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1、第二章 食品成分及单元操作,1.1 食品的成分及其营养特性1.2 基本单元操作,1.1 食品的成分及其营养特性,碳水化合物是具有Cx(H2O)y结构的有机化合物，又称为糖类质，是多羟基醛或多羟基酮及其衍生物和缩合物的总称。按化学结构的不同碳水化合物可分为单糖、低聚糖、多糖。,1.1.1 碳水化合物,1.单糖、低聚糖的性质,（1）通常作为甜味剂使用，并给予溶液稠度和口感。（2）易溶于水形成糖浆，容易造成生产中可溶性糖的水溶性损失。（3）容易被微生物发酵，但高浓度时又能防止微生物生长。（4）因加热而使颜色变深或焦糖化。（5）还原糖与蛋白质结合时产生褐色，称为美拉德反应，使制品色泽加深并产生特殊的风
2、味。,（6）功能性低聚糖是指对人、动物具有特殊生理作用的单糖数在210之间的一类寡糖，它的甜度一般只有蔗糖的3050%，具有低热量、抗龋齿、防治糖尿病、改善肠道菌落结构等生理作用。它是当今食品科学与工程研究领域的前沿，被誉为“21世纪食品工业的先导”。,2.淀粉的性质,（1）没有甜味。（2）在冷水中不易溶解，与水一起加热会发生溶胀，导致悬浮液的粘度增加而形成糊状物，后者在冷却时形成凝胶。（3）糊化后的淀粉缓慢冷却或长期放置，会变得不透明甚至凝结出现沉淀，从而导致食品质构的变化，一般直链淀粉较支链淀粉易老化。（4）淀粉凝胶可被糖或酸改性，使之原有的物理性质如水溶性、粘度、流动性等发生改变，这种经
3、过处理后的淀粉称为改性淀粉，在食品生产中常用作增稠剂和保型剂。,3.维生素和半纤维素的性质,这两类物质较难分解，它们不溶于冷水和热水，并且不能被人消化，因此不产生能量。纤维素对人体有促进消化和防止便秘的作用。将天然纤维素经过适当处理后改变其原有的性质，如羧甲基纤维素(CMC)被用作增稠剂、微晶纤维素作为无热量填充剂使用。,4.果胶和其他植物胶的性质,植物体内果胶物质有原果胶、果胶与果胶酸三种状态。果胶是亲水性胶体，它的水溶液在一定条件下可以形成凝胶。当加入糖和酸时，果胶溶液形成凝胶，这是制造果冻的基础。其它植物胶有阿拉伯胶、刺槐豆胶、黄耆胶以及海藻产生的琼脂胶、卡拉胶和海藻胶，这些天然存在的植
4、物胶在食品生产中作为增稠剂和稳定剂被广泛使用。,自然界中构成蛋白质的氨基酸有20种，其中有8种氨基酸因人体不能合成或合成速度很慢不够维持生长和健康的需要而必须从膳食中补充，它们被称为必需氨基酸，有亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸。对于儿童来说，还需要增加组氨酸以满足生长的需要。非必需氨基酸包括丙氨酸、精氨酸、天门冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、甘氨酸、羟脯氨酸、脯氨酸、丝氨酸和酪氨酸。这些氨基酸对健康也是必需的，但是人体可以用其它氨基酸和氨基化合物来合成。,1.1.2 蛋白质,氨基酸结构式,氨基酸肽键结构,蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸排列顺序；蛋白质二级结构是指
5、肽链的主链在空间的排列，或规则的几何走向、旋转及折叠.,蛋白质三级结构是指在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构；蛋白质四级结构是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式，各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。,蛋白质的沉淀：在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液，这种沉淀是可逆的，所以又称为非变性沉淀（可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等）；在沉淀过程中，不仅破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性
6、，而且也破坏蛋白质的结构和性质，这种沉淀是不可逆的，所以又称为变性沉淀。蛋白质变性：蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性。,1.1.3 脂类,脂类包括脂肪、蜡、磷脂、糖脂、类固醇等。典型的脂肪分子由甘油与三个脂肪酸分子结合成酯。有几种不饱和脂肪酸在人体内有特殊生理功能但人体又不能合成，必须由食物提供，称为必需脂肪酸，如亚油酸、亚麻酸、花生油烯酸，它们主要来自植物油。,脂肪细胞,脂肪结构,在氧气、日光、微生物或酶的作用下脂肪发生酸臭，口味变苦，称为酸败。为了防止或减缓脂肪酸败的发生，可
7、以在脂肪的产品中加入抗氧化剂。脂肪具有特殊的风味且富含能量，摄入少量脂肪即使人产生饱腹感。,脂肪水解酸败,1.维生素A(视黄醇)2.维生素D 3.维生素E 4.维生素K 5.维生素C6.B族维生素,1.1.4 维生素,脂溶性维生素,水溶性维生素,维生素是人和动物为维持正常的生理功能而必须从食物中获得的一类微量有机物质。维生素不提供热量，也不是机体的组成成分，但在促进蛋白质、碳水化合物和脂肪代谢的酶系及维持人体健康方面起着重要的作用。,各种维生素的功能和来源,1.维生素A(视黄醇)主要存在于哺乳动物及海水鱼的肝脏中，植物中不含维生素A，但含有它的前体-胡萝卜素。人和其它动物需要维生素A或-胡萝卜
8、素，-胡萝卜素存在于柑橘、黄色蔬菜以及绿色蔬菜中。缺乏维生素A会导致失明，年轻人的骨骼、牙齿不能正常生长，上皮细胞、鼻、咽喉和眼部发生疾病，人体对感染的抵抗力降低。,-胡萝卜素转化为维生素,2.维生素D 维生素D是类固醇的衍生物，主要存在于动物性食品如肝、鱼油、乳品和蛋品中，尤以海产鱼肝油最为丰富。维生素D能增加钙和磷的吸收，从而有利于促进骨骼和牙齿的形成。缺乏维生素D会导致骨骼缺陷，儿童引起佝偻病、成人则患骨质软化病。,紫外线作用下维生素D的生成,3.维生素E 维生素E又称生育酚，广泛分布于动植物食品，它是一种强抗氧化剂，可阻止人体细胞内不饱和脂肪酸的氧化，对抗衰老及预防动脉硬化等具有显著的
9、作用；对维生素A、维生素C、胡萝卜素及脂肪起着保护作用，使它们免遭氧化破坏。4.维生素K 维生素K广泛分布于各类食物中，最好的来源是绿叶蔬菜，肠道微生物也能合成，人体很少缺乏。维生素K最重要的作用是促进肝脏生成凝血酶原，从而具有促进凝血的作用。,5.维生素C 维生素C又称抗坏血酸，因其具有防治坏血病的功能、并有酸味而得名。维生素C的良好来源是柑橘类水果、番茄、卷心菜、青椒。维生素C极不稳定，在烹调及食品加工中易损失，含维生素C的食品必须避免暴露在氧气中以防止损失。维生素C缺乏会导致毛细血管发脆、齿龈出血、牙齿松动和关节疾病。维生素C有助于铁的吸收，对缺铁性贫血有辅助治疗作用。,L-抗坏血酸及L
10、-脱氢抗坏血酸的结构,6.B族维生素 B族维生素有B1（硫胺素）、B2（核黄素）、B5（尼克酸）、B6、B12、叶酸、泛酸等。,维生素B6包括吡哆醇，吡哆醛和吡哆胺，广泛存在于肌肉类肉、肝、绿色蔬菜和带麸皮的谷物中。维生素B6是机体内很多酶的辅酶，对糖、脂肪、蛋白质的分解、利用及糖元的转化起着促进作用。叶酸存在于动植物食品中，对核苷酸和氨基酸的合成代谢具有重要作用，缺乏时会产生各种贫血症、白血球减少及口腔炎等疾病。泛酸在自然界中分布广泛，体内缺乏泛酸导致机体机能下降、对感染的抵抗力减弱和对压力的忍受力下降。,维生素B12又称抗恶性贫血因子，主要存在于肝、肉和海产品中，植物性食品中几乎没有。缺乏
11、B12将发生核酸、蛋白质合成障碍，表现为巨幼红细胞贫血症，并导致神经系统损害。,维生素B12的的结构,1.1.5 矿物质,食物中除碳、氢、氧、氮四种元素，其余元素统称为矿物质，人体中约占4%。,钙和磷是人体需要量最大的矿物质，钙、磷的最好来源是乳及乳制品，此外鱼、虾、海带等海产品及绿叶蔬菜、豆类、芝麻中也含钙、磷较多。年轻人、怀孕和哺乳期妇女对钙和磷的需要量最高，儿童缺钙易患佝偻病，成人则易引起骨质软化症。,铁主要存在于血细胞的血红蛋白、肌红蛋白、铁蛋白及一些酶类中，均与蛋白质结合在一起。铁在机体内参与氧的运送、交换和组织呼吸过程，铁还与能量代谢及促进肝脏等组织细胞的生长发育有关，人体缺铁会引
12、起缺铁性贫血。,成人对不同形态的铁的吸收,锌在体内的含量仅次于铁，锌是参与碳水化合物和蛋白质代谢以及核酸合成的酶的一个必需组分。动物性食品是锌的主要来源。锌缺乏会妨碍生长和发育，导致皮肤病和食欲下降。其它元素：钠、钾、硒、氟、碘等。,为了满足人体对各种矿物元素的需要，在食品加工中要防止损失，有时还需根据需要在某些食品中进行强化。在人们的日常膳食中应注意碱性食品与酸性食品的合理搭配。因为酸性食品中含非金属元素氮、硫、磷较多，如肉类、鱼类、蛋类、谷物类等；而碱性食品中金属元素较多，如蔬菜、水果、薯类、大豆、牛奶等。,必需元素对生物生长的影响,1.1.6 水,食品中的水有两种存在形式，即自由水和结合
13、水，这在很大程度上决定着食品的物理性质。自由水能流动，具有溶解溶质的作用，可以被微生物利用，与食品的腐败变质有着重要关系。结合水则与食品中的蛋白质或糖的活性基以氢键等方式结合，不能作为溶剂，也不能被微生物利用。结合水较难分离，而一旦分离后食品的风味会发生改变。,1.2 基本单元操作,食品工业中的加工过程复杂多样，常需使用流体输送、沉降、过滤、离心分离、混合、乳化、传热、蒸发、结晶、干燥、冷冻等操作过程，通常将这些相对独立的操作过程称为单元操作。,1.2.1 物料输送,输送机械一般根据被输送的物料不同，分为固体物料输送设备、酱体物料输送设备、液体物料输送设备等.固体物料输送机械主要有带式输送机、
14、斗式提升机、螺旋输送机等。流体物料输送常用泵来完成，根据不同的作用原理输送泵可分为离心式、旋转式和往复式。,1.2.2 除杂与清洗,振动筛,除杂方法：筛选法，常用摆动筛、振动筛和回转圆筒筛等；风选法，常用风车、吸风分离器等。浮选法，常用流送槽和浮选机等；比重法，设备有比重去石机等；磁选法，除去原料中的铁片、铁钉、螺丝等；过滤法，利用滤网、滤布或过滤器进行过滤；离心分离法，常用各种离心分离机。,永磁筒式磁选机,浮选机,清洗：常用的机械清洗设备有滚筒式清洗机、鼓风式清洗机、全自动洗瓶机等。,自动洗瓶机,毛刷洗果机,转鼓式洗果机,冲浪式洗果机,1.2.3 粉碎,常用食品粉碎机械,对辊破碎机,冲击式破
15、碎,冲击式超微粉碎机主机,固体物料除采用上述粉碎机械外，还可以使用锤式粉碎机、锤片式粉碎机、齿爪式粉碎机、对辊式粉碎机、球磨机等。,微粉碎机,辊式雷蒙磨,颚式细碎机,1.2.4 分离,常见的分离技术有沉降、离心分离、压榨、过滤、膜分离等。,过滤机,离心机,陶瓷过滤机,用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法，统称为膜分离法。膜分离也叫微孔过滤，根据过程推动力的不同，膜分离可以分为以压力为推动力的膜分离和以电力为推动力的膜分离，前者称为超滤和反渗透，后者称为电渗析。,膜分离装置,1.2.5 混合,粉料搅拌混合机,均质
16、机,混合机械主要分两类：一类是对粉粒状物料和较低粘度的液态物料进行混合的机械称为混合机和搅拌机。另一类是对高粘度浆料和粘弹性物料进行混合的机械叫捏合机或揉和机，如和面机、糖蜜搅拌机、打蛋机等。将乳浊液(如牛奶和豆奶等)或悬浮液(如果汁)进行边破碎、边混合的操作称做均质。,打蛋机,1.2.6 加热,常压杀菌设备的杀菌温度为100以下，用于pH值小于4.5的产品杀菌。加压杀菌设备一般在密闭的设备内进行，压力大于0.1Mpa，温度常在120 左右。常见的杀菌设备有：静止式高压杀菌锅、搅动式杀菌锅、超高温瞬时杀菌机设备（包括平衡罐、输送泵、(UHT)超高温瞬时杀菌机、均质机、CIP自动清洗系统及自动控
17、制系统等）。,1.杀菌,卧式杀菌锅,立式杀菌锅,超 高 压 瞬 时 杀 菌设 备,间断式真空浓缩罐,2.蒸发,蒸发浓缩是食品工厂中使用最广泛的浓缩方法，它是在低压状态下对料液加热，使其在低温下沸腾蒸发的一种浓缩方法，具有蒸发速率高、料液营养损失等有点。真空浓缩根据加热蒸汽被利用的次数可分为单效浓缩、二效浓缩，多效浓缩。,三效降膜式真空浓缩器,双效降膜式真空浓缩器,3.干燥,食品干燥广泛用于乳粉、速溶咖啡、膨化食品、脱水蔬菜等各种产品的制作，通过干燥可以防止产品霉烂变质，延长贮存期，减少体积和重量，利于运输。干燥方法和干燥器形式很多，常用的有喷雾干燥器、箱式干燥器、转筒干燥器、带式干燥器。,真空
18、干燥机,喷雾干燥机,带式干燥机,冷冻干燥机,1.2.7 冷冻,食品工业中制冷主要应用于以下几方面：冷冻制品、速冻制品的加工；食品的贮藏；用作食品加工的特殊手段，如冷冻浓缩、冷冻干燥等；用于生产过程中的冷却降温；用于生产车间的空气调节。,1.2.8 过程控制,为获得预期的食品质量，就必须建立各种方法对每个单元操作进行检测和控制。过程控制本身也可看作是一种单元操作，它所采用的工具有阀、温度计、各种衡器、恒温设备以及其它一些种类繁多的控制元件和仪表等，以测定和调节各种主要加工因素，如温度、压力、流量、酸度、相对密度、重量、粘度、湿度、时间、液位等。,PCS 7过程控制系统应用于所有工业领域的过程控制
19、系统,罗氏制药维他命B6生产装置自动化控制系统,1.2.9 单元操作的交叉,将所有食品加工过程简单地划分或分组成单元操作是不正确的，很多时候会发生单元操作的交叉现象。例如：过滤啤酒中的微生物既可以看作是清洗过程也可以看作是分离过程，两者都有一定的道理。谷物的磨粉操作既可看作是破碎，也可看作是分离，实际上它兼有这两种单元操作，即先破碎后分离。交叉现象并不影响单元操作这一概念的重要意义，它促使人们能够有条理地进行思考。任何一种食品的整个加工过程，如面包和冷冻浓缩橘汁的生产，就可以看出这些加工过程总是由一系列单元操作按照合理的顺序组合而成的。,1.2.10 节能措施,能耗费用是产品成本的重要组成部分，这促使人们集中精力从优化能源的角度来考虑各种单元操作、设备设计以至整个加工过程。目前，人们非常感兴趣的是分析加热过程被排至下水道或大气中的热量。对脱水、浓缩、冷冻、杀菌和其它一些单元操作在操作时间和温度方面进行了重新评价，因为这两个因素不仅影响着能源的消耗，而且还与产品的特性和安全性能有关。,
