02 第二章 水 Water.ppt

第1页：第二章 水

第二章水Chapter 2 Water

第2页：食品中的水分含量及功能

• 一、食品中的水分含量及功能
• 二、食品中的水分状态及与溶质间的相互关系
• 三、水分活度
• 四、水对食品的影响
• 五、分子流动性与食品稳定性

第3页：表2-1 某些食品的水分含量

一般生物体及食品中水分含量为3～97%

某些食品的水分含量见下表。

第4页：表2-1结构示意

第5页：水的功能：水在生物体内的功能

• （二）水的功能
• 1、水在生物体内的功能
• 稳定生物大分子的构象，使表现特异的生物活性
• 体内化学介质，使生物化学反应顺利进行
• 营养物质，代谢载体
• 热容量大，调节体温
• 润滑作用
• 2、食品功能
• 组成成分
• 显示色、香、味、形、质构特征
• 分散蛋白质、淀粉、形成溶胶
• 影响鲜度、硬度
• 影响加工，起浸透、膨胀作用
• 影响储藏性

第6页：食品中的水分状态及与溶质间的相互关系

• 二、食品中的水分状态及与溶质间的相互关系
• （一）水分状态
• 1、结合水（束缚水，bound water，化学结合水）
• 可分为单分子层水（monolayer water），多分子层水（multilayer water）
• 作用力：配位键，氢键，部分离子键
• 特点：在-40℃以上不结冰，不能作为外来溶质的溶剂,与纯水比较分子平均运动大大减少,不能被微生物利用。
• 2、自由水（free water）（体相水，游离水，吸湿水）
• 可分为滞化水、毛细管水、自由流动水（截留水、自由水）

第7页：水与溶质间的关系

（二）水与溶质间的关系1、水与离子和离子基团的相互作用作用力：极性结合，偶极—离子相互作用阻碍水分子的流动的能力大于其它溶质；

水—离子键的强度大于水—水氢键；

破坏水的正常结构,阻止水在0℃时结冰，对冰的形成造成一种阻力；

改变水的结构的能力与离子的极化力有关。

第8页：水与溶质间的关系关系图

第9页：水与可形成氢键的中性基团的相互作用水

2、水与可形成氢键的中性基团的相互作用水可以与羟基、氨基、羰基、酰基、亚氨基等形成氢键；

作用力小于水与离子间作用力；

流动性小；

对水的网状结构影响小；

阻碍水结冰；

大分子内或大分子间产生“水桥”

第10页：水与可形成氢键的中性示意图

第11页：水与可形成氢键的中性分类图

第12页：水与非极性物质的相互作用

笼形水合物的形成

由于非极性基团与水分子产生斥力，使疏水基团附近的水分子间氢键键合力↑熵值s↓ 20～74个水分子将“客体”包在其中，形成“笼形水合物”。

作用力

范德华力、少量静电力、疏水基团间的缔合作用

第13页：水与非极性物质的相互对比图

第14页：水与非极性物质的相互变化曲线

第15页：水与非极性物质的相互流程图

第16页：水分活度：概念问题、水分活度—食品中水

• 三、水分活度Water activity
• （一)概念问题：(1)含水18%的果脯与含水18%的小麦比较，哪种耐储藏？(2)含水量标准：大豆、油菜籽≤9%，玉米≤14%
• 水分活度—食品中水分逸出的程度，可以用食品中水的蒸汽压与同温度下纯水饱和蒸汽压之比表示，也可以用平衡相对湿度表示。
• Aw = f（溶液中水的逸度）/fo(纯水的逸度）
• ≈P（食品中水的蒸汽压）/Po（纯水饱和蒸汽压）
• 因为纯水的水分活度=1,所以溶液的水分活度

第17页：由拉乌尔定理

• 由拉乌尔定理（理想稀溶液）
• P = P0X1(X1—溶剂摩尔分数)
• （P/P0= X1)
• Aw = P/P0= n1/( n1+ n2)
• （n1、n2--溶剂、溶质摩尔分数）
• 例如：2mol蔗糖溶于1000g H2O中
• 1000/18.016 = 55.5 (mol)
• Aw = n1/( n1+n2)= 55.5/(55.5+2)
• =0.9652 = 96.52%
• 所以，Aw可以用平衡相对湿度ERH表示
• (equilibrium relative humidity)
• 即Aw = P/P0 = ERH/100

第18页：1千克水溶解1mol溶质时的水分活度

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。

理想溶液：0.9823=55.51/(55.51+1)

B：1千克水（约55.51mol）溶解1mol溶质

第19页：Aw与温度的关系

• （二）Aw与温度的关系
• 1、Aw随着温度的变化而变化
• Clasius-Clapeyron方程
• d lnAw/d (1/T)=-ΔH/R
• 图2-4（P23图2-14）可以看出:
• 含水量相等时，温度越高，Aw越大。
• 2、低于冰点时，Aw与温度的关系
• Aw= Pff（部分冻结食品中过冷水蒸气分压）／P0（scw,

第20页：Aw与温度的关系结构模型

第21页：结论高于冰点时

3、结论高于冰点时，Aw与食品组成及T有关，其中食品组成是主要因素，当组成水％同，T上升，则Aw上升。

低于冰点时，Aw与食品组成无关，仅与温度有关。

冰点以上或以下，Aw对食品稳定性影响是不同的。

例：-15℃，Aw＝0.86微生物不繁殖20℃，Aw＝0.86微生物繁殖

第22页：吸湿等温线：概念及意义在

• （三）吸湿等温线（MSI)
• Moisture Sorption Isotherms
• 1、概念及意义在等温条件下，以食品含水量为纵坐标，以Aw为横坐标作图，所得曲线称为吸湿等温线。
• 图2-6，2-7（P24图2—16,2-17）吸湿性食品的吸湿等温线
• 不同食品，因其化学组成和组织结构不同，对水束缚能力不一样，有不同的吸湿等温线，但都为S型。
• 图2—8（P25图2—18）各种食品和生物物质的回吸等温线
• 意义：吸湿等温线表示了食品的Aw与含水量对应关系，除去水（浓缩、干燥）的难易程度与Aw有关，配制食品混合应注意水在配料间的转移，测定包装材料的阻湿性质，测定一定水分含量与微生物生长的关系，预测食品稳定性与水分含量的关系。

第23页：因为T升高：图2—9不同温度下

• 因为T升高，Aw升高，对同一食品，T升高，形状近似不变，曲线位置向下方移动
• 图2—9不同温度下马铃薯的吸湿等温线2、吸湿等温线与温度的关系

第24页：吸湿等温线的滞后现象

3、吸湿等温线的滞后现象测定水加入→干燥食品的吸湿（吸附）等温线；

测定高水分食品→脱水的解吸等温线；

二线不完全重合，显示吸湿等温线滞后环。

这一吸湿（吸附）等温线与解吸等温线不完全重合的现象称为吸湿等温线的滞后现象。

在Aw同，对应的水分含量，吸湿<解吸说明：吸湿到食品内的水，还未充分被食品组分束缚，没有使食品“复原”。

问题：在130℃烘箱中烘烤60分钟，结果如何？食品品种不同，滞后环不同；

同一食品，不同温度，滞后环不同。

第25页：吸湿等温线的滞后现象实物图

第26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27页：吸湿等温线分区

4、吸湿等温线分区为了说明吸湿等温线内在含义，并与水的存在状态紧密联系，可以将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区。

Ⅰ区：Aw=0～0.25约0～0.07g水/g干物质作用力：H2O—离子，H2O—偶极，配位键属单分子层水（含水合离子内层水）不能作溶剂，-40℃以上不结冰，与腐败无关Ⅱ区：Aw=0.25～0.8（加Ⅰ区，<0.45gH2O/g干）作用力：氢键：H2O—H2O H2O—溶质

第28页：吸湿等温线分区机理图

第29页：吸湿等温线分区分布图

第30页：吸湿等温线分区组成图

第31页：吸湿等温方程式

5、吸湿等温方程式因为计算单分子层水值具有实际意义，可准确预测干燥产品最大稳定性时的含水量。

据热力学、动力学、统计学、经修改的吸湿等温线方程式如下（BET等温式：P 28，2-7式）图2-12（P29图2—23）天然马铃薯淀粉的BET图（回吸数据，20℃）a=3/0.281=10.7 b=0.6所以，m1=1/(10.7+0.6) = 0.88g H2O/g干物质）m1’= 0.088/1.088 = 8.09% AW=0.2(相当于)

第32页：由于水分活度影响食品的质量

由于水分活度影响食品的质量，食品在存放过程中，通过包装创造一个适宜的环境。

吸湿性食品吸湿等温线较陡，为保Aw限定值，需密封包装，如速溶咖啡，Aw（限）<0.5(防止吸水)当Aw(限)>ERH/100时，食品失水，如胶凝食品，（防止失水）包装应保护防止失水。

无吸湿性食品一般包装，如蔗糖混成食品，注意Aw的变化。

例如：脱水蔬菜2%与淀粉13%混合，脱水蔬菜升高8%，发生非酶褐变。

6、

第33页：水对食品的影响

四、水对食品的影响（一）Aw与食品的稳定性1、Aw与微生物生长微生物的生长繁殖需要水，适宜的Aw一般情况如下，Aw <0.90大多数细菌<0.87大多酵母<0.80大多霉菌0.8～0.6耐盐、干、渗透压细菌、酵母、霉菌<0.50任何微生物均不生长繁殖

第34页：水对食品的影响结构示意

第35页：水可作为介质

• 水可作为介质，活化底物和酶
• Aw < 0.8大多数酶活力受到抑制
• Aw= 0.25～0.3淀粉酶、多酚氧化酶、过氧化物酶抑制或丧失活力
• 而脂肪酶在Aw=0.1～0.5仍保持其活性，如肉脂类（因为活性基团未被水覆盖，易与氧作用）2.4.1.3 Aw与非酶褐变
• Aw < 0.7Aw升高，v升高，
• Aw = 0.6～0.7 v最大
• Aw > 0.7v降低（因为H2O稀释了反应物浓度。2、Aw与酶促反应

第36页：Aw与脂肪氧化酸败

• 3、Aw与脂肪氧化酸败
• 影响复杂：Aw < 0.4 Aw↑ V↓( MO2—H2O阻V)
• Aw > 0.4 Aw↑ V ↑（H2O溶解O2，溶胀后催化部位暴露，氧化V↑）
• Aw > 0.8 Aw↑ V↑ (稀释浓度)4、Aw与水溶性色素分解，维生素分解
• Aw ↑ V分解↑

第37页：食品结冰时非冻结相中

食品结冰时非冻结相中，（未凝固水），溶质变浓，冰的体积增加9%由于浓缩效应，未冻结的pH、粘度、离子强度、氧化还原电位、胶体性质等发生变化。

（温度与浓缩综合效应，V↓ ↑）加速一些化学反应：蔗糖在酸催化下水解反应，肌红蛋白褐变蛋白质变性S↓氧化反应（VC、脂肪、VA、VE、β-胡萝卜素……）酶催化反应（糖原损失、乳酸↑，高能磷酸盐降解……）（二）结冰对食品稳定性影响

第38页：水%：油炸土豆片脆性、硬糖防粘

• 水%、Aw对干、半干、中湿食品质构有影响
• 低Aw：饼干脆性
• 油炸土豆片脆性
• 硬糖防粘
• 固体饮料防结块
• 中湿：软糖防变硬
• 蛋糕防变硬
• 面包防变硬
• 冷冻方式对质构的影响
• 速冻、小晶体破坏小；慢冻，大冰晶破坏大
• 干燥方法对质构的影响
• 空气干燥质构破坏
• 冷冻干燥相似质构如脱水蔬菜
• 高温脱水质构破坏（三）水对食品质构的影响

第39页：在食品中添加吸湿剂可在水分含量不变条

• 在食品中添加吸湿剂可在水分含量不变条件下，降低Aw值。
• 吸湿剂应该含离子、离子基团或含可形成氢键的中性基团（羟基，羰基，氨基，亚氨基，酰基等），即有可与水形成结合水的亲水性物质。
• 如：多元醇：丙三醇、丙二醇、糖
• 无机盐：磷酸盐（水分保持剂）、食盐
• 动、植物、微生物胶：明胶、卡拉胶、黄原胶（四）降低Aw的方法

第40页：分子流动性与食品稳定性

分子流动性（Mm）

是分子的旋转移动和平转移动性的总度量。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。

玻璃态（glass state）

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，类于玻璃，因此称玻璃态。

第41页：状态图：食品存在、食品的物理变化和

• 2、状态图——描述分子流动性与食品稳定性关系，包括平衡和非平衡状态数据的图（p32图2—24,2—25）
• 食品存在无定形区p30表2—6
• 食品的物理变化和化学变化的速度由分子流动性所决定
• 分子流动性与温度有相依性p34，2—9
• 大多数食品具有玻璃化温度p34，2—8
• 溶质类型影响玻璃化温度

第42页：大分子缠结：大分子的、分子的缠结能影响食

• 3、大分子缠结（Macromoleculerentanglement）：指大的聚合物以随机的方式相互作用，没有形成化学键，有或没有氢键。
• 大分子的缠结对食品性质的影响：EN对于冷冻食品的结晶速度，大分子化合物的溶解度、功能性乃至生物活性都将产生不同程度的影响，同时可以阻滞焙烤食品中水分的迁移，有益于保持饼干的脆性和促进凝胶的形成。
• 分子的缠结能影响食品的性质（因为阻碍水分的迁移，有助于保持谷物食品的脆性，减缓冷冻食品的结晶速度

第43页：Aw和Mm方法研究食品稳定性的比较

• 4、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(nian)（Microviscosity）和化学组分的扩散能力。
• 目前，测定分子流动性有困难，在实际应用上不能达到或超过Aw方法的水平。