张忠版食品生物化学-第1章水和冰.ppt

第一章水分 第一节概述第二节食品中的水第三节水分活度 授课主要内容 陆地生物机体化学物质组成的大致比例 蛋白质15 核酸7 糖类3 脂质2 无机盐1 水70 第一节概述 一 水在生物体内的含量及生理功用 生物体的含水量 水的生理功能 水虽无直接的营养价值 但具有某些特殊性能 如溶解力强 介电常数大 比热高 粘度小等 是维持生理活性和进行新陈代谢不可缺少的物质 水是体内化学作用的介质 同时也是生物化学反应的反应物及组织和细胞所需的养分和代谢物在体内运转的载体 二 水和冰的物理特性 熔点 沸点 介电常数 表面张力 热容 相变热等物理常数较高 如甲烷的b p 162 m p 183 而水b p 100 m p 0 热导性 热扩散速度 冰 水 水的冻结速度比解冻速度要快得多水在冻结时体积增加 表现出异常的膨胀行为 这会使得含水的食品在冻结的过程中其组织结构遭到破坏 水在不同条件下与食物成分的作用 5 0 停留时间为什么不能超过半小时 这个温度容易形成大冰晶 5 2 为什么比0 以上变质速度还快 开始冻结后 为冻结部分的反应物浓度越来越大 这个温度是以浓缩为主 加速了多种反应 进一步降温 温度效应为主导 温度越低 反应速度越慢 综合节能和保质采取 18 一 冰冻影响 二 水 溶质相互作用的分类 焓 热力学不能自发进行 熵 G H T S 键的强度大共价键H2O 离子键H2O H2O小 1 水与离子基团的相互作用 键的强度大共价键H2O 离子H2O H2OH2O 亲水性溶质小 2 水与具有氢键形成能力的中性基团 亲水性溶质 的相互作用 3 水与疏水基团的相互作用 疏水水合 Hydrophobichydration 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 油脂烃类分层 4 水与双亲分子的相互作用 水作为双亲分子的分散介质双亲分子一个分子中同时存在亲水和疏水基团脂肪酸盐 蛋白脂质 糖脂 极性脂质 核酸水中存在同时含有多个亲水性和疏水性侧链基团的生物大分子 其分子中的疏水基团以色散力相互吸引 避开与水的接触 疏水基团包埋在分子内部 亲水基与水以氢键结合 这种现象称疏水性基相互作用 第二节食品中的水 食品中的水 是以自由态 水合态 胶体吸润态 表面吸附态等状态存在的 水之所以能以各种形态存在于动植物组织中 是由于水能被两种作用力即氢键结合力和毛细管力联系着 化合水 一 结合水结合水是与食品中蛋白质 淀粉 果胶物质 纤维素等成分通过氢键而结合着的 根据各种有机分子的不同极性基团与水形成氢键的牢固程度有所不同 结合水又可分为单分子层结合水和多分子层结合水 二 自由水以毛细管力联系着的水称为自由水 或游离水 存在于植物组织的细胞质 膜 细胞间隙中和任何组织的循环液以及制成食品的结构组织中 结合水与自由水在性质上的差别 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 结合水的蒸气压比自由水低得多 所以在一定温度 100 下结合水不能从食品中分离出来 结合水对食品的可溶性成分不起溶剂的作用 自由水能为微生物所利用 结合水则不能 结合水在低温 40C 或更低 下不能冻结 结合水在核磁共振实验中产生宽带 第三节水分活度 一 定义和测定方法水分活度 wateractivity 是指食品中水的蒸汽压与该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值 可用下式表示Aw P P0 ERH 100 equilibriumrelativehumidity n1 n1 n2 Aw p p0其中 Aw 水份活度 p 食品中水的蒸气分压 p0 同温下纯水蒸气压 水分活度测定公式 Aw p p0 ERH 100 N n1 n1 n2 ERH 样品周围空气不与样品换湿时的平衡相对湿度 N 稀溶液中溶剂摩尔分数 n1 稀溶液中溶剂的摩尔数 n2 稀溶液中溶质的摩尔数 自由水 注意 1 上述公式成立的前提是溶液是理想溶液并达到热力学平衡 食品体系一般不符合这个条件 因此上式严格讲 只是近似的表达 2 公式中的前两项 即Aw p p0 是根据水分活度定义给出的 而后两项Aw N n1 n1 n2 是拉乌尔定律所推导的 其前提是稀溶液 所以也是近似的关系 3 Aw是样品的内在品质 而ERH是样品的环境性质 仅当样品与它的环境达到平衡时 上式才能成立 Aw p p0 ERH 100 N n1 n1 n2 Aw p p0 ERH 100 N n1 n1 n2 1 水分活度测定方法 a 冰点测定法 通过测定样品冰点的降低值 Tf 及含水量 求出n1 根据公式 Aw N n1 n1 n2 n2 G Tf 1000Kf Kf水的摩尔冰点下降常数 即可求出样品的水分活度 b 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的小容器中 达到平衡 用湿度传感器测定其空间的湿度 即可得出ERH Aw ERH 100得到样品的水分活度 c 恒定相对湿度平衡室法 康维微量扩散器测定法 恒温密闭小容器 样品和饱和盐溶液 两种以上 样品量一般为1g 恒温温度一般为25 康维氏微量扩散器 测定达平衡时样品吸收 失去水的质量 用下式求算 Aw Ax By x y 其中 A 活度低的盐溶液活度 B 活度高的盐溶液活度x 使用B时的净增值 y 使用A时的净减值 二 水分活度与温度的关系 水分含量相同 温度不同 Aw不同水分活度与温度的函数可用克劳修斯 克拉伯龙方程来表示 InAw H RT CT 绝对温度 R 气体常数 H 样品中水分的吸湿热 比较冰点以上和冰点以下Aw 在冰点以上 Aw是样品组成与温度的函数 前者是主要的因素在冰点以下 Aw与样品的组成无关 而仅与温度有关 即冰相存在时 Aw不受所存在的溶质的种类或比例的影响 不能根据Aw预测受溶质影响的反应过程不能根据冰点以下温度Aw预测冰点以上温度的Aw当温度改变到形成冰或熔化冰时 就食品稳定性而言 水分活度的意义也改变了 一些常见食品的水分活度 三 水分活度和食品含水量的关系 水分吸附等温线定义 在恒定温度下 食品的水分含量 以g水 g干物质表示 与其水分活度之间的关系图 称为水分吸附等温线 或吸湿等温线 MSI moisturesorptionisotherms 形状 不同食品的MSI具有不同的形状 S形是大多数食品的特征 糖果和咖啡提取物含有大量糖和其它可溶性小分子 而聚合物含量不高 它们的MSI呈J形 MSI中的分区一般的MSI均可分为三个区 如下图所示 区 为化合水和邻近水区 即与食品成分中的羧基 氨基等基团通过水 离子或水 偶极相互结合的那部分水 特点 牢固结合 Aw较低 相当于物料含水量0 0 07g g干物质 不能作为溶剂 40 不结冰 对固体没有显著的增塑作用 可以简单的看作固体的一部分 区和 区交界处的水分含量称为食品的 单分子层 水含量 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量的近似值 到达边界 水将引起溶解过程 大多数的食品化学反应开始发生 区 增加了多层水区 即通过水 溶质 水 水以氢键被相对固定的水 也包括直径小于1 m的毛细管的水 区 水量增加至自由水区 特点 与非水物质结合最不牢固 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 这种分区是相对的 水分子在区内和区间快速地交换 从区 至区 水的性质是连续变化的 向干燥物质中增加水虽然能够稍微改变原来所含水的性质 但是当等温线的区间 增加水时 区间 水的性质几乎保持不变 同样在区间 内增加水 区间 的性质也几乎保持不变 滞后现象滞后现象即向干燥的样品中添加水 回吸作用 后绘制的吸湿等温线和由样品中取出水 解吸作用 后绘制的吸湿等温线并不完全重合 这种不重叠性称为滞后现象 出现滞后现象的主要原因有 a 解吸过程中一些水分与非水物质相互作用而无法放出水分 b 物料不规则形状产生毛细管现象的部位 欲填满或抽空水分需要不同的蒸气压 c 解吸时 因组织改变 当再吸水时无法紧密结合水分 由此可导致回吸相同水量时处于较高的水分活度 MSI的实际意义 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 据MSI可预测含水量对食品稳定性的影响 从MSI还可看出食品中非水组分与水结合能力的强弱 MSI上不同区水分特性 四 水分活度的实际应用 各种食品在一定条件下都各有其一定的水分活度 各种微生物的活动和各种化学与生物化学反应也都需要有一定的Aw值 只要计算出微生物 化学以及生物化学反应所需要的Aw值 就可能控制食品加工的条件和预测食品的耐藏性 一 水分活度与微生物繁殖的关系 微生物发育时必需的水分活度 注 a 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 由此可以推断影响不同含水食品质量的主要微生物 b 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 如 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 二 水分活度与酶促反应的关系 水分在酶反应中起着溶解基质和增加基质流动性等的作用 食品中水分活度极低时 酶反应几乎停止 或者反应