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1、食品生物化学,第一节 水分与水分活度 第二节 矿物质,第一章 水和矿物质,食品生物化学,学习目标1.了解水在生物体内的含量和水的生理作用。2.掌握食品和生物组织中水的状态。3.理解水分活度的概念，了解水分活度与食品稳定性的关系。4.掌握成碱食物与成酸食物的概念。5.掌握影响矿物质生物有效性的因素。,食品生物化学,第一节 水分,一、水在生物体内的含量与作用1.水在生物体内的含量大多数生物体内的水分含量通常为70%80%，超过任何其它成分的含量。水在动物体内分布是不均匀的。脊椎动物体内各器官组织的水分含量为：肌肉、肝、肾、脑、血液等约为70%80%；皮肤中约为60%70%；骨骼中约为12%15%。
2、水在植物体内的含量与分布也因种类、部位、发育状况而异，变动较大。一般说来，植物营养器官组织（叶、茎、根的薄壁组织）的水含量特别高，占器官总重量的70%90%，而繁殖器官（高等植物的种子、微生物的孢子等）中的水分含量则较低，占总重量的12%15%。,食品生物化学,表1-1 常见食品的水分含量,食品生物化学,2.水的生理作用水的溶解力很强，各种无机及有机物质都很容易溶于水中。介电常数大，能促进电解质的电离。是生物体内化学反应的介质，也是生物化学反应的反应物、组织和细胞所需的养分和代谢物在体内运转的载体。比热高、热容量大,又能调节体温。粘度小，可使摩擦面滑润，减少损伤。二、食品中水分状态与分类1.食
3、品中水分状态（1）游离态 容易结冰，也能溶解溶质的水称之为游离态的水。游离态的水存在于细胞质、细胞膜、细胞间隙、任何组织的循环液以及制成食品的组织结构中。,食品生物化学,（2）水合态 水分子和含氧或含氮的活性基（如-NH2、 -COOH、-CONH2、=NH、-OH）以氢键形式相结合而不能自由移动，处于此状态的水称之为水合态的水。食品中与淀粉、蛋白质和其它的有机物结合的水均处于此状态。（3）凝胶态 吸收于细微的纤维与薄膜中，不能自由流动的水称之为凝胶态。凝胶态中的水是分散质，蛋白质等有机物为分散剂（溶胶中水是分散剂）。此状态的水称不可移动水或滞化水。动物皮肤、植物仙人掌中的水大多处于凝胶态。（
4、4）表面吸附态 固体表面暴露于含水蒸气的空气中，此时吸附于固体表面的水处于表面吸附态。固体微粒越细，其微粒的表面积越大，吸附水量也越多。,食品生物化学,2.食品中水分的分类（1）自由水（游离水） 是以毛细管凝聚状态存在于细胞间的水分。食品中通常含有动植物体内天然形成的毛细管，因为毛细管是由亲水物质组成，而且毛细管的内径很小，使毛细管具有较强的束缚水的能力，把保留在毛细管中的水称为毛细管水，它属于自由水。与一般水没什么区别，在食品中会因蒸发而散失、因吸潮而增加，容易发生增减变化。游离态的水、凝胶态的水及表面吸附态的水均可归入此类。,食品生物化学,（2）结合水（束缚水） 结合水是指通过氢键与食品中
5、有机成分结合的水。各种有机成分与水形成氢键的结合能力不同，牢固程度有一定差别，反映在性质上也呈现差异。这类水有些与氨基、羧基等强极性基团形成氢键，氢键键能大，结合牢固，呈单分子层，称为单分子层结合水。有些水与酰氨基，烃基等较弱的极性基团形成氢键，结合较不牢固，且呈多分子层结合，称多层结合水或半结合水。自由水与结合水之间的界限很难定量地区分。一般认为自由水是以物理吸附力（毛细管力）与食品结合，而结合水是以化学力（氢键）与食品结合。,食品生物化学,自由水和结合水在性质上有很大的差别。首先结合水的量与有机大分子的极性基团的数量有比较固定的比例关系。其次，结合水的蒸汽压比自由水低得多，所以在一般温度（
6、100）下结合水不能从食品中分离出来。结合水的沸点高于一般水，而冰点却低于一般水，一般在40以上不能结冰，这个性质具有重要实际意义，它可以使植物种子和微生物孢子在冷冻条件下，仍能保持生命力。而多汁的组织（含有大量自由水的新鲜水果、蔬菜、肉等）在冰冻时细胞结构容易被冰晶破坏，解冻时组织容易崩溃。由于自由水能为微生物所利用而结合水不能，所以自由水也称为可利用水。在一定条件下，食品是否为微生物所感染，取决于食品中自由水的含量，自由水的含量直接关系着食品的贮存和腐败。,食品生物化学,食品中的水分与食品的风味关系密切。尤其是结合水对食品的风味起着重要作用。当强行将结合水与食品分离时，食品的风味、质量会发
7、生改变。干燥的食品吸潮后发生许多物理性质的变化，从而改变风味。所以，食品中的水分对食品的鲜度、硬软性、流动性、呈味性、保藏性、加工性等许多方面有着密切的关系。三、水分活度1.水分活度的概念水分活度(Aw)是指食品的水蒸汽分压（P）和在同一温度下纯水的蒸汽压（P0）之比:,食品生物化学,对纯水来说，因P和P0相等，故Aw为l，而食品中的水溶解有食品成分，如糖、氨基酸、无机盐以及一些可溶性的高分子化合物等，因而总会有一部分水分是以结合水的形式存在，而结合水的蒸气压远比纯水的蒸气压低，因此食品的Aw 总是小于l。水分活度也可用平衡相对湿度（ERH）这一概念来表示：即食品的水分活度在数值上等于平衡相对
8、湿度除以100。平衡相对湿度是指物料吸湿与散湿达到平衡时的大气相对湿度。,食品生物化学,图1-1 含水量与Aw的关系,2.水分活度与食品含水量的关系,食品生物化学,图1-2 等温吸湿曲线,食品生物化学,把低水分含量区域内的曲线放大，得到的曲线称为等温吸湿曲线（等温吸湿线），图1-2为等温吸湿曲线的模式。吸湿和放湿之间有滞后现象。等温线上的每一点表示在一定温度下，当食品的水蒸气压与环境水蒸气压达到平衡时，食品水分活度与含水量的对应关系，若食品的水分活度低于环境的相对湿度，食品沿着吸湿等温线吸湿，反之沿着放湿等温线散失水分。对含水量多的食品，如新鲜动植物食品，得到的是放湿曲线；对含水量少的食品如干
9、燥食品，得到的是吸湿曲线。,食品生物化学,图1-3 在不同温度下马铃薯的等温吸湿曲线,食品生物化学,图1-4 等温吸湿线的分区,食品生物化学,I区是单分子层结合水区，水分多与食品成分中的羧基和氨基等离子基团结合，且结合力最强，形成单分子层结合水。该区Aw最低，在00.25之间，相当于物料含水量00.07g/g的干物质。II区是多分子层结合水区，水分多与食品成分中的酰胺基和羟基等极性较弱的基团结合，形成多分子层结合水或称半结合水，Aw在0.250.8之间，相当于物料含水量0.07至0.140.33g/g的干物质。区是毛细管凝集的自由水区，Aw在0.80.99之间，物料含水量最低为0.140.33
10、g/g的干物质，最高为20 g/g的干物质。,食品生物化学,各区域的水不是截然分开的，也不是固定在某一个区域内，而是在区域内和区域间快速的交换着。所以，等温吸湿线中各个区域之间有过渡带。3水分活度与食品的稳定性（1）水分活度与微生物的生长繁殖的关系 一般来说，细菌对低水分活度最敏感，酵母菌次之，霉菌的敏感性最差。通常水分活度低于0.90时，细菌不能生长；水分活度低于0.87时，大多数酵母菌受到抑制；水分活度低于0.80时，大多数霉菌不能生长；一些耐渗透压微生物除外，水分活度低于0.60时，任何微生物都不生长。,食品生物化学,表1-2 食品中水活性和微生物生长的关系,食品生物化学,续表1-2 食
11、品中水活性和微生物生长的关系,食品生物化学,表1-2所列最低水分活度值不是绝对化的，因为食品的pH、温度、微生物的营养状况以及水中特定溶质的性质，对水分活度也有影响。如金黄色葡萄球菌生长的最低Aw，在乳粉中是0.861，在酒精中则是0.973。因此，在具体的食品配方确定时，必须做细菌学试验，以决定实际水分活度。（2）水分活度与生化反应的关系 图1-5表示在2545温度范围几类重要反应的反应速度与Aw之间的关系，为便于比较，在图1-5f中还加上一条等温吸湿线。,食品生物化学,图1-5 食品稳定性和等温吸湿线的关系（除f外，所有纵坐标代表相对速度）,食品生物化学,图1-5表示食品中水分在放湿过程中
12、，水分活度值相当于等温线区间I和区间的边界位置（Aw0.20.3）时，许多化学反应和酶催化反应速度最小。进一步降低水分活度，除图1-5c的氧化反应外，其余所有的反应仍然保持最小的反应速度。脂类氧化反应速度在此区间随水分活度的增加而降低，是因为十分干燥的样品中，最初添加的那部分水（在区间I）能与氢过氧化物结合并阻止其分解，从而阻碍氧化的继续进行。此外，这类水还能与催化氧化反应的金属离子发生水合，使催化效率明显降低。随水分活度增加，当水的增加量超过区间I和区间的边界时，氧化速度增大，因为等温线的这个区间增加的水可促使氧的溶解度增加和大分子溶胀，并暴露出更多催化位点。当Aw大于0.86时，氧化速度缓
13、慢，这是由于水的增加对体系中的催化剂产生稀释效应。,食品生物化学,从图1-5a、d、e可见，在中等至高Aw（Aw0.70.9）时，美拉德褐变反应（详见第九章第一节）、维生素B1降解反应以及微生物生长显示最大反应速度。但有的情况下，中等至高含水量食品，随着水分活度增大，反应速度反而降低。原因可能有二：一是在这些反应中水是一个产物，水含量的增加导致产物抑制作用；二是当样品中水的含量对溶质的溶解度、可接近性（大分子表面）和流动性不再是限速因素时，进一步加水将会对提高反应速度的组分产生稀释效应，其结果是反应速度降低。,食品生物化学,图1-5表示中等至高水分活度（Aw0.70.9）的食品中的化学反应速度
14、，对食品的稳定性显然是不利的。要使食品具有最高稳定性所必需的水分含量，最好将水分活度保持在结合水范围内，即最低的水分活度。因为结合水是水分子与食品中的蛋白质、糖类等的活性基团以氢键结合起来的。将水分活度保持在结合水范围内，既能防止氧对活性基团的作用，又能阻止蛋白质、糖类等物质间的相互作用，从而使褐变难于发生，同时又不会使食品丧失吸水性和复原性。（3）水分活度与食品质构的关系 水分活度对干燥和半干燥食品的质构有较大的影响。要保持干燥食品的理想性质，水分活度不能超过0.30.5。而软质构食品保持较高的水分活度可避免不期望的变硬。,食品生物化学,第二节 矿物质,一、食品中矿物质的分类、存在形式及其功
15、能1.食品中矿物质元素的分类（1）按矿物质元素在人体内的含量和人体对膳食中矿物质的需要量分 分为两大类：常量元素和微量元素。人体含量在0.01%以上，人体的日需要量在100mg以上的元素，称为常量元素或大量元素。钙（Ca）、磷（P）、硫（S）、钾（K）、钠（Na）、氯（Cl）和镁（Mg）七种元素属于常量元素。含量和需要量皆低于上述值的其他元素则称为微量元素或痕量元素。如铁（Fe）、锌（Zn）、铜（Cu）、碘（I）、锰（Mn）等。,食品生物化学,（2）按对人体健康的影响分 食物中含有的矿物质，按其对人体健康的影响可分为三类：必需元素、非必需元素和作用尚未确定元素以及有毒元素。必需元素是指这类元素
16、正常存在于机体的健康组织中，对机体自身的稳定起着重要作用，缺乏它可使机体的组织或功能出现异常，补充后可恢复正常。必需微量元素有14种，即铁（Fe）、锌（Zn）、铜（Cu）、碘（I）、锰（Mn）、钼（Mo）、钴（Co）、硒（Se）、铬（Cr）、镍（Ni）、锡（Sn）、硅（Si）、氟（F）、钒（V）。非必需元素和作用尚未确定元素是指对人体代谢无影响，或目前尚未发现影响的元素。如铝、溴、硼、铷、钡等。,食品生物化学,有毒元素指在正常情况下，人体只需要极少的数量或人体可以耐受极小的数量，剂量高时，即可呈现毒性作用，妨碍及破坏人体正常代谢功能。在食品中有毒元素以汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）最常见。正常情况下，它们的分布比较恒定，通常不会对人体构成威胁。若食品受到“三废”污染，或在食品加工过程中受到污染，易使人体中毒。必需微量元素按其生物学作用分为三类： 人体必需微量元素，共8种，包括碘、锌、硒、铜、钼、铬、钴和铁； 人体可能必需的元素，共5种，包括锰、硅、硼、钒和镍； 具有潜在的毒性，但在低剂量时，可能具有人体必需功能的微量元素，共7种，包括氟、铅、镉、汞、砷、铝和锡。机体对各种矿物元素都有一个耐受剂量。,
