第6章 矿物质Minerals.docx

1、第6章 矿物质Minerals第6章 矿物质（Minerals）6.1概述所谓矿物质（Minerals）是指食品中各种无机化合物，大多数相当于食品灰化后剩余的成分，故又称粗灰分（Crude ash，CA）。矿物质在食品中的含量较少，但具有重要的营养生理功能，有些对人体具有一定的毒性。因此，研究食品中的矿物质目的在于提供建立合理膳食结构的依据，保证适量有益矿物质，减少有毒矿物质，维持生命体系处于最佳平衡状态。食品中矿物质含量的变化主要取决于环境因素。植物可以从土壤中获得矿物质并贮存于根、茎和叶中；动物通过摄食饲料而获得。食物中的矿物质可以离子状态、可溶性盐和不溶性盐的形式存在；有些矿物质在食品中

2、往往以螯合物或复合物的形式存在。6.1.1 矿物质的功能6.1.1.1 机体的构成成分食品中许多矿物质是构成机体必不可少的部分，例如钙、磷、镁、氟和硅等是构成牙齿和骨骼的主要成分；磷和硫存在于肌肉和蛋白质中；铁为血红蛋白的重要组成成分。6.1.1.2 维持内环境的稳定作为体内的主要调节物质，矿物质不仅可以调节渗透压，保持渗透压的恒定以维持组织细胞的正常功能和形态；而且可以维持体内的酸碱平衡和神经肌肉的兴奋性。6.1.1.3 某些特殊功能某些矿物质在体内作为酶的构成成分或激活剂。在这些酶中，特定的金属与酶蛋白分子牢固地结合，使整个酶系具有一定的活性，例如血红蛋白和细胞色素酶系中的铁，谷胱苷肽过氧

3、化物酶中的硒等。有些矿物质是构成激素或维生素的原料，例如碘是甲状腺素不可缺少的元素，钴是维生素B12的组成成分等。6.1.1.4 改善食品的品质许多矿物质是非常重要的食品添加剂，它们对改善食品的品质意义重大。例如，Ca2+是豆腐的凝固剂，还可保持食品的质构；磷酸盐有利于增加肉制品的持水性和结着性；食盐是典型的风味改良剂等。6.1.2矿物质的分类食品中矿物质按其对人体健康的影响可分为必需元素（Essential element）、非必需元素（No Essential element）和有毒元素（Toxic element）三类。必需元素是指这类元素存在于机体的健康组织中，对机体自身的稳定具有重要

4、作用。当缺乏或不足时，机体出现各种功能异常现象。例如，缺铁导致贫血；缺硒出现白肌病；缺碘易患甲状腺肿等。但必需元素摄入过多会对人体造成危害，引起中毒。非必需元素又称辅助营养元素，有毒元素通常指重金属元素如汞、铅、镉等。食品中的矿物质若按在体内含量的多少可分为常量元素（Macro-element）和微量元素（Micro-element）两类。常量元素是指其在人体内含量在0.01%以上的元素如钙、磷等；含量在0.01%以下的称为微量元素如铁、碘、硒、锌、锰、铬等。无论是常量元素还是微量元素，在适当的范围内对维持人体正常的代谢与健康具有十分重要的作用。6.1.3 动物性食品中的矿物质6.1.3.1

5、牛乳中的矿物质牛乳中的矿物质含量约为0.7%，其中钠、钾、钙、磷、硫、氯等含量较高，铁、铜、锌等含量较低。牛乳因富含钙常作为人体钙的主要来源。乳清中的钙占总钙的30%且以溶解态存在；剩余的钙大部分与酪蛋白结合，以磷酸钙胶体形式存在；少量的钙与-乳清蛋白和-乳球蛋白结合而存在。有人提出，钙之所以能维持酪蛋白的稳定主要是钙在磷酸根和酪蛋白磷酸基团之间形成钙桥。牛奶加热时钙、磷从溶解态转变为胶体态。牛奶中的主要矿物质含量见表6-1。表6-1 牛乳中主要矿物质含量 （mg/100g）矿物质范围平均值 溶解相分布（%） 胶体相分布（%）总钙110.9120.3117.7 3367离子钙10.512.8

6、11.4100 0镁11.413.0 12.1 6733钠4777 58 94 6钾113171140 93 7磷79.8101.7 95.1 4555氯89.8127.0104.5100 06.1.3.2 肉中的矿物质肉类是矿物质的良好来源（表6-2）。其中钾、钠、磷含量相当高，铁、铜、锰、锌含量也较多。肉中的矿物质有的呈溶解状态，有的呈不溶解状态。不溶解的矿物元素与蛋白质结合在一起。肉在解冻时由于滴汁发生钠的大量损失，而钙、磷、钾损失较小。表6-2 牛肉中的矿物质含量 （mg/100g）矿物质含量矿物质含量全钙86可溶性无机盐95.2可溶性钙38钠168.0全磷 24.2钾244.0可溶性

7、磷 17.7氯48.0全无机磷233.0 6.1.3.3 蛋中的矿物质蛋中的钙主要存在于蛋壳中，其他矿物质主要存在于蛋黄中。蛋黄中富含铁，但由于卵黄磷蛋白（Prosvitin）的存在大大影响了铁在人体内的生物利用率。此外，鸡蛋中的伴清蛋白（Conalbumin）可与金属离子结合，影响了在体内的吸收与利用。鸡蛋中的伴清蛋白与金属离子亲和性大小依次为Fe3+Cu2+Mn2+Zn2+。6.1.4 植物性食品中的矿物质植物性食品中的矿物质分布不均匀，其钾的含量比钠高。谷类食品中的矿物质主要集中在麸皮或米糠中，胚乳中含量很低（表6-3）。当谷物精加工时会造成矿物质的大量损失。豆类食品钾、磷含量较高，是人

8、体的优质来源（表6-4），但大豆中的磷70%80%与植酸结合，影响了人体对其他矿物质如钙、锌等的吸收。表6-3 小麦不同部位中矿物质含量部位P（%）K（%）Na（%）Ca（%）Mg（%）Mn（mg/kg）Fe（mg/kg）Cu（mg/kg）全胚乳0.100.130.00290.017 0.01624138全麦麸0.380.350.00670.0320.11323111中心部分0.350.340.00510.025 0.08629407胚尖0.550.520.00360.0510.1377818残余部分0.410.410.00570.0360.13444612整麦粒0.440.420.00640

9、.0370.1149548表6-4 大豆（干重）中矿物质含量（%）矿物质范围平均值灰分3.306.354.60钾0.812.391.83钙0.190.300.24镁0.240.340.31磷0.501.080.78硫0.100.450.24氯0.030.040.03钠0.140.610.24蔬菜中的矿物质以钾最高（表6-5），而水果中的矿物质含量低于蔬菜（表6-6） 。不同品种、产地的蔬菜和水果中矿物质含量有差异，主要是与植物富集矿物质的能力有关。虽然蔬菜和水果中水分高，矿物质含量低，但它们仍然是膳食中矿物质的一个重要来源。表6-5 部分蔬菜中矿物质含量（mg/100g）蔬菜钙磷铁钾菠菜 72

10、 531.8502莴笋 7 312.0318茭白 4 430.3284苋菜（青）180 463.4577苋菜（红）200 464.8473芹菜（茎）160 618.5163韭菜 48 461.7290毛豆1002196.4579表6-6 部分水果中矿物质含量（mg/100g）水果镁磷钾橘子10.215.8175苹果 3.6 5.4 96葡萄 5.812.8200樱桃16.213.3250梨 6.5 9.3129香蕉25.416.4373菠萝 3.9 3.01426.2 食品中主要的矿物质6.2.1 常量元素（Macro-elements）6.2.1.1 钠和钾钠（Sodium，Na）和钾（Po

11、tassium，K）的作用与功能关系密切，二者均是人体的必需营养素。钠作为血浆和其他细胞外液的主要阳离子，在保持体液的酸碱平衡、渗透压和水的平衡方面起重要作用；并和细胞内的主要阳离子钾共同维持细胞内外的渗透平衡，参与细胞的生物电活动，在机体内循环稳定的控制机制中起重要作用；在肾小管中参与氢离子交换和再吸收；参与细胞的新陈代谢。在食品工业中钠可激活某些酶如淀粉酶；诱发食品中典型咸味；降低食品的Aw，抑制微生物生长，起到防腐的作用；作为膨松剂改善食品的质构。钾可作为食盐的替代品及膨松剂。钠的主要来源是食盐和味精，钾的主要食物来源是水果、蔬菜和肉类。人们一般很少出现钠、钾缺乏症，但当钠摄入过多时会造

12、成高血压。表6-7列出了动物性食品中的钠、钾含量。表6-7 动物性食品中钠和钾的含量（mg/100g）食物名称钾钠猪肉（后腿）330 11.0猪肝230 20.0牛肉（后腿）330 11.0牛奶157 49.0鸡肉340 12.0鸡蛋 60 73.0鸭蛋 60 82.0带鱼220112.0鲤鱼359 44.0黄鳝325 47.0对虾150 20.06.2.1.2 钙和磷钙（Calcium，Ca）和磷（Phosphorus，P）也是人体必需的营养素之一。体内99%的钙和80%的磷以羟磷灰石的形式存在与骨骼和牙齿中。钙对血液凝固、神经肌肉的兴奋性、细胞的粘着、神经冲动的传递、细胞膜功能的维持、酶反

13、应的激活以及激素的分泌都起着决定性的作用。磷作为核酸、磷脂、辅酶的组成部分，参与碳水化合物和脂肪的吸收与代谢。由于钙能与带负电荷的大分子形成凝胶如低甲氧基果胶、大豆蛋白、酪蛋白等，加入罐用配汤可提高罐装蔬菜的坚硬性，因此，在食品工业中广泛用作质构改良剂。磷在软饮料中用作酸化剂；三聚磷酸钠有助于改善肉的持水性；在剁碎肉和加工奶酪时使用磷可起到乳化助剂的作用。此外，磷还可充当膨松剂。钙的主要来源有乳及其制品、绿色蔬菜、豆腐、鱼和骨等；磷主要来源于动物性食品。植物性食品中含有大量的磷，但大多数以植酸磷的形式存在（表6-8），难以被人体消化与吸收。可通过发酵或浸泡方式将其水解，释放出游离的磷酸盐，从而

14、提高磷的生物利用率。人体缺钙时，幼年易患佝偻病，成年或老年易患骨质疏松症。一般很少出现磷缺乏症。表6-8 食品中植酸磷的含量 （g/kg干物质）食品总磷植酸磷食品总磷植酸磷大米3.52.4豌豆3.81.7小米3.51.91大豆7.13.8小麦3.32.2土豆1.00玉米2.81.9燕麦3.62.1高粱2.71.9大麦3.72.26.2.1.3 镁镁（Magnesium，Mg）虽然是常量元素中体内总含量较少的一种元素，但具有非常重要的生理功能。镁是骨骼和牙齿的重要组成成分之一，它与钙、磷构成骨盐，与钙在功能上既协同又对抗。当钙不足时镁可部分替代；当镁摄入过多时，又阻止骨骼的正常钙化。镁是细胞内的

15、主要阳离子之一，和Ca、K、Na一起与相应的阴离子协同，维持体内的酸碱平衡和神经肌肉的应激性。细胞内大多数镁集中线粒体中作为辅基参与体内的各种磷酸化反应；通过对核糖体的聚合作用，参与蛋白质的合成，使mRNA与70S核糖体连接；参与DNA的合成与分解，维持核酸结构的稳定。食品工业中镁主要用作颜色改良剂。在蔬菜加工中常因叶绿素中的镁脱去生成脱镁叶绿素，使色泽变暗。膳食中的镁来源于全谷、坚果、豆类和绿色蔬菜中。一般很少出现缺乏症。6.2.1.4 硫硫（Sulphur，S）对机体的生命活动起着非常重要的作用，在体内主要作为合成含硫氨基酸如胱氨酸、半胱氨酸和甲硫氨酸的原料。食品工业中常利用SO2和亚硫酸

16、盐作为褐变反应的抑制剂；在制酒工业中广泛用于防止和控制微生物生长。硫分布广，富含含硫氨基酸的动植物食品是硫的主要膳食来源。6.2.2 微量元素6.2.2.1锌锌（Zinc，Zn）主要通过体内某些酶类直接发挥作用来调节生命活动，例如Cu/Zn超氧化物歧化酶、 RNA聚合酶（、）等。作为负责调节基因表达的反式作用因子的刺激物，参与DNA、RNA和蛋白质的代谢。锌与胰岛素、前列腺素、促性腺素等激素的活性有关；锌具有提高机体免疫力的功能，与人的视力及暗适应能力关系密切。此外，锌可能是细胞凋亡的一种调节剂。一般动物性食品中锌的含量较高，肉中锌的含量约为20mg/kg-60mg/kg，而且肉中的锌与肌球蛋

17、白紧密连接在一起，提高肉的持水性。除谷类的胚芽外，植物性食品中锌含量较低如小麦含20mg/kg-30mg/kg，且大多与植酸结合，不易被吸收与利用。水果和蔬菜中含锌量很低，大约2mg/kg。有机锌的生物利用率高于无机锌。 6.2.2.2 铁铁（Iron，Fe）是人体必需的微量元素，也是体内含量最多的微量元素。机体内的铁都以结合态存在（表6-9），没有游离的铁离子存在。铁是血红素的组成成分之一（图6-1）；铁参与血红蛋白和肌红蛋白的构成；参与细胞色素氧化酶、过氧化物酶的合成；维持其他酶类如乙酰辅酶A、黄嘌呤氧化酶等活性以保持体内三羧酸循环顺利进行。在机体氧的运输、交换与组织呼吸中发挥重要作用。铁

18、还影响体内蛋白质的合成，提高机体的免疫力。此外，铁在“隔室封闭破坏（Descompartmentalized）”及“自由基（Free radical）”致病理论中占有重要地位。铁失去隔室封闭可能是许多严重疾病如风湿热、恶性肿瘤、多发性坏死、先天性畸形及分子水平的发病机制。表6-9 人体内铁的分布名称总量（g）含铁量（mg）含铁百分率（%）血红蛋白900310073肌红蛋白40 140 3.3细胞色素0.8 3.4 0.08过氧化氢酶5.0 4.5 0.11铁传递蛋白7.5 3.0 0.07铁蛋白和血铁黄素3.069016.4未鉴定成分300 7.1食品工业中铁主要有以下几方面的作用。1、通过F

19、e2+ 与Fe3+催化食品中的脂质过氧化。2、颜色改变剂。与多酚类形成绿色、蓝色或黑色复合物，在罐头食品中与S2-形成黑色的FeS；在肌肉中以其价态不同呈现不同的色泽如Fe2+呈红色，而Fe3+呈褐色。3、营养强化剂。在越来越多的食品中使用铁进行营养强化。不同化学形式的铁，其强化后的生物可利用性也不同（表6-10）。表6-10 不同化学形式铁的生物有效性（%）化学形式相对生物有效性硫酸亚铁 100柠檬酸铁铵 107硫酸铁铵 99葡萄糖酸亚铁 97柠檬酸铁 73焦磷酸铁 45还原铁 37氧化铁4碳酸亚铁2动物性食品如肝脏、肌肉、蛋黄中富含铁，植物性食品如豆类、菠菜、苋菜等中含铁量稍高，其他含铁较

20、低，且大多数与植酸结合难以被吸收与利用。6.2.2.3 铜人体中的铜（Copper，Cu）大多数以结合状态存在，如血浆中大约有90%的铜以铜兰蛋白的形式存在。铜通过影响铁的吸收、释放、运送和利用来参与造血过程。铜能加速血红蛋白及卟啉的合成，促使幼稚红细胞成熟并释放。铜是体内许多酶的组成成分如超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）；对结缔组织的形成和功能具有重要作用；与毛发的生长和色素的沉着有关；促进体内释放许多激素如促甲状腺激素、促黄体激素、促肾上腺皮质激素和垂体释放生长激素等；影响肾上腺皮质类固醇和儿茶酚胺的合成，并与机体的免疫有关。食品加工中铜可催化脂质过氧化、

21、抗坏血酸氧化和非酶氧化褐变；作为多酚氧化酶的组成成分催化酶促褐变，影响食品的色泽。但在蛋白质加工中，铜可改善蛋白质的功能特性，稳定蛋白质的起泡性。绿色蔬菜、鱼类和动物肝脏中含铜丰富，牛奶、肉、面包中含量较低。食品中锌过量时会影响铜的利用。6.2.2.4 碘碘（Iodine，I）在机体内主要通过构成甲状腺素而发挥各种生理作用。它活化体内的酶，调节机体的能量代谢，促进生长发育，参与RNA的诱导作用及蛋白质的合成。面粉加工焙烤食品时，KIO3作为面团改良剂，能改善焙烤食品质量。机体缺碘会产生甲状腺肿，幼儿缺碘会导致呆小病。海带及各类海产品是碘的丰富来源（表6-11）。乳及乳制品中含碘量在200g/k

22、g400g/kg，植物中含碘量较低。食品加工中一些含碘食品如海带长时间的淋洗和浸泡会导致碘的大量流失。内陆地区常会出现缺碘症状，沿海地区很少缺碘。一般可通过营养强化碘的方法预防和治疗碘缺乏症。目前，通常使用强化碘盐即在食盐中添加碘化钾或碘酸钾使每克食盐中碘量达70g。表6-11 部分食品中碘的含量（g/kg）食品含量食品含量海带（干）240,000蛏干1,900紫菜（干） 18,000干贝1,200发菜（干） 11,000淡菜1,200鱼肝（干） 480海参（干）6,000蚶（干） 2,400海蛰（干）1,320蛤（干） 2,400龙虾（干） 6006.2.2.5 硒硒（Selenium，Se

23、）是1837年由瑞典科学家Berzelius发现的第一种非金属元素。长期以来，人们一直认为它是有毒物质，直到1957年研究发现硒是机体重要的必需微量元素。硒参与谷胱苷肽过氧化物酶（Glutathione peroxidase，GSH-Px）的合成，发挥抗氧化作用，保护细胞膜结构的完整性和正常功能的发挥。硒的抗氧化功能是通过GSH-Px来实现的。GSH-Px催化还原型谷胱苷肽转变成氧化型的谷胱苷肽，将脂肪酸氧化产生的氢过氧化物（ROOH，H2O2）还原成羟基脂肪酸，并使H2O2分解。其反应模式如图6-2。GSH-PxROOH+2GSHROH+GSSG+H2O GSH-PxROOH+2GSHGSS

24、G+2H2O图6-2 谷胱苷肽过氧化物酶（GSH-Px）抗氧化反应硒能加强维生素E的抗氧化作用，但维生素E主要防止不饱和脂肪酸（Unsaturated fatty acid，UFA）氧化生成氢过氧化物（ROOH），而硒使氢过氧化物（ROOH）迅速分解成醇和水。硒还具有促进免疫球蛋白生成和保护吞噬细胞完整的作用。硒可能通过诱发神经细胞凋亡而降低细胞存活率。硒的生物利用率与硒化合物的形态有关（表6-12），最活泼的是亚硒酸盐，但它化学性质最不稳定。许多硒化合物有挥发性，在加工中有损失。例如脱脂奶粉干燥时大约损失5%的硒。硒的食物来源主要是动物内脏，其次是海产品、淡水鱼、肉类；蔬菜和水果中含量最低。

25、硒缺乏与中毒与地理环境有关。我国黑龙江克山县一带是严重缺硒地区，土壤中的含硒量仅为0.06mg/kg，这些地区的人易患白肌病（White muscle disease，WMD）或大骨节病；而陕西的紫阳和湖北的恩思部分地区为高硒区，硒的含量变化为0.08 mg/kg45.5 mg/kg，平均为9.7 mg/kg，常会出现硒中毒现象。表6-12 无机化合物中硒的生物利用率（%）化合物硒的价态利用率硒化钠-244硒0 3亚硒酸钠4100硒酸钠6 746.2.2.6铬自1957年Schwarz和Mertz首次提出并证实啤酒酵母中含有葡萄糖耐量因子（Glucose Tolerance Factor，GT

26、F）的假设，并与1959年进一步证实了GTF中具有重要生物活性的结构部分是Cr3+后，铬（Chromium，Cr）的生物学功能引起了人们的广泛关注。现已证明，铬是人和动物必需的微量元素，在体内具有重要的生理功能。铬通过协同和增强胰岛素的作用，影响糖类、脂类、蛋白质及核酸的代谢。目前尚未完全清楚GTF的化学结构，普遍认为它是一种铬的烟酸盐，含有Cr3+、烟酸和另外三种氨基酸（谷氨酸、胱氨酸和甘氨酸）（图6-3）。Cr3+在葡萄糖磷酸变位酶中起着关键性的作用。铬作用于细胞上的胰岛素敏感部位，增加细胞表面胰岛素受体的数量或激活胰岛素与膜受体之间二硫键的活性，加强胰岛素与其受体位点的结合，刺激外周组织

27、对葡萄糖的利用，维持体内血糖的正常水平。铬可增强脂蛋白脂酶和卵磷脂胆固醇酰基转移酶的活性，促进高密度脂蛋白（High density lipoprotein,HDL）的生成。铬可促进氨基酸进入细胞，影响核蛋白、RNA和核酸的合成，保护RNA免受热变性，维持核酸结构的完整性。Cr3+可能具有改变和调节基因的功能。铬与DNA作用的色谱学研究表明，Cr3+催化核苷三磷酸分子脱去焦磷酸，并且通过DNA-DNA交联而促进DNA的聚合。铬的最丰富来源是啤酒酵母；制品、动物肝脏、胡萝卜、红辣椒等中含铬较多。有机铬易被吸收，Fe、Zn、V及植酸盐等妨碍铬的吸收，而Mn、Mg及草酸盐可促进铬的吸收。膳食中缺铬时

28、导致一系列的代谢紊乱。例如，缺铬时血清胆固醇及血糖均升高，产生动脉粥样硬化，这主要与内皮细胞通透性增高有关。表6-13列举了部分食物中铬的含量。表6-13部分食物中铬的含量（ng/kg）食物含量食物含量麦麸2.18粗红塘0.240.35粗面粉2.19精白糖0.020.13全小麦1.75糖浆0.75细面粉0.60玉米糖0.15精面粉0.23葡萄糖0.03黑面包0.40蜂蜜0.29白面包0.146.2.2.7 钴钴（Cobalt，Co）是早期发现的人和动物体内必需的微量元素之一。1879年Azary指出钴对机体造血有利；1933年Filmer首次报道了缺钴动物可产生严重贫血；1935年钴被正式认定

29、为人和动物营养中必需的微量元素。钴可增强机体的造血功能，可能的途径有：1、直接刺激作用。钴促进铁的吸收和贮存铁的动员，使铁易进入骨髓被利用。2、间接刺激作用。钴能抑制细胞内许多重要的呼吸酶的活性，引起细胞缺氧，从而使促红细胞生成素的合成量增加，产生代偿性造血机能亢进。钴在造血过程中的作用及机制见图6-4。钴通过维生素B12参与体内甲基的转移和糖代谢；钴还可以提高锌的生物利用率。食物中钴的含量变化较大。豆类中含量稍高，大约在1.0mg/kg，玉米和其他谷物中含量很低，大约在0.1mg/kg。6.2.2.8 其他微量元素（1）锰。1931年人们发现缺锰会引起啮齿动物的生长不良和生殖功能障碍，从而确定了它是一种必需的元素。现已证明，锰（Manganese，Mn）是体内精氨酸酶、丙酮酸羧化酶和MnSOD等的组成成分以及转葡萄糖苷酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶和谷