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1、第二章 水Chapter 2 Water,1,谢谢欣赏,2019-7-21,一、食品中的水分含量及功能二、食品中的水分状态及 与溶质间的相互关系三、水分活度四、水对食品的影响五、分子流动性与食品稳定性,2,谢谢欣赏,2019-7-21,一、食品中的水分含量及功能,（一）水分含量一般生物体及食品中水分含量为397%某些食品的水分含量见表21。表21 某些食品的水分含量食品 水分含量(%)白菜，菠菜 9095猪肉 5360新鲜蛋 74奶 88冰淇淋 65大米 12面包 35饼干 38奶油 1520水果 75-95,3,谢谢欣赏,2019-7-21,4,谢谢欣赏,2019-7-21,（二）水的功能1
2、、水在生物体内的功能稳定生物大分子的构象，使表现特异的生物活性体内化学介质，使生物化学反应顺利进行营养物质，代谢载体热容量大，调节体温润滑作用2、食品功能组成成分显示色、香、味、形、质构特征分散蛋白质、淀粉、形成溶胶影响鲜度、硬度影响加工，起浸透、膨胀作用影响储藏性,5,谢谢欣赏,2019-7-21,二、食品中的水分状态及 与溶质间的相互关系,（一）水分状态1、结合水（束缚水，bound water，化学结合水）可分为单分子层水（monolayer water），多分子层水（multilayer water）作用力：配位键，氢键，部分离子键特点：在-40以上不结冰，不能作为外来溶质的溶剂,与纯
3、水比较分子平均运动大大减少,不能被微生物利用。2、自由水（free water）（体相水，游离水，吸湿水）可分为滞化水、毛细管水、自由流动水（截留水、自由水）作用力：物理方式截留，生物膜或凝胶内大分子交联成的网络所截留；毛细管力特点：可结冰，溶解溶质；测定水分含量时的减少量；可被微生物利用。,6,谢谢欣赏,2019-7-21,（二）水与溶质间的关系1、水与离子和离子基团的相互作用 作用力：极性结合，偶极离子相互作用 阻碍水分子的流动的能力大于其它溶质；水离子键的强度大于水水氢键；破坏水的正常结构,阻止水在0时结冰，对冰的形成造成一种阻力；改变水的结构的能力与离子的极化力有关。,7,谢谢欣赏,2
4、019-7-21,8,谢谢欣赏,2019-7-21,2、水与可形成氢键的中性基团的相互作用 水可以与羟基、氨基、羰基、酰基、亚氨基等形成氢键；作用力小于水与离子间作用力；流动性小；对水的网状结构影响小；阻碍水结冰；大分子内或大分子间产生“水桥”,9,谢谢欣赏,2019-7-21,10,谢谢欣赏,2019-7-21,11,谢谢欣赏,2019-7-21,3、水与非极性物质的相互作用 笼形水合物的形成：由于非极性基团与水分子产生斥力，使疏水基团附近的水分子间氢键键合力 熵值s 2074个水分子将“客体”包在其中，形成“笼形水合物”。作用力：范德华力、少量静电力、疏水基团间的缔合作用,12,谢谢欣赏,
5、2019-7-21,13,谢谢欣赏,2019-7-21,14,谢谢欣赏,2019-7-21,15,谢谢欣赏,2019-7-21,三、水分活度 Water activity,（一)概念问题：(1)含水18%的果脯与含水18%的小麦比较，哪种耐储藏？(2)含水量标准：大豆、油菜籽9%，玉米14%水分活度食品中水分逸出的程度，可以用食品中水的蒸汽压与同温度下纯水饱和蒸汽压之比表示，也可以用平衡相对湿度表示。Aw=f（溶液中水的逸度）/fo(纯水的逸度）P（食品中水的蒸汽压）/Po（纯水饱和蒸汽压）因为纯水的水分活度=1,所以溶液的水分活度1,16,谢谢欣赏,2019-7-21,由拉乌尔定理（理想稀溶
6、液）P=P0 X1(X1溶剂摩尔分数)（P/P0=X1)Aw=P/P0=n1/(n1+n2)（n1、n2-溶剂、溶质摩尔分数）例如：2mol蔗糖溶于1000g H2O中 1000/18.016=55.5(mol)Aw=n1/(n1+n2)=55.5/(55.5+2)=0.9652=96.52%所以，Aw可以用平衡相对湿度ERH表示(equilibrium relative humidity)即 Aw=P/P0=ERH/100,17,谢谢欣赏,2019-7-21,只有当溶质是非电解质且浓度小于1mol/L的稀溶液时,其水分活度才可以按 Aw=n1/(n1+n2)计算:溶质B Aw 理想溶液 0.
7、9823=55.51/(55.51+1)丙三醇 0.9816 蔗糖 0.9806 氯化钠 0.967 氯化钙 0.945 B:1千克水(约55.51mol)溶解1mol溶质,18,谢谢欣赏,2019-7-21,（二）Aw与温度的关系1、Aw随着温度的变化而变化 Clasius-Clapeyron方程 d lnAw/d(1/T)=-H/R 图2-4（P23图2-14）可以看出:含水量相等时，温度越高，Aw越大。2、低于冰点时，Aw与温度的关系Aw=Pff（部分冻结食品中过冷水蒸气分压）（scw,纯过冷水蒸气压）ice（纯冰蒸气压）（scw）图2-5（P23图15）复杂食品在冰点以上和冰点以下时A
8、w和温度的关系(1)低于冰点时，Aw与成线性关系(2)冰点时，出现折断(3)温度对Aw的影响远大于冰点以上（陡些）,19,谢谢欣赏,2019-7-21,20,谢谢欣赏,2019-7-21,3、结论 高于冰点时，Aw与食品组成及有关，其中食品组成是主要因素，当组成水同，上升，则Aw上升。低于冰点时，Aw与食品组成无关，仅与温度有关。冰点以上或以下，Aw对食品稳定性影响是不同的。例：-，Aw0.86 微生物不繁殖，Aw0.86微生物繁殖,21,谢谢欣赏,2019-7-21,（三）吸湿等温线（MSI)Moisture Sorption Isotherms 1、概念及意义在等温条件下，以食品含水量为纵
9、坐标，以Aw为横坐标作图，所得曲线称为吸湿等温线。图2-6，2-7（P24图16,2-17）吸湿性食品的吸湿等温线 不同食品，因其化学组成和组织结构不同，对水束缚能力不一样，有不同的吸湿等温线，但都为型。图8（P25图1）各种食品和生物物质的回吸等温线 意义：吸湿等温线表示了食品的Aw与含水量对应关系，除去水（浓缩、干燥）的难易程度与Aw有关，配制食品混合应注意水在配料间的转移，测定包装材料的阻湿性质，测定一定水分含量与微生物生长的关系，预测食品稳定性与水分含量的关系。,22,谢谢欣赏,2019-7-21,因为升高，Aw升高，对同一食品，升高，形状近似不变，曲线位置向下方移动图不同温度下马铃薯
10、的吸湿等温线,2、吸湿等温线与温度的关系,23,谢谢欣赏,2019-7-21,3、吸湿等温线的滞后现象 测定水加入干燥食品的吸湿（吸附）等温线；测定高水分食品脱水的解吸等温线；二线不完全重合，显示吸湿等温线滞后环。这一吸湿（吸附）等温线与解吸等温线不完全重合的现象称为吸湿等温线的滞后现象。在Aw同，对应的水分含量，吸湿 解吸 说明：吸湿到食品内的水，还未充分被食品组分束缚，没有使食品“复原”。问题：在130烘箱中烘烤60分钟，结果如何？食品品种不同，滞后环不同；同一食品，不同温度，滞后环不同。,24,谢谢欣赏,2019-7-21,25,谢谢欣赏,2019-7-21,滞后现象产生的原因 解吸过程
11、中一些水分与非水溶液成分作用而无法放出水分.不规则形状产生毛细管现象的部位,欲填满或抽空水分需不同的蒸汽压(要抽出需P内P外,要填满则需P外 P内).解吸作用时,因组织改变,当再吸水时无法紧密结合水,由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的aw.,26,谢谢欣赏,2019-7-21,4、吸湿等温线分区为了说明吸湿等温线内在含义，并与水的存在状态紧密联系，可以将其分为、区。区：Aw=00.25 约00.07g水/g干物质 作用力：H2O离子，H2O偶极，配位键 属单分子层水（含水合离子内层水）不能作溶剂，-40以上不结冰，与腐败无关区：Aw=0.250.8（加区，0.45gH2O/g干）作用力：氢
12、键：H2OH2O H2O溶质 属多分子层水，加上区约占高水食品的5%，不作溶剂，-40以上不结冰，但接近0.8（Aw）的食品，可能有变质现象。区：新增的水为自由水，（截留+流动）多者可达20g H2O/g干物质 可结冰，可作溶剂 划分区不是绝对的，可有交叉，连续变化,27,谢谢欣赏,2019-7-21,28,谢谢欣赏,2019-7-21,29,谢谢欣赏,2019-7-21,30,谢谢欣赏,2019-7-21,5、吸湿等温方程式 因为计算单分子层水值具有实际意义，可准确预测干燥产品最大稳定性时的含水量。据热力学、动力学、统计学、经修改的吸湿等温线方程式如下（BET等温式：P 28，2-7式）图2
13、-12（P29图223）天然马铃薯淀粉的BET图（回吸数据，20）a=3/0.281=10.7 b=0.6 所以，m1=1/(10.7+0.6)=0.88g H2O/g干物质）m1=0.088/1.088=8.09%AW=0.2(相当于),31,谢谢欣赏,2019-7-21,由于水分活度影响食品的质量，食品在存放过程中，通过包装创造一个适宜的环境。吸湿性食品 吸湿等温线较陡，为保Aw限定值，需密封包装，如速溶咖啡，Aw（限）ERH/100时，食品失水，如胶凝食品，（防止失水）包装应保护防止失水。无吸湿性食品一般包装，如蔗糖 混成食品，注意Aw的变化。例如：脱水蔬菜2%与 淀粉13%混合，脱水蔬
14、菜升高8%，发生非酶褐变。,6、吸湿等温线与食品包装,32,谢谢欣赏,2019-7-21,四、水对食品的影响,（一）Aw与食品的稳定性 1、Aw与微生物生长微生物的生长繁殖需要水，适宜的Aw一般情况如下，Aw 0.90 大多数细菌0.87 大多酵母0.80 大多霉菌0.80.6 耐盐、干、渗透 压细菌、酵母、霉菌0.50 任何微生物均不生长繁殖,33,谢谢欣赏,2019-7-21,34,谢谢欣赏,2019-7-21,水可作为介质，活化底物和酶Aw 0.7 v降低（因为H2O稀释了反应物浓度。,2、Aw与酶促反应,35,谢谢欣赏,2019-7-21,3、Aw 与脂肪氧化酸败影响复杂：Aw 0.4
15、 Aw V（H2O溶解O2，溶胀后催化部位暴露，氧化V）Aw 0.8 Aw V(稀释浓度)4、Aw与水溶性色素分解，维生素分解 Aw V分解,36,谢谢欣赏,2019-7-21,食品结冰时非冻结相中，（未凝固水），溶质变浓，冰的体积增加9%由于浓缩效应，未冻结的pH、粘度、离子强度、氧化还原电位、胶体性质等发生变化。（温度与浓缩综合效应，V）加速一些化学反应：蔗糖在酸催化下水解反应，肌红蛋白褐变 蛋白质变性 S 氧化反应（VC、脂肪、VA、VE、-胡萝卜素）酶催化反应（糖原损失、乳酸，高能磷酸盐降解）,（二）结冰对食品稳定性影响,37,谢谢欣赏,2019-7-21,水%、Aw对干、半干、中湿食
16、品质构有影响低Aw：饼干 脆性 油炸土豆片 脆性 硬糖 防粘 固体饮料 防结块中湿：软糖 防变硬 蛋糕 防变硬 面包 防变硬冷冻方式对质构的影响 速冻、小晶体破坏小；慢冻，大冰晶破坏大干燥方法对质构的影响 空气干燥 质构破坏 冷冻干燥 相似质构 如脱水蔬菜 高温脱水 质构破坏,（三）水对食品质构的影响,38,谢谢欣赏,2019-7-21,在食品中添加吸湿剂可在水分含量不变条件下，降低Aw值。吸湿剂应该含离子、离子基团或含可形成氢键的中性基团（羟基，羰基，氨基，亚氨基，酰基等），即有可与水形成结合水的亲水性物质。如：多元醇：丙三醇、丙二醇、糖 无机盐：磷酸盐（水分保持剂）、食盐 动、植物、微生物
17、胶：明胶、卡拉胶、黄原胶,（四）降低Aw的方法,39,谢谢欣赏,2019-7-21,五、分子流动性与食品稳定性 Molecular mobility and food stability,1、分子流动性（Mm）：是分子的旋转移动和平转移动性的总度量。决定食品Mm值的主要因素是水和食品中占支配地位的非水成分。玻璃态（glass state）：是聚合物的一种状态,它既象固体一样有一定的形状，又象液体一样分子间排列只是近似有序，是非晶态或无定形态。处于此状态的聚合物只允许小尺寸的运动，其形变很小，类于玻璃，因此称玻璃态。玻璃化温度（glass transition temperature,Tg）：非
18、晶态食品从玻璃态到橡胶态的转变称玻璃化转变，此时的温度称玻璃化温度。无定形（Amorphous）：是物质的一种非平衡，非结晶态。,40,谢谢欣赏,2019-7-21,2、状态图描述分子流动性与食品稳定性关系，包括平衡和非平衡状态数据的图（p32图224,225）食品存在无定形区p30表26 食品的物理变化和化学变化的速度由分子流动性所决定 分子流动性与温度有相依性p34，29 大多数食品具有玻璃化温度p34，28 溶质类型影响玻璃化温度,41,谢谢欣赏,2019-7-21,3、大分子缠结（Macromoleculer entanglement）：指大的聚合物以随机的方式相互作用，没有形成化学键
19、，有或没有氢键。大分子的缠结对食品性质的影响：EN对于冷冻食品的结晶速度，大分子化合物的溶解度、功能性乃至生物活性都将产生不同程度的影响，同时可以阻滞焙烤食品中水分的迁移，有益于保持饼干的脆性和促进凝胶的形成。分子的缠结能影响食品的性质（因为阻碍水分的迁移，有助于保持谷物食品的脆性，减缓冷冻食品的结晶速度,42,谢谢欣赏,2019-7-21,4、Aw和Mm方法研究食品稳定性的比较二者相互补充，非相互竞争Aw法主要注重食品中水的有效性，如水作为溶剂的能力；Mm法主要注重食品的微观黏(nian)（Microviscosity）和化学组分的扩散能力。目前，测定分子流动性有困难，在实际应用上不能达到或超过Aw方法的水平。,43,谢谢欣赏,2019-7-21,
