食品化学---水

轻化工程学院第2章水(2学时）食品化学Foodchemistry主要内容水和冰的结构特征水-溶质的相互作用水分活度水分吸着等温线2.1引言水是最普遍存在的组分，它往往占据植物、动物或食品质量的50%-90%。食品品种不同，含水量差别很大。水为必需的生物化学反应提供物理环境，成为营养成分和代谢废物的输送介质；促进氧气和二氧化碳的运输。(1)水是人体主要成分，是维持生命活动、调节代谢过程的重要物质；(2)水分对食品结构、外观、质地、风味、新鲜程度等有影响；(3)水分与食品腐败变质密切相关，影响着食品货架期。2.2水和冰2.2.1水的性质物理：水具有较低的密度，在结冰时显示异常的膨胀特性、大热容值、高熔点、高沸点、高表面张力和高相变热焓。化学：水分子中氧原子具有4个sp3杂化轨道，其中，2个sp3杂化轨道与两个氢原子结合形成了2个σ共价键。水分子的极性产生了分子间吸引力，使得水分子具有强烈的缔合倾向。结构模型：混合、填隙式和连续（均一）。各个水分子通过快速地终止一个氢键代之以形成一个新的氢键的方式频繁地变更它们的结合排列。水分子间氢键程度取决于温度。冰转变成水伴随着最邻近的水分子之间距离增加和最邻近的水分子平均数目的增加，表现为密度净增加。3.98℃时，水的密度达到最大。2.2.2冰的性质水分子通过四面体之间的作用力结晶，形成低密度的冰的结构。每一个水分子同其他4个水分子缔合，形成一个晶格单元，其结构为接近理想四面体结构。冰的结构主要有四种类型：六方形不规则树状粗糙球状易消失的球晶溶质的种类和数量能影响冰晶数量、大小、结构、位置和取向。只要避免极端快速冻结，食品中的冰总是以最有序的六方型冰结晶形存在。2.3水分的存在状态2.3.1结合水概念：是存在于溶质或其他非水组分附近的、与溶质分子之间通过化学键结合的那部分水，具有与同一体系中体相水显著不同的性质。特点：低流动性、在-40℃不结冰、不能做溶剂、氢核磁共振中使氢的谱线变宽。根据与食品中非水组分氢键结合能力的强弱，结合水可分为：化合水邻近水多层水2.3.1.1化合水是指那些结合最牢固、构成非水物质的组成的那部分水。2.3.1.2邻近水是指在非水成分中亲水基团周围结合的第一层水，与离子或离子基团缔合的水是结合最紧密的邻近水。结合力为：水-离子和水-偶极缔合作用，水-溶质氢键力。2.3.1.3多层水是指位于邻近水剩余位置的水和邻近水的外层形成的几个水层。结合力为：水-水氢键和水-溶质氢键。2.3.2自由水概念:是指那些没有被非水成分化学结合的水。主要是通过物理作用而滞留的水。可分为：滞化水毛细管水自由流动水2.4水-溶质相互作用2.4.1水与离子和离子基团相互作用（水合）稀盐溶液中，离子半径大的正离子或电场强度弱的负离子，阻碍水形成网状结构，溶液流动性比纯水大；离子半径小、电场强度强或多价离子，有助于水形成网状结构，溶液流动性比纯水小。离子水合作用破坏水结构；改变水介电常数，决定胶体粒子周围双电层厚度；显著影响水对其他非水溶质和悬浮物质相容程度。离子种类和数量影响蛋白质构象和胶体稳定性。2.4.2水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用强化水的结构2.4.3水与非极性物质的相互作用疏水性物质：烃、稀有气体及引入脂肪酸、氨基酸、蛋白质的非极性基团由于疏水水合作用是热力学上不利的过程，水体系中存在多个分离的疏水性基团相互聚集，使得其与水接触面积减小的过程，称为疏水相互作用。疏水基团的性质笼形水合物的形成使蛋白质分子产生疏水相互作用2.4.3.1笼形水合物“主体”由20-74个水分子组成；“客体”是低分子量化合物，如：低分子量烃，稀有气体，烷基铵盐，卤代烃，CO2,SO2,环氧乙烷，乙醇，磷盐等。其微结晶与冰的结构很相似，当形成大的结晶时，原料的四面体结构逐渐变成多面体结构。2.4.3.2蛋白质的疏水相互作用蛋白质分子中40%氨基酸含有非极性基团，疏水基团相互聚集程度很高，暴露在水中的疏水基团与邻近的水产生微弱的范德华力，在热力学上是不利的，进而促使疏水基团缔合或发生“疏水相互作用”，引起蛋白质折叠，成为维持蛋白质三级结构的重要因素。2.4.4水与双亲分子的相互作用“增溶”形成胶团水能作为双亲分子的分散介质，水与双亲分子亲水部位羧基、羟基、磷酸基、羰基或一些含氮基团的缔合导双亲分子的表观“增溶”双亲分子可在水中形成大分子聚合体，即胶团。2.5水分活度(Aw)定义：食品中水的蒸汽压（P）与同温度下纯水的蒸汽压（P0）的比值。Aw=P/P0食品的含水量：指在一定温度、湿度等外界条件下，处于平衡状态时食品的水分含量。(单位gH2O/g干物质)水分活度的概念Aw＝f/f0Aw＝p/p0Aw≈p/p0水分活度的大小纯水Aw＝1，溶液Aw﹤1，结合水↑Aw↓a.水分活度反映了食品中的水分存在形式和被微生物利用的程度。b.水分活度是食品的内在性质，它决定于食品的内部结构和组成。Aw与水分含量的关系2.6.1克劳修斯-克拉贝龙方程式dlnAw/d(1/T)=-ΔH/R冰点以上温度时，lnAw-1/T图始终为一条直线，食品的Aw受食品中非水组分和食品温度的影响较大。冰点以下时，直线出现折点，lnAw随1/T的变化率明显变大，并且Aw不再受食品中非水组分的影响，而只与食品的温度有关。2.6.2样品冻结后的Aw值Aw=pff/p0(SCW)=p(ice)/p0(SCW)pff为未完全冷冻食品中水的蒸气分压；p0(SCW)为纯过冷水的蒸气压；p(ice)为纯水的蒸气压。2.6.3水分的吸附等温线区Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区Aw0-0.250.25-0.850.85含水量%0-77-27.527.5冻结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毛细管水/截留水mic利用不可利用开始可利用可利用2.6.4等温线的滞后现象采用向干燥食品样品中添加水（回吸作用）的方法绘制的水分吸附等温线和按解吸过程绘制的等温线不互相重叠的现象。解释理论：P18原因：（1）食品解吸过程中的一些吸水部位与非水组分作用而无法释放出水分；（2）食品不规则形状而产生的毛细管现象，使得欲填满或抽空水分需不同的蒸气压；（3）解吸时将使食品组织发生改变，当再吸水时就无法紧密结合水分，由此可导致较高的水分活度。2.7Aw与食品稳定性2.7.1Aw对微生物的影响Aw﹥0.86有害微生物生长；0.87﹤Aw﹤0.80大多数霉菌生长；Aw﹤0.5微生物不繁殖。在真空包装的水产和畜产加工制品，流通标准规定其水分活度要保持在0.94以下。2.7.2Aw对酶促反应影响水分活度Aw﹤0.85时，导致食品原料腐败的大部分酶会失去活性，一些生物化学反应就不能进行。酶的反应速率还与酶能否与食品相互接触有关。当酶与食品相互接触时，反应速率较快；当酶与食品相互隔离时，反应速率较慢。2.7.3Aw对脂肪氧化酸败影响Aw为0.3－0.4时,脂肪氧化速率较慢；Aw﹥0.4时，氧在水中的溶解度增加，食品膨胀，暴露了更多的易氧化部位，氧化速率加快；若再增大水分活度，稀释作用使反应速率降低。2.7.4Aw对美拉德反应影响Aw在0.6－0.7时最容易发生，非酶褐变随水分活度增加而增加。Aw降到0.2以下，褐变难以进行。Aw大于褐变的高峰值，则因溶质受到稀释而速度减慢。2.7.5Aw对食品质构影响Aw从0.2－0.3增加到0.65时，大多数半干或干燥食品的硬度及黏性增加，各种脆性食品，必须在较低的Aw下，才能保持其酥脆。Aw控制在0.35－0.5可保持干燥食品理想性质。对于含水较多的食品，如冻布丁、蛋糕、面包等，它们的Aw大于周围空气的相对湿度，保存时需要防止水分蒸发。通过食品的包装创造适宜的小环境，尽可能达到不同食品对水分活度的要求。2.8降低水分含量的方法概念：食品干燥是指将食品中的水不断蒸发、不断扩散出去，而使食品水分含量降低。2.8.1自然干燥概念：食品的自然干燥是指充分利用自然界的能量除去食品中的水分。如利用日光晒干，利用风进行风干。优点：简单，经济。不需要特殊设备，被广泛使用。缺点：所需时间长，易发生变色、褪色、显色、氧化以及由于酶的作用引发的各种生化反应，食品的质量往往受到影响。2.8.2热风干燥概念：人为的控制下除去食品中的水分。将食品放在金属网或钢制带式运输机上，送入热风干燥室。优点：可以使水分含量控制在一定范围之内，品质基本保持一致。2.8.3真空干燥在101.3kPa时，水在100℃沸腾；当压力降到2.33kPa时，水在20℃即可沸腾。因此适当调节温度和真空度，使食品中的水极易转化为气态逸出，能达到在较低温度下迅速干燥食品的目的，并能获得品质优良的食品。2.8.4喷雾干燥应用：对黏度大，易结块的易吸湿的食品，如速溶咖啡、奶粉、豆奶粉等食品，可以采取喷雾干燥法。工序：液态食品→浓缩→加压喷头将其喷成微细的雾状→与热风同时进入干燥室→干燥优点：有较大的表面积，溶解速度快，蛋白质变性和褐变机率少。2.8.5冷冻升华干燥概念：将湿物料先冻结到冰点以下，使水分变成固体冰，然后在较高的真空度将冰直接转化为蒸汽而除去，物料即被干燥。优点：适用于热敏性且易氧化的食品，可保持食品的色、香、味及Vc等营养物质及原来的外形。缺点：易吸湿。2.9分子流动性（Mm)与食品稳定性Mm也称分子移动性，是分子的旋转移动和平动移动的总度量(不包括分子振动)。2.9.1无定形态概念：是指物质所处的一种非平衡、非结晶状态，当饱和条件占优势且溶质保持非结晶时，形成的固体。优点：食品处于无定形态稳定性不高，却具有优良的食品品质。玻璃态：既像固体具有一定的形状和体积，又像液体分子间排列只是近似有序的状态，此状态的大分子聚合物的链段运动被冻结，只允许在小尺度的空间运动，形变很小，类似于坚硬的玻璃。橡胶态：大分子聚合物转变成柔软而具有弹性的固体时的状态。其转变分为3个区域：（1）玻璃态转变区域（2）橡胶态平台区（3）橡胶态流动区黏流态：大分子聚合物链能自由运动，出现类似一般液体的黏性流动的状态。玻璃化转变温度(Tg)非晶态的食品体系从玻璃态到橡胶态的转变时的温度。Tg’是指食品体系在冰形成时具有最大冷冻浓缩效应的玻璃化转变温度。2.9.2食品稳定性研究食品稳定性的方法：Aw--食品中水的有效性；Mm--食品的微观黏度和化学组分的扩散能力；Tg—从食品的物理特性的变化来评估。