水分活度与吸湿等温曲线课件.ppt
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1、关于水分活度与吸湿等温曲线第1页,此课件共38页哦第2页,此课件共38页哦n2.3.1 2.3.1 水分活度的定义及测定方法水分活度的定义及测定方法一、定义:一、定义:一定温度下样品水分蒸气压与纯水蒸气压的比值;一定温度下样品水分蒸气压与纯水蒸气压的比值;用用公式表示即为:公式表示即为:A Aw w=p/p=p/p0 0=ERH/100=N=n=ERH/100=N=n1 1/(n/(n1 1+n+n2 2)n A Aw w :水份活度;:水份活度;p p:样品中水的蒸气分压:样品中水的蒸气分压 p p0 0:同温纯水蒸气压;:同温纯水蒸气压;ERHERH:样品周围空气不与样品换湿时的平均相对湿
2、度;:样品周围空气不与样品换湿时的平均相对湿度;n N N:稀溶液中溶质的:稀溶液中溶质的molmol分数;分数;n1n1:稀溶液中水的:稀溶液中水的molmol数;数;n n2n2:稀溶液中溶质的:稀溶液中溶质的molmol数。数。第3页,此课件共38页哦注意:注意:1.1.上述公式成立的前提是溶液是理想溶液并达到热力学平衡,上述公式成立的前提是溶液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,只是近似的表达。食品体系一般不符合这个条件,因此上式严格讲,只是近似的表达。2.2.公式中的前两项,即公式中的前两项,即A Aw w=p/p=p/p0 0=ERH/100=E
3、RH/100,是根据水分活度定义,是根据水分活度定义给出的;而后两项是拉乌尔定律所确定的,其前提是稀溶液。所给出的;而后两项是拉乌尔定律所确定的,其前提是稀溶液。所以前两项和后两项之间也应该是近似的关系。以前两项和后两项之间也应该是近似的关系。3.3.由于由于p/pp/p0 0和和n n1 1/n/n1 1+n+n2 2,因此,因此,a aw w的值在的值在0 01 1之间。之间。第4页,此课件共38页哦n二、测定方法二、测定方法n可以利用不同的方法对于食品中的水分活度进行可以利用不同的方法对于食品中的水分活度进行测定:测定:na.a.冰点测定法:冰点测定法:nb.b.相对湿度传感器测定法:相
4、对湿度传感器测定法:nc.c.康维氏微量扩散器测定法康维氏微量扩散器测定法第5页,此课件共38页哦c.c.康维氏微量扩散器测定法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:康维氏微量扩散器可如右图示意:分隔并相通的两个小室分别放样品和饱和盐溶液;样品量一般分隔并相通的两个小室分别放样品和饱和盐溶液;样品量一般为为1g1g;恒温温度一般为;恒温温度一般为25 25,平衡时间为,平衡时间为20min20min;分别测定水分;分别测定水分活度高的饱和盐溶液和水分活度低的饱和盐溶液和样品达平衡时样活度高的饱和盐溶液和水分活度低的饱和盐溶液和样品达平衡时样品吸收或失去水的质量,利用下式求算样品的
5、水分活度:品吸收或失去水的质量,利用下式求算样品的水分活度:康维氏微量扩散器康维氏微量扩散器aw=(Ax+By/(x+y)其中:其中:Ax:活度低的盐溶液活度;:活度低的盐溶液活度;By:活度高的盐溶液活度:活度高的盐溶液活度 x:使用:使用B时的净增值;时的净增值;y:使用:使用A时的净减值;时的净减值;第6页,此课件共38页哦n2.3.2 2.3.2 水分活度和温度的关系水分活度和温度的关系 上边对于水分活度定义及测定方法的叙述中,均强调上边对于水分活度定义及测定方法的叙述中,均强调了在一定的温度下。也就是说温度对于水分活度的值有较了在一定的温度下。也就是说温度对于水分活度的值有较大的影响
6、。大的影响。第7页,此课件共38页哦 其中:此处的其中:此处的H H 可用纯水的汽化潜热表示,是常数,其值可用纯水的汽化潜热表示,是常数,其值为为40537.2J/mol40537.2J/mol;K K的直观意义是在达到同样水蒸气压时,食品的温度比纯水温的直观意义是在达到同样水蒸气压时,食品的温度比纯水温度高出的比值,本质反映了食品中非水成分对水活性的影响。食品度高出的比值,本质反映了食品中非水成分对水活性的影响。食品中非水成分越多并且与水的结合能力越强,中非水成分越多并且与水的结合能力越强,k k值越大,相同温度时值越大,相同温度时A Aw w值越小;反之亦然。值越小;反之亦然。第8页,此课
7、件共38页哦讨论:讨论:a.a.由公式由公式(2)(2)可知,可知,lnAwlnAw与与1/T1/T之间为一直线关系,其之间为一直线关系,其意义在于:意义在于:一定样品水分活度的对数在不太宽的温度范一定样品水分活度的对数在不太宽的温度范围内随绝对温度的升高而正比例升高。围内随绝对温度的升高而正比例升高。b.b.但在较大的温度范围内,但在较大的温度范围内,lnAlnAw w与与1/T1/T之间并非始之间并非始终为一直线关系;当冰开始形成时,终为一直线关系;当冰开始形成时,lnAlnAw w与与1/T1/T曲线中出曲线中出现明显的折点,冰点以下现明显的折点,冰点以下lnAlnAw w与与1/T1/
8、T的变化率明显加大了,的变化率明显加大了,并且不再受样品中非水物质的影响;这是因为此时水的汽化并且不再受样品中非水物质的影响;这是因为此时水的汽化潜热应由冰的升华热代替,也就是说前述的潜热应由冰的升华热代替,也就是说前述的A Aw w与温度的关系与温度的关系方程中的方程中的H H值大大增加了。值大大增加了。第9页,此课件共38页哦 由由b b可以得出结论:在比较冰点以上或冰点以下的水分活度值可以得出结论:在比较冰点以上或冰点以下的水分活度值时应该注意到以下两个重要的区别。时应该注意到以下两个重要的区别。第一,在冰点以上,水分活度是样品组成和温度的函数,并且样品第一,在冰点以上,水分活度是样品组
9、成和温度的函数,并且样品组成对于水分活度值有明显的影响;而在冰点以下时,水分活度组成对于水分活度值有明显的影响;而在冰点以下时,水分活度与样品的组成无关,仅与温度有关。因此不能根据冰点以上水分与样品的组成无关,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和含量对冰点以下体系发生变化的活度值来预测体系中溶质种类和含量对冰点以下体系发生变化的影响。影响。第二,冰点以上和以下时,就食品而言,水分活度的意义是不一样的。第二,冰点以上和以下时,就食品而言,水分活度的意义是不一样的。例如:在水分活度为例如:在水分活度为0.860.86的的-15-15的食品中,微生物不再生长,其它化的食
10、品中,微生物不再生长,其它化学反应的速度也很慢;但在同样的水分活度而温度是学反应的速度也很慢;但在同样的水分活度而温度是2020情况下,一些情况下,一些化学反应将快速进行,一些微生物也将中等速度生长。化学反应将快速进行,一些微生物也将中等速度生长。第10页,此课件共38页哦第三节第三节 水分吸湿等温线水分吸湿等温线Moisture Sorption Isotherms(MSI)在恒定温度下,食品水分含量(每克干物质中水的质量)与在恒定温度下,食品水分含量(每克干物质中水的质量)与Aw的关系曲线。的关系曲线。一、定义一、定义 DefinitionMSIMSI的实际意义的实际意义:1 1、由于水的
11、转移程度与、由于水的转移程度与AwAw有关,从有关,从MSIMSI图可图可以看出食品脱水的难易程度,也可以看出如何组合以看出食品脱水的难易程度,也可以看出如何组合食品才能避免水分在不同物料间的转移。食品才能避免水分在不同物料间的转移。2 2、据、据MSIMSI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。3 3、从、从MSIMSI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。第11页,此课件共38页哦测定方法:在恒定温度下,改变食品中的水分含量,测定相应的活度,以水分测定方法:在恒定温度下,改变食品中的水分含量,测定相应的活度,以水分含量为
12、纵轴、含量为纵轴、AwAw为横轴画出曲线。为横轴画出曲线。二、二、MSIMSI中的分区中的分区一般的一般的MSIMSI均可分为三个区,如下图所示:均可分为三个区,如下图所示:区:为构成水和邻近水区,即与区:为构成水和邻近水区,即与食品成分中的羧基、氨基等基团通食品成分中的羧基、氨基等基团通过氢键或静电引力相互结合的那部过氢键或静电引力相互结合的那部分水。由于这部分水比较牢固的与分水。由于这部分水比较牢固的与非水成分结合,因此非水成分结合,因此a aw w较低,一般较低,一般在在0 00.250.25之间,相当于物料含水之间,相当于物料含水量量0 00.07g/g0.07g/g干物质。这种水不能
13、干物质。这种水不能作为溶剂而且在作为溶剂而且在-40-40不结冰,对固不结冰,对固体没有显著的增塑作用,可以简单体没有显著的增塑作用,可以简单的看作固体的一部分。的看作固体的一部分。第12页,此课件共38页哦n要注意的是,一般把要注意的是,一般把区和区和区交界处的水区交界处的水分含量称为食品的分含量称为食品的“单分子层单分子层”水含量,这水含量,这部分水可看成是在干物质可接近的强极性基部分水可看成是在干物质可接近的强极性基团周围形成一个单分子层所需水量的近似值。团周围形成一个单分子层所需水量的近似值。第13页,此课件共38页哦n区:多层水区,即食品中与酰胺基、羧基等基团和区:多层水区,即食品中
14、与酰胺基、羧基等基团和结合水、邻近水以水溶质、水水以氢键和缔合作结合水、邻近水以水溶质、水水以氢键和缔合作用被相对固定的水,也包括直径小于用被相对固定的水,也包括直径小于1m1m的毛细管的的毛细管的水;这部分水的水;这部分水的AwAw一般在一般在0.250.250.80.8之间,相当于物料含之间,相当于物料含水量在水量在0.07g/g0.07g/g干物质至干物质至0.140.140.33g/g0.33g/g干物质。当食品干物质。当食品中的水分含量相当于中的水分含量相当于区和区和区的边界时,水将引起区的边界时,水将引起溶解过程,它还起了增塑剂的作用并且促使固体骨架溶解过程,它还起了增塑剂的作用并
15、且促使固体骨架开始溶胀。溶解过程的开始将促使反应物质流动,因开始溶胀。溶解过程的开始将促使反应物质流动,因此加速了大多数的食品化学反应。此加速了大多数的食品化学反应。第14页,此课件共38页哦区:自由水区,区:自由水区,AwAw在在0.80.80.990.99之间,物料最低含之间,物料最低含水量在水量在0.140.140.33 g/g0.33 g/g干物质,最高为干物质,最高为20g/g20g/g干物质。这干物质。这部分水是食品中与非水物质结合最不牢固、最容易流动部分水是食品中与非水物质结合最不牢固、最容易流动的水,也称为体相水。其蒸发焓基本上与纯水相同,既的水,也称为体相水。其蒸发焓基本上与
16、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的进行可以结冰也可作为溶剂,并且还有利于化学反应的进行和微生物的生长。和微生物的生长。第15页,此课件共38页哦n 按照吸湿等温线将食品中所含的水分作三个区,对按照吸湿等温线将食品中所含的水分作三个区,对于食品中水的应用及防腐保鲜具有重要的意义。但也要于食品中水的应用及防腐保鲜具有重要的意义。但也要理解,这种分区是相对的。因为除化学吸附结合水外,理解,这种分区是相对的。因为除化学吸附结合水外,等温线每一个区间内和区间与区间之间的水都可以发生等温线每一个区间内和区间与区间之间的水都可以发生交换。另外,向干燥物质中增加水虽然能够稍微改变原交换。
17、另外,向干燥物质中增加水虽然能够稍微改变原来所含水的性质,即基质的溶胀和溶解过程,但是当等来所含水的性质,即基质的溶胀和溶解过程,但是当等温线的区间温线的区间增加水时,区间增加水时,区间水的性质几乎保持不水的性质几乎保持不变;同样在区间变;同样在区间内增加水,区间内增加水,区间的性质也几乎的性质也几乎保持不变。从而说明,食品中结合得最不牢固的那部保持不变。从而说明,食品中结合得最不牢固的那部分水对食品的稳定起着重要的作用。分水对食品的稳定起着重要的作用。n第16页,此课件共38页哦MSI上不同区水分特性上不同区水分特性第17页,此课件共38页哦MSIMSI与温度的关系与温度的关系v水分含量一定
18、水分含量一定 T,AwvAw一定一定 T,水分含量,水分含量在不同温度下马铃薯的水分吸着等温线第18页,此课件共38页哦二、滞后现象二、滞后现象Hysteresis 1、定义:、定义:采用回吸采用回吸(resorption)的方法绘制的的方法绘制的MSI和按解吸和按解吸(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。在一指定的在一指定的Aw时,解吸过时,解吸过程中试样的水分含量大于回吸过程中试样的水分含量大于回吸过程中的水分含量程中的水分含量第19页,此课件共38页哦高糖高糖-高果胶食品高果胶食品空气干燥苹果空气干燥苹果n总
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