食品热值的测量

量热设备 食品热值的测量 德国 IKA@氧弹量热仪简介 对于您所喜欢的食物标签上所标示的“热值”，您是否有过好奇和疑惑?他们是如何得知七块饼干相当于130卡路里的热量或者一杯茶会消耗你2卡路里的热量?其实，有许多种方法可以测定食物的热值。 热值测量 测定食物热量最常见的方法是分别测定食物中每个组分(如蛋白质、脂肪、碳水化和物、乙醇、有机酸等)的热量，然后将各个组分的热值加和即为该食物的热量。 原理本身非常的简单易懂，但是究竟是如何得知每种组分中所含的热量呢?在回答这个问题之前，我们首先来定义“卡路里(calorie)”。简单来讲：1个卡路里是指将1kg(1L)水的温度升高1℃(从14.5℃升温至15.5℃)时所需的热量。我们可以通过氧弹量热仪来测定食物样品中所含的实际热量。 氧弹量热仪(Bomb Calorimeter)简介 量热仪英文名称——Calorimeter 起源于拉丁语。在拉丁语中，"calor"表示“热量”； "metron" 表示“测量”，量热仪是一种测量样品热值的仪器。市场上量热仪的种类很多，德国IKA公司是氧弹量热仪(燃烧 量热仪)重要的生产厂家。其他类型的量热仪包括：溶液量热仪、差热扫描量热仪、滴定量热仪、气体量热仪以及反应量热仪。 氧弹量热仪是是用来测量某种样品在密闭容器(分解氧弹)中完全燃烧所产生的热量的仪器，又称为燃烧型量热仪。测量的结果被称作燃烧热、热值或者 BTU值(BTU-value 在美国比较常用)。注：氧弹——"bomb" 是个错误的用法，但是却常常用来形象描述此类的仪器。我们可以使用"decomposition vessel" 替代 "bomb" 燃烧过程 约为1克的固体或者液体食物样品置于燃烧埚中并被放入不锈钢的分解氧弹中。然后氧弹中充入30 bar 的氧气，此后通过连接于点火丝的点火棉线将样品点燃并使其完全燃烧。 燃烧过程中，埚中心温度最高可以达到1000°℃，分解氧弹内压力瞬间可以达到200 bar甚者更高。在这种情况下，有机物被充分燃烧；无机物(矿物质)将被氧化甚至剧烈燃烧。整个过程中所释放的热量可以通过不同的方法测定。 IKA氧弹量热仪的内部结构和工作原理如下图所示： 图1：量热仪内部结构 图2：内桶中的水将分解氧弹环绕 图2 图3 图3 图3：燃烧过程中产生的热量传递给周围的水图4：为了确保燃烧过程中产生的热量不会传递给外部，同时外部环境的热量也不会传递到系统中，外桶也需充满水并保持绝热。为了测量内桶中水温变化，仪器使用了高精度、高灵敏度的温度传感器。 分解氧弹可以在不同的模式进行操作，绝热、等温以及快速动态模式都是很常用的操作模式。上述模式描述了量热仪内外桶温度控制的工作原理。 物理热值和生理热值 使用通过已知热量的物质标定后的分解氧弹，我们就可以推算出将内桶的水温升高1℃所需的热量。食物燃烧后，量热仪系统显示食物样品中所包含的热量。该数值为物理热值，组成食物的所有的元素被燃烧和氧化。氢氧化生成水，碳生成二氧化碳，氮氧生成硝酸，矿物质被氧化等等。 有些食物在量热仪内部的燃烧比较快， 为了控制最佳的燃烧速度和过程，有时候需要进行特殊的处理或者使用一些燃烧助剂，如进行压片处理、燃烧包、燃烧胶囊以及燃烧甘埚等。 由于人体并不像分解氧弹一样燃烧食物，因此测量结果是偏高的。对于一些食物组分，例如纤维，人体无法消化吸收，同时消化食物时也要耗费人体的一些能量。食物中的热量的一部分会转化成脂肪储藏于体内。因此，食物在人体中消化吸收的过程是非常复杂的。另外，我们在进行劳动的过程中也要消耗大量的热量。 为了得到食物在氧弹量热仪中燃烧的生理热值，需要进行一些必要的校正。例如，对于一些动物食品，科学研究人员分别测量食物的热值(输入热量)以及动物的粪便的热值(排出热量)。这样，就可以确定某种食物有效热值。 相关知识： 热值单位——卡路里 (calories) 关于食品中所含的能量我们可以这样理解：1个卡路里(calorie)是指将 1 kg(1L)水的温度升高1℃(从14.5℃升温至15.5°℃)时所需的能量。因此，千卡 (kcal) 能够更加准确的对能量进行定义。例如，假如某种食物中所包含的热量为300千卡，则说明该食物的化学组织可释放出的潜在的热量可将300L的水加热1℃。不同的食物所包含的潜在热值不同，半杯花生油所包含的热值大概为759千卡，相当于将759升的水升高1℃的热量。 相应的，在英国和美国，人们使用华氏温度或 BTU (British Thermal Unit) 作为热量的单位。1个BTU 单位的热量意味着可将1磅的水从63°F升高至64°F。温度和热量的不同之处在于：温度指所测量的物体的冷热程度；而热量则描述了从一个物体到另一个物体或者从一个系统到另一个系统所传送或者交换珀能量。(相关单位的换算如下：1 cal=4.187 J； 1 kcal = 1，000 cal=4，184J或者 4.184 kJ； 1 BTU= 778ft-lb=252 cal=1，055J.) 焦耳(joule)或者千焦(kJ)，是国际上用来表示食物热值通用单位。将千卡转化成千焦时，乘以系数4.184；例如，半杯花生油的热量大约为(759 kcal x 4.184) kJ。兆焦(MJ)想当于1000 kJ；兆焦的引入是为了避免数字过大带来的麻烦。 食物的总热值 实验室可以使用氧弹量热仪测量的食物总热值。氧弹量热仪的工作原理如图所示，通过测量食物完全燃烧时所释放的热值确定其中所含的热量。 高压氧气。电子点火中的电流点燃样品和高压氧气的混合物，食物样品燃烧所释放的热量被分解氧弹周围的水吸收。由于量热仪与外部环境保持高度的绝热，分解氧弹周围水的温升直接反应食物样品燃烧所释放出的热量。 燃烧热反映了食物样品氧化过程中所释放的热量；该热值表征了样品总热值。例如，号汤匙黄油在氧弹量热仪中完全燃烧可以释放出100千卡(kcal)的热量，这些热量相当于将1.0 kg的冰水加热至沸点。虽然有机体氧化的方式与氧弹量热仪有所不同，但是食物完全分解所释放出的总热量确是相同的。 脂肪的燃烧热值 脂肪的燃烧热随甘油三酸酯的脂肪酸的结构不同而变化，例如，1克牛肉或者猪肉产生9.5千卡的热量，但是氧化1克牛奶中的脂肪可释放9.27千卡的热量。1克猪肉、鱼肉、蛋类平均热值为9.5千卡。平均来讲，脂肪的燃烧热相当于9.4千卡。 碳水化和物的燃烧热值 碳水化和物的燃烧热也随着分子中原子的排列不同而发生变化。葡萄糖的平均热值为3.74千卡/克；肝糖的平均热值为4.19千卡/克；淀粉的热值为4.2千卡/克。平均来讲，碳水化和物的燃烧热值大约为4.2千卡/克。 蛋白质的燃烧热值 -种食物燃烧过程中可释放热量的影响因素包括两个因素：(1)食物中蛋白的类型以及(2)蛋白中氮的相对含量。一般而言，在蛋类、肉类、谷物以及豆类中，氮的相对含量一般为16%，平均热值为5.75千卡/克。其他有些食物中氮的含量稍微高些，例如坚果和种子中氮的含量约为18.9%；小麦、黑麦和大麦中氮的含量约为17.2%。但有些食物中所含氮的量又稍微偏低，例如牛奶中含量为15.7%，糠麸中氮的含量为15.8%。蛋白类的平均热值为5.65千卡/克。 营养物质的热值比较 通过上述三种营养组分的平均燃烧热的比较(碳水化和物：4.2千卡/克，脂肪：9.4千卡/克，蛋白质：5.65千卡/克，)可以看出，脂肪在氧弹量热仪中完全燃烧所释放的热量比蛋白质多65%，比碳水化和物多120%。 从上面的陈述可以看出，高脂肪含量的食物热量高于无脂肪的食物。例如，一杯全脂牛奶含有160千卡的热量，但是同样一杯脱脂牛奶只含90千卡的热量。假如一个人每天饮用1夸脱(约合0.946升)的脱脂牛奶，比较于每天饮用1夸脱的全脂牛奶，每年身体摄入脂肪的量会少25磅。这样，3年内，身体的其他的营养组分保持不变的情况下体内的脂肪将会相对减少75磅!除了 脂肪含量，全脂牛奶和脱脂牛奶所包含的其他营养成分几乎完全相同。饮用脱脂牛奶还可以明显降低饱和脂肪酸和胆固醇的摄入。 通过直接测量得到的食物不同的热值(总热值)与净热值的比较也适用于人体；这对于蛋白质尤其适用，因为人体无法氧化营养组分中的氮元素。在人体中氮原子与氢原子组合形成尿素 (NH，CONH)， 然后通过肾脏以尿液的形式排出体外。由于这种方式氢的减少，蛋白质的热量大约损失19%。在人体中由于氢的损失使蛋白质的热值降低至大约4.6千卡/克(不同于在氧弹量热仪中所测得的5.65千卡/克)。比较之下，碳水化和物和脂肪不含氮元素，所以其作为生理“燃料”的发热量同使用氧弹量热仪所测得的数值完全相同。 消化系数――消化吸收的效率影响食物营养元素最终产生的能量。为了满足新陈代谢的需求，人体肠道实际消化吸收的百分比可以用来定义消化系数。食物中残余未吸收的部分通过粪便形式排出。饭食中的纤维可以降低消化系数，因为纤维会使食物在肠道中快速移动，减少了食物的吸收时间。