江南大学食品化学课件

第二章水（water)第一节引言（introduction)一、水是食品的主要组分之一水是生物体系的基本成分:Protein、Carbohydrate、lipids、nucleicacid、mineralandwater。主要营养成分：营养素：Protein、Carbonhydrate、lipids、Vitamin、mineral、water、Fibre。每一种食品具有特定的水分含量水对食品的结构、外观和质构以及对腐败的敏感性有着很大的影响。主要食品的水分含量食品水分含量%肉猪肉、生的分割瘦肉牛肉、生的零售部分鸡肉、各种级别的去皮生肉鱼、肌肉蛋白质水果浆果、樱桃、梨苹果、桃子、桔子、葡萄柚大黄、草莓、蕃茄蔬菜鳄梨、香蕉、豌豆（绿）甜菜、茎椰菜、胡萝卜、马铃薯芦笋、菜豆（绿）、卷心菜、花菜、莴苣水果浆果、樱桃、梨苹果、桃子、桔子、葡萄柚大黄、草莓、蕃茄53-6050-707465-8180-8585-9090-9574-8080-9090-9580-8585-9090-95二、水的重要功能是体内化学反应的介质水为生物化学反应提供一个物理环境。生化反应的反应物养分和代谢物的载体热容量大，体质体温粘度小，有润滑作用生物大分子构象的稳定剂三、水分子（WaterMolecule)斯陶特模型小于正方体的109.5°2p2s四、水分子的缔合（AssociationofWaterMolecules)形成三维氢键能力（threedimensionalH-bondnetwork）水分子具有在三维空间内形成许多氢键（hydrogenbond）的能力.这可充分地解释水分子间存在大的引力。与共价键（平均键能约355kJ/mol）相比，氢键是弱键（一般为2-40kJ/mol），它有着较长而多变的键长。静电力(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。克库勒模型TetrahedralcoordinationofWatermolecules每个水分子具有数量相等的氢键给予体（hydrogenbonddonor)和氢键接受体（H-bondacceptor)的部位，并且这些部位的排列可以形成三维氢键，因此，存在于水分子间的吸引力仍然是特别的大。水合氢离子(H3+O)带正电荷，比非离子化水具有更大的氢键给予能力；羟基(OH-)离子带负电荷，比非离子化水具有更大的氢键接受能力。与打破分子间氢键所需额外能量有关的水的性质低蒸汽压高沸点高熔化热高蒸发热五、冰的结构（StructureofIce）（一）纯冰(Pureice)六方晶系的六方金刚石a.六方柱体b.六方双锥体c-d.双晶六方晶系单斜晶系正交晶系三方晶系四方双锥斜方双锥冰结晶的对称性普通冰属于六方晶系中的双六方双锥体型。冰还可能以其他9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。但是在总的11种结构中，只有普通的六方形冰在0℃和常压下是稳定的。冰的结构的复杂性纯冰不仅含有普通的HOH分子，而且还含有离子和HOH同位素变种(氢有重氢，氧有17.18)。由于H3O+和OH-的运动和HOH的振动，冰结晶不是完美的，总存在缺陷。这些缺陷的存在可用于解释冰中质子的流动性以及当水冻结时直流电导的稍有减小。冰不是静止的或均一的体系，存在于结晶空隙的HOH分子可以缓慢地扩散通过晶格，它的特性取决于温度。仅在温度近-180℃或更低时，所有的氢键才是完整的。随着温度升高，完整的（固定的）氢键平均数将逐渐地减少。六、水的结构（Structureofliquidwater）液体水具有结构。某个水分子的定向与流动性受到与它相邻分子的影响。水部分地保留了冰的敝开、氢键和四面体排列。冰的熔化热很高，但熔化只打断了冰中约15%的氢键。三个一般模型：混合、填隙和连续（均一）模型。混合模型：分子间氢键短暂地浓集在庞大成簇的水分子中，后者与其他更稠密的水分子处在动态平衡。连续模型：分子间氢键均匀地分布在整个水样中，原存在于冰中的许多键在冰熔化时简单地扭曲而不是断裂。此模型认为存在着一个由水分子构成的连续网，具有动态本质。填隙模型：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。在所有的三种模型中，主要的结构特征是在短暂、扭曲的四面体中液态水分子通过氢键缔合。所有的模型也容许各个水分子频繁地改变它们的排列，即一个氢键快速地终止而代之以一个新的氢键，而在温度不变的条件下，整个体系维持一定的氢键键合和结构的程度。水分子中分子间氢键键合的程度取决于温度在0℃时冰的配位数为4，与最接近的水分子的距离为0.276nm。当输入熔化潜热时冰熔化，即一些氢键断裂（最接近的水分子间的距离增加），而其他氢键变形，水分子呈缔合的流体状态，总体上它们更加紧密。随着温度提高，配位数从0℃冰时的4.0增加至1.50℃水时的4.4时，随后83℃水时的4.9。同时，最接近的水分子间的距离从0℃冰时的0.276nm增加至1.5℃水时的0.29nm，随后83℃水时的0.305nm。冰向水转变伴随着最接近的水分子间的距离的增加最接近的水分子的平均数目的增加。水的密度在3.98℃达到最大。密度增加在0℃和3.98℃之间，配位数增加的效应占优势。密度下降超过3.98℃后，最接近的水分子间的距离增加的效应（热膨胀）占优势。水的低粘度水分子的氢键键合排列是高度动态的，允许各个水分子在毫微秒至微微秒的时间间隔内改变它们与邻近水分子间的氢键键合关系，增加了水的流动性。第二节水和溶质的相互作用Water-soluteinteraction一、宏观水平(macroscopiclevel)一般概念水结合（Waterbinding）水与亲水物质缔合的一般倾向。水合（Hydration）水与亲水物质缔合的一般倾向。“水结合位”（waterbindingpotential）有定量意义，但仍然仅适用于宏观水平水结合或水合的程度和强度取决于包括非水组分的本质、盐组成、pH和温度等很多因素。持水力（Waterholdingcapacity）由分子（通常以低浓度存在的大分子）构成的基质通过物理方式截留大量水以防止水渗出的能力。果胶、淀粉凝胶以及动物和植物组织细胞。这部分水在食品加工中的性质几乎与纯水相似；即在干燥时它易被除去，在冷冻时易转变成冰，可以作为溶剂。但在组织状食品被切割或剁碎时不会流出。这部分水的整体流动受到严格地限制，但是各个分子的运动基本上与在稀盐溶液中的水分子相同。二、分子水平(Molecularlevel)（一）概述溶质和水的混合同时改变了溶质和水的性质。亲水溶质会改变邻近水分子的结构和流动性；水会改变亲水溶质的反应性，甚至改变其结构。水-溶质相互作用的分类种类实例相互作用的强度与水-水氢键比较偶极-离子H2O-游离离子H2O-有机分子上的带电基团较强偶极-偶极H2O-蛋白质NHH2O-蛋白质COH2O-侧链OH近乎相等疏水水合H2O+RR（水合）远低疏水相互作用R（水合）+R（水合）R2水合+H2O不可比较（二）结合水(Boundwater)定义：结合水是一个样品在某一个温度和较低的相对湿度下的平衡水分含量；在低温（通常是指-40C或更低）下不能冻结；不能作为外加溶质的溶剂；处在溶质和其它非水物质的邻近位置，它的性质显著地不同于同一体系中体相水(bulk-phasewater)的性质。与体相水比较，结合水具有“被阻碍的流动性”而不是“被固定的”。在高水分含量的食品中，结合水仅包括总水分中的一个微小部分，大致相当于邻近亲水基团的第一层水分子。表观结合水量常随测定方法变化。在复杂的体系中存在不同结合程度的水；即其结合水由构成水、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。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）单分子层水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一层水－－单分子层结合水。蒸发能力弱，不易去除，可看作食品的一部分。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。95-100℃烘干测定的是自由水和多分子层水。单分子层水要减压干燥才能测定出来。结晶水测定：水合硫酸铜晶体，在260～280℃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Interactionofwaterwithionsandionicgroups水-离子键的强度大于水-水氢键的强度，但是远小于共价键的强度。加入可以离解的溶质会打破纯水的正常结构，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“净结构”（Netstructure）涉及所有种类的结构，包括正常的或新类型的水结构。从“正常”的水结构观点来看，所有离子都是破坏性的。净结构破坏效应（Netstructure-breakingeffect）（溶液比纯水具有较高的流动性），净结构形成效应（Netstructureformingeffect）（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径（电荷除以半径）或电场强度紧密相关。l净结构形成效应流动性比纯水差小离子或多价离子产生强电场Li+,Na+,H3O+,Ca2+,Ba2+,Mg2+,Al3+,F-,OH-这些离子强烈地与4至6个第一层水分子相互作用，导致它们比纯水中的HOH具有较低的流动性和包装得更紧密。l净结构破坏效应流动性比纯水强大离子和单价离子产生较弱电场K+,Rb+,Cs+,NH4+,Cl-,Br-,I-,NO3-,BrO3-,IO3-,ClO4-这些离子打破水的正常结构，并且新的结构又不足以补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改变水的结构影响介电常数决定胶体粒子周围双电层的厚度影响水对其它非水溶质和悬浮物质的相容程度影响蛋白质的构象和胶体的稳定性。四、水与极性基团(具有H-BOND能力)的相互作用InteractionofwaterwithneutralgroupspossessingH-bondcapabilities水与非离子、亲水溶质的相互作用弱于水-离子相互作用，而与水-水氢键相互作用的强度大致相同。能形成氢键的溶质或许会促进（或至少不会破坏）纯水的正常结构。然而，在某些情况下，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是不相容的。于是，这些溶质对水的正常结构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。“水桥”（waterbridge)“水桥”指一个水分子与一个或多个溶质分子的两个合适的氢键部位相互作用。水与蛋白质中两类功能团形成氢键。五、水与非极性基团的相互作用Interactionofwaterwithnonpolarsubstance疏水水合（hydrophobichydration)热力学上，水与非极性物质，如烃类、稀有气体以及脂肪酸、氨基酸和蛋白质的非极性基团相混合无疑是一个不利的过程（ΔG＞0）。ΔG=ΔH-TΔSΔG为正是因为ΔS是负的。熵的减少是由于在这些不相容的非极性物质的邻近处形成了特殊的结构。此过程被称为疏水水合。笼状水合物为冰状包合物，水为“主体”物质，通过氢键形成了笼状结构，后者物理截留了被称为“客体”的非极性小分子(低分子量化合物，包括低分子量烃和卤代烃、稀有气体、短链胺、烷基铵盐等，大小和形状适合于由20-74个水分子构成的主体水笼子。笼状水合物是水力图避免与疏水基团接触而形成的特殊产物。笼状水合物代表了水对非极性物质的最大程度的结构形成响应。在生物物质中存在类似于结晶笼状水