水与矿物质专科

1、第一章第一章 水和矿物质水和矿物质 第一节第一节 水分和水分活度水分和水分活度 一、水在生物体内的含量与作用一、水在生物体内的含量与作用 水是食品的主要成分之一，各种食品都有显各种食品都有显 示其品质的特征含水量示其品质的特征含水量, , 大多数生物体内水分含量为大多数生物体内水分含量为70% -80%,70% -80%, 果蔬果蔬: 75%-95%,: 75%-95%, 肉类肉类:50%-80%,:50%-80%, 面面:35%-45%,:35%-45%, 谷物谷物:10%-15%:10%-15%。 水在水在食品工艺学食品工艺学方面的功能方面的功能 食品理化性质：食品理化性质： 食品质地方面

2、：食品质地方面： 食品安全性：食品安全性： 食品工艺角度：食品工艺角度： 溶解、促进电解质电离、溶解、促进电解质电离、 调节体温、体内摩擦的润调节体温、体内摩擦的润 滑剂滑剂 对食品的新鲜度、硬度、对食品的新鲜度、硬度、 风味、流动性、色泽、耐风味、流动性、色泽、耐 贮性和加工适应性有影响贮性和加工适应性有影响 水是微生物繁殖的必需条件水是微生物繁殖的必需条件 水起着膨润、浸透、均匀水起着膨润、浸透、均匀 化等功能；化等功能； 大多数食品加工的大多数食品加工的单元操单元操 作作都与水有关，如干燥、都与水有关，如干燥、 浓缩、冷冻、水的固定等浓缩、冷冻、水的固定等 二、食品中水分状态与分布二、食

3、品中水分状态与分布 1、食品中水分状态食品中水分状态 （1）游离态：）游离态：容易结冰，能溶解溶质，主要存在于细胞容易结冰，能溶解溶质，主要存在于细胞 质、细胞膜、细胞间隙质、细胞膜、细胞间隙 （2）水合态：）水合态：水分子与活性基团以氢键形式相结合的水分子与活性基团以氢键形式相结合的 水，水， （3）凝胶态：）凝胶态：存在于细微的纤维或者薄膜中存在于细微的纤维或者薄膜中 （4）表面吸附态：）表面吸附态：吸附于固体表面的水吸附于固体表面的水 2.食品中水的分类食品中水的分类 水水 体相水体相水 结合水结合水 自由水自由水 以毛细管力结合的水；邻近水以毛细管力结合的水；邻近水 截留水截留水 构成

4、水构成水 以氢键结合力结合的水；毛细管水以氢键结合力结合的水；毛细管水 多层水多层水 Categories of water in foods 三、三、 水分活度水分活度 0 f f Aw o p p f f 0o p p Aw 1.Water activity(Aw)的定义的定义 f 溶剂（水）的逸度溶剂（水）的逸度 f0纯溶剂（水）的逸度纯溶剂（水）的逸度 逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势 o p p Aw 差别差别1%1%仅适合理想溶液仅适合理想溶液 RVP,相对蒸汽压相对蒸汽压 水分活度水分活度(water activity) 是指食品中水的蒸汽压与该温度下纯水是指

5、食品中水的蒸汽压与该温度下纯水 的饱和蒸汽压的比值的饱和蒸汽压的比值,可用下式表示可用下式表示: o p p Aw AwAw与产品环境的百分平衡相对湿度（与产品环境的百分平衡相对湿度（ERHERH）有关）有关 100 0 ERH p p Aw ERH (Equlibrium Relative Humidity) lAwAw是样品的内在品质，是样品的内在品质，ERHERH是与样品平衡的大气是与样品平衡的大气 的性质的性质 l仅当产品与环境达到平衡时，关系式才能成立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：从图中可以看出： 在含水量一定的情在含水量一定的情 况下，水活活度的况下，水

6、活活度的 对数与绝对温度的对数与绝对温度的 倒数呈良好的线性倒数呈良好的线性 关系，而且水分活关系，而且水分活 度对温度的相依性度对温度的相依性 是含水量的函数。是含水量的函数。 2、水分活度与温度的关系、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)(1)在冰点以下的温度呈在冰点以下的温度呈 线性关系。线性关系。 (2)(2)湿度对冰点以下的湿度对冰点以下的a aw w 的影响一般远远超过对冰的影响一般远远超过对冰 点以上的点以上的a aw w的影响。的影响。 (3) (3) 该图在样品的冰点处该图在样品的冰点处

7、 不连续并产生急剧的转折。不连续并产生急剧的转折。 比较冰点以上和冰点以下比较冰点以上和冰点以下Aw:Aw: 在冰点以上，在冰点以上，AwAw是样品组成与温度的函数，前者是样品组成与温度的函数，前者 是主要的因素是主要的因素; ; 在冰点以下，在冰点以下，AwAw与样品的组成无关，而仅与温度与样品的组成无关，而仅与温度 有关，即冰相存在时，有关，即冰相存在时， AwAw不受所存在的溶质的种不受所存在的溶质的种 类或比例的影响，不能根据类或比例的影响，不能根据Aw Aw 预测受溶质影响的预测受溶质影响的 反应过程反应过程 不能根据冰点以下温度不能根据冰点以下温度AwAw预测冰点以上温度的预测冰点

8、以上温度的Aw Aw 当温度改变到形成冰或熔化冰时，就食品稳定性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、水分活度与食品含水量的关系 定义：定义： 在恒定的温度下，食品的水分含量在恒定的温度下，食品的水分含量(用用 单位干物质质量中水的质量表示，单位干物质质量中水的质量表示，g水水g 干物质干物质)与它的水分活度之间的关系图称与它的水分活度之间的关系图称 为吸附等温线（简称为吸附等温线（简称MSI）。）。 高水分食品的高水分食品的MSI r从正常至干燥的整个从正常至干燥的整个 水分含量范围水分含量范围

9、低水分食品的低水分食品的MSI v加水回吸时，试样的组加水回吸时，试样的组 成从区成从区（干）移至区（干）移至区 （高水分）（高水分） v各区相关的水的性质存各区相关的水的性质存 在着显著的差别（实际在着显著的差别（实际 是连续变化的）是连续变化的） 区区的水的性质：的水的性质： u构成水和邻近水构成水和邻近水 u最强烈地吸附最强烈地吸附 u最少流动最少流动 u水离子或水偶水离子或水偶 极相互作用极相互作用 u在在-40-40不结冰不结冰 u不能作为溶剂不能作为溶剂 u看作固体的一部分看作固体的一部分 u占总水量极小部分占总水量极小部分 BETBET单层：单层： 区区和和接界接界 0.07g

10、H0.07g H2 2O/ gO/ g干物质干物质 Aw =0.2 Aw =0.2 相当于一个干制品能呈相当于一个干制品能呈 现最高的稳定性时含有现最高的稳定性时含有 的最大水分含量的最大水分含量 区区的水的性质：的水的性质： 多层水多层水 通过氢键与相邻的水分通过氢键与相邻的水分 子和溶质分子缔合子和溶质分子缔合 流动性比体相水稍差流动性比体相水稍差 大部分在大部分在-40-40不结冰不结冰 导致固体基质的初步肿导致固体基质的初步肿 胀胀 区区和区和区的水占总水的水占总水 分的分的5%5%以下以下 真实单层：真实单层： 区区和和接界接界 0.38g H0.38g H2 2O/ gO/ g干物

11、质干物质 Aw =0.85 Aw =0.85 区区的水的性质：的水的性质： 体相水体相水 被物理截留或自由的被物理截留或自由的 性质与稀盐溶液中的水性质与稀盐溶液中的水 类似类似 占总水分的占总水分的95%95%以上以上 21 Water activity and Moisture Sorption Isotherms BET 真实单层真实单层 邻近水邻近水 多层水多层水 不同食品类型的不同食品类型的MSIMSI 大多数食品的吸湿等温线为大多数食品的吸湿等温线为S形；形； 而水果、糖制品、含有大量糖和其它可溶性小分而水果、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子

12、的咖啡提取物等食品的吸湿等温线为J形。形。 MSI与温度的关系与温度的关系 水分含量一定水分含量一定 TT，Aw Aw AwAw一定一定 TT，水分含量，水分含量 滞后现象（滞后现象（HysteresisHysteresis） 回吸：回吸：使样品使样品吸水吸水 解吸：解吸：使样品使样品脱水脱水 滞后现象（滞后现象（Hysteresis）：）： 回吸与解吸所得的等温线不重叠现象即回吸与解吸所得的等温线不重叠现象即 为为“滞后现象滞后现象”（HysteresisHysteresis）。）。 一般来说，当一般来说，当AwAw一定一定 时，解吸过程中食品时，解吸过程中食品 的水分含量大于回吸的水分含量

13、大于回吸 过程中水分含量。过程中水分含量。 解吸线在上方解吸线在上方 滞后环形状取决于滞后环形状取决于 食品品种食品品种 温度温度 滞后环滞后环 高糖高糖- -高果胶食品高果胶食品 空气干燥苹果空气干燥苹果 总的滞后现象明显总的滞后现象明显 滞后出现在单分子层滞后出现在单分子层 水区域水区域 AwAw0.650.65时，不存在时，不存在 滞后滞后 高蛋白食品高蛋白食品 冷冻干燥熟猪肉冷冻干燥熟猪肉 AwAw0.850.85开始出现滞开始出现滞 后后 滞后不严重滞后不严重 回吸和解吸等温线均回吸和解吸等温线均 保持保持S S形形 淀粉质食品淀粉质食品 冷冻干燥大米冷冻干燥大米 存在大的滞后环存在

14、大的滞后环 Aw=0.70Aw=0.70时最严重时最严重 温度的影响温度的影响 苹果：当温度从苹果：当温度从2.8度提高到度提高到37.9度时，滞后现度时，滞后现 象的起始点从象的起始点从0.65转移至转移至0.20； 猪肉：水分活度从猪肉：水分活度从0.95转移至转移至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。放出水分。 不规则形状产生毛细管现象的部位不规则形状产生毛细管现象的部位, ,欲填满或抽欲填满或抽 空水分需不同的蒸汽压空水分需不同的蒸汽压( (要抽出需要抽出需P P内内P P外外, , 要填要填 满则需满则需P P外外

15、P P内内) )。 解吸作用时解吸作用时, ,因组织改变因组织改变, ,当再吸水时无法紧密结当再吸水时无法紧密结 合水合水, ,由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的 awaw。 滞后现象产生的原因滞后现象产生的原因 2.8 水分活度与食品稳定性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低水分活度能抑制食品化学变化的的机理机理 第一第一, , 大多数化学反应都必须在水溶液中才能进行大多数化学反应都必须在水溶液中才能进行，则食品则食品 中结合水的比例增加中结合水的比例增加, , 自由

16、水的比例减少自由水的比例减少。 第二第二 , , 很多化学反应是属于离子反应很多化学反应是属于离子反应, , 该反应发生的条件是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。化作用的条件必须有足够的自由水才能进行。 第三第三, , 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 能进行能进行( ( 如水解反应如水解反应）。若降低水分活度。若降低水分活度, , 就减少了参加反就减少了参加反 应的自由水的数量应的自由水的数量, ,

17、 反应物反应物( ( 水水 ) ) 的浓度下降的浓度下降, , 化学反应化学反应 的速度也就变慢。的速度也就变慢。 36 六、水分活度与食品稳定性六、水分活度与食品稳定性 Microorganisms may grow above a given, food material specific water content Microorganisms do not grow at low water activities Growth of microorganisms may occur in intermediate moisture foods 1.1.Microbiological s

18、tability Aw There are general water activity limits for growth of molds, yeasts and bacteria aw 0.6 xerophilic（耐干燥）（耐干燥） molds and yeasts aw 0.75 halophilic（耐盐的）（耐盐的） bacteria aw 0.8 most molds and yeasts aw 0.86 pathogenic（致病的）（致病的） bacteria 水分活度与食品化学变化的关系水分活度与食品化学变化的关系 39 (1) Aw： 0-0.33范围内范围内 随随Aw

19、,反应速度反应速度 过分干燥，食品稳定性下降过分干燥，食品稳定性下降 1. 1. Lipid oxidation Aw Water activity and Food Stability Aw 原因原因 : : 水与脂类氧化生成的氢过氧化物以水与脂类氧化生成的氢过氧化物以 氢键结合氢键结合, ,保护氢过氧化物的分解保护氢过氧化物的分解, , 阻止氧化进行阻止氧化进行 水与金属离子水合水与金属离子水合, ,降低了催化性降低了催化性 40 (2) Aw：0.33-0.73范围内范围内 随随Aw,反应速度反应速度 1. 1. Lipid oxidation Aw Water activity and

20、 Food Stability Aw 原因原因 : : u 水中溶解氧增加水中溶解氧增加 u 大分子物质肿胀大分子物质肿胀, ,活性位活性位 点暴露加速脂类氧化点暴露加速脂类氧化 u 催化剂和氧的流动性增加催化剂和氧的流动性增加 41 (3) Aw 0.8 随随Aw,反应速度增加很反应速度增加很 缓慢缓慢 1. 1. Lipid oxidation Aw Water activity and Food Stability Aw 原因原因 : : u 催化剂和反应物被稀释催化剂和反应物被稀释, , 阻滞氧化阻滞氧化 42 2.2.Non-Enzymatic Browning Aw Water a

21、ctivity and Food Stability Aw 中等水分活度（中等水分活度（0.6-0.7）。反应速率最快）。反应速率最快 水是一个产物，水含量继续增加，会稀水是一个产物，水含量继续增加，会稀 释中间产物的浓度，导致产物抑制作用释中间产物的浓度，导致产物抑制作用 r非酶褐变反应可发生在中、低水分非酶褐变反应可发生在中、低水分 含量的食品中含量的食品中 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。褐变的最适水分含量的范围内。 r 低低Aw(0.2)，反应速度极低或不反应，反应速度极低或不反应 43 v水分活

22、度增大会加速蛋白质的氧化作用，破坏保持蛋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白质高级结构的副键 Protein denature vProtein denature occur slowly at low water contents (0.4%) vProtein denature does not occur when water content below 0.2% 3. 3. Protein Denature Aw Water activity and Food Stability 原因原因 : : u 水分能使蛋白质膨润水分能使蛋白质膨润, ,体积增大体

23、积增大, ,暴露出长链中可氧化暴露出长链中可氧化 的基团的基团,Aw,Aw的增大会加速蛋白质的氧化的增大会加速蛋白质的氧化, ,破坏蛋白质的破坏蛋白质的 结构结构, ,导致其变性导致其变性. . 44 4. 4. Starch Staling Aw Water activity and Food Stability u 食品在较高含水量（食品在较高含水量（30-60%)30-60%)的情况下的情况下, ,淀粉老化速度淀粉老化速度 最快最快; ; u 如果降低如果降低Aw,Aw,则老化速度减慢则老化速度减慢, ,若含水量降至于若含水量降至于10%-15%,10%-15%, 则食品中水分多呈结合态

24、则食品中水分多呈结合态, ,淀粉几乎不发生老化淀粉几乎不发生老化. . 45 v在低水分活度条件下，风味成分和水分保留比较多。在低水分活度条件下，风味成分和水分保留比较多。 5. 5. Flavour Retention Aw Water activity and Food Stability v挥发性成分必须挥发到表面，挥发程度依靠温度和水挥发性成分必须挥发到表面，挥发程度依靠温度和水 分活度分活度. v在低水分活度条件下，挥发性成分变成包裹状。在低水分活度条件下，挥发性成分变成包裹状。 vLoss of volatiles, flavours and aroma may result fr

25、om structural changes and crystallization of component compounds as encapsulated compounds are released. 第二节第二节 矿物质（矿物质（MineralMineral） 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. 1. 定义定义 食品中除去食品中除去C C、H H、O O、N N等四种元素和有机物质等四种元素和

26、有机物质 元素外，其他元素统称为矿物质，又称灰分、元素外，其他元素统称为矿物质，又称灰分、 无机质。无机质。 分分类类 b 常量元素：含量在常量元素：含量在0.01%，人体的日需，人体的日需 要量在要量在100mg以上（钾、钠、钙、镁、以上（钾、钠、钙、镁、 氯、硫、磷）氯、硫、磷） b 微量元素微量元素:含量和需要量都低于上述值含量和需要量都低于上述值 必需营养元素，必需营养元素，Fe，Cu，I，Co，Mn和和Zn等；等； 非营养非毒性元素，非营养非毒性元素，AI，B，Ni等；等； 非营养有毒性元素，非营养有毒性元素，Hg，Pb，AS，Cd和和Sb等等 2. 2. 矿物质在生物体内的功能矿物

27、质在生物体内的功能 （1）机体的重要组成成分；）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；）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；）通常是酶的活化剂； （4）保持神经、肌肉的兴奋性；）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）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，碘对甲状腺素合白、细胞色素酶系的重要性，碘对甲状腺素合 成的重要性等。成的重要性等。 食物中矿物质存在状态食物中矿物质存在状态 无机盐无机盐:1）可溶）可溶 2）难溶）难溶 氧化物：氧化物：一般的吸收率比较差一般的吸收率比较差 配位化合

28、物：配位化合物：2类：类： 与一般的有机化合物形成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二、矿物质对食品性质的影响 酸性食品与碱性食品酸性食品与碱性食品 Acid Food Alkaline FoodAcid Food Alkaline Food 1、酸性与碱性、酸性与碱性 （1）金属元素在人体内氧化生成）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含带阳离子的金属元素Mn+较多的食品生理上称为碱性较多的食品生理上称为碱性 食品食品 （2）非金属元素）非金属

29、元素P、S、Cl在体内氧化为在体内氧化为PO43- 、SO42- 、Cl- 含带阴离子较多的食品，生理上称为酸性食品含带阴离子较多的食品，生理上称为酸性食品 碱性食品碱性食品 大部分果、蔬、豆类属碱性食品。大部分果、蔬、豆类属碱性食品。 酸性食品酸性食品 大部分的肉、鱼、禽、蛋因为含丰富的大部分的肉、鱼、禽、蛋因为含丰富的 含硫蛋白质，米、面粉制品含磷多，所以属含硫蛋白质，米、面粉制品含磷多，所以属 酸性食品。酸性食品。 2、判断方法、判断方法 采取灰化的方法，再用酸或碱中和来确定。采取灰化的方法，再用酸或碱中和来确定。 100g食品的灰分食品的灰分水，用水，用0.1N酸或碱滴定，所酸或碱滴定

30、，所 消耗的消耗的ml数即为食品灰分的酸、碱度。数即为食品灰分的酸、碱度。“+”表示表示 碱度碱度 “-”表示酸度表示酸度 2.2.对食品感官质量的作用。如磷酸盐对肉制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。铁对食品颜的形成和食品质地的作用等。铁对食品颜 色的影响。色的影响。 三、食品中矿物质成分的生物有效性三、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的含量，还要考虑这

31、些成分被生物体利用的实际可能 性，即性，即生物有效性生物有效性。 1 1、影响矿物质生物有效性的因素如下、影响矿物质生物有效性的因素如下 ： 1 1）、）、 食物的可消化性食物的可消化性 2 2）、）、 矿物质的化学与物理形态矿物质的化学与物理形态 3 3）、）、 与其它营养物质的相互作用与其它营养物质的相互作用 4 4）、）、 加工方法加工方法 5 5）、食品配位体）、食品配位体 6 6）、个体生理状态）、个体生理状态 1. 食品的可消化性食品的可消化性 如果食品不易消化，即食营养素再如果食品不易消化，即食营养素再 丰富也得不到利用，如麸皮、米糠中含丰富也得不到利用，如麸皮、米糠中含 有很多

32、铁、锌等营养必需元素，但这些有很多铁、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。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才能被吸收。颗粒大小会影响可消化性 和溶解度。和溶解度。 3. 与其他营养物质相互作用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；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。成为可溶态，有利于吸收。 4. 螯合作用螯合作用 传递和贮存金属离子的螯合物：氨基酸传递和贮存金属离子的螯合物：氨基酸 金属螯合物；金属螯合物； 新陈代谢必需的螯合物：亚铁血红素新陈代