食品生物化学第五版 课件 项目7－1 水与食品加工

教学目标（1）了解水和矿物质的特征及分类。（2）掌握水分活度的概念和降低食品水分含量的方法。（3）了解矿物质在加工中的变化。基本知识重点与难点：水的功用及水分活度；矿物质及其营养功能。考核要求：掌握自由水、结合水和水分活度的概念，水的生理作用及食物中的水分状态；掌握矿物质的营养功能。项目7水、矿物质与食品加工7.1.1概述食品的含水量和水在食品中的存在形式是直接引起食品发生化学变化和微生物变质的原因之一，直接影响着食品的加工工艺和贮藏性能，所以水分含量是食品分析的重要指标之一。食品加工中通过改变水在食品中的存在形式和含量以提高食品的稳定性。如：以干燥或浓缩的方式除去或减少食品中的水分含量，方便贮存和运输；进行冷冻处理使水变成非活性成分，延长贮存期；在豆腐、果冻的制作过程中将水固定在凝胶中实现截留部分水分的目的。7.1水食品采用的不同包装形式也取决于食品的水分含量，有的是防止水分散失，有的则是为了防止食品吸收外界空气中的水分引起腐烂变质。水（H2O）是由氢、氧两种元素组成的无机物，在常温常压下为无色无味的透明液体。在自然界，纯水是非常罕见的，水通常是酸、碱、盐等物质的溶液，习惯上仍然把这种水溶液称为水。水是一种可以在液态、气态和固态之间转化的物质。固态的水称为冰；气态的水叫作水蒸气。水蒸气温度高于374.2℃时，气态水便不能通过加压转化为液态水。冰的导热系数在0℃时近似为同温度下水的导热系数的4倍，冰的热扩散系数约为水的9倍，说明在同一环境中，冰比水能更快地改变自身的温度。水和冰在导热系数和热扩散系数上存在的较大差异，导致了在相同温度下组织材料冻结的速度比解冻的速度快很多。正是由于水的以上物理特性，导致含水食品在加工贮藏过程中的许多方法及工艺条件必须以水为重点进行考虑和设计，特别是在利用食品低温加工技术时，要充分重视水的热传导和热扩散的特点。（1）水在食品中的存在水是食品的重要组成成分，是食品加工工艺考虑的重要因素。水分含量、分布和状态对于食品的结构、外观、质地、风味、新鲜程度会产生极大的影响，是引起食品化学变化及微生物作用的重要原因，直接关系到食品的贮藏特性。动物或植物性原料在生鲜状态下都含有相当数量的水分，水分含量是由原料的具体品种、生长条件、宰杀或采摘条件、运输贮存时间等因素决定的。为了保证食品原料有足够的新鲜度，经过加工以后有良好的风味效果和营养价值，对其中的水分含量应该采取有效的控制措施。从食品质地方面讲，水对食品的鲜度、硬度、流动性、呈味性、耐贮性和加工适应性都具有重要的影响。从食品安全性讲，水是微生物繁殖的必需条件。从食品工艺的角度讲，水起着膨润、浸透、均匀化等功能。理解食品中水的存在状态是掌握水在食品中的作用及各种与水相关的加工技术的关键。而水在食品中的存在状态说到底是水在食品中和各类食品物质之间的关系及水的存在量。一些常见食品的含水量见表7-1。（2）水的生物学意义糖类、脂类、蛋白质、核酸、维生素、矿物质和水等是生命体系的基本成分。其中，水是最普遍存在的组分，也是食品中最重要的成分之一。各种食品几乎都含有一定量的水，食品的品种不同，含水量也有比较大的差别。食品的含水量直接影响到食品的贮藏性能和消费者的接受程度。水对人体的生理意义为：构成人体的重要成分；体内化学作用的介质；体内物质运输的载体；维护体温的载温体；体内摩擦的润滑剂。水是动物生活所必需的物质，也是其最重要的生存条件之一。单从有机体中含有大量水分就可看出其举足轻重的意义。昆虫体内的含水量占体重的46%~92%，文昌鱼的含水量占体重的87%，蝌蚪的含水量占体重的93%，哺乳类的含水量占体重的75%。生命起源于水环境，许多动物目前仍在水中生活。在有机体内部水是一切生命活动、生化过程的基本保证：动物的呼吸、排泄等生理活动离不开水；植物体内营养物质的运输也离不开水；溶于水中的盐类起着维持和调节渗透压的作用。水在陆生生物热能代谢过程中起着重要作用。蒸发散热是动物降低温度的重要手段。环境中的水、湿度和降水量等都会影响到植被的生长情况和分布，从而间接对动物产生影响。7.1.2自由水和结合水食品中的水不是单独存在的，它会与食品中的其他成分发生化学或物理作用，因而改变了水的性质。食品中的水分子和其他非水成分分子之间的距离，由于物种的组织状况和细胞结构等多种生物学因素的制约，其数值大小显著不同，水分和非水成分之间结合的紧密程度也不同，导致水分在原料中存在状态上的差异。根据这种差异，通常将它们划分为结合水和自由水。结合水又称为束缚水，是指存在于食品中的与非水成分通过氢键结合的水，是食品中与非水成分结合最牢固的水，通常是指存在于溶质或其他非水组织附近的那部分水。7.1.2.1结合水在蛋白质、淀粉、纤维素、果胶物质中的氨基、羧基、羟基、亚氨基、巯基等都可以通过氢键与水结合。但各种有机成分与水形成氢键的结合能力不同，牢固程度有一定差别，反映在性质上也呈现差异。（1）单分子层结合水其中，存在于蛋白质分子多肽链中的赖氨酸和精氨酸残基上的氨基、天冬氨酸和谷氨酸残基上的羧基，肽链两端的羧基、氨基，果胶分子中未酯化的羧基等强极性基团，通常是以离子形式存在，离子可以通过氢键与水结合，好像在非水组织的外层覆盖着一层水膜。按照这种方式结合形成的第一层水，叫作单分子层结合水。（1）单分子层结合水这层水形成的氢键键能大，结合牢固，蒸发时比纯水吸收的热量多，所以蒸发能力弱。一般情况下，单分子层结合水不易失去，可看成食品的一部分，对食品的质构有较大影响。与纯水相比其蒸发、冻结、转移和溶剂能力均可被忽略，并且不能被微生物所利用。一般说来，食品干燥后安全贮藏的水分含量要求即为该食品的单分子层结合水。（2）多分子层结合水水与非水成分中的弱极性基团，如蛋白质分子中的酰氨基、巯基，淀粉、纤维素、果胶分子中的羟基以及单分子层以外的几层水，靠水分子的弱极性键、水分子之间的氢键结合，称为多分子层结合水。这层水结合能力较单分子层弱，但蒸发时仍需要较多的热量。在食品中，离子通过氢键与水结合形成的结合水量微不足道，大部分的结合水是和蛋白质、淀粉等相结合。在高水分食品中，结合水仅占总水量的极小部分。据测定，在新鲜动植物食品中，每克蛋白质可结合0.3～0.5g水；每克淀粉能结合0.3～0.4g水。结合水的主要特点有：①一般在-40℃以上不能结冰。这个性质具有重要实际意义，它可以使植物种子和微生物孢子在冷冻条件下仍能保持生命力。②结合水不能做溶剂。③结合水不能被微生物利用。7.1.2.2自由水自由水是指食品中与非水成分有较弱作用或基本没有作用的水，与其它物质无化学连接，通常存在于组织、细胞和细胞间隙中，容易结冰。食品中通常含有动物、植物体内天然形成的毛细管，因为毛细管是由容水物质构成的，并且内径很细，所以有较强的束缚水的能力。把保留在毛细管内的水称为毛细管水。毛细管的直径越小，持水能力越强，当毛细管直径小于0.1μm时，毛细管水实际上已经成为结合水，而当毛细管直径大于0.1μm，则为自由水，大部分毛细管水为自由水。动物的血浆、淋巴和尿液，植物的导管和细胞内液泡中的水可以自由流动，又叫作自由流动水，也属于自由水。自由水具有水的全部性质。自由水在-40℃以上可以结冰；在食品内可以作为溶剂；可以以液体形式移动，在气候干燥时也可以以蒸汽形式逸出，使食品中含水量降低；在潮湿的环境中食品容易吸收一定量的水分，使含水量增加。所以食品中的含水量随着周围环境湿度的变化而改变。微生物可以利用自由水生长繁殖，各种化学反应也可以在其中进行。因此，自由水的含量直接关系着食品的贮藏和腐败。综上，结合水与自由水的区别：结合水在食品中不能作为溶剂，不能被微生物利用，在-40℃时不结冰；而自由水可以作为溶剂，可以被微生物利用，在-40℃会结冰。7.1.3水分活度1957年澳大利亚科学家斯考特（WilliamJamesScott）提出，决定微生物是否能对某种食品进行作用并使其破坏的主要因素，是该食品所具有的水分活度，而不仅仅是水分含量。也就是说，食品水分活度与食品含水量是两个不同的概念。7.1.3水分活度水分活度表示食品中的水可以被微生物所利用的程度。在物理化学上水分活度是指食品中水分的蒸汽压与相同温度下纯水的蒸汽压的比值，即AW=p/p0式中AW——水分活度；p——一定温度下食品中水分的蒸汽压；p0——同温度下纯水的蒸汽压。水分活度范围从0~1，1代表纯水，微生物在其中不能生长。如前所述，食品中的水总有一部分是以结合水的形式存在的，而结合水的蒸汽压远比纯水的蒸汽压低得多，所以食品的水分活度总是小于1。食品中结合水的含量越高，水分活度越低。自由水对水分活度有贡献，而结合水无贡献。水分活度较好地反映了食品中水分的存在形式和被微生物利用的程度。7.1.4水分活度与食品稳定性虽然在食品冻结后不能用水分活度来预测食品的安全性，但在未冻结时，食品的安全性确实与食品的水分活度有着密切的关系。总的趋势是，水分活度越小的食品越稳定，且较少出现腐败变质现象。（1）水分活度与微生物生长繁殖的关系食品质量及食品加工工艺的确定与微生物有密切的关系，而食品中微生物的存活及生长繁殖与食品的水分活度有密切的关系。表7-2列出了不同微生物生长繁殖与食品水分活度的关系。各类微生物生长都需要一定的水分活度，换句话说，只有当食品的水分活度大于某一临界值时，特定的微生物才能生长。一般说来，细菌为AW＞0.9，酵母为AW＞0.87，霉菌为AW＞0.8，一些耐渗透压微生物除外。通常采用减少食物中自由水的方法控制微生物尤其是致病微生物的生长繁殖。例如，奶粉、坚果、巧克力、干果、面粉等被视为安全食品，重要的原因是它们具有低的aw值，对微生物不利。然而，许多病原体在低aw值条件下可以存活数月甚至1年，这也是低aw值食品引起的疾病暴发越来越被重视的原因。2）水分活度与食品安全性的关系2）酶促反应与食品水分活度的关系水分活度对酶促反应影响是两个方面的综合，一方面影响酶促反应底物的可移动性，另一方面影响酶的构象。食品体系中大多数的酶类物质在水分活度小于0.85时活性大幅度降低，如淀粉酶、酚氧化酶和多酚氧化酶等。但也有一些酶例外，如酯酶在水分活度为0.3甚至0.1时也能引起甘油三酯或甘油二酯的水解。（2）水分活度与生化反应的关系食品水分活度是决定食品腐败变质和保藏期的重要参数，对食品的色香味、组织结构以及食品的稳定性都有着重要的影响。各种微生物的生命活动及各种化学、生物化学变化都要求一定的水分活度值。在含有水分的食物中，由于其水分活度值不同，其保藏期的稳定性也不同。利用水分活度原理控制水分活度从而提高产品质量，延长食品保藏期，在食品工业生产中已得到越来越广泛的重视。在中等至高水分活度（AW=0.7～0.9）食品中，美拉德褐变反应、维生素B1降解反应以及微生物生长显示出最大反应速度。但在有的情况下，中等至高含水量食品，随着水分活度增大，反应速率反而降低。（3）水分活度与食品质构的关系食品质构也称为食品质地，是食品的一个重要属性。食品质构的属性取决于食品的组分以及组分之间的相互作用。水分活度对干燥和半干燥食品的质构有较大影响。要保持干燥食品的理想性质，水分活度应控制在0.3～0.5。水分活度从0.2～0.3增加到0.65时，大多数半干或干燥食品的硬度及黏性增加，因此各种脆性食品必须在较低的水分活度下才能保持其酥脆。对于含水较多的食品，如果冻布丁、蛋糕、面包等，它们的水分活度大于周围空气的相对湿度，保存时需要防止水分蒸发。食品中的水分活度与食品中所发生的化学变化的种类和速度有密切的关系，而食品中的化学变化是依赖于各类食品成分而发生的。研究表明，肉制品韧性的增加可能与交联作用及高水分活度下发生的化学反应有关，如胶凝及吸水基团水合能力的改变。水分活度为0.4～0.5时，肉干的硬度及耐嚼性最大。增加水分含量，肉干的硬度及耐嚼性都会降低。另外，饼干、爆玉米等市售的各种脆性食品，必须在较低的水分活度下，才能保持其酥脆。为了避免绵白糖、奶粉以及速溶咖啡结块或变硬发黏，都需要使产品具有较低的水分活度。有些研究认为，将火腿、牛肉、豌豆等食品的水分活度从0.7提高到0.99时，能够获得更令人满意的食品质构。水分活度对干燥食品和半干燥食品的质构影响较大，人们已经通过各种各样的食品包装来创造适宜的小环境，尽可能达到不同食品对水分活度的要求。如市售豆奶粉、速溶咖啡等要求水分活度低，可采用水不能透过的密闭容器包装；市售的仙贝、雪饼等儿童食品，除单独有小包装外，在外包装袋中还另外加入了一袋干燥剂，以防止空气湿度对它们的影响；对果冻布丁、蛋糕等要求水分活度高的食品，需要用能防止水分挥发的包装材料，以减少水分散失。如果一个包装袋中同时存放几种不同成分的食品，各种物料要求水分活度不一致，为了防止水分迁移导致某些成分劣变，不能简单地将各种成分混合包装在一起，而应各自分装后再合在一起。如方便面和脱水蔬菜要求水分活度不同，如果混装在一起，脱水蔬菜将会吸收水分而变质，因此，先将脱水蔬菜包装后再和方便面包装在一起。总之，要使食品具有最高的稳定性，最好将水分活度保持在结合水范围内。这样，既可使化学变化难以发生，同时又不会使食品丧失吸水性和持水性。7.1.5降低食品水分含量的方法食品干燥是指将食品中的水不断蒸发、不断扩散出去，而使食品水分含量降低的方法。食品在贮藏、运输和销售过程中，受外界因素的影响，食品的水分含量会发生变化，进而影响食品的感官特征和内在质量，食品的风味也会发生改变。另外，为了运输方便，增强食品的稳定性，在加工过程中，经常进行干燥、浓缩等处理除去食品中一部分水分，使水分活度控制在一定范围内。下面是几种降低食品水分含量的方法。（1）自然干燥自然干燥是指充分利用自然界的能量除去食品中的水分，如利用日光晒干，利用风进行风干等。自然干燥简单、经济，不需要特殊设备，被广泛采用。如仓储粮食（谷类、小麦等）要使其水分降低到13％～14％，一般采用自然干燥；鱼贝类和海藻类的干燥，萝卜干、胡萝卜条的干燥，葡萄干、杏干的制作，均采用此种方法。自然干燥的缺点是所需时间长，易发生变色、褪色、氧化以及由于酶的作用引发各种生化反应，食品的质量往往受到影响。如干制鱿鱼、葡萄干，已失去原有新鲜食品的特有风味、质地和结构。另外，现在还没有较好的办法使失水后的食品完全恢复到原来的新鲜状态，所以干燥食品只能作为另一种类型食品供人们食用。对果蔬及新鲜食品，在日晒或风干等自然条件下，由于水分蒸发，导致干瘪、萎蔫、皱缩，降低了感官指标，严重者还会影响食品的食用性和商品价值。同时，由于水分蒸发，还会引起一系列生化和化学变化，缩短商品的贮藏期。（2）热风干燥热风干燥是将食品放在金属网或钢制带式运输机上，送入热风干燥室，人为除去食品中的水分。靠太阳和自然风干不可能生产出理化指标一致的产品，因而难以实现规模化的工业生产。而在热风干燥室内选择适当的温度、湿度、风速和时间，即能得到水分含量控制在一定范围、品质基本