01005 食品與風味化學(五) 礦物質與色素(1)

5.1 食品中的礦物質

食品中的礦物質（亦稱灰分）是指除碳、氫、氧、氮這四種構成有機體核心骨架的元素外，存在於食品體系中的其餘無機化學元素的總稱。儘管礦物質在食品和人體總質量中的佔比微乎其微，但它們既無法在體內自行合成，也不會在食品烹飪加工中像某些維生素或蛋白質那樣發生熱降解、光裂解等化學破壞。

在食品科學與營養學中，礦物質的化學形態、配位狀態以及電量環境，深刻地決定了食品的膠體穩定性、流變學特性（如乳品的凝固），以及這些無機元素在人體消化道內部的生物有效性。

5.1.1 礦物質的分類與生理/食品功能系統

  依照人體每日攝取需求量與在體內組織中的相對含量，無機礦物質被嚴格劃分為常量元素與微量元素。

1. 常量元素

定義為人體每日膳食需求量大於 100 毫克的無機元素。主要包括：鈣、磷、鎂、鈉、鉀、氯及硫。鈣和磷是構建骨骼與牙齒硬組織的核心羥基磷灰石晶體組分。在食品體系中，游離的鈣離子（Ca²⁺）和鎂離子（Mg²⁺）是強效的膠體橋接劑。例如，在加工豆腐或乾酪時，它們能作為多價陽離子橋接帶負電的蛋白質分子，促成緻密三維凝膠網絡的成型。而鈉、鉀、氯則主要以游離離子形式存在，調控細胞外液與內液的滲透壓及食品的水分活度。

2. 微量元素

定義為人體每日膳食需求量小於 100 毫克的無機元素。主要包括：鐵、鋅、銅、錳、硒、碘等。這類元素在生物體內多扮演酶的金屬輔因子或假體。例如，銅離子是多酚氧化酶（PPO）的核心電子傳遞中心，硒是穀胱甘肽過氧化物酶（抗氧化酶）的催化活性活性位點。但在食品貯藏中，游離的三價鐵離子（Fe³⁺）或二價銅離子（Cu²⁺）具有極高的氧化還原電位，是催化不飽和脂肪酸自氧化與維生素 C 降解的強效催化劑，必須嚴格加以封鎖。

5.1.2 食品中礦物質的化學存在形態

礦物質在食品內部絕非單純以死板的固態晶體形式堆積，而是處於一個動態平衡的化學配位網絡中，主要存在以下四種基質形態：

1. 高度不溶性無機鹽： 如牛乳和骨骼中沉澱的磷酸鈣、碳酸鈣。這種形態構成食品的剛性骨架，但無法直接被腸道吸收，必須依賴胃酸環境進行解離溶出。
2. 金屬有機螯合物： 典型代表為動物肌肉組織中的血紅素鐵。此時，二價鐵離子被牢牢共價包裹在原卟啉九環的中心，形成剛性的平面對稱結構。
3. 大分子蛋白質結合態： 如乳清或母乳中的乳鐵蛋白、大豆球蛋白表面的金屬結合位點。礦物質與蛋白質表面的特定側鏈（如麩氨酸的羧基）通過配位鍵或靜電引力相連。
4. 游離態水合離子： 溶解在食品組織液、細胞汁液中的 K⁺、Na⁺、Cl^- 離子，其化學活性最高，直接參與食品流變學與電導率的調控。

5.1.3 礦物質生物有效性的化學調控

礦物質的生物有效性是指食品中的無機元素在經歷胃腸道消化後，能夠被腸黏膜上皮細胞真正吸收並轉運至靶組織發揮生理功能的相對比例。礦物質的吸收率極大地受到食品基質中「拮抗因子」與「促進因子」的配位化學競爭支配：

1. 膳食拮抗因子：形成不溶性共沉澱

植物性食品中普遍存在多種次生代謝產物，它們具備極強的多齒配位能力，會與多價金屬陽離子引發劇烈的螯合沉澱反應，從而構築起一道「吸收屏障」：

• 植酸（Phytic Acid / 六磷酸肌醇）： 廣泛存在於全穀物、豆類及油料種子的外殼中。其分子結構中密集分佈著 6 個磷酸基團，在腸道弱鹼性環境下帶有大量的負電荷。它能與鈣（Ca²⁺）、鐵（Fe²⁺/Fe³⁺）、鋅（Zn²⁺）等離子引發極其強烈的多點多齒螯合，構築出熱力學極其穩定且高度不溶於水的巨大植酸鹽沉澱。人體缺乏內源性植酸酶，無法剪切該複合物，導致這些礦物質直接隨糞便排出體外。
• 草酸： 富含於菠菜、莧菜、芋頭及茶葉中。草酸根是一個經典的小分子雙齒配位基，能與鈣離子精準交聯，自發析出晶體狀的草酸鈣沉澱。這不僅導致食品中的鈣元素完全失去被吸收的機會，過量攝入還會在泌尿系統中聚集，增加患腎結石的臨床風險。
• 單寧與多酚： 富含於茶、咖啡、紅酒及某些水果中。其結構中含有密集的鄰二酚羥基，能與膳食中的非血紅素鐵牢牢締合，形成不溶性的深色大分子複合物，顯著抑制鐵的吸收。

2. 膳食促進因子：改變價態與增溶

與拮抗因子相反，某些特定食品組分能通過還原作用或形成高水溶性的低分子螯合物，主動為礦物質的吸收「開綠燈」：

• 維生素 C（抗壞血酸）的還原與增溶效應：植物性食品（如穀物、菠菜）中的鐵全部屬於非血紅素鐵，主要以三價鐵（Fe³⁺）的無機或有機鹽形式存在。然而，人體小腸上皮細胞膜上的鐵轉運體（DMT1）僅能特異性識別、轉運二價鐵離子（Fe²⁺）。
• 當膳食中同時存在維生素 C 時，維生素 C 利用其強大的還原電位，主動將難溶的 Fe³⁺ 還原為高溶解性的 Fe²⁺；與此同時，維生素 C 還能與 Fe²⁺ 在酸性胃液中形成可溶性的低分子螯合物，防止其進入腸道弱鹼性環境時自發水解轉化為不溶的氫氧化鐵沉澱，從而使非血紅素鐵的吸收率成倍飆升。
• 血紅素鐵的結構防禦優勢：肉類、禽類及魚類動物組織中的鐵主要為血紅素鐵。這種卟啉環共價包裹結構是一面堅固的「化學盾牌」。在消化道中，血紅素鐵完全不與植酸、草酸、單寧等拮抗因子發生任何化學反應，也不受胃酸 pH 值的干擾。它以完整的卟啉環複合物形式，通過小腸細胞膜上的專屬血紅素轉運受體（HCP1）被整體直接吞噬吸收，其生物有效性（通常高達 15% 至 35%）遠遠超越植物源的非血紅素鐵（僅約 2% - 5%）。
• 酪蛋白磷酸肽（CPPs）的增溶作用： 牛乳酪蛋白經胃蛋白酶水解後，會衍生出一類富含磷酸絲氨酸殘基的短鏈活性肽——CPPs。CPPs 在腸道弱鹼性環境下能與鈣離子結合，形成高度可溶的絡合物，有效阻止磷酸鈣不溶性沉澱的析出，從而極大促進了小腸對鈣的被動飽和吸收。

5.1.4 加工過程中的礦物質流失與強化防禦

雖然礦物質極度耐熱，無懼烘烤和煎炸，但它們在食品加工與製造中依然面臨著兩大核心流失風險：

1. 水相物理浸出： 與水溶性維生素相似，游離態或水溶性鹽類的礦物質（如鉀、鈉、氯及部分鈣、鎂）在食品經歷大水量清洗、長時間水煮、焯燙或蔬菜漂洗時，會自發順著細胞裂口向外圍的水介質中擴散。若加工完畢後將這些流動的水相汁液丟棄，會連帶造成嚴重的無機營養素流失。
2. 機械精製流失： 穀物（如小麥、大米）中的礦物質主要高度集中在果皮、種皮（麩皮）以及胚芽部位。現代食品工業為了追求極致細膩的口感與雪白的外觀，對穀物進行高強度的機械碾磨精製，將麩皮和胚芽徹底剝離。這直接導致精製白麵粉、精白米中的鐵、鋅、鈣等礦物質總量發生斷崖式下跌（流失率常高於 70%）。

食品礦物質強化的科學實踐

為了修補加工帶來的無機元素真空，現代食品工藝推行了精密的營養強化策略。選擇強化劑時，必須在「生物有效性」與「食品外觀穩定性」之間進行艱苦的平衡：

• 水溶性強化劑： 如硫酸亞鐵、葡萄糖酸鋅。這類強化劑的生物吸收率極佳，但由於其游離離子化程度高，游離出的 Fe²⁺ 會瘋狂催化食品中的脂質發生自氧化酸敗，並與食品中的酚類色素反應引發嚴重的變黑、變紫等色澤劣變。
• 不溶性強化劑： 如焦磷酸鐵、碳酸鈣。它們在食品基質中呈惰性固態顆粒狀存在，絕不催化脂肪氧化，也不引發色澤與風味異變，食品外觀穩定性極佳。然而，它們在人體胃腸道中的解離速率較慢，導致整體的生物有效性相對偏低。現代納米加工技術正嘗試將這些不溶性鹽類研磨至納米級尺寸，以期在不破壞食品官能特性的前提下，全方位激發其吸收效能。

題圖：深綠色蔬菜（例如菠菜、羽衣甘藍、芥菜）富含鐵和鈣等礦物質。圖為經過烹調的花椰菜及羽衣甘藍。（來源：wikicommons，CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication.）