江南大学食品化学课件.ppt

《江南大学食品化学课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《江南大学食品化学课件.ppt（87页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章第二章水（水（water)第一节第一节引引言（言（introduction)一、水是食品的主要组分之一一、水是食品的主要组分之一 水是生物体系的基本成分水是生物体系的基本成分: : Protein Protein、CarbohydrateCarbohydrate、 lipidslipids、nucleic acidnucleic acid、mineral and watermineral and water。主要营养成分：主要营养成分：营养素：ProteinProtein、CarbonhydrateCarbonhydrate、 lipidslipids、VitaminVitamin、mi

2、neralmineral、waterwater、FibreFibre。 每一种食品具有特定的水分含量每一种食品具有特定的水分含量 水水对对食食品品的的结结构构、外外观观和和质质构构以以及及对对腐腐败败的的敏敏感感性性有着很大的影响有着很大的影响。主要食品的水分含量主要食品的水分含量二、水的重要功能二、水的重要功能n是是体体内内化化学学反反应应的的介介质质水水为为生生物物化化学学反应提供一个物理环境反应提供一个物理环境。n生化反应的反应物生化反应的反应物n养分和代谢物的载体养分和代谢物的载体n热容量大，体质体温热容量大，体质体温n粘度小，有润滑作用粘度小，有润滑作用n生物大分子构象的稳定剂生物大

3、分子构象的稳定剂三、水分子三、水分子（WaterMolecule)斯陶特模型小于正方体的109.52p2s四、水分子的缔合四、水分子的缔合（AssociationofWaterMolecules) 形成三维氢键能力（形成三维氢键能力（threedimensionalH-bondnetwork）水水分分子子具具有有在在三三维维空空间间内内形形成成许许多多氢氢键键（hydrogenbond）的能力）的能力. .这这可充分地解释可充分地解释水分子间存在大的引力水分子间存在大的引力。 与与共共价价键键（平平均均键键能能约约355kJ/mol355kJ/mol）相相比比，氢氢键键是是弱弱键键（一般为（一

4、般为2-40kJ/mol2-40kJ/mol），它有着较长而多变的键长。），它有着较长而多变的键长。 静电力静电力( (对氢键键能作出了主要的贡献对氢键键能作出了主要的贡献). ). 每个水分子至多能与四个其他的分子形成氢键每个水分子至多能与四个其他的分子形成氢键。 克库勒模型克库勒模型TetrahedralcoordinationofWatermoleculesn每每个个水水分分子子具具有有数数量量相相等等的的氢氢键键给给予予体体（hydrogen bond donor)和和氢氢键键接接受受体体（H-bondacceptor)的的部部位位，并并且且这这些些部部位位的的排排列列可可以以形形成成

5、三三维维氢氢键键，因因此此，存存在在于于水水分子间的吸引力仍然是特别的大。分子间的吸引力仍然是特别的大。n水水合合氢氢离离子子(H3+O)带带正正电电荷荷，比比非非离离子子化化水水具具有有更更大大的的氢氢键键给给予予能能力力；羟羟基基(OH-)离离子子带带负负电电荷荷，比比非非离离子子化化水水具具有有更更大大的的氢氢键键接接受能力。受能力。与打破分子间氢键所需额外能与打破分子间氢键所需额外能量有关的水的性质量有关的水的性质n低蒸汽压低蒸汽压n高沸点高沸点n高熔化热高熔化热n高蒸发热高蒸发热五、冰的结构五、冰的结构（StructureofIce）（一）纯冰（一）纯冰(Pureice)六方晶系六方

6、晶系的六方六方金刚石a.六方六方柱体b.六方双锥六方双锥体c-d.双双晶六方晶系单斜晶系正交晶系三方晶系四方双锥双锥斜方双锥双锥冰结晶的对称性冰结晶的对称性n普通冰属于普通冰属于六方晶系六方晶系中的中的双六方双锥体双六方双锥体型。型。n冰还可能以其他冰还可能以其他9 9种多晶型结构存在，也可能种多晶型结构存在，也可能以无定形或无一定结构的玻璃态存在。但是在以无定形或无一定结构的玻璃态存在。但是在总的总的1111种结构中，只有普通的六方形冰在种结构中，只有普通的六方形冰在00和常压下是稳定的。和常压下是稳定的。 冰的结构的复杂性冰的结构的复杂性n纯纯冰冰不不仅仅含含有有普普通通的的HOHHOH分

7、分子子，而而且且还还含含有有离离子子和和HOHHOH同位素变种同位素变种( (氢有重氢，氧有氢有重氢，氧有17.18)17.18)。n由由于于H H3 3O O+ +和和OHOH- -的的运运动动和和HOHHOH的的振振动动，冰冰结结晶晶不不是是完完美美的的，总总存存在在缺缺陷陷。这这些些缺缺陷陷的的存存在在可可用用于于解解释释冰冰中中质质子子的的流流动动性性以以及及当当水水冻冻结结时时直直流流电电导导的的稍稍有有减减小。小。n冰冰不不是是静静止止的的或或均均一一的的体体系系，存存在在于于结结晶晶空空隙隙的的HOHHOH分分子子可可以以缓缓慢慢地地扩扩散散通通过过晶晶格格，它它的的特特性性取取

8、决决于温度。于温度。n仅仅在在温温度度近近-180-180或或更更低低时时，所所有有的的氢氢键键才才是是完完整整的的。随随着着温温度度升升高高，完完整整的的（固固定定的的）氢氢键键平平均均数数将逐渐地减少。将逐渐地减少。六、六、水的结构水的结构（Structureofliquidwater）n液体水具有结构液体水具有结构。n某某个个水水分分子子的的定定向向与与流流动动性性受受到到与与它它相相邻邻分分子的影响。子的影响。n水水部部分分地地保保留留了了冰冰的的敝敝开开、氢氢键键和和四四面面体体排排列。列。n冰冰的的熔熔化化热热很很高高，但但熔熔化化只只打打断断了了冰冰中中约约15%15%的氢键。的

9、氢键。n三三个个一一般般模模型型：混混合合、填填隙隙和和连连续续（均均一一）模型模型。n混合模型混合模型： 分分子子间间氢氢键键短短暂暂地地浓浓集集在在庞庞大大成成簇簇的的水水分分子子中中，后者与其他更稠密的水分子处在动态平衡。后者与其他更稠密的水分子处在动态平衡。n连续模型连续模型：分分子子间间氢氢键键均均匀匀地地分分布布在在整整个个水水样样中中，原原存存在在于于冰冰中中的的许许多多键键在在冰冰熔熔化化时时简简单单地地扭扭曲曲而而不不是是断断裂裂。此此模模型型认认为为存存在在着着一一个个由由水水分分子子构构成成的的连连续续网，具有动态本质。网，具有动态本质。n填隙模型填隙模型：水保留一种似冰

10、或笼形物结构，而个别水分水保留一种似冰或笼形物结构，而个别水分子填充在笼形物的间隙中。子填充在笼形物的间隙中。n在在所所有有的的三三种种模模型型中中，主主要要的的结结构构特特征征是是在在短短暂暂、扭扭曲曲的的四四面面体体中中液液态态水水分分子通过氢键缔合子通过氢键缔合。n所所有有的的模模型型也也容容许许各各个个水水分分子子频频繁繁地地改改变变它它们们的的排排列列，即即一一个个氢氢键键快快速速地地终终止止而而代代之之以以一一个个新新的的氢氢键键，而而在在温温度度不不变变的的条条件件下下，整整个个体体系系维维持持一一定定的的氢氢键键合和结构的程度。键键合和结构的程度。水分子中分子间氢键键合的程度取

11、决于温度水分子中分子间氢键键合的程度取决于温度n在在00时时冰冰的的配配位位数数为为4 4，与与最最接接近近的的水水分分子子的的距距离离为为0.276nm0.276nm。n当当输输入入熔熔化化潜潜热热时时冰冰熔熔化化，即即一一些些氢氢键键断断裂裂（最最接接近近的的水水分分子子间间的的距距离离增增加加），而而其其他他氢氢键键变变形形，水水分子呈缔合的流体状态，总体上它们更加紧密。分子呈缔合的流体状态，总体上它们更加紧密。n随随着着温温度度提提高高，配配位位数数从从00冰冰时时的的4.04.0增增加加至至1.501.50水水时时的的4.44.4时时，随随后后8383水水时时的的4.94.9。同同时

12、时，最最接接近近的的水水分分子子间间的的距距离离从从00冰冰时时的的0.276nm0.276nm增增加加至至1.51.5水时的水时的0.29nm0.29nm，随后，随后8383水时的水时的0.305nm0.305nm。n冰冰向向水水转转变变伴伴随随着着最最接接近近的的水水分分子子间间的的距距离离的的增增加加 最接近的水分子的平均数目的增加。最接近的水分子的平均数目的增加。 水的密度在水的密度在3.983.98达到最大。达到最大。n密度增加密度增加 在在00和和3.983.98之间，配位数增加的效应占优势。之间，配位数增加的效应占优势。n密度下降密度下降 超超过过3.983.98后后，最最接接近

13、近的的水水分分子子间间的的距距离离增增加加的的效效应应（热膨胀）占优势。（热膨胀）占优势。n水的低粘度水的低粘度 水水分分子子的的氢氢键键键键合合排排列列是是高高度度动动态态的的，允允许许各各个个水水分分子子在在毫毫微微秒秒至至微微微微秒秒的的时时间间间间隔隔内内改改变变它它们们与与邻邻近近水水分分子子间的氢键键合关系，间的氢键键合关系，增加了水的流动性增加了水的流动性。第二节第二节水和溶质的相互作用水和溶质的相互作用Water-soluteinteraction一、宏观水平一、宏观水平(macroscopiclevel)一般概念一般概念n水结合（水结合（Waterbinding）水与亲水物质

14、缔合的一般倾向。水与亲水物质缔合的一般倾向。n水合（水合（Hydration）水与亲水物质缔合的一般倾向。水与亲水物质缔合的一般倾向。n“水水结结合合位位”（waterbindingpotential）有有定定量量意意义义，但仍然仅适用于宏观水平但仍然仅适用于宏观水平n水水结结合合或或水水合合的的程程度度和和强强度度取取决决于于包包括括非非水水组组分分的的本质、盐组成、本质、盐组成、pHpH和温度和温度等很多因素。等很多因素。持水力（持水力（Waterholdingcapacity）n由由分分子子（通通常常以以低低浓浓度度存存在在的的大大分分子子）构构成成的的基基质质通通过过物物理理方方式式截

15、截留留大大量量水水以以防防止止水水渗渗出出的的能力。能力。 果胶、淀粉凝胶以及动物和植物组织细胞果胶、淀粉凝胶以及动物和植物组织细胞。 n这这部部分分水水在在食食品品加加工工中中的的性性质质几几乎乎与与纯纯水水相相似似；即即在在干干燥燥时时它它易易被被除除去去，在在冷冷冻冻时时易易转转变变成成冰冰，可可以以作作为为溶溶剂剂。但但在在组组织织状状食食品品被被切切割割或或剁剁碎碎时不会流出。时不会流出。n这这部部分分水水的的整整体体流流动动受受到到严严格格地地限限制制，但但是是各各个个分分子子的的运运动动基基本本上上与与在在稀稀盐盐溶溶液液中中的的水水分分子子相同相同。二、分子水平二、分子水平(M

16、olecularlevel)（一）概述（一）概述溶质和水的混合同时改变了溶质和水的性质溶质和水的混合同时改变了溶质和水的性质。n亲水溶质会改变邻近水分子的结构和流动性；亲水溶质会改变邻近水分子的结构和流动性；n水会改变亲水溶质的反应性，甚至改变其结构。水会改变亲水溶质的反应性，甚至改变其结构。（二）（二）结合水结合水(Boundwater)n定义：定义： 结结合合水水是是一一个个样样品品在在某某一一个个温温度度和和较较低低的的相相对湿度下的平衡水分含量；对湿度下的平衡水分含量；n在在低低温温（通通常常是是指指-40C-40C 或或更更低低）下下不不能能冻结；冻结；n不能作为外加溶质的溶剂；不能

17、作为外加溶质的溶剂；n处处在在溶溶质质和和其其它它非非水水物物质质的的邻邻近近位位置置，它它的的性性质质显显著著地地不不同同于于同同一一体体系系中中体体相相水水(bulk-phase water)(bulk-phase water)的性质的性质。n与与体体相相水水比比较较，结结合合水水具具有有“被被阻阻碍碍的的流流动动性性”而不是而不是“被固定的被固定的”。n在在高高水水分分含含量量的的食食品品中中，结结合合水水仅仅包包括括总总水水分分中中的的一一个个微微小小部部分分，大大致致相相当当于于邻邻近近亲亲水水基基团团的的第第一层水分子一层水分子。n表观结合水量常随测定方法变化。n在在复复杂杂的的体

18、体系系中中存存在在不不同同结结合合程程度度的的水水；即即其其结结合水由合水由构成水构成水、邻近水邻近水和和多层水多层水所组成所组成。n构构成成水水结合最强的水，已成为非水物质的整体部分。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。n邻邻近近水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。n多多层层水水占有第一层中剩下的位置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的性质。结合水（另一种分类法）n单分子层水n氨基、羧基等强极性基团常以离子形式存在。这些离子可以与水通过氢键结合。在他们周围结合的第

19、一层水单分子层结合水。n蒸发能力弱，不易去除，可看作食品的一部分。n多分子层水：与酰胺基、羟基、巯基等极性基团结合的及离子基团单分子层以外的几层水。蒸发仍然需要较多能量。n95-100 烘干测定的是自由水和多分子层水。n单分子层水要减压干燥才能测定出来。n结晶水测定：水合硫酸铜晶体，在260280脱水。由蓝色全部变为白色。三、水与离子及离子基团的相互作用三、水与离子及离子基团的相互作用Interactionofwaterwithionsandionicgroupsn水水- -离离子子键键的的强强度度大大于于水水- -水水氢氢键键的的强强度度，但是远小于共价键的强度。但是远小于共价键的强度。n加

20、加入入可可以以离离解解的的溶溶质质会会打打破破纯纯水水的的正正常常结结构，也会阻碍水分子的流动。构，也会阻碍水分子的流动。离子在稀水溶液中的净结构破坏效应离子在稀水溶液中的净结构破坏效应n“净净结结构构”（Netstructure）涉涉及及所所有有种种类类的的结结构构，包包括括正正常常的的或或新新类类型型的的水水结结构构。从从“正正常常”的的水水结结构观点来看，所有离子都是破坏性的。构观点来看，所有离子都是破坏性的。n净净结结构构破破坏坏效效应应（Netstructure-breakingeffect）（溶液比纯水具有较高的流动性），（溶液比纯水具有较高的流动性），n净净结结构构形形成成效效应

21、应（Netstructureformingeffect）（溶液比纯水具有较低的流动性）。（溶液比纯水具有较低的流动性）。一种离子改变水的净结构的能力与它的极化半一种离子改变水的净结构的能力与它的极化半径（电荷除以半径）或电场强度紧密相关径（电荷除以半径）或电场强度紧密相关。l净结构形成效应净结构形成效应流动性比纯水差流动性比纯水差小离子或多价离子产生强电场小离子或多价离子产生强电场 LiLi+ +, Na, Na+ +, H, H3 3O O+ +, Ca, Ca2+2+, Ba, Ba2+2+, Mg, Mg2+2+, Al, Al3+3+, F, F- -, OH, OH- - 这这些些离

22、离子子强强烈烈地地与与4 4至至6 6个个第第一一层层水水分分子子相相互互作作用用，导导致它们比纯水中的致它们比纯水中的HOHHOH具有较低的流动性和包装得更紧密具有较低的流动性和包装得更紧密。l净结构破坏效应净结构破坏效应流动性比纯水强流动性比纯水强 大离子和单价离子产生较弱电场大离子和单价离子产生较弱电场 K K+ +, Rb, Rb+ +, Cs, Cs+ +, NH, NH4 4+ + , Cl , Cl- -, Br, Br- -, I, I- -, NO, NO3 3- - , BrO , BrO3 3- - , IO , IO3 3- - , ClO , ClO4 4- - 这这

23、些些离离子子打打破破水水的的正正常常结结构构，并并且且新新的的结结构构又又不不足足以以补补偿这种结构上的损失偿这种结构上的损失。离子效应：通过它们不同程度的水合能力离子效应：通过它们不同程度的水合能力n改变水的结构n影响介电常数n决定胶体粒子周围双电层的厚度n影响水对其它非水溶质和悬浮物质的相容程度n影响蛋白质的构象和胶体的稳定性。四、水与极性基团四、水与极性基团( (具有具有H-BONDH-BOND能力能力) )的相互作用的相互作用 InteractionofwaterwithneutralgroupspossessingH-bondcapabilitiesn水水与与非非离离子子、亲亲水水溶

24、溶质质的的相相互互作作用用弱弱于于水水- -离离子子相相互互作作用用，而而与与水水- -水水氢氢键键相相互互作作用用的的强强度度大大致致相同相同。n能能形形成成氢氢键键的的溶溶质质或或许许会会促促进进（或或至至少少不不会会破破坏坏）纯纯水水的的正正常常结结构构。然然而而，在在某某些些情情况况下下，溶溶质质氢氢键键部部位位的的分分布布和和定定向向在在几几何何上上与与正正常常水水的的氢氢键键部部位位是是不不相相容容的的。于于是是，这这些些溶溶质质对对水水的的正正常常结结构构往往具有一种破坏作用。往往具有一种破坏作用。 尿素对水的正常结构具有显著的破坏作用。尿素对水的正常结构具有显著的破坏作用。“水

25、桥水桥”（waterbridge)n“水水桥桥”指指一一个个水水分分子子与与一一个个或或多多个个溶溶质质分分子子的的两两个个合合适适的的氢氢键键部部位位相相互互作作用用。水水与与蛋蛋白白质质中中两两类功能团形成氢键。类功能团形成氢键。五、水与非极性基团的相互作用五、水与非极性基团的相互作用Interactionofwaterwithnonpolarsubstance疏水水合疏水水合（hydrophobichydration) 热热力力学学上上，水水与与非非极极性性物物质质，如如烃烃类类、稀稀有有气气体体以以及及脂脂肪肪酸酸、氨氨基基酸酸和和蛋蛋白白质质的的非非极极性性基基团团相混合无疑是一个不

26、利的过程（相混合无疑是一个不利的过程（ G G 0 0）。）。 G=H- TSG=H- TS G G为正是因为为正是因为SS是负是负的。的。n熵熵的的减减少少是是由由于于在在这这些些不不相相容容的的非非极极性性物物质质的的邻邻近近处处形成了形成了特殊的结构特殊的结构。此过程被称为。此过程被称为 疏水水合疏水水合。笼状水合物笼状水合物n为为冰冰状状包包合合物物，水水为为“主主体体”物物质质，通通过过氢氢键键形形成成了了笼笼状状结结构构，后后者者物物理理截截留留了了被被称称为为“客客体体”的的非非极极性性小小分分子子(低低分分子子量量化化合合物物，包包括括低低分分子子量量烃烃和和卤卤代代烃烃、稀稀

27、有有气气体体、短短链链胺胺、烷烷基基铵铵盐盐等等，大大小小和和形状适合于由形状适合于由20-74个水分子构成的主体水笼子。个水分子构成的主体水笼子。n笼笼状状水水合合物物是是水水力力图图避避免免与与疏疏水水基基团团接接触触而而形形成成的的特特殊殊产产物物。笼笼状状水水合合物物代代表表了了水水对对非非极极性性物物质质的的最最大程度的结构形成响应。大程度的结构形成响应。n在在生生物物物物质质中中存存在在类类似似于于结结晶晶笼笼状状水水合合物物的的结结构构，这这些些结结构构可可能能影影响响如如蛋蛋白白质质这这样样的的分分子子的的构构象象、反反应性和稳定性应性和稳定性。n当当两两个个分分离离的的非非极

28、极性性基基团团存存在在时时，不不相相容容的的水水环环境境会会促促使使它它们们缔缔合合，从从而而减减小小了了水水- -非非极极性性界界面面，这是一个热力学上有利的过程（这是一个热力学上有利的过程（GG0 0）。n为为疏疏水水水水合合的的部部分分逆逆转转，被被称称为为“疏疏水水相相互互作作用用”。R（水合的）（水合的）+R（水合的）（水合的）R2（水合的）（水合的）+H2O疏水缔合（疏水缔合（疏水相互作用）疏水相互作用）hydrophobic interactionn疏疏水水相相互互作作用用提提供供了了使使蛋蛋白白质质折折叠叠的的一一个个重重要要的的驱驱动动力力，导导致致使使许许多多疏疏水水残残基

29、基处在蛋白质分子的内部。处在蛋白质分子的内部。 疏水相互作用在维持大多数蛋白质疏水相互作用在维持大多数蛋白质的三级结构中起着首要的作用。的三级结构中起着首要的作用。测验一n请说明纯冰的结构，并解释冰的高熔化热和水的高蒸发潜热。n请说明食品中结合水和截留水的区别。n请说明水对食品的重要性。六、水与双亲分子的相互作用六、水与双亲分子的相互作用n水也能作为双亲分子的分散介质水也能作为双亲分子的分散介质n双双亲亲分分子子一一个个分分子子中中同同时时存存在在亲亲水水和和疏疏水水基基团团。脂脂肪肪酸酸盐盐、蛋蛋白白质质、脂脂质质、糖糖脂脂、极极性性脂脂类类、核核酸等。酸等。胶胶团团双双亲亲分分子子在在水水

30、中中形形成成大大分分子子聚聚集集体体。分分子子数数从几百到几千。从几百到几千。双亲脂肪酸盐的一般结构（双亲脂肪酸盐的一般结构（1）-（3）双亲分子的一般结构（双亲分子的一般结构（4）双亲分子在水中形成的胶团结构双亲分子在水中形成的胶团结构第八节第八节 水分活度和相对蒸汽压水分活度和相对蒸汽压Wateractivityandrelativevaporpressure一、引言一、引言n食食品品的的水水分分含含量量和和它它的的腐腐败败性性之之间间存存在在着着一一定定的的关关系，但水分含量不是一个易腐性的可靠指标系，但水分含量不是一个易腐性的可靠指标。参参与与强强缔缔合合的的水水比比起起弱弱缔缔合合的

31、的水水在在较较低低程程度度上上支支持持降降解解活力活力如微生物生长和水解化学反应。如微生物生长和水解化学反应。na aW W表表明明水水与与各各种种非非水水成成分分缔缔合合的的强强度度，与与微微生生物物生生长和许多降解反应的速度具有很好的相关性。长和许多降解反应的速度具有很好的相关性。na aw w已已被被列列入入涉涉及及食食品品良良好好作作业业规规划划的的一一些些美美国国联联邦邦法规中。法规中。二、水分活度的定义和测定方法二、水分活度的定义和测定方法Definition：aW=f/f0f：溶剂（水）的逸度。：溶剂（水）的逸度。逸度：逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势溶剂从溶液逃脱的趋势f0：纯溶剂的

32、逸度。：纯溶剂的逸度。l在低压（例如室温）下，在低压（例如室温）下，f/f0和和p/p0之间的差别小于之间的差别小于1%，aW=p/p0此等式成立的前提是溶液是理想溶液和存在热力学平衡。此等式成立的前提是溶液是理想溶液和存在热力学平衡。n食食品品体体系系一一般般不不符符合合上上述述两两个个条条件件，更更合合适适的的表表达达式应为式应为aWp/p0n“相相对对蒸蒸汽汽压压”（RVP）p/p0是是测测定定项项目目，有有时时不不等等于于aw，因此，因此，使用使用p/p0项比项比aw更为准确更为准确。n在在少少数数情情况况下下，由由于于溶溶质质特特殊殊效效应应使使RVP成成为为食食品品稳定和安全的不良

33、指标。稳定和安全的不良指标。金金黄黄色色葡葡萄萄球球菌菌（Staphlococcus aureus）生生长长所需的最低所需的最低P/P0取决于溶质的种类。取决于溶质的种类。A Aw w与产品环境的平衡相对湿度有关与产品环境的平衡相对湿度有关aw=p/p0=%ERH/100ERH：Equilibriumrelativehumidity第第一一，RVPRVP是是样样品品的的一一种种内内在在性性质质，而而ERHERH是是与样品平衡的大气的性质；与样品平衡的大气的性质； 第第二二，仅仅当当产产品品与与它它的的环环境境达达到到平平衡衡时时上上式式才能成立。平衡的建立是一个耗时的过程。才能成立。平衡的建立

34、是一个耗时的过程。RVP测定方法测定方法n将将试试样样置置于于一一个个密密闭闭的的容容器器内内，待待达达到到表表观观平平衡衡（试试样样恒恒重重）后后测测定定容容器器内内的的压压力力或或相相对对湿湿度。度。n仪仪器器：量量压压计计、湿湿度度计计（电电子子湿湿度度计计、露露点点仪仪）。n也可以根据冰点下降的数据测定也可以根据冰点下降的数据测定RVPRVP。na aw w测定的精确度可以达到约测定的精确度可以达到约0.020.02。将一个小的试样调节至一个特定的将一个小的试样调节至一个特定的RVP将将试试样样与与一一个个合合适适的的饱饱和和盐盐溶溶液液一一起起置置于于一一个个密密闭闭的的容容器器，让

35、让它它们们在在不不变变温温度度下下达达到平衡（试样重量不再改变）到平衡（试样重量不再改变）。三、水分活度与温度的关系三、水分活度与温度的关系TemperatureDependence Clausius-Clapeyron Clausius-Clapeyron（克劳修斯克拉珀龙）（2-5）T T：绝对温度：绝对温度R R：气体常数：气体常数n H H：在样品的水分含量下等量净吸附热：在样品的水分含量下等量净吸附热( (在等温等容且在等温等容且吸附量恒定的条件下吸附量恒定的条件下, , 吸附吸附1mol1mol气体所释放的热量气体所释放的热量, ,可可 使用使用SGCSGC技术测量。技术测量。郭亮

36、郭亮, , 吴占松吴占松，清华大学学报清华大学学报( (自然科学自然科学版版) ) ,2008 ,2008, ,48 48 ( (8 8):1321-1325):1321-1325nClausius-ClapeyronClausius-Clapeyron公式适合公式适合A AW W，也适合，也适合RVPRVPP/PP/P0 0随温度变化的程度是水分含量的函数。随温度变化的程度是水分含量的函数。nP/PP/P0 0与与温温度度的的关关系系对对于于包包装装食食品品是是重重要要的的。包包装装食食品品因因温温度度变变化化而而经经受受RVPRVP变变化化。它它的的稳稳定定性性对对温温度度依依赖的程度大于

37、未经包装的相同食品。赖的程度大于未经包装的相同食品。n当温度范围扩大时，当温度范围扩大时，lnP/PlnP/P0 01/T1/T图并非总是直线。图并非总是直线。 在冰开始形成时，直线一般出现明显的折断。在冰开始形成时，直线一般出现明显的折断。冰点以下食品水分活度定义冰点以下食品水分活度定义（2-6）P Pffff：部部分分冷冷冻冻食食品品中中水水的的蒸蒸汽汽分分压压（partialpressureofwaterinpartiallyfrozenfood）P P0 0 (scw)(scw)：纯纯的的过过冷冷水水的的蒸蒸汽汽压压（The The vaporvaporpressureofpuresu

38、ppercooledwater）P Piceice：纯冰的蒸汽压（：纯冰的蒸汽压（The vaporThe vaporpressureofpureice）冷冻食品中水的分压等于相同温度下冰的蒸汽压冷冻食品中水的分压等于相同温度下冰的蒸汽压n在在冰冰点点以以上上，水水分分活活度度是是样样品品组组成成与与温温度度的的函函数数，并并且且前者是主要的因素；前者是主要的因素；n在在冰冰点点以以下下，水水分分活活度度仅仅与与温温度度有有关关，即即有有冰冰相相存存在在时时，不受所存在的溶质的种类或比例的影响。不受所存在的溶质的种类或比例的影响。n在在冰冰点点以以下下，不不能能根根据据RVPRVP值值预预测测

39、受受溶溶质质影影响响的的冰冰点点以以下下发发生生的的过过程程，例例如如扩扩散散控控制制过过程程、催催化化反反应应、低低温温保保护护剂剂影影响响的的反反应应、抗抗微微生生物物剂剂影影响响的的反反应应和和化化学学试试剂剂（改改变变pHpH和和氧氧化化还还原原电电位位）影影响响的的反反应应。因因此此，RVPRVP作作为为物物理理和和化化学学过过程程的的指指示示剂剂在在冰冰点点以以下下比比起起冰冰点点以以上上价价值值就就低低得多。得多。四、水分吸着等温线四、水分吸着等温线Moisturesorptionisotherm（一）定义（一）定义n在在恒恒定定温温度度下下，食食品品水水分分含含量量（每每单单位

40、位质质量量干干物物质质中中水水的的质质量量）对对P/PP/P0 0作作图图得得到到水水分分吸吸着着等等温温线线（moisturesorptionisotherms，缩写为，缩写为MSI）。n等等温温线线区区中中的的水水是是被被最最牢牢固固地地吸吸附附着着，是是食食品品中中最最难难流流动动的的水水。通通过过 H H2 2O-O-离离子子 或或 H H2 2O-O-偶偶极极 相相互互作作用用与与可可接接近近的的极极性性部部位位缔缔合合。在在-40-40不不能能冻冻结结，不不具具有有溶溶解解溶溶质质的的能能力力。可可看看作作为为固固体体的一部分。的一部分。n区区的的高高水水分分端端（区区和和区区的的

41、边边界界）相相当当于于食食品品的的“BETBET单单层层”水水分分含含量量。在在高高水水分分食食品品材材料料中，区中，区水仅占总水量的极小部分。水仅占总水量的极小部分。n单单层层并并不不表表示示所所有有干干物物质质被被紧紧密密堆堆积积的的单单分分子子水水层所覆盖。它代表了构成水与邻近水。层所覆盖。它代表了构成水与邻近水。n区域II的水占剩余的第一层位置和固体的亲水基外的几层，被称为多层水。这部分水主要通过氢键与相邻的水分子和溶质分子缔合（水水和水溶质），流动性比整体相水稍差，其中大部分在-40不能冻结。n当水增加至靠近区的高水分端，它对溶质产生显著的增塑作用（溶剂化作用），降低了它们的玻 璃

42、化 相 变 温 度 （ glass transition temperature，缩写为Tg），并导致固体基质的初步肿胀。此作用和开始出现的溶解过程使大多数反应的速度加快。n区域III的水结合得最弱，流动性大，被称为体相水。FreewaterMonolayermoisturerboundwater蛋白质的水合过程蛋白质的水合过程n球球蛋蛋白白质质（主主要要根根据据溶溶菌菌酶酶）和和在在水水合合的的不不同同阶阶段段和和被被缔缔合合的的水水的的性性质质见见表表2-42-4。相相应应的吸着等温线图见的吸着等温线图见2-19 2-19 。BET单层值单层值BETmonolayervaluen一个试样含

43、有的相当于区一个试样含有的相当于区和区和区接界的水分含量。接界的水分含量。n19381938年年，布布鲁鲁瑙瑙尔尔( (BrunauerBrunauer) )、埃埃米米特特( (EmmettEmmett) )和和特特勒勒( (TellerTeller) )三三人人在在兰格缪尔单分子层吸附理论的基础上提出多分子层吸附理论兰格缪尔单分子层吸附理论的基础上提出多分子层吸附理论。nBETBET一一般般被被认认为为是是一一个个单单层层，然然而而这这是是一一个个错错误误的的概概念念。例例如如，淀淀粉粉的的BETBET值约相当于每个脱水葡萄糖基一个水分子。值约相当于每个脱水葡萄糖基一个水分子。nBETBET

44、 相相当当于于一一个个干干制制品品在在呈呈现现最最高高稳稳定定性性的的前前提提下下能能含含有有的的最最高高水水分分含含量。量。n“真真实实单单层层”不不同同于于BET单单层层。真真实实单单层层涉涉及及在在区区B和和区区接接界界的的水水分含量分含量在在此此实实例例中中，水水分分含含量量约约为为0.38gH0.38gH2 2O/gO/g干干蛋蛋白白质质和和Aw Aw =0.85=0.85）。此此值值相相当当于于约约300molH300molH2 2O/molO/mol溶溶菌菌酶酶和和水水分分含含量量27.5%27.5%（重重量量），一一个个HOHHOH平平均均占占0.2nm0.2nm2 2的的蛋蛋

45、白白质质表表面面积积。这这个个水水分分含含量量代代表表“完完全全水水合合” 所所需需的的水水分分含含量量，即即占占满满全全部部第第一一层层部部位位所所需需的的最最低低水水分分含含量量。进进一一步步加加入入的的水水的的性性质质与与体体相相水水的的性性质质没没有有显显著著差别。差别。nBET单层水单层水 BET单单层层不不是是物物理理上上的的单单层层。与与极性基团有关。极性基团有关。n真实单层水真实单层水完完全全水水合合所所需需的的水水分分含含量量，即即占占据据所所有有的的第一层部位所需的水分含量。第一层部位所需的水分含量。n不不 同同 物物 质质 的的 MSI具具 有有 显显 著著 不不 同同

46、的的 形形 状状 。n决决定定等等温温线线的的形形状状和和位位置置的的因因素素包包括括试试样样的的成成分分、试试样样的的物物理理结结构构（例例如如结结晶晶或或无无定定形形）、试试样样的的预预处理、温度和制作等温线的方法。处理、温度和制作等温线的方法。反反S形：大多数食品的特征。形：大多数食品的特征。J形形:n回回吸吸（或或吸吸附附）等等温温线线制作的方法：将水加入到预先干燥的试样中。n解吸等温线也是常见。解吸等温线也是常见。（二）水分吸着等温线与温度的关系符合符合Clausius-Clapeyron方程）方程）（三）滞后现象（三）滞后现象n把把水水加加到到干干的的样样品品中中（回回吸吸）所所得

47、得的的水水分分吸吸附附等等温温线线与与解解吸吸所所得得的的等等温温线线不不一一定定重重叠叠，这这种种不不重重叠叠现现象即为象即为滞后现象滞后现象（Hysteresis）。）。n对对于于食食品品体体系系，滞滞后后现现象象增增加加了了复复杂杂性性,即即不不能能从从回回吸等温线来预测解吸等温线。吸等温线来预测解吸等温线。Hysteresis Loop一般来说，当水分活度一定时，解吸过程中食一般来说，当水分活度一定时，解吸过程中食品的水分含量大于回吸过程中水分含量。品的水分含量大于回吸过程中水分含量。n影响滞后现象程度的因素：影响滞后现象程度的因素：n食食品品的的性性质质、除除去去水水分分和和加加入入

48、水水分分时时食食品品发发生生的的物物理理变变化化、温温度度、解解吸吸的的速速度度以以及及解解吸吸过过程程中水分被除去的程度中水分被除去的程度。n温温度度影影响响显显著著；在在高高温温（80）时时往往往往不不能能察察觉觉滞滞后后现现象象，而而当当温温度度降降低低时时滞滞后后现现象象逐渐变得明显。逐渐变得明显。水分吸着等温线的滞后现象的实际意义水分吸着等温线的滞后现象的实际意义n将将鸡鸡肉肉和和猪猪肉肉的的P/PP/P0 0值值调调节节至至0.74-0.840.74-0.84范范围围，如如果果用用解解吸吸的的方方法法，那那么么试试样样中中脂脂肪肪氧氧化化的的速度要高于用回吸的方法。速度要高于用回吸

49、的方法。n用用解解吸吸方方法法制制备备试试样样时时需需要要达达到到较较低低的的P/PP/P0 0（与与用用回回吸吸方方法法制制备备的的试试样样相相比比）才才能能阻阻止止一些微生物的生长一些微生物的生长。五、相对蒸汽压和食品稳定性五、相对蒸汽压和食品稳定性n所所有有化化学学反反应应在在解解吸吸过过程程中中首首次次出出现现最最低低反反应应速速 度度 是是 在在 等等 温温 线线 区区 和和 区区 的的 边边 界界（P/PP/P0 0=0.20-0.30=0.20-0.30），即即相相当当于于“BETBET单单层层”水水分含量。分含量。n除除氧氧化化反反应应外外的的所所有有反反应应当当P/PP/P0

50、 0进进一一步步降降低低时时仍仍保持此最低反应速度。保持此最低反应速度。n加加入入水水至至达达到到BETBET单单层层值值前前脂脂肪肪氧氧化化速速度度逐逐渐渐下下降降。继继续续加加入入水水超超过过区区和和区区的的边边界界会会导导致致氧氧化化速速度度的的增增加加。（水水与与氢氢过过氧氧化化物物和和金金属属离离子结合子结合） nMaillardMaillard反反应应、维维生生素素B B1 1的的降降解解和和微微生生物物的的生生长长曲线都在中等至高曲线都在中等至高P/PP/P0 0值显示最高反应速度。值显示最高反应速度。在中等至高水分含量食品中反应速度随在中等至高水分含量食品中反应速度随RVP提高

51、而下降提高而下降的可能原因：的可能原因：1.水是一个产物，水含量的增加导致产物抑制作用；水是一个产物，水含量的增加导致产物抑制作用；2.2.当当试试样样中中水水分分含含量量已已达达到到这这样样的的水水平平，使使促促进进反反应应速速度度的的成成分分的的溶溶解解度度、可可接接近近性性（大大分分子子表表面面）和和流流动动性性不不再再是是速速度度限限制制因因素素，进进一一步步加加水水将将稀稀释释速速度限制成分和降低反应速度。度限制成分和降低反应速度。根据食品的根据食品的BET单层值能很快地对干燥产品具有最高稳定性单层值能很快地对干燥产品具有最高稳定性时的水分含量作出最初的估计。时的水分含量作出最初的估

52、计。n可可以以采采用用由由布布鲁鲁瑙瑙尔尔(Brunauer)(Brunauer)、等等推推出出的的BETBET方方程程式式来来计计算此单层值。算此单层值。 （2-72-7） a aw w: :水分活度。水分活度。 更多使用的是更多使用的是P/PP/P0 0而不是而不是A Aw w； m:m:水分含量（水分含量（gHgH2 2O/gO/g干物质）干物质）; ; m m1 1:BET:BET单层值单层值; ; C: C:与吸附热有关的常数。与吸附热有关的常数。aw/m(1-Aw)Aw图，即图，即BET图，为一条直线。图，为一条直线。n一般认为一般认为P/P0值大于值大于0.35时此线性关系变差时

53、此线性关系变差单层值单层值=m1=n从图从图2-232-23得到得到Y Y截距截距为为0.60.6，斜率为，斜率为10.710.7，于是，于是 m m1 1= =n 在这个实例中，在这个实例中，BETBET单层值相当于单层值相当于0.2P/P0.2P/P0 0。n P/PP/P0 0也影响干燥和半干食品的质构。也影响干燥和半干食品的质构。 适适当当低低的的水水分分活活度度才才能能保保持持饼饼干干、爆爆米米花花和和马马铃铃薯薯片片的的脆脆性性，避避免免颗颗粒粒状状蔗蔗糖糖、乳乳粉粉和和速速溶溶咖咖啡的结块。啡的结块。n0.350.50.350.5是是不不使使干干燥燥产产品品的的期期望望性性质质造造成成损损失失所所允许的最高水分活度。允许的最高水分活度。