食品化学-第2章_水

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1、第2章 水,1.水在食品中的重要性体现在哪里？ 2.食品化学中为什么要研究水呢？,思考题：,2.1 水和冰的结构与性质 2.2 水和非水成分的相互作用 2.3 食品中水分存在的状态 2.4 水分活度与水分吸附等温线 2.5 水分活度与食品稳定性的关系 2.6 分子流动性与食品稳定性 2.7 本章小结与思考题,主要内容,2.1.1 水和冰的物理性质 2.1.2 水分子 2.1.3 水分子间的相互作用 2.1.4 冰的结构 2.1.5 水的结构,2.1 水和冰的结构与性质,水与元素周期表中邻近氧的某些元素的氢化物（如HF、H2S与NH3）的物理性质相比，除黏度外，其他性质均有显著差异。 水的比热容

2、和相变热（熔化热、蒸发热和升华热）等物理常数都异常的高，这对食品的冷冻和干燥加工过程有重大影响。,2.1.1 水和冰的物理性质,尝试解释一个现象： 在温差相等的情况下，为什么生物组织的冷冻速率比解 冻速率更快？ 冰的导热值、热扩散率等明显大于水。,2.1.1 水和冰的物理性质,图1：单个水分子的结构示意图(气态水分子的范德华半径),2.1.2 水分子,图2：水分子具有形成三维氢键的能力，每个水分子最多能够与另外四个水分子通过氢键结合形成四面体构型,2.1.3 水分子的相互作用,水的三维空间结构,冰的结构,六方形冰晶Hexagonal Ice,冰是水分子有序排列形成的晶体。 水结冰时分子之间氢键

3、连接在一起形成低密度的刚性结构。,2.1.4 冰的结构,图4：沿C轴方向观察到的六边形结构,冰的基础平面,（a）沿c轴方向观察到的六方形结构 （b）基础平面的立体图 圆圈代表水分子的氧原子,冰的扩展结构,2.1.5 水的结构,在液态水中，水分子并不是以单个分子形式存在，含有偶极的水分子在三维空间上靠静电引力和氢键的缔合作用形成大分子(H2O)n，其中温度和溶质对其影响最大。 一般认为液态水分子间只存在范德华力和氢键，但是最近发表的研究成果表明，在液态水中间还存在部分的共价键力。,回目录,2.2 水和非水成分的相互作用,2.2.1 水与离子或离子基团的相互作用 2.2.2 水与具有氢键键合能力的

4、中性基团的相互作用 2.2.3 水与非极性物质的相互作用,思考题： 食品中的水分与离子、亲水性物质、 疏水性物质的作用方式有何特点？,2.2 水和非水成分的相互作用,当向纯水中添加可解离的溶质时，纯水靠氢键键合形成的四面体的正常结构遭到破坏。对于既不具有氢键受体又没有给体的简单无机离子，它们与水相互作用时仅仅是离子-偶极的极性结合。,2.2.1 水与离子或离子基团的相互作用,图5：NaCl邻近的水分子可能出现的排列方式 （图中仅表示出纸平面上的水分子）,2.2.1 水与离子或离子基团的相互作用,水与非离子、亲水溶质的相互作用力比水与离子间的相互作用弱，而与水-水氢键相互作用的强度大致相当。 水

5、能与某些基团，例如羟基、氨基、羰基、酰氨基和亚氨基等极性基团发生氢键键合作用。另外，在生物大分子的两个部位或两个大分子之间可形成由几个水分子所构成的“水桥”。,2.2.2 水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用,向水中加入疏水性物质，例如烃、以及引入脂肪酸、蛋白质等的非极性疏水基团，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作用增强，结构更为有序；而疏水基团之间的相互聚集，减少了它们与水的接触面积，导致自由水分子增多。,2.2.3 水与非极性物质的相互作用,非极性物质具有两种特殊的性质：一种是蛋白质分子间产生的疏水相互作用（hydrophobic interaction）

6、，这是疏水基团之间为减少水与非极性实体的界面面积而进行缔合的作用；另一种是极性物质和水形成的笼形水合物（clathrate hydrate）即是像冰一样的包含化合物，水为“宿主”。,2.2.3 水与非极性物质的相互作用,回目录,思考题： 1.水分存在的状态有哪些？有何特点？ 2.水对食品品质的影响可能有哪些？,2.3 食品中水分存在的状态,自由水 体相水 截留水 毛细管水 水 化合水 结合水 邻近水 多层水,2.3 食品中水分存在的状态,回目录,体相水（游离水）,没有被非水物质化学结合的水，体相水包括：截留水、毛细管水和自由流动水三种类型 能结冰，但冰点有所下降 溶解溶质的能力强，干燥时易被除

7、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。,结合水,Constitutional water 通常是指存在于溶质或其它非水组分附近的、与溶质分子之间通过化学键的力结合的那部分水。 结合水又分为化合水、邻近水（单层水）和多层水三种类型。,化合水,是指结合最牢固的、构成非水物质组成的那些水。 化合水的性质： 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,邻近水( Vicinal water),它是处在非水组分亲水性最强的基团周围的第一层位置，与离子或离子基团缔合的水。主要结合力是水-离

8、子和水-偶极缔合作用，其次是水和溶质之间的氢键。 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。,多层水,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,1 水分子通过_的作用可与另4个水分子配位结合形成正四面体结构。 （A）范德华力 （B）氢键 （C）盐键 （D）二硫键 2 关于冰的结构及性质描述有误的是_。 （A）冰是由水分子有序排列形成的结晶 （B）冰结晶并非完整的晶体，通常是有方向性或离子型缺陷的。 （C）食品中的冰是由

9、纯水形成的，其冰结晶形式为六方形。 （D）食品中的冰晶因溶质的数量和种类等不同，可呈现不同形式的结晶。 3 稀盐溶液中的各种离子对水的结构都有着一定程度的影响。在下述阳离子中，会破坏水的网状结构效应的是_。 （A）Rb （B）Na+ （C）Mg （D）Al3,4 若稀盐溶液中含有阴离子_，会有助于水形成网状结构。 （A）Cl - （B）IO3 - （C）ClO4 - （D）F- 5 食品中有机成分上极性基团不同，与水形成氢键的键合作用也有所区别。在下面这些有机分子的基团中，_与水形成的氢键比较牢固。 （A）蛋白质中的酰胺基 （B）淀粉中的羟基 （C）果胶中的羟基 （D）果胶中未酯化的羧基 6

10、食品中的水分分类很多，下面哪个选项不属于同一类_。 （A）多层水 （B）化合水（C）结合水 （D）毛细管水,2.4.1 水分活度 水分活度定义与测定方法 水分活度与温度的关系 2.4.2 吸附等温线 2.4.3 水分吸附等温线与温度的关系 2.4.4 水分吸附等温线的数学描述 2.4.5 滞后现象,2.4 水分活度与水分吸附等温线,aw=f/f0 其中：f为溶剂逸度（溶剂从溶液中逸出的趋势）； f0为纯溶剂逸度。,2.4.1 水分活度,在低温时（如室温下），f/f0和p/p0之间的差值很小(低于1%)，因此，采用p/p0表示水分活度是合理的，于是aw可表示为： aw=p/p0 式中：p为某种食

11、品在密闭容器中达到平衡状态时的水分蒸气压；p0为在同一温度下纯水的饱和蒸气压。,2.4.1 水分活度,相对蒸气压（Relative Vapor Pressure，RVP）是p/p0的另一名称。RVP与产品环境的平衡相对湿度（Equilibrium Relative Humidity，ERH）有关，如下： RVP= p/p0=ERH/100 注意： 1）RVP是样品的内在性质，而ERH是当样品中的水蒸气平衡时的大气性质； 2）仅当样品与环境达到平衡时，方程的关系才成立。,2.4.1 水分活度,水分活度的测定方法： （1）冰点测定法 （2）相对湿度传感器测定法 （3）恒定相对湿度平衡法,2.4.1

12、 水分活度,（1）冰点测定法,先测样品的冰点降低温度和含水量，然后代入公式计算。,（2）相对湿度传感器测定法,将已知含水量的样品置于恒温密闭的小容器中，使其达到平衡，然后用电子测定仪或湿度测定仪测样品和环境空气的平衡相对湿度。,（3）恒定相对湿度平衡法,样品置于恒温密闭的小容器中，用一定浓度的饱和盐溶液控制密闭容器的相对湿度，定期测量样品水分含量的变化。,图6：马铃薯 淀粉的水分活 度和温度的克 劳修斯-克拉 贝龙关系,2.4.1 水分活度水分活度与温度的关系：,以lnaw 对1/T作图时，得到的图形并非始终是一条直线，当食品开始冻结时，直线发生转折，因此对于冰点以下的食品的水分活度需要重新定

13、义。 此时在计算水分活度时，公式中的p0是表示冰的蒸气压还是过冷水的蒸气压？,2.4.1 水分活度,大量研究结果表明，p0表示过冷水的蒸气压，如果用冰的蒸气压，这样求得的aw是没有意义的，因为在冰点温度以下的aw值都是相同的。,2.4.1 水分活度,样品冻结后按如下公式计算其水分活度： aw=pff/p0（scw）=pice/p0（scw） 式中：pff为未完全冷冻的食品中水的蒸气压； p0（scw）为过冷纯水的蒸气压； pice为纯冰的蒸气压。,2.4.1 水分活度,关于水分活度，食品在冰点上与冰点下的比较： a）冰点以上，食品的aw是食品的组成和温度的函数，并且主要与食品的组成有关；而在冰

14、点以下，aw仅与食品的温度有关。 b）就食品而言，冰点以上和冰点以下水分活度的意义是不一样的。如在-15，水分活度为0.80时，微生物不会生长，化学反应缓慢；然而在20，水分活度仍为0.80时，化学反应快速进行，且微生物能较快的生长。 c）不能用食品在冰点以下的aw来预测食品在冰点以上的aw，同样，也不能用食品在冰点以上的aw来预测食品在冰点以下的aw。,2.4.1 水分活度,在恒定温度下，用来联系食品中的水分含量（以每单位干物质中的含水量表示）与其水分活度的图，称为水分吸附等温线曲线（moisture sorption isotherm，MSI）。 在哪些方面体现其作用？,2.4.2 水分吸

15、附等温线,意义： （1）测定什么样的水分含量能够抑制微生物的生长； （2）预测食品的化学和物理稳定性与水分含量的关系； （3）了解浓缩和干燥过程中样品脱水的难易程度与相对蒸气压（RVP）的关系； （4）配制混合食品必须避免水分在配料之间的转移； （5）对于要求脱水的产品的干燥过程、工艺、货架期和包装要求都有很重要的作用。,2.4.2 水分吸附等温线,图8：广泛范围水分含量的吸附等温线,2.4.2 水分吸附等温线,图9：低水分含量范围食品的水分吸附等温线,2.4.2 水分吸附等温线,图10：食品和生物材料的 回吸等温线 注1： 1.糖果（主要成分为粉末状蔗糖）； 2.喷雾干燥菊苣根提取物； 3.

16、焙烤后的咖啡； 4.猪胰脏提取物粉末； 5.天然稻米淀粉 注2： 曲线1表示40时的曲线， 其余均为20。,2.4.2 水分吸附等温线,图11 烘干的西红柿酱在不同温度下的水分吸附等温线,2.4.3 水分吸附等温线与温度的关系,向干燥样品中添加水，所得到的吸附等温线与将水从样品中移出所得到的解吸等温线并不相互重叠，这种不重叠性称为滞后现象（hysteresis）。,2.4.5 滞后现象,图12：核桃仁的水分吸附等温线的滞后现象（25）,2.4.5 滞后现象,回目录,2.5 水分活度与食品稳定性的关系,思考题： 试阐述水分活度与食品稳定性的关系？,2.5 水分活度与食品稳定性的关系,Aw与微生物生长有密切的关系，细菌Aw