02 第一章 水分.ppt

第1页：第一章水分封面

第一章水分封面

• 第一章水分概述
• 一、水在生物体中的含量及作用
• 二、水的功能
• 三、水和冰的结构与性质
• 四、食品中水的存在状态
• 五、水分活度与等温吸湿曲线
• 六、水分活度与食品稳定性

第2页：本章主要内容

本章主要内容

本页为标题/图示页，详细内容见原课件图示。

第3页：一、水在生物体中的含量及作用

一、水在生物体中的含量及作用

• 水在生物体中的含量及作用
• 水是生物体含量最高的组分；水母（Medusae)98%营养器官：70－90％繁殖器官：12－15％

第4页：二、水的功能

二、水的功能

• 水的功能水在食品工艺学方面的
• 功能食品理化性质：起着溶解、分散蛋白质、淀粉等水溶性成分的作用食品质地方面：对食品的新鲜度、硬度、风味、流动性、色泽、耐贮性和加工适应性有影响食品安全性：水是微生物繁殖的必需条件食品工艺角度：水起着膨润、浸透、均匀化等功能；大多数食品加工的单元操作都与水有关，如干燥、浓缩、冷冻、水的固定等

第5页：二、水的功能

二、水的功能

水的功能水在食品生物学方面的功能水是良好的溶剂；水为必须的生物化学反应提供一个物理环境水是体内物质运输的载体；水是维持体温的载温体；水是体内摩擦的润滑剂

第6页：三、水和冰的结构与性质

三、水和冰的结构与性质

• 水和冰的结构与性质水异常的物理性质
• 高熔点(0℃), 高沸点(100℃);2、介电常数大；3、表面张力高；4、热容和相转变热焓高；熔化热、蒸发热和升华热
• 密度低(1 g/cm
• 凝固时的异常膨胀率;6、粘度正常(1 cPa·s)

第7页：三、水和冰的结构与性质

三、水和冰的结构与性质

• 水和冰的结构与性质4个杂化轨道
• 2px2 2py1 2pz1由于氧的高负电性，O-H
• 共价键具有部分离子特征
• Structure of water and ice

第8页：三、水和冰的结构与性质

三、水和冰的结构与性质

• 水和冰的结构与性质
• 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.
• 氢键供体氢键受体氢键供体氢键供体氢键受体氢键受体水分子的缔合
• Association of water molecules

第9页：三、水和冰的结构与性质

三、水和冰的结构与性质

• 水和冰的结构与性质六方冰晶形成条件：①在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻;②溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移。冰的结构
• Structure of ice

第10页：四、食品中水的存在状态

四、食品中水的存在状态

食品中水的存在状态食品中水的存在状态

第11页：四、食品中水的存在状态

四、食品中水的存在状态

• 食品中水的存在状态
• Categories of water in foods
• 水体相水构成水自由水截留水邻近水多层水以毛细管力结合的水；结合水以氢键结合力结合的水

第12页：四、食品中水的存在状态

四、食品中水的存在状态

• Water that is an integral part of a nonaqueous constitutents.
• 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
• Constitutional water
• 食品中水的存在状态

第13页：四、食品中水的存在状态

四、食品中水的存在状态

• 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。
• Vicinal water
• 食品中水的存在状态

第14页：四、食品中水的存在状态

四、食品中水的存在状态

• water that occupies remaining first-layer sites and forms several additional layers around hydrophilic 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
• Multilayer water
• 食品中水的存在状态

第15页：四、食品中水的存在状态

四、食品中水的存在状态

• 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
• 食品中水的存在状态

第16页：四、食品中

四、食品中

• 食品中
• 水的存在状态小结：

第17页：水分活度与食品腐败性

水分活度与食品腐败性

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 食品的水分含量～食品的腐败性
• 存在相关性
• 但发现水分含量相同，腐败性显著不同
• 水分含量不是一个腐败性的可靠指标水分活度Aw
• 水与非水成分缔合强度上的差别
• 比水分含量更可靠，也并非完全可靠
• 与微生物生长和许多降解反应具有相关性

第18页：水分活度与等温吸湿曲线导言

水分活度与等温吸湿曲线导言

水分活度与等温吸湿曲线

第19页：1.Water activity(Aw)

1.Water activity(Aw)

• 水分活度与等温吸湿曲线
• f ——溶剂（水）的逸度
• f0——纯溶剂（水）的
• 逸度逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势严格差别1%仅适合理想溶液RVP
• 相对蒸汽压

第20页：1.Water activity(Aw)

1.Water activity(Aw)

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 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:

第21页：平衡相对湿度与水分活度

平衡相对湿度与水分活度

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关Aw是样品的内在品质，ERH
• 是与样品平衡的大气的性质
• 仅当产品与环境达到平衡时，关系式才能成立
• ERH (Equlibrium Relative Humidity)

第22页：水分活度与温度关系式

水分活度与温度关系式

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 水分含量相同，温度不同，Aw不同
• Clausius-Clapeyron公式
• T ——绝对温度
• R ——气体常数
• H ——纯水的汽化潜热
• K ——达到同样水蒸汽压时食品温度比纯水温度高出的比值2.
• 水分活度与温度的关系

第23页：

第24页：冰点以下水分活度的温度效应

冰点以下水分活度的温度效应

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 的影响冰点以下＞冰点以上
• 直线出现明显的折断2.
• 水分活度与温度的关系

第25页：冰点以下食品的水分活度

冰点以下食品的水分活度

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 水分活度与温度的关系冰点以下食品的AwPff
• 部分冻结食品中水的分压
• P0(scw)纯的过冷水的蒸汽压
• P(ice)纯冰的蒸汽压

第26页：冰点上下水分活度的比较

冰点上下水分活度的比较

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 水分活度与温度的关系比较冰点以上和冰点以下Aw:
• 在冰点以上，Aw
• 是样品组成与温度的函数，前者是主要的因素;在冰点以下，Aw
• 与样品的组成无关，而仅与温度有关，即冰相存在时，Aw
• 不受所存在的溶质的种类或比例的影响，不能根据
• Aw 预测受溶质影响的反应过程
• 不能根据冰点以下温度Aw预测冰点以上温度的Aw
• 当温度改变到形成冰或熔化冰时，就食品稳定性而言，水分活度的意义也改变了

第27页：Definition

Definition

等温吸湿曲线

水分吸附等温线(Moisture sorption isotherms,MSI)，在恒定温度下，使食品吸湿或干燥，所得到的食品水分含量（每克干物质中水的质量）与Aw的关系曲线。

• 水分活度与等温吸湿曲线
• Definition:polts interrelating water content of a food with its water activity at constant temperature .

第28页：高水分食品的等温吸湿曲线

高水分食品的等温吸湿曲线

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 从正常至干燥的整个水分含量范围

第29页：低水分食品的等温吸湿曲线

低水分食品的等温吸湿曲线

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 加水回吸时，试样的组成从区Ⅰ（干）移至区Ⅲ（高水分）
• 各区相关的水的性质存在着显著的差别（实际是连续变化的）

第30页：区Ⅰ的水的性质

区Ⅰ的水的性质

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 最强烈地吸附最少流动
• 水－离子或水－偶极相互作用
• 在-40℃不结冰
• 不能作为溶剂
• 看作固体的一部分
• 占总水量极小部分

第31页：BET单层水分含量

BET单层水分含量

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 07g H2O/ g干物质Aw =0.2
• 相当于一个干制品能呈现最高的稳定性时含有的最大水分含量

第32页：区Ⅱ的水的性质

区Ⅱ的水的性质

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 通过氢键与相邻的水分子和溶质分子缔合
• 流动性比体相水稍差
• 大部分在-40℃不结冰
• 导致固体基质的初步肿胀
• 区Ⅰ和区Ⅱ的水占总水分的5%以下

第33页：真实单层水分含量

真实单层水分含量

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 38g H2O/ g干物质Aw =0.85
• 完全水合所需的水分含量，即占据所有的第一层部位所需的水分含量。
• 真实单层：

第34页：区Ⅲ的水的性质

区Ⅲ的水的性质

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 被物理截留或自由的
• 宏观运动受阻
• 性质与稀盐溶液中的水类似
• 占总水分的95%以上

第35页：BET单层与真实单层

BET单层与真实单层

水分活度与等温吸湿曲线

第36页：食品中水存在状态小结

食品中水存在状态小结

水分活度与等温吸湿曲线

第37页：溶菌酶水合作用

溶菌酶水合作用

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 水合过程开始时存在于干蛋白质中的水被假设为构成水（Ⅰ区）
• 水首先吸收在离子化、羧基和氨基酸侧链部位（ⅡA 区）
• 水的进一步吸收导致较小吸收部位（蛋白质主链的酰胺羰基）的逐渐水合（ⅡB 区）

第38页：BET单层值的意义

BET单层值的意义

水分活度与等温吸湿曲线

第39页：BET单层值的计算式

BET单层值的计算式

• 水分活度与等温吸湿曲线
• Aw：水分活度
• m:水含量(H2Og/g干物质)
• m1：单分子层值
• C:常数对Aw
• 作图应得到一条直线，称为BET直线

第40页：BET单层值计算实例

BET单层值计算实例

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 单层值的计算（g H2O/g 干物质）

第41页：不同食品类型的等温吸湿曲线

不同食品类型的等温吸湿曲线

水分活度与等温吸湿曲线

第42页：4. MSI

4. MSI

• 水分活度与等温吸湿曲线
• MSI与温度的关系
• 水分含量一定T↑，Aw↑Aw一定
• T↑，水分含量↓

第43页：滞后现象的定义

滞后现象的定义

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 滞后现象（Hysteresis）
• 回吸：把水加到干的样品中解吸：先使样品吸水饱和，再干燥滞后现象（Hysteresis）：回吸与解吸所得的等温线不重叠现象即为“滞后现象”（Hysteresis）。

第44页：滞后现象（Hysteresis）滞后环

滞后现象（Hysteresis）滞后环

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 滞后现象（Hysteresis）滞后环
• 一般来说，当Aw
• 一定时，解吸过程中食品的水分含量大于回吸过程中水分含量。解吸线在上方
• 滞后环形状取决于食品品种温度

第45页：高糖果胶食品的滞后环

高糖果胶食品的滞后环

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 高糖-高果胶食品空气干燥苹果
• 总的滞后现象明显
• 滞后出现在真实单层水区域Aw＞0.65
• 时，不存在滞后滞后环的形状—食品品种

第46页：高蛋白食品的滞后环

高蛋白食品的滞后环

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 高蛋白食品冷冻干燥熟猪肉Aw＜0.85开始出现滞后
• 滞后不严重
• 回吸和解吸等温线均保持S
• 形滞后环的形状—食品品种

第47页：淀粉质食品的滞后环

淀粉质食品的滞后环

• 水分活度与等温吸湿曲线
• 淀粉质食品冷冻干燥大米
• 存在大的滞后环Aw=0.70
• 时最严重滞后环的形状—食品品种

第48页：温度对滞后环的影响

温度对滞后环的影响

• 48T↑
• 滞后程度减轻↓ 滞后的Aw起始点↓
• 滞后环在等温线上的跨度↓
• 纯蛋白（BSA）滞后现象与T
• 无关滞后环的形状—温度
• 水分活度与等温吸湿曲线

第49页：五、水分活度与等温吸湿曲线

五、水分活度与等温吸湿曲线

水分活度与等温吸湿曲线

第50页：五、水分活度与等温吸湿曲线

五、水分活度与等温吸湿曲线

• 水分活度与等温吸湿曲线滞后现象的现实意义
• 鸡肉和猪肉Aw=
• 75～
• 84，解吸时脂肪氧化速度高于回吸Aw
• 一定，解吸样品的水分高于回吸
• 高水分样品粘度低，催化剂流动性好，基质的肿胀使催化部位暴露
• 氧的扩散系数提高
• 控制微生物生长，解吸方法比回吸方法制备样品时要达到更低的Aw

第51页：Water activity and Food Stability

Water activity and Food Stability

• 水分活度与食品稳定性
• Stability of low-and intermediate moisture foods
• (IMF) is dependent on water content and water activity
• Stability is often maintained below the monolayer water content

第52页：水分活度与反应速度

水分活度与反应速度

• 水分活度与食品稳定性
• 右图可知：除非酶氧化在
• Aw<0.3
• 时有较高反应外，其它反应均是Aw
• 愈小反应速度愈小。也就是说，对多数食品而言,低Aw
• 有利于食品的稳定性。首次出现最低反应速度时水分含量相当于“BET”水分含量

第53页：1.Microbiological st

1.Microbiological st

• 水分活度与食品稳定性
• Microorganisms may grow above a given, food material specific water content
• Microorganisms do not grow at low water activities
• Growth of microorganisms may occur in intermediate moisture foods
• Microbiological stability—Aw

第54页：首次出现最低反应速度时的水分含量相当于“

首次出现最低反应速度时的水分含量相当于“

• 水分活度与食品稳定性
• 首次出现最低反应速度时的水分含量相当于“BET”水分含量
• 一般情况，Aw↑，反应速度↑
• Chemical Stability—AwWater activity and Food StabilityAw

第55页：低水分活度下的酶促变化

低水分活度下的酶促变化

• 水分活度与食品稳定性
• Enzymatic Changes —AwWater activity and Food StabilityAw低Aw(
• 25-0.
• 不反应
• Several enzymatic changes do not occur at low aw (
• 25-0.3)
• diffusional limitations
• low molecular mobility does not allow enzyme and substrate rearrangements

第56页：六、水分活度与食品稳定性

六、水分活度与食品稳定性

• 水分活度与食品稳定性(1)Aw：0-0.33范围内随Aw↑
• 反应速度↓
• 过分干燥，食品稳定性下降
• Lipid oxidation —AwWater activity and Food StabilityAw
• 原因:水与脂类氧化生成的氢过氧化物以氢键结合
• 保护氢过氧化物的分解
• 阻止氧化进行水与金属离子水合
• 降低了催化性

第57页：六、水分活度与食品稳定性

六、水分活度与食品稳定性

• 水分活度与食品稳定性(2)Aw：0.33-0.73范围内随Aw↑
• 反应速度↑
• Lipid oxidation —AwWater activity and Food StabilityAw原因:
• 水中溶解氧增加
• 大分子物质肿胀
• 活性位点暴露加速脂类氧化
• 催化剂和氧的流动性增加

第58页：六、水分活度与食品稳定性

六、水分活度与食品稳定性

• 水分活度与食品稳定性(
• Aw ＞0.8随Aw↑
• 反应速度增加很缓慢
• Lipid oxidation —AwWater activity and Food StabilityAw原因:
• 催化剂和反应物被稀释,阻滞氧化

第59页：

第60页：

第61页：

第62页：水分活度与蛋白质变性

水分活度与蛋白质变性

• 水分活度与食品稳定性
• increasing water content often increases the rate of oxidation of protein
• Protein denature
• Protein denature occur slowly at low water contents (
• 4%)
• Protein denature does not occur when water content below0.2%
• Protein Denature—AwWater activity and Food Stability原因:
• 水分能使蛋白质膨润
• 体积增大
• 暴露出长链中可氧化的基团,Aw
• 的增大会加速蛋白质的氧化
• 破坏蛋白质的结构
• 导致其变性.

第63页：食品在较高

食品在较高

• 水分活度与食品稳定性
• Starch staling occur rapidly in water content of 30%-60%.
• Starch staling does not occur when water content decrease to 10%-15%.
• Starch Staling—AwWater activity and Food Stability食品在较高
• Aw(30-60%)的情况下
• 淀粉老化速度最快;如果降低Aw
• 则老化速度减慢
• 若含水量降至于
• 10%-15%
• 则食品中水分多呈结合态
• 淀粉几乎不发生老化.

第64页：六、水分活度与食品稳定性

六、水分活度与食品稳定性

• 水分活度与食品稳定性
• Retention of flavour and aroma is relatively high at low water activities
• Flavour Retention—AwWater activity and Food Stability
• Volatile compounds must diffuse to the surface. Diffusion is dependent on temperature and water content.
• Volatile compounds often become encapsulated in food matrices at low water activities
• Loss of volatiles, flavours and aroma may result from structural changes and crystallization of component compounds as encapsulated compounds are released.

第65页：六、水分活度与食品稳定性

六、水分活度与食品稳定性

• 水分活度与食品稳定性
• Changes in Structure and Texture—AwWater activity and Food Stability
• Structural transformations often occur above a critical water activity
• Typical changes in structure include collapse of physical structure, stickiness, caking of powders and loss of crispness.

第66页：2. 请比较冰点以上和冰点以下

2. 请比较冰点以上和冰点以下

• 作业：1. 请分析图中各区及分界的水的性质。
• 请比较冰点以上和冰点以下Aw的差异。
• 请至少从4个方面分析Aw与食品稳定性的关系。