案例式教學(xué)法在食品化學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

胡坤　龔玉石　畢水蓮　王穎

［摘要］以蛋白質(zhì)的凝膠性質(zhì)、淀粉的糊化和老化等難點、重點內(nèi)容為例構(gòu)建案例并進行分析，采用問題討論、教師講解等形式解釋其基本概念和理論，以探索案例式教學(xué)模式與方法在食品化學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用。

［關(guān)鍵詞］食品化學(xué)案例式教學(xué)法教學(xué)模式

［中圖分類號］G642［文獻標(biāo)識碼］A［文章編號］2095-3437（2012）08-0089-03

食品化學(xué)是從化學(xué)的角度和分子水平上研究食品的組成、結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、營養(yǎng)和安全性以及它們在生產(chǎn)、加工、貯藏與流通過程中發(fā)生的變化以及這些變化對食品品質(zhì)和安全性影響的一門基礎(chǔ)應(yīng)用科學(xué)；是為改善食品品質(zhì)、開發(fā)新的食物資源、革新食品加工工藝和貯運技術(shù)、科學(xué)調(diào)整膳食結(jié)構(gòu)、改進食品包裝、加強食品質(zhì)量控制及提高食品原料加工和綜合利用水平奠定理論基礎(chǔ)的學(xué)科；[1][2]是食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。

本課程的難點、重點主要分布在水、糖類、脂類、蛋白質(zhì)和氨基酸等章節(jié)。該部分內(nèi)容理論性強、概念抽象，需要學(xué)生具備寬廣的通識基礎(chǔ)知識和一定的食品科學(xué)基礎(chǔ)。[3][4]傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)效果較差，學(xué)生聽起來很辛苦，理解起來也很困難，增加了畏難情緒，失去了學(xué)習(xí)的興趣。因此，需要探索新的教學(xué)方法以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，幫助學(xué)生理解及運用這些基本理論和概念。[5]本文擬就這些章節(jié)中的難點內(nèi)容采用案例式和問題式的教學(xué)方法，通過設(shè)計案例及問題討論，讓學(xué)生帶著問題去主動學(xué)習(xí)，以期達到提高教學(xué)效果的目的。

一、蛋白質(zhì)凝膠性質(zhì)的案例構(gòu)建與分析

凝膠性質(zhì)是蛋白質(zhì)重要的功能性質(zhì)，許多蛋白質(zhì)類食品都是利用其凝膠性質(zhì)制作的，如魚糜制品、蛋糕、豆腐等。目前，有關(guān)蛋白質(zhì)凝膠的形成機理還未完全清楚，但本部分的教學(xué)目的是要使學(xué)生理解蛋白質(zhì)分子之間的次級作用力在凝膠形成及凝膠形態(tài)中的作用。為此，構(gòu)建如下案例：傳統(tǒng)的灌湯包具有“皮薄餡大，灌湯流油，軟嫩鮮香，潔白光潤，提起像燈籠，放下似菊花”的美譽而聞名中外。灌湯包制作的一個關(guān)鍵原料是豬皮熬成的皮凍，在低溫下，加有皮凍的湯汁和餡料凝結(jié)成凝膠，切碎后包入面皮，蒸熟后即可做成灌湯包。灌湯包的灌湯是利用了豬皮熬制的明膠（皮凍）在低溫下形成凝膠，加熱后凝膠變成溶膠的性質(zhì)。針對灌湯包的灌湯工藝，提出以下問題：1．大多數(shù)蛋白質(zhì)（如雞蛋清）凝膠都是加熱型凝膠，外觀是不透明的；但明膠的凝膠是在冷卻時形成的，且外觀透明。形成這種差別的本質(zhì)是什么？2．大多數(shù)蛋白質(zhì)凝膠不具有熱可逆性，而明膠形成的凝膠是熱可逆的，即凝膠受熱后變成溶膠，冷卻時又重新形成凝膠。為何明膠凝膠會有這種獨特的現(xiàn)象？

針對這些問題，要求學(xué)生學(xué)習(xí)教材內(nèi)容及查閱相關(guān)文獻，然后組織小組進行討論，嘗試分析這些問題的答案。通過本案例的分析，使學(xué)生明確以下兩個主要的問題：1．形成蛋白質(zhì)凝膠的作用力與凝膠性狀之間的關(guān)系。明膠分子主要由甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸等極性氨基酸組成線性螺旋形的分子構(gòu)象，明膠分子之間主要以氫鍵形成凝膠。由于溫度升高不利于氫鍵的形成，明膠凝膠分子間的氫鍵因受熱而被破壞，凝膠結(jié)構(gòu)解體，重新成為蛋白質(zhì)溶膠，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液溫度下降時，蛋白質(zhì)分子間再次以氫鍵形成凝膠。因此，明膠的凝膠具有熱可逆性。其他食品蛋白質(zhì)主要是結(jié)構(gòu)比較緊密的球形結(jié)構(gòu)（如卵清蛋白），蛋白質(zhì)分子含有較多的疏水殘基，在加熱時蛋白質(zhì)變性展開，包埋在蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水基團暴露，蛋白質(zhì)分子之間主要通過疏水相互作用、二硫鍵（含半胱氨酸和胱氨酸的蛋白質(zhì)）等相互作用而定向聚集形成凝膠。在冷卻過程中，蛋白質(zhì)分子之間進一步通過氫鍵作用強化了凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于溫度升高有利于疏水相互作用，因此，以疏水相互作用和二硫鍵為主要作用力形成的蛋白質(zhì)凝膠是熱不可逆的。2．蛋白質(zhì)分子構(gòu)象與蛋白質(zhì)凝膠結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。明膠分子是線性螺旋形結(jié)構(gòu)，在形成凝膠時，分子間以氫鍵形成點連接的線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（見圖1），這種結(jié)構(gòu)使凝膠的外觀是透明的。[6]球形蛋白質(zhì)分子形成凝膠分為兩個階段，第一階段是蛋白質(zhì)分子受熱變性展開，形成所謂的“熔融球蛋白”的較松散的球形構(gòu)象，[7]包埋在蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水基團外露；第二個階段是蛋白質(zhì)分子之間以疏水相互作用聚集，由于大量蛋白質(zhì)分子的存在，這種聚集顯得比較隨機，蛋白質(zhì)分子來不及充分定向排列即發(fā)生聚集，從而形成如圖2的凝膠形態(tài)，這種凝膠是不透明的。[8]

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通過本案例的分析，學(xué)生掌握了以下知識：蛋白質(zhì)的凝膠形態(tài)有多種類型，但其本質(zhì)決定于蛋白質(zhì)的氨基酸組成和蛋白質(zhì)的高級構(gòu)象。膠原蛋白因其特殊的氨基酸組成（甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸等）形成螺旋形的高級構(gòu)象，分子間以氫鍵形成點連接的凝膠網(wǎng)絡(luò)。而球形構(gòu)象的蛋白質(zhì)凝膠過程首先是蛋白質(zhì)構(gòu)象的部分變性展開，暴露出來的疏水基團以疏水相互作用聚集，形成蛋白質(zhì)凝膠的主要作用力是疏水相互作用、氫鍵、二硫鍵（如含有含硫氨基酸）、靜電相互作用等。因此，形成的凝膠是不可逆、不透明的。

二、淀粉糊化與老化的案例構(gòu)建與分析

淀粉的糊化和老化是碳水化合物章節(jié)重要的內(nèi)容，也是淀粉重要的物理性質(zhì)。在淀粉類食品中，利用淀粉的糊化性質(zhì)制作各類食品，而防止這些食品淀粉的老化又是一項挑戰(zhàn)性的難題。教材中關(guān)于淀粉糊化和老化的敘述如下：糊化是指淀粉粒受熱到一定溫度時在水中溶脹，分裂，形成均勻的糊狀溶液的過程，其本質(zhì)是微觀結(jié)構(gòu)從有序轉(zhuǎn)變成無序；淀粉的老化是淀粉糊冷卻或貯藏時，淀粉分子通過氫鍵再締合產(chǎn)生沉淀或不溶解的現(xiàn)象，其本質(zhì)是淀粉分子從無序到有序的過程。要理解淀粉的糊化和老化的本質(zhì)，需要認識淀粉粒的結(jié)構(gòu)及糊化和老化時淀粉分子發(fā)生的物理變化。

因此，在介紹完直鏈淀粉和直鏈淀粉的構(gòu)象后，以圖片的形式解釋淀粉粒的結(jié)構(gòu)及支鏈淀粉和直鏈淀粉在淀粉粒中的分布。谷物淀粉粒中直鏈淀粉和支鏈淀粉以淀粉粒中心向四周徑向排列，直鏈淀粉穿插在支鏈淀粉分子間的縫隙（圖3）。[1][2]淀粉顆?？v切面由半結(jié)晶生長環(huán)區(qū)（semicrystalline growth ring）和無定形生長環(huán)區(qū)（amorphous growth ring）交替組成（如圖4所示），無定形生長環(huán)區(qū)主要是直鏈淀粉和未結(jié)晶成簇的支鏈淀粉側(cè)鏈。半結(jié)晶生長環(huán)區(qū)支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)如圖4中的右側(cè)部分所示，該區(qū)域由結(jié)晶薄層（crystalline lamellae）和無定形薄層（amorphous lamellae）交替組成，結(jié)晶薄層是支鏈淀粉側(cè)鏈螺旋結(jié)構(gòu)組成的結(jié)晶簇，無定形薄層則是未結(jié)晶的支鏈淀粉側(cè)鏈。由圖解可以比較形象直觀地說明淀粉粒的結(jié)構(gòu)。

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在介紹完淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)后，組織學(xué)生討論淀粉是如何糊化和老化的，即淀粉在水中受熱，如何發(fā)生由有序變?yōu)闊o序再變?yōu)橛行?，并讓學(xué)生舉出日常生活中淀粉糊化和老化的實例。最終，由教師解釋淀粉的糊化和老化過程：分散在水中的淀粉受熱時，淀粉顆粒吸水膨脹，因氫鍵隨溫度的升高而被破壞，貫穿在淀粉粒內(nèi)的直鏈淀粉溶出，增加了水相的黏度，直鏈淀粉的溶出為更多的水進入淀粉顆粒內(nèi)部提供了便利，因熱和水的作用，支鏈淀粉的結(jié)晶區(qū)螺旋簇的氫鍵被破壞，可以認為是結(jié)晶簇的側(cè)鏈溶解于水中，變?yōu)闊o序的結(jié)構(gòu)，淀粉顆粒膨脹、破裂，水相黏度顯著增加，此為淀粉的糊化。例如，在煮粥時，隨著水溫的升高，米粒吸水膨脹，米粒的直鏈淀粉逐漸溶出，水變得越來越混濁黏稠，米粒膨大松散，最終支鏈淀粉完全糊化，米粒形成了粥。

糊化的淀粉冷卻時，隨著溫度的下降，水相中的直鏈淀粉最容易以氫鍵相互聚集，形成不溶性沉淀；而淀粉顆粒內(nèi)的支鏈淀粉側(cè)鏈也因溫度下降而重新形成螺旋形的側(cè)鏈簇，也即重新形成有序的結(jié)構(gòu)，這就是淀粉的老化。煮熟的粥在冷卻時，黏度明顯下降，出現(xiàn)析水和沉淀現(xiàn)象，這是由于粥水中的直鏈淀粉以氫鍵形成不溶性聚集體，從粥水中沉淀下來，降低了粥的黏度。同時，粥中的支鏈淀粉部分側(cè)鏈也形成規(guī)則的螺旋形側(cè)鏈簇，進一步降低了粥的黏度，使得粥的米粒口感變硬。淀粉的老化受含水量和淀粉組成的影響，米飯冷卻時比粥更易回生（淀粉老化），含有直鏈淀粉的普通米飯比幾乎不含直鏈淀粉的糯米飯更易回生，說明直鏈淀粉比支鏈淀粉易老化。

通過以上的案例解釋，使學(xué)生對淀粉粒的結(jié)構(gòu)、淀粉糊化和老化的本質(zhì)有比較清晰的理解，結(jié)合日常生活中的實例與現(xiàn)象，可以達到形象化、直觀化的效果。

三、總結(jié)

案例式教學(xué)方法改變了傳統(tǒng)的填鴨式的教學(xué)模式，采用啟發(fā)式、討論式的教學(xué)方式，將抽象、復(fù)雜的理論和概念以形象化、直白的方式來描述，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)了學(xué)生的思維，強化了學(xué)生對課程基本概念、基本理論的掌握和理解，大大提高了教學(xué)效果。但如何選擇恰當(dāng)?shù)陌咐坝嗅槍π缘姆治鲂枰诮虒W(xué)實踐中不斷完善，本文列舉的案例分析只是一種教學(xué)方法的嘗試，需要在教學(xué)活動中不斷改進。

［參考文獻］

［1］謝筆鈞. 食品化學(xué)（第三版）［Ｍ］. 北京：科學(xué)出版社，2011.

［2］Owen R. Fennema著，王璋，許時嬰，江波，楊瑞金，鐘芳， 麻建國譯. 食品化學(xué)（第三版）［Ｍ］.北京：中國輕工業(yè)出版社, 2003.

［3］張文斌，楊瑞金，盧蓉蓉，華霄，趙偉，夏文水.中美高校《食品化學(xué)》課程比較［Ｊ］. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（8）: 4982-4984.

［4］王志兵，邱芳萍，彭悅.對食品化學(xué)課程教學(xué)改革的思考［Ｊ］. 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報（高教研究版），2010，31（2）:84-86.

［5］劉欣，周愛梅，趙力超. 新的教育觀念在食品化學(xué)類本科課程教學(xué)中的體現(xiàn)［Ｊ］. 華中師范大學(xué)學(xué)報（人文社會科學(xué)版），2006，5: 144-146.

［6］T. E. Creighton. Protein Folding. W. H. Freeman and Company, New York.1992:243-300.

［7］J. R. Mitchell, D. A. Leward. Functional Properties of Food Macromolecules［M］. London:Elsevier Applied Science, 1986: 171-201.

［8］Tombs M. P. Gelation of globular proteins［J］. Faraday Discuss Chemistry Society. 1974，（57）:158-164.

［責(zé)任編輯：鐘嵐］