2水分与矿物质

食品生物化学第二课：食品中的水分与矿物质水对于生命是不可或缺的生命体包含蛋白质、糖、脂、核酸、维生素、矿物质和水。有机体一般含有70%～90%的水。细胞只有在含有65%以上的H2O时代谢才能正常进行。哪里有水，哪里才有生命！食品中的水分食品水分含量%肉类猪肉53～60牛肉50～70鸡肉74鱼65～81水果浆果、樱桃、梨80～85苹果、桃子、橘子、葡萄柚85～90草莓90～95蔬菜鳄梨、香蕉、绿豌豆74～80甜菜、茎椰菜、胡萝卜、马铃薯80～90芦笋、绿菜豆、卷心菜、花菜、莴苣90～95水的独特性质和生理功能水有许多独特的性质，与类似分子比较，有异常高的沸点、熔点、表面张力、介电常数、热容量和相变热。—水的热容量大，使它成为良好的体温稳定剂。—水是良好的溶剂，是体内各种化学反应的介质，也是各种成分输送的介质。—水分子参与许多化学反应和生理过程，参与稳定生物大分子的构象。水的独特性质水在结冰时异常地体积膨胀，液态水的密度高于固态水。食品冻结时会引起组织的破坏。在同一环境中，冰比水能更快地改变自身温度，在温差相等的情况下，组织冻结的速度比解冻快很多。水是极性分子水分子中H-O-H三个原子不在同一条直线上，电负性的O原子与两个氢原子形成一个偶极子，使水分子具有极性。水分子易于形成氢键一个水分子可以形成4个氢键，这是水分子间相互吸引力强的原因。在冰中，每个水分子与临近的4个水分子形成4个氢键，产生四面体对称。水分子的极性使水成为很好的溶剂水是好的溶剂主要是由于它分子的极性和能够形成氢键。水分子参与静电相互作用在Na+和Cl-周围形成水化层。水分子的极性使水成为很好的溶剂对于非离子型极性分子，水分子与其极性基团形成氢键，导致溶解。尿素易溶于水因为形成氢键水与非极性分子非极性分子难溶于水，水分子在非极性分子周围形成笼型结构。水与两性分子两性分子在水中形成微团，这是生物膜系统的基础。微团软脂酸纳极性头非极性尾水的独特性质水分子的极性和形成氢键网络的能力能很好地解释水的多种特殊性质。非极性基团和两亲性分子在水溶液中的行为在大分子的生化性质中有很重要的作用，如蛋白质的折叠、生物膜结构的形成和维持等。食品中的水食品中的水与其它化学成分发生多种相互作用，以不同的形式存在。主要形式：1.自由水：或称游离水、体相水，与非水成分基本没有作用，与稀溶液中水性质相似，0℃结冰，有很大溶剂能力，能被微生物利用。活性高，不利于食物保藏。①毛细管水：存在于细胞间隙的水；②截留水：被生物膜或凝胶内大分子网络截留的水，不能自由外流，但可以向外蒸发。食品中的水主要形式：1.自由水2.结合水：与非水成分牢固结合的水。①化合水：蛋白质分子中的空隙中和化学水合物中的水；②单分子层水：或称邻近水，与非水成分中的极性基团（如蛋白质、淀粉等的羧基、羟基和氨基等）以氢键结合的第一层水分子。-40℃不结冰，不能被微生物利用。③多分子层水：单分子层水之外的几个水分子层包含的水。-40℃不结冰，不能被微生物利用。食品中的水主要形式：1.自由水①毛细管水②截留水2.结合水①化合水②单分子层水③多分子层水自由水结合水能起到溶剂作用不能作为溶剂可以被微生物利用不能被微生物利用0℃结冰冰点达-40℃，沸点达105℃新鲜食品中含量高含量通常低于总水量的5%活性高，不利于食物保存，但与食品的品质和风味有关食品干燥后安全贮藏的水分含量要求即是单分子层水水与食品的关系水含量影响食品的品质：外观、质地、风味；水含量影响食品的耐贮性，引起微生物的滋生；控制水分能延长保藏期；水含量影响食品加工工艺的选择。研究水的特性对于食品加工、保藏和质量管理都很重要。水分的活度(Aw)食品的品质和贮藏性与水分含量之间有重要但不严格的关系，与水分活度的相关性更好。水分的活度：食品中水分的有效浓度。相同温度下，食品的水分蒸汽压p与纯水蒸汽压p0的比值。Aw=p/p0水分活度作为食品易腐败性的指标，是食品行业重要的参数。水分活度的值介于0～1之间。等温吸湿曲线一般情况下，食品中的含水量越高，水分活度越大。等温吸湿曲线是指在恒定温度下，使食品吸湿或干燥，所得的水分活度与含水量关系的曲线。等温吸湿曲线分三个区：I区：Aw=0～0.25，水分含量为0～0.07g/g干物质，对应于化合水和单分子层水；0.5%II区：Aw=0.25～0.80，水分含量为0.07～0.32g/g干物质，对应于多分子层水；5%III区：Aw=0.80～0.99，水分含量大于0.40g/g干物质，对应于自由水；95%。水分活度与食品的稳定性食品的稳定性与水分活度密切相关，活度越小食品越稳定，较少出现腐败变质。微生物生长需要的Aw值一般较高，细菌0.9，酵母0.87，霉菌0.8。酶活性：水分活度影响酶的构象和底物的可移动性，Aw0.85时酶活性大幅度降低。水分活度除了影响化学反应和微生物的生长，还影响食品质地。食品中的矿物质矿物质又称无机盐，是构成人体组织和维持正常生理活动的重要物质。在食物内以无机盐或与有机物结合形式存在。食物中有60多种矿物元素：◦常量元素：钾，钠，钙，镁，氯，硫，磷◦微量元素：①必需微量元素：铁，铜，锌，碘，钴，鉬，硒，铬，锰，氟②非营养非毒性元素：铝，镍，硼，锡③毒性元素：铅，汞，砷，镉生物体的元素组成红色标记的元素组成了人体总原子数的99%蓝色的元素占0.9%；绿色的是人体必需的微量元素黄色的元素对人体是否必需还不清楚矿物质的利用对于矿物元素来说，生物有效性主要是指某种矿物质从小肠被吸收如血液的效率。不同矿物质的有效性不同，如植物性食品中Fe的生物有效性可以低至1%，Na、K等则高达90%。矿物质和其它食物组分的相互作用能很大地影响其被利用的效率，如一些二价阳离子与草酸根形成的盐溶解度很小，难以吸收。矿物质的基本性质1.在水溶液中的溶解性：溶解度在很大程度上影响着矿物质的利用率。2.酸碱性：Lewis酸碱理论认为所有阳离子都具有明显的酸性，能接受电子。3.氧化还原性：矿物元素可在不同价态之间互变，同时伴随电子的转移。4.螯合作用：金属离子可以与不同的配体形成配合物或螯合物，能提高矿物质的利用率。影响矿物质吸收的因素1.化学形式：Fe3+难溶解，难吸收，Fe2+则易被吸收2.主动吸收机制：某些元素在肠黏膜表面有专用载体3.体内营养状态：供应充分时吸收率会降低4.元素间的相互作用：过多Fe能抑制Zn、Mn的吸收5.膳食的构成：维生素能增强Fe的吸收，脂类吸收过量会降低Ca的吸收。钠Na，Sodium成人体内含70～100g，44～50%在细胞外液，40～47%在骨骼中，9～10%在细胞内。生理功能：①调节体内水分和渗透压：是细胞外液的主要阳离子②维持体液的酸碱平衡：与Cl-、HCO3-结合③增强神经肌肉兴奋性④其它：与ATP的合成、肌肉运动、心血管功能、糖代谢和能量代谢等都有关。钠Sodium钠的吸收部位主要在小肠上段，几乎全部被吸收。成人每日从肠道中吸收的NaCl约44g。多余的Na大部分通过肾脏从尿排出，也可以从汗液排出。轻度Na缺乏可导致疲倦、眩晕；长期Na摄入过多可使血压升高，因此低盐饮食对于预防高血压有重要意义WHO建议人均食盐日摄入量不超过6g，我国实际人均12g。钾K，Potassium人体K总量约175g，98%存在于细胞内，70%储存在肌肉。生理功能：①参与新陈代谢：许多酶促反应和代谢步骤需要K的参与才能正常进行②维持渗透压和酸碱平衡：是细胞内的主要阳离子，与细胞外H+、Na+交换来调节酸碱平衡③维持神经肌肉的应激性：是形成跨膜静息电位的重要决定因素④调节水和体液平衡钾PotassiumK的吸收部位在小肠，吸收率在90%左右；多余的K大部分通过肾脏与尿液一起排出。K缺乏症的表现是神经、肌肉、消化和心血管等系统发生功能性或病理性改变。大部分食物都含有K，但是蔬菜和水果是K的最好来源。钙Ca，Calcium钙是机体内最丰富的无机元素，是构成机体不可缺少的组成部分，而且在各种生理生化过程中有重要作用。成人体含钙1,000-1,200g（体重的1.5-2.0%），99%以羟基磷灰石的形式存在于骨骼和牙齿中。骨外钙占总体的1%，以离子状态或与蛋白结合状态存在于细胞外液、血液和软组织中。钙Calcium生理功能：①是构成骨骼和牙齿的主要成分②骨外钙能调节细胞膜的通透性，维持其完整性③Ca2+作为重要的细胞内第二信使，参与信号传导④调节多种激素和神经递质的释放，调节酶的活性⑤参与血液凝固过程，是血液凝固必需的因子钙CalciumCa在肠道中有主动吸收机制，在十二指肠上部效率较高。Ca的吸收率随年龄的增加逐渐减少。婴儿：60%；儿童：40%；成年人20%。增加Ca吸收降低Ca吸收维生素D植酸乳糖草酸酸性氨基酸膳食纤维低磷脂肪酸钙Calcium钙缺乏症是较常见的营养性疾病，如佝偻病、骨质疏松症。过量摄入钙增加患肾结石的危险性。特别是对青春发育期到40岁前后的妇女要摄入足够的钙。含钙较丰富的食物包括：奶类、豆类、硬果、绿色蔬菜、小鱼、小虾、硬水等。镁Mg，Magnesium人体含Mg约20～28g，主要集中在细胞内，60～65%存在于骨骼和牙齿，27%在肌肉和软组织。生理功能：①多种酶的激活剂：参与300余种酶促反应②维护骨骼生长：是维持骨细胞结构和功能所必需的元素③维持神经肌肉兴奋性：与Ca协同作用④维持胃肠道功能⑤调节心血管功能镁MagnesiumMg的吸收率一般30～50%，膳食成分对其吸收有很大影响，氨基酸、乳糖等促进Mg的吸收，草酸、膳食纤维会抑制其吸收。Mg缺乏可引起神经肌肉的兴奋性亢进，严重时出现精神错乱，甚至惊厥、昏迷。叶绿素是镁卟啉的螯合物，所以各种绿叶蔬菜富含Mg。硬水中含有较多Mg，软水较少。铁Fe，Iron人体含铁量约3-5g，男性平均3.8g，女性2.3g。铁在体内有两种存在形式：◦功能性铁：70%，大部分在血红蛋白中，还有肌红蛋白和其它含铁的酶，以及运输铁。◦储备铁：30%，主要以铁蛋白和含铁血黄素的形式存在于肝、脾和骨髓中。铁Iron生理功能：①维持正常的造血功能，铁与红细胞的形成和成熟有关。②作为血红蛋白的成分参与氧气的运输③参与维持正常的免疫功能食物中铁主要以三价铁的形式存在，进入体内后在胃酸作用下还原成二价铁后，被小肠吸收。血红素铁吸收率高，主要存在于动物性食品中。肉类和肝脏铁吸收率约22%。铁Iron非血红素铁吸收率较低，主要存在于植物性食品中。大米和小麦中铁的吸收率仅1-5%。维生素C、丙酮酸、某些氨基酸、蔗糖、葡萄糖和脂类有利于铁的吸收。草酸、植酸、膳食纤维、多酚类化合物（茶、咖啡、菠菜）等抑制铁的吸收。机体能够将体内代谢铁的90%以上加以保留，并反复利用。铁Iron铁的缺乏可导致缺铁性贫血，是世界上最常见的营养性疾病，多见于婴幼儿、孕妇和乳母。一般动物性食物中铁含量和吸收率较高，所以动物肝脏、畜禽肉类、鱼类等都是铁的良好来源。植物性铁与肉类一起进食时，铁吸收率可增加三倍。食品加工对矿物质的影响粮食的精加工，如谷物的碾磨会使大量矿物质损失，加工精度越高，矿物质含量越低。食物烹制过程中除动植物汁液的流失外，清洗、泡发、热烫也会带来矿物质的溶水损失。烹调中食品配合不当会带来矿物质利用率的降低，如含钙丰富的食品与含草酸较多的食品共同烹制，会生成无法吸收的草酸钙。本课主要内容水的特性食物中的水分水的活度矿物元素的功能