中国农业大学食品化学课件5

水(Water)概述(Introduction)维持人类正常生命活动必需的基本物质六大营养物质之一水在食品中的主要作用赋予色、香、味、形等特征。分散蛋白质和淀粉等，形成凝胶。影响新鲜度、硬度、流动性、呈味性、保藏性和加工等。水与溶质的相互作用水的化学结构汽态水分子（单分子）的结构存在形式：单分子或汽态分子化学式：H2O形状：折线形H—O结合方式：共价键键角：104.5℃分子类型：极性分子液态水分子（缔合水分子）的结构存在形式：若干个水分子缔合[（H2O）n]

吸引力：多重氢键缔合原因：

O-H键具有极性→分子中电荷非对称分布→分子具有较大偶极距缔合水分子的特性结构的不稳定性键能的比较：共价键（平均键能335kJ/mol）氢键（2～40kJ/mol）偶极间静电引力动态平衡性—水分子的得失每个H2O最多能与另外4个H2O通过氢键结合，形成四面体排列。物理性质熔点沸点比热熔化热蒸发热表面张力介电常数明显偏高分子结构决定物理性质比热大原因：温度↑→分子动能↑→吸入热量温度↑→缔合分子→简单分子→吸入热量应用：比热大水温不易随气温变化三维氢键缔合影响物理性质的因素压力对沸点的影响101.32KPa,100℃压力↑↓→沸点↑↓应用：减压浓缩物理性质（续）粘度小导热率高：导热系数、扩散系数：冰>水温度变化速率：冰>水冻结速度>解冻速度密度低：水

冰

应用：V冰>V水→冷冻工艺机械损伤优秀的溶剂性质溶解能力强，可溶解电解质、蛋白质等乳浊液胶体溶液固态食品中水的类型根据在食品中与非水物的结合程度划分：束缚水（结合水、构成水）单分子层水多分子层水（半结合水、邻近水）自由水（体相水、游离水）毛细管水截留水束缚水与各非水组分结合结合得最为牢固作为非水组分整体部分—结构成分不能作为溶剂，-40℃以上不能结冰。单分子层水的结构位置：第一个水分子层中。个别单分子层上的水分子可与多分子层中的水分子交换，脱离开强极性集团，进入外面多分子层水内，结合基团：非水组分中强极性集团（如羧基、氨基等）结合方法：氢键键能：大结合强度：最为牢固单分子层水的特性含量：在高水分食品中，占总水量的0.5%；蒸发、冻结、转移和溶剂能力均可忽略。不能被微生物利用，不能用做介质进行生化反应。多分子层水位置：单分子层外的几个水分子层结合基团：非水组分中弱极性集团结合方法：氢键键能：小，不牢固被束缚强度：稍弱蒸发能力：较弱自由水定义：除束缚水外剩余部分的水位置：与非水组分相距很远的位置结合力：毛细作用性质：与稀溶液中水相似，在食品中可以作溶剂。-40℃以上可以结冰含量：在高水分食品中，略低于总水量的5%。毛细管水动植物体中毛细管保留的水存在于细胞间隙中只能在毛细管内流动，加压可使水压出体外。截留水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于富水的细胞中或凝胶块内只能在被截留的区域内流动，单个水分子可通过生物膜或大分子网络向外蒸发。在高水分食品中，占总水量的90%以上，与食品的风味、硬度和韧性有关。结合水与自由水性质的差别结合水的量与食品中有机大分子的极性集团的数量有比较固定的比例关系结合水的蒸汽压比自由水的高结合水不能作为溶剂，自由水可以作溶剂。结合水在-40℃以上不能结冰，自由水在-40℃以上可以结冰。自由水能为微生物所利用，结合水则不能。结合水对食品风味和质感起重要作用水分活度与食品稳定性水分含量水分含量水分含量不能作为判断食品稳定性的指标（1）水分含量的测定受温度、湿度等外界条件的影响。（2）各非水组分与水氢键键合的能力和大小均不相同。水分活度的定义水分活度=食品中水的蒸汽压与同温下纯水的蒸汽压的比值，即

Aw=P/P0式中：Aw=水分活度P=食品中水的的蒸汽分压P0=指定温度下纯水的蒸汽压纯水：P=P0，Aw=1。食品中P总小于P0，故Aw<1。水分活度的定义（续）Aw=f/f0

式中：f=溶液中水的逸度，

f0=纯水的逸度

平衡相对湿度=食品中水分蒸发达到平衡时食品上空已恒定的水蒸气分压与在此温度时水的饱和蒸汽压的比值，既：

Aw=P/P0=ERH/100平衡相对湿度（ERH

）等温吸湿曲线定义：在恒定温度下，表示食品的水分含量（水/干物质）与它的水分活度之间关系的曲线称为等温吸湿曲线（MSI），即：以食品中的水分含量为纵坐标，以水分活度为横坐标作图，所得的曲线为等温吸湿曲线。用途确定食品适宜的浓缩脱水时间确定适宜的食品组成以防止水分在各组分间转移预测食品的适宜含水量，以确保其稳定性。反映不同食品中非水成分与水结合的能力影响等温吸湿曲线形状的因素食品的组成结构测绘方法温度……食品的组成结构S形：大多数食品的MSIJ形：含有大量糖及其它可溶性小分子但不富有高聚物的水果、糖果及咖啡提取物等的MSI……测绘方法回吸（吸附）等温线：在恒温条件下，把水逐步渗透到干燥的食品中，在测定了不同吸湿阶段的水分活度后绘制的等温线。解吸等温线：把高水分含量的食品逐步脱水，在测定了不同脱水阶段的水分活度后绘制出的等温线。滞后现象（Hysteresis）定义：同一食品的吸附等温线和解吸等温线不完全重合，尤其在中低水分含量部分张开一细长眼孔的现象。影响滞后作用大小的因素：食品的组成结构和性质食品除去和添加水所引起的物理变化、温度变化以及吸湿与解吸速度的变化和脱水程度等。在同一Aw下，所对应的水分含量，都是解吸大于吸湿。食品的复水温度的影响水分含量一定：t℃↑→Aw↑同一食品在不同温度下绘制的等温吸湿曲线在t℃上升是时，曲线形状基本不变，位置顺序向右下方移动。等温吸湿曲线的分区目的：深刻理解含义和实际应用与食品内水的类型紧密联系根据：水分含量和Aw的关系MSI图形特点区段ⅠAw：最低组成：单分子层水性质：同单分子层水在食品中占比例：0～0.25g，物料含水量：0～0.07g/g干物质不能被微生物利用，不能用做介质进行生化反应。区段ⅡAw范围：0.25～0.8组成：区间I水+区间II内增加的水（多分子层水、毛细管水d<1µm）；性质：同多分子层水物料含水量：0.07至0.33～0.4g水/g干物质，最高为20g的干物占总水量：5%以下区段Ⅱ（续）Aw=0.8时增加水，溶解作用使多数反应加速，并具有增塑剂和促进基质溶胀的作用（引发固态组织溶胀）。Aw接近0.8时，常温可能霉烂变质。区段IIIAw范围：0.8～0.99g；组成：区段I水+区段II水+区段III增加的水；新增加的水类型：毛细管水（直径>1μm）、截留水。性质：同自由水区段III（续）物料含水量：最低为0.14～0.33g/g干物质，增加的水最多20g干物质；在高水分食品中一般占总含水量的95%以上。区段的划分1）区段I：靠近II→多分子层水区段II：靠近I→单分子层水2）除结合水外，其余水能在区域内/间进行交换故用区带表示相互的交叉过程区段的变化区段II/III水↑→区段I/II水性质几乎不变食品中结合得最不牢固的那部分水对食品的稳定性起着重要作用。3.3Aw对微生物繁殖

及化学反应的影响

3.3.1 Aw对微生物繁殖的影响

图2.1-9表明：微生物生长需要的Aw值一般较高：在食品中，微生物赖以生存的水主要是自由水：自由水含量↑→Aw↑，故Aw大的食品易受微生物感染，稳定性差。不同微生物在食品中繁殖时，都有它最适宜的Aw范围；见表（刘2.1-3)。微生物发育时必需的Aw微生物 发育所必需的最低AW

普通细菌0.90普通酵母0.87普通霉菌0.80嗜盐细菌≤0.75耐干性酵母（细菌）0.65耐渗透压性酵母0.61

3.3.2酶促反应与水分活度的关系

如图2.1-9（2）所示

酶促褐变：食品中的酚类物在酚氧化酶的作用下，经氧化后聚合成黑色素所致。酶的催化活性：酶分子的构像—环境—水介质水的作用：1）对酶的作用：维持酶分子活性构像的各种作用力，特别是非极性侧链间的疏水作用力；2）溶剂作用：有利于酶和底物分子在食品内的移动，使之充分靠拢，溶解并增加基质流动性等。Aw与酶反应速率：Aw极低:反应几乎停止或极慢；Aw增加:毛细管的凝聚作用开始，毛细管微孔充满水，导致基质溶解于水，酶反应速率增大。Aw与酶活性：Aw<0.85，催化活性明显减弱；Aw<0.3，淀粉酶、酚氧化酶、过氧化物酶受到极大抑制；Aw=0.3～

0.1，脂肪酶仍能保持活性。如图2.1-93.3.3 非酶反应（Maillard）与Aw的关系

Aw=0.6～0.7，反应达最大值。/如图2.1-9（4）（5）（刘）：水是反应物：水↓→反应↓；水是生成物：水含量↑，阻止反应进行→抑制水产生，反应速度↓水含量不再是限速因素：水含量↑→稀释效应→反应速度↓

3.3.4脂类氧化与Aw的关系

如图2.1-9（3）（刘）

Aw=0.01～0.4:Aw↑→V↓Aw=0.4:V↓↓Aw>0.4:

Aw↑→V↑Aw=0.7～0.8:V↑↑Aw>0.7～0.8:Aw↑→V↓原因：Aw极低：空气中O更易进入食品与脂类接触发生反应Aw较低：加入到干燥样品中的水干扰氧化，与氢过氧化物结合并阻止其分解，从而阻碍氧化进行；催化氧化的金属离子发生水化作用，从而显著降低金属离子的催化效力；

Aw增高：促使氧溶解度增加和大分子膨胀，暴露出更多催化位点，从而加速脂类氧化；Aw>0.8：

氧化速度缓慢，水对催化剂产生稀释效应而减少了催化效力。由图2.1-9和（表2.1-3）结论：绝大多数不利于食品品质稳定的反应是在区域II中部和III区发生，因而在具有中高水分含量（Aw=0.7～0.9）的食品中发生最快；Aw=0.2-0.3（I、II边界，单分子层水，可准确预测干燥产品最大稳定性时含水量）：化学反应、酶促反应速度最小Aw<0.2:反应速度保持最小（氧化反应V↑）抑制微生物及酶活性的保藏方法冷冻保藏高渗透压保藏果蔬干制果蔬糖制蔬菜腌制Aw对干燥和半干燥

食品质构的影响

保持脆性、避免结块、防止变粘：Aw=0.35～0.5防止变硬：Aw↑↑饼干、爆米花、油炸土豆片速溶饮料硬糖软质食品4低温贮藏对食品品质的影响

冷冻法：生鲜食品优点：保存新鲜食品原有的风味和营养价值冻结保藏关键因素：低温作用：微生物活动和化学反应均受到极大的抑制不是因为形成冰。水结冰后不利后果：1）非水组分的浓度将比冷冻前变大；2）体积比结冰前增加9%。主要问题：1)水怎样转变成冰2)由此带来的后果4.1 水结冰的过程

结冰：当纯水的温度降低到0℃后，继续冷却，液态水便转变成固态的冰，此现象为～，包含2过程：1）晶核的形成：一部分水分子结合成小的冰的晶核2）冰晶的生长：众多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。晶核形成条件：水中有冰：冷却后，水温保持0℃不变，冰体不断地成长，直到液态水完全转变为冰后，冰的温度才开始下降；水中无冰：冷却后，水的温度会降到0℃以下出现过冷的现象，晶核一般是在0℃以下的过冷水中形成。见图1-17韩

晶核形成与晶体生长的速度：与温度有关晶核形成的曲线：很陡，表示在过冷的温度下一旦出现晶核就有更多的晶核迅速形成；晶体生长曲线：较为平坦，受温度的影响较小。冷冻速度对晶核形成和晶体增长的影响：速冻：生成大量细小的冰晶体缓冻：生成数量少但体积大的冰晶体4.2晶体形成状况和产品质量缓冻：晶核：细胞与细胞间，数量少晶体：体积大晶体增长：细胞间隙结果：细胞机械损伤、解冻后汁液流失，质地、风味下降。速冻：晶核：细胞内外，数量多晶体：细小晶体增长：细胞内外结果：不致损伤细胞组织，解冻后易恢复原状，较好保持色、香、味和质地。温度的波动：改变冰体内部结构原因：温度上升时，首先融化的是细小的冰晶，再冷却时则是大的冰晶的生长。后果：细小的冰晶消失，较大的冰晶生长。4.3冷冻对微生物及化学反应的影响4.3.1冷冻对化学反应的影响食品结冰：近似脱水/浓缩浓缩程度：主要受最终温度的影响浓缩效应：1）非结冰相明显变化2）大分子相互作用的可能性增大

结果→利于提高反应速度结论：冷冻对反应速度有2个相反的影响：1)降低温度使反应变得非常缓慢2)浓缩效应有时却又导致反应速度的增大见表：

食品冷冻过程中

非酶促反应被加速

反应类型作用物 酸催水解蔗糖氧化抗坏血酸乳脂肪熟牛肉中脂类油炸马铃薯食品的生育酚脂肪中β-胡萝卜素与维生素金枪鱼与牛的氧合肌红蛋白牛乳蛋白质溶解性降低牛、兔与鱼蛋白质形成氧化氮的肌红蛋白肌红蛋白或血红蛋白或血红蛋白（腌肉颜色） 冷冻有时使反应速度加快，如图2.1-11刘表明