食品化学水本科市公开课获奖课件

1、水WATER1第1页第1页引 言水主要功效水是最普遍存在组分，占50%90%；为生物化学反应提供一个物理环境；代谢所需营养成份和反应产物载体；是其它食品组分溶剂。第2页第2页水与食品加工理解水在食品中存在形式是掌握食品加工和保藏技术原理基础。决定食品市场品质，是食品法定原则。大多数食品加工单元操作都与水相关： 干燥、浓缩、冷冻、水固定复水、解冻第3页第3页第一节 水和冰物理性质 第4页第4页食品含水量食品含水量%食品含水量%肉类 猪肉 牛肉（碎块） 鸡肉 鱼（肌肉）水果 香蕉 梨、葡萄、樱桃 苹果、桃、橘 草莓、椰子、杏蔬菜 青豌豆、甜玉米 甘蓝、马铃薯 芦笋、白菜、辣椒53-6050-707

2、465-817580-8585-9090-9574-8080-9090-95谷物 全粒谷物 面粉乳制品 奶油 羊奶 奶酪焙烤食品 面包 饼干糖制品 蜂蜜 果冻、果酱 砂、硬糖、巧克力10-1210-13158740-7535-455-82035 1第5页第5页基本物理性质高熔点（0）、高沸点（100）介电常数高表面张力高热容和相转变热焓高 熔化焓、蒸发焓、升华焓密度低（1 g/cm3）凝固时异常膨胀率粘度正常（1 cPas）第6页第6页水和冰物理常数（一）第7页第7页水和冰物理常数（二）第8页第8页第二节 水分子第9页第9页 从分子结构来看，水分子中氧6个价电子参与杂化，形成4个SP3杂化轨道

3、，两个氢原子靠近氧两个SP3成键轨道 (3，4)结合成两个共价键(含有40%离子特性)，即形成一个水分子，每个键离解能为4.614102KJ/mol (110.2kcal/mol)，氧两个定域分子轨道对称地定向在本来轨道轴周围，因此，它保持近似四周体结构。水分子结构第10页第10页水分子结构特性 单个水分子(气态)键角由于受到了氧未成键电子正确排斥作用，压缩为104.5，O-H 核间距0.96，氢和氧范德华半径分别为1.2 和1.4。 在纯净水中除含普通水分子外，还存在许多其它微量成份，如由16O和1H同位素17O、18O、2H和3H所构成水分子，共有18 种水分子同位素变体； 水中尚有离子微

4、粒如氢离子(以H3O+存在)和氢氧根离子，以及它们同位素变体，因此，事实上水中总共有33 种以上HOH化学变体。第11页第11页 水分子中氧原子电负性大，O-H键共用电子对强烈地偏向于氧原子一方，使每个氢原子带有部分正电荷且电子屏蔽最小，表现出裸质子特性。氢-氧成键轨道在水分子正四周体两个轴上，这两个轴代表正力线(氢键给体部)，氧原子两个孤对电子轨道位于正四周体另外两个轴上，它们代表负力线(氢键受体部位)，每个水分子最多能够与另外4 个水分子通过氢键结合。水分子结构特性第12页第12页冰结构冰是由水分子有序排列形成结晶。水分子之间靠氢键连接在一起形成非常稀疏(低密度)刚性结构，这一点已通过X-

5、射线、中子衍射、电子衍射、红外和拉曼光谱分析研究得到阐明。第13页第13页 最邻近水分子O-O 核间距为2.76，O-O-O 键角约为109，十分靠近抱负四周体键角10928。能够看出，每个水分子能够缔合另外4 个水分子即1，2，3 和W，形成四周体结构，因此配位数等于4。冰结构冰晶胞立体结构俯视结构第14页第14页第三节 水与溶质间作用第15页第15页几种名词 水结合(water binding)和水合作用(hydration) 是阐明水和亲水性物质缔合程度强弱。水结合或水合作用强弱，取决于体系中非水成份性质、盐构成、pH和温度等许多原因。 结合水(bound water) 结合水通常是指存

6、在于溶质或其它非水组分附近那部分水，它与同一体系中体相水比较，分子运动减小，并且使水其它性质明显地发生改变，比如在-40时不能结冰是其主要特性。 持水容量(waterholding capacity) 指基质分子(普通是指大分子化合物)截留大量水能力。比如，含果胶和淀粉凝胶食品以及动植物组织中少许有机物质能以物理方式截留大量水。第16页第16页食品中结合水化合水：水在复杂体系中，结合得最牢固，是构成非水物质构成这部分水，它只占高水分食品中总水分含量一小部分，比如，位于蛋白质空隙中或者作为化学水合物中水。- 40不结冰。邻近水：它是处于非水组分亲水性最强基团周围第一层位置，与离子或离子基团缔合水

7、是结合最紧密邻近水。是指水-离子和水-偶极缔合作用，与非水组分特定亲水位置发生强烈互相作用那部分水。当这类水达到最大含量时，能够在非水组分强亲水性基团周围形成单层水膜。这类水还包括直径0.1m 小毛细管中水。第17页第17页多层水：是指位于以上所说第一层剩余位置水和邻近水外层形成几种水层。尽管多层水不像邻近水那样牢固地结合，但仍然与非水组分结合得非常紧密，且性质也发生明显改变，因此与纯水性质也不相同。 主要是水-水和水-溶质形成氢键。食品中结合水第18页第18页水与离子和离子基团互相作用 与离子或有机分子 离子基团互相作用水是食品中结合得最紧密一部分水。由于水中添加可解离溶质，使纯水靠氢键键合

8、形成四周体排列正常结构遭到破坏。对于既不含有氢键受体又没有给体简朴无机离子，它们与水互相作用时仅仅是离子-偶极极性结合。第19页第19页 在稀盐溶液中，离子对水结构影响是不同： K+、Rb+ 、Cs+ 、NH4+ 、Cl-、Br-、I-、NO3-、BrO3-、IO3-和ClO4-等，含有破坏水网状结构效应，（电场强度较弱负离子和离子半径大正离子）它们妨碍水形成网状结构，这类盐溶液流动性比纯水更大。 Li+ 、Na+ 、H3O+ 、Ca2+ 、Ba2+ 、Mg2+ 、Al 3+ 、F-和OH-等（电场强度较强、离子半径小离子，或多价离子），它们有利于水形成网状结构，因此这类离子水溶液比纯水流动性

9、小。 从水正常结构来看，全部离子对水结构都起破坏作用，因为它们能制止水在0下结冰。不同离子基团对水作用第20页第20页 水与溶质之间氢键键合比水与离子之间互相作用弱。 氢键作用强度与水分子之间氢键相近。 与溶质氢键键合水，按其所在特定位置可分为化合 水或邻近水（第一层水），与体相水比较，它们流动性极小。 凡能够产生氢键键合溶质能够强化纯水结构，至少不会破坏这种结构。水与含有氢键键合能力中性基团互相作用第21页第21页 水还能与一些基团，比如羟基、氨基、羰基、酰氨基和亚氨基等极性基团，发生氢键键合。另外，在生物大分子两个部位或两个大分子之间可形成由几种水分子所构成“水桥”。第22页第22页 向水

10、中加入疏水性物质，比如烃、稀有气体及引入脂肪酸、氨基酸、蛋白质非极性基团，显然在热力学上是不利（G0）。由于它们与水分子产生斥力，从而使疏水基团附近水分子之间氢键键合增强。处于这种状态水与纯水结构相同，甚至比纯水结构更为有序，这是熵减小引起热力学上不利改变。 疏水互相作用（hydrophobic interaction） 非极性物质能和水形成笼形水合物 （clathrate hydrates）。水与非极性物质互相作用第23页第23页笼形水合物 笼形水合物是像冰同样包括化合物，水是这类化合物“宿主”，它们靠氢键键合形成像笼同样结构，通过物理作用方式将非极性物质截留在笼中，被截留物质称为“客体”。

11、 笼形水合物“宿主”普通由2074 个水分子构成，“客体”是低分子量化合物，只有它们形状和大小适合于笼“宿主”才干被截留。 “客体”包括：低分子量烃、稀有气体、短链一级、二级和三级胺、烷基铵盐、卤烃、二氧化碳、二氧化硫、环氧乙烷、乙醇、锍、磷盐等。 “宿主”水分子与“客体”分子互相作用普通是弱范德华力，在一些情况下，也存在静电互相作用。第24页第24页 蛋白质非极性基团包括丙氨酸甲基、苯丙氨酸苄基、缬氨酸异丙基、半胱氨酸巯基、亮氨酸仲丁基和异丁基。其它化合物比如醇类、脂肪酸和游离氨基酸非极性基团也参与疏水互相作用。 蛋白质在水溶液环境中尽管产生疏水互相作用，但球状蛋白质非极性基团大约有40%5

12、0%仍然占据在蛋白质表面，暴露在水中，暴露疏水基团与邻近水除了产生微弱范德华力外，它们互相之间并无吸引力。疏水互相作用第25页第25页第四节 水分活度 食物易腐败性与含水量之间有着密切联络，人们日常生活中保藏食品主要依据之一。食品加工中不论是浓缩或脱水过程，目标都是为了降低食品含水量，提升溶质浓度，以降低食品易腐败敏感性。人们也知道不同种类食品即使水分含量相同，其腐败变质难易程度也存在显著差异。这说明以含水量作为判断食品稳定性指标是不完全可靠。食品中各种非水组分与水合能力不相同。与非水组分牢固结合水不可能被食品微生物生长和化学水解反应所利用。因此，用水活性作为食品易腐败性指标比用含水量更为恰当

13、。第26页第26页金黄色葡萄球菌（Staphylococus aureus） 生长最低p/p0与溶质类型相关。特例第27页第27页水分活度 p 为某种食品在密闭容器中达到平衡状态时水蒸汽分压; p0为在同一温度下纯水饱和蒸汽压。 这种表示办法与依据路易斯(Lewis)热力学平衡最早表示水分活度办法近似。即w=f / f0，f为溶剂逸度（溶剂从溶液中逸出趋势）；f0为纯溶剂逸度。在低温时（比如室温下），f / f0和p / p0之间差值很小（低于1%）。显然，用p和p0表示水分活度是合理。【概念】由上式能够看出，溶剂蒸汽压与溶剂摩尔数成百分比，由于p0不小于p，因此w值在0-1之间。第28页第2

14、8页 水分活度与环境平衡相对湿度（%）和拉乌尔（Raoult）定律关系下列： 水分活度ERH (equilibrium relative humidity） 即样 品周围环境平衡相对湿度（%）；N为溶剂（水）摩尔分数；n1为溶剂摩尔数；n2为溶质摩尔数。第29页第29页 n2可通过测定样品冰点减少，然后按下式计算求得：水分活度测定G 样品中溶剂克数；Tf 冰点减少（）；Kf 水摩尔冰点减少常数（1.86）第30页第30页（1）冰点测定法：先测定样品冰点减少和含水量。然后按式（1）和（2）式计算水分活度（ w ），其误差（包括冰点测定和w计算）很小(0.01 w /)（2）相对湿度传感器测定办法

15、：将已知含水量样品置于恒温密闭小容器中，使其达到平衡，然后用电子或湿度测量仪测定样品和环境空气平衡相对湿度，即可得到w 。（3）恒定相对湿度平衡室法：置样品于恒温密闭小容器中，用一定种类饱和盐溶液使容器内样品环境空气相对湿度恒定，待平衡后测定样品含水量。水分活度测定办法第31页第31页水分活度与温度相依性 测定样品水分活度时，必须标明温度，由于w值随温度而改变。经修改克劳修斯克拉伯龙(Clausius-Clapeyron)方程，准确地表示了w对温度相依性。T 绝对温度；R 气体常数；H 样品中水分等量净吸着热ln w = -kH/R(1/T)第32页第32页w第33页第33页以lnw对1/T作

16、图（当水分含量一定时）应该是一条直线。下图表示不同含水量马铃薯淀粉水分活度与温度之间关系，从下图能够说明二者间有良好线性关系，且水分活度对温度相依性是含水量函数。 水分活度起始值为0.5 时，在2-40范围内，湿度系数为0.0034-1。 依据另外一些研究报道，富含糖类或蛋白质食品，在5-50和起始w 0.5时，湿度系数为0.003-0.02-1 ，这表明水分活度与产品种类相关。普通说来，温度每改变10， w改变0.03-0.2。因此，温度改变对水分活度产生效应会影响密封袋装或罐装食品稳定性。第34页第34页 水分吸着等温线在恒定温度下，食品水分含量（每单位质量干物质中水质量）对P/P0作图得

17、到水分吸着等温线（moisture sorption isotherms, MSI）在浓缩和干燥过程中除去水分难易度与RVP相关；配制食品混和物时应避免水分在配料间转移；必须拟定包装材料阻湿性质；必须拟定如何水分含量能克制微生物生长；需要预测食品化学和物理性质稳定性与水分含量 关系。第35页第35页食品低水分部分MSI（20）IIIIII0.10.20.30.40.50.60.70.80.900.10.20.30.40.5水分含量（gH2O/g干物质）第36页第36页相应上图,我们试图采用一个抱负化模式,依据水分子与食品中化学分子亲和状态,将水分成三个类别:邻近水-单分子层水(结合水中结合力最

18、大); 多层水-位于以上所说第一层剩余位置水和邻近水 外层形成几种水层。 自由水能够自由流动。 为了更加好地解说这些概念，我们来分析一下下面图：第37页第37页C1CeC00100%e右图是某产品MSI。C1为产品最初水分，因其中水分含量高（含自由水），水分活度几近1.0,空气平衡相对湿度100%；伴随干燥过程进行，当产品水分降至Ce时，产品水分活度不变，平衡相对湿度也不变，水分快速蒸发；如产品中水分降至C0，则空气中相对湿度已经是e（100%），继续干燥，产品水分活度将继续下降，此时出去将是结合水，即产品中结合水数值上等于C0，称临界水分。不同水分含量与水分活度之间关系不但与温度相关，而且与

19、产品性质相关。第38页第38页平衡相对湿度100%00.20.40.60.81.00.040.080.120.160.200.240.28水分含量20406080100第39页第39页第五节 水分活度与食品稳定性第40页第40页 水分活度对食品稳定性影响主要表现在两个方面： 对微生物生长影响 见后表。 对化学反应影响 对食品质地影响 饼干、膨化玉米花和油炸马铃薯片脆性，预防砂糖、奶粉和速溶咖啡结块，以及硬糖果、蜜饯等粘结，均应保持适当低aw值。第41页第41页w范围普通能克制微生物食品1.00-0.95假单胞菌属、埃希氏杆菌属、变形杆菌属、志贺氏杆菌属、芽孢杆菌属、克雷伯氏菌属、梭菌属、产生荚

20、膜杆菌、几种酵母菌极易腐败新鲜食品、水果、蔬菜 、肉、鱼和乳制品罐头、熟香肠和面包。含约40%(W/W)蔗糖或7%NaCl 食品0.95-0.91沙门氏菌属、副溶血弧菌、肉毒杆菌、沙雷氏菌属、乳杆菌属、足球菌属、几种霉菌、酵母(红酵母属、毕赤酵母属)奶酪、咸肉和火腿、一些浓缩果汁、蔗糖含量为55%(W/W)或含12%NaCl 食品0.91-0.87许多酵母菌(假丝酵母、汉逊氏酵母属、球拟酵母属)、微球菌属发酵香肠、蛋糕、干奶酪、人造黄油及含65%蔗糖(W/W)或5%NaCl 食品0.87-0.80大多数霉菌(产霉菌毒素青霉菌)金黄色葡萄球菌、德巴利氏酵母果汁浓缩物、甜冻乳、巧克力、枫糖浆、果汁

21、糖浆、面粉、大米、含15%17%水分豆类、水果糕点、火腿、软糖第42页第42页w范围普通能克制微生物食品0.80-0.75大多数嗜盐杆菌、产霉菌毒素曲霉菌果酱、马茉兰、桔子果酱、杏仁软糖、果汁软糖0.75-0.65嗜干性霉菌、双孢子酵母含10%水分燕麦片、牛轧糖、果冻、棉花糖、糖蜜、一些干果、坚果、蔗糖0.65-0.60嗜高渗酵母(Saccharomyces rouxii)几种霉菌(二孢红曲霉）Aspergillus echinulatus含水15%-20%干果，一些太妃糖和焦糖、蜂蜜0.50微生物不繁殖含水分约12%面条和水分含量约10%调味品0.40微生物不繁殖水分含量约5%全蛋粉0.30

22、微生物不繁殖含水量为3%-5%甜饼、脆点心和面包屑第43页第43页w范围普通能克制微生物食品0.80-0.75大多数嗜盐杆菌、产霉菌毒素曲霉菌果酱、马茉兰、桔子果酱、杏仁软糖、果汁软糖0.75-0.65嗜干性霉菌、双孢子酵母含10%水分燕麦片、牛轧糖、果冻、棉花糖、糖蜜、一些干果、坚果、蔗糖0.65-0.60嗜高渗酵母(Saccharomyces rouxii)几种霉菌(二孢红曲霉）Aspergillus echinulatus含水15%-20%干果，一些太妃糖和焦糖、蜂蜜0.50微生物不繁殖含水分约12%面条和水分含量约10%调味品0.40微生物不繁殖水分含量约5%全蛋粉0.30下列微生物不

23、繁殖含水量为3%-5%甜饼、脆点心和面包屑。水分为2%-3%全脂奶粉、含水分5%脱水蔬菜、含水约5%玉米花、脆点心、烤饼第44页第44页水分活度对化学反应影响对淀粉老化影响 水分含量60%，或15%不会发生老化；对脂肪氧化酸败影响对蛋白变性影响 加速蛋白氧化，造成变性。对酶促褐变影响 w减少到0.250.30，能够减缓或制止酶促褐变。0w第45页第45页 冷冻是保藏大多数食品最抱负办法，其作用主要在于低温，而不是由于形成冰。含有细胞结构食品和食品凝胶中水结冰时，将出现两个非常不利后果，即水结冰后，食品中非水组分浓度将比冷冻前变大；同时水结冰后其体积比结冰前增长9。 食品冻结出现浓缩效应，使非结冰相pH、可滴定酸度、离子强度、粘度、冰点、表面和界面张力、氧化-还原电位等都将发生明显改变。冰在食品稳定性中作用第46页第46页 冰冻过程中，溶液中有氧和二氧化碳逸出，水结构和水与溶质间互相作用也猛烈地改变，同时大分子更紧密地汇集在一起，使之互相作用也许性增大。上述所发生这些改变经常有助于提升反应速率。由此可见，冷冻对反应速率有两个相反影响