食品化学课件-水

食品化学FoodChemistry贺江Tel:15115667084E-mail:[e-mail]:15881481第二章水Chapter2Water内容提要2.1概述2.2水和冰的结构与性质2.3食品中水的存在状态2.4水分活度2.5水与食品的稳定性2.6分子流动性和食品稳定性（自学）目的与要求（1）理解水和非水组分的相互作用；（2）理解结合水的概念；（3）掌握水分活度的定义和测定方法；（4）掌握水分活度与温度的关系；（5）熟悉食品材料的吸湿等温线；（6）掌握水分活度与食品稳定性的关系。2.1概述2.1.1水的作用•生命之源•组成机体•调节代谢战争之源“下一场世界大战将是对水资源的争夺”2.1概述2.1.1水的作用水对人体的重要作用•水使人体体温保持稳定（热容量大）•能够作为体内营养素运输、吸收和代谢物运转的载体•作为体内化学和生物化学反应的反应物或者反应介质•作为润滑剂，使摩擦面润滑，减少损伤•优良的增塑剂•生物大分子聚合物构象的稳定剂•包括酶催化剂在内的大分子动力学行为的促进剂2.1概述2.1.1水的作用•水是食品中非常重要的一种成分，也是构成大多数食品的主要组分。•水对食品的结构、外观、外表、质地、风味、色泽、流动性、新鲜程度和腐败变质的敏感性都有着很大的影响。•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:35%-45%,谷物:10%-15%。食品中的水食品含水量（%）肉类猪肉53~60牛肉（碎块）50~70鸡（无皮肉）74鱼（肌肉蛋白）65~81水果香蕉75浆果、樱桃、梨、葡萄、猕猴桃、柿子、菠萝80~85苹果、桃、甜橙、李子、无花果85~90蔬菜青豌豆、甜玉米74~80甜菜、硬花甘蓝、胡萝卜、马铃薯80~90芦笋、青大豆、大白菜、红辣椒、花菜、莴苣、西红柿、西瓜90~95谷物全粒谷物10~12面粉、粗燕麦粉、粗面粉10~13表2-1某些代表性食品中的典型水分含量续表2-1食品含水量（%）乳制品奶油15山羊奶87奶酪（含水量与品种有关）40~75奶粉4冰淇淋65人造奶油15焙烤食品面包35~45饼干5~8馅饼43~59糖及其制品蜂蜜20果冻、果酱35蔗糖、硬糖、纯巧克力12.1概述2.1.1水的作用水在食品中的重要作用•水在食品贮藏加工过程中作为化学和生物化学反应的介质，又是水解过程的反应物•水是微生物生长繁殖的重要因素，影响食品的货架期•水与蛋白质、多糖和脂类通过物理相互作用而影响食品的质构，如新鲜度、硬度、流动性等•水还能发挥膨润、浸湿的作用，影响食品的加工性2.1概述2.1.2水和冰的物理性质•水与元素周期表中邻近氧的某些元素的氢化物（CH4、NH3、HF、H2S）相比较，除了粘度以外都有显著差异。•熔点、沸点、表面张力、介电常数、热容及相变热（溶解、蒸发、升华）等都明显偏高。•水的密度偏低，水结冰时体积异常膨大，水的导热值大于其他液体，冰的导热值略大于非金属固体。水与冰比较：水的密度高于冰；冰的导热值、热扩散率等明显大于水。性质数值相对分子量18.0153相转变性质熔点（0.1Mpa）0.000℃沸点（0.1Mpa）100.000℃临界温度373.99℃临界压力22.064MPa(218.6atm)三相点0.01℃和611.73Pa(4.589mmHg)熔化焓（0℃）6.012kJ(1.436kcal)/mol蒸发焓（100℃）40.657kJ(9.711kcal)/mol升华焓（0℃）50.91kJ(12.16kcal)/mol温度其他性质20℃0℃0℃（冰）-20℃密度/(g/cm3)0.998210.999840.91680.9193粘度/(Pa·s)1.002×10-31.793×10-3——表面张力(空气-水界面)/(N/m)72.75×10-375.64×10-3——蒸汽压/kPa2.33880.61130.61130.103比热容/[J/(g·K)]4.18184.21762.10091.9544热导率(液体)/[W/(m·K)]0.59840.56102.2402.433热扩散/(m2/s)1.4×10-71.3×10-711.7×10-71.8×10-7介电常数80.2087.90~90~98表2-2水和冰的物理常数2.2水和冰的结构与性质水的异常性质可以推测水分子间存在强烈的吸引力，以及水和冰具有不寻常结构。2.2水和冰的结构与性质2.2.1水•氧原子和氢原子成键时，氧原子发生sp3杂化，形成4个sp3杂化轨道；•单个水分子为四面体结构，氧原子位于中心，4个顶点中有2个被氢原子占据，其余2个被氧原子的孤对电子所占据；水分子的结构特征2.2水和冰的结构与性质2.2.1水•由于该两对孤对电子将对成键电子形成挤压作用，所以2个O-H键间夹角为104.5°，与典型四面体的夹角109°28’有所差别；•每个O-H键的离解能为4.614×102kJ/mol，O-H核间距离为0.096nm，氧和氢的范德华半径分别为0.14nm和0.12nm。•O-H具有极性，即电荷不对称分布，（氢原子几乎成为一个裸露的质子而带正电荷）。水分子的结构特征2.2水和冰的结构与性质2.2.1水水分子的缔合作用•水分子在三维空间形成多重氢键键合——每个水分子具有相等数目的氢键给体和受体，能够在三维空间形成氢键网络结构。水分子的缔合机理•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；•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，（主要机理）。水分子三维氢键缔合对水的异常物理性质的解释•大热溶值、高熔点、高沸点、高表面张力和高相变热：这些热力学现象都关系到打破水分子间的氢键，因而所需的能量增大。•高介电常数：水的氢键缔合产生了庞大的水分子簇，产生了多分子偶极子，从而使水的介电常数显著增大；2.2水和冰的结构与性质2.2.1水水的结构•纯水是具有一定结构的液体，虽然它没有刚性，但它比气态分子的排列有规则得多。•在液态水中，水的分子并不是以单个分子形式存在，而是由若干个分子以氢键缔合形成水分子簇（H2O)n。水的结构模型•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。•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。􀂾•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。水的结构特征•水是呈四面体的网状结构。•水分子之间的氢键网络是动态的。•水分子氢键键合程度取决于温度。温度(℃)配位数分子间距nm040.2761.54.40.290834.90.3052.2水和冰的结构与性质2.2.2冰•冰是由水分子有序排列形成的结晶，水分子间靠氢键链接在一起，形成非常“疏松”（低密度）的刚性结构；•最邻近水分子的O-O核间距为0.276nm，O-O-O键角约为109°十分接近理想四面体的键角；•每个水分子都能缔合另外4个水分子，形成四面体结构，所以水分子的配位数为4。0℃下冰的晶格单元2.2水和冰的结构与性质2.2.2冰•当多个晶格结合在一起时，冰结构中存在水分子的两个平面，这两个平面平行而且很紧密的结合在一起；•当冰受到压力“滑动”或“流动”时，它们作为一个单元（整体）滑动，像冰河中的冰在压力下所产生的“流动”；•这类成对平面构成冰的“基础平面”；•几个“基础平面”堆积起来便得到冰的扩展结构。冰的基础平面和扩展结构冰的基础平面（a）沿c轴方向观察到的六方形结构（b）基础平面的立体图冰的扩展结构由三个基本平面结合形成的扩展结构2.2水和冰的结构与性质2.2.2冰•冰有11种结晶类型，普通冰的结晶属于六方晶系的双六方双锥体，且在常压和温度0℃时只有六方形冰晶才是最稳定的形式；•冰并不完全是由精确排列的水分子组成的静态体系，实际上冰晶中的水分子以及由它形成的氢键都处于不断运动的状态（水分子振动，氢键瞬间断裂或有重新生成；•溶质的种类和数量可以影响冰晶的数量、大小、结构、位置和趋向。冰的结构特征在不同溶质影响下，冰的结构主要有4种类型•六方形冰晶•不规则树枝状结晶•粗糙的球状结晶􀂾•易消失的球状结晶及各种中间体•样品在最适的低温冷却剂中缓慢冷却，并且溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移时，才有可能形成六方形冰结晶；•像明胶这类大而复杂的亲水性分子，不仅能限制水分子的运动，而且阻碍水形成高度有序的六方形结晶。2.2水和冰的结构与性质2.2.2冰•当温度降低到“过冷状态”，开始出现稳定性晶核，或在振动的促进下向冰晶转化；•水向冰晶转化时放出潜热，促进温度回升到0℃。冰形成的一般过程水的冰点为0℃，但纯水并不在0℃时就冻结。•开始出现稳定晶核时的温度叫“过冷温度”；•如果外加晶核，则不必达到过冷温度时就能结冰，但此时生成的冰晶粗大。为什么提倡使用速冻工艺？现代冻藏工艺提出速冻，因为(1)该工艺下形成的冰晶体颗粒细小（呈针状），在食品组织中分布比较均匀；又(2)由于小冰晶的膨胀力小，对食品组织的破坏很小，解冻融化后的水可以重新渗透到食品组织中，使其基本保持原有的风味和营养价值；另外，(3)冻结时间缩短使微生物活动受到更大限制。2.2水和冰的结构与性质•单个水分子呈四面体结构，水分子中O-H具有极性。•水的三维氢键缔合机理，及其对水的异常物理常数进行的解释。•水的三维氢键是动态的，其配位数与温度相关。•六方形冰结晶最为稳定。•冰的基础平面和冰的形成过程。本节要点2.3食品中水的存在状态2.3.1水与溶质的相互作用水与离子和离子基团的相互作用在水中添加可解离的溶质，会使纯水靠氢键键合形成的四面体排列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。这种作用通常被称为离子水合作用。在稀盐溶液中，不同的离子对水结构的影响是不同的•K+，Rb+，Cs+，NH4+，Cl-，Br-，I-，NO3-，BrO3-，IO3-，ClO4-等，具有破坏水的网状结构效应,这些离子大多为电场强度较弱的负离子和离子半径大的正离子；•Li+，Na+，Ca2+，Ba2+，Mg2+，Al3+，F-，OH-等，有助于水形成网状结构，这些离子大多是电场强度大、离子半径小的离子，或多价离子；•从水的正常结构来看，所有离子对水的结构都起破坏作用，因为它们能阻止水在0℃下结冰。2.3食品中水的存在状态2.3.1水与溶质的相互作用水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用•食品中蛋白质、淀粉、果胶等成分含有大量的具有氢键键合能力的中性基团，它们可与水分子通过氢键键合；•水与溶质之间的氢键键合比水与离子之间的相互作用弱，这些氢键的作用强度与水分子之间的氢键相近；•各种有机成分上极性基团不同，与水形成氢键键合作用的强弱也有区别。不同基团与水形成氢键的强度比较•蛋白质多肽链中赖氨酸和精氨酸侧链上的氨基，天冬氨酸和谷氨酸侧链上的羧基，肽链两端的羧基和氨基，以及果胶中未酯化的羧基，它们与水形成的氢键，键能大，结合牢固；•蛋白质中的酰胺基，淀粉、果胶、纤维素等分子中的羟基与水形成的氢键，键能小，结合得不牢固。具有氢键键合能力的溶质对水结构的影响•凡能够长生氢键键合的溶质都可以强化纯水的结构，至少不会破坏这种结构；•但在某些情况下，溶质氢键键合的部位和取向在几何构型上与正常水不同，因此这些溶质通常对水的正常结构也会产生破坏；•可以预测，大多数能形成氢键的溶质会阻碍水结冰；•当体系中加入一种具有形成氢键能力的溶质时，每摩尔溶液中的氢键总数不会明显的改变。水桥在生物大分子的2个部位或2个大分子之间可形成由几个水分子所构成的“水桥”。木瓜蛋白酶中的三分子水桥2.3食品中水的存在状态2.3.1水与溶质的相互作用水与非极性物质的相互作用（1）把疏水性物质加入到水中，疏水基团对水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强,结构更为有序（熵的减少）