食品化学整理 水ppt课件

食品化学FoodChemistry，贺江tel :5667084 e-mail : Hejiang 1119 QQ :5881481，第二章水Chapter2Water，内容摘要， 2.1概要2.2水和冰的结构和性质2.3食品水的存在状态2.4水分活性度2.5水和食品的稳定性2.6分子流动性和食品稳定性(自学)，目的和要求，(1)了解水和非水成分的相互作用(2)了解结合水的概念(3)了解水分活性度的定义和测定方法(4) 掌握水分活性度和温度的关系(5)熟悉食品材料的吸湿等温线(6)掌握水分活性度和食品稳定性的关系。2.1概况、2.1.1水的作用、生命之源构成机体调节代谢，战争之源是“下一次世界大战将成为水资源的争夺”，2.1概况、2.1.1水的作用、水对人体的重要作用水是稳定人体体温(热容量大)的体内营养素运输、吸收和代谢物运转的载体， 作为体内化学和生化反应的反应物或反应介质，润滑摩擦面，减少损伤优异增塑剂的生物高分子构象的稳定剂作为含酶催化剂的高分子动力学行为的促进剂，2.1概括，2.1.1水的作用，水是食品中非常重要的成分，也是许多食品的主要组成部分。 水对食品结构、外观、外观、质感、风味、颜色、流动性、鲜度和腐烂变质的敏感性有很大影响。 各种食品具有显示品质的特征含水量，如蔬菜：75%-95%、肉类：50%-80%、面条：35%-45%、谷物：10%-15%。 食品中的水，表2-1代表性食品中的典型水分含量，表2-1，2.1概述，2.1.1水的作用，食品中的水的重要作用，作为食品贮藏加工过程中的化学和生化反应介质，水解过程中的反应物水作为微生物生长繁殖的重要因素影响食品的货架期水和蛋白质， 多糖和脂质通过物理相互作用影响食品的质构，新鲜度、硬度、流动性等水发挥溶胀、润湿的作用，影响食品的加工性，2.1概括、2.1.2水和冰的物理性质，水与元素周期表中邻接氧元素的氢化物(CH4、NH3、HF、H2S )相比，在粘度以外存在显着差异。 熔点、沸点、表面张力、介电常数、热容量及相变热(溶解、蒸发、升华)等明显较高. 水的密度低，水结冰时体积异常增大，水的热传导值大于其他液体，冰的热传导值略大于非金属固体。 水与冰的比较：水的密度比冰高，冰的热传导率、热扩散率等明显大于水。表2-2水和冰的物理常数、2.2水和冰的结构和性质，水的异常性质在水分子间存在强吸引力，可推测水和冰具有罕见的结构。2.2水与冰的结构和性质，2.2.1水，氧原子与氢原子结合时，氧原子与sp3杂化，形成sp3杂化轨道的单一水分子为四面体结构，氧原子位于中心，4个顶点中的2个由氢原子占据，其馀2个由氧原子的孤立电子占据， 水分子的结构特征，2.2水和冰的结构和性质，2.2.1水，由于这两组孤对电子对耦合电子形成压迫作用，两个O-H键间的角度为104.5，与典型的四面体的角度10928不同，各O-H键的离解能为4.614102kJ/mol，O-H核间距为0.098 O-H具有极性，即电荷的不对称分布，(氢原子几乎成为裸露的质子，带有正电荷)。 水分子的结构特征，2.2水和冰的结构和性质，2.2.1水，用于水分子的结合，水分子在三维空间中形成多氢键，每个水分子都具有相同数量的氢键施主和受体，可以在三维空间中形成氢键网络结构。、水分子的缔合机制、H-O键之间电荷的非对称分布使H-O键具有极性，该极性使分子间产生引力的各水分子具有相同数量的氢键供体和受体，因此可以在三维空间中形成多氢键(主要机制)。水分子的三维氢键结合说明了水的异常物理性质，热熔敷值、高熔点、高沸点、高表面张力和高相变热：这些热力学现象与打破水分子间氢键有关，需要的能量增大。 高介电常数：水的氢键缔合产生巨大的水分子簇，产生多分子偶极子，显着增大了水的介电常数，2.2水和冰的结构和性质，2.2.1水，水的结构，纯水是具有一定结构的液体，虽然没有刚性，但比气体分子的排列规律得多。 在液体水中，水的分子不是以单一的分子形式存在的，而是几个分子通过氢键结合形成水分子簇(H2O)n。 水的结构模型、混合模型：混合模型强调了分子间氢键的概念，认为分子间氢键暂时被聚类化的水分子之间浓缩，聚类化的水分子与其他更密集的水分子动态平衡。 连续模型：分子之间的氢键均匀分布在整个水样上，水分子的连续网络结构动态平衡。 间隙模型：的水仍然存在类似于冰的结构和类似于笼子的结构，每个水分子填充在类似于笼子的结构的间隙中。水的结构特征、水分子间氢键网络是动态的。 水分子氢键的程度取决于温度。2.2水和冰的结构和性质，2.2.2冰，冰是水分子规则排列的结晶，水分子之间由氢键连接，形成非常“稀疏”(低密度)的刚性结构的最近的水分子的O-O核间距离为0.276nm，O-O键角约为109，非常接近理想四面体的键角的各个水分子会合其他4个水分子在、0下的冰格子单元、2.2水和冰的结构和性质、2.2.2冰、多个格子结合时，冰结构中存在水分子的两个平面，这两个平面平行且紧密结合的冰受到压力的“滑动”和“流动”时，它们作为一个单元(整体)滑动， 冰川的冰在压力下会发生“流动”，这样的对平面构成冰的“基础平面”的几个“基础平面”堆积起来就得到了冰的扩张构造。 冰的基础平面和扩张构造，冰的基础平面，(a )在c轴方向观察到的六边形构造(b )基础平面的立体图，冰的扩张构造，3个基本平面结合的扩张构造，2.2水和冰的构造和性质，2.2冰，冰有11种结晶类型，普通冰的结晶属于六方晶系的双六方双锥体， 常压和温度0下只有六方晶冰晶是最稳定的形式的冰不是由完全精密排列的水分子构成的静态系统，实际上冰晶中的水分子和由此形成的氢键处于不断运动的状态(水分子振动，氢键瞬间切断或再生)。 溶质的种类和数量影响冰晶的数量、大小、结构、位置和趋势。 冰的结构特征是，受不同溶质的影响，冰的结构主要有4种，六方晶冰晶不规则树枝状结晶的粗球状结晶容易消失的球状结晶和各种中间体，样品在最佳的低温制冷剂中缓慢冷却，溶质的性质和浓度对水分子的移动影响不大时， 大而复杂的亲水性分子，比如可能形成六方晶体冰晶的明胶，不仅限制了水分子的运动，还阻碍了水形成高度有序的六方晶体。2.2水和冰的结构和性质，2.2.2冰，温度下降到“过冷却状态”后，稳定的核开始出现，或者由于振动的促进而转化为冰晶的水转化为冰晶时释放潜热，促进温度恢复到0。 在冰层形成的一般过程中，水的冰点以下是0，但纯水在0下不会冻结。稳定的核开始出现时的温度称为“过冷却温度”。施加结晶核后，即使没有达到过冷却温度也会结冰，但此时生成的冰晶很粗大。 为什么要提倡速冻技术？ 现代冷冻贮藏技术提出速冻，(1)该技术形成的冰晶颗粒较细(呈针状)，因此在食品组织中分布比较均匀，(2)由于小冰晶的膨胀力小，对食品组织的破坏少，解冻后的水再次渗透到食品组织中，基本维持了原有的风味和营养价值，(3) .2.2水和冰的结构和性质，单一水分子呈四面体结构，水分子中的O-H具有极性。 水的三维氢键缔合机理和水的异常物理常数的解释。 水的三维氢键是动态的，其配位数与温度有关。 六方晶冰的结晶最稳定。 冰的基础平面和冰的形成过程。 本节要点，2.3食品中水的存在状态，2.3.1水与溶质的相互作用，水与离子基团的相互作用，向水中添加可解离的溶质，将破坏纯水由氢键形成的四面体排列的正常结构。 没有氢键受体和供体的单纯无机离子，在与水的相互作用中只不过是离子偶极子的极性键。 这种作用通常称为离子水合作用。在稀盐溶液中，不同离子对水结构的影响不同，具有破坏k、Rb、Cs、NH4、Cl-、Br-、I-、NO3-、BrO3-、IO3-、ClO4-等水的网状结构的效果，这些离子大多为电场强度弱的负离子和离子半径大的正离子Ca2、Ba2、Mg2、Al3、F-、OH-等有助于水形成网状结构，从这些离子大多数电场强度大、离子半径小的离子或多价离子水的正常结构来看，所有离子都破坏水的结构，阻止水在0下结冰。2.3食品中水的存在状态、2.3.1水与溶质的相互作用、水与具有氢键能力的中性基团的相互作用、食品中的蛋白质、淀粉、果胶等成分含有大量具有氢键能力的中性基团，它们通过水分子和氢键能够键合的水与溶质间的氢键比水与离子间的相互作用弱， 这些氢键的作用强度在水分子间接近氢键的各种有机成分中极性基团不同，与水形成氢键的协同效应也不同。比较不同基团和水的氢键强度，蛋白质多肽链中赖氨酸和精氨酸侧链上的氨基、天冬氨酸和谷氨酸侧链上的羧基、肽链两端的羧基和氨基、果胶中的未酯化羧基结合牢固的蛋白质中酰胺基、淀粉、果胶、纤维素等分子中羟基与水的氢键结合能量小，结合不牢固。具有氢键能力的溶质对水结构的影响，是因为所有可氢键的溶质都能强化纯水的结构，至少不会破坏该结构，但有时溶质的氢键部位和取向在几何学上与正常的水不同，所以这些溶质通常， 如果在预测破坏水正常结构形成氢键的溶质多数会阻碍水冻结的体系中加入具有形成氢键能力的溶质，则每摩尔溶液的氢键总数不会发生明显变化。 水桥可以在生物大分子的两个部位或者两个大分子之间形成由几个水分子构成的“水桥”。木瓜蛋白酶中的三分子水桥、2.3食品中水的存在状态、2.3.1水与溶质的相互作用、水与无极性物质的相互作用、(1)向水中加入疏水性物质后，疏水性基团对水分子产生排斥力，疏水性基团附近的水分子之间的氢键增强，结构有序(熵减少)、 热力学上不利的过程叫做“疏水化”，2.3对食品中水的存在状态、2.3.1水与溶质的相互作用、水与无极性物质的相互作用、(2)水对无极性物质产生的结构作出反应，其中有两个重要结果：包形水合物的形成； 蛋白质中的疏水相互作用。 包形水合物、包形水合物是冰这样的化合物，其中的水是“主体”的物质，通过氢键形成包形结构，物理上将无极性物质封闭在包内，将封闭的物质称为“对象”，通常“主体”由20-74个水分子构成，“对象”是低分子量化合物，典型的是低分子量烃， 有稀有气体、卤代烃等的“主体”水分子与“对象”分子的相互作用一般是弱范德华力，但有时是静电相互作用。疏水相互作用、水与非极性基团接触时，为了减少水与非极性实体的界面面积，疏水基团之间会合的作用称为疏水相互作用。 这是热力学有利的过程，疏水和的部分逆转疏水相互作用是维持蛋白质三级结构的重要因素。水与溶质的相互作用总结如下：2.3食品中水的存在状态，2.3.2食品中水的存在形式，如前所述食品中水分子与非水物质相互作用，根据其相互作用的性质和程度可将食品中水分类如下。结合水、结合水(boundwater )也称为结束水或固定水(immobilizedwater )。 通常存在于溶质或其他非水成分附近，指与溶质分子间通过化学键的力结合的水的部分，同一体系中的相和水具有显着不同的性质，例如显示出低流动性，在-40下不结冰，不能作为添加溶质的溶剂等； 根据键合强度的不同，可分为键合水(compoundwater )、相邻水(vicinalwater )和多层水(multilayerwater )三种类型。 化合水：或组成水是指与非水物质最牢固地结合而构成非水物质组成的水，例如化学水合物中的水。 化合水的性质：与没有溶解在40下不结冰的溶质的能力的纯水相比，分子的平均运动不能被0的微生物利用。 另外，相邻水：是与非水成分中的亲水性基团的周围结合的第一层水，与离子或离子基团结合的水是结合最强的相邻水。 主要结合力用于水离子和水偶极子结合，其次是水与溶质之间的氢键。 相邻水的性质：-40下没有溶解不冻溶质的能力的纯水相比，分子的平均运动大幅度减少，不能被微生物利用，很难引起食品的腐败和变质。 另外，多层水：是指位于上述第一层的剩馀位置的水和相邻水所形成的若干水层，其形成主要是通过水和水溶质间氢键形成的。 多层水的性质：多数多层水在-40下不结冰，其馀结冰，但与具有溶解冰点下大幅度降低的溶质能力的纯水相比，分子的平均运动不能被大幅度降低的微生物利用。结合水、块状水、块状水(bulkwater )可以指被称为自由水(freewater )食品中的结合水以外的水，但溶解冰点以下的溶质的能力强，干燥时接近纯水分子的平均运动，适合于容易除去的微生物的生长和许多化学反应， 所谓块状水、滞水(或未流动的水)是指组织中的显微结构和亚显微结构与被膜夹着的水，所谓食品中有凝胶或细胞结构时有滞水的毛细管水， 在生物组织的细胞间隙和食品结构组织中，由毛细管力捕获的水，在生物组织中也称为细胞间水，其物理化学性质与滞留水相同，自由流动的水是指动物血浆