食品化学第1章水分PPT课件

Questions whatisthemostimportantnutrient WATER WaterFunctionsImportantcomponentoffood Universalsolvent salt vitamins sugar gases pigment 核桃热水去皮除苦 鲜黄花菜Capableofionizing H3O OH AffectsthetextureChemicalreactions hydrolysisofprotein naminoacids Stabilizingthecolloidsbyhydration 生物大分子构像的稳定剂Necessaryformicro organismsgrowth 氢原子失去ls电子就成为H H 实际上是氢原子的核 即质子 由于质子的半径为氢原子半径的几万分之一 因此质子具有很强的电场 能使邻近的原子或分子强烈地变形 H 在水溶液中与H2O结合 以水合氢离子 H3O 存在 stabilizing 英 steib laizi colloid 英 k l id 美 k l d 胶体 的 hydration 英 hai drei n 水合 水合作用构像 conformation 指一个分子中 不改变共价键结构 仅单键周围的原子放置所产生的空间排布 一种构像改变为另一种构像时 不要求共价键的断裂和重新形成 补充 Questions typesofwater 为防止水的活跃造成食品腐败 可以采取 干燥 浓缩脱水冷冻 复水 解冻食品很难回复到以前的状态 且易腐败对水 冰的研究很有必要 第二章水分 Water或Moisture 目的要求 1 了解食品中水的类型 2 掌握Aw及其与食品稳定性的关系 3 了解MSI分区及与食品中水分类型的对应关系 4 掌握水结冰的过程并解释速冻和缓冻对食品质量属性的影响 重点难点 重点 食品的冻结保藏 难点 吸湿等温线 基本内容 1 食品中水的类型 2 水分活度及其与食品稳定性的关系 3 吸湿等温线 4 食品的冻结保藏 从物化方面来看 水可分散蛋白质和淀粉 使它们形成溶胶或溶液 从化学方面来看 水对食品的新鲜程度 外观 质地 风味 保藏性和腐败变质的敏感性产生极大的影响 在食品加工过程中 水可发挥膨润和浸透作用等 第一节水与冰的结构 Struture 一 水分子的结构 单个水分子的结构 水分子中 H原子与O原子形成2个 共价键 1 分子的极性分子中正 负电荷中心不重合 正电荷集中的点为 极 负电荷集中的点为 极 这样分子产生了偶极 称为极性分子 由于两个原子吸引电子的能力不同 共用电子对必然偏向吸引电子能力较强的原子一方 因而吸引电子能力较弱的原子一方相对的显正电性 有的分子正 负电荷中心重合 不产生偶极 称为非极性分子 2 范德华半径在分子晶体中 分子之间以范德华力相互接近 这时非键的两个同种原子核间距离的一半 称为范德华半径 3 偶极矩衡量分子极性的大小 德拜 Debye 在1912年提出 分子中电荷中心上的电荷量与正 负电荷中心间距离的乘积 偶极矩是一个矢量 既有数量又有方向 其方向是从正极到负极 补充 二 水分子的缔合 P10图1 2 配位数 每个水分子都有2个H键供体和受体部位 众多的水分子便通过H键缔合成三维取向的立体结构每个水分子最多能与其他4个水分子H键 形成四面体结构 HydrogenBond Thebondisformedduetotheaffinityofelectro positivehydrogenatomsforelectro negativeatomssuchasO Bindingenergyofhydrogenbondisabout10 ofcovalentbond H bondstrength 10Kcal mol H d O d H d H d H d H d O d O d H d H d H d O d Waterisagooddissolvingsolvent Why Physicalactionofdispersionofsolutemoleculeduetothehigh activityofwatermoleculesatthesurfaceofthesolute Thehighdielectricconstantofwater 80 xthatofvacuum diminishestheeffectivenessofattractiveforcesthattendtoholdthesolutemoleculestogether Hydrationofthesolutebyachemicalcomplexsuchasthe hydrogenbond affinity 英 f n ti 美 f n ti 吸引 亲和性covalent 英 k u veil nt 共有原子价的 共价的MW MolecularWeightMP C MeltingPointBP C BoilingPointsolute 英 s lju t 溶解物 溶质dielectricconstant 介电常数permittivity 又称为 电容率 或 相对电容率 在同一电容器中用某一物质作为电介质时的电容与其中为真空时电容的比值称为该物质的 介电常数 D TheCapacityofCondenserofaMaterial TheCapacityofCondenserofVacuumCondition电介质经常是绝缘体 蒸馏水如果保持没有杂质的话是好的电介质 其相对介电常数约为80 di mono poly vacuum 英 v kju m 补充 THEEFFECTSOFHYDROGENBONDSOFWATER 氨分子有三个H给体一个H受体 氟化氢有一个H给体三个H受体 F原子上有三对孤对电子 H原子核与另一个HF分子中F原子的某一孤对电子之间形成氢键 所以NH3 HF分子在固 液甚至气态时都以锯齿形链相聚合 水的主要物理特性 a 水的熔点 沸点 介电常数 表面张力 热容和相变热均比质量和组成相近的分子 NH3 HF CH4 H2S H2Se 高得多 b 水的密度较低 水在冻结时体积增加 表现出异常的膨胀行为 这会使得含水食品在冻结过程中组织结构遭到破坏 三 冰的结构 P11图1 3 冰是水分子通过氢键相互结合 有序排列形成的低密度 具有一定刚性的立方形晶体结构 在冰的晶体结构中 每个水和另外4个水分子相互缔合 水利用其自身的每个分子都能通过H键与相邻4个分子缔合的能力 在00C以下时 生成结构相当开阔的冰的晶体 冰晶的最小单位是冰晶胞 每个晶胞中含4个水分子 冰有11种结构 在常压和00C时 只有普通正六方晶系是稳定的 大多数冷冻食品中的冰晶体是高度有序的六方形结构 过冷现象 纯水在冷冻时 尽管冰点是0 但常不在0 结冰 出现过冷状态 只有当温度降低到零下某一温度时才可能出现结晶 其他方法 加入晶核 如固体颗粒 或振动 现代食品冷藏技术中提倡 因为形成的冰晶细小 呈针状 冻结时间短且微生物活动受到更大限制 从而保证了食品品质 速冻 四 液态水的结构 液态水中的水分子通过氢键缔合形成水分子簇 此水分子簇具有与冰晶类似的结构 但有些氢键已断裂或被扭曲 随着温度的升高 液态水中出现了越来越多单个的水分子 它们可以进入水分子簇内似冰结构的空隙中 因此 液态水的密度比冰大 第二节食品中水的类型 Types 划分依据 水在食品中所处状态的不同以及与非水组分结合强弱的不同 degreeofwaterbindness 结合水 食品中水的存在形式 游离水 化合水 单层水 多层水 滞化水 毛细管水 自由流动水 定义 与非水物质呈紧密结合状态的水 特点 非 必要的组分 40 不结冰 无溶剂能力 不能被微生物利用 单分子层水 定义 处非 外围 与非 呈缔合状态的水 特点 40 不结冰 无溶剂能力 不能被微生物利用 定义 处单层水外围 与单 以氢键或偶极力结合 特点 有一定厚度 多层 40 基本不结冰 无溶剂能力 可被蒸发 定义 被组织中的显微结构或亚显微结构或膜滞留 特点 不能自由流动 与非 没关系 定义 由细胞间隙等形成的毛细管力所系留的水 特点 理化性质同滞化水相同 定义 以游离态存在的水 特点 可正常结冰 具有溶剂能力 微生物可利用 一 游离水 Freewater 或体相水 Bulkwater 食品中被生物膜或凝胶内大分子交联成的网络所截留的水 主要存在于富水的细胞中或凝胶块中 属自由水 1 可作为溶剂 400C下可结冰 2 与食品的风味 硬度和韧性有关 FreeorMobileWater consistedwithidealsolution 理想溶液 二 结合水 束缚水 Boundwater Immobilizedwater 食品中与各非水组分以氢键结合的水 与非水组分结合最为牢固 不能作为溶剂 400C下不能结冰 单分子层水 Monolayerwater 与非水组分中强极性基团 COOH NH2等 直接以氢键结合的第一个水分子层中的水 1 与非水组分结合最牢固 蒸发能力很弱 2 不能被微生物利用 不能作为介质 MonolayerWaterisboundinfood restrictedinitsmovementduetocharges hydrogenbond physicalentrapment Hardtoremovefromfood Neverbeabletoremovewatercompletely 单层值 BET 的意义 单分子层水 其量为单层值 Brunauer EmmettandTellerBET 一般食品 尤为干燥食品 其水 接近单层值时 有最大的稳定性 确定某种食品的单层值对其保藏非常重要 BETMonolayerDetermination BET单层值的计算 Aw 多分子层水 Multilayerwater 强极性基团单分子层外的水分子层中的水以及与非水组分中弱极性基团以氢键相结合的水 1 被束缚的程度弱于单分子层水 但与非水组分间的结合仍牢固 2 蒸发的能力也较弱 但干燥食品吸收了这部分水后 非水组分开始膨胀 MultilayerWater additionallayerofwateraroundfoodparticle Notashardtoremoveasthemonolayer P16图1 8 a b 1 L状2 P折叠 RelationshipbetweenwaterandperishabilityVariousfoodswiththesamewatercontentdiffersignificantlyinperishability WatercontentaloneisnotreliableImportanceofwaterassociationswithnon aqueousconstituentstosupportdeteriorativeactivitiesRatesofdeteriorativechangesandmicrobialgrowthatnormalfoodstorageconditionsoftendependonwatercontentandaw 第三节Aw与食品稳定性 Stability 不同种类的食品即使水分含量相同 但其腐败变质的难易程度也有明显的差异 一 水分活度 Wateractivity Aw Wateractivityisdefinedastheratioofthevaporpressureofwaterinamaterial p tothevaporpressureofpurewater po atthesametemperature 一定温度下样品水分蒸汽压与纯水蒸汽压的比值 公式 Aw f f0 p p0 相对蒸汽压RVP ERHAw 水分活度 f 溶剂水的逸度 f0 纯水的逸度 p 样品中水的蒸汽分压 p0 同温下纯水的蒸汽压 ERH 样品周围空气不与样品换湿时的平均相对湿度 Aw的值 0 1 在室温和大气压条什下 样品的平衡相对湿度和相对逸度之间的差别低于1 因此 将食品样品的相对湿度定义为它的活度不会引入显著的误差 Aw是食品的内在的性质 与食品组成 结构有关 而ERH与食品湿度平衡时大气的性质有关 二 Aw的测定1 相对湿度传感器测定法 Aw测定仪见视频介绍 2 相对湿度平衡室法 康威皿法 3 冰点测定法 RelationshipbetweenAwandTemperature Thedegreeof TdependanceisafunctionofmoisturecontentWateractivityincreaseswithincreasingtemperature 食品在冻结点上下水分活度的比较 不能用食物冰点以下的水分活度来预测食物在冰点以上的水分活度 同样 也不能用食物冰点以上的水分活度来预测食物冰点以下的水分活度 冰点以上 食物的水分活度是食物组成和食品温度的函数 并且主要与食品的组成有关 而在冰点以下 水分活度与食物的组成没有关系 而仅与食物的温度有关 冰点上下食物的水分活度的大小与食物的理化特性的关系不同 如在 15 时 水分活度为0 80 微生物不会生长 化学反应缓慢 在20 时 水分活度为0 80时 化学反应快速进行 且微生物能较快的生长 水分活度的测定 相对湿度平衡室法扩散法 原理食品中的水分都随环境条件的变动而变化 当环境空气的相对湿度低于食品的水分活度时 食品中的水分向空气中蒸发 食品的质量减轻 相反 当环境空气的相对湿度高于食品的水分活度时 食品就会从空气中吸收水分 使质量增加 不管是蒸发水分还是吸收水分 最终是食品和环境的水分达平衡时为止 据此原理 采用标准水分活度的试剂 形成相应湿度的空气环境 在康威微量扩散皿的密封和恒温条件下 观察食品试样在此空气环境中因水分变化而引起的质量变化 通常使试样分别在Aw较高 中等和较低的标准饱和盐溶液中扩散平衡后 根据试样质量的增加 即在较高Aw标准饱和盐溶液达平衡 和减少 即在较低Aw标准饱和盐溶液达平衡 的量 计算试样的Aw值 表1 1饱和溶液的Aw 25 表1 2食品的Aw及水分含量 25 3操作步骤 1 从表1 1中至少选取4种标准饱和盐溶液 分别在4康威皿的外室预先放入上述标准饱和盐溶液5 0mL 2种标准试剂水活度高于试样 2种标准试剂水活度低于试样 2 在预先准确称量过的小玻璃皿中 准确称取约1 00g的均匀切碎样品 迅速放入康威皿的内室中 记下小玻璃皿和样品的总重量 3 然后在扩散皿磨口边缘均匀地涂上一层凡士林 在25士0 5 的恒温箱中静置2 3h 取出其中的小玻璃皿及样品 用电子天平迅速准确称量 并求出样品的重量 以后每隔30min称重一次 至恒重为止 4 以各种标准盐的饱和溶液在25 时Aw值为横坐标 被测样品的增减重量为纵坐标作图 并将各点连结成一条直线 此线与横轴的交点即为所测样品的Aw值 见图1 2 酵母菌 细菌 葡萄球菌 李斯特菌 葡萄球菌食物中毒是葡萄球菌肠毒素所引起的疾病 其特征为起病急骤 呕吐剧烈及虚脱 李斯特菌具有较强的抵抗力 秋冬时期在土壤中能存活 个月以上 在冰块内也可存活 个月 许多冷冻肉类都是它的 温床 这种细菌对高温的抵抗力也比较强 能在 下挺 分钟 在 下可存活 分钟以上 正是由于这种超强的适应能力 很多食品都成了它繁衍的家园 引起的急性传染病 以败血病 细菌进入血循环 并在其中生长繁殖 产生毒素而引起的全身性严重感染 临床表现为发热 严重毒血症状 皮疹瘀点 肝脾肿大和白细胞数增高等 为主要症状 伴有内脏器官和中枢神经系统病变 一些人在食用受李斯特菌严重污染的食品后 会出现发烧 头痛等症状 严重的会出现休克和死亡 三 Aw与Food的稳定性 一 AwandGrowthofMicroorganismsAw与微生物的增殖 P24表1 7 在各类微生物中 细菌在Aw 0 9时才能增殖 酵母菌在Aw 0 87 大多数霉菌在Aw 0 8时就开始增殖 Aw 0 5以下时 任何微生物不能生长 二 Aw与酶促反应 P23图1 14 酶促反应需在酶的作用下进行 酶的催化活性取决于酶分子的构象 而酶分子的构象与其存在的环境有密切的关系 为何会影响 EnzymaticChanges Aw 1 在以水为介质的环境中 用来维持分子活性构象的各种作用力 特别是非极性侧链间的疏水作用 才能充分的发挥作用 2 水的存在有利于E和S substrate 分子在food内的移动 使之充分靠拢 三 Aw与非酶促反应 P23图1 14 1 Maillard反应当Aw在0 6 0 7时 反应达最大值 当Aw 0 7时 Maillard反应速度降低 其原因为水的加入稀释了反应物浓度 2 脂肪非酶氧化反应 Lipidoxidation 反应在Aw很低时开始 随Aw增大 反应速度降低至Aw 0 4左右 此后 随Aw增大 反应速度加快 当Aw 0 7 0 8 Max 后又降低 Non EnzymaticBrowning Aw 从右图可知 除非酶氧化在Aw 0 3时有较高反应外 其它反应均是Aw愈小反应速度愈小 也就是说 对多数食品而言 低Aw有利于食品的稳定性 首次出现最低反应速度时水分含量相当于 BET 水分含量 四 Aw与food的质构除化学反应和微生物外 Aw也影响干燥食品和半干食品的质构 例如 1 饼干 爆米花和马铃薯片必须在较低的Aw下才能保持松脆 2 颗粒状蔗糖 乳粉和速溶咖啡 为防止结块也需要较低的Aw 水分活度影响食品稳定性的原因可以概括如下 水分活度降低 食品中自由水含量降低 以水为介质的反应难以发生离子型反应的速度降低水参加的反应速度降低水影响酶活性及酶促反应底物的输送 三 Controllingawinfoods 控制Aw的方法 equilibrationwithatmosphereofknownrelativehumiditywaterremoval e g dehydration additionofsolutes humectants why sugars NaCl polyhydricalcohols glycerol sorbitol propyleneglycollossorgainofmoistureinpackagedfoods 思考或讨论 降低食品Aw为何可以提高食品的稳定性 使自由水转变为束缚水 从而降低Aw equilibration平衡 i kwilai brei n humectants保湿剂 hju mekt nt polyhydric多羟 基 的 p li haidrik glycerol甘油 丙三醇 gl s r l sorbitol山梨 糖 醇 s bit l Propylene丙烯 pr upili n glycol乙二醇 laik l propyleneglycol丙二醇 Definition plotsinterrelatingwatercontentofafoodwithitswateractivityatconstanttemperature 第四节吸湿等温线 MoistureSorptionIsotherm MSI 一 概念在温度不变的条件下 以食品中的水分含量 主要是自由水 为纵坐标 以Aw为横坐标所描绘的曲线 在制作时 恒温下将水逐步渗透到干制的食品中 测定不同吸湿阶段的Aw 高水分食品的MSI 从正常至干燥的整个水分含量范围 低水分食品的MSI 加水回吸时 试样的组成从区 干 移至区 高水分 各区相关的水的性质存在着显著的差别 实际是连续变化的 吸湿等温线 P21图1 12 二 解吸等温线将高水分食品逐步脱水干燥 在测定了不同脱水阶段的Aw后绘制的等温线 三 滞后现象 Hysteresis hist ri sis 二者间不重合处称为滞后环或滞后回线 Hysteresisloop Watersorptionisothermsfordesorptionandadsorptiondifferent Indesorption watercontentatthesameERHishigherthaninadsorption Themagnitudeofhysteresisdependson natureoffood physicalchangesduringwaterremoval temperature rateofdesorption degreeofwaterremovedduringdesorption Valuablesignificance 解吸时将使食品组织发生改变 当再吸水时就无法紧密结合水分 由此可导致较高的水分活度 Atanygivenaw thewatercontentwillbegreaterduringdesorption RatesoflipidoxidationorlossofVit Cduringdesorptioncomparedtoadsorption Tostopmicrobialgrowth aproduct sawmustbesignificantlylowerifpreparedbydesorptionthanbyadsorption Valuablesignificance 二 ZonesofMoisture MSI分区 P19图1 10 Waterzones visin l 邻近的 区 的水的性质 化合水和单层水 构成水和邻近水 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占总水量极小部分 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 区 的水的性质 多层水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区 和区 的水占总水分的5 以下 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 注意 在Aw为0 85时 新增加的水对食品中非水组分开始发生了溶解作用 并引发了固态组分的膨胀 常温下可能会发生霉烂变质现象 区 和 接界0 38gH2O g干物质Aw 0 85完全水合所需的水分含量 即占据所有的第一层部位所需的水分含量 真实单层 三 MSI的意义 补充 浓缩和干燥过程中除去水的难易程度与Aw有关测定怎样的水分含量可抑制微生物的生长预测化学和物理稳定性与水分含量的关系配制食品混合物时避免水分在配料间的转移 应当如何组合食品才能预防水分在组合食品的各配料之间的转移 合理选择包装材料可以看出不同食品中非水分组分与水结合能力的强弱 第四节食品的冻结保藏 Freezingpreservationoffoods 一 水结冰的过程 一 晶核形成过程一部分水分子结合成小的冰的晶核 二 冰晶生长过程众多的水分子按冰的晶体结构的要求 顺序地结合到晶核上 使之成长为大的晶体 特别注意 1 由于无晶核的存在 液体水温度降到冰点以下时仍不析出固体 过冷 Supercooli