第2章食品的主要形态与物理性质.ppt
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1、2.1微观结构与作用力微观结构与作用力2.2聚集态结构与内聚能聚集态结构与内聚能2.3食品中的水分食品中的水分2.4食品分散体系食品分散体系2.5动物肌肉结构动物肌肉结构2.6植物细胞结构植物细胞结构物质的结构物质的结构:物质的组成单元:物质的组成单元(原子或分子原子或分子)之间相互吸之间相互吸引和相互排斥的作用达到平衡时在空间的几何排列。引和相互排斥的作用达到平衡时在空间的几何排列。分子结构分子结构:分子内原子之间的几何排列:分子内原子之间的几何排列聚集态结构聚集态结构:分子之间的几何排列:分子之间的几何排列高高分分子子链链近程结构又称一级结构近程结构又称一级结构远程结构又称二级结构远程结构
2、又称二级结构高分子聚集态结构高分子聚集态结构又称三级或更高级结构又称三级或更高级结构a.键合力合力 b.范德范德华力力和和其其它介观力它介观力c.色散力色散力d.氢键e.疏水疏水键主价力主价力 次价力次价力 2.1.1高分子内原子间与分子间相互作用高分子内原子间与分子间相互作用a.键合力合力共价键共价键离子键离子键金属键金属键2.1.1高分子内原子间与分子间相互作用高分子内原子间与分子间相互作用在食品中,主要是共价键和离子键在食品中,主要是共价键和离子键键合原子之键合原子之间的吸引力间的吸引力 食品主要成份中共价键的键长与键能食品主要成份中共价键的键长与键能 肽键肽键:其键能是维持蛋白质的一级
3、结构形态,:其键能是维持蛋白质的一级结构形态,与维持蛋白质空间构象的其他次级键相比,与维持蛋白质空间构象的其他次级键相比,其键能较高,因此蛋白质构象容易发生变化,其键能较高,因此蛋白质构象容易发生变化,但是氨基酸肽链不易断开。但是氨基酸肽链不易断开。二硫键二硫键:是维持蛋白质三级结构的键合力,:是维持蛋白质三级结构的键合力,其值略低于肽键。其值略低于肽键。共价键共价键a.键合力合力a.键合力合力又称盐键或盐桥,它是正电荷与负电荷之间的一种又称盐键或盐桥,它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。静电相互作用。吸引力与电荷电量的乘积成正比,与电荷质点间的吸引力与电荷电量的乘积成正比,与电荷质点间
4、的距离平方成反比,在溶液中此吸引力随周围介质的距离平方成反比,在溶液中此吸引力随周围介质的介电常数增大而降低。介电常数增大而降低。库伦定律库伦定律在近中性环境中,蛋白质分子中的酸性氨基酸残基在近中性环境中,蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷,而碱性氨基酸残基侧链电离侧链电离后带负电荷,而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷,二者之间可形成离子键。后带正电荷,二者之间可形成离子键。离子键平均键能为离子键平均键能为20kJ/mol。离子键离子键P5:图图2-1非键合非键合原子间和分子间的相互作用力。原子间和分子间的相互作用力。范德华力范德华力氢键氢键 静电力静电力诱导力诱导力色散力色散力
5、2.1.1高分子内原子间与分子间相互作用高分子内原子间与分子间相互作用b.范德范德华力和其力和其它它介观力介观力 范德华力范德华力:永远存在于一切分子之间的吸引力,:永远存在于一切分子之间的吸引力,没有方向性和饱和性。没有方向性和饱和性。静电力静电力:是极性分子间的相互作用力,由极性分子:是极性分子间的相互作用力,由极性分子的的永久偶极永久偶极之间的静电相互作用所引起。之间的静电相互作用所引起。作用能为作用能为12-20kJ/mol。b.范德范德华力和其力和其它它介观力介观力 Ek分子间静电相互作用能分子间静电相互作用能;1、2两种极性分子的偶极矩两种极性分子的偶极矩;R分子间的距离分子间的距
6、离;T热力学温度热力学温度;k玻耳兹曼常数。玻耳兹曼常数。分子间的距分子间的距离影响最大离影响最大 式中:式中:b.范德范德华力和其力和其它它次次级键 诱导力诱导力:极性分子的极性分子的永久偶极永久偶极与其他分子的与其他分子的诱导偶诱导偶极极之间的作用力。作用能为之间的作用力。作用能为6-12kJ/mol。ED分子间诱导力作用能分子间诱导力作用能;1、2两种极性分子的偶极矩两种极性分子的偶极矩;R分子间的距离分子间的距离;1、2两种分子的极化率,也就是单位两种分子的极化率,也就是单位电场强度作用下诱导的偶极矩。电场强度作用下诱导的偶极矩。式中:式中:当极性分子与其他分子当极性分子与其他分子(包
7、括极性分子和非极性分子包括极性分子和非极性分子)相互作用时,其他分子产生诱导偶极。相互作用时,其他分子产生诱导偶极。2.1.1高分子内原子间与分子间相互作用高分子内原子间与分子间相互作用c.色散力色散力色散力色散力:瞬间偶极瞬间偶极之间的相互作用力。之间的相互作用力。作用能一般为作用能一般为0.8-8kJ/mol。EL分子间色散力作用能分子间色散力作用能;I1、I2两种分子的电离能;两种分子的电离能;R分子间的距离分子间的距离;1、2两种分子的极化率。两种分子的极化率。式中:式中:在任何一瞬间,在任何一瞬间,一些电子与原子核之间必然会一些电子与原子核之间必然会发生相对位移,使分子具有瞬间偶极。
8、发生相对位移,使分子具有瞬间偶极。2.1.1高分子内原子间与分子间相互作用高分子内原子间与分子间相互作用d.氢键氢键氢键:极性很强的:极性很强的X-H键上的氢原子与另一个键上电键上的氢原子与另一个键上电负性很大的负性很大的Y原子之间相互吸引而形成的原子之间相互吸引而形成的(X-HY)。作用能为。作用能为12-30kJ/mol。氢键既有饱和性氢键既有饱和性又有方向性。又有方向性。P6:表表2-32.1.1高分子内原子间与分子间相互作用高分子内原子间与分子间相互作用当水与非极性基团接触时,为减少水与非极性实体当水与非极性基团接触时,为减少水与非极性实体的界面面积,疏水化合物自发地相互靠近。的界面面
9、积,疏水化合物自发地相互靠近。e.疏水疏水键疏水键疏水键:并不是疏水基团之间存在引力,而是体系为:并不是疏水基团之间存在引力,而是体系为了稳定自发的调整。键能在了稳定自发的调整。键能在530kJ/mol范围内,主范围内,主要与疏水基团的大小和形状有关。要与疏水基团的大小和形状有关。P7:图图2-2是疏水基团,是疏水基团,圆球周围的圆球周围的“L形形”物质是疏水物质是疏水表面定向的水分子,表面定向的水分子,代表与极性基团缔合的水分子代表与极性基团缔合的水分子疏水相互作用是疏水相互作用是蛋白蛋白质折叠质折叠的主要驱动力。的主要驱动力。同时也是同时也是维持蛋白质三维持蛋白质三级结构级结构的重要因素。
10、的重要因素。e.疏水疏水键2.1.1高分子内原子间与分子间相互作用高分子内原子间与分子间相互作用维持高分子蛋白质结构的各种键维持高分子蛋白质结构的各种键2.1.1高分子内原子间与分子间相互作用高分子内原子间与分子间相互作用(a)盐键盐键(b)氢键氢键(c)疏水作用疏水作用(d)范德华力范德华力(e)二硫键二硫键P7:图图2-32.1.2高分子链结构与柔性高分子链结构与柔性自由联结链自由联结链:线形高分子链中含有成千上万个:线形高分子链中含有成千上万个键。如键。如果主链上每个单键的内旋转都是果主链上每个单键的内旋转都是完全自由完全自由的,则这种的,则这种高分子链称为高分子链称为自由联结链自由联结
11、链。它可采取的构象数将无穷。它可采取的构象数将无穷多,且瞬息万变。这是柔性高分子链的理想状态。多,且瞬息万变。这是柔性高分子链的理想状态。长链分子可以卷曲成团,也可以伸展开来,这取决于长链分子可以卷曲成团,也可以伸展开来,这取决于分子本身的柔顺性及外部条件。分子本身的柔顺性及外部条件。高分子链之所以具有柔性的根本原因在于它含有许多高分子链之所以具有柔性的根本原因在于它含有许多可以内旋转的可以内旋转的单键单键。2.1.2高分子链结构与柔性高分子链结构与柔性u如果高分子主链上如果高分子主链上没有单键没有单键,则分子中所有原子在,则分子中所有原子在空间的排布是确定的,即只存在一种构象,这种分子空间的
12、排布是确定的,即只存在一种构象,这种分子就是就是刚性分子刚性分子。u如果高分子主链上虽如果高分子主链上虽有单键但数目不多有单键但数目不多,则这种分,则这种分子所能采取的构象数也很有限,子所能采取的构象数也很有限,柔性不大柔性不大。u实际:高分子链中,键角是固定的。实际:高分子链中,键角是固定的。u就碳链而言,键角为就碳链而言,键角为10928,所以即使单键可能自,所以即使单键可能自由旋转,每一个键只能出现在以前一个键为轴,以由旋转,每一个键只能出现在以前一个键为轴,以2(=-10928)为顶角的圆锥面上。为顶角的圆锥面上。P9:图图2-82.1.2高分子链结构与柔性高分子链结构与柔性实验表明,
13、除少数蛋白质分子实验表明,除少数蛋白质分子以外,线形高分子在溶液中的以外,线形高分子在溶液中的构象是构象是无规线团无规线团;非晶相非晶相本体高聚物中的高分子本体高聚物中的高分子链也是无规线团,但无规线团链也是无规线团,但无规线团之间互相贯穿。之间互相贯穿。柔性高分子链的外形呈柔性高分子链的外形呈椭球状椭球状。随着分子的热运动,。随着分子的热运动,高分子链的构象不停地发生变化。高分子链的构象不停地发生变化。无规线团无规线团:通常把无规则地改变着构象的椭球状高分通常把无规则地改变着构象的椭球状高分子称为无规线团。子称为无规线团。2.2.1食品形态微观结构食品形态微观结构按按分子的聚集排列方式分子的
14、聚集排列方式主要有三种类型主要有三种类型:气态气态:分子间的几何排列不但远程无序,:分子间的几何排列不但远程无序,近程也无序。近程也无序。晶态晶态:分子:分子(或原子、离子或原子、离子)间的几何排列具有间的几何排列具有三维远程有序三维远程有序;液态液态:分子间的几何排列只有近程有序(即在:分子间的几何排列只有近程有序(即在1-2分子层内排列有序分子层内排列有序),而远程无序,而远程无序;2.2.1食品形态微观结构食品形态微观结构两种过度态两种过度态 液晶态液晶态:分子间几何排列相当有序,接近于晶态分子分子间几何排列相当有序,接近于晶态分子排列,但是具有一定的流动性排列,但是具有一定的流动性(如
15、动植物细如动植物细胞膜和一定条件下的脂肪胞膜和一定条件下的脂肪)。它与液态主要区别在于它与液态主要区别在于黏度黏度,玻璃态黏度非常高,以,玻璃态黏度非常高,以至于阻碍了分子间的相对流动,在宏观上近似于固态,至于阻碍了分子间的相对流动,在宏观上近似于固态,因此,玻璃态也被称为因此,玻璃态也被称为非结晶固态非结晶固态或或过饱和液态过饱和液态,是,是没有发生相变的固液转换。没有发生相变的固液转换。玻璃态玻璃态(无定形无定形):分子间的几何排列只有近程有):分子间的几何排列只有近程有序,而无远程有序,即与液态分子排列相同。序,而无远程有序,即与液态分子排列相同。P17:图图2-172.2.1食品形态微
16、观结构食品形态微观结构凝胶态凝胶态:有一定尺寸范围的粒子或者高分子在另一种介:有一定尺寸范围的粒子或者高分子在另一种介质中构成的三维网络结构形态,或者说另一种介质(例质中构成的三维网络结构形态,或者说另一种介质(例如:水、空气)填充在网络结构中。如:水、空气)填充在网络结构中。粒子凝胶粒子凝胶:具有相互吸引趋势的粒:具有相互吸引趋势的粒子随机发生碰撞形成粒子团,当这子随机发生碰撞形成粒子团,当这个粒子团再与另外的粒子团发生碰个粒子团再与另外的粒子团发生碰撞时又形成更大的粒子团,最后形撞时又形成更大的粒子团,最后形成一定的结构形态成一定的结构形态.球状蛋白、球状蛋白、脂肪晶体等脂肪晶体等2.2.
17、1食品形态微观结构食品形态微观结构聚合物凝胶聚合物凝胶:都是由细而长的线形高分子,通过共价:都是由细而长的线形高分子,通过共价键、氢键、盐桥、二硫键、微晶区域、缠绕等方式形键、氢键、盐桥、二硫键、微晶区域、缠绕等方式形成交联点,构成一定的网络结构形态。成交联点,构成一定的网络结构形态。共价交联共价交联微晶微晶多糖分子、某些线形蛋白质等多糖分子、某些线形蛋白质等2.2.2聚集态的内聚能聚集态的内聚能内聚能内聚能:1mol的聚集体气化时所吸收的能量。分子间相的聚集体气化时所吸收的能量。分子间相互作用能的大小通常用内聚能或内聚能密度来表示。互作用能的大小通常用内聚能或内聚能密度来表示。EE 内聚能内
18、聚能 LV 摩尔汽化热摩尔汽化热 RT 气化时做的膨胀功气化时做的膨胀功小分子小分子:内聚能:内聚能升华热升华热热力学数据热力学数据计算计算高聚物高聚物:分子间作用能力很大,吸收的能量不足以使:分子间作用能力很大,吸收的能量不足以使分子汽化时,已足以破坏高分子链上的化学键。分子汽化时,已足以破坏高分子链上的化学键。测定测定溶度参数溶度参数、平衡溶胀比平衡溶胀比等估算等估算高分子链上的极性基团的极性越小,单位摩尔体高分子链上的极性基团的极性越小,单位摩尔体积中的内聚能就越低,高分子链的柔软性就越好。积中的内聚能就越低,高分子链的柔软性就越好。2.2.3食品主要成分结构形态食品主要成分结构形态蛋白
19、蛋白质 一级结构一级结构 Primary Structure二级结构二级结构 Secondary Structure三级三级结构结构 Tertiary Structure四级结构四级结构 Quaternary Structure蛋白质结构和空间构象与其生物功能密切相关,因蛋白质结构和空间构象与其生物功能密切相关,因此在食品工业中,加热、冷冻、辐射、腌渍、挤压、此在食品工业中,加热、冷冻、辐射、腌渍、挤压、拉丝、搅拌、乳化等都与蛋白质的结构变化有关。拉丝、搅拌、乳化等都与蛋白质的结构变化有关。引进化学方法、酶法和转基因方法,设计制作出引进化学方法、酶法和转基因方法,设计制作出新的蛋白质结构,使蛋
20、白质功能达到最优化水平。新的蛋白质结构,使蛋白质功能达到最优化水平。2.2.3食品主要成分结构形态食品主要成分结构形态蛋白蛋白质 具体可分为三个方面具体可分为三个方面:加工与贮藏中,蛋白质结构向着不利方面发展,加工与贮藏中,蛋白质结构向着不利方面发展,如杀菌对蛋白质结构的破坏如杀菌对蛋白质结构的破坏;改变蛋白质的结构,使其产品的营养价值和感改变蛋白质的结构,使其产品的营养价值和感官物性更利于人类需求,如面包制作官物性更利于人类需求,如面包制作;面粉被揉捏时蛋白质分子伸展,二硫键形成,面粉被揉捏时蛋白质分子伸展,二硫键形成,疏水相互作用增强,面筋蛋白转化形成了立疏水相互作用增强,面筋蛋白转化形成
21、了立体的、具有黏弹性的蛋白质网状结构。体的、具有黏弹性的蛋白质网状结构。2.2.3食品主要成分结构形态食品主要成分结构形态脂肪脂肪 层状层状 六方形六方形 六方形六方形 立方立方 晶体结构不晶体结构不同,其物性同,其物性也不同也不同.2.2.3食品主要成分结构形态食品主要成分结构形态碳水化合物碳水化合物 双螺旋结构双螺旋结构双螺旋聚合结构双螺旋聚合结构蛋盒式结构蛋盒式结构双螺旋水合结构双螺旋水合结构单螺旋结构:单螺旋结构:直链淀粉直链淀粉双螺旋结构双螺旋结构:角叉菜胶:角叉菜胶P25图图2-33蛋盒结构:蛋盒结构:海藻酸盐海藻酸盐P27图图2-352.2.3食品主要成分结构形态食品主要成分结构
22、形态碳水化合物碳水化合物 淀粉糊化过程中的粘度变化淀粉糊化过程中的粘度变化颗粒代表支链淀粉,曲线代表直链淀粉颗粒代表支链淀粉,曲线代表直链淀粉 直链直链支链支链教材:教材:P262.3.1 2.3.1 水的基本物性水的基本物性2.3.2 2.3.2 水与离子、亲水溶质间的相互作用水与离子、亲水溶质间的相互作用 2.3.3 2.3.3 水与非极性物质的相互作用水与非极性物质的相互作用水水异异常常的的物物理理性性质质1、高熔点、高熔点(0),高沸点高沸点(100)2、介电常数大、介电常数大3、表面张力高表面张力高4 4、热容和相转变热焓高、热容和相转变热焓高熔化热、蒸发热和升华热熔化热、蒸发热和升
23、华热 5、密度低、密度低(1g/cm3),凝固时的异常膨胀率,凝固时的异常膨胀率6、粘度正常、粘度正常(1cPas)与元素周期表中与元素周期表中邻近邻近氧氧的某些元的某些元素的氢化物比较素的氢化物比较导致食品组织结构的破坏导致食品组织结构的破坏尽可能地缩小它的表面尽可能地缩小它的表面积积水的异常性质可以推测水分子间存在强烈的吸引力水的异常性质可以推测水分子间存在强烈的吸引力水具有不寻常的结构水具有不寻常的结构2.3.1水的基本物性水的基本物性1.H-O键间电荷的非对称分布键间电荷的非对称分布使使H-O键具有极性,这种极键具有极性,这种极性使分子之间产生引力性使分子之间产生引力.2.由于每个水分
24、子具有数目由于每个水分子具有数目相等的氢键供体和受体,因相等的氢键供体和受体,因此可以在三维空间形成多重此可以在三维空间形成多重氢键,形成氢键网络结构。氢键,形成氢键网络结构。氢键供体氢键供体氢键供体氢键供体氢键受体氢键受体氢键供体氢键供体水分子的缔合水分子的缔合Association of water molecules2.3.1水的基本物性水的基本物性水的分子团水的分子团多孔隙构造多孔隙构造2.3.1水的基本物性水的基本物性P30:图图2-41每个水分子在结构中稳定的时间仅在每个水分子在结构中稳定的时间仅在10-12s左右,在极短的时间内,于其平衡位置振动左右,在极短的时间内,于其平衡位置
25、振动和排列,并不断有水分子脱离和加入某一个和排列,并不断有水分子脱离和加入某一个分子团,这也是水具有低粘度和较好流动性分子团,这也是水具有低粘度和较好流动性的根本原因。的根本原因。2.3.1水的基本物性水的基本物性准稳定系统准稳定系统2.3.2水与离子、亲水溶质间的相互作用水与离子、亲水溶质间的相互作用离子和有机分子的离子基团与水形成离子和有机分子的离子基团与水形成水水-离离子键子键,其键能虽然远小于共价键,但是却大于,其键能虽然远小于共价键,但是却大于水分子间的氢键,使水分子的流动性下降。水分子间的氢键,使水分子的流动性下降。2.3.2水与离子、亲水溶质间的相互作用水与离子、亲水溶质间的相互
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