食品化学课件-第二章-水

第2章水Water2.1概述2.2水和冰的结构2.3食品中水的存在形式2.4水和溶质的相互作用2.5水分活度和吸湿等温线2.6分子的流动性和食品的稳定性2.7水分含量和水分活度的测定主要内容(contents)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%,面包:35%-45%,谷物:10%-15%2.1Introduction2.2Structureofwaterandice水的物理性质:1.熔点,沸点高.2.介电常数大3.水的表面张力和相变热大.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.一水和冰的物理特性二水和冰的结构单个水分子的结构特征Thewatermolecule1.H2O分子的四面体结构有对称型.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Associationofwatermolecules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nm040.2761.54.40.290834.90.305冰的结构Structureofice①在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻②溶质的性质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2.3Categoriesofwaterinfoods自由水体相水截留水水化合水结合水邻近水多层水Waterthatisanintegralpartofanonaqueousconstitutents.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ConstitutionalwaterWaterthatstronglyinteractswithspecifichydrophilicsitesofnonaqueousconstituentsbywater-ionandwater-dipoleassociations•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。Vicinalwaterwaterthatoccupiesremainingfirst-layersitesandformsseveraladditionallayersaroundhyyydrophilicgroupsofnonaqueousconstituents;water-waterandwater-solutehydrogenbondspredominate.•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Multilayerwaterwaterthatoccupiespositionsfurthestremovedfromnonaqueousconstituents;water-waterhydrogenbondspredominate.•能结冰，但冰点有所下降•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。Bulk-phasewater2.4Water–soluteinteractions水与溶质相互作用的分类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+R→R（水合）△G＞0疏水相互作用R（水合）＋R（水合）→R2（水合）+H2O△G＜0水与溶质相互作用的分类水与离子基团的相互作用InteractionofwaterwithIonicgroups在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效应（Netstructure-breakingeffect),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。Netstructure-breakingeffect另外一些离子具有净结构形成效应（Netstructure-formingeffect),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+,Mg2+,Al3+，F-,OH-,等。Netstructure-formingeffect水与有氢键键合能力中性基团的相互作用Interactionofwaterwithneutralgroupspossessinghydrogen-bondingcapabilities水与疏水基团的相互作用Interactionofwaterwithnonpolarsubstances疏水水合(Hydrophobichydration)：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(Hydrophobicinteraction)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(Clathratehydrates)2.5WateractivityandMoistureSorptionIsotherms2.5WateractivityandMoistureSorptionIsotherms•一Wateractivity(aw)的定义:水分活度(wateractivity)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:①aw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.②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Aaw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0.945A:1千克水(约55.51mol)溶解1mol溶质㏑aw=-K△H/RT二水分活度与温度的关系(temperaturedependence)比较高于和低于冻结温度下的aw时应注意两个重要差别:①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.②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MoistureSorptionIsothermsDefinition:poltsinterrelatingwatercontentofafoodwithitswateractivityatconstanttemperature.由于水的转移程度与aw有关,从MSI图可以看出食品脱水的难易程度,也可以看出如何组合食品才能避免水分在不同物料间的转移.据MSI可预测含水量对食品稳定性的影响.从MSI还可看出食品中非水组分与水结合能力的强弱.MSI的实际意义区I区II区III区Aw0-0.20.2-0.85＞0.85含水量%1-6.56.5-27.5＞27.5冷冻能力不能冻结不能冻结正常溶剂能力无轻微-适度正常水分状态单分子层水多分子层水体相水微生物利用不可利用部分可利用可利用MSI上不同区水分特性滞后现象Hysteresis定义:采用回吸(resorption)的方法绘制的MSI和按解吸(desorption)的方法绘制的MSI并不互相重叠的现象称为滞后现象.苹果干制品冷冻干燥熟猪肉滞后现象产生的原因解吸过程中一些水分与非水溶液成分作用而无法放出水分.不规则形状产生毛细管现象的部位,欲填满或抽空水分需不同的蒸汽压(要抽出需P内＞P外,要填满则需P外＞P内).解吸作用时,因组织改变,当再吸水时无法紧密结合水,由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的aw.2.6水分活度与食品的稳定性Wateractivityandfoodstability水分活度与食品的稳定性Stabilityoflow-andintermediatemoisturefoods(IMF)isdependentonwatercontentandwateractivityStabilityisoftenmaintainedbelowthemonolayerwatercontentWATERACTIVITYANDSTABILITYMicroorganismsmaygrowaboveagiven,foodmaterialspecificwatercontent•Microorganismsdonotgrowatlowwateractivities•GrowthofmicroorganismsmayoccurinintermediatemoisturefoodsMicrobiologicalstability•Therearegeneralwateractivitylimitsforgrowthofmolds,yeastsandbacteria•-aw0.6nogrowth•-aw0.6xerophilicyeastsandmolds耐渗透压酵母•-aw0.7molds•-aw0.75halophilicbacteria嗜盐细菌•-aw0.8yeasts•-aw0.86pathogenicbacteria(S.aureus)MicrobiologicalstabilityChemicalStabilityOxidation•Mostfoodscontainlipids,colours,vitamins,etc.,whicharesusceptibletooxidation•Thesecompoundsmaybeencapsulatedandprotectedfromoxidationatlowwatercontents•IncreasesinwatercontentmayreleaseencapsulatedcompoundsorresultinenhanceddiffusionofoxygeninthematerialLipidoxidation•“Freelipids”,i.e.,nonencapsulatedlipidsoxidiserapidlyatlowwatercontents-increasingwatercontentoftendecreasestherateofoxidation:dilutionofcatalysts,structuralchanges-athighwateractivities,therateofoxidationincreases•在aw=0-0.33范围内,随aw↑,反应速度↓的原因:①水与脂类氧化生成的氢过氧化物以氢键结合,保护氢过氧