食品化学第二

1、第二章水Water2水分活度与食品稳定性水分活度和等温吸湿曲线水-溶质的相互作用食品中水的存在状态水与冰的结构与性质本章主要内容水在食品中的含量及作用Contents主要食品的水分含量Ø 蔬菜含水量在70%以上;¾水果、液态乳含水量在80%以上；Ø 肉类含水量在50%以上；¾面包和馒头含水量在40%左右；Ø 米和面含水量在12%左右;Ø 饼干、糖果、奶粉等食品的含水量在8%以下。3食品水分含量%肉、生的分割瘦肉牛肉、生的零售部分鸡肉、各种级别的去皮生肉鱼、肌肉蛋白质53-6050-707465-81水果浆果、樱桃、梨苹果、桃子、桔子、

2、葡萄柚草莓、番茄80-8585-9090-95蔬菜青豌豆甜菜、茎椰菜、胡萝卜、马铃薯芦笋、青豆、卷心菜74-8085-9090-95谷物食品面包、馒头小麦粉35-4512-14大米122.1 水在食品中的含量及作用食品理化性质食品质构方面食品安全性4水在食品品质方面的作用食品工艺¾水起着膨润、浸透、均匀化等功能；¾大多数的单元操作都与水有关，如干燥、浓缩、冷冻、水的固定等水是微生物繁殖的必需条件对食品的新鲜度、硬度、风味、 性、色泽、耐贮性和 适应性有影响起着溶解、分散蛋白质、淀粉等水溶性成分的作用2.1 水在食品中的含量及作用水是良好的溶剂；水是体内物质的载体；水是维持体

3、温的载温体；水是体内摩擦的润滑剂；5水在食品生物学方面的作用水为生物化学反应提供一个必须的物理环境2.1 水在食品中的含量及作用水的结构Structure of waterØ 氧原子的4个杂化轨道: 1S2 2px22py 2pz22Ø 由于氧的高电负性，O-H共价键具有部分离子特征62.2 水和冰的结构与性质7水异常的物理性质6、粘度正常5、密度低，凝固时的异常膨胀率;4、热容和相转变热焓高；熔化热、蒸发热和升华热3、表面张力高；2、介电常数大；1、高熔点, 高沸点;2.2 水和冰的结构与性质水的缔合Association of water molecules氢键供体&#

4、216; H-O键间电荷的非对称分布使H-O键具有极性，这种极性使力。Ø 由于每个水之间产生引氢键受体具有数目相等的氢键供体和受体，因此可以在三多重氢键。形成82.2 水和冰的结构与性质冰的结构Structure of ice¾冰有多种晶型，在一般情况下形成正六方形对称结构冰晶。六方冰晶形成条件：¾在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻;¾溶质的性质及浓度均不严重干扰水的迁移。92.2 水和冰的结构与性质1011食品中水的存在状态2.3 食品中水的存在状态自由水体相水截留水水水结合水多层水12以氢邻键近结水合力结合的水；以毛细管力结合的水；2.3 食品中水的存在

5、状态Water is an integral part of a nonaqueous constituents.Ø 在-40下不结冰Ø 无溶解溶质的能力Ø 与纯水比较平均运动为0Ø 不能被微生物利用13水Constitutional water2.3 食品中水的存在状态Water that strongly interacts with specific hydrophilic sites of nonaqueous constituents by water-ion and water-dipole associationsØ 在-40下不

6、结冰Ø 无溶解溶质的能力Ø 与纯水比较平均运动大大减少Ø 不能被微生物利用此种水很稳定，不易引起食品的变质。结合力是结合力是水离子和水偶极缔合作用14水Vicinal water2.3 食品中水的存在状态water that occupies remaining first-layer sites and forms several additional layers around hydrophilic groups of nonaqueous constituents; water-water and water-solutehydrogen bonds pr

7、edominate.Ø 大多数多层水在-40下不结冰，其余可结冰，但冰点大大降低。Ø 有一定溶解溶质的能力。Ø 与纯水比较平均运动大大降低。Ø 不能被微生物利用v 结合力是水水和水溶质间的氢键15多层水Multilayer water2.3 食品中水的存在状态water that occupies positions furthest removedfrom nonaqueous constituents.Ø 能结冰，但冰点有所下降；Ø 溶解溶质的能力强，干燥时易被除去；Ø 与纯水平均运动接近；Ø 很适于微生物生长

8、和大多数化学反应，易引起食品的变质，与食品的风味及功能性紧密相关。16体相水Bulk-phase water2.3 食品中水的存在状态17小结：2.3 食品中水的存在状态Ø 纯水以氢键结连续结构，而如果在水中加入其他物质，水的原有结构将受到影响，发生水-溶质相互作用。Ø 包括几种情况：离子与水的相互作用亲水极性化合物与水的相互作用疏水物质与水的相互作用182.4 水-溶质的相互作用水与溶质相互作用的分类19种 类实例相互作用的强度与水-水氢键比较偶极-离子H2O-游离离子较强 H2O-有机上的带电基团H2O-蛋白质 NH偶极-偶极H2O-蛋白质 CO近乎相等 H2O-侧链

9、OH疏水水合H2O + R®R（水合）远低(G0)疏水相互作用R(水合)+R(水合)®R2(水合)+H2O 不可比较(G0)2.4 水-溶质的相互作用I .水与离子和离子基团的相互作用Ø 水具有偶极，可以和离子发生水合作用。由于离子和水的结合能力高于氢键键能，水优先与离子结合。Ø 在所产生的离子水合物当中，水离子周围，失去自由移动的能力。被严密地在Ø 离子水合物当中的水不能结冰，不能蒸发，不能成为溶剂，表现和固体一样。202.4 水-溶质的相互作用水与离子化合物通过离子-偶极作用结合21II. 水与极性基团的相互作用Ø 蛋白质、淀粉、

10、膳食以与水通过氢键而结合。Ø 不同极性基团与水的结合能力不同，其中未解离-NH2和-COOH结合力最强，-OH和 -CONH-等基团结合力稍逊。等具有极性基团的物质都可Ø 这些物质周围以氢键结合的水称为“水”，对维持大构象十分重要。222.4 水-溶质的相互作用一些单糖和双糖结合水的能力单糖结合水量一般为0.20.4mg/g干重23糖种类mol/OHmL/g木糖0.580.28糖0.890.42果糖0.760.38葡萄糖0.700.35蔗糖0.480.20麦芽糖0.630.22III. 水与非极性基团的相互作用Ø 脂肪酸、非极性氨基酸等物质中的非极性基团与水分子产

11、生排斥作用，可增强周围水之间的氢键结合力，称为“疏水水合作用”。一些疏水小形成“笼状水合物”。Ø 非极性物质之间倾向于彼此结合以减少与水的接触表面，称为“疏水相互作用”。它是维持蛋白质三级结构的重要力量之一。的进入可242.4 水-溶质的相互作用疏水水合作用（hydrophobic hydration）向水中添加疏水物质时，由于它们与水产生斥力，从而使疏水基团附近的水疏水水合。之间的氢键键合增强，使得熵减小，此过程称为H2ORR(水合)疏水相互作用（hydrophobic interaction）当水与非极性基团接触时，为减少水与非极性实体的界面面积， 疏水基团之间进行缔合，这种作用

12、称为疏水相互作用。R(水合)R(水合)R2(水合)H2O25球状蛋白质的疏水相互作用26Water activity and Moisture Sorption Isotherms食品的水分含量食品的Ø 存在相关性Ø 但发现水分含量相同，性性显著不同Ø 水分含量不是一个水分活度AwØ 水与非水成分缔合强度上的差别Ø 比水分含量更可靠，也并非完全可靠Ø 与微生物生长和许多降解反应具有相关性性的可靠指标27Introduction2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Iso

13、therms28Introduction2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isothermsf 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,相对蒸汽压29Aw »ppoAw =p pof»pf0poAw =f f01.Water activity(Aw)的定义2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms水分活度(water activity)食品中水的蒸汽压与该温度下纯水的饱

14、和蒸汽压的比值,可用下式表示:30Aw =p po1.Water activity(Aw)的定义2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption IsothermsAw与环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关¾Aw是样品的内在品质，ERH是与样品平衡的大气的性质¾仅当与环境达到平衡时，关系式才能成立31ERH (Equlibrium Relative Humidity)=Awp=ERH=N=n1p0100n 1+n22.5 水分活度与等温吸湿曲线Aw测定方法n 密闭容器达到表观平衡后测定n 根据冰点下降测定RVPn 根据干

15、、湿球温度计，查表读RVPn 康维皿法和水分活度仪法n 测定的精确性为±0.02或相对湿度32Water activity and Moisture Sorption IsothermsØ 水分含量相同，温度不同，Aw不同;Ø Clausius-Clapeyron公式.T: 绝对温度R: 气体常数DH: 纯水的汽化潜热，是常数，其值为40537.2J/molK: 达到同样水蒸汽压时食品温度比纯水温度高出的比值33ln A= - DH * k * 1wRTd ln Aw = - KDH d (1/ T )R2. 水分活度与温度的关系2.5 水分活度与等温吸湿曲线ln

16、Aw1/T上述关系是：在一定的水分含量范围内：lnAw与1/T是一种线性关系。从作图得到如下结论：A:从水分含量4%到25%，Aw与温度（550）关系为直线；B:含水量相等时，温度越高， Aw越大。342. 水分活度与温度的关系2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms¾在冰点以下也是线性的¾温度对Aw的影响冰点以下冰点以上¾冰点时直线出现明显的折断352. 水分活度与温度的关系2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Is

17、otherms冰点以下食品的Aw)Pff部分冻结食品中水的分压纯的过冷水的蒸汽压的蒸汽压n P0 (scw)n P(ice)36Aw=Pff= Pice0 P(SCW)P 0SC(W2.水分活度与温度的关系2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms比较冰点以上和冰点以下Aw:)Ø 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;Ø 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受溶质影响的反应过程;Ø 不

18、能根据冰点以下温度Aw冰点以上温度的Aw ;Ø 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。37Aw=p p oAw =Pice P0(SCW2.水分活度与温度的关系2.5 水分活度与等温吸湿曲线思考题n 1. 非冻结物料中的水分活度与哪些因素有关？a.与温度有关，b.与水分含量和其他组分有关，c. 与水分和其他组分无关。n 2. 冻结物料中的水分活度与哪些因素有关？a.只与温度有关，b.与水分含量和其他组分有关，c.与水分和其他组分无关。38Water activity and Moisture Sorption Isotherms水分吸附等温线 (Mo

19、isture sorption isotherms,MSI)，在恒定温度下，使食品吸湿或干燥，所得到的食品水分含量（每克干物质中水的质量）与Aw的关系曲线。MSI的实际意义:1、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。2、据MSI可含水量对食品稳定性的影响。3、从MSI还可看出食品中非水组分与水结合能力的强弱。393.等温吸湿曲线的定义2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption IsothermsØ 从正常至干燥的整个水分含量范围40高水分食品的

20、MSI2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption IsothermsØ 加水回吸时，试样的组成从区（干）移至区（高水分）;Ø 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）41低水分食品的MSI2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms¾水和邻近水Ø 吸附性最强烈¾性Ø 水-离子或水-偶极相互作用Ø 在-40不结冰Ø 不能作为溶剂Ø 看作固体的一部分Ø

21、; 占总水量极小部分42区的水的性质2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption IsothermsØ 区和接界;Ø 0.07g H2O/ g干物质;Ø Aw =0.2 ;Ø 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43BET单层2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption IsothermsØ 多层水;Ø 通过氢键与相邻的水缔合;和溶质¾性比体相水稍差;Ø 大部分在-40不结冰 ;&#

22、216; 导致固体基质的初步肿胀;Ø 区和区的水占总水分的5%以下。44区的水的性质：2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption IsothermsØ 区和接界；Ø 0.38g H2O/ g干物质；Ø Aw =0.85 ；Ø 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。45真实单层2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption IsothermsØ 体相水；Ø 被物理截留或自由的；Ø

23、; 宏观运动受阻；Ø 性质与稀盐溶液中的水类似；Ø 占总水分的95%以上46区III的水的性质2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms多层水邻近水真实单层BET472.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms48小结2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isothermsv 水合过程开始时存在于干蛋白质中的水被假设为区）水（v 水首先吸收在离子化、羧基

24、和氨基酸侧链部位（A 区）v 水的进一步吸收导致较小吸收 部位（蛋白质主链的酰胺羰基）的逐渐水合（B 区）49溶菌酶水合作用2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms50BET单层值的意义2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms+c -Aw11=Aw(1-Aw)mm1c c1AwAw 对)Aw作图应得到一条直线，称为BET直线(1-m51n Aw：水分活度n m:水含量(H2Og/g干物质)n m1：单层值n C:常数BET单层值的计

25、算2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms1BET单层值= m =1y截距+ 斜率1m = 0.088（g H2O/g 干物质）10.6 +10.752BET单层值的计算2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms53不同食品类型的MSI2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption IsothermsØ 水分含量一定T，AwØ Aw一定T，水分含量544. M

26、SI与温度的关系2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms回吸：把水加到干的样品中解吸：先使样品吸水饱和，再干燥滞后现象（Hysteresis）：回吸与解吸所得的等温线不重叠现象即为“滞后现象”（Hysteresis）。555.滞后现象（Hysteresis）2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms滞后环® 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&#

27、216; 食品品种Ø 温度Ø 过程中食品组分发生的物理变化Ø 解吸过程中水脱去的速率及程度565.滞后现象（Hysteresis）2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms空气干燥苹果Ø 总的滞后现象明显；Ø 滞后出现在单域；Ø Aw0.65时，不存在滞后层水区57高糖-高果胶食品滞后环的形状食品品种2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms冷冻干燥熟Ø Aw0.85

28、开始出现滞后Ø 滞后不严重Ø 回吸和解吸等温线均保持S形58高蛋白食品滞后环的形状食品品种2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms冷冻干燥大米Ø 存在大的滞后环Ø Aw=0.70时最严重59淀粉质食品滞后环的形状食品品种2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Moisture Sorption Isotherms² TØ 滞后程度减轻滞后的Aw起始点Ø 滞后环在等温线上的跨度² 纯蛋白（BSA）滞后现象与T

29、无关60滞后环的形状温度2.5 水分活度与等温吸湿曲线612.5 水分活度与等温吸湿曲线n 鸡肉和Aw=0.750.84，解吸时脂肪氧化速度高于回吸Ø Aw一定，解吸样品的水分高于回吸Ø 高水分样品粘度低，催化剂肿胀使催化部位Ø 氧的扩散系数提高性好，基质的微生物生长，解吸方法比回吸方品时要达到更低的Aw备样62滞后现象的现实意义2.5 水分活度与等温吸湿曲线Water activity and Food StabilityØ Stability of low- and intermediate moisture foodsØ (IMF) is

30、 dependent on water content and water activityØ Stability is often maintained belowthe monolayer water content632.6 水分活度与食品稳定性Water activity and Food Stability从右图可知：¾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。¾对多数食品而言,低Aw有利于食品的稳定性。¾首次出现最低反应速度时水分含量相当于“BET”水分 含量。642.6 水分活度与食品稳定性651.Mi

31、crobiological stability Awn Microorganisms may grow above a given, food material specific water contentn Microorganisms do not grow at low water activitiesn Growth of microorganisms may occur in intermediate moisture foods2.6 水分活度与食品稳定性Water activity and Food StabilityØ 首次出现最低反应速度时的水分含量相当于“BET”

32、水分含量Ø 一般情况，Aw，反应速度Aw662.Enzymatic changes Aw2.6 水分活度与食品稳定性Water activity and Food Stability低Aw(0.25-0.3)，不反应脂肪氧合酶例外，Aw=0.10.5仍保持其活性67Several enzymatic changes do not occur at low aw (0.25-0.3)v diffusional limitationsv low molecular mobility does not allow enzyme and substrate rearrangementsAwE

33、nzymatic Changes Aw2.6 水分活度与食品稳定性Water activity and Food Stability(1) Aw： 0-0.33范围内Ø 随Aw,反应速度Ø 过分干燥，食品稳定性下降68:水与脂类氧化生成的氢过氧化物以氢键结合,妨碍氢过氧化物的分解,氧化进行水与金属离子水合,降低了催化活性Aw3. Lipid oxidation Aw2.6 水分活度与食品稳定性Water activity and Food Stability(2) Aw：0.33-0.73范围内Ø 随Aw,反应速度:u 水中溶解氧增加u 大物质肿胀,活性位点脂类氧

34、化Awu 催化剂和氧的性增加693. Lipid oxidation Aw2.6 水分活度与食品稳定性Water activity and Food Stability(3) Aw 0.8Ø 随Aw,反应速度增加很缓慢Aw70:u 催化剂和反应物被稀释, 阻滞氧化3. Lipid oxidation Aw2.6 水分活度与食品稳定性Water activity and Food Stability¾非酶褐变反应可发生在中、低水分含量的食品中Aw71v Non-enzymatic browning (Maillard reaction, caramelization) rea

35、ctions may occur in most low and intermediate moisture foods4.Non-Enzymatic Browning Aw2.6 水分活度与食品稳定性Water activity and Food StabilityØ 低Aw(0.2)，反应速度极低或不反应72Non-enzymatic browning is extremely low or does not occur at low Aw(0.2)v slow molecular motionsv production of water in the reaction may

36、enhance browningAw4.Non-Enzymatic Browning Aw2.6 水分活度与食品稳定性Water activity and Food Stability中等Aw水应速度最高;¾¾水是一个产物，水含量继续增加，会稀释中间产物的浓度，导致产物抑制作用73v The rate of the reaction increases rapidly above a critical water activityv The rate is highest at intermediate Aw(0.6-0.7)v at high water contents

37、, reactants are diluted and the rate of reaction decreasesAw4.Non-Enzymatic Browning Aw2.6 水分活度与食品稳定性Water activity and Food Stabilityv increasing water content often increases the rate of destroy of protein structure ® Protein denaturev Protein denature occur slowly at low water contents (4%)v

38、 Protein denature does not occur when water content below 2%:u 水分能使蛋白质膨润,体积增大,蛋白质的高级结构被破坏,Aw的增大会蛋白质高级结构的破坏程度；蛋白质的高级结构被破坏,导致其变性.745. Protein Denature Aw2.6 水分活度与食品稳定性Water activity and Food Stabilityv Starch staling occur rapidly in water content of 30%-60%.v Starch staling does not occur when water

39、content decrease to 10%-15%.u 食品在较高含水量（30-60%)的情况下,淀粉老化速度最快;u 如果降低含水量,则老化速度减慢,若含水量降至于10%-15%,则食品中水分多呈结合态,淀粉几乎不发生老化.756. Starch Staling Aw2.6 水分活度与食品稳定性Water activity and Food Stability76v Loss of volatiles, flavours and aroma may result from structural changes and crystallization of component compounds as encapsulated compoundsare released.v Volatile compounds oftene encapsulated in food matrices at low watevit