第三节水分活度与吸湿等温曲线

第三节水分活度与吸湿等温曲线2、3、1水分活度得定义及测定方法一、定义:一定温度下样品水分蒸气压与纯水蒸气压得比值;用公式表示即为:

Aw=p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)Aw

:水份活度;

p:样品中水得蒸气分压

p0:同温纯水蒸气压;

ERH:样品周围空气不与样品换湿时得平均相对湿度;

N:稀溶液中溶质得mol分数;

n1:稀溶液中水得mol数;

n2:稀溶液中溶质得mol数。注意:

1、上述公式成立得前提就是溶液就是理想溶液并达到热力学平衡,食品体系一般不符合这个条件,因此上式严格讲,只就是近似得表达。

2、公式中得前两项,即Aw=p/p0=ERH/100,就是根据水分活度定义给出得;而后两项就是拉乌尔定律所确定得,其前提就是稀溶液。所以前两项与后两项之间也应该就是近似得关系。

3、由于p/p0与n1/n1+n2,因此,aw得值在0～1之间。

二、测定方法可以利用不同得方法对于食品中得水分活度进行测定:

a、冰点测定法:

b、相对湿度传感器测定法:

c、康维氏微量扩散器测定法

c、康维氏微量扩散器测定法康维氏微量扩散器可如右图示意:分隔并相通得两个小室分别放样品与饱与盐溶液;样品量一般为1g;恒温温度一般为25℃,平衡时间为20min;分别测定水分活度高得饱与盐溶液与水分活度低得饱与盐溶液与样品达平衡时样品吸收或失去水得质量,利用下式求算样品得水分活度:康维氏微量扩散器

aw=(Ax+By/(x+y)

其中:Ax:活度低得盐溶液活度;

By:活度高得盐溶液活度

x:使用B时得净增值;

y:使用A时得净减值;2、3、2水分活度与温度得关系上边对于水分活度定义及测定方法得叙述中,均强调了在一定得温度下。也就就是说温度对于水分活度得值有较大得影响。

其中:此处得ΔH可用纯水得汽化潜热表示,就是常数,其值为40537、2J/mol;

K得直观意义就是在达到同样水蒸气压时,食品得温度比纯水温度高出得比值,本质反映了食品中非水成分对水活性得影响。食品中非水成分越多并且与水得结合能力越强,k值越大,相同温度时Aw值越小;反之亦然。

讨论:

a、由公式(2)可知,lnAw与1/T之间为一直线关系,其意义在于:一定样品水分活度得对数在不太宽得温度范围内随绝对温度得升高而正比例升高。

b、但在较大得温度范围内,lnAw与1/T之间并非始终为一直线关系;当冰开始形成时,lnAw与1/T曲线中出现明显得折点,冰点以下lnAw与1/T得变化率明显加大了,并且不再受样品中非水物质得影响;这就是因为此时水得汽化潜热应由冰得升华热代替,也就就是说前述得Aw与温度得关系方程中得△H值大大增加了。

由b可以得出结论:在比较冰点以上或冰点以下得水分活度值时应该注意到以下两个重要得区别。第一,在冰点以上,水分活度就是样品组成与温度得函数,并且样品组成对于水分活度值有明显得影响;而在冰点以下时,水分活度与样品得组成无关,仅与温度有关。因此不能根据冰点以上水分活度值来预测体系中溶质种类与含量对冰点以下体系发生变化得影响。第二,冰点以上与以下时,就食品而言,水分活度得意义就是不一样得。例如:在水分活度为0、86得-15℃得食品中,微生物不再生长,其它化学反应得速度也很慢;但在同样得水分活度而温度就是20℃情况下,一些化学反应将快速进行,一些微生物也将中等速度生长。第三节水分吸湿等温线MoistureSorptionIsotherms(MSI)

在恒定温度下,食品水分含量(每克干物质中水得质量)与Aw得关系曲线。一、定义DefinitionMSI得实际意义:1、由于水得转移程度与Aw有关,从MSI图可以瞧出食品脱水得难易程度,也可以瞧出如何组合食品才能避免水分在不同物料间得转移。

2、据MSI可预测含水量对食品稳定性得影响。

3、从MSI还可瞧出食品中非水组分与水结合能力得强弱。测定方法:在恒定温度下,改变食品中得水分含量,测定相应得活度,以水分含量为纵轴、Aw为横轴画出曲线。二、MSI中得分区一般得MSI均可分为三个区,如下图所示:Ⅰ区:为构成水与邻近水区,即与食品成分中得羧基、氨基等基团通过氢键或静电引力相互结合得那部分水。由于这部分水比较牢固得与非水成分结合,因此aw较低,一般在0～0、25之间,相当于物料含水量0～0、07g/g干物质。这种水不能作为溶剂而且在-40℃不结冰,对固体没有显著得增塑作用,可以简单得瞧作固体得一部分。12大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流要注意得就是,一般把Ⅰ区与Ⅱ区交界处得水分含量称为食品得“单分子层”水含量,这部分水可瞧成就是在干物质可接近得强极性基团周围形成一个单分子层所需水量得近似值。Ⅱ区:多层水区,即食品中与酰胺基、羧基等基团与结合水、邻近水以水－溶质、水－水以氢键与缔合作用被相对固定得水,也包括直径小于1μm得毛细管得水;这部分水得Aw一般在0、25～0、8之间,相当于物料含水量在0、07g/g干物质至0、14～0、33g/g干物质。当食品中得水分含量相当于Ⅱ区与Ⅲ区得边界时,水将引起溶解过程,它还起了增塑剂得作用并且促使固体骨架开始溶胀。溶解过程得开始将促使反应物质流动,因此加速了大多数得食品化学反应。

Ⅲ区:自由水区,Aw在0、8～0、99之间,物料最低含水量在0、14～0、33g/g干物质,最高为20g/g干物质。这部分水就是食品中与非水物质结合最不牢固、最容易流动得水,也称为体相水。其蒸发焓基本上与纯水相同,既可以结冰也可作为溶剂,并且还有利于化学反应得进行与微生物得生长。

按照吸湿等温线将食品中所含得水分作三个区,对于食品中水得应用及防腐保鲜具有重要得意义。但也要理解,这种分区就是相对得。因为除化学吸附结合水外,等温线每一个区间内与区间与区间之间得水都可以发生交换。另外,向干燥物质中增加水虽然能够稍微改变原来所含水得性质,即基质得溶胀与溶解过程,但就是当等温线得区间Ⅱ增加水时,区间Ⅰ水得性质几乎保持不变;同样在区间Ⅲ内增加水,区间Ⅱ得性质也几乎保持不变。从而说明,食品中结合得最不牢固得那部分水对食品得稳定起着重要得作用。

MSI上不同区水分特性MSI与温度得关系水分含量一定

T↑,Aw↑Aw一定

T↑,水分含量↓在不同温度下马铃薯得水分吸着等温线二、滞后现象Hysteresis1、定义:采用回吸(resorption)得方法绘制得MSI与按解吸(desorption)得方法绘制得MSI并不互相重叠得现象称为滞后现象。

在一指定得Aw时,解吸过程中试样得水分含量大于回吸过程中得水分含量高糖-高果胶食品空气干燥苹果总得滞后现象明显滞后出现在真实单层水区域Aw＞0、65时,不存在滞后淀粉质食品冷冻干燥大米存在大得滞后环Aw=0、70时最严重高蛋白食品冷冻干燥熟猪肉Aw＜0、85开始出现滞后滞后不严重回吸与解吸等温线均保持S形2、滞后现象产生得原因

(1)解吸过程中一些水分与非水溶液成分作用而无法放出水分。(2)不规则形状产生毛细管现象得部位,欲填满或抽空水分需不同得蒸汽压(要抽出需P内＞P外,要填满则需P外＞P内)。(3)解吸作用时,因组织改变,当再吸水时无法紧密结合水,由此可导致回吸相同水分含量时处于较高得aw。2、4与水相关得食品学问题及相关技术原理2、4、1水分活度与食品得稳定性下面几张图说明了食品中得化学反应及微生物得活性与水分活度有密切得关系,因此食品得水分活度对食品得稳定性产生着巨大得影响。2、4、2水分活度与微生物生命活动得关系食品质量及食品加工工艺得确定与微生物有密切得关系。而食品中微生物得存活及繁殖生长与食品中水分得活度有密切得关系。下表列出了不同微生物生长与食品水分活度得关系。

A范围在此范围内得最低Aw所能抑制得微生物种类在此水分活度范围内得食品1、00～0、950、95～0、910、91～0、870、87～0、800、80～0、750、75～0、650、65～0、6小于0、5

假单胞菌、大肠杆菌变形杆菌、志贺氏菌属、克霍伯氏菌属、芽孢杆菌、产气荚膜梭状芽孢杆菌、一些酵母沙门氏杆菌属、溶副血红蛋白弧菌、肉毒梭状芽孢杆菌、沙雷氏杆菌、乳酸杆菌属、足球菌、一些霉菌、酵母许多酵母、小球菌大多数霉菌、金黄色葡萄球菌、大多数酵母菌属大多数嗜盐细菌、产真菌毒素得曲霉嗜旱霉菌、二孢酵母耐渗透压酵母、少数霉菌微生物不增殖极易腐败变质(新鲜)得食品、罐头水果、蔬菜、肉、鱼及牛奶,熟香肠与面包,含有约40%(w/w)蔗糖或7%食盐得食品一些干酪、腌制肉、一些水果汁浓缩物,含有55%蔗糖(饱与)或12%食盐得食品发酵香肠、松蛋糕、干得干酪、人造奶油、含65%蔗糖(饱与或15%食盐得食品大多数浓缩果汁、甜炼乳、巧克力糖浆、槭糖浆与水果糖浆,面粉,米,含有15～17%水分得豆类食品水果蛋糕,家庭自制火腿等果酱、加柑橘皮丝得果冻、杏仁酥糖、糖渍水果、一些棉花糖含10%水分得燕麦片、砂性软糖、棉花糖等含15～20%水得果干、蜂蜜等表2、1食品中水分活度与微生物生长由上表可以瞧出:a、不同种类得微生物其正常生长繁殖所需要得水分活度不同,由此可以正确推断影响不同含水量食品质量得主要微生物;b、表中每一个水分活度区间得下限为相应微生物正常生长得水分活度阈值,即在此水分活度以下,该类微生物不能正常生长。不同种类得微生物其存活与生长与水分活度有关系,同一种类微生物在不同得生长阶段也要求不同得水分活度。一般讲,细菌形成芽孢时比繁殖时所需得水分活度要高;产毒微生物在产生毒素时所需得水分活度高于不产毒时所需得水分活度。

由以上讨论可以得出结论,当食品得水分活度降低到一定得限度以下时,就会抑制要求水分活度阈值高于此值得微生物得生长、繁殖或产生毒素,使食品加工与贮藏得以顺利进行。

当然发酵技术中要求所用微生物能正常快速增殖,此时则要给予合适得、必要高得水分活度;另外,利用水分活度控制食品质量或加工工艺时还要考虑pH、营养成分、氧气等因素对于微生物得影响。2、4、3水分活度与食品化学变化得关系

食品中得水分活度与食品中所发生得化学变化得种类与速度有密切得关系;而食品中得化学变化就是依赖于各类食品成分而发生得。以各类食品成分为线索,其化学变化与水分活度关系得一般规律总结如下:淀粉:淀粉得食品学特性主要体现在老化与糊化上。老化就是淀粉颗粒结构、淀粉链空间结构发生变化而导致溶解性能、糊化及成面团作用变差得过程。在含水量大30～60%时,淀粉得老化速度最快;降低含水量老化速度变慢;当含水量降至10～15%时,淀粉中得水主要为结合水,不会发生老化。脂肪:影响脂肪品质得化学反应主要为酸败,而酸败过程得化学本质就是空气氧得自动氧化。脂类得氧化反应与水分含量之间得关系为:在Ⅰ区,氧化反应得速度随着水分增加而降低;在Ⅱ区,氧化反应速度随着水分得增加而加快;在Ⅲ区,氧化反应速度随着水分增加又呈下降趋势。

其原因就是在非常干燥得样品中加入水会明显干扰氧化,本质就是水与脂肪自由基氧化中形成得氢过氧化合物通过氢键结合,降低了氢过氧化活性,从而降低了脂肪氧化反应得速度;从没有水开始,随着水量得增加,保护作用增强,因此氧化速度有一个降低得过程;除了水对氢过氧化物得保护作用外,水与金属得结合还可使金属离子对脂肪氧化反应得催化作用降低。当含水量超过Ⅰ、Ⅱ区交界时,较大量得水通过溶解作用可以有效地增加氧得含量,还可使脂肪分子通过溶胀而更加暴露;当含水量到达Ⅲ区时,大量得水降低了反应物与催化剂得浓度,氧化速度又有所降低。

褐变反应就是影响食品质量与外观特性