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技術常識

食品熱值的測量

發布時間:2016-06-23 18:08:08

  對于您所喜歡的食物標簽上所標示“熱值”,您是否有過好奇和疑惑?他們是如何得知七塊餅干相當于130卡路里的熱量或者一杯茶會消耗你2卡路里的熱量?其實,有許多種方法可以測定食物的熱值。

  熱值測量

  測定食物熱量最常見的方法是分別測定食物中每個組分 (如蛋白質、脂肪、碳水化和物、乙醇、有機酸等)的熱量,然后將各個組分的熱值加和即為該食物的熱量。

  原理本身非常的簡單易懂,但是究竟是如何得知每種組分中所含的熱量呢?在回答這個問題之前,我們首先來定義“卡路里(calorie) ”。簡單來講:1 個卡路里是指將1 kg (1 L) 水的溫度升高 1 °C (從 14.5 °C 升溫至 15.5 °C) 時所需的熱量。我們可以通過氧彈量熱儀來測定食物樣品中所含的實際熱量。

  氧彈量熱儀(Bomb Calorimeter)簡介

  量熱儀英文名稱—— Calorimeter 起源于拉丁語。在拉丁語中,"calor" 表示“熱量”;"metron98" 表示“測量”,量熱儀是一種測量樣品熱值的儀器。市場上量熱儀的

  燃燒過程約為 1 克的固體或者液體食物樣品置于燃燒坩堝中并被放入不銹鋼的分解氧彈中。然后氧彈中充入 30 bar 的氧氣,此后通過連接于點火絲的點火棉線將樣品點燃并使其完全燃燒。

  燃燒過程中,坩堝中心溫度最高可以達到 1000 °C ,分解氧彈內壓力瞬間可以達到 200 bar 甚者更高。在這種情況下,有機物被充分燃燒;無機物 (礦物質) 將被氧化甚至劇烈燃燒。整個過程中所釋放的熱量可以通過不同的方法測定。

  IKA 氧彈量熱儀的內部結構和工作原理如下圖所示:

  圖 1:量熱儀內部結構

  圖 2:內桶中的水將分解氧彈環繞

  圖 3:燃燒過程中產生的熱量傳遞給周圍的水

  圖 4:為了確保燃燒過程中產生的熱量不會傳遞給外部,同時外部環境的熱量也不會傳遞到系統中,外桶也需充滿水并保持絕熱。為了測量內桶中水溫變化,儀器使用了高精度、高靈敏度的溫度傳感器。


       物理熱值和生理熱值

  使用通過已知熱量的物質標定后的分解氧彈,我們就可以推算出將內桶的水溫升高 1 °C所需的熱量。食物燃燒后,量熱儀系統顯示食物樣品中所包含的熱量。該數值為物理熱值,組成食物的所有的元素被燃燒和氧化。氫氧化生成水,碳生成二氧化碳,氮氧生成硝酸,礦物質被氧化等等。

  有些食物在量熱儀內部的燃燒比較快,為了控制最佳的燃燒速度和過程,有時候需要進行特殊的處理或者使用一些燃燒助劑,如進行壓片處理、燃燒包、燃燒膠囊以及燃燒坩堝等。

  由于人體并不像分解氧彈一樣燃燒食物,因此測量結果是偏高的。對于一些食物組分,例如纖維,人體無法消化吸收,同時消化食物時也要耗費人體的一些能量。食物中的熱量的一部分會轉化成脂肪儲藏于體內。因此,食物在人體中消化吸收的過程是非常復雜的。另外,我們在進行勞動的過程中也要消耗大量的熱量。

  為了得到食物在氧彈量熱儀中燃燒的生理熱值,需要進行一些必要的校正。例如,對于一些動物食品,科學研究人員分別測量食物的熱值 (輸入熱量) 以及動物的糞便的熱值 (排出熱量)。這樣,就可以確定某種食物有效熱值。

  相關知識:

  熱值單位——卡路里 (calories)

  關于食品中所含的能量我們可以這樣理解:1 個卡路里 (calorie) 是指將 1 kg (1 L)水的溫度升高 1 °C (從 14.5 °C 升溫至 15.5°C) 時所需的能量。因此,千卡 (kcal) 能夠更加準確的對能量進行定義。例如,假如某種食物中所包含的熱量為 300 千卡,則說明該食物的化學組織可釋放出的潛在的熱量可將 300 L 的水加熱 1 °C。不同的食物所包含的潛在熱值不同,半杯花生油所包含的熱值大概為 759 千卡,相當于將 759 升的水升高 1 °C 的熱量。

  相應的,在英國和美國,人們使用華氏溫度或 BTU (British Thermal Unit) 作為熱量的單位。1 個 BTU 單位的熱量意味著可將 1磅的水從 63 °F 升高至 64° F。溫度和熱量的不同之處在于:溫度指所測量的物體的冷熱程度;而熱量則描述了從一個物體到另一個物體或者從一個系統到另一個系統所傳送或者交換的能量。(相關單位的換算如下:1 cal =4.187 J; 1 kcal = 1,000 cal = 4,184 J或者 4.184 kJ; 1 BTU = 778ft-lb = 252 cal =1,055 J.)

  焦耳 (joule) 或者千焦 (kJ),是國際上用來表示食物熱值通用單位。將千卡轉化成千焦時,乘以系數4.184;例如,半杯花生油的熱量大約為 (759 kcal x 4.184) kJ。兆焦(MJ) 想當于 1000 kJ;兆焦的引入是為了避免數字過大帶來的麻煩。

  食物的總熱值

  實驗室可以使用氧彈量熱儀測量的食物總熱值。氧彈量熱儀的工作原理如圖所示,通過測量食物完全燃燒時所釋放的熱值確定其中所含的熱量。

  分解氧彈中裝入待測的食物樣品并充入高壓氧氣。電子點火中的電流點燃樣品和高壓氧氣的混合物,食物樣品燃燒所釋放的熱量被分解氧彈周圍的水吸收。由于量熱儀與外部環境保持高度的絕熱,分解氧彈周圍水的溫升直接反應食物樣品燃燒所釋放出的熱量。

  燃燒熱反映了食物樣品氧化過程中所釋放的熱量;該熱值表征了樣品總熱值。例如,一湯匙黃油在氧彈量熱儀中完全燃燒可以釋放出100 千卡 (kcal) 的熱量,這些熱量相當于將1.0 kg 的冰水加熱至沸點。雖然有機體氧化的方式與氧彈量熱儀有所不同,但是食物完全分解所釋放出的總熱量確是相同的。

  脂肪的燃燒熱值

  脂肪的燃燒熱隨甘油三酸酯的脂肪酸的結構不同而變化,例如,1 克牛肉或者豬肉產生 9.5 千卡的熱量,但是氧化 1 克牛奶中的脂肪可釋放 9.27 千卡的熱量。1克豬肉、魚肉、蛋類平均熱值為 9.5 千卡。平均來講,脂肪的燃燒熱相當于 9.4 千卡。

  碳水化合物的燃燒熱值

  碳水化合物的燃燒熱也隨著分子中原子的排列不同而發生變化。葡萄糖的平均熱值為 3.74 千卡/克;肝糖的平均熱值為 4.19 千卡/克;淀粉的熱值為 4.2 千卡/克。平均來講,碳水化和物的燃燒熱值大約為 4.2 千卡/克。

  蛋白質的燃燒熱值

  一種食物燃燒過程中可釋放熱量的影響因素包括兩個因素:(1) 食物中蛋白的類型以及 (2) 蛋白中氮的相對含量。一般而言,在蛋類、肉類、谷物以及豆類中,氮的相對含量一般為 16%,平均熱值為 5.75 千卡/克。其他有些食物中氮的含量稍微高些,例如堅果和種子中氮的含量約為 18.9 %;小麥、黑麥和大麥中氮的含量約為17.2%。但有些食物中所含氮的量又稍微偏低,例如牛奶中含量為 15.7%,糠麩中氮的含量為15.8%。蛋白類的平均熱值為 5.65 千卡/克。營養物質的熱值比較

  通過上述三種營養組分的平均燃燒熱的比較 (碳水化和物:4.2 千卡/克,脂肪:

  9.4 千卡/克,蛋白質:5.65 千卡/克,) 可以看出,脂肪在氧彈量熱儀中完全燃燒所釋放的熱量比蛋白質多65%,比碳水化和物多120%。

  從上面的陳述可以看出,高脂肪含量的食物熱量高于無脂肪的食物。例如,一杯全脂牛奶含有 160 千卡的熱量,但是同樣一杯脫脂牛奶只含 90 千卡的熱量。假如一個人每天飲用 1 夸脫 (約合 0.946 升) 的脫脂牛奶,比較于每天飲用 1 夸脫的全脂牛奶,每年身體攝入脂肪的量會少 25 磅。這樣,3年內,身體的其他的營養組分保持不變的情況下體內的脂肪將會相對減少 75 磅!除了脂肪含量,全脂牛奶和脫脂牛奶所包含的其他營養成分幾乎完全相同。飲用脫脂牛奶還可以明顯降低飽和脂肪酸和膽固醇的攝入。

  食物的凈熱值

  通過直接測量得到的食物不同的熱值(總熱值) 與凈熱值的比較也適用于人體;這對于蛋白質尤其適用,因為人體無法氧化營養組分中的氮元素。在人體中氮原子與氫原子組合形成尿素 (NH2CONH2),然后通過腎臟以尿液的形式排出體外。由于這種方式氫的減少,蛋白質的熱量大約損失 19%。在人體中由于氫的損失使蛋白質的熱值降低至大約 4.6 千卡/克 (不同于在氧彈量熱儀中所測得的 5.65 千卡/克)。比較之下,碳水化和物和脂肪不含氮元素,所以其作為生理“燃料”的發熱量同使用氧彈量熱儀所測得的數值完全相同。

  消化系數——消化吸收的效率影響食物營養元素最終產生的能量。為了滿足新陳代謝的需求,人體腸道實際消化吸收的百分比可以用來定義消化系數。食物中殘余未吸收的部分通過糞便形式排出。飯食中的纖維可以降低消化系數,因為纖維會使食物在腸道中快速移動,減少了食物的吸收時間。

  IKA的量熱儀是氧彈式量熱儀,是最基本的熱量測量儀器,用于測量固體、液體的發熱量的準確測定。IKA量熱儀主要有C200、C2000和C5000這三種型號。


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