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1、第1章 水和矿物质 水 Water一、水和冰的结构 二、水在生物体内的含量与功能 三、人体与水及食物与人体水的关系 四、食品中水分的种类； 五、水与溶质的相互作用 六、水分活度和吸附等温线 七、分子迁移和食品稳定主要内容(contents)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 大.（一 ）水和冰的物理特性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.（二 ）水和冰的结构单个水分子的结构特征 The water molecule1. H2O分子的四面体结构有
2、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 moleculesFood chemistry and analysis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:水分子的缔合 Association of water molecules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
3、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。冰的分类水的结构 Structure of water目前提出的3类水的结构模型: q 混合模型:混合模型强调了分子间 氢键的概念,认为分子间氢键短暂地浓 集于成簇的水分子之间,成簇的水分子 与其它更密集的水分子处于动态平衡. q 连续模型:分子间氢键均匀地分布于整 个水样,水分子的连续网络结构成动态 平衡. q 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.水分子的结构特
4、征v 水是呈四面体的网状结构 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nm0 4 0.276 1.5 4.4 0.29083 4.9 0.305 西昌学院食品科学系二、水在生物体内的含量与功能 1、水在生物体内的含量 2、水的生理功能西昌学院食品科学系 1、人体对水的需要与平衡 （1）人体对水的需要 （2）人体内水的来源与排出 （3）人体对水的吸收 （4）人体内水的代谢失常 2、食物成分与体内水平衡的关系三、人体与水及食物与人体内水 的关系四、食品中水分的种类Categories of water in foods 束缚水 水 滞化水 自由水
5、 毛细管水 自由流动水西昌学院食品科学系美国O。R。菲尼马的分类 自由水 体相水 截留水 水 化合水 结合水 邻近水 多层水在-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不能被微生物利用化合水Constitutional water 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。邻近水Vicinal water 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 不能被微生物利用多层水Multilayer water能结冰，但冰点有所下
6、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。自由水Bulk-phase water四、水与溶质的相互作用Water solute interactions种类 实例 相互作用强弱（与H2O-H2O氢键比较）偶极-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+RR（水合） G0疏水相互作用 R（水合）R（水合）R2（水合）+ H2O G0水与溶质相互作用的分类水与离子基团的相互作用
7、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+, Ca2+, Ba2+, Mg
8、2+, 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 capabilitiesThe above chain of ten water molecules, linking the end of one a-helix to the middle of another is found from the X- ray diffraction data of gl
9、ucoamylase-471(葡萄糖淀粉酶), The water network links secondary structures within the protein The above centrally-placed water molecule makes strong hydrogen bonds to residues in three separated parts of the ribonuclease(核糖核酸酶) molecule holding them together. This water molecule and its binding site are c
10、onserved across the entire family of microbial ribonucleasesWater molecules have also proved integral to the structure and biological function of a dimeric(二聚) hemoglobin(血色素) Weak hydrogen bonding, e.g. a-L-arabinofuranose(阿拉伯 呋喃糖)Strong hydrogen bonding, e.g. b-1-4-linked D-xylose(D-木糖)水与疏水基团的相互作用
11、 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
12、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)四、水分活度和吸附等温线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:
13、 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=-KH/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 IsothermsDefinition:在一定温度下食品的水分含量和水 分活度之间的相互关系图（ polts inte
