第一單元水分 一 水活性 ( Water Activity:Aw) 為表示食品中游離水之狀態, 在一定溫度下將受測食品置入密閉容器中, 食品表面的水蒸氣壓與相圖溫度下純水之飽和蒸氣壓之比值 也是食品在此密閉容器中, 大氣之平衡相對溼度 亦可依拉午耳定律 (Raoult s Law) 定為溶質的莫耳數與溶質的莫耳數和水莫耳數和之比值 ( 一 ) 定義 : Aw= P/P 0 (0 1)=ERH/100=n1/n1+n2(Raoult s Law) P : 食品中水的蒸汽壓 P 0 : 相同溫度下純水的蒸汽壓 ERH: 平衡相對濕度 (equilibrium relative humidity), 此時既不吸收, 也不損失水分 n1= 水的莫耳數 n2= 溶質的莫耳數 ( 二 )Aw 特性 : 1. 數值小於 1 2. 食品水活性低於空氣相對溼度時, 食品吸濕 3. 食品水活性高於空氣相對溼度時, 食品脫水 ( 三 ) 食品中水存在的形式 1. 自由水 (free water): 保有其物理特性, 可作為膠質的分散劑及結晶物質的溶劑 2. 吸附水 (absorbed water) 或準結合水 : 利用凡得瓦力 (van der Waals) 或主要是氫鍵結合在大分子表面 ( 蛋白質 澱粉 果膠和纖維素 ) 3. 結合水 (bound water): 與不同物質結合, 如與水的水和 : 乳糖單水和物或 Na 2 SO 4 10H 2 O 1
二 等溫水分吸濕脫濕曲線 ( Sorption-desorption Isotherm) 將食品放置在不同濕度控制的密閉環境中, 當其達到水分平衡時, 將此時水分含量對相對濕度作圖, 可以得到下圖之倒 S 形曲線, 稱等溫水分吸濕脫濕曲線 ( Sorption-desorption Isotherm) 圖 1 食品等溫水分吸附曲線 圖 2 典型水分吸附圖形與不同水分吸附組態 2
水分子又可依其結合力分為如圖之三區 : I 區 II 區 III 區 結合水 ;aw=0~0.25 束縛力激增 ; 溶質外圍形成單層水膜 ; 相對濕度為 0~25%; 水分不凍結 ; 無法當作溶劑 ; 脂肪氧化反應速率在 A 區及 B 區交界處最低 準結合水 ;aw=0.25~0.8, 束縛力增強 ; 溶質外圍形成多層水膜, 溶液性質有巨大改變 ; 相對濕度為 25~80%; 水分凍結結降低或不凍結 ; 充當溶劑能力減少 ; 化學反應有非酵素性褐變及脂肪氧化 自由水 ;aw=0.8~1.0, 接近純水 ; 水分位於組織基質中 ; 相對濕度為 80~99%; 水分凍結結降低 ; 充當溶劑能力略減 ; 有非酵素性褐變 脂肪氧化 酵素水解及微生物生長 ( 一 ) 滯後現象又稱為 履歷現象 (hysteresis): 為食品吸放濕速度差異 同一種食品吸濕時與脫濕時的曲線不同, 兩者間會形成一個環狀的區間, 此種現象稱滯後現象 (hysteresis) 1. 定義 : 在一定的 Aw 下, 脫濕時水份含量大於吸濕時水分含量 2. 發生原因 : (1) 因水分與非水溶性成分作用, 因而產生鍵結, 無法釋放水分 (2) 吸濕作用時, 造成某些非水溶性成分之變質, 所以無法再吸收水分 ( 二 ) 在加工上之意義 : 1. 水分脫濕等溫線 (Moisture Desorption Isotherm ) 應用 : 可用來預測食品乾燥時間, 一般食品的水分含量在 5~15% 之間, 有良好的安定性 2. 等溫水分吸附曲線 (Moisture Sorption Isotherm) 應用 :(1) 可用來預測食品在貯藏過程中之吸濕情形及化學反應 (2) 提供食品在乾燥或濃縮過程中, 空氣相對溼度對食品水分含量與脫水速率之影響 (3) 決定食品包裝或貯藏時, 抑制微生物繁殖所需達到的水分含量 (4) 評估食品之安定性 3
三 水活性與微生物繁殖及化學反應之關係 ( 一 ) 微生物方面微生物之繁殖 Aw 之最低限度如下 : 1. 黴菌 :0.78~0.80 2. 酵母菌 :0.88 3. 細菌 :0.90~0.99 4. 嗜鹽性細菌 :0.75 5. 耐乾性黴菌 :0.70 6. 耐滲透壓性酵母菌 :0.65 故要完全阻止微生物繁殖之 Aw 必需降至 0.6 以下 ( 二 ) 化學反應 1. 油脂氧化 (lipid oxidation): (1) 食品之含水量高時油脂容易氧化,Aw 為 0.7~0.8 時, 油脂氧化速率最大, 原因與溶氧量及油脂浮在水面有關 (2) Aw 為 0.3~0.4 時, 油脂氧化速率最低, 此 Aw 範圍的水反而抑制油脂氧化所生成之自由基, 故降低了油脂氧化速率 (3) Aw 為 0.3 時, 氧化安定性最佳 (4) Aw 低於 0.3 時, 油脂氧化速率反而增加, 原因是食品乾燥至 Aw 低於 0.3 時, 食品已成細小粉末或多孔洞之狀態, 與油脂接觸面積變大, 因而增加了油脂氧化速率 2. 非酵素性褐變 (non-enzymatic browning): 食品中之醣類 ( 羰基化合物 ) 與胺基酸 及蛋白質 ( 胺基化合物 ) 等, 產生反應, 生成褐色物質 Aw 為 0.7 時, 非酵素性 褐變反應最快速 4
3. 酵素性褐變 (enzymatic browning): 蔬果中含多元酚 (polyphenol compounds), 因植物組織含多酚氧化酶 (polyphenol oxidase,ppo), 會促進多酚類氧化生成褐色, 例如蘋果 梨子及桃子等經切開後, 切口面會快速變成褐色 Aw 為 0.6 以上時, 酵素性褐變反應最快速 四 水活性在加工上之應用 利用冷凍 乾襙或添加水合性物質降低水活性已達到食品保存的目的 ( 一 )aw=0.97~1 高濕性食品 (high moisture food, HMF): 容易引起微生物的腐敗, 如牛奶 果汁 肉類 ( 二 )aw<0.6 低濕性食品 (low moisture food, LMF): 安定而不易腐敗, 如奶粉 乾穀類 ( 三 )aw=0.6~0.9 中濕性食品 (intermediate moisture food, IMF): 食品中加入食鹽 砂糖 山梨醇等水合性物質, 則部分自由水會與其作用, 降低水活性 以調節水活性而添加的物質稱潤濕劑 (humectant) 中濕性食品即是使用潤濕劑將食品水活性控制在 0.65~0.85 者, 不需加熱或冷藏即可穩定保存, 如乾酪 果醬 果凍 製造方法 : 於食品中添加潤濕劑後, 再脫濕, 使食品水活性降到 0.85, 此時水分含量 約 17% 缺點 : 但容易造成酵素性褐變 (enzymaticbrowning) 或梅納反應 (Maillard reaction) 及 酵母與黴菌之感染 5
第二單元醣類 一 成分 : 醣類是由碳 氫 氧三種元素所組成 且多數的醣類, 其氫 氧之比例與水一樣, 故又稱為碳水化合物 醣與糖的區別, 在於 醣 即泛指所有的碳水化合物, 如肝醣 纖維質 澱粉等 ; 而 糖 是指具有甜味的醣類, 如葡萄糖 麥芽糖等 二 醣類分類 : 醣類根據其水解產物大致可分為四類 : 單醣類 雙醣類 寡醣類 多醣類 ( 一 ) 單醣類單醣依其碳原子數目的不同可細分為三碳醣 四碳醣 五碳醣 六碳醣等幾類, 六碳醣具有飲食上之重要性 1. 三碳醣 : 如甘油醛為醣解作用之中間代謝產物 2. 四碳醣 : 如赤藻糖 (Erythrose) 為醣類的代謝之中間產物 3. 五碳醣 : 主要有核糖, 為 DNA RNA 的構成成分 (1) 木糖 : 存在根類蔬菜及水果中 木糖以多分子連結時稱為木膠 木糖的甜度雖不及葡萄糖高, 但在人體內的吸收利用率低, 所以糖尿病人吃甜食時, 可以木糖代替 (2) 阿拉伯膠糖 : 富含於阿拉伯樹膠 李子 梅子中, 可供研究細菌代謝之用 4. 六碳醣 : 是生理上最重要的單醣類, 主要有葡萄糖 半乳糖, 甘露糖 果糖 ( 甜度最高 ) 等 (1) 果糖 (Fructose): 常與葡萄糖, 蔗糖存在於水果及蜂蜜中, 是醣類中最甜者 因為很甜, 所以只要吃一點即可滿足甜慾, 同時使血糖上升的能力比葡萄糖低, 所以果糖也被利用作為糖尿病甜食代用品 6
(2) 半乳糖 ( Galactose): 自然界食品中並無以半乳糖型式存在, 而是乳糖的消化產物 身體可以自製半乳糖, 故在奶粉中並不需要特別增加 (3) 甘露糖 : 自然界中, 甘露糖不以一個個分子的形式存在, 而是由好幾百個分子連結, 稱為甘露蜜, 存在植物的種子中 甘露糖亦可與葡萄糖互變 (4) 糖醇類 : 1 山梨糖醇 (Xylitol ): 葡萄糖第一個碳上的醛基 (-CHO) 被醇基 (-CH2OH) 取代 存在多種水果及蔬菜中 其吸收速率較葡萄糖慢, 所以吃後升血糖的能力較葡萄糖低 因為這種特性, 山梨榶醇被利用作為糖尿病人之醣類代用品 ( 其甜度與葡萄糖相仿, 產生的熱量亦相同 常被用於口香糖 ) 2 木糖醇 : 為木糖之醇型 與木膠一樣, 吸收率差, 有甜味不能被利用, 所以可作為糖尿病人用 3 甘露糖醇 : 是甘露糖第一個碳上之醛基被醇基取代, 消化率差 ( 即升血糖能力差 ), 熱量只有葡萄糖的一半, 甜度稍低, 所以被作為糖尿病甜食代用品 單醣類特性 : 單醣類含有醛基 (Aldehyde) 或酮基 (Ketone), 故具還原性 在雙糖中, 蔗糖的酮基及醛基因分子的結合而失去還原性, 麥芽糖及乳糖則仍有還原性, 多醣類就完全失去了這個特性 利用醣類是否具有還原性, 可分辨出其為單雙或多醣 五碳醣在生物體內重要性, 是因其為控制遺傳物質的重要成分, 如 RNA 中的核糖,DNA 中的去氧核糖 所以食物中五碳糖是存在核糖中, 但食物中的五碳糖對人體營養素的攝取並非很重要, 因為身體可合成之 水果中的五碳糖為阿拉伯糖及木糖 木糖亦以多分子連結而成, 稱木膠 7
( 二 ) 雙醣類雙醣類包括有蔗糖, 麥芽糖及乳糖三種 1. 蔗糖 (Table Sugar or Sucrose) 甘蔗及甜菜為蔗糖主要食物來源 由一分子葡萄糖及一分子果糖去掉一分子水結合而成 在小腸管內有一種酵素, 稱為 sucrase, 可將蔗糖切斷為果糖及葡萄糖 蔗糖係由甘蔗汁中提煉出來, 純度較高顏色較白的, 即為市面上所售出的白糖, 僅提供熱量, 純度較低, 而色黑者, 是為黑糖, 內含少量礦物質 提煉出蔗糖後, 所餘的殘渣上有少部分蔗糖留下, 色黑, 是為糖蜜 在食品加工上, 有很大的利用價值, 如製酵母, 味精, 均可以糖蜜為碳的來源 2. 麥芽糖 (Maltose) 在自然界中, 分佈並不廣, 麥芽糖是澱粉分解為葡萄糖的中間產物, 係由兩分子葡萄糖結合而成 蔗糖的旋光性為右旋, 但水解後的果糖有很強的左旋性, 使得水解後的混和物呈左旋性, 故此混和液特稱為轉化糖 工業製造利用含有澱粉酶的麥芽汁, 使澱粉分解而成, 故稱為麥芽糖, 但這種分解方式, 並不像體內消化作用那麼完全, 所以產物有大小分子不等, 大分子者為各種糊精 (Dextrin), 分子量最小的, 稱為麥芽糖, 故市面上出售的, 並不是純的麥芽糖, 而是糊精加麥芽糖的混合物, 有些奶粉添加這種混合物代替澱粉, 因其消化率較澱粉好, 在腸管中又比蔗糖不易發酵, 嬰兒食用也較不會瀉肚 由澱粉轉化為麥芽糖, 在人體的酵素與工業用的不同, 稱 amylase 把麥芽糖分解成兩分子葡萄糖的酵素稱 maltase 3. 乳糖 ( Lactose) 是牛奶中的醣類, 植物食品中則不含乳糖 乳糖由一分子葡萄糖及一分子半乳 糖構成, 乳糖有好幾個優點, 故有利於嬰兒食用 8