食品化学 第二章 水分

2020年4月13日 第二章水分 第二章水分 食品化学 主讲 张洪微 2020年4月13日 第二章水分 主要内容 第一节水和冰的物理特性第二节水和冰的结构和性质第三节水在食品中的存在状态第四节水分活度第五节吸湿等温线第六节水分活度与食品的稳定性第七节含水食品的水分转移 2020年4月13日 第二章水分 第一节水和冰的物理特性 一 水在食品中的作用 含水量 从食品的理化性质上讲 水在食品中起着溶解分散蛋白质 淀粉等可溶性成分的作用 使它们形成溶液或凝胶 从食品品质方面讲 对食品的鲜度 硬度 流动性 风味等方面都有重要的影响 水的质量关系到产品的质量 从食品的安全性方面讲 水是微生物繁殖的必须条件 从食品工艺角度讲 水起着膨润 浸透 均匀化的功能 2020年4月13日 第二章水分 二 水和冰的物理性质 高的熔点和沸点 具有很大的表面张力 热容以及相变热值 介电常数大 水的密度很小 水在凝固时具有异常的膨胀性 水的黏度低 具有流动性 水的热导率较大 0 时冰的热导率为同温下水的热导率的4倍 2020年4月13日 第二章水分 第二节水和冰的结构和性质 2020年4月13日 第二章水分 一 水分子的结构特征 以氧为中心的四面体结构 O H键间的键角为104 5度 水分子是极性分子 O H具有离子性 水分子可以电离 氧的另外两对孤对电子有静电力 具有两个氢给体和两个氢受体 18种同位素变体量极少 2020年4月13日 第二章水分 水分子的缔合作用 一个水分子可以和周围四个水分子缔合 形成三维空间网络结构 2020年4月13日 第二章水分 水分子缔合的原因 H 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 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 静电效应 2020年4月13日 第二章水分 二 结构与性质的关系 氢键水分子簇水分子是可移动水分子之间的缔合程度和分子间的距离 每个水分子都参与了和其他4个水分子形成三维空间的多重氢键缔合 因此具有高的沸点 熔点 热容和相变热等 产生了多分子偶极 有效地提高了水的介电常数 所以具有溶剂性 可以促进电解质电离 三维氢键网络中的每一个水分子是可移动的 它们快速地切断一个氢键 同时形成新的氢键网 因此水具有流动性 黏度较低 水分子之间的缔合程度增加 密度增加 分子距离增加 密度减小 0 3 98 缔合程度起决定作用 所以 在这个范围内 随温度升高 密度增加 在3 98 时 密度最大 在3 98 以上 水分子之间的距离占主导地位 密度又随温度的升高而降低 2020年4月13日 第二章水分 三 冰的结构和性质 氧核间距离最小为0 276nm 一个水分子通过氢键与相邻的4个水分子结合 O O O键角约为109度 冰是水分子有序排列形成的晶体 2020年4月13日 第二章水分 2020年4月13日 第二章水分 2020年4月13日 第二章水分 2020年4月13日 第二章水分 冰的分类 按冷冻速度和对称要素分 冰可分为四大类 六方型冰晶不规则树枝状结晶粗糙的球状结晶易消失的球状结晶及各种中间体 六方冰晶形成的条件 在最适的低温冷却剂中缓慢冷冻 溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移 2020年4月13日 第二章水分 冰晶的形成 晶核过冷状态 过冷温度可外加晶核速冻对食品的影响 2020年4月13日 第二章水分 第三节水在食品中的存在状态 一 水与溶质的相互作用 2020年4月13日 第二章水分 1 水与离子和离子基团的相互作用 第二章水分 1 水与离子和离子基团的相互作用 离子水合作用 净结构形成效应 离子是电场强度较强 离子半径小的离子或多价离子 它们有助于水形成网络结构 因此这类离子的水溶液比纯水的流动性小 也就是这种溶液中离子间的结构要比纯水的结构要稳定 净结构破坏效应 离子一般为低价离子 离子半径较大 这些离子能阻碍水形成网络结构 因此这种溶液比纯水的流动性要大 Li Na Ca2 K Rb CI 稀盐溶液 2020年4月13日 第二章水分 2 水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用 2020年4月13日 第二章水分 3 水与非极性物质的相互作用 2020年4月13日 第二章水分 3 水与非极性物质的相互作用 笼形水合物 指水通过氢键形成笼状结构 将非极性小分子包在里面 通常由20 74个水分子组成笼形结构 水与蛋白质分子中的疏水基团的缔合 大多数蛋白质分子中 大约有40 的氨基酸含有非极性基团 这些疏水基团就会缔合产生疏水相互作用 2020年4月13日 第二章水分 二 水的存在状态 化合水结合水邻近水多层水滞化水体相水毛细管水自由流动水 2020年4月13日 第二章水分 结合水 束缚水或固定水 存在于溶质或非水组分附近 与溶质分子通过化学键的力结合的那部分水 由近到远 化合水 水与离子作用邻近水 水与离子 水与偶极多层水 水与溶质氢键 2020年4月13日 第二章水分 自由水 体相水 被非水物质物理截留在组织中的水 根据存在方式 滞化水 不能自由流动毛细管水 毛细管力所阻留自由流动水 可自由流动 2020年4月13日 第二章水分 2020年4月13日 第二章水分 第四节水分活度 引言食品的水分含量 食品的腐败性存在相关性但发现水分含量相同 腐败性显著不同水分含量不是一个腐败性的可靠指标水分活度Aw水与非水成分缔合强度上的差别比水分含量更可靠 也并非完全可靠与微生物生长和许多降解反应具有相关性 2020年4月13日 第二章水分 第四节水分活度 f 溶剂 水 的逸度 f0 纯溶剂 水 的逸度 逸度 溶剂从溶液逃脱的趋势 严格 差别1 仅适合理想溶液 RVP 相对蒸汽 2020年4月13日 第二章水分 Aw P P0 第四节水分活度 一 定义 指食品中水的蒸汽压和该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值 水分活度值介于0 1之间 2020年4月13日 第二章水分 Aw P P0 ERH 100 N n1 n1 n2 ERH equilibriumrelativehumidity 是样品周围的空气平衡相对湿度 它是与样品平衡的大气的性质 拉乌尔定律 水分活度的意义 水分活度表示生物组织与食品中能参与生物活动和化学反应的水分含量 2020年4月13日 第二章水分 水分活度的几种测量方法 冰点测定法相对湿度传感器测定法恒定相对湿度平衡室法水分活度仪 2020年4月13日 第二章水分 二 水分活度与温度的关系 k是样品中非水物质的本质和浓度的函数 也是温度的函数 2020年4月13日 第二章水分 意义 一定样品 在恒定的水分含量下 水分活度的对数在不太宽的温度范围内随绝对温度升高而正比例升高 lnAw和1 T两者间有良好的线性关系但它们的线性关系是以含水量为参数的 当水分含量越大时 水分活度受温度的影响越大 2020年4月13日 第二章水分 冰点以上和冰点以下水分活度的区别 比较高于和低于冻结温度下的Aw时应注意两个重要差别 在冻结温度以上 Aw是样品组分与温度的函数 且前者是主要因素 在冻结温度以下 Aw与样品组分无关 只取决于温度 不能根据Aw预测受溶质影响的冰点以下发生的过程 如扩散控制过程 催化反应等 冻结温度以上和以下Aw对食品稳定性的影响是不同的 2020年4月13日 第二章水分 第五节吸湿等温线 定义 MSI 是指在恒定温度下 食品的水分含量与它的水分活度之间的关系图 2020年4月13日 第二章水分 吸湿等温线的区域 2020年4月13日 第二章水分 区的水的性质 最强烈地吸附最少流动水 离子或水 偶极相互作用在 40 不结冰不能作为溶剂看作固体的一部分化合水和邻近水占总水量极小部分 2020年4月13日 第二章水分 BET单层区 和 接界0 07gH2O g干物质Aw 0 2相当于一个干制品能呈现最高的稳定性时含有的最大水分含量 2020年4月13日 第二章水分 区的水的性质 通过氢键与相邻的水分子和溶质分子缔合流动性比体相水稍差大部分在 40 不结冰导致固体基质的初步肿胀多层水区 和区 的水占总水分的5 以下 2020年4月13日 第二章水分 区的水的性质 体相水被物理截留或自由的宏观运动受阻性质与稀盐溶液中的水类似 占总水分的95 以上 2020年4月13日 第二章水分 各区特性 2020年4月13日 第二章水分 滞后现象 通常吸湿等温线的绘制是通过向干燥样品中添加水而得到的 因此我们也常把这个过程叫回吸作用 如果把这个吸满水的样品再进行干燥 同样又可以得到一条曲线 我们把这条线叫解吸曲线 滞后现象 样品的吸湿等温线和解吸等温线不完全重叠的现象 2020年4月13日 第二章水分 一般来说 当Aw一定时 解吸过程中食品的水分含量大于回吸过程中水分含量 解吸线在上方 滞后环形状取决于 食品品种解吸速度脱水程度 温度 2020年4月13日 第二章水分 空气干燥的苹果片冷冻干燥的熟猪肉 2020年4月13日 第二章水分 2020年4月13日 第二章水分 滞后现象产生的原因 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 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 2020年4月13日 第二章水分 滞后现象的现实意义 鸡肉和猪肉Aw 0 75 0 84 解吸时脂肪氧化速度高于回吸Aw一定 解吸样品的水分高于回吸高水分样品粘度低 催化剂流动性好 基质的肿胀使催化部位暴露控制微生物生长 解吸方法比回吸方法制备样品时要达到更低的Aw 2020年4月13日 第二章水分 第六节水分活度与食品的稳定性 一 水分活度与微生物的关系1 不同微生物的生长对水分活度的要求不同 大多数的细菌0 99 0 94 大多数霉菌0 94 0 8之间 大多数耐盐细菌0 75 耐干燥霉菌和耐高渗透压酵母0 65 0 6 低于0 6时 绝大多数的微生物是无法生长的 2020年4月13日 第二章水分 2 不同阶段对水分活度的阈值的要求不同细菌 它在形成芽孢时的Aw比繁殖生长时所需的水分活度值要高 霉菌孢子发芽的Aw阈值则低于孢子发芽后菌丝生长所需的Aw值 微生物产生毒素时所需的Aw阈值则高于生长时所需的Aw数值 2020年4月13日 第二章水分 食品中水分活度与微生物生长 2020年4月13日 第二章水分 二 水分活度与食品化学变化的关系 1 对脂肪氧化酸败的影响 水能与脂肪氧化的自由基反应中的氢过氧化物形成氢键水能与金属离子形成水合物 水增加了氧的溶解度脂肪分子肿胀催化剂和氧的流动性增加 催化剂和反应物的浓度被稀释 2020年4月13日 第二章水分 2 水分活度对非酶褐变的影响 在一定的水分活度范围内 反应速度随水分活度的值增大而增大 在水分活度在0 2以下 反应通常不会发生 而当水分活度过大时 大于0 7 反应速度下降 2020年4月13日 第二章水分 3 对淀粉老化的影响 30 60 老化的速度最快10 15 淀粉不会发生老化 4 对蛋白质变性的影响 水分活度增大会加速蛋白质的氧化作用 5 对酶促褐变的影响 当Aw值降低到0 25 0 30的范围 就能有效地减慢或阻止酶促褐变的进行 2020年4月13日 第二章水分 降低水分活度可以降低食品的化学反应速度 提高食品的稳定性 大多数化学反应只有在水中才能进行 一些离子反应在没有自由水存在时是无法进行离子化或水化作用的 在一些反应中 水不仅作为反应介质 还是反应的参与者 没有了自由水的参加 反应速度变慢 在酶促反应中 水作为输送介质 大多数酶在水分活度低于0 2和大于0 8时受到抑制 2020年4月13日 第二章水分 三 冰在食品稳定性中的作用 冷冻法 降温的目的水结冰会产生两个不良的后果体积增大 细胞结构被破坏 浓度变大 产生浓缩效应 冰冻对反应速度具有两个相反方向的影响降低温度导致反应速度变缓 可能导致反应速度的加快 2020年4月13日 第二章水分 速冻 慢冻 2020年4月13日 第二章水分 第七节含水食品的水分转移 食品吸水或失水以及水分在同一食品的不同部位的移动的现象叫水分的转移 水分转移可分为两种情况 不同食品位转移同一食品不同部位相转移三态之间的变化 2020年4月13日 第二章水分 一 水分的位转移 动力化学势由高到低温度 水分活度 从高温部位会向低温部位移动从水分活度高的部位向水分活度低的地方转移 2020年4月13日 第二章水分 二 水分的相转移 空气湿度的表示法 绝对湿度 是指空气中实际所含有的水蒸气的数量 即单位体积空气中所含水蒸气的质量或水蒸气所具有的压力 饱和湿度 是指在一定温度下 单位体积空气所能容纳的最大水蒸气量或水蒸气所能具有的最大压力 相对湿度 指空气绝对湿度与同温度下饱和湿度的比值 以 表示 2020年4月13日 第二章水分 二 水分的相转移 水分蒸发 与空气湿度与饱和湿度差有关饱和湿度差大 则食品水分蒸发量就大蒸汽凝结 空