《分子组成及结构》ppt课件

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1、第二章 水,第一节 引言 一 水在生物体内的含量 1 水是生物体系的基本组成成分：生物体系的基本成分包括蛋白质、碳水化合物、脂质、核酸、维生素、矿物质、水。其中，水是最普遍存在的组分。 2 每种食品都具有特定的水分含量范围：以适当的数量、定位和定向存在于食品中的水对食品的结构、外观、外表以及对腐败的敏感性有着很大影响。 3 主要食品的水分含量见表21，p7。,二 水的功能,1 水是体内化学反应的介质，水为必需的生物化学反应提供一个物理环境； 2 水是生化反应的反应物； 3 水作为代谢所需的营养成分； 4 水作为代谢产生的废物的输送介质； 5 促进呼吸气体氧和二氧化碳的输送； 6 热容量大，体质

2、体温与此有关； 7 粘度小，有润滑作用； 8 生物大分子构象的稳定剂。,食品的水分含量决定着食品的特性、质构、可口程度、消费者可接受性、品质管理水平和保藏期，是许多食品的法定标准。 水在食品中的存在形式取决于食品的化学成分和这些成分的物理状态，水在食品中可形成胶体，可作为糖、盐、有机酸、酚、亲水性大分子的溶剂。,食品加工中许多单元操作以水为目标：以某种方式从食品中除去水（干燥、浓缩）；将水转变成非活性成分（冷冻）；将水固定在凝胶、结构食品和低（或中等）食品中，以提高食品的稳定性。 将水回复到它的原来状态的所有尝试（复水、解冻）都没有取得完全成功。,第二节 水和冰的物理性质,1 水和冰的物理性质

3、见p8表22。 2 将其物理性质与其具有相似的相对分子质量和原子成分的分子（CH4、HF、H2S、H2Se、H2Te）比较：水的熔点、沸点异常高；水的表面张力、介电常数、热容和相转变热（熔化热、蒸发热、升华热）异常高；水的密度较低；水在结晶时显示异常的膨胀特性；水具有正常的粘度。,第三节 水分子,水分子中氧原子具有4个sp3杂化轨道，两个氢原子靠近氧原子的2个sp3形成2个键，其离解键能460KJ/mol. O-H共价键具有部分（40）离子特性。 分离的水分子（蒸汽状态）的键角为104.5。 O、H同位素的存在，形成了18种HOH分子，加上离子及其同位素变异体，水中含有33种以上的HOH化学变

4、异体。,第四节 水分子的缔合,1 HOH分子呈V字形状，OH具有极性，造成不对称的电荷分布，纯水在蒸汽状态时具有1.84D偶极矩。 2 水分子极性产生分子间吸引力，使水分子具有强烈缔合的倾向。 3 水分子间吸引力不完全是由于它的大偶极矩，偶极矩并不能指出水分子中电荷暴露的程度和水分子的几何形状，而这二者对水分子的缔合程度具有重要影响。,4 水分子参与形成三维空间多重氢键的能力可以解释水分子间的大吸引力。 共价键平均键能约335KJ/mol，氢键离解能约1325KJ/mol。 每个水分子具有数目相等的氢键供体和受体部位，可以形成三维氢键。 每个水分子最多能与其它4个水分子形成氢键，形成四面体结构

5、。 与同样能形成氢键的分子（如NH3、HF）比较，水分子间的吸引力高很多。,5 水形成三维氢键的能力可解释水高相转变热、高表面张力等性质。 6 水的介电常数也受氢键影响：通过氢键结合的水分子簇产生多分子偶极，有效地提高了水的介电常数。 水合氢离子带正电，比非离子化水更大氢键给与能力，羟基，更大接受能力,第五节 冰的结构,1 水分子通过四面体之间的作用力结晶。在冰中，OO核间距0.276nm，OOO键角约109。每一个水分子能同其它4个水分子缔合（配位数4）。,2 当几种晶格单元结合在一起并从顶部（沿着C轴向下）观察时，冰的六面体对称就很清楚。分子W和与它最相邻的4个分子（其中1，2，3是可见的

6、，而第4个分子位于纸平面下，正好处在分子W下面）形成了明显的四面体结构。从三维观察图可以明显看到两平面的分子（空心、实心圆组成）。此2平面平行、非常接近，冰在压力下滑动或流动时作为一个单元运动。此类平面构成冰的基本平面。,3 沿着C轴观察到图25所示式样，表明基本平面在空间配制完美，并在此方向是单折射而在其它方向是双折射，C轴是冰的光学轴。 4 普通冰属于六方晶系的六方形双锥体组，此外冰还能以9种其它结晶多晶型结构存在及无定形或玻璃态存在。正常压力和0下，六方形冰是最稳定的。,5 冰中除了普通HOH外，纯冰还含有HOH的同位素变种。在研究水和冰结构时，主要考虑HOH、H+（H3+O）和OH-。

7、由于H3+O和OH-的运动以及HOH的振动，冰结晶总是有缺陷的，存在于冰结晶空隙中的HOH分子能缓慢地扩散通过晶格。冰远非是静止或均一的，其特征还取决于温度，当温度接近-180或更低时，所有的氢键才是完整的。 6 冰中溶质的种类和数量影响冰结晶的结构。避免极端快速冻结、溶质的性质和浓度不显著妨碍水分子运动的条件下，食品中的冰总是以最有序的六方形冰结晶形存在。,第六节 水的结构,1 一个水分子的定向和运动受它邻近水分子的影响。 2 目前已提出3类水的结构模型：混合、填隙式和连续（均一）。 混合模型体现分子间氢键的概念，它们短暂地浓集于成簇的水分子间，后者与其它更密集的水分子处于动态平衡。 连续模

8、型包括以下概念：分子间氢键均匀分布于整个水样，当冰熔化时冰中的许多氢键与其说断裂还不如说扭曲。按此模型，水分子的连续网状结构能存在，然而具有动态本质。 填隙式模型包括下述概念：水保留在似冰状或笼状结构中，个别水分子填充在笼状结构的缝隙中。,上述3种模型，主要的结构特征是在短暂和扭曲的四面体中液态水通过氢键而缔合，各个水分子通过快速地终止一个氢键代之以形成一个新的氢键的方式频繁地变更它们的结合排列。在温度恒定条件下，整个体系的氢键和结构程度保持不变。 3 水分子的氢键程度取决于温度，在0时冰的配位数（与一个水分子最邻近的水分子的数目）为4.0，最邻近的水分子间的距离为0.276nm。当输入熔化潜

9、热时，冰出现熔化，一些氢键断裂（最邻近的水分子间的距离增加），而其余的被拉紧，水分子采取流体状态，而水分子的缔合平均地较之冰更为紧密。,当温度升高时，0时冰的配位数从4.0增加至1.50时的4.4、8.3时的4.9；与此同时，最邻近水分子间的距离相应地从0.276nm增加至0.29nm和0.305nm。 4 冰转变成水伴随着最邻近水分子间距离的增加（降低密度）和最邻近水分子评价数目的增加（增加密度），由于后一个因素占优势，导致密度的净增加。在3.98达到最大密度，之后逐渐下降。在03.98，配位数增加效应占优势，3.98之后，最邻近分子间距增加效应占优势。 5 水的低粘度：水分子的氢键排列是高

10、度动态的，在纳秒至皮秒间个别的水分子改变它与邻近水分子的氢键关系，增加了水的运动和流动。,第七节 水溶质相互作用,一 宏观水平 水结合（Water binding）、水合（Hydration）、持水力（Water holding capacity）。 1 在食品中，水结合和水合常被用来表示水与包括细胞物质在内的亲水物质缔合的一般倾向，这两个术语与宏观水平相称。 水结合的程度和强度取决于许多因素，包括非水成分的本质、盐的组成、pH和温度。,2 持水力这个术语通常被用来描述由分子（通常是以低浓度存在的大分子）构成的基体通过物理方式截留大量水而阻止水渗出的能力。如果胶、淀粉凝胶、动物细胞截留水。 物

11、理截留的水甚至当组织化食品被切割或剁碎时仍不会流出。在食品加工时表现出来的性质几乎与纯水相同：如在干燥时易于被除去，在冻结时易于转变成冰，可以作为溶剂。 物理截留的水整体流动被严格限制，但个别分子的运动基本上与稀盐溶液中水分子的运动相同。,食品持水力（食品截流水的能力）的损害会严重影响食品质量，如：凝胶食品脱水收缩，冷冻食品解冻时渗水，动物宰后生理变化使肌肉pH下降导致香肠质量变差等。 二 分子水平 （一） 概述 溶质与水混合会同时改变这两个成分的性质。亲水溶质会改变邻近水的结构和流动性，水会改变亲水溶质的反应性，有时甚至改变结构。溶质的疏水基团仅与邻近水分子微弱地作用，它们优先选择非水环境。

12、,表23 水溶质相互作用分类,（二） 结合水,结合水不是一个均一的和易于鉴别的实体，解释此术语很困难，尚无公认的解释。 此术语常引起争论，被误用、误解，越来越多的科学家建议终止使用它。 以下是结合水的各种定义： 1 结合水是一个样品在某一温度和较低的相对湿度下的平衡水分含量； 2 结合水在高频电场下对介电常数没有重要贡献，因此它的转动被与它缔合的物质所限制。,3 结合水在低温（通常是指-40或更低）下不能结冰； 4 结合水不能作为外加溶质的溶剂； 5 结合水在质子核磁共振实验中产生宽带； 6 结合水处在溶质和其它非水物质的邻近位置，其性质显著地不同于同一体系中体相水的性质。 以上定义都有根据，

13、按照这些定义测定一个样品的结合水难以得到相同的数值，。 在理论上可以将结合水看作为存在于溶质和其它非水成分相邻处，并且具有与同一体系中体相水显著不同性质的那部分水。 与体相水比较，结合水具有被阻碍的流动性，而不是被固定化的。 在典型高水分含量食品中，结合水仅占总水量很小一部分，大约相当与邻近亲水基团的第一层水。,在复杂体系中存在不同结合程度的水，即结合水由构成水、邻近水和多层水所组成。 构成水：结合最强的水，已成为非水物质的组成部分。如存在于蛋白质分子的空隙区域的水和成为化学水合物的一部分的水。 邻近水：占据着非水成分的大多数亲水基团的第一层位置。如与离子或离子基团相缔合的水。 多层水：占有第

14、一层中剩下的位置以及以及形成了邻近水外的几层。虽然结合程度不如邻近水，仍与非水组分靠得足够近，其性质大大不同于纯净水。,自由水,自由水可区分为滞留水、毛细管水、自由流动水三种形式。 滞留水：被组织中的显微结构或亚显微结构或膜滞留的水。特点：不能自由流动，与非水物质没有关系； 毛细管水：由细胞间隙等形成的毛细管力所系留的水。特点：理化性质与滞留水相同。 自由流动水：以游离态存在的水。特点：可正常结冰，具有溶剂能力，微生物可利用。,三 水与离子和离子基团的相互作用,1 离子和有机分子的离子基团在阻碍水分子流动的程度上超过任何其它类型的溶质。H2O离子键强度大于H2O H2O强度、低于共价键强度。

15、2 加入可离解的溶质破坏了纯水的正常结构。水与简单无机离子产生偶极离子相互作用。,3 在稀水溶液中，一些离子具有净结构破坏效应（Net structure-breaking effect)，此时溶液具有比纯水较好的流动性。 4 一些离子具有净结构形成效应（ （Net structure forming effect），此时溶液具有比纯水较差的流动性。 净结构涉及到所有形式的结构，包括正常的和新形式的水结构。 5 一种离子改变水的净结构的能力与它的极化力（电荷除以半径）或电场强度紧密相关。小离子和/或多价离子产生强电场，是净结构形成体，这些离子大多带正电荷。,净结构形成离子例子：Li+、Na +

16、 、H3+O、Ca2+、Ba2+、Mg2+、Al3+、F-和OH-等。它们强加于水的结构超过了正常水结构的损失，它们强烈地与4或6个第一层水分子作用。 6 大离子和/或单价离子是净结构破坏体，主要是负离子和大的正离子，例如：K + 、Rb + 、NH4 + 、Cs + 、Br-、I-、NO3 + 、BrO3-、IO3-和ClO4-等 7 离子通过不同的水合能力，改变水的结构。影响水的介电常数，决定胶体粒子周围双电层的厚度，显著影响水对其它非水溶质和悬浮物质的相容程度。离子的种类和数量一般也影响蛋白质的构象和胶体的稳定性。,四 水与具有氢键形成能力的中性基团（亲水溶质）的相互作用,1 水与非离子、亲水性溶质之间的相互作用若于H2O离子相互作用，与H2O H2O氢键的强度大致相同。由于H2O溶质氢键强度不一样，第一层水有的流动性低于纯水，有的高于纯水。 2 一般能形成氢键的溶质会增加、至少不会破坏纯水的正常结构。但是，在一些体系中，有些溶质氢键部位的分布和定向在几何上与正常水的氢键部位不相容，这些溶质往往对水的正常结构具有破