第二章-水综述优秀PPT.ppt

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1、其次章其次章 水水本本章章主主要要内内容容食品中水分的意义和功能水分活度和状态及在食品中组成水与溶质的相互作用水分活度与食品的稳定性分子流淌性和食品稳定性 一、食品中水的意义和功能 1、食品工艺学方面的功能从食品理化性质方面，水在食品中起着溶解、分散蛋白质、淀粉等水溶性成分的作用，使它们形成溶液和凝胶从食品质地方面，水对食品的鲜度、硬度、流淌性、呈味性、耐贮藏性和加工适应性都有重要的影响从食品平安性方面，水是微生物繁殖的必要条件从食品工艺的角度方面，水起着膨润、浸透、匀整化等功能 2、水在食品生物学方面的功能水是体内化学作用的介质，亦是化学反应的反应物和产物，是组织或细胞所需养分和代谢物质以及

2、排泄物质转运的载体水的比热大，是体温良好的稳定剂水是构成机体的重要成分水可以对机体内的机械摩擦产生润滑，削减损伤二、二、食品中水的组成食品中水的组成食品中食品中水分的水分的存在状存在状态态1、化学结合水2、物理-化学结合水3、机械结合水结合水体相水和游离水三、食品中水分的存在状态三、食品中水分的存在状态水体相水自由水游离水结合水毛细管水能结冰，但冰点有所下降能结冰，但冰点有所下降 溶解溶质的实力强，干燥时易被除去溶解溶质的实力强，干燥时易被除去与纯水分子比较平均运动接近与纯水分子比较平均运动接近很适于微生物生长和大多数化学反应很适于微生物生长和大多数化学反应易引起食品的腐败变质，但与食品的风味

3、及功易引起食品的腐败变质，但与食品的风味及功能性紧密相关。能性紧密相关。在在-40下不结冰下不结冰 无溶解溶质的实力无溶解溶质的实力 与纯水分子比较平均运动为零与纯水分子比较平均运动为零 不能被微生物利用不能被微生物利用四、食品中水分的表示方法四、食品中水分的表示方法食品中的平衡水分定义：当食品内部的水蒸气定义：当食品内部的水蒸气压与外界空气的水蒸气压在压与外界空气的水蒸气压在确定温度和湿度下达成平衡确定温度和湿度下达成平衡时时,食品中的含水量保持确食品中的含水量保持确定的数值。定的数值。干基表示：水分占食品干物总干基表示：水分占食品干物总 质量的百分数。质量的百分数。湿基表示：水分占含水食品

4、总湿基表示：水分占含水食品总 质量的百分数。质量的百分数。五、五、水分子的缔合水分子的缔合l水分子的极性产生分子间的吸引力水分子的极性产生分子间的吸引力l水分子间较大的吸引力不仅是大的偶极矩，而是水分子之水分子间较大的吸引力不仅是大的偶极矩，而是水分子之间的缔合作用间的缔合作用l水分子的三维空间结构，即每个水分子最多能与其它水分子的三维空间结构，即每个水分子最多能与其它4个个水分子形成氢键水分子形成氢键l三维空间的形成是由于每个水分子具有相等数目氢键的供三维空间的形成是由于每个水分子具有相等数目氢键的供体和受体部分体和受体部分l水的三维氢键实力使得水具有一些特殊的性质水的三维氢键实力使得水具有

5、一些特殊的性质l水的介电常数高与氢键有关水的介电常数高与氢键有关六、水溶质的相互作用u宏观水平：从宏观上反映水与包括细胞物质在内的亲水物u 质缔合的一般倾向，用水结合的程度表示这种u 倾向u影响水结合程度取决于很多因素：非水成分的本质、盐的u 组成、pH和温度u持水力：描述由分子构成的机体通过物理方式截留大量水u而阻挡水渗出的实力u持水力的损害造成食品质量下降：凝胶食品的脱水收缩；冷冻食品解冻时渗水；动物屠宰后生理变更使肌肉的pH下降导致肉品变质六、水溶质的相互作用u分子水平：溶质和水混合时同时变更这两个成分的性质u亲水溶质会变更邻近水的结构和流淌性、反应性u疏水溶质仅与邻近的水分子有微弱的作

6、用，所以，在反应体系中优先选择非水环境u离子和有机离子的离子基团在阻碍水分子流淌的程度上超过任何其他类型的溶质uH2O-离子键的强度大于氢键一、水与离子基团的相互作用水与离子、离子基团的相互作用水与离子、离子基团的相互作用 水与简洁无机离子产生偶极离子的相互作用，作用强度相对于氢键较强溶质对水结构的影响净结构破坏效应净结构破坏效应（Net structure-breaking effect）在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效应(Netstructure-breaking effect),此时溶液具有比纯水较好的流淌性,这些离子大多为单价离子和大的正离子，产生较弱的电场，它们是净结构破坏体，破

7、坏了水的正常结构。如：K+Rb+Cs+NH 4+Cl-Br-I-NO 3-BrO 3-IO 3-ClO 4-等净结构形成效应净结构形成效应（Net structure-forming effect）另外一些离子具有净结构形成效应（Net structure-forming effect)，此时溶液具有比纯水较差的流淌性，这些离子大多是小离子和多价离子，电场强度大，离子半径小，是净结构形成体。如：Li+Na+Ca 2+Ba 2+Mg 2+Al 3+F-OH-等 如何推断离子对水结构的影响？如何推断离子对水结构的影响？结论：结论：离子半径小离子半径小/多价离子产生强电场，产生净结构形成效应多价离子

8、产生强电场，产生净结构形成效应 离子半径大离子半径大/单价离子产生弱电场，产生净结构破坏效应单价离子产生弱电场，产生净结构破坏效应 水与具有氢键形成实力的中性基团的相互作用水与具有氢键形成实力的中性基团的相互作用 u水与非离子、亲水性溶质之间的相互作用弱于水与水与非离子、亲水性溶质之间的相互作用弱于水与离子的相互作用离子的相互作用u 能形成氢键的溶质或许增加（不会破坏）纯水结构能形成氢键的溶质或许增加（不会破坏）纯水结构u假如与溶质形成氢键部位的分布和定向在几何上与假如与溶质形成氢键部位的分布和定向在几何上与正常水的氢键部位是不相容的，具有结构破坏效应正常水的氢键部位是不相容的，具有结构破坏效

9、应u水能和各种潜在的适宜的基团形成氢键（羟基、氨水能和各种潜在的适宜的基团形成氢键（羟基、氨基、羰基、酰胺基、亚氨基）基、羰基、酰胺基、亚氨基）u生物大分子中，有很多可与水分子形成氢键的基团，生物大分子中，有很多可与水分子形成氢键的基团，水分子介入形成的氢键对生物大分子的结构与功能水分子介入形成的氢键对生物大分子的结构与功能及食品功能性都有重要的影响。及食品功能性都有重要的影响。水与非极性物质的相互作用水与非极性物质的相互作用 疏水水合(Hydrophobic hydration)：当水与非极性物质混合，明显是对热力学不利过程（G0）。由于非极性物质与水分子产生斥力，从而使疏水基团旁边的水分子

10、之间的氢键键合增加，使熵减小，此过程成为疏水水合 疏水水合作用的结果：是促进了非极性物质之间的缔合，从而削减水与非极物质的界面面积，这是热力学上有利的过 程（G0），此过程称为疏水相互作用（Hydrophobic interaction）。R（水合）+R（水合）R 2（水合）+H 2 O R为非极性基团疏水相互作用（Hydrophobic interaction)示意图 当水与非极性基团接触时，为削减水与非极性实体的界面面积，疏水基团之间进行缔合，这种作用称为疏水相互作用（1）（2）笼状水合物（Clathrate hydrates)笼状水合物是水对一种非极性物质的响应，通过氢键键合形成一处象笼

11、子那样的结构。此结构中，水为“宿主”，它们靠氢键键合形成象笼一样的结构，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“客体”。一般“宿主”由2074个水分子组成，较典型的“客体”有低重量烃，稀有气体，卤代烃等。在生物物质中最典型的就是，在暴露的蛋白质分子中的疏水基团的四周存在有笼状结构。水与双亲分子的相与作用 双亲分子的特征是在同一分子中同时存在亲水和疏双亲分子的特征是在同一分子中同时存在亲水和疏水基团水基团,例如：脂肪酸盐、蛋白脂质、糖脂、极性脂例如：脂肪酸盐、蛋白脂质、糖脂、极性脂类和核酸类和核酸 水与双亲分子的亲水部位羧基、磷酸基羰基或一些含水与双亲分子的亲水部位羧基、磷酸基羰基

12、或一些含氮基团的缔合导致双亲分子氮基团的缔合导致双亲分子“增溶增溶”现象出现现象出现 水与双亲分子的相与作用蛋白质的水合作用蛋白质的水合作用 蛋白质的水合过程与蛋白质的性质 A、当水分很少时，蛋白质中水合主要以缔合方式存在，在含水量为0.38g H2O/g干蛋白质，Aw是0.85时,达到了蛋白质的单分子层水合。B、随着水分活度的增加,蛋白质的结构也有不同，这对蛋白质的食品功能性将产生较大影响。C、随着水分活度的增加，溶菌酶活性也不同，当有体相水存在时，才表现出较明显的酶活性。这对理解食品保藏及加工有重要意义。七、水分活度（Aw）与相对蒸汽压u食品的水分含量和它的腐败性之间存在着确定的关系u在评

13、价食品中水分时，除了留意水分的含量外，更留意水的存在状态u在食品加工中，浓缩和脱水的目的是降低食品的水分含量，同时提高溶质的溶度并降低食品的腐败性u不同食品水分含量相同，但腐败程度显著不同u水与非水成分的缔合的程度有很大的差异u水分含量不是食品腐败的牢靠指标u水分活度比水分含量能更牢靠地预示食品的稳定性、平安性和其他性质食品中水分活度与水分含量的关系Aw=0.7 时若干食品中的含水量（时若干食品中的含水量（g水水/g干物质）干物质）食品含水量食品含水量食品含水量凤梨0.28干淀粉0.13鱼肉0.21苹果0.34干马铃薯0.15鸡肉0.18香蕉0.25大豆0.10水分活度（Aw）水分活度能反映水

14、与各种非水成分缔合的强度可用下式表示：Aw=P/Po p为某种食品在密闭容器中达到平衡状态时 的水蒸汽分压；p o 为在同一温度下纯水的饱和蒸汽压 水分活度（Aw)在数值上等同于空气的平衡相对湿度：Aw=P/Po=ERH%水分活度的物理意义应用:Aw=ERH%必需留意:Aw 是样品的内在品质,而ERH是与样品平衡的大气性质 只有当食品与它的环境达到平衡时此式才能成立是反映水与各种非水成分缔合的强度，同时表征生物组织和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八、水分活度对微生物生长的影响 A w 范围在此范围内的最低a w 值一般能抑制的微生物 1.000.95 假单胞菌属、埃希氏

15、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、产生荚膜杆菌、几种酵母 菌 0.950.91 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)0.910.87许多酵母菌(假丝酵母、汉逊氏酵母属、球拟酵母属)、微球菌 属 0.870.80大多数霉菌(产霉菌毒素的青霉菌)金黄色葡萄球菌、德巴利氏 酵母 0.800.75大多数霉菌(产霉菌毒素的青霉菌)金黄色葡萄球菌、德巴利氏 酵母 0.750.65嗜干性霉菌、双孢子酵母 0.650.60嗜高渗酵母(Saccharomyces rouxii)、几种霉菌(二孢红曲霉，Aspe

16、rgillus echinulatus)Monascusbiporus 0.50微生物不繁殖 0.40微生物不繁殖 0.30微生物不繁殖 0.20微生物不繁殖 九、水分吸湿等温线（Moisture Sorption Isotherms，MSI）在恒温条件下，食品的平衡含水量与外界空气相对湿度（或Aw）之间的关系，称为水分吸着等温线（MSI）假如食品的Aw值低于环境的相对湿度，则食品沿着吸附等温线湿；假如食品 的Aw值高于环境的相对湿度，则食品沿着解吸等温线散湿 宽水分含量范围食品的水分吸着等温线 为了深化理解吸着等温线的含义和实际应用，可将右图中的曲线 分成三个区间。下面分别叙述每个区间水的主

17、要特性：相当于等温线区间I中的水，是食品中吸附最坚固和最不简洁移动的水，靠水-离子或水-偶极相互作用吸附在极性部位，蒸发焓比纯水大得多，在-40时不结冰，不具有溶解溶质的实力，对食品的固形物不产生增塑效应，微生物不能利用。低水分含量范围食品的水分吸着等温线 等温线区间的水分活度比较高。由于多孔性食品材料在吸附了多分子层水分后，孔径变细，会发生水蒸气在毛细管中自动凝合。因此，食品在高水分活度下，相对湿度略微增大，就会引起食品含水量急剧增高，曲线又猛烈地靠向纵坐标。区间范围内增加的水是食品中结合最不牢和最简洁流淌的水，一般称之为体相水或自由水。了解和测定了解和测定MSI的意义在于：的意义在于：A、

18、在浓缩和干燥食品过程中除去水的难易程度与、在浓缩和干燥食品过程中除去水的难易程度与Aw有关；有关；B、配制食品，避开水分在不同物料间的转移；、配制食品，避开水分在不同物料间的转移；C、不同食品包装对包装材料阻湿性的要求；、不同食品包装对包装材料阻湿性的要求；D、预料微生物生长及食品稳定性；、预料微生物生长及食品稳定性；E、预料食品的化学及物理的稳定性。、预料食品的化学及物理的稳定性。水分含量范围食品的水分吸着等温线水分含量范围食品的水分吸着等温线 因此，在低温低湿度的环境条件下，干燥食品是比较稳定的。也可以简洁地将这部分水看作为固体的一部分,也可以理解为是结合水。当含有相当于等温线区间I和区间

19、边界位置，食品中水含量增加时，所增加的这部分水将会使溶解过程起先，并且具有增塑剂和促进基质溶胀的作用。由于溶解作用的起先，引起体系中反应物移 动，使大多数反应的速度加快。在含水量高的食品中，属于等温线 区间I和区间的水一般占总含水量的5以下。随着水含量的进一步增加，增加部分的水主要通过氢键与相邻的水分子和溶质分子缔合使溶解过程的反应速度增加，此时区的体相水是被截留或自由流淌的，通常占高水分食品总水分的95%以上。MSI 上不同区水分特性区I区II区III区A w含水量%冷冻能力溶剂能力水分状态微生物利用 0-0.2 1-6.5不能冻结无单分子层水不可利用 0.2-0.85 6.5-27.5不能

20、冻结轻微-适度多分子层水部分可利用 0.85 27.5正常正常体相水可利用上图提示：不同的食品由于 其化学组成和组织结构 的不同,具有不同的MSI1.糖果（主要成分为蔗糖粉）；2.喷雾干燥苣菊根提取物；3.焙烤后的咖啡；4.猪胰脏提取物 5.自然稻米淀粉6.注：1表示40时的曲线，其余的均为20。十、水分活度与食品的稳定性 水分活度与温度的关系：在确定的水分含量范围内：lnAw与1/T是一种线性关系。起始Aw为0.5，温度系数在240范围内是 0.0034/。从左图得出如下结论：1、从水分含量4%到 25%，Aw与温度（550 ）关系为直线；2、水分含量少时，温度所引起的Aw变更小。（十二）水

21、分吸着等温线与温度的关系 提示：MSI 与温度有亲密的关系，同一食品水分含量，温度愈高，Aw也愈大。亦即食品的Aw随温度的提高而高在不同温度下马铃薯的水分解吸等温线 左图提示：1、Aw与温度关系在冰点以下是线性关系；2、温度对Aw的影响在 冰点以下远大于在冰点以上：3、在冰点处出现折断；4、比较冰点上下温度对Aw影响时要留意两点：其一是在冰点以上温度时，试样成分对 Aw影响较大；其二是 在冰点下Aw的变更仅 与温度有较大关系。从左图可知，除非酶氧化在 Aw0.3时有较高反应外，其他反应均是Aw愈小速度愈小。也就是说，c对多数食品而言，低 Aw有利于食品的稳定性。低水分活度稳定食品的缘由 水与脂

22、类氧化生成的氢过氧化物以氢键结合,爱护氢过氧化物的分解,阻挡氧化进行。另外，在Aw=0.33时，这部分水能与金属离子形成水合物,降低了其催化活性。1、对脂肪氧化酸败的影响 在在A w=0-0.33范围内范围内,随随A w,反反 应速应速度度 的缘的缘由由水分过低，一些活性基团暴露，不能使过氧化物及金属离子水合作用，脂肪氧化加快；水分过高，脂肪氧化机理目前还不成熟。2、对淀粉老化的影响 食品在较高Aw（3060%）的状况下，淀粉老化速度快；假如降低 Aw，则老化速度减慢，若含水量降至10%15%，食品中水分呈结合态，淀粉几乎不发生老化。3、对蛋白质变性的影响 水分能使蛋白质膨润，体积增大，暴露出

23、长链中可氧化的基团，Aw 的增大会加速蛋白质的氧化，破坏蛋白质结构，导致其变性。4、对化学及生物化学反应速度的影响 大多化学反应是在水溶液中进行，Aw愈大，自由水增多，有利于反应进行；很多酶促反应须要水的介入和活化。其次章 水（复习与思索）一、基本概念：水分活度、自由水、结合水、冻结、相对蒸汽压、持水力、吸附等温线、净结构破坏效应、净结构形成效应、笼状化合物二、回答问题：1、水分活度的表示方式和物理意义2、食品中水分含量和水分活度有何不同3、食品中水分的表示方法4、说明水分子的缔合现象使得水具有哪些特殊性质5、说明持水力在食品加工中的作用6、食品体系中，双亲分子包括哪些？有什么特性7、论述水分活度与食品稳定性的关系8、吸附等温线的定义和实际意义9、水分活度对微生物生长有何影响10、为什么说食品中水分含量不是食品腐败的牢靠指标11、水作为溶剂在食品加工中起到那些作用