第二章 水 分

1、第二章第二章 水水 分分Water2本本章章主主要要内内容容水分活度与食品稳定性水分活度与食品稳定性水和冰的物理特性水和冰的物理特性食品中水的存在状态食品中水的存在状态水分活度水分活度水分活度和等温吸湿曲线水分活度和等温吸湿曲线引言引言分子流动性与食品稳定性分子流动性与食品稳定性水是食品中非水是食品中非 常重要的一常重要的一种成分，也是构成大多数食种成分，也是构成大多数食品的主要组分，每种食品都品的主要组分，每种食品都有其特定的含水量。有其特定的含水量。水是唯一的以三种物水是唯一的以三种物理状态广泛存在的物理状态广泛存在的物质。质。第一节第一节 引引 言言4一、食品中的水分含量一、食品中的水分

2、含量面 粉 、 粗 燕 麦 粉 、 粗 面 粉 1013 乳 制 品 奶 油 15 山 羊 奶 87 奶 酪 （ 含 水 量 与 品 种 有 关 ） 4075 奶 粉 4 冰 淇 淋 65 人 造 奶 油 15 焙 烤 食 品 面 包 3545 饼 干 58 馅 饼 4359 糖 及 其 制 品 蜂 蜜 20 果 冻 、 果 酱 35 蔗 糖 、 硬 糖 、 纯 巧 克 力 1 6水在水在食品加工食品加工方面的功能方面的功能食品理化性质：食品理化性质：起着溶解、分散蛋白质、起着溶解、分散蛋白质、淀粉等水溶性成分的作用淀粉等水溶性成分的作用 食品质地方面：食品质地方面：对食品的新鲜度、硬度、对食

3、品的新鲜度、硬度、风味、流动性、色泽、耐风味、流动性、色泽、耐贮性和加工适应性有影响贮性和加工适应性有影响食品安全性：食品安全性：水是微生物繁殖的必需条件水是微生物繁殖的必需条件食品工艺角度：食品工艺角度：水起着膨润、浸透、均匀水起着膨润、浸透、均匀 化等功能；化等功能；大多数食品加工的大多数食品加工的单元操单元操 作作都与水有关，如干燥、都与水有关，如干燥、 浓缩、冷冻、水的固定等浓缩、冷冻、水的固定等二、水的重要功能二、水的重要功能7第二节第二节 水和冰的结构与性质水和冰的结构与性质单个水分子的结构特征H2O分子的四面体结构有对称型分子的四面体结构有对称型H-O共价键有离子性共价键有离子性

4、氧的另外两对孤对电子有静电斥力氧的另外两对孤对电子有静电斥力水分子是偶极分子水分子是偶极分子101. H-O1. H-O键间电荷的非对称键间电荷的非对称分布使分布使H-OH-O键具有极性键具有极性, ,这种极性使分子之间产这种极性使分子之间产生引力生引力. .2. 2. 由于每个水分子具有数由于每个水分子具有数目相等的氢键供体和受目相等的氢键供体和受体体, ,因此可以在三维空间因此可以在三维空间形成多重氢键形成多重氢键. .氢键供体氢键供体氢键受体氢键受体氢键供体氢键供体氢键供体氢键供体氢键受体氢键受体氢键受体氢键受体2. 水分子的缔合水分子的缔合Association of water mo

5、lecules水的三维空间结构水的三维空间结构121314 升 华 焓 （ 0 ） 50.91kJ(12.16kcal)/mol 温 度 其 他 性 质 20 0 0 （ 冰 ） -20 密 度 /(g/cm3) 0.99821 0.99984 0.9168 0.9193 粘 度 /(Pa s) 1.002 10-3 1.793 10-3 表 面 张 力 (空 气 -水 界 面 )/(N/m) 72.75 10-3 75.64 10-3 蒸 汽 压 /kPa 2.3388 0.6113 0.6113 0.103 比 热 容 /J/(g K) 4.1818 4.2176 2.1009 1.954

6、4 热 导 率 (液 体 )/W/(m K) 0.5984 0.5610 2.240 2.433 热 扩 散 /(m2/s) 1.4 10-7 1.3 10-7 11.7 10-7 1.8 10-7 介 电 常 数 80.20 87.90 90 98 三、水和冰的物理性质三、水和冰的物理性质水与冰比较水与冰比较 水的密度高于冰；冰的导热值、热扩散率等明显大于水。水的密度高于冰；冰的导热值、热扩散率等明显大于水。15四、冰在食品稳定性中的作用n冻结点冻结点（freezing pointfreezing point） 随着温度的降低，食随着温度的降低，食品中冰晶开始出现时的温度，又称品中冰晶开始出

7、现时的温度，又称食品的冰点食品的冰点。n食品冻结的实质是水分的冻结。食品冻结的实质是水分的冻结。n水的冰点是0，食品中水分不是纯水。nRaoult稀溶液定律：Tf=KfbB， Kf为与溶剂有关的常数，水为1.86。即质量摩尔浓度每增加1 mol/kg，冻结点就会下降1.86。因此食品物料要降到0以下才产生冰晶，bB摩尔质量浓度（mol/kg)。16 表表3-7：几几种种常常见见食食品品的的冻冻结结点点品种 冻结点（）含水率（%）品种 冻结点（）含水率（%）牛肉-0.6 -1.771.6葡萄-2.281.5猪肉-2.860苹果-287.9鱼肉 -0.6 -27085青豆 -1.173.4牛奶 -

8、0.588.6橘子 -2.288.1蛋白-0.4589香蕉-3.475.5蛋黄-0.6549.5n温度-55-65左右，食品内水分全部冻结，此温度称为共晶点，也叫共熔点。 n在-18 -30时，食品中绝大部分水分已冻结，能够达到冻藏的要求。低温冷库的贮藏温度一般为-18 -25。n冻结率：冻结终了时食品内水分的冻结量（%），又称结冰率K=100（1TD/TF）TD和TF分别为食品的冻结点及其冻结终了温度18冻结率与温度关系曲线表表3-8 一一些些食食品品的的冻冻结结率率（%） 温度/C食品-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-12.5 -15-18肉类，禽类0-25 52-60 67-7

9、3 72-77 75-80 77-82 79-84 80-85 81-86 82-87 85-89 87-90 89-91鱼类0-45 0-6832-77 45-82 848587899091929395蛋类，菜类607884.5818990.591.592939494.59595.5乳456877828485.58788.589.590.59293.595西红柿3060707680828485.58788899091苹果,梨,土豆003245535862656870747880大豆，萝卜028505864.5687173757780.58384橙,柠檬,葡萄00203241485458.56

10、2.569727576葱，豌豆1050657175777980.58283.58687.589樱桃000203240475255.55863677120 在低温介质中，随着冻结的进行，食品的温度逐渐下降。冻结曲线表示了冻结过程中温度随时间的变化。 过冷现象，过冷临界温度。 各种食品的过冷温度并不相同，如禽、肉、鱼为-45，牛奶为-56，蛋类为-1113。冻结曲线212223 冻结速度对食品质量的影响24降温速率与冰晶25红色水的冻结2627n食品的温度从食品的冻结点降低至-5左右，这时食品中的大部分水结成冰，放出大量的潜热 所谓的速冻就是以最快的速冻通过冰晶带。食品冻结应以最快的速度通过最大冰

11、晶生成带。28第三节第三节 食品中水的存在状态食品中水的存在状态一、水与溶质的相互作用一、水与溶质的相互作用293031水能与蛋白质、淀粉、果胶等中某些基团，例如羟基、氨水能与蛋白质、淀粉、果胶等中某些基团，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。基、羰基、酰氨基和亚氨基等极性基团，发生氢键键合。3233343536疏水水合（A)与疏水相互作用（B)37383940二、食品中水的存在状态二、食品中水的存在状态41食品中不同状态的水性质比较42第四节 水分活度43 注意：注意： A 水分活度的物理意义是表征生物组织和食品中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

12、理作用的水分含量与总含水量的能参与各种生理作用的水分含量与总含水量的定量关系。定量关系。应用应用aw=ERH/100时必须注意时必须注意:aw是样品的内在品质是样品的内在品质,而而ERH是与样品中的水蒸是与样品中的水蒸气平衡时的大气性质；气平衡时的大气性质；B 仅当食品与其环境达到平衡时才能应用。仅当食品与其环境达到平衡时才能应用。3.3.水分活度的测定方法水分活度的测定方法将将已知含水量的样品置于恒温密闭小容器中已知含水量的样品置于恒温密闭小容器中,使其使其达到平衡达到平衡,然后用电子或湿度测定仪测样品和环境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空气的平衡相对湿度,即可得即可得

13、aw.100wERHa4647二、水分活度与温度的关系二、水分活度与温度的关系 测定样品水活性时，必须标明温度，因为测定样品水活性时，必须标明温度，因为aW值随值随温度而改变。经修改的克劳修斯温度而改变。经修改的克劳修斯-科拉伯龙（科拉伯龙（Clausius-Clapeyron）方程，精确地表示）方程，精确地表示aW对温度的相依性。对温度的相依性。式中：式中：T,绝对温度；绝对温度；R，气体常数；，气体常数；H,样品中水分样品中水分的等含量净吸着热。上式过整理，符合广义的直线方的等含量净吸着热。上式过整理，符合广义的直线方程。显然，以程。显然，以lnaW对对1/T作图（当水分含量一定时）作图（

14、当水分含量一定时）应该是一条直线。应该是一条直线。 aw=-kH/R（1/T）RHKTdAwd)/1 (ln4849冰点以下水分活度与温度的关系冰点以下水分活度与温度的关系P P ff ff 部分冷冻食品中水的分压部分冷冻食品中水的分压P P0 0（scwscw） 相同温度下纯的过冷水的蒸汽压相同温度下纯的过冷水的蒸汽压P P0 0（iceice） 纯冰的蒸汽压。纯冰的蒸汽压。 基于冷冻食品中水的分压等于相同温度下冰基于冷冻食品中水的分压等于相同温度下冰的蒸汽压。的蒸汽压。)(0)(0SCWiceSCWffPPPPAw50高于或低于冻结温度时样品的水活性和温度之间的关系高于或低于冻结温度时样品

15、的水活性和温度之间的关系(1)(1)在冰点以下的温在冰点以下的温度呈线性关系。度呈线性关系。(2)(2)湿度对冰点以下湿度对冰点以下的的a aw w的影响一般远远的影响一般远远超过对冰点以上的超过对冰点以上的a aw w的影响。的影响。(3) (3) 该图在样品的冰该图在样品的冰点处不连续并产生急点处不连续并产生急剧的转折。剧的转折。 51高于和低于冻结温度下高于和低于冻结温度下awaw的重要差别的重要差别n在冰点以上，在冰点以上，AwAw是样品组成与温度的函数，前者是样品组成与温度的函数，前者是主要的因素是主要的因素; ;在冰点以下，在冰点以下，AwAw与样品的组成无关，与样品的组成无关，而

16、仅与温度有关，即冰相存在时，而仅与温度有关，即冰相存在时， AwAw不受所存在不受所存在的溶质的种类或比例的影响，不能根据的溶质的种类或比例的影响，不能根据Aw Aw 预测受预测受溶质影响的反应过程。溶质影响的反应过程。 n不能根据冰点以下温度不能根据冰点以下温度AwAw预测冰点以上温度的预测冰点以上温度的Aw Aw n当温度改变到形成冰或熔化冰时，就食品稳定性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。而言，水分活度的意义也改变了。在在-15的产品的产品中中(aw为为0.86)，微生物不再生长，而且化学反应缓，微生物不再生长，而且化学反应缓慢进行；但是在慢进行；但

17、是在20与与aw 为为0.86时，一些化学反时，一些化学反应将快速进行，一些微生物将以中等速度生长应将快速进行，一些微生物将以中等速度生长52三、水分吸湿等温线三、水分吸湿等温线Moisture Sorption Isotherms5354MSIMSI的实际意义的实际意义 由于水的转移程度与由于水的转移程度与aw有关有关,从从MSI图可图可 以看出食品脱水的难易程度。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。不同物料间的转移。 据据MSI可预测含水量对食品稳定性的影响。可预测含水量对食品稳定性的影响。从从MSI还可看出

18、食品中非水组分与水结合还可看出食品中非水组分与水结合能力的强弱。能力的强弱。55565758MSI上不同区水分特性上不同区水分特性59吸湿等温线与温度的关系60四、滞后现象Hysteresis61626364656667二、二、Enzymatic Changes Aw Awr 低低Aw(0.25-0.3)，不反应，不反应Several enzymatic changes do not occur at low aw (0.25-0.3)v diffusional limitationsv low molecular mobility does not allow enzyme and subs

19、trate rearrangements68(1) Aw： 0-0.33范围内范围内n随随Aw,反应速度反应速度n过分干燥，食品稳定性过分干燥，食品稳定性下降下降 三、三、Lipid oxidationAw原因原因 : :水覆盖了可氧化部位，阻止与氧接水覆盖了可氧化部位，阻止与氧接触。触。水与脂类氧化生成的氢过氧化物以水与脂类氧化生成的氢过氧化物以氢键结合氢键结合, ,保护氢过氧化物的分解保护氢过氧化物的分解, ,阻止氧化进行阻止氧化进行水与金属离子水合水与金属离子水合, ,降低了催化性降低了催化性69(2) Aw：0.33-0.73范范围内围内n随随Aw,反应速度反应速度三、三、 Lipid

20、 oxidationAw 原因原因 : :u 水中溶解氧增加水中溶解氧增加u 大分子物质肿胀大分子物质肿胀, ,活性位活性位 点暴露加速脂类氧化点暴露加速脂类氧化u 催化剂和氧的流动性增加催化剂和氧的流动性增加7071727374 分子流动性（molecular mobility, Mm）：是分子的旋转移动和平动移动性的总度量。 Mm主要受水合作用的大小及温度高低的影响。第六节 分子流动性与食品稳定性75（一）关于玻璃化的基本概念 1. 玻璃态、橡胶态和黏流态 晶态和非晶态(non-crystalline, amorphous) :当温度降低时，液态转变为固态，可以有两种不同的状态晶态和非晶态

21、。在非晶态固体材料中，原子、离子或分子的排列是无规则的。 玻璃态：无定型聚合物在较低的温度下，分子热运动能量很低，只有较小的运动单元，如测基、支链和链节能够运动，而分子链和链段均处于冻结状态，这时聚合物表现出来的状态表现出来的力学状态与玻璃相似。 习惯将融化物质在冷却过程中不发生结晶的无机物质称为玻璃(glass)，所以后来逐渐扩大地将其它非晶态均称为玻璃态(glassy)。76 玻璃态的特征：物体的自由体积非常小，分子流动阻力非常大，使体系具有极高的黏度，通常高于1012pas，体系中分子的扩散速率就非常小，分子间相互接触和发生反应的速率非常小。 食品处于玻璃态下不易发生化学反应，不易变质腐败。77 橡胶态：处于玻璃态的无定型聚合物随着温度的升高至某一温度时，链段受到激发，但整个分子仍处于束缚状态，在受外力作用时，能够表现出较大的形变，当外力解除时，形变可以恢复，这种状态称为高弹态。 黏流态：温度继续升高，不仅链段可以运动，整个分子链都可以运动，无定型聚合物表现出黏性流动的状态。状态图78792. 食品的玻璃化 使食品形成玻璃化的过程就是食品的玻璃化，它是在一定的温度范围内将非晶体固体物质转变成高黏性液体状态或者将非晶体水溶液转变成高黏性液体状态的一个二级相变过程。 该相变过程仅涉及显热的变化，而不涉及潜热的变化。803. 玻璃化过程n将新鲜食品的温度降低到冰点以下，就会有冰