食品中的化学与生化变化

概述

本课件由 Marie Dufrechou 讲授，先复习了 pH 值与水分活度（water activity, aw）两个决定食品稳定性的基础理化参数，随后系统讲解食品在储藏与加工过程中发生的主要化学与生化劣变反应，包括酶促褐变、美拉德反应、焦糖化、脂质氧化、蛋白质氧化及个别产品（巧克力）的特殊变化，并逐一说明各反应的机理、影响因素与控制手段。

核心概念

1. pH（氢势）：pH 是溶液中氢离子相对浓度的负对数表达，范围0-14，用于区分酸性、中性与碱性食品；食品按pH可分为高酸食品（pH<4.5）与低酸食品（pH≥4.5），4.5这一临界值直接决定了产品所需的杀菌热处理强度，因为它关系到特定微生物能否生长。（p.4-10）
2. Water activity, aw（水分活度）：aw描述的是水与食品中其他成分结合的紧密程度，反映”可用水”（能参与化学反应或微生物利用的水）而非”结合水”的比例；它是一个无量纲的相对压力比值，与”含水量”（水的绝对质量占比）是完全不同的两个指标，纯水aw=1，食品aw介于0到1之间。（p.12-13, p.17-19）
3. aw与劣变速率的关系：水分活度直接影响各类劣变反应的速率——非酶褐变和脂质氧化在中等aw区间最活跃，而微生物（细菌、酵母、霉菌）的生长则需要相对更高的aw；当aw降至0.2以下时，食品趋于稳定，这也是干燥/脱水技术能延长保质期的理论基础。（p.15, p.19）
4. 酶促褐变与多酚氧化酶（PPO）：水果蔬菜切割或损伤后暴露于氧气中,多酚类物质在多酚氧化酶（polyphenol oxidase, PPO）的催化下先经羟基化、再经氧化生成黑褐色的黑色素（melanins），此反应在pH 5-7之间最活跃，pH低于3时PPO被不可逆失活，因此柠檬汁等酸化处理是常见的抑制手段。（p.25-28, p.30）
5. 美拉德反应（Maillard reaction）：由法国化学家路易·卡米耶·美拉德发现，是还原糖与氨基酸在加热条件下经过多阶段复杂反应生成风味物质、深棕色聚合物（类黑精，melanoidins）及其他数百种产物的非酶褐变过程；反应在pH>6、aw 0.5-0.8区间及150℃左右最为活跃，会同时带来风味增益（如咖啡烘焙）与营养损失（氨基酸降解、维生素损失）双重后果。（p.33, p.36-39）
6. 丙烯酰胺（Acrylamide）：作为美拉德反应的不良副产物之一，主要在富含天冬酰胺和还原糖的淀粉类食品（如炸薯条）高温烹调时生成，目前无法从食品中完全消除，但可通过原料筛选、焯烫处理、控制切割规格及最终烹调条件等手段降低其含量；欧盟已通过2017/2158号法规设定了持续收紧的绩效基准值（benchmark levels，属缓解措施基准而非法定最高限量；(EU) 2017/2158 附件IV，EUR-Lex）。（p.42-44）
7. 焦糖化反应（Caramelization）：区别于美拉德反应（不涉及氨基酸），是蔗糖在190-250℃高温下先水解为葡萄糖和果糖（生成无色至浅黄色化合物），再经缩合聚合生成深棕色复杂化合物的纯糖类热降解反应。（p.45）
8. 脂质氧化（Lipid oxidation）：富含不饱和脂肪酸（如亚油酸、α-亚麻酸）的食品在光照、高温、氧气及金属离子（Fe³⁺、Cu²⁺）催化下，经引发、传播、终止三阶段发生自动氧化，产生哈喇味、异味并破坏维生素A、E及必需脂肪酸的营养价值，可通过抗氧化剂添加、真空/气调包装及避光包装加以延缓。（p.46-49）
9. 肌红蛋白氧化（Myoglobin oxidation）：牛肉等红肉的红色来自肌红蛋白，其在肉品表面依次呈现氧合肌红蛋白（鲜红，oxymyoglobin）、次表层的高铁肌红蛋白（褐色，metmyoglobin，不可逆）和深层的肌红蛋白（暗红），氧合态到高铁态的转化不可逆，而氧合态本身与还原态之间则可逆，储藏条件与包装气体环境（真空、有氧/无氧气调）对呈色稳定性影响显著。（p.50-53）（据课件，未经核实）
10. 蛋白质-亚硝酸盐反应与巧克力起霜：腌制（如火腿）过程中加入的亚硝酸钠会与肌红蛋白中的铁环结合，使肉色由红转为稳定的粉红色；而巧克力表面泛白则分为两种独立机制——因糖分溶解后重结晶导致的”糖霜（sugar bloom）“与脂肪重结晶导致的”脂霜（fat bloom）”。（p.54-55）

关键论点 / 结论

• 食品科学自18世纪拉瓦锡、谢弗勒尔、李比希等化学家对食品成分的研究起步，19世纪随人口增长和加工集中化需求催生了酶学、微生物学等新学科；如今约80%的食品消费属于加工食品，理解其生化劣变机制仍是持续的核心课题。（p.18）
• 课件反复强调水分活度而非含水量才是判断食品化学与微生物稳定性的关键指标，二者不可混淆，这是贯穿全篇的核心方法论提示。（p.19）
• 各类劣变反应（酶促褐变、美拉德反应、脂质氧化、蛋白氧化）虽机理各异，但共同受温度、pH、aw、氧气及金属离子等少数几个理化参数调控，这为工业上通过热处理、包装设计、添加剂和气调技术进行综合控制提供了统一思路。（p.20, p.30, p.39, p.48-49）
• 结语部分提出食品稳定性控制的三步方法论：先掌握产品的组成与理化/感官特性，再列出潜在的化学与生物劣变类型，最后结合商业、经济与环境约束选择原料、配方、加工与包装方案。（p.56）

术语表

中文	原文
氢势/酸碱度	pH
水分活度	water activity (aw)
多酚氧化酶	polyphenol oxidase (PPO)
酶促褐变	enzymatic browning
美拉德反应	Maillard reaction
类黑精	melanoidins
丙烯酰胺	acrylamide
焦糖化	caramelization
脂质氧化	lipid oxidation
肌红蛋白	myoglobin
氧合肌红蛋白	oxymyoglobin
高铁肌红蛋白	metmyoglobin
糖霜	sugar bloom
脂霜	fat bloom