第1页：第2章 水封面
第 2 章水 Water
第2页：本章主要内容导览
2.1 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)
第3页：各种食品都有显示其品质的特征含水
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%；成年人：58－67％；其中肌肉和薄壁组织器官（脑、肝、胃）含水量位 70－80％，皮肤 60－70％，骨骼，12－15％2.1 Introduction
第4页：水在生命体内的重要功能
- 水在生命体内的重要功能 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
第5页：水在食品中的重要性
- 水在食品中的重要性
- 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、风味以及对腐败的敏感性有着很大的影响
第6页：水和冰的结构与物理特性
2.2 Structure of water and ice
第7页：水异常的物理性质
- 水异常的物理性质: 1. 熔点,沸点高.
- 介电常数大
- 水的表面张力和相变热（熔融热、蒸发热、升华热）大.一水和冰的物理特性
第8页：密度低,结冰时体积膨胀
- 密度低,结冰时体积膨胀.
- 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,热扩散速度为水的 9 倍.
- 密度随温度而变化.7.具有溶剂性.
第9页：水和冰的结构
二水和冰的结构
第10页：单个水分子的结构特征
- 单个水分子的结构特征 The water molecule
- 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.
第11页：水分子的缔合
水分子的缔合 Association of water molecules
第12页：水分子的缔合
水分子的缔合
第13页：H-O 键间电荷的非
- 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.水分子缔合的原因:
第14页：水分子的结构特征 水
- 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
第15页：温度对配位数与分子间距的影响
温度(℃) 配位数分子间距 nm0 4 0.276 1.5 4.4 0.290 8.3 4.9 0.305 食品化学 Food chemistry
第16页：冰的结构可分为四大类
冰的结构可分为四大类：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。
冰的结构
第17页：冰的结构
冰的结构 Structure of ice
第18页：水和冰的结构与物理特性
第19页：水异常的物理性质
第20页：最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻
- 在最适度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。六方冰晶形成的条件：
第21页：水与溶质的相互作用
2.3 Water–solution interactions
第22页：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）水-离子（离子基团）H2O-游离离子较强 H2O-有机分子带电基团水-中性基团（氢键健合）H2O--NH -PRO ，较强 H2O-COOH -PRO 水＋非极性物质（疏水水合）H2O+R→R（水合）
- G＞0 水与溶质相互作用的分类
第23页：水与离子基团的相互作用
水与离子基团的相互作用 Interaction of water with Ionic groups
第24页：稀水溶液中一些离子
在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效应（Net structure-breaking effect), 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。
净结构破坏效应（Net structure-breaking effect）
第25页：另外一些离子
另外一些离子具有净结构形成效应（Net structure-forming effect),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。
净结构形成效应（Net structure-forming effect）
第26页：水与溶质的相互作用
第27页：The above
The above centrally-placed water molecule makes strong hydrogen bonds to residues in three separated parts of the ribonuclease molecule holding them together. This water molecule and its binding site are conserved across the entire family of microbial ribonucleases
第28页：种类实例相互作用强弱（与
第29页：当水与非极性基团接触时
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( Hydrophobic interaction)
第30页：象冰一样的包合物
是象冰一样的包合物，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。
笼形水合物(Clathrate hydrates)
第31页：水与离子基团的相互作用
第32页：稀水溶液中一些离子
第33页：Categories of wate
2.4 Categories of water in foods 滞化水自由水（体相水）毛细管水自由流动水水（截留水）化合水结合水邻近水多层水
第34页：-40℃下不结冰 无溶解溶质的
- 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
- 与溶质的结合力为：化学键力 Constitutional water
第35页：Water that
- Water that strongly interacts with specific hydrophilic sites of nonaqueous constituents by water-ion and water-dipole associations
- 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。结合力是结合力是水－离子和水－偶极缔合作用或具有呈电离或离子状态的基团的中性分子与水形成水－溶质氢键力。Vicinal water
第36页：water that
- water that occupies remaining first-layer sites and forms several additional layers around hyyydrophilic groups of nonaqueous constituents; water-water and water-solute hydrogen bonds predominate.
- 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
- 结合力是水－水和水－溶质间的氢键形成 Multilayer water
第37页：water that
- water that occupies positions furthest removed from nonaqueous constituents; water-water hydrogen bonds predominate.
- 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-phase water
第38页：体相水 1）不移动水（滞化水）
- 体相水 1）不移动水（滞化水）
- 2) 毛细管水 3）自由流动水
第39页：Water activity
- Water activity andMoisture Sorption Isotherms
- Water activity(aw)的定义:
- 水分活度(water activity)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)
第40页：ERH(equilibrium
- ERH(equilibrium relation humidity)
- ERH 食品上空已经恒定了的水蒸气的分压与同温下水的饱和蒸汽压的比值（用乘以 100 后的整数表示）
- Aw 是食品内在的品质，与食品的组成结构有关，而 ERH 则与食品平衡时大气的性质有关。ERH 与周围大气的平衡需要一个过程。
第41页：水分活度的物理意义
- 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:
- aw 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.
- 仅当食品与其环境达到平衡时才能应用.注意事项
第42页：水分活度的测定方法
- 水分活度的测定方法
- 1 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
- Tt/(1000.Kt)G—溶剂克数
- Tt—冰点降低(℃)Kt—水的摩尔冰点降低常数(1.86)
第43页：将已知含水量的样品置于恒温密闭小
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，然后有公式.aw＝ERH/100 得之。
2 相对湿度传感器测定法
第44页：置样品于恒温密闭的小容器中
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,然后再根据公式求 aW.3 恒定相对湿度平衡法
第45页：㏑aw=-K H/RT R:
- ㏑aw=-K H/RT R: 气体常数 T：绝对温度
- H: 纯水的气化潜热二水分活度与温度的关系(temperaturedependence)
第46页：Water activity
第47页：ERH(equilibr
第48页：水分吸湿等温线
2.5 水分吸湿等温线 Moisture Sorption Isotherms1 定义 Definition:在温度不变的条件下，以食品中的水分含量为纵坐标，以水分活度为横坐标作图，所得的曲线即为 MSI.
第49页：吸湿等温线的分区
2 吸湿等温线分区
第50页：区 I 区 II 区 III
区 I 区 II 区 III 区 Aw 0-0.20.2-0.85＞0.85 含水量% 1-6.5 6.5-27.5 ＞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
第51页：吸湿等温线的实际意义
- 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.3 MSI 的实际意义
第52页：4 滞后现象
4 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.
第53页：水分活度的物理意义
第54页：滞后现象产生的原因
- 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.
第55页：水分活度与食品的稳定性
2.6 水分活度与食品的稳定性 Water activity and food stability
第56页：aW 与微生物生命活动的关系
- aW 与微生物生命活动的关系
- 影响食品稳定性的微生物主要是细菌、酵母和霉菌。
- 细菌的最低 aW 范围为：0.99－0.94，耐盐细菌为 0.75
- 霉菌为 0.94－0.80，耐干燥霉菌和耐高渗透压酵母为 0.65－0.60。
- 若，aW<0.60,绝大多数微生物无法生长。
第57页：aW 与微生物生命活动的关系
- aW 与微生物生命活动的关系
- 在不同的生长阶段，微生物所需要的 aW 阈值不同。
- 总之，通过调节 Aw 的大小，可以抑制微生物的生长。
第58页：Aw 和食品化学变化的关系
- Aw 和食品化学变化的关系
- 淀粉：含水量 30-60%时，老化速度最快，降至 10－15％时，淀粉不老化。
- 脂肪酸酸败：
第59页：水分活度与食品的稳定性
第60页：Aw 对蛋白质变性的影响
- Aw 对蛋白质变性的影响
- Aw 增加会大大加速蛋白质的氧化作用。水分含量<2%,无影响。
第61页：酶促褐变的影响
- 对酶促褐变的影响
- Aw 降到 0.25－3.0 范围，能有效的阻止酶促褐变的进行。
第62页：非酶褐变的影响
- 对非酶褐变的影响
- Aw 在 0.6－0.7 时，褐变最严重。<0.2 时，褐变难以发生。
- 对水溶性色素的影响 Aw 增大，水溶性色素的分解速度就会加快。
第63页：水分活度与食品的稳定性
- 小结
- 食品化学反应的最大反应速度一般发生在具有中等水分含量的食品中(0.7-0.9).而最小的反应速度发生在（0.2-0.3）范围。
第64页：冰在食品稳定性中的作用
- 冰在食品稳定性中的作用 冷冻后食品中非水分组分的浓度将比冷冻前变大
- 水结冰后体积比结冰前增大 9％。
第65页：冷冻使溶质的浓度上升即浓缩效应
- 冷冻使溶质的浓度上升即
- 浓缩效应。浓缩效应的结果是增大了反应速度。
第66页：含水食品的水分转移
- 含水食品的水分转移
- 1 水分的位转移 2 水分的相转移
第67页：水分的位转移
- 水分的位转移
- 影响因素水分的位转移的主要因素有温度和水分活度，其中水分活度对水分的位转移的影响更大。
第68页：水分的相转移
- 水分的相转移
- 水分的蒸发食品中的水分由液相变成气相而散失的现象称为食品的水分蒸发。水分蒸发主要和空气湿度和饱和湿度差有关系。
- 水蒸气的凝结
- 空气中的水蒸汽在食品表面凝结成液体水的现象称为水蒸汽的凝结。
第69页：空气的湿度有关几个概念 绝对湿度
- 空气的湿度有关几个概念 绝对湿度
- 相对湿度 饱和湿度 饱和湿度差
第70页：分子流动性与食品稳定性
2.9 Molecular mobility andfood stability
第71页：玻璃态与分子流动性概念
一几个概念 1 玻璃态（glass stste）：是聚合物的一种状态，它既象固体一样有一定的形状，又象液体一样分子间排列只是近似有序，是非晶态或无定形态。
处于此状态的聚合物只允许小尺寸的运动，其形变很小，类似于玻璃，因此称～。
第72页：玻璃化温度与玻璃化转变
2 玻璃化温度（glass transition temperature, Tg）：非晶态食品从玻璃态到橡胶态的转变称玻璃化转变，此时的温度称～。
3 无定形（Amorphous）：是物质的一种非平衡，非结晶的状态。
第73页：分子流动性的概念
4 分子流动性（Mm）：是分子的旋转移动和平动移动性的总度量。
决定食品 Mm 值的主要因素是水和食品中占支配地位的非水成分。
第74页：元体系的状态图二状态图
二元体系的状态图二状态图（State diagrams）
第75页：分子流动性与食品性质的相关性
分子流动性与食品性质的相关性 1 大多数物理和部分化学变化由分子流动性控制扩散因子 D 碰撞频率因子 A 活化能因子 Ea 决定化学反应速度
第76页：2 玻璃化温度
- 2 玻璃化温度对食品的扩散限制性的稳定性有着密切的关系
- 在食品保藏温度低于玻璃化温度时，所有的扩散限制的变化都会收到很好的限制。
第77页：3 在溶解或融化温度范围内 Mm
- 3 在溶解或融化温度范围内 Mm 和扩散限制性食品性质和温度的关系
- Tm－Tg 范围内，T 下降，Mm 减少。在此范围内食品的稳定性也依赖温度，并与 T－Tg 成反比。
第78页：4 水含量强烈影响 Tg
- 4 水含量强烈影响 Tg
- 水含量越高，玻璃化温度越低。纯水的 Tg 最低，为-135 摄氏度。若 Tg 高于环境温度时，则该食品体现在常温下也是稳定的。
第79页：溶质的种类强烈影响
- 溶质的种类强烈影响 Tg 和 Tg’
- Tg’是最大冷冻浓缩液的玻璃化温度，是 Tg 的一个特定值。
- 注意：Tg 强烈依赖水分含量和溶质的种类，但 Tg’只依赖溶质的种类。
第80页：Aw 和 Mm
Aw 和 Mm 方法研究食品稳定性的比较二者相互补充，非相互竞争 Aw 法主要注重食品中水的有效性，如水作为溶剂的能力；Mm 法主要注重食品的微观黏度（Microviscosity）和化学组分的扩散能力。
第81页：水的结束页
The End
