水和矿物质专科.ppt

第一章 水和矿物质,第一节 水分和水分活度一、水在生物体内的含量与作用,水是食品的主要成分之一，各种食品都有显示其品质的特征含水量,大多数生物体内水分含量为70%-80%,果蔬:75%-95%,肉类:50%-80%,面:35%-45%,谷物:10%-15%。,水在食品工艺学方面的功能,食品理化性质：,食品质地方面：,食品安全性：,食品工艺角度：,溶解、促进电解质电离、调节体温、体内摩擦的润滑剂,对食品的新鲜度、硬度、风味、流动性、色泽、耐贮性和加工适应性有影响,水是微生物繁殖的必需条件,水起着膨润、浸透、均匀 化等功能；大多数食品加工的单元操 作都与水有关，如干燥、浓缩、冷冻、水的固定等,二、食品中水分状态与分布,1、食品中水分状态（1）游离态：容易结冰，能溶解溶质，主要存在于细胞质、细胞膜、细胞间隙（2）水合态：水分子与活性基团以氢键形式相结合的 水，（3）凝胶态：存在于细微的纤维或者薄膜中（4）表面吸附态：吸附于固体表面的水,2.食品中水的分类,水,体相水,结合水,自由水,以毛细管力结合的水；邻近水,截留水,构成水,以氢键结合力结合的水；毛细管水,多层水,Categories of water in foods,三、水分活度,1.Water activity(Aw)的定义,f 溶剂（水）的逸度 f0纯溶剂（水）的逸度 逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势,差别1%,仅适合理想溶液,水分活度(water activity)是指食品中水的蒸汽压与该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值,可用下式表示:,Aw与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关,ERH(Equlibrium Relative Humidity),Aw是样品的内在品质，ERH是与样品平衡的大气的性质 仅当产品与环境达到平衡时，关系式才能成立,从图中可以看出：在含水量一定的情况下，水活活度的对数与绝对温度的倒数呈良好的线性关系，而且水分活度对温度的相依性是含水量的函数。,2、水分活度与温度的关系,高于或低于冻结温度时样品的水活性和温度之间的关系,(1)在冰点以下的温度呈线性关系。(2)湿度对冰点以下的aw的影响一般远远超过对冰点以上的aw的影响。(3)该图在样品的冰点处不连续并产生急剧的转折。,比较冰点以上和冰点以下Aw:,在冰点以上，Aw是样品组成与温度的函数，前者是主要的因素;在冰点以下，Aw与样品的组成无关，而仅与温度有关，即冰相存在时，Aw不受所存在的溶质的种类或比例的影响，不能根据Aw 预测受溶质影响的反应过程 不能根据冰点以下温度Aw预测冰点以上温度的Aw 当温度改变到形成冰或熔化冰时，就食品稳定性而言，水分活度的意义也改变了,3、水分活度与食品含水量的关系,定义：在恒定的温度下，食品的水分含量(用单位干物质质量中水的质量表示，g水g干物质)与它的水分活度之间的关系图称为吸附等温线（简称MSI）。,高水分食品的MSI,从正常至干燥的整个水分含量范围,低水分食品的MSI,加水回吸时，试样的组成从区（干）移至区（高水分）各区相关的水的性质存在着显著的差别（实际是连续变化的）,区的水的性质：,构成水和邻近水最强烈地吸附 最少流动 水离子或水偶极相互作用 在-40不结冰 不能作为溶剂 看作固体的一部分 占总水量极小部分,BET单层：,区和接界 0.07g H2O/g干物质 Aw=0.2 相当于一个干制品能呈现最高的稳定性时含有的最大水分含量,区的水的性质：,多层水通过氢键与相邻的水分子和溶质分子缔合 流动性比体相水稍差 大部分在-40不结冰 导致固体基质的初步肿胀 区和区的水占总水分的5%以下,真实单层：,区和接界 0.38g H2O/g干物质 Aw=0.85,区的水的性质：,体相水 被物理截留或自由的 性质与稀盐溶液中的水类似 占总水分的95%以上,21,Water activity and Moisture Sorption Isotherms,BET,真实单层,邻近水,多层水,不同食品类型的MSI,大多数食品的吸湿等温线为S形；而水果、糖制品、含有大量糖和其它可溶性小分子的咖啡提取物等食品的吸湿等温线为J形。,MSI与温度的关系,水分含量一定 T，Aw Aw一定 T，水分含量,滞后现象（Hysteresis）,回吸：使样品吸水 解吸：使样品脱水滞后现象（Hysteresis）：回吸与解吸所得的等温线不重叠现象即为“滞后现象”（Hysteresis）。,一般来说，当Aw一定时，解吸过程中食品的水分含量大于回吸过程中水分含量。解吸线在上方 滞后环形状取决于 食品品种 温度,滞后环,高糖-高果胶食品,空气干燥苹果 总的滞后现象明显 滞后出现在单分子层水区域 Aw0.65时，不存在滞后,高蛋白食品,冷冻干燥熟猪肉 Aw0.85开始出现滞后 滞后不严重 回吸和解吸等温线均保持S形,淀粉质食品,冷冻干燥大米 存在大的滞后环 Aw=0.70时最严重,温度的影响,苹果：当温度从2.8度提高到37.9度时，滞后现象的起始点从0.65转移至0.20；猪肉：水分活度从0.95转移至0.60,解吸过程中一些水分与非水溶液成分作用而无法放出水分。不规则形状产生毛细管现象的部位,欲填满或抽空水分需不同的蒸汽压(要抽出需P内P外,要填满则需P外P内)。解吸作用时,因组织改变,当再吸水时无法紧密结合水,由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的aw。,滞后现象产生的原因,2.8 水分活度与食品稳定性,Water activity and food stability,低水分活度能抑制食品化学变化的机理,第一,大多数化学反应都必须在水溶液中才能进行，则食品中结合水的比例增加,自由水的比例减少。第二,很多化学反应是属于离子反应,该反应发生的条件是反应物首先必须进行离子化或水化作用,而发生离子化或水化作用的条件必须有足够的自由水才能进行。,第三,很多化学反应和生物化学反应都必须有水分子参加才能进行(如水解反应）。若降低水分活度,就减少了参加反应的自由水的数量,反应物(水)的浓度下降,化学反应的速度也就变慢。,36,六、水分活度与食品稳定性,Microorganisms may grow above a given,food material specific water contentMicroorganisms do not grow at low water activitiesGrowth of microorganisms may occur in intermediate moisture foods,1.Microbiological stability Aw,There are general water activity limits for growth of molds,yeasts and bacteria,aw 0.6 xerophilic（耐干燥）molds and yeasts aw 0.75 halophilic（耐盐的）bacteria aw 0.8 most molds and yeasts aw 0.86 pathogenic（致病的）bacteria,水分活度与食品化学变化的关系,39,(1)Aw：0-0.33范围内随Aw,反应速度过分干燥，食品稳定性下降,1.Lipid oxidation Aw,Water activity and Food Stability,Aw,原因:水与脂类氧化生成的氢过氧化物以氢键结合,保护氢过氧化物的分解,阻止氧化进行水与金属离子水合,降低了催化性,40,(2)Aw：范围内随Aw,反应速度,1.Lipid oxidation Aw,Water activity and Food Stability,Aw,原因:水中溶解氧增加 大分子物质肿胀,活性位 点暴露加速脂类氧化 催化剂和氧的流动性增加,41,(3)Aw 0.8随Aw,反应速度增加很缓慢,1.Lipid oxidation Aw,Water activity and Food Stability,Aw,原因:催化剂和反应物被稀释,阻滞氧化,42,2.Non-Enzymatic Browning Aw,Water activity and Food Stability,Aw,中等水分活度（）。反应速率最快水是一个产物，水含量继续增加，会稀 释中间产物的浓度，导致产物抑制作用 非酶褐变反应可发生在中、低水分 含量的食品中在一般情况下、浓缩的液态食品和中湿食品位于非酶褐变的最适水分含量的范围内。,低Aw(0.2)，反应速度极低或不反应,43,水分活度增大会加速蛋白质的氧化作用，破坏保持蛋白质高级结构的副键 Protein denatureProtein denature occur slowly at low water contents(0.4%)Protein denature does not occur when water content below 0.2%,3.Protein Denature Aw,Water activity and Food Stability,原因:水分能使蛋白质膨润,体积增大,暴露出长链中可氧化 的基团,Aw的增大会加速蛋白质的氧化,破坏蛋白质的 结构,导致其变性.,44,4.Starch Staling Aw,Water activity and Food Stability,食品在较高含水量（30-60%)的情况下,淀粉老化速度最快;,如果降低Aw,则老化速度减慢,若含水量降至于10%-15%,则食品中水分多呈结合态,淀粉几乎不发生老化.,45,在低水分活度条件下，风味成分和水分保留比较多。,5.Flavour Retention Aw,Water activity and Food Stability,挥发性成分必须挥发到表面，挥发程度依靠温度和水分活度.,在低水分活度条件下，挥发性成分变成包裹状。,Loss of volatiles,flavours and aroma may result from structural changes and crystallization of component compounds as encapsulated compounds are released.,第二节 矿物质（Mineral）,了解食品中矿物质的分类及存在形式；矿物质在生物体内的功能，食品中重要矿物质的营养功能；矿物质对食品性状的影响；酸性食品或碱性食品。掌握几种重要的矿物质对食品性状的影响；矿物质的生物有效性及影响生物有效性的因素。,1.定义 食品中除去C、H、O、N等四种元素和有机物质元素外，其他元素统称为矿物质，又称灰分、无机质。,分类,常量元素：含量在0.01%，人体的日需要量在100mg以上（钾、钠、钙、镁、氯、硫、磷）微量元素:含量和需要量都低于上述值 必需营养元素，Fe，Cu，I，Co，Mn和Zn等；非营养非毒性元素，AI，B，Ni等；非营养有毒性元素，Hg，Pb，AS，Cd和Sb等,2.矿物质在生物体内的功能,（1）机体的重要组成成分；（2）维持细胞的渗透压及机体的酸碱平衡；（3）通常是酶的活化剂；（4）保持神经、肌肉的兴奋性；（5）对机体具有特殊的生理功能，如铁对血红蛋白、细胞色素酶系的重要性，碘对甲状腺素合成的重要性等。,食物中矿物质存在状态,无机盐:1）可溶 2）难溶氧化物：一般的吸收率比较差配位化合物：2类：与一般的有机化合物形成与生物大分子形成螯合物：铁远大于可溶性无机盐,二、矿物质对食品性质的影响,酸性食品与碱性食品Acid Food Alkaline Food,1、酸性与碱性（1）金属元素在人体内氧化生成 Na2O K2O CaO MgO 含带阳离子的金属元素Mn+较多的食品生理上称为碱性食品（2）非金属元素P、S、Cl在体内氧化为PO43-、SO42-、Cl-含带阴离子较多的食品，生理上称为酸性食品,碱性食品 大部分果、蔬、豆类属碱性食品。,酸性食品 大部分的肉、鱼、禽、蛋因为含丰富的含硫蛋白质，米、面粉制品含磷多，所以属酸性食品。,2、判断方法采取灰化的方法，再用酸或碱中和来确定。100g食品的灰分水，用0.1N酸或碱滴定，所消耗的ml数即为食品灰分的酸、碱度。“+”表示碱度“-”表示酸度,2.对食品感官质量的作用。如磷酸盐对肉制品的保水性、结着性作用，钙离子对凝胶的形成和食品质地的作用等。铁对食品颜色的影响。,三、食品中矿物质成分的生物有效性,考察一种食物的营养质量时，不仅要考虑其中营养素的含量，还要考虑这些成分被生物体利用的实际可能性，即生物有效性。,1、影响矿物质生物有效性的因素如下：1）、食物的可消化性 2）、矿物质的化学与物理形态 3）、与其它营养物质的相互作用 4）、加工方法 5）、食品配位体6）、个体生理状态,1.食品的可消化性,如果食品不易消化，即食营养素再丰富也得不到利用，如麸皮、米糠中含有很多铁、锌等营养必需元素，但这些物质可消化性很差，因而不能利用。,2.矿物质的化学与物理状态,在消化道中，矿物质必须是溶解状态才能被吸收。颗粒大小会影响可消化性和溶解度。,3.与其他营养物质相互作用,饮食中一种矿物质过量就会招另一种矿物质利用。两种元素竞争蛋白质载体上的结合部位，或者一种矿物质与另一种矿物质化合后一起排泄掉，造成后者缺乏；也存在相互促进作用，如钙与乳生成乳酸钙，铁与氨基酸成盐，都可使这些矿物质成为可溶态，有利于吸收。,4.螯合作用,传递和贮存金属离子的螯合物：氨基酸金属螯合物；新陈代谢必需的螯合物：亚铁血红素血红蛋白螯合物；降低生物有效性、干扰营养素的螯合物：植酸金属螯合物。,5.加工方法,磨碎的细度可提高难溶元素的生物有效性：添加到液体食物中的难溶的铁化合物，经加工并延长贮藏期可变为具有较高生物活性的形式：发酵后的面团锌、磷的生物有效性提高。注：一般，动物性食品中的矿物质元素的生物有效性优于植物性食品。,几种重要的矿物质营养素,钙：正常成年人体中含钙量的99%以上存在于骨骼及牙齿中，其它则存在于体液及其它组织中。幼儿及青少年缺钙则会得软骨病和发育不良。钙有抑制神经组织和肌肉的应激性作用，血浆中钙含量过低，人就会发生抽搐现象。食物中钙的最好来源是牛奶与绿叶蔬菜、肉类、豆类、水产等，但有些蔬菜，如长老了的菠菜中含草酸及植酸过多，会与钙生成不溶性盐，妨碍钙的吸收。,磷：约有7080%的磷和钙、镁生成磷酸盐存在于骨骼及牙齿中。缺磷会影响钙的吸收而得软骨病，成年人膳食中Ca：P以1：11：2为宜，否则钙、磷的吸收都太少。食物中磷的主要来源有豆类、花生、肉类、核桃、蛋黄等，谷物种皮中含磷甚多，但大都是不易消化的植酸状态。,铁铁是血红素和一些酶的成分，缺铁时会引起贫血，虽然铁是地球上含量较多的元素，但由于它都是以生物难以利用的形态存在，所以人类很易发生缺铁症。蔬菜中生物可利用态的铁较多，但是会与磷酸盐、草酸盐、植酸盐结合生成难溶性的盐，而肉类可增加铁的吸收，因为铁可与氨基酸形成可溶性的复合物，利于吸收。,铜铜可促进血红蛋白的合成和红血球的发育，也是一些氧化酶的成分。缺铜可发生贫血和心脏肥大、水肿、生长停滞、食欲不振等症状。肝、肾、豆类、贝类、鱼、绿叶蔬菜是铜的良好来源。,碘碘是甲状腺素的成分，缺碘会引起甲状腺肿大，大脖子病是一种常见的地方病，许多地区的土壤，饮水中缺碘，以至动、植物机体中也缺碘。海产食物和海盐是碘的良好来源。,锌锌是酶的组成成分，为这些酶活性所必须，吸收受到多种因素影响，植酸和钙动物性食品是锌的良好来源。例如猪肉、羊肉和牛肉。,