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1、第2章 水 Water,制作人：陈春刚,2.1 前言,一、What is the picture of water in your mind?,why do we need water,二、The function of water in our body,是体内化学反应的介质，为生物化学反 应提供一个物理环境。 生化反应的反应物 养分和代谢物的载体 热容量大，保持体温 粘度小，有润滑作用 生物大分子构象的稳定剂,三、水在食品中的重要性,水是食品中非常重要的一种成分，也 是构成大多数食品的主要组分 水对食品的结构、外观、外表、质地、风味以及对腐败的敏感性有着很大的影响 各种食品都有显示其品质的
2、特征含水量, 如果蔬菜:75%-95%,肉类:50%-80%,面包:35%-45%,谷物:10%-15%；成年人：5867；其中肌肉和薄壁组织器官（脑、肝、胃）含水量位7080，皮肤6070，骨骼，1215,Why does only the water become so important to all the creatures among all substance in the world?,2.2 Property and structure of water,水异常的物理性质: 1. 熔点,沸点高. 2. 介电常数大 3. 水的表面张力和相变热（熔融热、蒸发热、升华热）大.,4.
3、 密度低,结冰时体积膨胀. 5. 导热值比非金属固体大,0时,冰的导热值为同温度下水的4倍,热扩散速度为水的9倍. 6. 密度随温度而变化. 7.具有 溶剂性.,问题1：在相同的温度差下，冷冻速度和解冻速度那一个快，为什么？,与O化学性质相近的元素S、F的氢化物相比，O的氢化物水为什么会具有如此特殊的性质,1. H2O分子的四面体结构有对称型. 2. H-O共价键有离子性. 3. 氧的另外两对孤对电子有静电力. 4. H-O键具有电负性.,单个水分子的结构特征 The water molecule,水分子之间的相互作用 Association of water molecules,水分子的缔合
4、,1. H-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. 2. 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. 3. 静电效应.,水分子缔合的原因:,水分子的结构特征,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 水分子氢键键合程度取决于温度,温度() 配位数 分子间距nm 0 4 0.276 1.5 4.4 0.290 8.3 4.9 0.305 问题2：为什么水的密度在4时候最大？,是水分子有序排列形成的晶体，水结冰时分子间靠氢键连接在一起形成刚性结构。 冰的结构可分为四大类： 六方型冰晶 不规则树枝状结晶 粗糙的球状结晶 易
5、消失的球状结晶及各种中间体。,冰的结构,冰的结构 Structure of ice, 在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻 溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移。 问题三：你们认为速冻好还是慢冻好？,六方冰晶形成的条件：,2.3 Water solution interactions,水与溶质相互作用的分类,种类 实例 相互作用强弱 （与H2O-H2O氢键比较） 水-离子（离子基团） H2O-游离离子 较强 H2O-有机分子带电基团 水-中性基团（氢键健合）H2O-NH -PRO ， 较强 H2O- COOH -PRO 水非极性物质 （疏水水合 ） H2O+RR（水合） 较弱,水与溶质相互作用的
6、分类,水与离子基团的相互作用 Interaction of water with Ionic groups,在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效应（Net structure-breaking effect), 这些离子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。,净结构破坏效应 （Net structure-breaking effect）,另外一些离子具有净结构形成效应（Net structure- forming effect),这些离子大多是电场强度大，离子半径小的离子。如：Li+, Na+
7、, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+，F-,OH-, 等。,净结构形成效应 （Net structure- forming effect）,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 capabilities,The above centrally-placed water molecule makes strong hydrogen bonds to residues in three separated parts of the ribonucle
8、ase molecule holding them together. This water molecule and its binding site are conserved across the entire family of microbial ribonucleases,水与疏水基团的相互作用 Interaction of water with nonpolar substances,疏水水合(Hydrophobic hydration)：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。,当水与非极性基
9、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合，这种作用成为疏水相互作用。,疏水相互作用( Hydrophobic interaction),是象冰一样的包合物，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20-74个水分子组成，较典型的客体有低分子量烃，稀有气体，卤代烃等。,笼形水合物(Clathrate hydrates),2.4 Categories of water in foods,滞化水 自由水 （体相水） 毛细管水 自由流动水 水 （截留水） 化合水 结合水 邻近水 多层水,在-40下
10、不结冰 无溶解溶质的能力 与纯水比较分子平均运动为0 不能被微生物利用 与溶质的结合力为：化学键力,Constitutional water,Water that strongly interacts with specific hydrophilic sites of nonaqueous constituents by water-ion and water-dipole associations 在-40下不结冰 无溶解溶质的能力 与纯水比较分子平均运动大大减少 不能被微生物利用 此种水很稳定，不易引起Food的腐败变质。 结合力是结合力是水离子和水偶极缔合作用或 具有呈电离或离子状态的
11、基团的中性分子与 水形成水溶质氢键力。,Vicinal water,water that occupies remaining first-layer sites and forms several additional layers around hyyydrophilic groups of nonaqueous constituents; water-water and water-solute hydrogen bonds predominate. 大多数多层水在-40下不结冰，其余可结冰，但冰点大大降低。 有一定溶解溶质的能力 与纯水比较分子平均运动大大降低 不能被微生物利用 结合力
12、是水水和水溶质间的氢键形成,Multilayer water,water that occupies positions furthest removed from nonaqueous constituents; water-water hydrogen bonds predominate. 能结冰，但冰点有所下降 溶解溶质的能力强，干燥时易被除去 与纯水分子平均运动接近 很适于微生物生长和大多数化学反应，易引起Food的腐败变质，但与食品的风味及功能性紧密相关。,Bulk-phase water,体相水,1）不移动水（滞化水） 2) 毛细管水 3）自由流动水,2.5 Water activ
13、ity and Moisture Sorption Isotherms,Water activity(aw)的定义: 水分活度(water activity)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,可用下式表示: aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2),ERH(equilibrium relation humidity),ERH 食品上空已经恒定了的水蒸气的分压与同温下水的饱和蒸汽压的比值（用乘以100后的整数表示） Aw 是食品内在的品质，与食品的组成结构有关，而ERH则与食品平衡时大气的性质有关。ERH与周围大气的平衡需要一个过程。,水分活度的物理意义是表征
14、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. 应用aw =ERH/100时必须注意: aw 是样品的内在品质,而ERH是与样品中的水蒸气平衡是的 大气性质. 仅当食品与其环境达到平衡时才能应用.,注意事项,水分活度的测定方法,1 冰点测定法:先测样品的冰点降低和含水量,据下两式计算aW: aw=n1/(n1+n2) n2=GTt/(1000.Kt) G溶剂克数 Tt冰点降低() Kt水的摩尔冰点降低常数(1.86),将已知含水量的样品置于恒温密闭小容器中,使其达到平衡,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,即可得aW，然后有公式.awERH/100得之。,
15、2 相对湿度传感器测定法,置样品于恒温密闭的小容器中,用一定种类的饱和盐溶液使容器内的样品的环境空气的相对湿度恒定,待恒定后测样品含水量的变化,然后再根据公式求aW.,3 恒定相对湿度平衡法, aw=-KH/RT R: 气体常数 T：绝对温度 H: 纯水的气化潜热,二 水分活度与温度的关系(temperature dependence),2.5 水分吸湿等温线 Moisture Sorption Isotherms,1定义 Definition:在温度不变的条件下，以食品中的水分含量为纵坐标，以水分活度为横坐标作图，所得的曲线即为MSI.,2 吸湿等温线分区,MSI上不同区水分特性,由于水的转移程度与aw有关,从MSI图可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. 据MSI可预测含水量对食品稳定性的影响. 从MSI还可看出食品中非水组分与水结合能力的强弱.,3 MSI的实际意义,4 滞后现象 Hysteresis,定义:采用回吸(resorption)的方法绘制的MSI和按解吸(desorption)的方法绘制的MSI并不互相重叠的现象称为滞后现象.,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而无法放出水分. 不规
