课件02食品化学中水.ppt

Chapter 2 Water 第2章 水 本章提要 1.水分的结构和性质及在食品中的作用 2.食品中水的存在状态、水分活度及吸 湿等温线 3.水分活度与食品的稳定性 4.冰在食品稳定性中的作用 5.食品中的水分移动及其对食品稳定性 的影响 理解 掌握 掌握 掌握 了解 4 Contents 2.1 Introduction 概论 2.2 Structure and characters of water and ice 水和冰的结构和性质 2.3 Categories of water in foods 食品中水的存在状态 2.4 Water activity 水分活度 2.5 Moisture Sorption Isotherms 吸湿等温线 2.6 Water activity and food stability 水分活度与食品的稳定性 2.7 The function of ice in keeping food stability 冰在食品稳定性中的作用 2.8 Water transfer in aquiferous food 含水食品的水分转移 2.9 Molecular mobility and food stability 分子流动性及其对食品稳定性的影响 2.1 概论 Introduction 水 n生命之源 水是体温的重要调节 剂、溶剂、营养成分和废物的载 体、反应剂和反应介质、润滑剂 和增塑剂、生物大分子构象的稳 定剂。 战争之源 “下一场世界大战将是对水 资源的争夺” n 水是唯一的以 三种物理状态广泛 存在的物质 水在生物体内的生理功能 n1、化学作用的 介质，也是化学反应 的反应物或生成物。 n2、体内营养素 和代谢废物的运输介 质，还推进呼吸气体 的运载。 n3、是维持体温的载 温体。 n4、是生物体内减缓 磨擦的润滑剂。 水在食品中的作用 1、食品生产中的重要原料之一。如 2、水质直接影响到食品加工工艺。 3、各种食品都有能显示其品质特性 的含水量。如 4、对食品的加工性能、结构、外观 、质地、风味、新鲜程度和腐败变质的 敏感性产生极大的影响。对食品的商品 价值及销售有着深刻的影响。 n在奶油和人造奶油等乳化产品中作为分 散相。 n在饮料食品中作溶剂等。 某些代表性食品的典型水分含量 产品水分（% ） 产品水分（% ） 产品水分（% ） 番茄 95 牛奶 87 果酱 28 莴苣 95 马铃 薯 78 蜂蜜 20 卷心菜 92 香蕉 75 奶油 16 啤酒 90 鸡 70 面粉 12 柑桔 87 肉 65 奶粉 4 苹果汁 87 面包 35 酥油 0 例：含水量影响食品品质 不同的玉米籽粒含水量和膨胀系数之间有一定的 相关性，当籽粒含水量在8 .03%和14.03%之间时， 籽粒含水量和膨胀系数之间呈直线正相关，此时膨 胀系数随着籽粒含水量的增减而增减。 2.2 水和冰的结构和性质 Structure and characters of water and ice 水和冰的物理特性 水分子的结构 水分子的缔合作用 冰的结构和性质 1. 水和冰的物理特性 Physical character of water and ice n水的熔点、沸点比较高。 n介电常数（介电常数是溶剂对两个带相反 电荷离子间引力的抗力的度量。）、表面张力 、热容和相变热（熔融热、蒸发热和升华热） 等物理常数也较高。这对于食品加工中冷冻和 干燥过程有重大影响。 n水的密度较低，水结冰时体积增加，表现 出异常的膨胀特性，这会导致食品冻结时组织 结构的破坏。 n水的热导性也是较大的，而冰与其他非金 属固体相比，热导性属中等程度。0时冰的 热导值约为同一温度下水的4倍，这说明冰的 热传导速度比非流动的水（如生物组织中的水 ）快得多。 n从水和冰的热扩散值可看出冰的热扩散速 度约为水的9倍，这表明，在一定的环境条件 下，冰的温度变化速度比水大得多。 因而可以 解释在温差相等的情况下，为什么冷冻速度比 解冻速度更快。因为以形成物的热导性为主导 因素，结冰时，冰的热导性强，易结冰，解冻 时，水的热导性较小，解冻慢。 2. 水和冰的结构 Structure of water and ice n水的结构演示 四面体结构 氧：1s2，2s2，2p2 z ，2p1 y，2p1 x 氢：1s1 HO键成104.5 ，比正四面体的109 28要小，成角锥 体结构. OH键是较强极性键 （1）单个水分子的结构特征 nH2O分子的四面体结构有 对称型 nH-O共价键有离子性 n氧的另外两对孤对电 子有 静电力 nH-O键具有电负 性 （2）分子的缔合 水分子在三维空间形成 多重氢键键合每个水分子 具有相等数目的氢键给体和 受体能够在三维空间形成氢 键网络结构 水的分子缔合演示 (3) 水分子缔合的原因 nH-O键间电荷的非对称分布使H-O键 具有极性，这种极性使分子之间产生引 力。 n由于每个水分子具有数目相等的氢键 供体和受体，因此可以在三维空间形成 多重氢键。 n静电效应。 n根据水在三维空间形成氢键键合的能 力，可以从理论上解释水的许多性质 3、冰的结构 六方形 冰晶 冰是水分子有序排列形成的晶体。靠 氢键连接，形成低密度的刚性结构。 （6）冰的性质 n水的冰点为0，可是纯水在过 冷状态始结冰 n食品中结冰温度到低共熔点- 55 左右，冷藏食品常为-18 n现代提倡速冻，使冰晶体呈针状 ，因而品质好。 2.3 食品中水的存在状态 Categories of water in foods 1 水与溶质的相互作用 n 水与离子和离子基团的相互作用 n 水与具有氢键键合能力的中性基团的 相互作用 n 水与非极性物质的相互作用 （1）水与离子和离子基团的相互 作用Interaction of water with Ionic groups n如Na+、Cl-和解离 基团-COO-、-NH3+ 等。 Na+与水分子的 结合能力大约是水分 子间氢键键能的4倍。 n 演示1 n 演示2 (2) 水与有氢键键合能力中性基团的相 互作用 Interaction of water with neutral groups possessing hydrogen-bonding apabilities n 水与溶质之间 的氢键键合比水与 离子之间的相互作 用弱。氢键作用的 强度与水分子之间 的氢键相近。 n 水能与某些基 团，例如羟基、氨 基、羰基、酰氨基 和亚氨基等极性基 团，发生氢键键合 。 n许多结晶大分子的亲 水基团间的距离是与纯水 中最邻近两个氧原子间的 距离相等。如果在水合大 分子中这种间隔占优势， 这将会促进第一层水和第 二层水之间相互形成氢键 。 n在生物大分子 的两个部位或两 个大分子之间可 形成由几个水分 子所构成的“水桥” 。 1、疏水相互作用 n疏水水合(Hydrophobic hydration）：向水 中添加疏水物质时，由于它们与水分子产生斥 力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键 键合增强，使得熵减小，此过程成为疏水水合 。 （3）水与疏水基团的相互作用 Interaction of water with nonpolar substances n疏水相互作用( Hydrophobic interaction） ：当水与非极性基团接触时，为减少水与非极 性实体的界面面积，疏水基团之间进行缔合， 这种作用成为疏水相互作用。 n笼形水合物(Clathrate hydrates)：是象冰 一样的包含化合物，水为“宿主”，它们靠氢键 键合形成象笼一样的结构，通过物理方式将非 极性物质截留在笼内，被截留的物质称为“客体 ”。一般“宿主”由20-74个水分子组成，较典型 的客体有低分子量烃，稀有气体，卤代烃等。 球状蛋白质的疏水相互作用 疏水基团缔 合或发生“疏水相 互作用”，引起了 蛋白质的折叠。 疏水相互作 用是蛋白质折叠 的主要驱动力。 同时也是维持蛋 白质三级结构的 重要因素 2 水的存在形式 水 自由水 结合水 滞化水 自由流动水 化合水 邻近水 多层水 毛细管水 结合水 指通过化学键结合的水。根据被结 合的牢固程度，有几种不同的形式： (1) 化合水 (2) 邻近水 (3) 多层 水 结合水包括化合水和邻近水以及几 乎全部多层水。食品中大部分的结合水 是和蛋白质、碳水化合物等相结合的。 自由水 n就是指没有被非水物质化学结合的水 。它又可分为三类： （1）滞化水 （2）毛细管水 （3）自由流动水 结合水和自由水之间的区分 1：结合水的量与食品中有机大分子 的极性基团的数量有比较固定的比例关 系。 2：结合水的蒸气压比自由水低得多 。 3：结合水不易结冰（冰点约-40） 。 4：结合水不能作为溶质的溶剂。 5：由水能为微生物所利用，结合水 则不能。 2.4 水分活度 Water activity n含水量是人们日常生活中保藏食品的 重要依据之一。但这种表示方法是否能满 足呢？ n如：含水量同在30%的苹果脯和黄豆 粉，贮藏性是否一样？ n食品的品质和贮藏性与水分活度有更 紧密的关系。 一 水分活度的定义与测定方法 n水分活度是指食品中水的蒸气压和该 温度下纯水的饱和蒸气压的比值。 aw = P0100 =N= n1+n2 PERH n1 一定温度下： P：食品的平衡水蒸汽压； P0：纯水的蒸汽压。 注意: 水分活度的物理意义是表征生物组织和食 品中能参与各种生理作用的水分含量与总含水 量的定量关系。 水分活度是从 之间的数值，纯 水时 AW = ，完全无水时AW = 。食 品中结合水的含量越高，食品的水分 活度就越 。 01 10 低 水分活度的测定方法 Measurement methods of Aw 1. 冰点测定法:先测样品的冰点降低 和含水量 据下两式计算AW: aw=n1/(n1+n2) n2=GTf/(1000.Kf) G溶剂克数 Tf冰点降低() Kf水的摩尔冰点降低常数 (1.86) 2. 相对湿度传感器测定法 将已知含水量的样品置于恒温密 闭小容器中,使其达到平衡,然后用电子或 湿度测定仪测样品和环境空气的平衡相 对湿度,即可得Aw。 3. 恒定相对湿度平衡法 置样品于恒温密闭的小容器中, 用一定种 类的饱和盐溶液使容器内的样 品的环境空气的相对湿度恒定,待恒定后 测样品含水量的变化，然后再绘图求aW. 二、 水分活度与温度的关系 (temperature dependence aw=-KH/RT 上述关系是：在一定的水分含量范围内：lnAw 与1/T是 一种线性关系。起始Aw为0.5， 温度 系数在240范围内是 0.0034/ 。 nA、从水分含量4%到 25%，Aw与温度(550 )关系为直线； nB、水分含量少时，温度所引起的Aw变化 。 小 左图提示： nA，Aw与温度 关系在冰点以下是 线性关系； nB，温度对Aw 的影响在冰点以下 远大于在冰点 以上 ； nC，在冰点处 出现折断； nD，比较冰点 上下温度 对Aw影 响时要注意两点： 其一是在冰点以上 温度时，试样成分 对 Aw影响较大； 其二是在冰点下Aw 的变化仅与温度有 较大关系。 2.5 吸湿等温线（MSI） Moisture Sorption Isotherms 一 定义和区域 Definition: polts interrelating water content of a food with its water activity at content temperature . n 定义：在恒定温度下，食品的水分 含量与它的水分活度之间的关系图称为 吸湿（着）等温线。 1. 糖果（主要成 分为粉末状蔗 糖）； 2. 喷雾干燥菊 苣根提取物； 3. 焙烤后的咖啡 ； 4. 猪胰脏提取物 粉末； 5. 天然稻米淀粉 注：1表示40 时的曲线，其余 的均 为20。 上图提示：不同 的食品由 于其化学组 成和组织结构 的不同 ，具有不同的MSI。 食品和生物物质的吸湿等温线 宽水分含量宽水分含量 范围的水分吸着等范围的水分吸着等 温线温线 食品低水分部分水分食品低水分部分水分 吸着等温线的一般形式吸着等温线的一般形式 为了深入理解吸着等温线的含义和实际应用，可将右图中的 曲线分成三个区间。下面分别叙述每个区间水的主要特性： 区间 等温吸湿线三 区域 区：是低湿度范围 ，水分子和食品成分中的羧 基和氨基等离子基团牢固结 合，结合水最强，所以aw 也最低，一般在00.25之间 ，相当于物料含水量6.5%。 它可以简单地看作为固体的 一部分。 在区间I的高水分末端 （区间I和区间的分界线） 位置的这部分水可看成是在 干物质可接近的强极性基团 周围形成一个单分子层所需 水的近似量。 区：水分占据固 形物表面第一层的剩余位 置和亲水基团周围的另外 几层位置，形成多分子层 结合水或称为半结合水， 主要靠水水和水溶质 的氢键键合作用与邻近的 分子缔合，同时还包括直 径27.5 % 。这部分水是食品中结合 最不牢固和最容易流动的 水。其蒸发焓基本上与纯 水相同，既可以结冰也可 作为溶剂，并且还有利于 化学反应的进行和微生物 的生长。 等温吸湿线三 区域 表2-4 吸着等温线上不同区水分特 性 区区区区 aw00.20.20.850.85 含水量%16.56.527.527.5 冻结能力不能冻结不能冻结正常 溶剂能力无轻微适度正常 水分状态 单分子水层吸附多分子水层凝聚毛细管水或 自由流动水 化学吸附结合水物理吸附 微生物利用不可利用开始可利用可利用 MSI的实际意义: n由于水的转移程度与aw有关,从MSI图 可以看出食品脱水的难易程度,也可以看 出如何组合食品才能避免水分在不同物 料间的转移。 n据MSI可预测含水量对食品稳定性的 影响。 n从MSI还可看出食品中非水组分与水 结合能力的强弱。 含水量% 水分活度 水分状态 区： 16.5 单分子层 区： 6.527.5 多分子层 区： 27.5 自由流动 A：0.6 0.3 0.85 0.85 选择填空 水分活度0.7时的水分含 量% 干淀粉 鸡肉 鳕鱼肉 苹果 香蕉 g/g 0.34 ， 0.25 ， 0.21， 0.18， 0.13 0.340.130.250.210.18 水分活度与水分含量的关系 食品中的含水量愈高，水分活度也愈大。但两者 之间并没有完全确定的对应关系。 二、水分吸着等温线与温度的关系 左图提示 ：MSI与温度有 密切的关系， 同一水分含量 ，温度愈高， Aw也愈大。亦 即食品的Aw随 温度的 提高而 提高。 三 滞后现象 Hysteresis 定义：如果向干燥样品中添加水（回吸作用）的 方法绘制水分吸着等温线和按解吸过程绘制的等 温线并不相互重叠， 这种不重叠性称为 滞后现象。在一定 aw时，食品的解吸 过程一般比回吸过 程时含水量更高。 (1) 滞后现象产生的原因 n解吸过程中一些水分与非水溶液成分作用 而无法放出水分. n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). n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. n温度、解吸的速度和程度及食品类型等都 影响滞后 环的形状。 2.6 水分活度与食品的稳定 性 Water activity and food stability n水活性、食 品稳定性和吸着 等温线之间的关 系 na. 微生物 生长关系； b. 酶水解关系； c. 氧化反应（非酶 ）关系；d. 美拉 德褐变关系； e. 各种反应的速度 关系； f. 含水量 与aw的关系。 n除非酶氧化 在 Aw 0.3时有 较高反应外，其 他反应均是Aw 愈 小速度愈小 。也就是说，有 利于食品 的稳 定性。 食品水分与微生物生命活动的关 系 不同类群微生物生长繁殖的最低水分 活度范围是：大多数细菌为0.990.94， 大多数霉菌为0.940.80，大多数耐盐细 菌为0.75，耐干燥霉菌和耐高渗透压酵母 为0.650.60。在水分活度低于0.60时， 绝大多数微生物就无法生长。 因此控制食品水分活度可提高储存性 。如 除了降低 果脯的总水分含量 以外,还有很多降低 水分活度的方法,如 添加适量的食盐、 柠檬酸、柠檬酸钠 、葡萄糖、低聚糖 、淀粉糖浆、山梨 醇、甘油等都可以 有效地降低果脯的 水分活度 食品水分与食品化学变化的关系 n降低食品的aw，可以延缓褐变， 减少食品营养成分的破坏，防止水溶 性色素的分解。 n但aw过低，则会加速脂肪的氧化 酸败，又能引起非酶褐变。要使食品 具有最高的稳定性所必需的水分含量 ， n最好将aw保持在结合水范围内。 这样，使化学变化难于发生，同时又 不会使食品丧失吸水性和复原性。 在食品的化学反应，其最大反应速度一 般发生在具有中等水分含量的食品中（ 0.70.9aw），这是人们不期望的。而最 小反应速度一般首先出现在aw 0.20.3， 当进一步降低aw时，除了氧化反应外，其 他反应速度全都保持在最小值。这时的水 分含量是单层水分含量。因此用食品的单 分子层水的值可以准确地预测干燥产品最 大稳定性时的含水量，这具有很大的实用 意义。 水分理论的应用实例 1 水分理论的应用实例 2 2.7 冰在食品稳定性中的作用 The function of ice in keeping food stability n具有细胞结构的食品和食品凝胶中 的水结冰时，将出现两个非常不利的后 果： （1）非水组分的浓度将比冷冻前 变大；（2）水结冰后其体积比结冰前增 加9%。 n即降低温度使反应变得非常缓慢， 而冷冻所产生的浓缩效应有时却又导致 反应速度的增大。 n总之，冷冻可以说是一种有效的保 藏方法。 2.8 含水食品的水分转移 Water transfer in aquiferous food 水分的位转移 水分的相转移 1 水分的位转移 n由于温差引起的水分转移，水分可从 高温区域沿着化学势降落的方向运动，最 后进入低温区域的食品。这个过程较为缓 慢。 n由于水分活度不同引起的水分转移， 水分从Aw高的地方自动地向Aw低的地方转 移。如果把水分活度大的蛋糕与水分活度 低的饼干放在同一环境中，则蛋糕里的水 分就逐渐转移到饼干里，使两者的品质都 受到不同程度的影响。 2 水分的相转移 （1）水分蒸发：利用水分的蒸发进行食 品的干燥或浓缩可制得低水分活度的干燥食品 或中湿食品。但对新鲜的水果、蔬菜、