华南农业大学食品化学 02水

Chapter2Water第2章水本章提要1.水分的结构和性质及在食品中的作用2.食品中水的存在状态、水分活度及吸湿等温线3.水分活度与食品的稳定性4.冰在食品稳定性中的作用5.食品中的水分移动及其对食品稳定性的影响理解掌握掌握掌握了解4Contents2.1Introduction概论2.2Structureandcharactersofwaterandice水和冰的结构和性质2.3Categoriesofwaterinfoods食品中水的存在状态2.4Wateractivity水分活度2.5MoistureSorptionIsotherms吸湿等温线2.6Wateractivityandfoodstability水分活度与食品的稳定性2.7Thefunctionoficeinkeepingfoodstability冰在食品稳定性中的作用2.8Watertransferinaquiferousfood含水食品的水分转移2.9Molecularmobilityandfoodstability分子流动性及其对食品稳定性的影响补：水分理论的应用实例2.1概论Introduction水生命之源水是体温的重要调节剂、溶剂、营养成分和废物的载体、反应剂和反应介质、润滑剂和增塑剂、生物大分子构象的稳定剂。战争之源“下一场世界大战将是对水资源的争夺”水是唯一的以三种物理状态广泛存在的物质水在生物体内的生理功能1、化学作用的介质，也是化学反应的反应物或生成物。2、体内营养素和代谢废物的运输介质，还推进呼吸气体的运载。3、是维持体温的载温体。4、是生物体内减缓磨擦的润滑剂。水在食品中的作用1、食品生产中的重要原料之一。如2、水质直接影响到食品加工工艺。3、各种食品都有能显示其品质特性的含水量。如4、对食品的结构、外观、质地、风味、新鲜程度和腐败变质的敏感性产生极大的影响。对食品的商品价值及销售有着深刻的影响。在奶油和人造奶油等乳化产品中作为分散相。在饮料食品中作溶剂等。某些代表性食品的典型水分含量产品水分（%）产品水分（%）产品水分（%）番茄95牛奶87果酱28莴苣95马铃薯78蜂蜜20卷心菜92香蕉75奶油16啤酒90鸡70面粉12柑桔87肉65奶粉4苹果汁87面包35酥油02.2水和冰的结构和性质Structureandcharactersofwaterandice水和冰的物理特性水分子的结构水分子的缔合作用冰的结构和性质1.水和冰的物理特性Physicalcharacterofwaterandice水的熔点、沸点比较高。介电常数（介电常数是溶剂对两个带相反电荷离子间引力的抗力的度量。）、表面张力、热容和相变热（熔融热、蒸发热和升华热）等物理常数也较高。这对于食品加工中冷冻和干燥过程有重大影响。水的密度较低，水结冰时体积增加，表现出异常的膨胀特性，这会导致食品冻结时组织结构的破坏。水的热导性也是较大的，而冰与其他非金属固体相比，热导性属中等程度。0℃时冰的热导值约为同一温度下水的4倍，这说明冰的热传导速度比非流动的水（如生物组织中的水）快得多。从水和冰的热扩散值可看出冰的热扩散速度约为水的9倍，这表明，在一定的环境条件下，冰的温度变化速度比水大得多。因而可以解释在温差相等的情况下，为什么冷冻速度比解冻速度更快。2.水和冰的结构Structureofwaterandice水的结构演示四面体结构氧：1s2，2s2，2p2z，2p1y，2p1x氢：1s1H－O键成104.5°，比正四面体的109°28′要小，成角锥体结构.•O－H键是较强极性键（1）单个水分子的结构特征H2O分子的四面体结构有对称型H-O共价键有离子性氧的另外两对孤对电子有静电力H-O键具有电负性（2）分子的缔合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的分子缔合演示(3)水分子缔合的原因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。静电效应。根据水在三维空间形成氢键键合的能力，可以从理论上解释水的许多性质2.水的结构Structureofwater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。目前提出的3类水的结构模型: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nm040.2761.54.40.2908.34.90.3053、冰的结构六方形冰晶Ice1•冰是水分子有序排列形成的晶体。靠氢键连接，形成低密度的刚性结构。①六方冰晶的形成条件：在最适的低温冷却剂中缓慢冷冻溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移②按冷冻速度和对称要素分，冰可分为四大类六方型冰晶不规则树枝状冰晶粗糙的球状结晶易消失的球状结晶及各种中间体Ice-four(iceIV)Ice-twelve(iceXII)Ice-six(iceVI)（5）冰形成的动力学过程研究了过冷水（230K）体系中冰的形成(MasakazuMatsumoto,NATURE/VOL416/28,03,2002)四个阶段：－静态化学势能相对稳定期(t＝256–290ns);－短暂的化学势能快速衰减期（t＝290－320ns）－短暂的化学势能快速增加期（t＝320－360ns)－终止期，化学势能虽有降低但相对恒定，冰结构完全形成（t＞360ns）冰核开始形成（6）冰的性质水的冰点为0℃，可是纯水在过冷状态始结冰食品中结冰温度到低共熔点-55℃左右，冷藏食品常为-18℃现代提倡速冻，使冰晶体呈针状，因而品质好。2.3食品中水的存在状态Categoriesofwaterinfoods1水与溶质的相互作用水与离子和离子基团的相互作用水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用水与非极性物质的相互作用（1）水与离子和离子基团的相互作用InteractionofwaterwithIonicgroups如Na+、Cl-和解离基团-COO-、-NH3+等。Na+与水分子的结合能力大约是水分子间氢键键能的4倍。演示1演示2在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效应（Netstructure-breakingeffect),这些离子大多大的正离子。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。(2)水与有氢键键合能力中性基团的相互作用Interactionofwaterwithneutralgroupspossessinghydrogen-bondingapabilities水与溶质之间的氢键键合比水与离子之间的相互作用弱。氢键作用的强度与水分子之间的氢键相近。水能与某些基团，例如羟基、氨基、羰基、酰氨基和亚氨基等极性基团，发生氢键键合。许多结晶大分子的亲水基团间的距离是与纯水中最邻近两个氧原子间的距离相等。如果在水合大分子中这种间隔占优势，这将会促进第一层水和第二层水之间相互形成氢键。在生物大分子的两个部位或两个大分子之间可形成由几个水分子所构成的“水桥”。1、疏水相互作用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。（3）水与疏水基团的相互作用Interactionofwaterwithnonpolarsubstances疏水相互作用(Hydrophobicinteraction）：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。笼形水合物(Clathratehydrates)：是象冰一样的包含化合物，水为“宿主”，它们靠氢键键合形成象笼一样的结构，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。球状蛋白质的疏水相互作用疏水基团缔合或发生“疏水相互作用”，引起了蛋白质的折叠。疏水相互作用是蛋白质折叠的主要驱动力。同时也是维持蛋白质三级结构的重要因素2水的存在形式水自由水结合水滞化水自由流动水化合水邻近水多层水毛细管水结合水指通过化学键结合的水。根据被结合的牢固程度，有几种不同的形式：(1)化合水(2)邻近水(3)多层水结合水包括化合水和邻近水以及几乎全部多层水。食品中大部分的结合水是和蛋白质、碳水化合物等相结合的。自由水就是指没有被非水物质化学结合的水。它又可分为三类：（1）滞化水（2）毛细管水（3）自由流动水结合水和自由水之间的区分1：结合水的量与食品中有机大分子的极性基团的数量有比较固定的比例关系。2：结合水的蒸气压比自由水低得多。3：结合水不易结冰（冰点约-40℃）。4：结合水不能作为溶质的溶剂。5：由水能为微生物所利用，结合水则不能。2.4水分活度Wateractivity含水量是人们日常生活中保藏食品的重要依据之一。但这种表示方法是否能满足呢？如：含水量同在30%的苹果脯和黄豆粉，贮藏性是否一样？食品的品质和贮藏性与水分活度有更紧密的关系。一水分活度的定义与测定方法水分活度是指食品中水的蒸气压和该温度下纯水的饱和蒸气压的比值。aw==P0100=N=n1+n2PERHn1一定温度下：P：食品的平衡水蒸汽压；P0：纯水的蒸汽压。注意: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。水分活度是从之间的数值，纯水时AW=，完全无水时AW=。食品中结合水的含量越高，食品的水分活度就越。0~110低水分活度的测定方法MeasurementmethodsofAw1.冰点测定法:先测样品的冰点降低和含水量据下两式计算AW:aw=n1/(n1+n2)n2=G△Tf/(1000.Kf)G—溶剂克数△Tf—冰点降低(℃)Kf—水的摩尔冰点降低常数(1.86)2.相对湿度传感器测定法将已知含水量的样品置于恒温密闭小容器中,使其达到平衡,然后用电子或湿度测定仪测样品和环境空气的平衡相对湿度,即可得Aw。3.恒定相对湿度平衡法置样品于恒温密闭的小容器中,用一定种类的饱和盐溶液使容器内的样品的环境空气的相对湿度恒定,待恒定后测样品含水量的变化，然后再绘图求aW.二、水分活度与温度的关系(temperaturedependence㏑aw=-K△H/RT上述关系是：在一定的水分含量范围内：lnAw与1/T是一种线性关系。起始Aw为0.5，温度系数在2~40℃范围内是0.0034/℃。A、从水分含量4%到25%，Aw与温度(5~50℃)关系为直线；B、水分含量少时，温度所引起的Aw变化。小左图提示：A，Aw与温度关系在冰点以下是线性关系；B，温度对Aw的影响在冰点以下远大于在冰点以上；C，在冰点处出现折断；D，比较冰点上下温度对Aw影响时要注意两点：其一是在冰点以上温度时，试样成分对Aw影响较大；其二是在冰点下Aw的变化仅与温度有较大关系。2.5吸湿等温线MoistureSorptionIsothermsDefinition:poltsinterrelatingwatercontentofafoodwithitswateractivityatcontenttemperature.一定义和区域定义：在恒定温度下，食品的水分含量与它的水分活度之间的关系图称为吸湿（着）等温线。（MSI）1.糖果（主要成分为粉末状蔗糖）；2.喷雾干燥菊苣根提取物；3.焙烤后的咖啡；4