案例式教學法在食品化學課程教學中的應用

胡坤　龔玉石　畢水蓮　王穎

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

［關鍵詞］食品化學案例式教學法教學模式

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

食品化學是從化學的角度和分子水平上研究食品的組成、結構、理化性質、營養和安全性以及它們在生產、加工、貯藏與流通過程中發生的變化以及這些變化對食品品質和安全性影響的一門基礎應用科學；是為改善食品品質、開發新的食物資源、革新食品加工工藝和貯運技術、科學調整膳食結構、改進食品包裝、加強食品質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的學科；[1][2]是食品科學與工程、食品質量與安全專業的一門專業基礎課程。

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

一、蛋白質凝膠性質的案例構建與分析

凝膠性質是蛋白質重要的功能性質，許多蛋白質類食品都是利用其凝膠性質制作的，如魚糜制品、蛋糕、豆腐等。目前，有關蛋白質凝膠的形成機理還未完全清楚，但本部分的教學目的是要使學生理解蛋白質分子之間的次級作用力在凝膠形成及凝膠形態中的作用。為此，構建如下案例：傳統的灌湯包具有“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。針對灌湯包的灌湯工藝，提出以下問題：1．大多數蛋白質（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是什么？2．大多數蛋白質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象？

針對這些問題，要求學生學習教材內容及查閱相關文獻，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，使學生明確以下兩個主要的問題：1．形成蛋白質凝膠的作用力與凝膠性狀之間的關系。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，凝膠結構解體，重新成為蛋白質溶膠，當蛋白質溶液溫度下降時，蛋白質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。其他食品蛋白質主要是結構比較緊密的球形結構（如卵清蛋白），蛋白質分子含有較多的疏水殘基，在加熱時蛋白質變性展開，包埋在蛋白質內部的疏水基團暴露，蛋白質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）等相互作用而定向聚集形成凝膠。在冷卻過程中，蛋白質分子之間進一步通過氫鍵作用強化了凝膠網絡結構。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凝膠是熱不可逆的。2．蛋白質分子構象與蛋白質凝膠結構之間的關系。明膠分子是線性螺旋形結構，在形成凝膠時，分子間以氫鍵形成點連接的線性網絡結構（見圖1），這種結構使凝膠的外觀是透明的。[6]球形蛋白質分子形成凝膠分為兩個階段，第一階段是蛋白質分子受熱變性展開，形成所謂的“熔融球蛋白”的較松散的球形構象，[7]包埋在蛋白質內部的疏水基團外露；第二個階段是蛋白質分子之間以疏水相互作用聚集，由于大量蛋白質分子的存在，這種聚集顯得比較隨機，蛋白質分子來不及充分定向排列即發生聚集，從而形成如圖2的凝膠形態，這種凝膠是不透明的。[8]

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通過本案例的分析，學生掌握了以下知識：蛋白質的凝膠形態有多種類型，但其本質決定于蛋白質的氨基酸組成和蛋白質的高級構象。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象，分子間以氫鍵形成點連接的凝膠網絡。而球形構象的蛋白質凝膠過程首先是蛋白質構象的部分變性展開，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建與分析

淀粉的糊化和老化是碳水化合物章節重要的內容，也是淀粉重要的物理性質。在淀粉類食品中，利用淀粉的糊化性質制作各類食品，而防止這些食品淀粉的老化又是一項挑戰性的難題。教材中關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，其本質是微觀結構從有序轉變成無序；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生沉淀或不溶解的現象，其本質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，需要認識淀粉粒的結構及糊化和老化時淀粉分子發生的物理變化。

因此，在介紹完直鏈淀粉和直鏈淀粉的構象后，以圖片的形式解釋淀粉粒的結構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]淀粉顆粒縱切面由半結晶生長環區（semicrystalline growth ring）和無定形生長環區（amorphous growth ring）交替組成（如圖4所示），無定形生長環區主要是直鏈淀粉和未結晶成簇的支鏈淀粉側鏈。半結晶生長環區支鏈淀粉的結構如圖4中的右側部分所示，該區域由結晶薄層（crystalline lamellae）和無定形薄層（amorphous lamellae）交替組成，結晶薄層是支鏈淀粉側鏈螺旋結構組成的結晶簇，無定形薄層則是未結晶的支鏈淀粉側鏈。由圖解可以比較形象直觀地說明淀粉粒的結構。

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在介紹完淀粉顆粒的結構后，組織學生討論淀粉是如何糊化和老化的，即淀粉在水中受熱，如何發生由有序變為無序再變為有序，并讓學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部提供了便利，因熱和水的作用，支鏈淀粉的結晶區螺旋簇的氫鍵被破壞，可以認為是結晶簇的側鏈溶解于水中，變為無序的結構，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；而淀粉顆粒內的支鏈淀粉側鏈也因溫度下降而重新形成螺旋形的側鏈簇，也即重新形成有序的結構，這就是淀粉的老化。煮熟的粥在冷卻時，黏度明顯下降，出現析水和沉淀現象，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鏈也形成規則的螺旋形側鏈簇，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，使學生對淀粉粒的結構、淀粉糊化和老化的本質有比較清晰的理解，結合日常生活中的實例與現象，可以達到形象化、直觀化的效果。

三、總結

案例式教學方法改變了傳統的填鴨式的教學模式，采用啟發式、討論式的教學方式，將抽象、復雜的理論和概念以形象化、直白的方式來描述，提高了學生的學習興趣，啟發了學生的思維，強化了學生對課程基本概念、基本理論的掌握和理解，大大提高了教學效果。但如何選擇恰當的案例及有針對性的分析需要在教學實踐中不斷完善，本文列舉的案例分析只是一種教學方法的嘗試，需要在教學活動中不斷改進。

［參考文獻］

［1］謝筆鈞. 食品化學（第三版）［Ｍ］. 北京：科學出版社，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（第三版）［Ｍ］.北京：中國輕工業出版社, 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》課程比較［Ｊ］. 安徽農業科學，2011，39（8）: 4982-4984.

［4］王志兵，邱芳萍，彭悅.對食品化學課程教學改革的思考［Ｊ］. 長春工業大學學報（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類本科課程教學中的體現［Ｊ］. 華中師范大學學報（人文社會科學版），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.

［責任編輯：鐘嵐］