第二章-水分1..ppt

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1、第二章第二章 水分（水分（water）1.2 冰和水的结构与性质冰和水的结构与性质1.3 食品中水的存在状态食品中水的存在状态1.4 水分活度水分活度1.5 吸湿等温线吸湿等温线1.6 水分活度与食品的稳定性水分活度与食品的稳定性1.1 概述概述1.7 冰在食品稳定性中的作用冰在食品稳定性中的作用1.8 含水食品的水分转移含水食品的水分转移1.9 分子流动性与食品稳定性分子流动性与食品稳定性1.1 概述概述一 水在生物体内的功能 热容量大，调节体温 体内化学介质，使生物化学反应顺利进行 营养物质，代谢载体 稳定生物大分子构象，使其表现特异的生物活性 润滑作用 此外，具有镇痛、强壮效果、保护眼睛

2、、降脂减肥 美容等功效。是食品的组成成分。是食品的组成成分。从食品的理化性质上讲，水在食品中起着溶解分散蛋从食品的理化性质上讲，水在食品中起着溶解分散蛋白质、淀粉等可溶性成分的作用，使它们形成溶液或白质、淀粉等可溶性成分的作用，使它们形成溶液或凝胶。凝胶。从食品品质方面讲，对食品的鲜度、硬度、流动性、从食品品质方面讲，对食品的鲜度、硬度、流动性、风味等方面都有重要的影响，水的质量关系到产品的风味等方面都有重要的影响，水的质量关系到产品的质量。质量。从食品的安全性方面讲，水是微生物繁殖的必须条件。从食品的安全性方面讲，水是微生物繁殖的必须条件。从食品工艺角度讲，水起着膨润、浸透、均匀化的功从食品

3、工艺角度讲，水起着膨润、浸透、均匀化的功能。能。二 水在食品中的作用Y高的熔点和沸点，具有很大的表面张力、热容高的熔点和沸点，具有很大的表面张力、热容以及相变热值。（冷冻、干燥）以及相变热值。（冷冻、干燥）Y介电常数大。（良好的溶剂）介电常数大。（良好的溶剂）Y水的密度较小，水在凝固时具有异常的膨胀性。水的密度较小，水在凝固时具有异常的膨胀性。（食品冻结）（食品冻结）Y水的黏度低，具有流动性。水的黏度低，具有流动性。Y水的热导率较大，水的热导率较大，而而00时冰的热导率为同温时冰的热导率为同温下水的热导率的下水的热导率的4 4倍；冰的热扩散性系数约为倍；冰的热扩散性系数约为水的水的9 9倍倍三

4、 水和冰的物理特性结冻快还是解冻快？结冻快还是解冻快？1.2 水和冰的结构与性质水和冰的结构与性质一 水分子的结构水分子结构特点水分子结构特点l以氧为中心的四面体结构，O-H键间的键角为104.5度，水分子是极性分子。lO-H具有离子性，水分子可以电离。l氧的另外两对孤对电子有静电力。二 水分子的缔合水分子缔合的原因水分子缔合的原因:lH-O键间电荷的非对称分布使H-O键具有极性,这种极性使分子之间产生引力.l由于每个水分子具有数目相等的氢键供体和受体,因此可以在三维空间形成多重氢键.水分子缔合原因水分子缔合原因l氢键 l良好的溶剂性能l水分子可移动 l水分子之间的缔合程度和分子间的距离 每个

5、水分子都参与了和其他4个水分子形成三维空间的多重氢键缔合，因此具有高的沸点、熔点、热容和相变热等。水分子簇产生了多分子偶极，有效地提高了水的介电常数，所以具有溶剂性，可以促进电解质电离。三维氢键网络中的每一个水分子是可移动的，它们快速地切断一个氢键，同时形成新的氢键网，因此水具有流动性，黏度较低。水分子之间的缔合程度增加，密度增加，分子距离增加，密度减小。0-3.980-3.98：缔合程度起决定作用，：缔合程度起决定作用，所以，在这个范围内，随温度升高，所以，在这个范围内，随温度升高，密度增加，在密度增加，在3.983.98时，密度最大；时，密度最大；在在3.983.98以上：水分子之间的距离

6、以上：水分子之间的距离占主导地位，密度又随温度的升高而占主导地位，密度又随温度的升高而降低。降低。结构结构性质性质l混合模型：分子间氢键短暂的浓集于成簇的水分子之间，成簇的水分子与其他更密集的水分子处于动态平衡。l连续模型：分子键氢键均匀的分布于整个水样，水分子的连续网络结构成动态平衡l填隙式模型：水保留在似冰状或笼状结构中，个别的水分子填充在笼状结构的缝隙中。三 液态水的结构模型四 冰的结构和性质l冰是由水分子有序排列形成的结晶。水分子之间靠氢键连接构成非常疏松的刚性结构。l0是冰中水分子的配位数等于4l常压和0时，普通正六方晶系的冰晶体最稳定（11种结构）l冷冻食品中四种冰晶体结构，即六方

7、形、不规则树枝状、粗糙的球形、易消失的球晶水的过冷现象水的过冷现象supercooling l结晶时，实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。在一定压力下,当液体的温度已低于该压力下液体的凝固点,而液体仍不凝固的现象叫液体的过冷现象(supercooled phenomena of liquid)。l液体越纯，过冷现象越明显。高纯水-40摄氏度才开始结冰。l当具备凝固所需物质，例如投入少许固体，或摇晃液体，都能让液体迅速凝固。1.3 食品中水的存在状态食品中水的存在状态一 水与溶质的相互作用类类 型型实实 例例作用强度作用强度（与水（与水-水氢键比）水氢键比）偶极偶极-离子离子水水-游离离子游离离

8、子水水-有机分子上的带电基团有机分子上的带电基团较大较大偶极偶极-偶极偶极水水-蛋白质蛋白质NHNH水水-蛋白质蛋白质COCO水水-侧链侧链OHOH近似相等近似相等偶极偶极-疏水疏水性物质性物质水水RRRR（水合的）（水合的）R R（水合的）（水合的）R R（水合的）（水合的）R R2 2（水合的）水（水合的）水疏水水合疏水水合G0G0疏水相互作用疏水相互作用G0G0（1 1）水与离子和离子基团的相互作用）水与离子和离子基团的相互作用（偶极-离子）l净结构形成效应：离子是电场强度较强、离子半径小的离子或多价离子，它们有助于水形成网络结构，因此这类离子的水溶液比纯水的流动性小，也就是这种溶液中离

9、子间的结构要比纯水的结构要稳定。l净结构破坏效应：离子一般为低价离子，离子半径较大，这些离子能阻碍水形成网络结构，因此这种溶液比纯水的流动性要大。l离子水合作用离子水合作用（2 2）水与具有氢键键合能力的中性基团）水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用（的相互作用（偶极-偶极）许多食品成分，如蛋白质、多糖、果胶等，其结构含有大量的极性基团，羟基、羧基、氨基、羰基等氨基、羧基呈解离状态的极性基团均与水有较强的结合；而羟基、酰胺基等非解离基团与水之间结合较弱（3 3）水与非极性物质的相互作用）水与非极性物质的相互作用（偶极-疏水性物质）l笼形水合物笼形水合物:指水通过氢键形成笼状结构，将非极性小

10、分子包在里面，通常由20-74个水分子组成笼形结构。l水与蛋白质分子中的疏水基团的疏水作用水与蛋白质分子中的疏水基团的疏水作用:大多数蛋白质分子中，大约有40的氨基酸含有非极性基团，这些疏水基团就会缔合产生疏水相互作用。二 水的存在状态食品中水结 合 水Bound water化合水compound water邻近水vicinal water多层水multilayer water滞化水entrapped water毛细管水capillary water自由流动水free flow water体 相 水Bulk water1.4 水分活度水分活度 water activity一 水分活度的定义食品

11、的水分含量食品的腐败性食品的水分含量食品的腐败性 A 存在相关性存在相关性 B 但发现水分含量相同，腐败性显著不同但发现水分含量相同，腐败性显著不同 水分含量不是一个腐败性的可靠指标 水分活度水分活度Aw A 水与非水成分缔合强度上的差别水与非水成分缔合强度上的差别 B 比水分含量更可靠，也并非完全可靠比水分含量更可靠，也并非完全可靠 C 与微生物生长和许多降解反应具有相关性与微生物生长和许多降解反应具有相关性f 溶剂（某种溶液）的逸度溶剂（某种溶液）的逸度 f0纯溶剂（水）的逸度纯溶剂（水）的逸度 逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势 严格严格差别差别1%仅适合理想溶液仅适合

12、理想溶液RVP,相对蒸汽压相对蒸汽压水分活度值介于水分活度值介于0l之间之间。ERH（equilibrium relative humidity）是样品周）是样品周围的空气平衡相对湿度，它是与样品达到平衡时的围的空气平衡相对湿度，它是与样品达到平衡时的大气性质。大气性质。水分活度的意义水分活度的意义:水分活度表示生物组织与食品水分活度表示生物组织与食品中能参与生物活动和化学反应的水分含量。中能参与生物活动和化学反应的水分含量。aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)水分活度：是指食品中水的蒸汽压与水分活度：是指食品中水的蒸汽压与该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值，该温度下纯水的饱和

13、蒸汽压的比值，可用可用冰点测定法冰点测定法相对湿度传感器测定法相对湿度传感器测定法恒定相对湿度平衡室法恒定相对湿度平衡室法二 水分活度的几种测量方法：比较冰点以上与冰点以下的Aw时，应注意：1 在冰点以上的温度时，水分活度是食品组成和温度的函数，并以食品的组成为主。在冰点以下时，水分活度只与温度有关。2 冰点上下，对于食品的稳定性，Aw值意义不同。3 冰点上下，Aw值无法互相预测。三三 水分活度与温度之间的关系水分活度与温度之间的关系在一定温度范围，Aw与1/T呈负相关关系llnAwlnAw=-kH/R(1/T)=-kH/R(1/T)1.5 水分吸湿等温线水分吸湿等温线（1）定义定义moist

14、ure sorption isotherms：（：（MSI）是指）是指在恒定温度下，食品的水分含量与它的水分活度之间在恒定温度下，食品的水分含量与它的水分活度之间的关系图。的关系图。一一 吸湿等温线及分区吸湿等温线及分区区的水的性质区的水的性质 最强烈地吸附最强烈地吸附 最少流动最少流动 水离子或水偶水离子或水偶极相互作用极相互作用 在在-40-40不结冰不结冰 不能作为溶剂不能作为溶剂 看作固体的一部分看作固体的一部分 化合水和邻近水化合水和邻近水 占总水量极小部分占总水量极小部分 BETBET单层单层 区区和和接界接界 0.07g H0.07g H2 2O/gO/g干物质干物质 Aw=0-

15、0.25Aw=0-0.25相当于一个干制品能相当于一个干制品能呈现最高的稳定性时含呈现最高的稳定性时含有的最大水分含量有的最大水分含量区的水的性质区的水的性质l通过氢键与相邻的水通过氢键与相邻的水 分子和溶质分子缔合分子和溶质分子缔合 l流动性比体相水稍差流动性比体相水稍差 l大部分在大部分在-40-40不结冰不结冰 l导致固体基质的初步肿胀导致固体基质的初步肿胀 l多层水多层水l大部分化学反应速度加快大部分化学反应速度加快l区区和区和区的水占总的水占总 水分的水分的5%5%以下以下区的水的性质区的水的性质(1)体相水(2)被物理截留或自由的(3)宏观运动受阻(4)性质与稀盐溶液中的水类似，占

16、总水分的95%以上,可以结冰，冰点要低(5)可作溶剂，利于化学反应微生物生长l在浓缩和干燥过程中样品脱水的难易程度与相对蒸汽压的关系。l应当如何组合食品才能防止水分在各配料之间的转移。l测定包装材料的阻湿性。l可以预测多大的水分含量时才能够抑制微生物的生长。l预测食品的化学和物理稳定性与水分含量的关系l可以看出不同食品中非水组分与水结合能力的强弱。吸湿等温线的意义l水分活度依赖于温度，MSI也与温度有关，在一定水分含量时，水分活度随温度上升而增大。MSI温度l(1)定义：样品的吸湿等温线和解吸等温线不完全重叠的现象。通常吸湿等温线的绘制是通过向干燥样通常吸湿等温线的绘制是通过向干燥样品中添加水

17、而得到的，因此我们也常把品中添加水而得到的，因此我们也常把这个过程叫这个过程叫回吸作用。如果把这个吸满水的样品再进行干燥，如果把这个吸满水的样品再进行干燥，同样又可以得到一条曲线，我们把这条同样又可以得到一条曲线，我们把这条线叫线叫解吸曲线。二二 滞后现象滞后现象 hysteresishysteresis一般来说，当一般来说，当AwAw一定时，一定时，解吸过程中食品的水分解吸过程中食品的水分含量大于回吸过程中水含量大于回吸过程中水分含量。分含量。解吸线在上方解吸线在上方滞后环形状取决于滞后环形状取决于食品品种食品品种 解吸速度解吸速度脱水程度脱水程度温度温度食品发生的物理变食品发生的物理变化化

18、空气干燥的苹果片空气干燥的苹果片冷冻干燥的熟猪肉冷冻干燥的熟猪肉（2 2）滞后现象产生的原因）滞后现象产生的原因扩散势垒、平衡对时间的依赖性扩散势垒、平衡对时间的依赖性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,欲填满或欲填满或抽空水分需不同的蒸汽压抽空水分需不同的蒸汽压(要抽出需要抽出需P P内内P P外外,要填满则需要填满则需P P外外 P P内内)-)-毛细管现象毛细管现象解吸作用时解吸作用时,因因组织改变组织改变,当再吸水时无法紧密当再吸水时无法紧密结合水结合水,由此可导致回吸相同水分含量时处于由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的较高的a aw w（3 3）滞后现象

19、的现实意义）滞后现象的现实意义l鸡肉和猪肉鸡肉和猪肉Aw=0.75Aw=0.750.840.84，采用解吸调，采用解吸调整整AwAw时脂肪氧化速度高于回吸时脂肪氧化速度高于回吸 。这是因。这是因为为AwAw一定，解吸样品的水分含量高于回吸一定，解吸样品的水分含量高于回吸J1不同微生物的生长对水分活度的要求不同：大多数的细菌大多数的细菌 0.99-0.940.99-0.94，大多数霉菌大多数霉菌 0.94-0.80.94-0.8之间；之间；大多数耐盐细菌大多数耐盐细菌 0.750.75；耐干燥霉菌和耐高渗透压酵耐干燥霉菌和耐高渗透压酵母母 0.65-0.60.65-0.6；低于低于0.60.6时

20、，绝大多数的微生时，绝大多数的微生物是无法生长的。物是无法生长的。1.6 水分活度与食品的稳定性水分活度与食品的稳定性一一 水分活度与微生物的关系水分活度与微生物的关系 2 不同阶段对水分活度的阈值的要求不同细菌，它在形成芽孢时的水分活度比繁殖生长时所需的水分活度值要高 霉菌孢子发芽的aw阈值则低于孢子发芽后菌丝生长所需的aw值 微生物产生毒素时所需的aw阈值则高于生长时所需的aw数值食品中水分活度与微生物生长食品中水分活度与微生物生长l（1）对脂肪氧化酸败的影响）对脂肪氧化酸败的影响水能与脂肪氧化的自由基反水能与脂肪氧化的自由基反应中的氢过氧化物形成氢键应中的氢过氧化物形成氢键 水能与金属离

21、子形成水合物水能与金属离子形成水合物 水增加了氧的溶解度水增加了氧的溶解度 脂肪分子肿胀脂肪分子肿胀 催化剂和氧的流动性增加催化剂和氧的流动性增加 l催化剂和反应物的浓度被稀释催化剂和反应物的浓度被稀释二二 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（2）水分活度对非酶褐变的影响水分活度对非酶褐变的影响在一定的水分活度范围内，反在一定的水分活度范围内，反应速度随水分活度的值增大而增应速度随水分活度的值增大而增大大在水分活度在在水分活度在0.2以下，反应通以下，反应通常不会发生常不会发生而当水分活度过大时（大于而当水分活度过大时（大于0.7）反应速度下降。）反应速度下降。（3）对淀

22、粉老化的影响：）对淀粉老化的影响：3060 老化的速度最快老化的速度最快1015 淀粉不会发生老化淀粉不会发生老化（4）对蛋白质变性的影响：）对蛋白质变性的影响：含水量低于含水量低于2%，阻止蛋白质变性；含水量大于，阻止蛋白质变性；含水量大于4%，水分活度增大会，水分活度增大会加速蛋白质的氧化作用加速蛋白质的氧化作用,导致蛋白质变性导致蛋白质变性（5）对酶促褐变的影响：）对酶促褐变的影响：当当aw值降低到值降低到0.250.30的范围，就能有效地减慢或阻止酶促褐变的的范围，就能有效地减慢或阻止酶促褐变的进行。进行。总之总之：降低水分活度可以降低食品的化学反应速度，抑制微生物的生长繁殖，提高食品

23、的稳定性 （6）对色素的影响：一般而言，当食品水分活度增大时，水溶性色素分解的速度就会加快一般而言，当食品水分活度增大时，水溶性色素分解的速度就会加快l冷冻法冷冻法：抑制微生物生长繁殖，降低大多数：抑制微生物生长繁殖，降低大多数 化学反应。化学反应。l水结冰会产生两个不良的后果水结冰会产生两个不良的后果 体积增大，细胞结构被破坏体积增大，细胞结构被破坏 浓度变大，产生浓缩效应浓度变大，产生浓缩效应l冰冻对反应速度具有两个相反方向的影响冰冻对反应速度具有两个相反方向的影响 降低温度导致反应速度变缓；降低温度导致反应速度变缓；同时冷冻浓缩可能导致反应速度的加快。同时冷冻浓缩可能导致反应速度的加快。

24、1.7 冰在食品稳定性中的作用冰在食品稳定性中的作用一冷冻与食品稳定性一冷冻与食品稳定性l无定形态（amorphous):物质的所处的一种非平衡、非结晶状态，当饱和条件占优势并且溶质保持非结晶时，此时形成的固体就是无定形态l玻璃态(glassy state):即象固体一样具有一定的形状和体积，又像液体一样分子间排列只是近似有序，是非晶态或无定形态。二二 玻璃化温度与食品稳定性玻璃化温度与食品稳定性几个概念l橡胶态（rubbery state）：是指大分子聚合物转变成柔软而具有弹性的固体l黏流态：大分子聚合物转变成柔软而具弹性的固体。l玻璃化转变温度（glass transition tempe

25、rature，Tg，Tg）：Tg是指非晶态的食品体系从玻璃态向橡胶态的转变时的温度；Tg是特殊的Tg，是指食品体系在冰形成时具有最大冷冻浓缩效应的玻璃化转变温度。l在Tg下，食品具有高度的稳定性，低温冷冻时，食品的稳定性与该食品的Tg与储藏温度t的差来决定l位转移:水分在同一食品的不同部位或在不同食品之间发生位转移。l水分的化学式：=（T,p）+RTlnAwl高 低T:高温区向低温区，过程缓慢Aw：高Aw区域向低Aw区域，自动转移（蛋糕和饼干放在一起）1.8 含水食品的水分转移含水食品的水分转移一一 食品中水分的位转移食品中水分的位转移l相转移包括：水分蒸发（evaporation）水分凝结（

26、condensing）l水分蒸发：=F-e1 0，食品中的水分向外界转移是自发过程。2 =0，食品水溶液的水蒸气与空气中水蒸气处于动态平衡，食品货架期的理想环境。3 0，空气中的水蒸气向食品中自动转移 空气的饱和湿度差二二 食品中水分的相转移食品中水分的相转移l水蒸气的凝结:温度-食品表面温度低于空气中水蒸气的饱和温度 时，会产生凝结。亲水性物质：吸附（糕点）憎水性物质:凝结成小水滴（水果）分子移动性分子移动性（molecular mobility，Mm）也称分子流动性，是分子的旋转移）也称分子流动性，是分子的旋转移动和平动移动的总度量。动和平动移动的总度量。完全完整的结晶状态完全完整的结晶状

27、态Mm值为值为0玻璃态时玻璃态时-Mm值近乎值近乎0多数情况多数情况-Mm值大于值大于0决定决定Mm值大小：水和食品中占优势的非水成值大小：水和食品中占优势的非水成分。分。1.9 分子流动性与食品稳定性分子流动性与食品稳定性lMm在估计由扩散限制的性质（冷冻食品、冷冻干燥、结晶、胶凝作用、淀粉老化）l估计食品保藏在接近室温时导致的结块、黏结和脆性等物理变化时，Mm和Aw效果相同lAw-估计不含冰的产品中微生物的生长和非扩散限制的化学反应。水分活度，分子移动性和Tg在预测食品稳定性的比较本章小结本章小结1.1 概述1.2 冰和水的结构水分子的结构水分子的缔合液态水的模型冰的结构1.3 食品中水的存在状态水和溶质间的相互作用水和溶质间的相互作用食品中水的存在状态食品中水的存在状态1.4 水分活度定义测定方法与温度的关系1.5 水分吸湿等温线各区特点滞后现象1.6 水分活度与食品的稳定性水分活度与微生物水分活度与微生物水分活度与化学反应水分活度与化学反应1.7 冰与食品的稳定性冷冻与食品稳定性冷冻与食品稳定性玻璃化温度与食品稳定性玻璃化温度与食品稳定性1.8 含水食品的水分转移相转移位转移1.9 分子流动性与食品稳定性水分活度，分子移动性和Tg在预测食品稳定性的比较