食品组分相互作用分析与优化

在食品加工过程与贮藏过程中，食品组分间发生的化学作用主要有美拉德反应、焦糖化反应、热降解、醌类与胺和氨基酸反应、氧化反应和蛋白质在碱性条件下发生的反应、脂质水解与氧化等。如前所述，其中有些化学反应的结果是人们所期望的，例如面包皮焦黄色的形成、焙烤咖啡或煎炸洋葱时发生的化学反应。但有些情况下，发生的化学反应可能会对食品的品质产生有害影响，例如炼乳和脱水蔬菜在贮藏期间发生的变化。多数化学反应会产生风味物质，有些是人们所期望的，有些是人们所不期望的，这完全取决于是什么食品。一些不良化学反应还会使食品中的营养成分丢失或形成致突变和致癌化合物，降低食品的营养价值和安全性。因此，全面了解食品组分间发生的物理、化学和生物化学作用对控制和改进产品质量非常重要。图12-1～图12-3所示为食品加工或处理过程中蛋白质、碳水化合物和脂质所发生的主要反应。

图12-1～图12-3总结的蛋白质、碳水化合物和脂质在食品加工与保藏过程中所发生的主要反应大部分在前面的章节中有了详细的介绍。下面就食品复杂体系中蛋白质、多糖、水之间的相互作用做进一步说明。

图12-1 食品蛋白质组分在加工过程中发生的主要反应

图12-2 食品碳水化合物组分在加工过程中发生的主要反应

在牛肉、猪肉、家禽肉、鱼肉、贝壳和软体动物中，水分含量达到60%～85%，而蛋白质的含量仅为12%～22%。高湿性食品中，蛋白质-水相互作用会影响到蛋白质分子和蛋白质聚集体（例如酪蛋白胶束）的稳定性及食品原料和产品中蛋白质的功能特性。

1.蛋白质的持水力

在高湿性食品中，水分含量主要是通过组织中的区室化分布和水与蛋白质分子的相互作用来保持的，这些作用使得水不会在重力和一定离心力和机械压力作用下析出。食品的这种持水特性，就是在前面水一章中介绍的“持水力”。添加剂和松弛肌纤维结构的生化过程可提高肌肉的持水力。因此，影响肉产品的持水力和含汁量的因素包括蛋白质的特性、肉的pH、动物宰后代谢物的浓度、添加的盐（主要为有机和无机磷酸盐）以及嫩化、冻藏和加工引起的蛋白质性质变化等。

图12-3 食品脂质组分在加工过程中发生的主要反应

*指由酶、金属离子、肌球蛋白、叶绿素和/或辐照催化的氧化反应

2.蛋白质抑制冰晶生长

一些蛋白质与冰晶中的游离水发生相互作用。这种相互作用使得极地海洋里的鱼在冬天能够存活下来。极地海洋里的鱼和某些昆虫的血液中都含有一些特殊蛋白质，称为抗冻蛋白（Antifreeze proteins, AFPs）和抗冻糖蛋白（Antifreeze glycoprotein，AFGP）。它们可非依数性地降低这些动物血浆冻结点，而且降低程度明显高于依据聚合物溶质的浓度效应的预测值。由于AFP的存在，有些南极鱼类的血浆冻结点比其他鱼类的冻结点低约1.4℃。AFP和AFGP优先同冰晶的晶格结合，从而抑制冰晶生长。AFP在冻藏食品中可抑制冰晶生长和降低冰的重结晶速率，具有潜在的应用价值。

食品含有多种蛋白质。例如，乳中含酪蛋白、α-乳清蛋白、β-乳球蛋白、血清白蛋白、免疫球蛋白和䏡蛋白胨；肉中含肌原纤维蛋白、胶原蛋白和肌浆蛋白（主要为酶）；谷物中含有清蛋白、球蛋白、醇溶谷蛋白和谷蛋白。这些蛋白质的结构及其在食品体系中表现出的功能性质不尽相同。蛋白质活性基团间的相互作用会引起蛋白质分子结构发生变化，从而导致蛋白质的水合性、溶解性、黏性、起泡性、胶凝性以及在油-水界面的吸附性能等功能性质发生改变。这部分内容在前面蛋白质一章中已有详细介绍。

牛奶、奶油、冰淇淋、奶酪、沙拉酱、蛋黄酱、肉糜是常见的水包油型（O/W）乳状液体系。油滴通过与蛋白质、卵磷脂或合成表面活性剂的相互作用得以稳定。冰牛奶在储藏过程中其脂肪球的脂蛋白膜会与血清蛋白发生相互作用，导致蛋白质聚集、絮凝以及脂肪球上浮。相反，冰淇淋在储藏过程中气泡周围脂肪球的聚集有利于保持希望的质构特性。

在油包水型（W/O）乳状液食品体系中，水滴通过与固态脂肪颗粒、甘油一酯、磷脂或聚集在水-油界面处的蛋白质的相互作用得以稳定。水滴的大小和分布对产品的流变性、感官特性和微生物稳定性有影响。(https://www.xing528.com)

食品中多糖之间以及多糖与离子、蛋白质和脂质之间的相互作用会影响食品体系的各种功能性质，如持水力、凝胶性、成膜性、黏性和流体的其他流变性质、冰晶生长的抑制以及泡沫和乳状液的形成与稳定等。

在由不同多糖组成的混合溶液中，聚合物-聚合物间的相互作用往往会使溶液的黏度增加，在某些情况下甚至会形成凝胶。聚合物间的协同作用程度取决于胶体的化学组成和结构。琼脂糖、鹿角菜胶和红藻胶的凝胶性可以通过加入其他非凝胶型多糖来加强。例如，刺槐豆胶、半乳甘露聚糖和葡甘露聚糖都可使κ-角叉（菜）胶体系的凝胶性提高。这种凝胶性加强现象可解释为相互作用的多糖分子间的氢键作用、κ-角叉（菜）胶网络结构中半乳甘露聚糖的自聚集和聚合物间的不相容性引起的排斥体积效应。即使体系中多糖的总浓度仅为0.5%，加入半乳甘露聚糖或葡甘露聚糖也具有协同作用，使黄原胶形成热可逆凝胶。海藻酸盐和高甲氧基果胶的凝胶特性可以通过调整这些聚合物间的协同作用来控制。例如，海藻酸盐在多价阳离子存在下能够形成硬凝胶，但在低pH条件下会沉淀。高甲氧基果胶在无阳离子、低pH和蔗糖浓度达到40%时形成凝胶。另一方面，浓度为0.6%的海藻酸和果胶以体积比为1:1的混合物在低pH和高可溶性固形物含量条件下才形成凝胶。这种协同效应很大程度上与聚集体的链间缔合密切相关；聚古洛糖醛酸（海藻酸）和甲酯化的聚半乳糖醛酸（果胶）组合时会形成平行的双重结晶阵列。淀粉与不同植物胶之间的相互作用也会改变黏度、凝胶形成速率以及形成的凝胶的流变性质。

改性淀粉被广泛用作乳化稳定剂和增稠剂。多糖还经常用作包埋填充剂，用于食品中气体、液体和固体的包埋。

多糖-脂质相互作用是由疏水相互作用引起的。一个典型例子是甘油一酯分子会结合到直链淀粉螺旋结构的空腔里。直链淀粉-脂质复合物的结构类似于直链淀粉-碘复合物。面团中的直链淀粉与脂质形成复合物后可以降低淀粉颗粒的溶胀性能，提高淀粉糊化温度。烘焙过程中的加热作用会提高直链淀粉与脂质的结合强度。直链淀粉-脂质复合物具有形成凝胶的能力，形成的凝胶的流变性质与脂质的类型和浓度以及复合物的晶型有关。添加脂质，尤其是磷脂，可以延缓淀粉凝胶的老化，使面包芯保持松软。其机理涉及脂质与淀粉亲水链段间的相互作用。

亲水胶体-脂质间的相互作用是阿拉伯胶具有良好乳化性能的基础。尽管阿拉伯多糖分子质量很大，约为260～160ku，但其溶液的黏度很低。这与阿拉伯胶的独特组成有关。阿拉伯胶由L-阿拉伯糖、L-鼠李糖和D-葡萄糖醛酸组成，主要包括阿拉伯半乳聚糖-蛋白质络合物（AGP）、糖蛋白和阿拉伯半乳聚糖三种成分。在AGP中几个亲水性多糖通过共价键连接到一条大的多肽链上。多肽链上的疏水性氨基酸残基朝向油相使得胶体物质能够被吸附在油-水界面上。阿拉伯胶中的蛋白质部分热变性会降低其乳化性。

可利用多糖-脂质间的相互作用来生产低热值的乳状液食品。当分散体系中的微晶纤维含量达到2%时，其黏度接近于60%的水包油乳状液，这显然是因为形成了三维网状结构。含有1%～1.5%胶态微晶纤维素和0.5%脱水山梨醇单硬脂酸酯聚氧乙烯醚乳化剂的20%大豆油乳化体系的黏度、屈服值、流动性和稳定性与65%的纯油乳状液相似。

一些亲水性胶体物质与蛋白质也会发生相互作用。在乳制品中，这种相互作用可能会导致乳蛋白失稳和/或阻止不期望的由Ca²⁺引起的沉淀。不过，中性多糖如刺槐豆胶、瓜尔胶及大多数的聚阴离子聚合物，包括弱酸性的阿拉伯胶与羧甲基纤维素（CMC）、果胶、透明质酸、海藻酸钠、肝素、硫酸软骨素、纤维素硫酸酯和岩藻聚糖硫酸酯，不能阻止Ca²⁺在pH6.8时对酪蛋白胶束和α_S1-酪蛋白的沉淀作用。此外，卡拉胶，尤其是κ-卡拉胶，能够与α_S1-酪蛋白形成稳定的络合物。

生物大分子在浓溶液中的互溶性不是很好。正是由于这种热力学上的不相容性使得混有生物大分子的高浓度水溶液分成两相，形成通常所说的水包水型乳状液。相分离的浓度取决于混合的生物大分子类型。球蛋白混合物发生相分离的最低浓度为12%，而蛋白质-多糖混合物在约4%浓度时就会产生相分离。两种生物大分子溶液混合后，如果总浓度低于阈浓度（threshold concentration），所得到的混合物仍是均一的各向同性溶液。但若高于阈浓度，混合溶液就会分成两相：富含一种生物大分子的水相分散到富含另一种生物大分子的连续水相中。由于两相都是水溶液，所以肉眼观察不到相的分离，经静置或离心处理后，这种水包水型乳状液就会分成两层，上层溶液富含其中的一种生物大分子，而下层则富含另一种生物大分子。

图12-4是典型的蛋白质-蛋白质和蛋白质-多糖混合溶液的相图。双结点曲线表示相分离区生物大分子的平衡浓度。例如，假设B浓度的蛋白质1纯溶液与A浓度的蛋白质2（或者多糖）溶液混合，则M点表示混合溶液的组成。经静置或离心处理后，该混合溶液分成两相。D点表示上层溶液的组成，E点表示下层溶液的组成，直线DE为结线。两相的体积比可以用DM/ME表示。将不同浓度的两种生物大分子溶液混合，分别测定两相的平衡浓度，就可以得到混合溶液的双结点相图。连接两相的平衡组成（所有的D点和E点）就可得到一系列的结线。通过相图可以知道大分子混合溶液在一定浓度范围内是热力学稳定还是不稳定。双结点曲线以下所有浓度的生物大分子混合物都是热力学稳定的，此时溶液不会发生相分离；而在双结点曲线以上浓度的体系是热力学不稳定的，会自发形成两相。曲线上有一个点，在该点生物大分子的总浓度最小。这一点代表特定生物大分子混合溶液的阈浓度（T）。浓度高于该点就会发生相分离。球蛋白-多糖混合物的阈浓度通常在4%左右，而球蛋白-球蛋白混合物的阈浓度高于12%；明胶-多糖混合物的阈浓度范围为2%～4%，具体数值取决于明胶的相对分子质量分布。从相图上还可以得到另一个有用参数—临界点C，它表示两相具有相同的体积和组成。该点为结线中点连线与双结点曲线的交点。连接结线中点（为简便起见，图12-4仅画出一条结线）的线称为密度中线（Rectilinear diameter）。

图12-4 典型的两种生物聚合物水溶液的二元混合物相图

DE—结线 C—临界点

由于大多数食品都含有蛋白质和多糖混合物，而且其浓度又高于阈浓度，所以经常会发生相分离，影响产品的感官品质。相分离影响凝胶质构特性的过程见图12-5。相分离导致食品中生物大分子非均匀分布，进而引起食品质构的不均匀。当然，这种不均匀是好还是坏则取决于具体的食品体系。

图12-5相分离影响凝胶质构特性改变