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1、第2章 水 Water 2 1 概述 2 2 水和冰的结构 2 3 食品中水的存在形式 2 4 水和溶质的相互作用 2 5 水分活度和吸湿等温线 2 6 分子的流动性和食品的稳定性 2 7 水分含量和水分活度的测定 主要内容 contents 各种食品都有显示其品质的特征含水量 如果蔬 75 95 肉类 50 80 面包 35 45 谷物 10 15 2 1 Introduction 2 2 Structure of water and ice 水的物理性质 1 熔点 沸点高 2 介电常数大 3 水的表面张力和相变热大 4 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
2、为同温度下水的4倍 扩散速度为水 的9倍 6 密度随温度而变化 一 水和冰的物理特性 二 水和冰的结构 单个水分子的结构特征 The water molecule 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 水分子的缔合 Association of water molecules 水分子的缔合 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 v 水是呈
3、四面体的网状结构 v 水分子之间的氢键网络是动态的 v 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 83 4 9 0 305 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 六方冰晶形成的条件 按冷冻速度和对称要素分 冰可分为四大类 o 六方型冰晶 o 不规则树枝状结晶 o 粗糙的球状结晶 o 易消失的球状结晶及各种中间体 冰的分类 2 3 Categories of water in foods 自由水 体相水 截留水 水 化合水 结合水 邻近水 多层水 Wat
4、er that is an integral part of a nonaqueous constitutents 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为0 不能被微生物利用 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
5、很稳定 不易引起Food的腐败变质 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 Multil
6、ayer 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 2 4 Water solute 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 偶
7、极 离子 H2O 游离离子 较强 H2O 有机分子带电基团 偶极 偶极 H2O PR NH H2O PR CO 近乎相 等 H2O 侧链OH 疏水水合 H2O R R 水合 G 0 疏水相互作用 R 水合 R 水合 R2 水合 H2O G 0 水与溶质相互作用的分类 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 Net s
8、tructure 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 Ca2 Ba2 Mg2 Al3 F OH 等 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 水与疏水基团的相互作用 Interaction of water with nonpolar
9、 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 是象冰一样的包含化合物 水为 宿主 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
10、水合物 Clathrate hydrates 2 5 Water activity and Moisture Sorption Isotherms 2 5 Water activity and Moisture Sorption Isotherms 一 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 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与总含 水量的定量关系 应用aw ERH 100时必须注意 aw
11、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 只有当溶质是非电解质且浓度小于1mol L的稀溶液 时 其水分活度才可以按 aw n1 n1 n2 计算 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 aw K H RT 二 水分活度与温度的关系 temperature dependence 比较高于和低于冻结温度下的aw时 应注意两个重要差别 在冻结温度以上 aw是样品组分
12、与 温度的函数 且前者是主要因素 在冻结温 度以下 aw与样品组分无关 只取决于温度 不能根据aw预测受溶质影响的冰点以下 发生的过程 如扩散控制 过程 催化反应等 冻结温度以上和以下aw对食品稳的 影响是不同的 水分吸湿等温线 Moisture Sorption Isotherms Definition polts interrelating water content of a food with its water activity at constant temperature 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
13、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 MSI的实际意义 区 I区 II区 III区 Aw 0 0 2 0 2 0 85 0 85 含水量 1 6 5 6 5 27 5 27 5 冷冻能力 不能冻结 不能冻结 正常 溶剂能力 无 轻微 适度 正常 水分状态 单分子层水 多分子层水 体相水 微生物利用 不可利用 部分可利用 可利用 MSI上不同区水分特性 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 苹
14、果干制品 冷冻干燥熟猪肉 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 不规则形状产生毛细管现象的部位 欲填 满或抽空水分需不同的蒸汽压 要抽出需P内 P外 要填满则需P外 P内 解吸作用时 因组织改变 当再吸水时无法 紧密结合水 由此可导致回吸相同水分含量时 处于较高的aw 2 6 水分活度与食品的稳定性 Water activity and food stability 水分活度与食品的稳定性 Stability of low and intermediate moisture foods IMF is dependent on water content an
15、d water activity Stability is often maintained below the monolayer water content WATER ACTIVITY AND STABILITY Microorganisms may grow above a given food material specific water content Microorganisms do not grow at low water activities Growth of microorganisms may occur in intermediate moisture food
16、s Microbiological stability There are general water activity limits for growth of molds yeasts and bacteria aw 0 6 xerophilic yeasts and molds耐 渗透压酵母 aw 0 7 molds aw 0 75 halophilic bacteria 嗜盐细菌 aw 0 8 yeasts aw 0 86 pathogenic bacteria S aureus Microbiological stability Chemical Stability Oxidation Most foods contain lipids colours vitamins etc which are susceptible to oxidation These compounds may be encapsulated and protected from oxidation at low water contents Increases in water content ma
