食品化学成分的影响与变化

食品的化学成分是极其复杂的，除水分、挥发性成分外，固形物成分可分为无机物和有机物两类。无机物包括无机盐类和其他无机物；有机物中最主要的有蛋白质、糖类、脂类、维生素及酶类。这些化学成分大部分是人体必需的营养成分，其功能如图1⁃1所示。

图1⁃1 食品化学成分功能图

注：——代表主要功能；┈┈代表非主要功能。

食品在加工和贮藏过程中其化学成分会发生变化，这就可能会影响食品的食用和营养价值，如在果蔬冷加工过程中维生素的损失、动物性食品冻结过程蛋白质的冻结变性和动物组织解冻过程中的汁液流失等。因此，研究食品的化学成分及其变化是极为重要的。

（一）蛋白质（proteins）

1.蛋白质的组成 蛋白质是构成一切生命体的重要物质，也是食品冷冻冷藏加工过程中保存的主要对象。构成蛋白质的基本元素是：碳、氢、氮、氧、硫、磷等物质，有些蛋白质还含有铁、铜、锌等元素。碳、氢、氧、氮、磷、硫的含量（质量分数）大致如下：碳：50.6%～54.5%；氧：21.5%～23.5%；氢：6.5%～7.3%；氮：15.0%～17.6%；硫：0.3%～2.5%；磷：0～0.4%。

蛋白质分子是一个分子氨基酸（amino acids）的羟基和另一分子氨基酸的氨基相互缩合形成肽键，肽键把许多氨基酸连接在一起形成较长的多肽链，然后通过氢键而形成螺旋状多肽链，再通过副键（如盐键等）将几条螺旋状多肽链盘曲折叠成保持着不同形状的立体结构。蛋白质相对分子质量差别很大，结构也很复杂。在酸、碱、酶等物质作用下蛋白质可发生下列水解反应，最终将最大分子的蛋白质水解为较小分子的氨基酸：

蛋白质→多肽（polypeptide）→二肽（dipeptide）→氨基酸

氨基酸是构成蛋白质的基本单位，目前从各种生物体内发现的氨基酸已有180多种，但是参与蛋白质构成的氨基酸主要是20种，这20种氨基酸被称为构成蛋白质的氨基酸，其中除脯氨酸和羟脯氨酸外，均为α-基氨基酸，即一个氨基（—NH₂）、一个羧基（—COOH）、一个氢原子（—H）和一个R基团（—R），连接在一个碳原子上。在不同的氨基酸分子中，其侧链彼此不同，其余部分均相同，结构通式如下：

由于氨基酸在肽链（peptide chains）中的排序和空间排布不同，使蛋白质呈现1～4级结构，从而在生物体内形成其特定的功能。在冷冻冷藏中，只要结构发生变化，食品的质量即发生变化。

2.蛋白质的主要性质

（1）两性电解质（amphoteric electrolyte）：蛋白质既能和酸作用，又能和碱作用。在酸性环境中，各碱性基团与H⁺结合，使蛋白质带正电荷；在碱性环境中，酸性基团解离出H+，与环境中的OH-结合成水，使蛋白质带负电荷。当溶液在某一特定的pH值时，蛋白质所带的正电荷与负电荷恰好相等，蛋白质不显电性，这时溶液的pH值称为该蛋白质的等电点（isoelectric point，IEP）。蛋白质处于等电点时，将失去胶体的稳定性而发生沉淀现象。食品加工和贮藏中都要利用或防止蛋白质因等电点而引起的各种性质的变化。

（2）蛋白质的胶凝性质（gelling property）：蛋白质的直径约为1～100nm，其颗粒尺寸在胶体粒子范围内，是亲水化合物。在水溶液中，由于其表面带有很多极性基团，被具有极性的水分子所包围，在蛋白质颗粒周围形成一层水化层，这样就使各个蛋白质颗粒不易互相碰撞，从而阻碍了它们的沉淀，使蛋白质颗粒分散在水溶液中成溶胶状态。另一种使蛋白质溶液稳定的因素是蛋白质胶粒带有电荷。只有消除这两个因素之后，才能使蛋白质沉淀。

蛋白质在食品中的另一种存在状态是凝胶态，它与蛋白质溶液的温度有关。当温度下降时，可由溶胶态转化为凝胶态。溶胶态可看作是蛋白质颗粒分散在水中的分散体系；而凝胶态则可看作是水分散在蛋白质中的一种胶体状态。

（3）蛋白质的变性（denaturation）：当蛋白质受温度变化（加热或冷冻）和其他因素（如碱金属和碱土金属的盐）作用时，蛋白质的构象可发生变化，使其物理和生物化学性质也随之变化，这种现象称为蛋白质的变性。变性蛋白质在溶液中的溶解度下降，同时也失去了其生理活性功能。如蛋清受热凝固、肉类解冻后汁液流失等都是蛋白质变性的表现。

蛋白质的变性在最初阶段是可逆的，但在可逆阶段后即进入不可逆变性阶段。酶也是一种蛋白质，当其变性时即失去活性。

（4）蛋白质的分解（proteolysis）：蛋白质的分解按照下列步骤逐步进行：蛋白质→膘→胨→多肽→氨基酸→胺→NH₃+CO₂+H₂S+CH₄+H₂O，最终的分解产物有NH₃、H₂S，具有强烈的刺激性气味。

（二）脂肪（fats）(www.xing528.com)

1.脂肪的成分 脂肪在食品中的作用主要是提供热量，1g脂肪的发热量平均可达38kJ，约为同等重量的糖和蛋白质发热量的22倍以上，是食品中热量最高的营养素。

脂肪主要由甘油（glycerol）和脂肪酸（fatty acids）组成，其中也有少量色素、脂溶性维生素和抗氧化物质。脂肪的性质与脂肪酸关系很大，脂肪酸可分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸，脂肪中含有的饱和脂肪酸成分越多，其流动性越差。习惯上称常温下呈固态的脂肪为脂，如多数动物性脂肪，反之则称为油，如菜油、花生油、芝麻油等各种植物油。

陆生动、植物脂肪中以C₁₈脂肪酸居多，C₁₆脂肪酸次之；水产动物脂肪中以C₂₀和C₂₂脂肪酸居多。水产动物脂肪中，不饱和脂肪酸的含量不但占绝大部分，而且种类也很多。淡水鱼类脂肪中以C₁₈不饱和脂肪酸的比例较高，而海水鱼类脂肪中则以C₂₀及C₂₂不饱和脂肪酸居多；两栖类、爬行类、鸟类及啮齿类脂肪中的脂肪酸组成介于水产动物和陆生高等动物之间。

2.脂肪的性质 在脂肪性质中，与冷冻冷藏关系较为密切的是脂肪的水解和氧化性质。

脂肪在酸、碱溶液中或在微生物作用下可迅速水解为甘油和脂肪酸，使甘油分离出来，脂肪酸在酶的一系列催化作用下可生成β⁃酮酸，脱羧后成为具有苦味及臭味的酮类；脂肪变质的另一原因是脂肪酸链中不饱和键被空气中的氧所氧化，生成过氧化物（peroxide），过氧化物继续分解产生具有刺激性气味的醛、酮和酸等物质。脂肪氧化也称为脂肪酸败（rancidity），脂肪酸败不但使脂肪失去营养，而且也产生毒性。可以从两个方面减少或避免脂肪酸败：一是向食品中添加天然抗氧化剂（antioxidant）或合成抗氧化剂；另一个是控制合理的加工贮藏条件。例如，在加工中尽量使脂肪保持合理的水分，研究表明，水分过高或过低都将加速脂肪的氧化酸败过程。此外，在贮藏中应该尽量创造干燥、低温、缺氧和避光的环境。

（三）糖（sugar）

糖的主要组成元素是碳、氢、氧，而且其中氢和氧的比例总是2∶1，恰好与水中的氢和氧比例相同，所以，糖也被称为碳水化合物（carbohydrate）。糖主要存在于植物性食品中，占植物干重的50%～80%。糖是人体热量的重要来源，1g葡萄糖在体内完全氧化可以产生16kJ的热量。糖也是参与人体重要代谢过程的主要物质成分。

糖一般可分为单糖、低聚糖和多糖三类。单糖是糖类中不能再水解的化合物，是最小分子的糖，如葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖等；低聚糖是指能被水解成2～10个单糖分子的糖，在食品中主要有蔗糖、麦芽糖、乳糖、棉籽糖等；多糖是指能被水解生成更多的单糖和低聚糖的糖，食品中主要有淀粉、纤维素、果胶。

（四）维生素（vitamin）

维生素是维持生物正常活动所必需的一类有机物质。生物体对维生素的需要量很少，但它们却起着极其重要的作用，如调节新陈代谢等，缺乏维生素会引起各种疾病。人体需要的维生素主要从动物性食品和植物性食品中摄取。维生素一般可分为两大类：脂溶性维生素和水溶性维生素。脂溶性维生素包括维生素A（抗干眼病）、维生素D（抗佝偻病）、维生素E（促进生长发育）、维生素K（帮助凝血）；水溶性维生素可分为B族和C族，包括维生素B₁、B₂、B₅、B₆、B₁₂等和维生素C、维生素P。冷冻冷藏对维生素的破坏较小。

（五）酶（enzyme）

酶是活细胞产生的一种特殊的具有催化作用的蛋白质，是极为重要的活性物质，故称为生物催化剂，它脱离活细胞后仍然具有活性，酶促反应是食品腐败变质的重要原因之一。没有酶的存在，生物体内的化学反应将非常缓慢，或者需要在高温高压等特殊条件下才能进行；有酶的存在，生物体内的化学反应能在常温常压下以极高的速度和很强的专一性进行。食品加工与贮藏过程中，酶可来自食品本身和微生物两方面，酶的催化作用通常使食品营养质量和感官质量下降，因此，抑制酶的活性是食品加工贮藏中的重要内容之一。

由于酶是一种特殊的蛋白质，在不同的pH值环境下，其活性也不同，大多数酶的最适宜pH值在4.5～8.0范围内，即在中性、弱酸、弱碱环境中能够保持活性。

（六）矿物质（mineral）

各种食品中都含有少量矿物质，一般占其总质量的0.3%～1.5%。其数量虽少，但却是维持动植物正常生理机能不可缺少的。根据人体对矿物质的需求量，可将矿物质分为常量元素和微量元素。含量（质量分数）在0.01%以上的元素称为常量元素，其他的为微量元素。钙、镁、磷、钠、钾、氯、硫为常量元素，铁、锌、铜、碘、锰、钼、钴、硒、铬、镍、锡、硅、氟、钒等为微量元素。人体对矿物质的需求量是不同的，过多或过少均会影响健康，如缺钙会导致人体骨质疏松，缺碘会使人体甲状腺肿大，钾过多会使人体血管收缩，造成四肢苍白无力、嗜睡甚至突然死亡等。人体所需要的矿物质主要从食品中获得，它们以无机盐形式存在于食品中。在食品中矿物质的存在，能使食品的汁液的冻结点比纯水冻结点低。

（七）水分（water）

水是组成一切生命体的重要物质，也是食品的主要成分之一。各种食品汇总的含水率是不同的，如水果的含水率为73%～90%，蔬菜为65%～96%，鱼为70%～80%，食糖为1.5%～3%。水分存在的状态直接影响着食品自身的生化过程和周围微生物的繁殖状况，是食品加工和贮藏中主要考虑的成分。

食品中的水分可分为自由水和结合水。自由水也称为游离水，主要包括食品组织毛细孔内或远离极性基团能够自由移动、容易结冰、能溶解溶质的水。自由水在动物细胞中含量较少，而在某些植物细胞中含量却较高。结合水包围在蛋白质和糖分子周围，形成稳定的水化层。结合水不易流动，不易结冰，也不能作为溶质的溶剂，结合水对蛋白质等物质具有很强的保护作用，对食的色、香、味及口感影响很大。近年来研究表明，加热干燥或冷冻干燥可除去部分结合水，而冷冻冷藏对结合水影响较小。

食品中水的状态可用水分活度α_w表示，纯水的活度α_w值为1，绝对干燥食品的α_w值为0，而绝大多数新鲜食品的α_w值在0.95以上，都在细菌繁殖的水分活度范围之内，所以生鲜食品是一种易腐性的食品。有些食品虽然含水率较高，但自由水相对含量却较少，如冻结、干燥、腌制（浸糖或浸盐）的各种食品，因其含有的自由水结成冰后，食品的水分活度降低，从而使各种微生物生长繁殖以及食品自身的生化反应失去传递介质而受到抑制。