食品保健与安全2.pptx

第二章 水Chapter 2 Water本章提要难点：难点：分子淌度与食品稳定性的关系，分子淌度与食品稳定性的关系，笼形水合物笼形水合物。重点：重点：水和冰的结构及其在食品体系中水和冰的结构及其在食品体系中的行为对食品的质地、风味和稳定性的的行为对食品的质地、风味和稳定性的影响。水分活度与水分吸着等温线及水影响。水分活度与水分吸着等温线及水分活度对食品稳定性的影响。食品中水分活度对食品稳定性的影响。食品中水分含量和水分活度的测定方法。分含量和水分活度的测定方法。Contents2.1 Introduction2.2 Structure of water and ice2.3 Categories of water in foods2.3 Water solute interactions2.5 Water activity and Moisture Sorption Isotherms2.6 Molecular mobility and food stability2.1 2.1 概述概述Introduction 战争之源战争之源“下一场世界大战将下一场世界大战将是对水资源的争夺是对水资源的争夺”生命之源生命之源 组成机体组成机体维持生命活动维持生命活动调节代谢调节代谢水是食品中非水是食品中非 常常重要的一种成分，重要的一种成分，也是构成大多数也是构成大多数食品的主要组分。食品的主要组分。水是唯一的水是唯一的以三种物理以三种物理状态广泛存状态广泛存在的物质。在的物质。 水对食品的结水对食品的结构、外观、外表、构、外观、外表、质地、风味以及质地、风味以及对腐败的敏感性对腐败的敏感性有着很大的影响。有着很大的影响。 各种食品都有显示其品质的特征含水各种食品都有显示其品质的特征含水量量, 如果蔬如果蔬: 75%-95%,肉类肉类:50%- 80%,面面:35%-45%,谷物谷物:10%-15%。 表 2-1 食品中的水分含量 食 品 含水量（%） 肉类 猪肉 5360 牛肉（碎块） 5070 鸡（无皮肉） 74 鱼（肌肉蛋白） 6581 水果 香蕉 75 浆果、樱桃、梨、葡萄、猕猴桃、柿子、菠萝 8085 苹果、桃、甜橙、李子、无花果 8590 蔬菜 青豌豆、甜玉米 7480 甜菜、硬花甘蓝、胡萝卜、马铃薯 8090 芦笋、青大豆、大白菜、红辣椒、花菜、莴苣、西红柿、西瓜 9095 谷物 全粒谷物 1012 面粉、粗燕麦粉、粗面粉 1013 面粉、粗燕麦粉、粗面粉 1013 乳制品 奶油 15 山羊奶 87 奶酪（含水量与品种有关） 4075 奶粉 4 冰淇淋 65 人造奶油 15 焙烤食品 面包 3545 饼干 58 馅饼 4359 糖及其制品 蜂蜜 20 果冻、果酱 35 蔗糖、硬糖、纯巧克力 0） 疏水相互作用 R(水合)+R2(水合)R2(水合)+H2O 不可比较d(G0) a. a. 大约大约121225KJ/mol25KJ/mol；b. b. 远低于单个共价键的强度；远低于单个共价键的强度；c. c. R R是烷基；是烷基；d. d. 疏水相互作用是熵驱动的，而偶极疏水相互作用是熵驱动的，而偶极- -离子和离子和偶极偶极- -偶极相互作用是焓驱动的。偶极相互作用是焓驱动的。 1.水与溶质相互作用的分类水与溶质相互作用的分类2.水与离子基团的相互作用水与离子基团的相互作用Interaction of water with Ionic groups由于水中添加可解离由于水中添加可解离的溶质，使纯水靠氢的溶质，使纯水靠氢键键合形成的四面体键键合形成的四面体排列的正常结构遭到排列的正常结构遭到破坏。对于既不具有破坏。对于既不具有氢键受体又没有给体氢键受体又没有给体的简单无机离子，它的简单无机离子，它们与水相互作用时仅们与水相互作用时仅仅是离子仅是离子- -偶极的极性偶极的极性结合。结合。在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效应（应（Net structure-breaking effect), 这些离子这些离子大多为负离子和大的正离子，如：大多为负离子和大的正离子，如：K+, Rb+, Cs+, NH4+, Cl-, Br-，I-, NO3-,BrO3-, IO3-，ClO4- 等。等。另外一些离子具有净结构形成效应（另外一些离子具有净结构形成效应（Net structure-forming effect),这些离子大多是电这些离子大多是电场强度大，离子半径小的离子。如：场强度大，离子半径小的离子。如：Li+, Na+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+，F-,OH-, 等。等。3.水与有氢键键合能力中性基团的相互作用水与有氢键键合能力中性基团的相互作用Interaction of water with neutral groups possessing hydrogen-bonding capabilitiesv水与溶质之水与溶质之间的氢键键合间的氢键键合比水与离子之比水与离子之间的相互作用间的相互作用弱。氢键作用弱。氢键作用的强度与水分的强度与水分子之间的氢键子之间的氢键相近。相近。v水能与某些基团，水能与某些基团，例如羟基、氨基、例如羟基、氨基、羰基、酰氨基和亚羰基、酰氨基和亚氨基等极性基团，氨基等极性基团，发生氢键键合。发生氢键键合。v在生物大分子的在生物大分子的两个部位或两个大两个部位或两个大分子之间可形成由分子之间可形成由几个水分子所构成几个水分子所构成的的“水桥水桥”。v结晶大分子的亲水基团间的距离是与纯水中最结晶大分子的亲水基团间的距离是与纯水中最邻近两个氧原子间的距离相等。如果在水合大分邻近两个氧原子间的距离相等。如果在水合大分子中这种间隔占优势，这将会促进第一层水和。子中这种间隔占优势，这将会促进第一层水和。木瓜蛋白酶中的三分子水桥木瓜蛋白酶中的三分子水桥十个水分子链将十个水分子链将一个一个-helix-helix（helix9helix9，211-227211-227）的一端与另一个的一端与另一个-helixhelix（helix11helix11，272-285272-285）的中段连的中段连接起来。接起来。水分子与蛋白质的二级结构结合，不仅决定蛋白水分子与蛋白质的二级结构结合，不仅决定蛋白质二级结构的精细结构，而且还决定特定的分子振质二级结构的精细结构，而且还决定特定的分子振动。通过葡糖淀粉酶（动。通过葡糖淀粉酶（ glucoamylaseglucoamylase ）的蛋白水的蛋白水解片段解片段x x射线衍射数据，得到以下结论如下图所示：射线衍射数据，得到以下结论如下图所示：4.4.水与疏水基团的相互作用Interaction of water with nonpolarsubstances水中加入疏水性物质水中加入疏水性物质疏水基团与水分疏水基团与水分子产生斥力，从而子产生斥力，从而使疏水基团附近的使疏水基团附近的水分子之间的氢键水分子之间的氢键键合增强键合增强, ,结构更为结构更为有序有序疏水基团之间相互疏水基团之间相互聚集，从而使它们与聚集，从而使它们与水的接触面积减小，水的接触面积减小，结果导致自由水分子结果导致自由水分子增多增多水在水在疏水表面的取向疏水表面的取向大多数蛋白质分子中大约大多数蛋白质分子中大约40%的氨基酸含有非极性基团。的氨基酸含有非极性基团。蛋白质的非极性基团包括丙氨蛋白质的非极性基团包括丙氨酸的甲基、苯丙氨酸的苄基、酸的甲基、苯丙氨酸的苄基、缬氨酸的异丙基、半胱氨酸的缬氨酸的异丙基、半胱氨酸的巯基、亮氨酸的仲丁基和异丁巯基、亮氨酸的仲丁基和异丁基。其他化合物例如醇类、脂基。其他化合物例如醇类、脂肪酸和游离氨基酸的非极性基肪酸和游离氨基酸的非极性基团也参与疏水相互作用。团也参与疏水相互作用。非极性物质具有两种特殊的性质非极性物质具有两种特殊的性质 ：蛋白质分子产生的蛋白质分子产生的疏水相互作用疏水相互作用（hydrophobic interaction）极性物质能和水形成极性物质能和水形成笼形水合物笼形水合物（clathratehydrates）疏水水合疏水水合Hydrophobic hydrationHydrophobic hydration&向水中添加疏水物质时，由于它们向水中添加疏水物质时，由于它们与水分子产生斥力，从而使疏水基团与水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强，附近的水分子之间的氢键键合增强，使得熵减小，此过程成为疏水水合。使得熵减小，此过程成为疏水水合。疏水相互作用疏水相互作用Hydrophobic interactionHydrophobic interaction&当水与非极性基团接触时，为减少水与非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极性实体的界面面积，疏水基团之间进行缔合，这种作用成为疏水相互作用。合，这种作用成为疏水相互作用。球状蛋白质的疏水相互作用笼形水合物笼形水合物(Clathratehydrates)是象冰一样的包含化合物，水为是象冰一样的包含化合物，水为“宿宿主主”，它们靠氢键键合形成想笼一样的结，它们靠氢键键合形成想笼一样的结构，通过物理方式将非极性物质截留在笼构，通过物理方式将非极性物质截留在笼内，被截留的物质称为内，被截留的物质称为“客体客体”。一般。一般“宿主宿主”由由20-74个水分子组成，较典型个水分子组成，较典型的客体有低分子量烃，稀有气体，卤代烃的客体有低分子量烃，稀有气体，卤代烃等。等。2.5 水分活度与吸湿等温线水分活度与吸湿等温线Water activity and Moisture Sorption isotherms2110100nnnNERHppawERH: ERH: 样品周围的空气平衡相对湿度样品周围的空气平衡相对湿度N N： 溶剂的摩尔分数溶剂的摩尔分数n n1 1： 溶剂的摩尔数；溶剂的摩尔数；n2n2：溶质的摩尔数溶质的摩尔数水分活度是指食品中水的蒸汽压和该温度下纯水水分活度是指食品中水的蒸汽压和该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值。的饱和蒸汽压的比值。 注意：注意： 1、水分活度的物理意义是表征生物组织和、水分活度的物理意义是表征生物组织和食品中能参与各种生理作用的水分含量食品中能参与各种生理作用的水分含量与总含水量的定量关系。与总含水量的定量关系。应用应用aw=ERH/100时必须注意时必须注意:aw是样品的内在品质是样品的内在品质,而而ERH是与样品中的是与样品中的水蒸气平衡时的大气性质；水蒸气平衡时的大气性质；仅当食品与其环境达到平衡时才能应用。仅当食品与其环境达到平衡时才能应用。溶质 A Aw 理想溶液 0.9823=55.51/(55.51+1) 丙三醇 0.9816 蔗糖 0.9806 氯化钠 0.967 氯化钙 0.945 A:1 千克水(约 55.51mol)溶解 1mol 溶质 2、只有当溶质是非电解质且浓度小于只有当溶质是非电解质且浓度小于1mol/L的稀溶液时的稀溶液时,其水分活度才可以按其水分活度才可以按 aw=n1/(n1+n2)计算计算:水分活度的测定方法水分活度的测定方法Measurement methods of Aw1、 冰点测定法冰点测定法先测样品的冰点降低和含水量先测样品的冰点降低和含水量,据下两式计据下两式计算算aw，其误差很小（，其误差很小（0.001 aw/） aw=n1/(n1+n2) n2=GTt / (1000.Kt) G溶剂克数溶剂克数 Tt冰点降低冰点降低() Kt水的摩尔冰点降低常数水的摩尔冰点降低常数(1.86)100ERHaw100ERHaw将已知含水量的样品置于恒温密闭小容器将已知含水量的样品置于恒温密闭小容器中中,使其达到平衡使其达到平衡,然后用电子或湿度测定仪然后用电子或湿度测定仪测样品和环境空气的平衡相对湿度测样品和环境空气的平衡相对湿度,即可得即可得aw。2、 相对湿度传感器测定法相对湿度传感器测定法 通常温度恒定在通常温度恒定在2525，扩散时间为，扩散时间为20min20min，样品量为样品量为1g1g，并且是在一种水分活度较低（并且是在一种水分活度较低（A A）和另一种水分活度较高和另一种水分活度较高(B)(B)的饱和盐溶液下分别测定样品的吸收的饱和盐溶液下分别测定样品的吸收(x)(x)或散失水分或散失水分(y)(y)的的重量，然后安下式计算：重量，然后安下式计算： aw=（Ax+By）/(x+y)置样品于恒温密闭的小容置样品于恒温密闭的小容器中器中,用一定种类的饱和盐用一定种类的饱和盐溶液使容器内的样品的环境溶液使容器内的样品的环境空气的相对湿度恒定空气的相对湿度恒定,待恒待恒定后测样品含水量的变化定后测样品含水量的变化,然后再求然后再求aw。二、水分活度与温度的关系二、水分活度与温度的关系temperature dependence 测定样品水活性时，必须标明温度，因为测定样品水活性时，必须标明温度，因为aW值值随温度而改变。经修改的克劳修斯随温度而改变。经修改的克劳修斯-科拉伯龙科拉伯龙（Clausius-Clapeyron）方程，精确地表示）方程，精确地表示aW对温对温度的相依性。度的相依性。式中：式中：T,绝对温度；绝对温度；R，气体常熟；，气体常熟；H,样品中水分样品中水分的等含量净吸着热。式（的等含量净吸着热。式（4）经多整理，符合广义的）经多整理，符合广义的直线方程。显然，以直线方程。显然，以lnaW对对1/T作图（当水分含量一作图（当水分含量一定时）应该是一条直线。定时）应该是一条直线。 aw=-kH/R（1/T）马铃薯淀粉的水分活度与温度的马铃薯淀粉的水分活度与温度的ClausiusClapeyron）关系）关系从图中可以看出：从图中可以看出：在含水量一定的情在含水量一定的情况下，水活分度的况下，水活分度的对数与绝对温度的对数与绝对温度的倒数呈良好的线性倒数呈良好的线性关系，而且水分活关系，而且水分活度对温度的相依性度对温度的相依性是含水量的函数。是含水量的函数。温度系数温度系数初始的水分活度为初始的水分活度为0.5时，在时，在240的温度范的温度范围内，湿度系数是围内，湿度系数是0.0034-1。研究结果表明，高碳水化合物食品或高蛋白研究结果表明，高碳水化合物食品或高蛋白质食品的质食品的aw的温度系数的温度系数(温度范围温度范围550，起始的起始的aw为为0.5)范围为范围为0.0030.02-1。对于不同的产品，温度改变对于不同的产品，温度改变10，则，则aw的变的变化从化从0.030.2。于是，温度变化对水分活度。于是，温度变化对水分活度的影响能改变密封在袋内或罐内的食品的稳的影响能改变密封在袋内或罐内的食品的稳定性。定性。 冰点以下水活度与温度的关系冰点以下水活度与温度的关系)(0)(0)(0()scwicescwffwppppa)(0)(0)(0)(scwicescwffwppppaP P ff ff 部分冷冻食品中水的分压部分冷冻食品中水的分压P P0 0（scwscw） 纯的过冷水的蒸汽压纯的过冷水的蒸汽压P P0 0（iceice） 纯冰的蒸汽压。纯冰的蒸汽压。 基于冷冻食品中水的分压等于相同温度下冰基于冷冻食品中水的分压等于相同温度下冰的蒸汽压。由于过冷水的蒸汽压已能测到的蒸汽压。由于过冷水的蒸汽压已能测到-15，而冰的蒸汽压可测到更低的温度，因，而冰的蒸汽压可测到更低的温度，因此，精确地计算冷冻食品的此，精确地计算冷冻食品的aw值是可能的。值是可能的。高于或低于冻结温度时样品的水活性和温度之间的关系高于或低于冻结温度时样品的水活性和温度之间的关系(1)(1)在冰点以下的温在冰点以下的温度呈线性关系。度呈线性关系。(2)(2)湿度对冰点以下湿度对冰点以下的的a aw w的影响一般远远的影响一般远远超过对冰点以上的超过对冰点以上的a aw w的影响。的影响。(3) (3) 该图在样品的冰该图在样品的冰点处不连续并产生急点处不连续并产生急剧的转折。剧的转折。 高于和低于冻结温度下高于和低于冻结温度下awaw的重要差别的重要差别在冻结温度以上在冻结温度以上, aw是样品组分与温度的函数是样品组分与温度的函数,且前且前者是主要因素者是主要因素,在冻结温度以下在冻结温度以下,aw与样品组分无关与样品组分无关,只只取决于温度取决于温度,不能根据冰点以上的不能根据冰点以上的aw预测体系中溶质预测体系中溶质的种类和含量对冰点温度以下体系发生变化的影响的种类和含量对冰点温度以下体系发生变化的影响,如扩散控制过程如扩散控制过程,催化反应等。催化反应等。冻结温度以上和以下冻结温度以上和以下aw对食品稳的影响是不同的。对食品稳的影响是不同的。在在-15的产品中的产品中(aw为为0.86)，微生物不再生长，而且，微生物不再生长，而且化学反应缓慢进行；但是在化学反应缓慢进行；但是在20与与aw 为为0.86时，一时，一些化学反应将快速进行，一些微生物将以中等速度生些化学反应将快速进行，一些微生物将以中等速度生长。长。三、水分吸湿等温线三、水分吸湿等温线Moisture Sorption Isotherms 定义：定义： 在恒定的温度下，食品的水分含量在恒定的温度下，食品的水分含量(用用单位干物质质量中水的质量表示，单位干物质质量中水的质量表示，g水水g干物质干物质)与它的水分活度之间的关系图称与它的水分活度之间的关系图称为吸附等温线（简称为吸附等温线（简称MSI）。）。高含水量食品的吸湿等温线高含水量食品的吸湿等温线低水分含量范围食品的水分吸着等温线低水分含量范围食品的水分吸着等温线MSIMSI的实际意义的实际意义 由于水的转移程度与由于水的转移程度与aw有关有关,从从MSI图可图可 以看出食品脱水的难易程度以看出食品脱水的难易程度,也可以看也可以看 出出如何组合食品才能避免水分在不同物料间如何组合食品才能避免水分在不同物料间的转移。的转移。 据据MSI可预测含水量对食品稳定性的影响。可预测含水量对食品稳定性的影响。从从MSI还可看出食品中非水组分与水结合还可看出食品中非水组分与水结合能力的强弱。能力的强弱。MSI上不同区水分特性上不同区水分特性大多数食品的大多数食品的吸湿等温线为吸湿等温线为S S形；形；而水果、糖制而水果、糖制品、含有大量品、含有大量糖和其它可溶糖和其它可溶性小分子的咖性小分子的咖啡提取物等食啡提取物等食品的吸湿等温品的吸湿等温线为线为J J形形。四、滞后现象Hysteresis定义定义: 采用采用回吸回吸(resorption)的方法绘制的的方法绘制的MSI和按和按解吸解吸(desorption)的方法绘制的的方法绘制的MSI并不互相重叠的现象称为滞后现象。并不互相重叠的现象称为滞后现象。 等温线的滞后现象等温线的滞后现象 冷冻干燥苹果片的吸着滞后现象冷冻干燥熟猪肉的吸着滞后现象冷冻干燥大米的吸着滞后现象冷冻干燥大米的吸着滞后现象滞后现象产生的原因解吸过程中一些水分与非水溶液成分作用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。而无法放出水分。不规则形状产生毛细管现象的部位不规则形状产生毛细管现象的部位,欲填满欲填满或抽空水分需不同的蒸汽压或抽空水分需不同的蒸汽压(要抽出需要抽出需P内内P外外, 要填满则需要填满则需P外外P内内)。解吸作用时解吸作用时,因组织改变因组织改变,当再吸水时无法紧当再吸水时无法紧密结合水密结合水,由此可导致回吸相同水分含量时由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的处于较高的aw。五、水分活度与食品的稳定性Water activity and food stability水分水分活度活度与食与食品的品的稳定稳定性性Microbiological stabilityMicroorganisms may grow above a given, food material specific water contentMicroorganisms do not grow at low water activitiesGrowth of microorganisms may occur in intermediate moisture foodsThere are general water activity limits for growth of molds, yeasts and bacteriaaw 0.6 xerophilic（耐干燥）（耐干燥） molds and yeasts aw 0.75 halophilic（耐盐的）（耐盐的） bacteria aw 0.8 most molds and yeasts aw 0.86 pathogenic（致病的）（致病的） bacteria水分活度与食品化学变化的关系水分活度与食品化学变化的关系1、对脂肪氧化酸败的影响对脂肪氧化酸败的影响 从极低的从极低的 aw 值开始值开始, 氧化速度随着水分氧化速度随着水分的增加而降低的增加而降低, 直到直到 aw 值接近等温线的区值接近等温线的区域域 I 和区域和区域的边界的边界; 而进一步加水就使氧而进一步加水就使氧化速度增加化速度增加，直到直到 aw 值接近区域值接近区域 与区域与区域 的边界的边界, 再进一步加水又引起氧化速度降再进一步加水又引起氧化速度降低。低。在在Aw=0-0.35范围内范围内,随随Aw的增加，反应的增加，反应速度降低的原因速度降低的原因:水与脂类氧化生成的氢过氧化物以氢键水与脂类氧化生成的氢过氧化物以氢键结合结合,保护氢过氧化物的分解保护氢过氧化物的分解,阻止氧化进阻止氧化进行。行。这部分水能与金属离子形成水合物这部分水能与金属离子形成水合物,降低降低了其催化性。了其催化性。在在Aw=0.35-0.8范围内范围内,随随Aw增加增加,反应速度反应速度增加的原因增加的原因:水中溶解氧增加。水中溶解氧增加。大分子物质溶胀大分子物质溶胀,活性位点暴露加速脂类氧活性位点暴露加速脂类氧化。化。催化剂和氧的流动性增加。催化剂和氧的流动性增加。当当Aw0.8时时,随随Aw增加增加,反应速度增加很反应速度增加很缓慢的原因缓慢的原因: 催化剂和反应物被稀释催化剂和反应物被稀释2 2、对淀粉老化的影响对淀粉老化的影响 在含水量达在含水量达 30%-60% 时时 , 淀粉老化淀粉老化的速度最快的速度最快； 如果降低含水量则淀粉老化如果降低含水量则淀粉老化速度减慢速度减慢, 若含水量降至若含水量降至10%-15% 时时, 则则水分基本上以结合水的状态存在水分基本上以结合水的状态存在, 淀粉不会淀粉不会发生老化。发生老化。 3 3、对蛋白质变性的影响对蛋白质变性的影响蛋白质变性是改变了蛋白质分子多肤链特有的有蛋白质变性是改变了蛋白质分子多肤链特有的有规律的高级结构规律的高级结构, 使蛋白质的许多性质发生改变。使蛋白质的许多性质发生改变。 因为水能使多孔蛋白质膨润因为水能使多孔蛋白质膨润, 暴露出长链中可暴露出长链中可能被氧化的基团能被氧化的基团, 氧就很容易转移到反应位置。氧就很容易转移到反应位置。 所以所以, 水分活度增大会加速蛋白质的氧化作用水分活度增大会加速蛋白质的氧化作用, 破坏保持蛋白质高级结构的副键破坏保持蛋白质高级结构的副键, 导致蛋白质变性。导致蛋白质变性。 据测定据测定, 当水分含量达当水分含量达 4% 时时 , 蛋白质变性仍能蛋白质变性仍能缓慢进行缓慢进行。 以下以下, 则不发生变性。则不发生变性。 4、 对酶促褐变的影响对酶促褐变的影响 Enzymatic Changes Several enzymatic changes do not occur at low Aw (0.25-0.3)。 Low molecular mobility does not allow enzyme and substrate rearrangements5、对非酶褐变的影响对非酶褐变的影响Non-Enzymatic Browning 当食品的水分活度在一定的范围内时当食品的水分活度在一定的范围内时, 非酶褐变随非酶褐变随着水分活度的增大而加速着水分活度的增大而加速,aw值在值在0.6-0.7之间时之间时,褐褐变最为严重变最为严重； 随着水分活度的下降随着水分活度的下降,非酶褐变就会受到抑制而减非酶褐变就会受到抑制而减弱弱； 当水分活度降低到当水分活度降低到0.2以下时以下时,褐变就难以发生。褐变就难以发生。但如果水分活度大于褐变高峰的但如果水分活度大于褐变高峰的aw值值,则由于溶质的则由于溶质的浓度下降而导致褐变速度减慢。浓度下降而导致褐变速度减慢。 在一般情况下在一般情况下, 浓缩的液态食品和中湿食品位于非浓缩的液态食品和中湿食品位于非酶褐变的最适水分含量的范围内。酶褐变的最适水分含量的范围内。 6、Flavour RetentionRetention of flavour and aroma is relatively high at low water activitiesVolatile compounds must diffuse to the surface. Diffusion is dependent on temperature and water content.Volatile compounds often become nocapsulated（不容易包裹）（不容易包裹） in food matrices at low water activities7 7、对水溶性色素分解的影响对水溶性色素分解的影响 葡萄、杏、草莓等水果的色素是水溶性葡萄、杏、草莓等水果的色素是水溶性花青素花青素, 花青素溶于水时是很不稳定的花青素溶于水时是很不稳定的,1-2 周后其特有的色泽就会消失。周后其特有的色泽就会消失。 但花青素在这些水果的干制品中则十但花青素在这些水果的干制品中则十分稳定分稳定, 经过数年贮藏也仅仅是轻微的分经过数年贮藏也仅仅是轻微的分解。解。 一般而言一般而言, 若若 aw 增大增大 , 则水溶性色素则水溶性色素分解的速度就会加快。分解的速度就会加快。低水分活度能抑制食品化学变化低水分活度能抑制食品化学变化的的机理机理 第一第一, 大多数化学反应都必须大多数化学反应都必须在水溶液中在水溶液中才才能进行能进行, 降低食品的水分活度降低食品的水分活度, 则食品中结则食品中结合水的比例增加合水的比例增加, 自由水的比例减少自由水的比例减少, 而结而结合水是不能作为反应物的溶剂的合水是不能作为反应物的溶剂的, 所以降低所以降低水分活度水分活度, 能使食品中许多可能发生的化学能使食品中许多可能发生的化学反应、酶促反应受到抑制。反应、酶促反应受到抑制。 第二第二 , 很多化学反应是属于很多化学反应是属于离子反应离子反应, 该该反应发生的条件是反应物首先必须进行离反应发生的条件是反应物首先必须进行离子化或水化作用子化或水化作用, 而发生离子化或水化作用而发生离子化或水化作用的条件必须有足够的自由水才能进行。的条件必须有足够的自由水才能进行。 第三第三, 很多化学反应和生物化学反应都必须有很多化学反应和生物化学反应都必须有水分子参加水分子参加才能进行才能进行( 如水解反应如水解反应）。若降低。若降低水分活度水分活度, 就减少了参加反应的自由水的数量就减少了参加反应的自由水的数量, 反应物反应物( 水水 ) 的浓度下降的浓度下降, 化学反应的速度也化学反应的速度也就变慢。就变慢。 第四第四, 许多以酶为催化剂的许多以酶为催化剂的酶促反应酶促反应, 水除水除了起着一种反应物的作用外了起着一种反应物的作用外, 还能作为底物向还能作为底物向酶扩散的输送介质酶扩散的输送介质,并且通过水化促使酶和底并且通过水化促使酶和底物活化。物活化。综上所述综上所述, 降低食品的降低食品的aw, 可以延缓酶促可以延缓酶促褐变和非酶褐变的进行褐变和非酶褐变的进行, 减少食品营养成减少食品营养成分的破坏分的破坏, 防止水溶性色素的分解。防止水溶性色素的分解。 但但 aw 过低过低, 则会加速脂肪的氧化酸败则会加速脂肪的氧化酸败, 还能引起非酶褐变。还能引起非酶褐变。 食品化学反应的最大反应速度一般发生食品化学反应的最大反应速度一般发生在具有中等水分含量的食品中在具有中等水分含量的食品中(aw 0.7-0.9)。 要使食品具有最高的稳定性要使食品具有最高的稳定性, 最好将最好将 aw 保持在结合水范围内。这样保持在结合水范围内。这样, 既使化学变既使化学变化难以发生化难以发生, 同时又不会使食品丧失吸水同时又不会使食品丧失吸水性和复原性。性和复原性。2.6 2.6 含水食品的水分转移含水食品的水分转移 含水食品的水分转移可分为两种情况含水食品的水分转移可分为两种情况: 一种是水分在同一食品的不同部位或在不一种是水分在同一食品的不同部位或在不同食品之间发生同食品之间发生位转移位转移, 导致了原来水分的导致了原来水分的分布状况的改变分布状况的改变; 另一种情况是食品水分的另一种情况是食品水分的相转移相转移, 特别是气特别是气相和液相水的互相转移相和液相水的互相转移, 导致了食品含水量导致了食品含水量的改变的改变, 这对食品的贮藏性及加工性和商品这对食品的贮藏性及加工性和商品价值都有极大的影响。价值都有极大的影响。 1 1、水分的位转移水分的位转移 如果食品的如果食品的温度温度 (T)或水分活度或水分活度aw不同不同, 则则水的化学势就不同水的化学势就不同,水分就要沿着水分就要沿着化学势降落的方化学势降落的方向运动向运动,从而造成食品中水分的转移。理论上讲从而造成食品中水分的转移。理论上讲, 水分的转移必须进行到食品中各部位水的水分的转移必须进行到食品中各部位水的化学势化学势完全相等完全相等才能停止。才能停止。 由于由于温差温差引起的水分转移引起的水分转移, 是食品中水分从是食品中水分从高温区域沿着化学势降落的方向运动高温区域沿着化学势降落的方向运动, 最后进入低最后进入低温区域温区域, 这个过程较为缓慢。这个过程较为缓慢。 由于由于水分活度不同水分活度不同引起的水分转移引起的水分转移,水分从水分从aw高的地方自动地向高的地方自动地向aw低的地方转移。如果把水低的地方转移。如果把水分活度大的蛋糕与水分活度低的饼干放在同一环分活度大的蛋糕与水分活度低的饼干放在同一环境中境中, 则蛋糕里的水分就逐渐转移到饼干里则蛋糕里的水分就逐渐转移到饼干里, 使两使两者的品质都受到不同程度的影响。者的品质都受到不同程度的影响。2 2、水分的相转移水分的相转移 食品中水分的相转移主要形式为食品中水分的相转移主要形式为水分蒸发水分蒸发和和蒸汽凝结蒸汽凝结。 (1)水分蒸发水分蒸发 食品中的水分由液相变为气相而散失的食品中的水分由液相变为气相而散失的现象称为食品的水分蒸发。水分蒸发对食品现象称为食品的水分蒸发。水分蒸发对食品质量有重要的影响。质量有重要的影响。 有利：有利：干燥或浓缩干燥或浓缩；不利：不利：导致新鲜的水导致新鲜的水果、蔬菜、肉禽、鱼贝果、蔬菜、肉禽、鱼贝的的外观萎焉皱外观萎焉皱。促进促进食品中水解酶的活力增强食品中水解酶的活力增强, 产品的货架寿命产品的货架寿命缩短。缩短。 (2)水水蒸汽的凝结蒸汽的凝结（对糕点不利）（对糕点不利）（1）几个概念玻璃态（玻璃态（glass state）:是聚合物的一种状态，是聚合物的一种状态，它既象固体一样有一定的形状，又象液体一样它既象固体一样有一定的形状，又象液体一样分子间排列只是近视有序，是非晶态或无定形分子间排列只是近视有序，是非晶态或无定形态。处于此状态的聚合物只允许小尺寸的运动，态。处于此状态的聚合物只允许小尺寸的运动，其形变很小，类于玻璃，因此称玻璃态。其形变很小，类于玻璃，因此称玻璃态。橡胶态橡胶态: 高聚物转变成柔软而具有弹性的固体，高聚物转变成柔软而具有弹性的固体，称为橡胶态。称为橡胶态。玻璃化温度（玻璃化温度（Tg）:非晶态食品从玻璃态到橡非晶态食品从玻璃态到橡胶态的转变称玻璃化转变，此时的温度称玻璃胶态的转变称玻璃化转变，此时的温度称玻璃化温度。化温度。 2.7 分子的移动性与食品的稳定性分子的移动性与食品的稳定性无定形（无定形（Amorphous）：）： 是物质的一种非平衡、非结晶态。是物质的一种非平衡、非结晶态。分子流动性（分子流动性（Mm）：）：是分子的旋转移动和是分子的旋转移动和平转移动性的总度量。决定食品平转移动性的总度量。决定食品Mm值的主值的主要因素是水和食品中占支配地位的非水成要因素是水和食品中占支配地位的非水成分。分。大分子缠结（大分子缠结（Macromoleculer entanglement）：）： 指大的聚合物以随机的方式相互作用，没指大的聚合物以随机的方式相互作用，没有形成化学键，有或没有氢键。有形成化学键，有或没有氢键。（2 2）二元体系的状态图（见）二元体系的状态图（见P41P41页）页）（3 3）分子淌度与食品性质的相关性）分子淌度与食品性质的相关性Relationship of Mm and food stability扩散因子扩散因子D碰撞频率因子碰撞频率因子A活化能因子活化能因子Ea决定化学反应速度决定化学反应速度a. 化学、物理反应的速率与分子淌度的关系化学、物理反应的速率与分子淌度的关系扩散限制反应：扩散限制反应：扩散因子扩散因子D对反应的影对反应的影响大于碰撞频率因子响大于碰撞频率因子A和活化能因子和活化能因子Ea的影响。的影响。 包括：包括： 质子转移反应，自由基重新结质子转移反应，自由基重新结合反应，酸碱反应，许多酶催化反应，合反应，酸碱反应，许多酶催化反应，蛋白质折叠反应，聚合物链增长，以及蛋白质折叠反应，聚合物链增长，以及血红蛋白和肌红蛋白的氧合血红蛋白和肌红蛋白的氧合/去氧合作用。去氧合作用。非扩散限制反应非扩散限制反应:扩散因子扩散因子D对反应的影对反应的影响小于碰撞频率因子响小于碰撞频率因子A和活化能因子和活化能因子Ea的影响。的影响。 包括：包括：高水分食品中的一些反应，有高水分食品中的一些反应，有些非催化的慢反应等。些非催化的慢反应等。自由体积与分子淌度的相关性自由体积与分子淌度的相关性 当温度降至当温度降至Tg时，自由体积（时，自由体积（Free volume）显著的变小，以致使聚合物链段的平动停显著的变小，以致使聚合物链段的平动停止。止。自由体积与分子淌度是正相关，减小自由体自由体积与分子淌度是正相关，减小自由体积在某种意义上有利于食品的稳定性，但积在某种意义上有利于食品的稳定性，但不是绝对的，而且自由体积目前还不能作不是绝对的，而且自由体积目前还不能作为预测食品稳定性的定量指标。为预测食品稳定性的定量指标。（4 4）Aw和Mm方法研究食品稳定性的比较二者相互补充，非相互竞争二者相互补充，非相互竞争Aw法主要注重食品中水的有效性，如水法主要注重食品中水的有效性，如水作为溶剂的能力；作为溶剂的能力；Mm法主要注重食品的微观粘度和化学组法主要注重食品的微观粘度和化学组分的扩散能力。分的扩散能力。本章小结1.水分子的结构特征：水分子的结构特征：水是呈四面体的网状结构水是呈四面体的网状结构水分子之间的氢键网络是动态的水分子之间的氢键网络是动态的水分子氢键键合程度取决于温度水分子氢键键合程度取决于温度2.水分子的缔合：水分子的缔合：由于每个水分子具有相由于每个水分子具有相等数目的氢键给体和受体，能够在三维空等数目的氢键给体和受体，能够在三维空间形成氢键网络结构。间形成氢键网络结构。3.冰：冰：是由水分子有序排列形成的结晶，是由水分子有序排列形成的结晶，有有11种晶型，其中六方冰晶是最稳定的。种晶型，其中六方冰晶是最稳定的。4. 水的结构模型：水的结构模型：混合模型混合模型连续结构模型连续结构模型填隙结构模型填隙结构模型5.化合水：化合水：与非水组分紧密结合并作为食与非水组分紧密结合并作为食品组分的那部分水。品组分的那部分水。 特点：特点：在在-40下不结冰。下不结冰。无溶解溶质的能力。无溶解溶质