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1、生物化学,水在生物体内的含量与作用,食品中水分状态与分类,水分活度,1、水在生物体内的含量 水是食品六大营养素之一，是维持人类正常生命活动必需的基本物质。,一、水在生物体内的含量与作用,2、水的生理作用,稳定生物大分子的构象，使之表现出特异的生物活性；作为体内通用的介质或反应物，使各类生物化学反应得以顺利进行；作为营养物质或代谢废物的载体，把它们输送到生物体的各有关部位；由于水的热容量大，用来调节温度、平衡温度；对体内各运动部位起润滑作用。如内分泌腺、泪腺、唾液腺、消化腺、呼吸道液的分泌，关节润滑液的分泌都需要大量的水。,人体与水以及食物与人体内水的关系,人体内的水分是处于不断的运动和变化 正
2、常情况下，每人每日需要从食物中获取 1.52.7L的水 以汗、尿、呼吸等形式排出，以维持体内水的平衡,水在食品中的重要作用,水是食品的重要组成成分，是研究食品加工工艺考虑的重要因素；水分含量、分布和状态对于食品的结构、外观、质地、风味、新鲜程度会产生极大的影响；水是引起食品化学变化及微生物作用的重要原因，直接关系到食品的贮藏特性。水是食品生产中的重要原料之一，食品加工用水的水质直接影响到食品的品质和加工工艺。,水在生物体内的含量,在食品原料中，生物体占有相当大的比重，而水是生物体最基本的组成成分。大多数生物体的含水量为6080。水在生物体中的分布是不均匀的：动物：肌肉、脏器、血液中的含水量最高
3、，为 7080； 皮肤次之，为6070； 骨骼的含水量最低，为1215。,水在生物体内的含量,植物：不同品种之间，同种植物不同的组织，器官之间，同种植物不同的成熟度之间，在水分含量上都存在着较大的差异。一般来说，叶菜类较根茎类含水量要高的多；营养器官(如植物的叶、茎、根)含水较高通常为7090；繁殖器官(如植物的种子)含水量较低，通常为1215。,猜猜看,Q1：猪肉和鸡肉哪个的含水量高？Q2：香蕉、苹果、梨按照含水量由大到小怎么排序？Q3：蜂蜜和果酱谁的含水量高？和奶酪比呢？再和奶粉比呢？,表2-1 常见食物的含水量 单位：(质量分数),水分子的结构和性质,斯陶特模型,水分子,氢、氧两种元素，
4、无色无味的透明液体,存在三种状态水的密度在3.98时为1103kg/m3，在0时，密度为0.99987103 kg/m3，冰在0时，密度为0.9167103 kg/m3。 熔点：0 (273.15k) 沸点：100 (373.15k)(标准大气压) 比热：4.184J/（kg.K）,水的结构和性质,在0时，冰的热导率为同温度下水的热导率的4倍，冰的热扩散速度约为水的9倍。水的热稳定性很强，但在通电的条件下会离解为氢和氧具有很大的内聚力和表面张力，并能产生较明显的毛细现象和吸附现象,水的结构和性质,1、食品中水分状态（1）游离态 相对自由地存在（2）水合态 不能自由移动的水（3）凝胶态 不能自由
5、流动的水（4）表面吸附态,2、食品中水的分类,结合水 水合态的水 水 游离态的水 自由水 凝胶态的水 表面吸附态的水,（i）在40以上可以结冰；（ii）在食品内可以作为溶剂；（iii）可以以液体形式移动，在气候干燥时也可以以蒸汽形式逸出，使食品中含水量降低；（iv）微生物可以利用自由水繁殖，各种化学反应也可以在其中进行。,自由水的特点：具有全部水的性质,（2）结合水（束缚水） 指通过氢键与食品中有机、无机成分结合的水。,结合力水分子之间的氢键,（i）与离子或离子基团结合的水,（ii）与强极性基团结合的水,（iii）与弱极性基团结合的水,（iv）单分子层结合水以外的几层水,结合力水分子之间的氢键
6、,特点：氢键键能大，结合牢固，蒸发能力弱。,特点：结合力与水分子之间的作用力相当，但水分子的流动性较低，可被蒸发，蒸发时仍然需要较多的热量。,结合水和自由水主要的区别,(1) 结合水的量与食品中所含极性物质的量有比较 固定的关系；(2) 结合水对食品品质和风味有较大的影响，当结合水被强行与食品分离时，食品质量、风味就会改变；(3) 结合水不易结冰。植物的种子和微生物的孢子得以在很低的温度下保持其生命力；(4) 结合水不能作为可溶性成分的溶剂，也就是说丧失了溶剂能力；同时，不能被微生物所利用,水对食品品质的影响,自由水含量对食品品质的影响 耐储藏性结合水风味,三、水分活度1、水分活度的概念 食品
7、的水蒸汽分压p与同一温度下纯水的饱和蒸汽压p0之比。,Aw: 水分活度；p: 一定温度下食品中水蒸气分压p0: 同温度下纯水的饱和蒸汽分压,水分活度定义：水分活度表示食品中水分可以被微生物所利用的程度； AW=f/f0 f：溶剂（水）的逸度。 f0：纯溶剂的逸度。 （逸度:溶剂从溶液逃脱的趋势）在低压（例如室温）下，f/f0和p/p0之间的差别小于1%. AW=p/p0 Aw: 水分活度； p: 一定温度下食品中水蒸气分压 p0: 同温度下纯水的饱和蒸汽分压,三、水分活度,附：溶液的蒸气压下降,（a）水,（b）蔗糖溶液,原因：溶质占据了一部分水的表面积, 溶质束缚住了一部分水分子,p0,p,难
8、挥发,基本靠自由水蒸发形成蒸汽压,蔗糖分子,水分子,结合水,自由水,溶液中溶质浓度越高，其蒸汽压下降越多。,全部水,基本靠自由水蒸发形成蒸汽压,附：溶液的蒸气压下降,（a）水,（b）蔗糖溶液,也可以理解为一个物质所含有的自由状态的水分子数与如果是纯水在此同等条件下同等温度与有限空间内的自由状态的水分子数的比值。,p0,p,加盐、加糖，增加结合水，可减少自由水降低水分活度。,水分活度也可用平衡相对湿度（ERH）来表示：,用仪表等测得食品密闭空间的平衡相对湿度（ERH）,（a）水,（b）食品,p0,p,纯水Aw1，溶液Aw1。,水分活度的意义,1、水分活度表示食品中的水分可以被微生物利用的程度，大
9、多数新鲜食品的水分活度在0.951之间；2、对于纯水来说，p和p0相等，故水分活度为1；3、食品中结合水含量越高，水分活度越低；4、一般来说，食品中的水分活度越大，水分含量越多。,食品中水分活度与食品水分含量的关系,食品中水分活度与食品水分含量是两个不同的概念。下表数据可理解这两种概念。,aw=0.7时若干食品中的含水量（g水/g干物质）,水分活度与食品的稳定性,用Aw比用水分含量能更好的反应食品的稳定性。究其原因与下列因素有关： 1、Aw对微生物生长有更为密切的关系。 2、Aw与引起食品品质下降的诸多化学反应、酶促反应及质构变化有高度的相关性。 3、用Aw比用水分含量更清楚地表示水分在不同区
10、域移动情况。 4、另外，Aw比水分含量易测，且又不破坏试样。,（三）水分活度与食品的稳定性,1.水分活度对微生物生长繁殖的影响,（表1-2）,Aw0.91时，细菌容易生长；0.91Aw0.80，霉菌容易生长；Aw0.80时大多数霉菌不生长。,不同微生物生长与食品水分活度的关系,1、不同种类的微生物其正常生长繁殖所需要的水分活度不同，由此可以正确推断影响不同含水量食品质量的主要微生物；2、表中每一个水分活度区间的下限为相应微生物正常生长的水分活度阈值，即在此水分活度以下，该类微生物不能正常生长； 3、微生物需要的最低水分活度：大多数细菌为0.990.94大多数霉菌为0.940.80 大多数耐盐细
11、菌为0.75 耐干燥霉菌和耐高渗透压酵母为0.650.60。低于0.60绝大多数微生物无法生长；,不同微生物生长与食品水分活度的关系,4、同一种类微生物在不同的生长阶段也要求不同的水分活度。一般讲，细菌形成芽孢时比繁殖时所需的水分活度要高；产毒微生物在产生毒素时所需的水分活度高于不产毒时所需的水分活度； 5、发酵技术中要求所用微生物能正常快速增殖，此时则要给予合适的、必要高的水分活度；6、利用水分活度控制食品质量或加工工艺时还要考虑其它因素(如：pH、营养成分、氧气等)对于微生物的影响。,不同微生物生长与食品水分活度的关系,食品中的化学变化的种类和速度是依赖于各类食品成分而发生的，其化学变化与
12、水分活度关系的一般规律总结如下： 1、淀粉：淀粉的食品学特性主要体现在老化和糊化上。老化是淀粉颗粒结构、淀粉链空间结构发生变化而导致溶解性能、糊化及成面团作用变差的过程。在含水量到3060%时，淀粉的老化速度最快；降低含水量老化速度变慢；当含水量降至1015%时，淀粉中的水主要为结合水，不会发生老化。,水分活度与食品化学变化的关系,2、脂肪：影响脂肪品质的化学反应主要为水解和氧化酸败。 3、蛋白质：据测定，当食品中的水分含量在2%以下时，可以有效的阻止蛋白质的变性；而当达到4%或其以上时，蛋白质变性变得越来越容易。,水分活度与食品化学变化的关系,4、褐变：水分活度下降，褐变速度减慢 酶促褐变：
13、是在酶作用下，食品中的酚类化合物发生特殊的氧化反应使食品颜色变劣的过程。食品体系中大多数的酶类物质在水分活度小于0.85 时，活性大幅度降低，如淀粉酶、酚氧化酶和多酚氧化酶等。但也有一些酶例外，如酯酶在水分活度为0.3 甚至0.1 时也能引起甘油三酯或甘油二酯的水解。 非酶促褐变指食品通过一些非酶氧化而导致食品变色的反应。也与水分活度有密切的关系，当食品中的水分活度在0.60.7之间时，非酶促褐变最为严重；水分活度下降，褐变速度减慢，在0.2以下时，褐变难以发生。但当水分活度超过褐变高峰要求的值时，其褐变速度又由于体系中溶质的减少而下降。,水分活度与食品化学变化的关系,5、水溶性色素：一般而言
14、，当食品中的水分活度增大时，水溶性色素（常见的是花青素类）分解的速度就会加快。,水分活度与食品化学变化的关系,水分活度影响食品稳定性的原因： （1）大多数化学反应都必须在水溶液中才能进行。如果降低食品的水分活度，则食品水的存在状态发生了变化，游离水的比例减少了，而结合水又不能作为反应物的溶剂，所以降低水分活度，能使食品中许多可能发生的化学反应受到抑制，反应的速率下降。 （2）许多化学反应是属于离子反应。反应发生的条件是反应物首先必须进行离子的水合作用，而发生离子水合作用的条件是必须有足够的游离水才能进行。,（3）许多化学反应和生物化学反应都必须有水分子参加才能进行（如水解反应）。若降低水分活度，就减少了参加反应的水的有效数量，化学反应的速度也就变慢。（4）许多以酶为催化剂的酶促反应，水有时除了具有底物作用外，还能作为输送介质，并且通过水化促进酶和底物活化。,三.水分活度,食品防腐：降低水分活度,（1）减少自由水：,浓缩、干燥,（2）增加结合水：,加盐、加糖等,葡萄干、淹菜等不容易变质,思考题,1、水在生物体内的功能？2、水在食品中的作用？3、水的存在状态？4、结合水和自由水主要的区别？5、水分活度及其意义？,
