产生厌恶感。
四,甜味低分子量糖类化合物的甜味是最容易辨别和令人喜爱的性质之一。蜂蜜和大多数果实的甜味主要取决于蔗糖、D-果糖或D-葡萄糖的含量。人所能感觉到的甜味因糖的组成、构型和物理形态不同而异(表3-13)。
糖醇可用作食品甜味剂。有的糖醇例如木糖醇的甜度超过其母体糖（木糖）的甜度，并具有低热量或无致龋齿等优点，我国已开始生产木糖醇甜味剂。某些糖醇的相对甜度见表3-14。
表3-13 糖的相对甜度（W/W，%）
糖
溶液的相对甜度a
结晶的相对甜度
蔗糖
-D-果糖
α-D-葡萄糖
-D-葡萄糖
α-D-半乳糖
-D-半乳糖
α-D-甘露糖
-D-甘露糖
α-D-乳糖
-D-乳糖
-D-麦芽糖棉子糖水苏四糖
100
100～175
40～79
＜α异头体
27
-
59
苦味
16～38
48
46～52
23
-
100
180
74
82
32
21
32
苦味
16
32
-
1
10
a,以蔗糖的甜度为100作为比较标准
表3-14 糖醇的相对甜度（%）（25℃，自来水中）
糖醇 相对甜度a
糖醇 相对甜度a
木糖醇 90
山梨糖醇 63
半乳糖醇 58
麦芽糖醇 68
乳糖醇 35
以蔗糖的甜度为100
第五节 食品中的多糖
多糖广泛且大量分布于自然界,在食品加工和贮藏过程中有着重要的意义，它是构成动植物基体结构骨架的物质，如植物的纤维素、半纤维素和果胶，动物体内的几丁质、粘多糖。某些多糖还可作为生物代谢储备物质而存在，像植物中的淀粉、糊精、菊糖、动物体内的糖原。有的多糖则具有重要的生理功能，如人参多糖、香菇多糖、灵芝多糖和茶叶多糖等，有着显著的增强免疫、降血糖、降血脂、抗肿瘤、抗病毒等药理活性。多糖另一个重要作用是水的结合物质，例如琼脂、果胶和海藻酸以及粘多糖都能结合大量的水。多糖甚至在经过加工的食品中也仍能保持原有的功能。例如作为骨架物质和同化营养物质。食品加工中利用的多糖有天然的或改性的产物，作为增稠剂、胶凝剂、结晶抑制剂、澄清剂、稳定剂（用作泡沫、乳胶体和悬浮液的稳定）、成膜剂、絮凝剂、缓释剂、膨胀剂和胶囊剂等。食品中常见的多糖见表3-7。
一、淀粉淀粉是大多数植物的主要储备物，在种子、根和茎中最丰富。是许多食品的组分之一，也是人类营养最重要的碳水化合物来源。淀粉生产的原料来源为玉米、小麦、马铃薯、甘薯等农作物，此外栗、稻和藕也用作淀粉生产的原料。
淀粉一般由二种葡聚糖即直链淀粉和支链淀粉构成。普通淀粉含约20%～39%的直链淀粉，有的新玉米品种可达50%～85%，称为高直链淀粉玉米，这类玉米淀粉不易糊化，甚至有的在温度100℃以上才能糊化。有些淀粉仅由支链淀粉组成，例如糯玉米、糯大麦、梗稻和糯米等。它们在水中加热可形成糊状，与根和块茎淀粉（如藕粉）的糊化相似。直链淀粉容易发生“老化”，糊化形成的糊化物不稳定，而由支链淀粉制成的糊是非常稳定的。
从淀粉浆中分离直链淀粉可采用在有MgSO4存在下结晶，或用极性溶剂（正丁醇、辛酸或癸酸等低级脂肪酸使之沉淀），后一种方法是利用极性溶剂与直链淀粉生成包含物促使其沉淀。
淀粉具有独特的化学和物理性质及营养功能，主要存在于谷物、面粉、水果和蔬菜中，淀粉消耗量远远超过所有其他的食品亲水胶体。在食品工业中，淀粉是重要的增稠剂、粘合剂，在水果、蔬菜加工中常用于外层涂布和防止发粘及稳定剂。大量用于布丁、汤汁、沙司、色拉调味汁、婴儿食品、饼馅、蛋黄酱等。
1,淀粉的糊化和其他的性质
（1）淀粉粒的特性淀粉以淀粉颗粒的形式存在，因此，研究淀粉的物理性质需要从淀粉粒和分子水平两方面考虑，淀粉粒因来源不同其大小(2～150μm)各不相同。在偏光显微镜下可观察到淀粉粒出现的偏光十字，不同种类的淀粉粒其偏光十字出现的位置、形状和清晰程度均不相同，同时还可以看到淀粉粒能产生双折射现象，说明它具有结晶结构。从X-射线衍射、小角中子扫描和小角X-射线衍射分析也可以证明，淀粉粒具有半结晶结构的特点，结晶区与无定形区呈现交替的层状结构（图3-40）。在淀粉粒中约有70%的淀粉处在无定形区，30%为结晶状态，无定形区中主要是直链淀粉，但也含少量支链淀粉；结晶区主要为支链淀粉，支链与支链彼此间形成螺旋结构，并再缔合成束状。图3-40表明直链淀粉与支链淀粉在淀粉粒中呈径向排列。直链淀粉分子易形成能截留脂肪酸、烃类物质的螺旋结构，这类复合物称为包含复合物。在溶液中直链淀粉以双螺旋形式存在，甚至在淀粉粒中也是这种形式存在。从淀粉粒中分离出的直链淀粉能形成具有一定强度的 透明薄膜和纤维，在外观和性质上与用纤维制成的相似。直链淀粉的聚合度为350～1000，而支链淀粉聚合度可达到几千甚至更大，支链淀粉在淀粉粒中的排列见图3-41。


图3-40 淀粉粒的结晶区模型支链淀粉双螺旋 ；直链淀粉和支链淀粉的混合双螺旋结构 ；直链淀粉的V-螺旋和螺旋中包含的脂 ；游离脂 ；游离直链淀粉
。


图3-41 支链淀粉在淀粉粒中的排列示意图
（2）淀粉的糊化和其他性质完整的淀粉粒不溶于冷水，但能可逆地吸水并略微溶胀。淀粉粒吸水溶胀时，直径增大百分数从普通玉米淀粉的9.1%到糯质玉米淀粉的22.7%，随着温度上升淀粉分子的振动加剧，分子之间的氢键断裂，因而淀粉分子有更多的位点可以和水分子发生氢键缔合。水渗入淀粉粒，使更多和更长的淀粉分子链分离，导致结构的混乱度增大，同时结晶区的数目和大小均减小，继续加热，淀粉发生不可逆溶胀。此时支链淀粉由于水合作用而出现无规卷曲，淀粉分子的有序结构受到破坏，最后完全成为无序状态，双折射和结晶结构也完全消失，淀粉的这个过程称为糊化（dextrinization）,可以利用偏光显微镜和X-射线衍射分析测定。双折射开始消失时的温度为糊化点或糊化初始温度；双折射完全消失的温度为糊化末端温度。实际上糊化一般是在较窄的温度范围内进行的，先是大颗粒糊化，其后是小颗粒，各种不同来源的淀粉糊化温度不尽相同（表3-15）。淀粉粒糊化时是充分溶胀的。在冷水中，1%淀粉粒匀浆的粘度低，而加热形成粘稠的糊，这时大量的水渗入到淀粉粒内，引起淀粉粒溶涨并像蜂窝一样紧密地相互推挤。扩张的淀粉粒流动受阻使糊产生粘稠性，这可用Brabender仪记录淀粉糊的粘度-温度曲线（图3-42）。随着温度升高，粘度增加，当在95℃恒定一段时间后，则粘度急剧下降。淀粉糊冷却时，一些淀粉分子重新缔合形成不可逆凝胶（图3-43）。
表3-15 淀粉粒特性来源
淀 粉 粒
糊化温度
（℃）
直径（μm）
结晶度%
链淀粉玉米蜡质玉米马铃薯甘薯木薯小麦稻米
5~25
5~25
15~100
15~55
5~35
2~38
3~9
20~25
39
25
25~50
38
36
38
67~87
63~72
62~68
82~83
52~64
53~65
61~78
图3-42 淀粉颗粒悬浮液加热到90℃并恒定在95℃的粘度变化曲线


图3-43 淀粉的凝胶形成示意图
淀粉糊化是一个吸热过程，因而也可以通过示差扫描量热计（DSC）测定糊化温度（即玻璃化转变温度Tg）和糊化焓（entheypies），但是不同方法测定的结果存在一定差异。此外，还可以根据直链淀粉粒与脂肪形成单螺旋结构的配合物，在DSC图中出现熔融温度Tm（100~120℃）峰，以此与蜡质玉米淀粉区别，后者由于不含直链淀粉，因此不出现熔融峰。
以淀粉为原料的食品在加工过程中，由于直链淀粉和支链淀粉发生部分分离，会影响淀粉糊和加工食品的特性。已糊化的淀粉混合物在温度约65℃以下贮存时，因直链淀粉和支链淀粉分离，老化现象更严重。淀粉因能形成粘稠的糊，所以是许多食品加工中的重要原料。直链淀粉和支链淀粉的性质概括于表3-16。
表3-16 直链淀粉和支链淀粉的性质性 质
直链淀粉
支链淀粉
分子量糖苷键对老化的敏感性
β-淀粉酶作用的产物葡糖淀粉酶作用的产物分子形状
50000－200000
主要是α-D-(1→4)
高麦芽糖
D-葡萄糖主要为线型
一百万到几百万
α-D-(1→4)，α-D-(1→6)
低麦芽糖，β-极限糊精
D-葡萄糖灌木型
淀粉的糊化不仅与淀粉粒中直链淀粉与支链淀粉的含量和结构有关，而且温度、水活性、淀粉中其他共存物质、pH等都将影响淀粉的糊化温度、达到最大粘度的时间，以及淀粉糊的最大粘度和糊化速率。
淀粉的糊化、淀粉溶液的粘稠性和淀粉的凝胶特性不仅依赖于温度，而且还与共存的其他成分的种类和含量有关，因为在很多情况下，淀粉与糖、蛋白质、脂肪、食用酸、酚类化合物和水等共存于食品中。
食品中的水不单纯是一种反应介质，而且还是一种能控制各种反应、质地以及物理和生物特性的活性成分。食品中水的总含量固然很重要，但更为重要的是水的活性，水活性受盐类、糖类和其他强的水结合剂的影响。因此，体系中如果有大量上述成分存在，将会降低水活性和抑制淀粉糊化，或仅产生有限的糊化。因为同水结合力强的成分与淀粉争夺结合水，因而阻止淀粉糊化。
糖的浓度很高时，可降低淀粉的糊化速度、最大粘度和凝胶强度，双糖推迟淀粉的糊化时间和降低最大粘度的作用比单糖更强。糖产生的可塑性和干扰联结区的形成，使凝胶的强度减弱。
脂类(脂肪和油)以及与脂类有关的物质，例如食品中存在的单酰和双酰甘油乳化剂，均影响淀粉的糊化。
凡能直接与淀粉配位的脂肪都将阻止淀粉粒溶胀，白面包中的脂肪含量低，其中96%的淀粉可被完全糊化，因而容易消化。这已从显微镜观察和葡萄糖淀粉酶水解测定淀粉含量等方法得到了证明。馅饼皮和烤饼是高脂肪、低水分食品，其中含有90%未糊化的淀粉，不易消化。向糊化淀粉中加入脂肪，而不加入乳化剂时，不仅不会降低最大粘度，而且还可降低产生最大粘度的温度。例如玉米淀粉水悬浊液的糊化，在92℃才能达到最大粘度，当9～12％的脂肪存在时，在82℃便可达到最大粘度。
淀粉中添加含16～18碳脂肪酸的单酰甘油，使糊化温度上升，并且提高产生最大粘度所要求的温度，降低形成凝胶的温度和使凝胶的强度减弱，脂肪酸或单酰甘油的脂肪组分能和单螺旋结构的直链淀粉形成配合物，熔融温度在100～120℃，高于结晶有序结构的双螺旋支链淀粉，如下图所示。这类配合物一般不容易从淀粉粒中渗出，并阻止水渗入淀粉粒。脂类-直链淀粉复合物还干扰联结区的形成。
由于淀粉呈中性，所以低浓度盐对糊化或凝胶的形成几乎没有影响，但马铃薯支链淀粉例外，因为它含有磷酸基团。另外，离子型变性淀粉也是例外，它们对盐敏感，依条件不同可以增加或降低淀粉粒的溶胀性。在确定以淀粉增稠的食品的加工时间、温度和方法时，必须考虑这种电荷效应。
酸在许多淀粉增稠的食品中是非常普通的成分，大多数食品的pH值范围在4～7，对淀粉溶胀或糊化的影响很小。在pH10.0时，淀粉溶胀的速度明显增大，但此pH值已超出食品的允许酸碱度范围。在低pH时，例如色拉调味料和水果馅饼中，淀粉糊的最大粘度明显降低，并在烹调加工时迅速降低粘度(图3-44)，因为低pH时淀粉发生水解生成无增稠性的糊精。为防止酸对淀粉增稠的酸性食品产生降低粘度的效应，通常选用交联淀粉作为酸性食品的增稠剂，由于这类淀粉分子非常庞大，只有在完全水解时粘度才明显降低。


图3-44 pH对热淀粉浆粘度的影响（５％浓度，90℃）　
在许多食品中，淀粉和蛋白质的相互作用是很重要的，特别是糊状物和面团中小麦淀粉与面筋相互作用形成的结构。面粉混合时形成面筋，在水存在下加热使淀粉糊化和蛋白质变性等多种作用，使焙烤食品形成一定的结构。目前对食品中淀粉和蛋白质相互作用的本质仍不完全清楚，因为研究两种不同的大分子间的相互作用还存在很多困难。因此，无论研究模拟体系或真实的食品体系，都必须建立新的实验手段。
淀粉增稠的食品、肉汁和淀粉糊经冷冻-解冻处理后稳定性降低，主要是由于直链淀粉发生老化。樱桃饼馅用普通淀粉增稠，经过冷冻-解冻处理可产生纤维或颗粒状质地结构。在冷冻食品中，糯质淀粉的加工特性要比含大量直链淀粉的好得多。磷酸交联淀粉在冷冻食品中具有抗老化的能力。淀粉类食品，例如面包和馒头质地变干硬，是由于直链淀粉分子间的缔合造成的，直链淀粉和脂类物质形成复合物可阻止这种作用的发生。干硬的面包经加热可促进淀粉分子的热运动和水分的润滑作用，从而使质地变得较柔软。
2,淀粉的化学结构淀粉是由葡萄糖组成的多糖，糖残基之间存在两种不同的连接方式，即直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉是由α-D-吡喃葡萄糖残基以1→4键连接而成的线型聚合物（图3-45），分子量为106左右。大多数分子链上还存在很少量的α-D-（1→6）键分支，有的支链很长，有的则很短，然而支链和支链之间的距离相隔很远，平均每180～320个糖单位有一个支链，支链约占直链淀粉的0.3%～0.5%，因此，直链淀粉的性质基本上同线型大分子一样。


直链淀粉 支链淀粉图3-45 直链淀粉和支链淀粉的结构单元
直链淀粉的分子是一个右手螺旋或螺旋型构象，螺旋的内部仅含氢原子，具有亲脂性，所有羟基分布在线圈的外侧。X-射线衍射分析表明，天然淀粉粒有三种结晶衍射图，即A、B和V（图3-46）。谷物淀粉通常是A型；马铃薯，链玉米淀粉和“老化”淀粉为B型；马铃薯和玉米淀粉的混合物，以及豆类淀粉显示V型结晶结构。A型和B型都是双螺旋结构，每个螺旋含有6个葡萄糖残基，螺旋的轴向是在1→4键耦合的赤道方向。
　
图3-46 直链淀粉：V型构象（a）与B型构象（b）柱面投影图支链淀粉是一种非常大的、支化度很高的大分子（图3-47）。葡萄糖通过α-(1→4)糖苷键连接构成主链，支链通过α-(1→6)糖苷链与主链连接，支链部分占总淀粉的4%～5%。在支链淀粉中将含有末端还原基的线型主链称为C链，与A链或另外的B链相连的支链定义为B链，支链淀粉分子的A链是没有分支的。支链淀粉具有平行排列的双螺旋分支而成簇状，因此，很可能淀粉粒的主要结晶部分是由支链淀粉形成的，例如蜡质玉米淀粉同样存在结晶区。支链淀粉的分子量很大，为107～5×108。
Ⅰ Ⅱ
图3-47 支链淀粉分子结构（Ⅰ）双螺旋（Ⅱ）示意图大多数淀粉中含有大约75％的支链淀粉（表3-17），蜡质淀粉中几乎完全为支链淀粉。马铃薯淀粉是唯一含有磷酸酯基的淀粉，其中60%～70%是在Ｏ-6位酯化，其余的在Ｏ-3位酯化。平均每215～560个α-D-吡喃葡萄糖基含有一个磷酸酯基，大约88%在B链上。马铃薯淀粉略带负电荷，在水中加热可形成非常粘的透明溶液，一般不易老化。
表3-17 一些淀粉中直链淀粉与支链淀粉的比例淀粉来源
直链淀粉(%)
支链淀粉(%)
淀粉来源
直链淀粉(%)
支链淀粉(%)
高直链玉米
50~85
15~50
米
17
83
玉米
26
74
马铃薯
21
79
蜡质玉米
1
99
木薯
17
83
小麦
25
75
3．淀粉的老化（Retrogradation）
热的淀粉糊冷却时，通常产生粘弹性的稳定刚性凝胶，凝胶中联结区的形成表明淀粉分子开始结晶，并失去溶解性。淀粉糊冷却或贮藏时，淀粉分子通过氢键相互作用的再缔合产生沉淀或不溶解的现象称做淀粉的老化（图3-42）。淀粉的老化实质上是一个再结晶过程。直链淀粉比支链淀粉老化的速度大得多。因此，淀粉老化速度与淀粉中直链淀粉和支链淀粉分子的结构、二者的比例、淀粉的来源、淀粉的浓度，以及食品中其他组分的组成（如表面活性剂和盐）和含量有关。许多食品在贮藏过程中品质变差，如面包的陈化（staling）、米汤的粘度下降并产生白色沉淀等，都是由于淀粉老化的结果。
糊化淀粉在有单糖、二糖和糖醇存在时则不易老化，因此可用于阻止淀粉分子链的缔合。这类化合物之所以能防止淀粉老化主要是它们能进入淀粉分子的末端链之间，妨碍淀粉分子缔合并且本身吸水性强能夺取淀粉凝胶中的水，使溶胀的淀粉成为稳定的状态。表面活性剂或具有表面活性的极性脂如单酰甘油及其衍生物硬脂酰-α-乳酸钠（SSL）添加到面包和其他食品中，可延长货架期。直链淀粉的疏水螺旋结构，使之可与极性脂分子的疏水部分相互作用形成配合物，从而影响淀粉糊化和抑制淀粉分子的重新排列，推迟了淀粉的老化过程。
4．淀粉的水解淀粉同其他多糖一样，糖苷键在酸的催化下加热会发生不同程度的随机水解，最初生成大的片段。商业上制备低粘度淀粉（又称酸修饰淀粉）是将盐酸均匀喷洒到淀粉中，或者是用氯化氢气体处理湿润的淀粉，然后加热混合物直到所需的水解度，用碱终止反应使pH至中性，然后洗涤、干燥，得到容易粉碎的淀粉颗粒，这个过程即为变稀。淀粉经酸修饰后，提高了凝胶的透明度和强度，不易老化，通常用作成膜剂和粘合剂。当增大酸水解的程度，则得到的是低粘度糊精，在食品加工中以高浓度使用。由于它们仍具有较好的成膜性和粘结性，通常用作焙烤果仁和糖果的涂层、风味保护剂或风味物质微胶囊化的壁材（或胶囊剂、包香剂）和微乳化的保护剂。
商业上生产玉米糖浆，通常是以玉米为原料，采用酶-酶转化法，首先是使玉米淀粉糊化，然后用α-淀粉酶（或者葡萄糖糖化酶）处理糊化淀粉，达到所需要的淀粉水解度，接着用第二种酶处理。酶的种类取决于所要求的玉米糖浆类型。生产高果糖玉米糖浆，通常使用固定化D-葡萄糖异构酶，使D-葡萄糖转化成D-果糖，一般可得到约含58%D-葡萄糖和42%D-果糖的玉米糖浆。欲想制备高果糖玉米糖浆（High-fructose corn syrup，HFCS，果糖含量达到55%以上），可将异构化后的糖浆通过钙离子交换树脂，使果糖与树脂结合，然后回收得到富含果糖的玉米糖浆。高果糖玉米糖浆一般用作软饮料甜味剂。
淀粉转化为D-葡萄糖的程度（即淀粉糖化值）可用淀粉水解为葡萄糖当量（Dextrose equivalency,DE）来衡量，其定义是还原糖（按葡萄糖计）在玉米糖浆中所占的百分数（按干物质计）。DE与聚合度DP（Degree of polymerization）的关系如下：
通常将DE＜20的水解产品称为麦芽糊精，DE为20～60的叫做玉米糖浆。表3-18给出了淀粉水解产品的功能性质。
表3-18 淀粉水解产品的功能性质水解度较大的产品a
水解度较小的产品b
水解度较大的产品
水解度较小的产品
甜味
粘稠性
可发酵性
阻止冰晶生长
吸湿性和保湿性
形成质地
褐变反应
降低冰点
泡沫稳定性
风味增强剂
抑制糖结晶
注,a 高DE糖浆； b 低DE糖浆和麦芽糖浆
5．变性淀粉淀粉通过物理化学或生物化学的方法改性，可改善天然淀粉的性能，得到适合于食品特殊用途的变性淀粉。
（1） 预糊化淀粉淀粉悬浮液在高于糊化温度下加热，而后进行干燥即得到可溶于冷水和能发生胶凝的淀粉产品，常用于方便食品和焙烤食品助剂。
（2） 低粘度变性淀粉低于糊化温度时的酸水解，在淀粉粒的无定形区发生，剩下较完整的结晶区。玉米淀粉的支链淀粉比直链淀粉酸水解更完全，淀粉经酸处理后，生成在冷水中不易溶解而易溶于沸水的产品。这种产品称为低粘度变性淀粉或酸变性淀粉，其热糊粘度、特性粘度和凝胶强度均有所降低，而糊化温度提高，不易发生老化，可用于增稠和制成膜。
市售酸变性淀粉是用40%玉米或糯玉米淀粉浆与硫酸或盐酸在温度25～55℃条件下反应制成的，按粘度降低的程度确定处理时间，从6～24小时不等，水解物用碳酸钠或稀氢氧化钠溶液中和，然后过滤、干燥。酸变性淀粉可形成热的粘稠状物，放冷可转变成硬凝胶，用于生产糖果和口香糖。
（3） 淀粉醚淀粉如同所有的碳水化合物，含有大量的羟基，但在修饰过程中仅有非常少的羟基参加反应，生成取代度(degree of substitution,DS)很低的酯基、醚基，一般为0.002～0.2。虽然只有很少的羟基被修饰，但淀粉的性质却发生了相当大的变化，使淀粉的用途也得到了很大的扩展。
淀粉所发生的许多反应与醇类相同。例如酯化和醚化，因为D-吡喃葡萄糖单位有三个游离羟基，取代度从0变化到最大值3。商业上较重要的淀粉衍生物的DS＜0.1，经过这种改性产生的特殊胶体性质，能生成适合于不同用途的聚合物。
取代度0.05～0.10的羟乙基（或羟丙基）淀粉醚是将30%～40%的淀粉悬乳液和环氧乙烷（或环氧丙烷）在50℃、pH11～13条件下，反应生成的产物，这种淀粉衍生物容易过滤，产品纯净且成本低。

R′=H，CH3
低取代度羟乙基淀粉的物理特性是糊化温度降低，淀粉颗粒的溶胀速度加快，淀粉糊形成凝胶和老化的趋势减弱。羟烷基淀粉如羟丙基淀粉可作为色拉调味汁、馅饼食品的添加剂和其他食品的增稠剂。
淀粉与一氯醋酸在碱性溶液中反应生成羧甲基淀粉，在冷水和乙醇中亦能溶胀。用1%～3%的羧甲基淀粉配制的悬浮液具有像香脂一样的稠性，若浓度达到3%～4%则为类似凝胶的粘稠性。这类产品可作为增稠剂和凝胶的胶凝剂。


（4） 淀粉酯淀粉和酸式正磷酸盐、酸式焦磷酸盐以及三聚磷酸盐的混合物在一定温度范围内反应可制成淀粉磷酸单脂。典型反应条件为温度及50～60℃加热1h，取代度一般低于0.25，制备较高取代度的衍生物需提高温度和磷酸盐浓度并延长反应时间。淀粉磷酸单酯也可在120～175℃干法加热淀粉和碱性磷酸盐或碱性三聚磷酸盐制得。


淀粉单磷酸酯和未改性的淀粉比较，糊化温度更低，取代度0.07或更高的淀粉磷酸酯在冷水中可发生溶胀，与其他淀粉衍生物比较，淀粉磷酸酯糊状物的粘度和透明度增大，老化现象减弱。其特性与马铃薯淀粉很相似，因为马铃薯淀粉也含有磷酸酯基。
淀粉单磷酸酯因具有极好的冷冻-解冻稳定性，所以适合于加工冷冻食品，通常作为冷冻肉汁和冷冻奶油馅饼的增稠剂，在这类食品中，使用淀粉单磷酸酯优于未改性淀粉。预糊化淀粉磷酸酯在冷水中易分散，适用于速溶甜食粉和糖霜的加工。
淀粉可与有机酸在加热条件下反应生成酯，例如与醋酸、长链脂肪酸（C6～C26），琥珀酸、己二酸或柠檬酸反应生成的淀粉有机酸酯，其增稠性、糊的透明性和稳定性均优于天然淀粉，可用作焙烤食品、汤汁粉料、沙司、布丁、冷冻食品的增稠剂和稳定剂，以及脱水水果的保护涂层和保香剂、微胶囊包被剂。
低取代度的淀粉醋酸酯可形成稳定的溶液，因为这种淀粉只含有几个乙酰基，所以能够抑制直链淀粉分子和支链淀粉的外层长链发生缔合。在有（或无）催化剂存在下（例如醋酸或碱性水溶液），用醋酸或醋酐处理粒状淀粉便可得到低取代度的淀粉醋酸酯。在pH7～11和25℃条件下，用淀粉和醋酸酐反应可制成取代度为0.5的产品。
低取代度淀粉醋酸酯的糊化温度低，形成的糊冷却后具有良好的抗老化性能，这种淀粉的糊透明而且稳定，可用于冷冻水果馅饼、焙烤食品、速溶布丁、馅饼和肉汁。取代度较高的淀粉醋酸酯能降低凝胶生成的能力。表3-19列举了各种淀粉性质。
表3-19 各种玉米淀粉的性质种类
直链淀粉/支链淀粉
糊化温度范围(℃)
性质
普通淀粉
1:3
62～72
冷却解冻稳定性不好
糯质淀粉
0:1
63～70
不易老化
高直链淀粉
3:2—4:1
66～92
颗粒双折射小于普通淀粉
酸变性淀粉
可变
69～79
与未变性淀粉相比，热糊的粘性降低
羟乙基化
可变
58～68
(DS0.04)
增加糊的透明性，降低老化作用
磷酸单酯
可变
56～66
降低糊化温度和老化作用
交联淀粉
可变
高于未改性的淀粉，取决于交联度
峰值粘度减小，糊的稳定性增大
乙酰化淀粉
可变
55～65
糊状物透明，稳定性好
（5） 交联淀粉
交联淀粉是由淀粉与含有双或多官能团的试剂反应生成的衍生物。常用的交联试剂有三偏磷酸二钠、氧氯化磷、表氯醇或醋酸与二元羧酸酐的混合物等。
与淀粉单磷酸酯比较，淀粉磷酸二酯有两个被磷酸酯化的羟基，通常是两条相邻的淀粉链各有一个羟基被酯化，因此，在毗邻的淀粉链之间可形成一个化学桥键，这类淀粉称为交联淀粉。这种由淀粉链之间形成的共价键能阻止淀粉粒溶胀，对热和振动的稳定性更大。
淀粉的水悬浊液与磷酰氯反应生成交联淀粉，淀粉与三偏磷酸盐反应或淀粉浆与2%三偏磷酸盐在50℃和pH10～11反应1h，均可形成交联淀粉。





磷酸交联键能增强溶胀淀粉粒的稳定性，与淀粉磷酸单酯相反，二酯的糊不透明。交联度大的淀粉在高温、低pH和机械振动条件下都非常稳定，淀粉糊化温度随交联度加大成比例增大。若淀粉高度交联则可抑制溶胀，甚至在沸水中也不溶胀。
交联淀粉主要用于婴儿食品、色拉调味汁、水果馅饼和奶油型玉米食品，作为食品增稠剂和稳定剂，淀粉磷酸二酯优于未改性的淀粉，因为它能使食品在煮过以后仍然保持悬浮状态，能阻止胶凝和老化，有良好的冷冻－解冻稳定性，放置后也不发生脱水收缩。
（6）氧化淀粉淀粉水悬浮液与次氯酸钠在低于糊化温度下反应发生水解和氧化，生成的氧化产物平均每25～50个葡萄糖残基有一个羧基，氧化淀粉用于色拉调味料和蛋黄酱等较低粘度的填充料，但它不同于低粘度变性淀粉，既不易老化也不能凝结成不透明的凝胶。


氧化淀粉
二,糖原糖原又称动物淀粉，是肌肉和肝脏组织中的主要储存的糖类化合物，因为它在肌肉和肝脏中的浓度都很低，糖原在食品中的含量很少。
糖原是同聚糖，与支链淀粉的结构相似，含α-D-(1→4)和α-D-(1→6)糖苷键；但糖原比支链淀粉的分子量更大，支链更多。从玉米淀粉或其他淀粉中也可分离出少量植物糖原（phytoglycogen），它属于低分子量和高度支化的多糖。
三、纤维素纤维素是植物细胞壁的主要结构成分，通常与半纤维素、果胶和木质素结合在一起，其结合方式和程度对植物食品的质地产生很大的影响。而植物在成熟和后熟时质地的变化则是由果胶物质发生变化引起的。人体消化道不存在纤维素酶，纤维素连同某些其他惰性多糖构成植物性食品，如蔬菜、水果和谷物中的不可消化的碳水化合物（称为膳食纤维），动物除草食动物能利用纤维素外，其他动物的体内消化道也不含纤维素酶。膳食纤维在人类营养中的重要性主要是维护肠道蠕动。
纤维素是由D-吡喃葡萄糖通过β-D-（1→4）糖苷键连接构成的线型同聚糖，纤维素的线型构象使分子容易按平行并排的方式牢固的缔合，形成单斜棒状结晶，链按平行纤维的方向取向，并略微折迭，以便在O-4和O-6以及O-3和O-5之间形成链内氢健。纤维素有无定形区和结晶区之分，无定形区容易受溶剂和化学试剂的作用，利用无定形区和结晶区在反应性质上的这种差别，可以利用纤维素制成微晶纤维素。即在此过程中无定形区被酸水解，剩下很小的耐酸结晶区，这种产物商业上叫做微晶纤维素（avieol），分子量一般在30～50K，仍然不溶于水，用在低热量食品加工中作填充剂和流变控制剂。
纤维素的聚合度（DP）是可变的，取决于植物的来源和种类，聚合度可从1000至14000（相当于分子量162K～2268K）。纤维素由于分子量大且具有结晶结构，所以不溶于水，而且溶胀性和吸水性都很小。
纤维素和改性纤维素均为膳食纤维，不能被人体消化，也不能提供营养和热量，但具有重要的功能作用。纯化的纤维素常作为配料添加到面包中，增加持水力和延长货架期，提供一种低热量食品。
1,羧甲基纤维素纤维素经化学改性，可制成纤维素基食物胶。最广泛应用的纤维素衍生物是羧甲基纤维素钠，它是用氢氧化钠-氯乙酸处理纤维素制成的，一般产物的取代度DS为0.3～0.9，聚合度为500～2000，其反应如下所示：


纤维素 羧甲基纤维素钠盐羧甲基纤维素分子链长、具有刚性、带负电荷，在溶液中因静电排斥作用使之呈现高粘度和稳定性，它的这些性质与取代度和聚合度密切相关。低取代度（DS≤0.3）的产物不溶于水而溶于碱性溶液；高取代度（DS＞0.4）羧甲基纤维素易溶于水。此外，溶解度和粘度还取决于溶液的pH值。
取代度0.7～1.0的羧甲基纤维素（Carboxymethylcellulose,CMC）可用来增加食品的粘性，溶于水可形成非牛顿流体，其粘度随着温度上升而降低，pH5～10时溶液较稳定，pH7～9时稳定性最大。羧甲基纤维素一价阳离子形成可溶性盐，但当二价离子存在时则溶解度降低并生成悬浊液，三价阳离子可引起胶凝或沉淀。
羧甲基纤维素有助于食品蛋白质的增溶，例如明胶、干酪素和大豆蛋白等。在增溶过程中，羧甲基纤维素与蛋白质形成复合物。特别在蛋白质的等电点pH附近，可使蛋白质保持稳定的分散体系。
羧甲基纤维素具有适宜的流变学性质、无毒以及不被人体消化等特点，因此，在食品中得到广泛的应用，如在馅饼、牛奶蛋糊、布丁、干酪涂抹料中作为增稠剂和粘合剂。因为羧甲基纤维素对水的结合容量大，在冰淇淋和其他食品中用以阻止冰晶的生成，防止糖果、糖衣和糖浆中产生糖结晶。此外，还用于增加蛋糕及其他焙烤食品的体积和延长货架期，保持色拉调味汁乳胶液的稳定性，使食品疏松、增加体积，并改善蔗糖的口感。在低热量碳酸饮料中羧甲基纤维素用于阻止CO2的逸出。
2,甲基纤维素和羟丙基纤维素甲基纤维素是纤维素的醚化衍生物，其制备方法与羧甲基纤维素相似，在强碱性条件下将纤维素同三氯甲烷反应即得到甲基纤维素（methylcelluose,MC）,取代度依反应条件而定，商业产品的取代度一般为1.1～2.2。
甲基纤维素的特点是热胶凝性，即溶液加热时形成凝胶，冷却后又恢复溶液状态。甲基纤维素溶液加热时，最初粘度降低，然后迅速增大并形成凝胶，这是由于各个分子周围的水合层受热后破裂，聚合物之间的疏水键作用增强引起的。电解质例如NaCl和非电解质例如蔗糖或山梨醇均可使胶凝温度降低，因为它们争夺水分子的作用很强。甲基纤维素不能被人体消化，是膳食中无热量多糖。
羟丙基甲基纤维素（Hydroxypropylmethylcellulose,HPMC）是纤维素与氯甲烷和环氧丙烷在碱性条件下反应制备的，取代度通常在0.002～0.3范围。同甲基纤维素一样，可溶于冷水，这是因为在纤维素分子链中引入了甲基和羟丙基两个基团，从而干扰了羟丙基甲基纤维素分子链的结晶堆积和缔合，因此有利于链的溶剂化，增加了纤维素的水溶性，但由于极性羟基减少,其水合作用降低。纤维素被醚化后，使分子具有一些表面活性且易在界面吸附，这有助于乳浊液和泡沫稳定。
甲基纤维素和羟丙基纤维素的起始粘度随着温度上升而下降，在特定温度可形成可逆性凝胶，胶凝温度和凝胶强度与取代基的种类和取代度及水溶胶的浓度有关，羟丙基可以使大分子周围的水合层稳定，从而提高胶凝温度。改变甲基与羟丙基的比例，可使凝胶在较广的温度范围内凝结。
甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素可增强食品对水的吸收和保持，使油炸食品不致于过度吸收油脂，例如炸油饼。在某些保健食品中甲基纤维素起脱水收缩抑制剂和填充剂的作用。在不含面筋的加工食品中作为质地和结构物质。在冷冻食品中用于抑制脱水收缩，特别是沙司、肉、水果、蔬菜以及在色拉调味汁中可作为增稠剂和稳定剂。此外，甲基和羟丙基甲基纤维素还用于各种食品的可食涂布料和代脂肪。
四、半纤维素植物细胞壁是纤维素、木质素、半纤维素和果胶所构成的复杂结构。半纤维素是一类聚合物，水解时生成的大量戊糖、葡萄糖醛酸和某些脱氧糖。目前对细胞壁组分之间结构的相互关系还不十分了解，可能物理和共价化学键两者都存在。食品中最普遍存在的半纤维素是由β-(1→4)-D-吡喃木糖单位组成的木聚糖，这种聚合物通常含有连接在某些D-木糖基3碳位上的β-L-呋喃阿拉伯糖基侧链，其他特征成分是D-葡萄糖醛酸4-O-甲基醚，D-或L-半乳糖和乙酰酯基，以下是有代表性的结构。
-β-(1→4)-D-吡喃木糖基-(1→4)-β-D-吡喃木糖基-(1→4)-4-O-甲基-α-D-吡喃葡糖醛酸
↓
半纤维素在食品焙烤中最主要的作用是提高面粉对水的结合能力，改善面包面团的混合品质，降低混合所需能量，有助于蛋白质的掺合，增加面包体积。含植物半纤维素的面包比不含半纤维素的可推迟变干硬的时间。
食物半纤维素对人体的重要性还不十分了解，它作为食物纤维的来源之一，在体内能促进胆汁酸的消除和降低血清中胆固醇含量，有利于肠道蠕动和粪便排泄。包括半纤维素在内的食物纤维素对减少心血管疾病和结肠失调的危险有一定的作用，特别是结肠癌的预防。糖尿病人采用高纤维膳食可减少病人对胰岛素的需要量。但是，多糖树胶和纤维素对某些维生素和必需微量矿物质在小肠内的吸收会产生不利的影响。
五、果胶果胶广泛分布于植物体内，是由α-（1→4）-D-吡喃半乳糖醛酸单位组成的聚合物，主链上还存在α-L-鼠李糖残基，在鼠李糖富集的链段中，鼠李糖残基呈现毗连或交替的位置。果胶的伸长侧链还包括少量的半乳聚糖和阿拉伯聚糖。果胶存在于植物细胞的胞间层，各种果胶的主要差别是它们的甲氧基含量或酯化度不相同。植物成熟时甲氧基和酯化度略微减少，酯化度(DE)用D-半乳糖醛酸残基总数中D-半乳糖醛酸残基的酯化分数×100表示。例如酯化度50%的果胶物质的结构如下所示：


通常将酯化度大于50%的果胶称为高甲氧基果胶(High-methoxyl pectin)，酯化度低于50%的是低甲氧基果胶(low-methoxyl pectins)。原果胶是未成熟的果实、蔬菜中高度甲酯化且不溶于水的果胶，它使果实、蔬菜具有较硬的质地。
果胶酯酸(pectinic acid)是甲酯化程度不太高的果胶，原果胶在原果胶酶和果胶甲酯酶的作用下转变成果胶酯酸。果胶酯酸因聚合度和甲酯化程度的不同可以是胶体形式或水溶性的，水溶性果胶酯酸又称为低甲氧基果胶，果胶酯酸在果胶甲酯酶的持续作用下，甲酯基可全部脱去，形成果胶酸。
果胶酶有助于植物后熟过程中产生良好的质地，在此期间，原果胶酶使原果胶转变成胶态果胶或水溶性果胶酯酸。果胶甲酯酶(果胶酶)裂解果胶的甲酯，生成多聚-D-半乳糖醛酸(poly-D-galacturonic acid)或果胶酸，然后被多聚半乳糖醛酸酶部分降解为D-半乳糖醛酸单位。上述酶在果实成熟期共同起作用，因此，对改善水果和蔬菜的质地起着重要的作用。
果胶能形成具有弹性的凝胶，不同酯化度类型的果胶形成凝胶的机制是有差别的，高甲氧基果胶，必须在低pH值和高糖浓度中方可形成凝胶，一般要求果胶含量＜1%；蔗糖浓度58%～75%；pH2.8～3.5。因为在pH2.0～3.5时可阻止羧基离解，使高度水合作用和带电的羧基转变为不带电荷的分子，从而使其分子间的斥力减小，分子的水合作用降低，结果有利于分子间的结合和三维网络结构的形成。蔗糖浓度达到58%～75%，由于糖争夺水分子，致使中性果胶分子溶剂化程度大大降低，有利于形成分子间氢键和凝胶。果胶凝胶加热至温度接近100℃时仍保持其特性。果胶分子间存在如下所示的羟基-羟基、羧基-羧基和羟基-羧基氢键键合。
果胶的胶凝作用不仅与其浓度有关，而且因果胶的种类而异，普通果胶在浓度1%时可形成很好的凝胶。
果胶的高凝胶强度与分子量和分子间缔合呈正相关。一般说来，果胶酯化度从30%增加到50%将会延长胶凝时间，因为甲酯基的增加，使果胶分子间氢键键合的立体干扰增大。酯化度为50%～70%时，由于分子间的疏水相互作用增强，从而缩短了胶凝时间。果胶的胶凝特性是果胶酯化度的函数(表3-20)。
表3-20 果胶酯化度对形成凝胶的影响酯化度% a
形成凝胶的条件
凝胶形成的快慢
pH
糖(%)
二价离子
＞70
2.8～3.4
65
　无 　
快
50-70
2.8～3.4
65
　无
慢
＜50
2.5～2.6
无
有
快
a.酯化度=(酯化的D-半乳糖醛酸残基数/D-半乳糖醛酸残基总数)×100。
低酯化度(低甲氧基)果胶在没有糖存在时也能形成稳定的凝胶，但必须有二价金属离子（M2+）存在。例如钙离子，在果胶分子间形成交联键，随着Ca2+浓度的增加，胶凝温度和凝胶强度也增加，这同褐藻酸钠形成蛋箱型结构的凝胶机理类似，这种凝胶为热可塑性凝胶，常用来加工不含糖或低糖营养果酱或果冻。低甲氧基果胶对pH的变化没有普通果胶那样敏感，在pH2.5～6.5范围内可以形成凝胶，而普通果胶只能在pH2.7～3.5范围内形成凝胶，最适pH为3.2。虽然低甲氧基果胶不添加糖也能形成凝胶，但加入10%～20%的蔗糖可明显改善凝胶的质地。低甲基果胶凝胶中如果不添加糖或增塑剂，则比普通果胶的凝胶更容易脆裂，且弹性小。钙离子对凝胶的硬化作用适用于增加番茄、酸黄瓜罐头的硬度，以及制备含低甲氧基果胶的营养果酱和果冻。
果胶凝胶在受到弱的机械力作用时，会出现可塑性流动，作用力强度增大会使凝胶破碎。这表明凝胶结构中可能存在两种键，一种是容易断裂但能复原的弱键，另一种是无规则分布的较强的键。
商业上生产果胶是以桔子皮和压榨后的苹果渣为原料，在pH1.5～3和温度60～100℃提取，然后通过离子(如Al3+)沉淀纯化，使果胶形成不溶于水的果胶盐，沉淀用酸性乙醇洗涤以除去添加的离子。果胶常用于制作果酱和果冻的胶凝剂，生产酸奶的水果基质，以及饮料和冰淇淋的稳定剂与增稠剂。
六、瓜尔豆胶和角豆胶瓜尔豆胶和角豆胶是重要的增稠多糖，广泛用于食品和其他工业。瓜尔豆胶是所有天然胶和商品胶中粘度最高的一种。瓜尔豆胶或称瓜尔聚糖(guaran)是豆科植物瓜尔豆(Cyamopsis tetragonolobus)种子中的胚乳多糖，此外，在种子中还含有10%～15%的水分、5%～6%蛋白质、2%～5% 粗纤维和0.5%～0.8%的水分。瓜尔豆胶原产于印度和巴基斯坦，由(1→4)-D-吡喃甘露糖单位构成主链，主链上每间隔一个糖单位连接一个(1→6)-D-吡喃半乳糖单位侧链。其分子量约220000，是一种较大的聚合物，分子结构见图3-48。
图3-48 瓜尔聚糖重复单位瓜尔聚糖能结合大量的水，在冷水中迅速水合生成高度粘稠和触变的溶液，粘度大小与体系温度、离子强度和其他食品成分有关。分散液加热时可加速树胶溶解，但温度很高时树胶将会发生降解。由于这种树胶能形成非常粘稠的溶液，通常在食品中的添加量不超过1%。
瓜尔豆胶溶液呈中性，粘度几乎不受pH变化的影响，可以和大多数其他食品成分共存于体系中。盐类对溶液粘度的影响不大，但大量蔗糖可降低粘度并推迟达到最大粘度的时间。
瓜尔豆胶与小麦淀粉和某些其他树胶可显示出粘度的协同效应，在冰淇淋中可防止冰晶生成，并在稠度、咀嚼性和抗热刺激等方面都起着重要作用，阻止干酪脱水收缩，焙烤食品添加瓜尔豆胶可延长货架期，降低点心糖衣中蔗糖的吸水性，还可用于改善肉食品品质，例如提高香肠肠衣馅料的品质。沙司和调味料中加入0.2%～0.8%瓜尔豆胶，能增加粘稠性和产生良好的口感。
角豆胶（Carob bean gum）又名利槐豆胶(Locust bean gum)，存在于豆科植物角豆树(Ceratonia siliyua)种子中，主要产自近东和地中海地区，这种树胶的主要结构与瓜尔豆胶相似，重均分子量310000，是由β-D-吡喃甘露糖残基以β-(1→4)键连结成主链，通过(1→6)键连接α-D-半乳糖残基构成侧链，甘露糖与半乳糖的比为3～6∶1 (图3-49)。但D-吡喃半乳糖单位为非均一分布，保留一长段没有D-吡喃半乳糖基单位的甘露聚糖链，这种结构导致它产生特有的增效作用，特别是和海藻的鹿角藻胶(carrageenan)合并使用时可通过两种交联键形成凝胶。角豆胶的物理性质与瓜尔豆胶相似，两者都不能单独形成凝胶，但溶液粘度比瓜果豆胶低。
图3-49　角豆胶示意结构角豆胶用于冷冻甜食中，可保持水分并作为增稠剂和稳定剂，添加量为0.15%～0.85％。在软干酪加工中，它可以加快凝乳的形成和减少固形物损失。此外，还用于混合肉制品，例如作为肉糕、香肠等食品的粘结剂。在低面筋含量面粉中添加角豆胶，可提高面团的水结合量，同能产生胶凝的多糖合并使用可产生增效作用，例如0.5%琼脂和0.1%角豆胶的溶液混合所形成的凝胶比单独琼脂生成的凝胶强度提高5倍。
七,阿拉伯树胶在植物的渗出物多糖中，阿拉伯树胶（Gum arabic）是最常见的一种，它是金合欢树(Acacia)皮受伤部位渗出的分泌物，收集方法和制取松脂相似。
阿拉伯树胶是一种复杂的蛋白杂聚糖，分子量为260000～1160000，多糖部分一般由L-阿拉伯糖(3.5mol)、L-鼠李糖(1.1mol)、D-半乳糖(2.9mol)和D-葡萄糖醛酸(1.6mol)组成。占总树胶的70%左右。多糖分子的主链由β-D-吡喃半乳糖残基以1→3键连接构成，残基部分C6位置连有侧链，其部分结构如图3-50所示。阿拉伯树胶以中性或弱酸性盐形式存在，组成盐的阳离子有Ca2+、Mg2和K+。蛋白质部分约占总树胶的2%，特殊品种可达25%，多糖通过共价键与蛋白质肽链中的羟脯氨酸和丝氨酸相连接。
D-Glcpa=D-吡喃葡萄糖醛酸；
D-Galp=D-吡喃半乳糖；
L-Araf=L-呋喃阿拉伯糖；
L-Arap=L-吡喃阿拉伯糖；
L-Rhap=L-吡喃鼠李糖
图3-50 阿拉伯树胶中多糖的部分结构
阿拉伯树胶易溶于水形成低粘度溶液，只有在高浓度时粘度才开始急剧增大，这一点与其他许多多糖的性质不相同，最大的特点是溶解度高，可达到50%(W/W)，生成和淀粉相似的高固形物凝胶，溶液的粘度与黄蓍胶溶液相似，浓度低于40%的溶液表现牛顿流体的流变学特性；浓度大于40%时为假塑性流体，高质量的树胶可形成无色无味的液体。若有离子存在时，阿拉伯树胶溶液的粘度随pH改变而变化，在低和高pH值时粘度小，但pH6～8时粘度最大。添加电解质时粘度随阳离子的价数和浓度成比例降低。阿拉伯树胶和明胶、海藻酸钠是配伍禁忌的，但可以与大多数其他树胶合并使用。
阿拉伯树胶能防止糖果产生糖结晶，稳定乳胶液并使之产生粘性，阻止焙烤食品的顶端配料糖霜或糖衣吸收过多的水分，在冷冻乳制品，例如在冰淇淋、冰水饮料、冰冻果子露中，有助于小冰晶的形成和稳定。在饮料中，阿拉伯树胶可作为乳化剂和乳胶液与泡沫的稳定剂。在粉末或固体饮料中，能起到固定风味的作用，特别是在喷雾干燥的柑桔固体饮料中能够保留挥发性香味成分。阿拉伯树胶的这种表面活性是由于它对油的表面具有很强的亲和力，并有一个足够覆盖分散液滴的大分子，使之能在油滴周围形成一层空间稳定的厚的大分子层，防止油滴聚集。通常将香精油与阿拉伯树胶制成乳状液，然后喷雾干燥制备固体香精。阿拉伯树胶的另一个特点是与高浓度糖具有相溶性，因此，可广泛用于高糖或低糖含量的糖果，如太妃糖、果胶软糖和软果糕等，以防止蔗糖结晶和乳化、分散脂肪组分，阻止脂肪从表面析出产生“白霜”。
八、黄蓍胶黄蓍胶（Gum tragacanth）是一种植物渗出液，来源于紫云英属的几种植物，这种树胶像阿拉伯树胶一样，是沿用已久的一种树胶，大约有二千多年的历史，主要产地是伊朗、叙利亚和土耳其。采集方法与阿拉伯树胶相似，割伤植物树皮后收集渗出液。
黄蓍胶的化学结构很复杂，与水搅拌混合时，其水溶性部分称为黄蓍质酸，占树胶重量的60%～70%，分子量约800000，水解可得到43%D-半乳糖醛酸、10%岩藻糖、4%D-半乳糖、40%D-木糖和L-阿拉伯糖；不溶解部分为黄蓍胶糖（Bassorin），分子量840000，含有75%L-阿拉伯糖、12%D-半乳糖和3%D-半乳糖醛酸甲酯、以及L-鼠李糖。黄蓍胶水溶液的浓度低至0.5%仍有很大的粘度。
黄蓍胶对热和酸均很稳定，可作色拉调味汁和沙司的增稠剂，在冷冻甜点心中提供需宜的粘性、质地和口感。另外还用于冷冻水果饼馅的增稠，并产生光泽和透明性。
九,琼脂食品中重要的海藻胶包括琼脂(agar)、鹿角藻胶和褐藻胶(algin)，琼脂作为细菌培养基已为人们所熟知，它来自红水藻(Clase rhodophyceae)的各种海藻，主要产于日本海岸。琼脂是一个非均匀的多糖混合物，可分离成为琼脂聚糖(agran)和琼脂胶(agaropectin)两部分。琼脂糖的基本二糖重复单位是由β-D-吡喃半乳糖(1→4)或(1→3)连接3,6-脱水α-L-吡喃半乳糖基单位构成的，如下所示：
琼脂糖链的半乳糖残基约每10个有1个被硫酸酯化。
琼脂胶的重复单位与琼脂糖相似，但酯化程度较高，含5%～10%的硫酸酯，一部分D-葡萄糖醛酸残基和丙酮酸以缩醛形式结合，琼脂中琼脂糖和琼脂胶的含量比因来源不同相差很大，糖醛酸含量却不超过1%。
琼脂凝胶最独特的性质是当温度大大超过胶凝起始温度时仍然保持稳定性，例如，1.5％琼脂的水分散液在温度30℃形成凝胶，融点35℃，琼脂凝胶具有热可逆性，是一种最稳定的凝胶。
琼脂在食品中的应用包括防止冷冻食品脱水收缩和提供需宜的质地，在加工的干酪和奶油干酪中使之具有稳定性和需宜的质地，对焙烤食品和糖霜可控制水活性和阻止其变硬。此外，还用于肉制品罐头。琼脂通常可与其他聚合物例如黄蓍胶、角豆胶或明胶合并使用。用量一般为0.1%～1%。
十,鹿角藻胶鹿角藻胶(Carrageenans)又名卡拉胶，是从鹿角藻中提取的一种多糖。鹿角藻产自爱尔兰、英国、法国和西班牙沿岸，更大量的分布在哈里法克斯-普恩士爱德华岛海岸地区。鹿角藻胶是一种结构复杂的混合物，至少含有被定为κ、λ、μ、ι和υ等五种在性质上截然不同的聚合物，其中κ、ι和λ鹿角藻胶在食品中是比较重要的3种，鹿角藻胶是由D-半乳糖和3，6-脱水半乳糖残基以1→3和1→4键交替连接，部分糖残基的C2、C4和C6羟基被硫酸酯化形成硫酸单酯和2,6-二硫酸酯。多糖中硫酸酯含量为15%～40%。
κ鹿角藻胶重复单位 λ鹿角藻胶重复单位
鹿角藻胶硫酸酯聚合物如同所有其他带电荷的线性大分子，具有较高的粘度，即使在较大的pH范围内都是很稳定的，溶液的粘度随着浓度增大呈指数增加。聚合物的性质明显依赖于硫酸酯的含量和位置，以及被结合的阳离子，例如κ-和ι-鹿角藻胶，与K+和Ca2+结合，通过双螺旋交联形成三维网络结构的热可塑性凝胶(图3-51)，这种凝胶有着较高的浓度和稳定性，即使聚合物浓度低于0.5%，也能产生胶凝作用。
图3-51 κ-和ι-鹿角藻胶形成凝胶的机理
鹿角藻胶因含有硫酸酯阴离子，当结合钠离子时，聚合物可溶于冷水，但并不发生胶凝。鹿角藻胶能和许多其他食用树胶产生协同效应，能增加粘度、凝胶强度和凝胶的弹性，特别是角豆胶，这种协同效应与浓度有关。在高浓度时，鹿角藻胶能提高瓜尔豆胶凝胶的强度；低浓度时仅增加粘度，茄替胶(ghatti)、黄蓍胶、海藻酸盐和果胶溶液中添加鹿角藻胶则使粘度降低，这说明它们是配伍禁忌的，鹿角藻胶在以水或牛奶为基料的食品中可以对悬浮体起到稳定作用。λ－鹿角藻胶的所有盐都是可溶性的，但不能形成凝胶。
商业上的鹿角藻胶是混合物，含大约60%κ(胶凝)和40%λ(非胶凝)。鹿角藻胶在pH＞7时是稳定的，在pH5～7发生降解，pH5以下则迅速降解。κ-鹿角藻胶的钾盐是最好的胶凝剂，但生成的凝胶易碎裂并容易脱水收缩，添加少量角豆胶可以降低易碎裂性，使用瓜尔豆胶时，由于它们结构上的差异，不能产生增效作用。
鹿角藻胶稳定牛奶的能力取决于分子中硫酸酯基的数目和位置。鹿角藻胶阴离子和牛奶中的酪蛋白反应，可形成稳定的胶态悬浮体蛋白质-鹿角藻胶盐复合物，例如κ-鹿角藻胶与酪蛋白反应形成易流动的弱触变凝胶。在牛奶中的增稠效果为水中的5～10倍。因此，可利用鹿角藻胶的这种特性，在巧克力牛奶中添加0.03%鹿角藻胶以阻止脂肪球分离和巧克力沉淀，也可用作冰淇淋、牛奶布丁和牛奶蛋糊的稳定剂。在干酪产品中鹿角藻胶具有稳定乳胶液的作用，在冷冻甜食中能抑制冰晶形成。这些食品中鹿角藻胶一般与羧甲基纤维素、角豆胶或瓜尔豆胶配合使用。此外，鹿角藻胶还可作为面团结构促进剂，使焙烤产品增大体积、改善蛋糕的外观质量和质地、减少油炸食品对脂肪的吸收、阻止新鲜干酪的脱水收缩。在低脂肉糜制品中κ-和ι-鹿角藻胶可以改善质构和提高汉堡包的质量，有时还用作部分动物脂肪的代替品。
十一,褐藻胶褐藻胶即褐藻酸盐或称海藻酸盐(alginates)，是从褐藻门植物褐藻中提取得到的多糖。褐藻胶的主要来源为巨藻。褐藻胶含D-吡喃甘露糖醛酸单位(M)和L-吡喃古洛糖醛酸单位(G)，以β-(1→4)键连接。M/G的比例因来源不同而异，一般为1.5，它影响藻褐胶溶液的性质。褐藻胶部分水解，主要生成由甘露糖醛酸和古洛糖醛酸组成的链碎片，以及两种糖醛酸残基以1:1比例交替出现的碎片，褐藻胶为线性多糖，具有以下结构单位：
褐藻胶的分子量为30000～200000，相当于180～930聚合度，羧基pK值为3.4～4.4，褐藻胶的碱金属盐、铵盐和低分子量胺盐易溶于热水或冷水，褐藻酸钠溶液具有粘稠性,而二价或三价金属离子的盐类不溶于水，这是因为褐藻酸盐的两条G链段区间很容易与Ca2+反应自动结合成蛋箱型结构所致 (图3-52)。褐藻胶溶液的粘稠性，依赖于M/G的比例、分子量和溶液中的电解质。褐藻胶溶液的粘度随温度上升而降低，在pH4～10范围内略微受到一些影响，pH5～10的褐藻酸盐溶液于室温下可长期保持稳定状态。在室温下和有少量Ca2+或其他二价、三价金属离子存在，或者在pH≤3和没有金属离子存在时，褐藻胶可形成凝胶，其凝胶强度随着褐藻胶的浓度和聚合度增加而变大，因此，控制这些条件可以制成柔软而有弹性，或者是硬而有刚性的凝胶。
图3-52 褐藻酸盐与钙交联形成蛋箱形凝胶结构示意图褐藻胶添加在冰淇淋中，可赋予粘性、质地和阻止形成大的冰晶。在焙烤食品中用于糖霜、糕饼馅料、蛋白酥皮、糖衣和饼馅的加工，主要用以改善质地和形成凝胶。褐藻胶还用于冰冻食品调味料的增稠和使乳胶液稳定，以及作为甜点心布丁的增稠剂和啤酒泡沫的稳定剂等，一般用量为0.25%～0.5%。
褐藻酸丙二醇酯(propyleneglycol alginate,PGA)是褐藻酸的重要衍生物，在pH2和有Ca2+存在时，能形成柔软、有弹性、不易脆裂的凝胶，PGA溶液相当稳定，在乳制品中起着乳化和稳定乳浊液的作用。
十二,微生物多糖微生物多糖是由微生物合成的食用胶，例如葡聚糖和黄原胶。葡聚糖是由α-D-吡喃葡萄糖单位构成的多糖，各种葡聚糖的糖苷键和数量都不相同，据报道肠膜状明串珠菌NRRL B512(L,mesenteroides NRRL B512)产生的葡聚糖(1→6)键约为95%，其余是(1→3)和(1→4)键，由于这些分子在结构上的差别，使有些葡聚糖是水溶性的，而另一些不溶于水。
葡聚糖可提高糖果的保湿性、粘度和抑制糖结晶，在口香糖和软糖中作为胶凝剂。以及防止糖霜发生糖结晶，在冰淇淋中抑制冰晶的形成，对布丁混合物可提供适宜的粘性和口感。
黄原胶的重复单位黄原胶(xanthan)是几种黄杆菌所合成的细胞外多糖，生产上用的菌种是甘蓝黑腐病黄杆菌(X,campestris)。这种多糖的结构，是连接有低聚糖基的纤维素链，主链在O-3位置上连接有一个β-D-吡喃甘露糖-(1→4)-β-D吡喃葡萄糖醛酸-(1→2)-α-D-吡喃甘露糖3个糖基侧链，平均每隔一个葡萄糖残基出现一个三糖基侧链。分子中D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸的摩尔比为2.8/2/2，部分糖残基被乙酰化，分子质量大于2×106。在溶液中三糖侧链与主链平行，形成稳定的硬棒状结构，当加热到100℃以上，这种硬棒状结构转变成无规线团结构，在溶液中黄原胶通过分子间缔合形成双螺旋，进一步缠结成为网状结构。黄原胶易溶于热水或冷水，在低浓度时可以形成高粘度的溶液，但在高浓度时胶凝作用较弱，它是一种假塑性粘滞悬浮体，并显示出明显的剪切稀化作用(shear thinning)，温度在60～70℃范围内变化对黄原胶的粘度影响不大，在pH6～9范围内粘度也不受影响，甚至pH超过这个范围粘度变化仍然很小。黄原胶能够和大多数食用盐和食用酸共存于食品体系之中，与瓜尔豆胶共存时产生协同效应，粘性增大，与角豆胶合并使用则形成热可逆性凝胶（图3-53）。
图3-53 黄原胶或鹿角藻胶的双螺旋和角豆胶分子相互作用形成三维网络结构和胶凝机制
黄原胶可广泛应用在食品工业中，如用于饮料可增强口感和改善风味，在橙汁中能稳定混浊果汁，由于它具有热稳定性，在各种罐头食品中用作悬浮剂和稳定剂。淀粉增稠的冷冻食品例如水果饼馅中添加黄原胶，能够明显提高冷冻-解冻稳定性和降低脱水收缩作用。由于黄原胶的稳定性，也可用于含高盐分或酸的调味料。黄原胶-角豆胶形成的凝胶可以用来生产以牛奶为主料的速溶布丁，这种布丁不粘结并有极好的口感，在口腔内可发生假塑性剪切稀化，能很好地释放出布丁风味，黄原胶的这些特性与其线性的纤维素主链和阴离子三糖侧链结构有关，多糖树胶的性质概括于表3-21。
表3-21 某些多糖树胶的性质名称
主要单糖组成
来源
可供区别的性质
瓜尔豆胶
D-甘露糖
D-半乳糖
瓜尔豆
低浓度时形成高粘度溶液
角豆胶
D-甘露糖
D-半乳糖
角豆树
与鹿角藻胶产生协同作用
阿拉伯胶
D-半乳糖
D-葡糖醛酸
阿拉伯胶树
水中溶解性大
黄蓍胶
D-半乳糖醛酸
D-半乳糖，L-岩藻糖，D-木糖，L-阿拉伯糖
黄蓍属植物
在广泛pH范围内性质稳定
琼脂
D-半乳糖；3,6-脱水L-半乳糖
红海藻
形成极稳定的凝胶
鹿角藻胶
硫酸化D-半乳糖，硫酸化3,6-脱水
D-半乳糖
鹿角藻
与K+以化学方式凝结成为凝胶
海藻酸盐
D-甘露醛酸，L-古洛糖醛酸
褐藻
与Ca2+形成凝胶
葡聚糖
D-葡萄糖
肠膜状明串珠菌属(Leucontosoc mesenteroidos)
在糖果或冷冻甜食中防止糖结晶
黄原胶
D-葡萄糖，D-甘露糖，D-葡萄醛酸
甘蓝黑腐黄杆菌和(Xanthomonas campestris)
分散体为强假塑性
十三,魔芋葡甘露聚糖魔芋葡甘露聚糖是由D-吡喃甘露糖与D-吡喃葡萄糖通过β(1→4)糖苷链连接构成的多糖，在主链的D-甘露糖C3位上存在由β-(1→3)糖苷键连接的支链，每32个糖残基约有3个支链，支链由几个糖单位组成，每19个糖基有1个乙酰基，是具有一定刚性的半柔顺性分子，结构如图3-54，魔芋葡甘露聚糖分子中D-甘露糖与D-葡萄糖的摩尔比为1/1.6～1/1.8，重均分子质量与魔芋品种有关，一般为105～106。
图3-54 魔芋葡甘露聚糖结构图
魔芋葡甘露聚糖能溶于水，形成高粘度假塑性流体，在碱性条件下可发生脱乙酰反应，分子间相互聚集成三维网络结构，形成强度较高的热不可逆弹性凝胶。能与黄原胶产生协同效应，生成热可逆性凝胶。
魔芋葡甘露聚糖的高度亲水性、胶凝性和成膜性常用于制作魔芋食品和仿生食品，也可用于生产果冻、果酱、糖果，在乳制品、冰淇淋、肉制品和面包中作为增稠剂和稳定剂，以及食品保鲜膜。
十四、膳食纤维膳食纤维包括两类化合物，一类是不溶性的植物细胞壁材料，主要是纤维素和木质素；另一类为非淀粉可溶性多糖。这些物质都是不能被消化的大分子聚合物，同样经过修饰的胶如羧甲基纤维素，羟丙基甲基纤维素，甲基纤维素等都是不被消化的改性多糖，也属于膳食纤维。
已知水溶性β-葡聚糖是膳食纤维中的一种天然化合物，在燕麦和大麦中含量较高。燕麦中的β-葡聚糖70%以β-(1→4)糖苷链连接，约30%为β-(1→3)糖苷链连接。(1→3)键可以单独存在，也可被2～3个 (1→4)连接键分开，通常称这种(1→4，1→3)-β-葡聚糖为混合连接葡聚糖。
水溶性膳食纤维不仅能提供体积，改善食品的质地，同时还具有多种生物功能。