第一章水分

Water1教學(xué)目的和要求2了解水在食品中的重要功能作用、水和冰的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)。掌握水在食品中存在狀態(tài)、水分活度和水分等溫吸濕線的概念、應(yīng)用及意義，水分活度與食品穩(wěn)定性的關(guān)系。

3本章主要內(nèi)容水分活度與食品穩(wěn)定性的關(guān)系水的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)食品中水的存在狀態(tài)水分活度和等溫吸濕曲線食品中的水分含量及功能作用Contents41、水是大多數(shù)食品的主要組成成分，各種食品的含水量不同。動(dòng)物食品中各部分含水量也不同，其中肌肉含水60%—80%，內(nèi)臟70%—80%，骨骼中12%—15%，皮膚60%—70%。植物中各部分含水量也不同。新鮮果蔬含水量高達(dá)80%—95%，其中莖、葉含量最高，根部較高，種子最低為12%—15%。2.1、食品中的水分含量及功能作用52、食品加工中水分含量、分布、狀態(tài)對食品新鮮度、硬度、風(fēng)味、色澤、流動(dòng)性、保藏性有很大影響。許多食品的化學(xué)變化是受水分含量控制的。如脂類氧化等。6氧原子的電子結(jié)構(gòu)為1s22s22px22py12pz14個(gè)SP3雜化軌道形成四面體結(jié)構(gòu)由于氧的高負(fù)電性，使水發(fā)生偶極化，形成偶極分子。1單分子水的結(jié)構(gòu)2.2、水和冰的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)2.2.1、水的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)7氫鍵供體氫鍵受體水的締合原因偶極間的靜電作用由于水分子間存在氫鍵的作用（4個(gè)氫鍵）水的締合狀態(tài)

由于水分子具有相同數(shù)目的氫鍵給體和受體，可以締合為三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。液態(tài)水中大多數(shù)水以締合形式存在，[(H2O)n]。由于氫鍵和靜電作用不等，因此水的締合結(jié)構(gòu)也不穩(wěn)定，n不斷變化，在一定條件下處于動(dòng)態(tài)平衡。使水流動(dòng)性大，黏度小。

2液態(tài)水的締合結(jié)構(gòu)8水有較高的熔沸點(diǎn)、相變熱，有特別大的表面張力、熱容大、介電常數(shù)、；水的密度很小，但大于冰的密度，凝固時(shí)有膨脹的特性，體積大約膨脹9%；水的導(dǎo)熱率較大，但冰的導(dǎo)熱率是同溫度下水的導(dǎo)熱率的4倍；冰的熱擴(kuò)散率大約是水的9倍，水和冰的熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率上的差異可以解釋在相同溫度差下（升降方向相反），食品凍結(jié)速度比解凍速度快得多。3水的性質(zhì)9冰的結(jié)構(gòu)比較典型，它的最小單位—冰的晶胞。冰有11種結(jié)構(gòu)，普通冰的晶體為六方晶體（0度、常壓下穩(wěn)定，冷凍速不太快），它是食品冰的主要存在形式。冷凍食品中存在四種主要的冰晶結(jié)構(gòu)：六方型、不規(guī)則樹狀、粗糙球狀、易消失球晶。六方冰晶形成要求在最適度的低溫冷卻劑中緩慢冷凍，并且溶質(zhì)的性質(zhì)及濃度均不嚴(yán)重干擾水分子的遷移。2.2.2、冰的結(jié)構(gòu)10冰的結(jié)構(gòu)

StructureoficeO-O核間最相鄰距離為0.276nmO-O-O鍵角約109°(四面體角109°28′)11如果溶液中存在離子或離子基團(tuán)，如Na+、Cl-、—COO-、NH3+等，它們通過離子或離子基團(tuán)的電荷與水分子的偶極子發(fā)生靜電相互作用（離子-偶極）而產(chǎn)生水合作用。如圖，NaCl的水合結(jié)構(gòu)2.3.1、食品中水與非水組分的相互作用2.3、食品中水的存在狀態(tài)1、水與離子及離子基團(tuán)的相互作用12

鍵的強(qiáng)度

大

共價(jià)鍵

H2O-離子鍵

H2O-H2O

小1、水與離子及離子基團(tuán)的相互作用13水-溶質(zhì)相互作用的分類1、水與離子及離子基團(tuán)的相互作用14

在稀鹽溶液中，離子對水分子結(jié)構(gòu)影響不同一類離子有助于水形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

小離子或多價(jià)離子產(chǎn)生強(qiáng)電場Li+,Na+,H3O+,Ca2+,Ba2+,Mg2+,Al3+,F-,OH-具有比純水較低的流動(dòng)性和較緊密的堆積另一類離子阻礙水形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大離子和單價(jià)離子產(chǎn)生較弱電場K+,Cs+,NH4+,Cl-,Br-,I-,NO3-,BrO3-,IO3-,ClO4-流動(dòng)性比純水強(qiáng)1、水與離子及離子基團(tuán)的相互作用15由于水原有的締合結(jié)構(gòu)有所改變，不但水的移動(dòng)性會(huì)變化，它的溶解能力、冰點(diǎn)、沸點(diǎn)和水介質(zhì)的介電常數(shù)都會(huì)改變。直接與離子結(jié)合的水，其遷移、溶劑、結(jié)冰、蒸發(fā)能力都會(huì)降低。離子水合后，性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變。特別是帶電大分子和帶電膠粒的水合對食品有很重要得作用。如：蛋白質(zhì)的離子基團(tuán)越多，水化越充分，蛋白質(zhì)的溶解度越高，水化膜增厚，穩(wěn)定性相應(yīng)增強(qiáng)。16水與多種中性基團(tuán)（羥基、氨基、羰基、酰胺基等）形成氫鍵，這些氫鍵比水—離子的相互作用弱。但形成氫鍵的水和其鄰近的水的遷移性比純水明顯減小，冰點(diǎn)、溶劑、蒸發(fā)能力降低。2、水與具有氫鍵形成能力的中性

基團(tuán)（親水性溶質(zhì)）的相互作用17

鍵的強(qiáng)度

大

共價(jià)鍵

H2O-離子

H2O-H2OH2O-親水性溶質(zhì)

小2、水與具有氫鍵形成能力的中性

基團(tuán)（親水性溶質(zhì)）的相互作用182、水與具有氫鍵形成能力的中性

基團(tuán)（親水性溶質(zhì)）的相互作用水-溶質(zhì)相互作用的分類19一般會(huì)增加（至少不會(huì)破壞）純水的正常結(jié)構(gòu)溶質(zhì)氫鍵鍵合的位置和取向在幾何構(gòu)型上與正常水的氫鍵部位不相容時(shí)對水結(jié)構(gòu)具有破壞作用尿素——顯著破壞效應(yīng)總氫鍵數(shù)沒有顯著改變，對水的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)沒有多大影響2、水與具有氫鍵形成能力的中性

基團(tuán)（親水性溶質(zhì)）的相互作用對水結(jié)構(gòu)的影響2021能與水形成氫鍵的基團(tuán)羥基氨基羰基?；鶃啺被c蛋白質(zhì)分子的兩種功能基團(tuán)形成氫鍵水橋2、水與具有氫鍵形成能力的中性

基團(tuán)（親水性溶質(zhì)）的相互作用能與水形成氫鍵的基團(tuán)22把非極性物質(zhì)加入水中，發(fā)生疏水水合水合后的疏水物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生疏水相互作用3、水與非極性物質(zhì)的相互作用232425疏水相互作用有時(shí)能與水形成籠形水合物

26疏水相互作用為蛋白質(zhì)的折疊提供了主要推動(dòng)力維持蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)疏水基團(tuán)處在蛋白質(zhì)分子的內(nèi)部274、水與雙親分子的相互作用水作為雙親分子的分散介質(zhì)雙親分子一個(gè)分子中同時(shí)存在親水和疏水基團(tuán)脂肪酸鹽、蛋白脂質(zhì)、糖脂、極性脂質(zhì)、核酸膠團(tuán)雙親分子在水中形成大分子聚集體分子數(shù)從幾百到幾千281234脂肪酸鹽雙親分子一般結(jié)構(gòu)非極性區(qū)極性區(qū)29雙親分子的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)非極性極性水與親水部位的締合導(dǎo)致雙親分子的表觀“增溶”30化合水作為化合物的組成部分結(jié)合水鄰近水靠水－離子和水－偶極作用多層水靠水－水和水－溶質(zhì)氫鍵水

滯化水體相水毛細(xì)管水直徑大于0.1微米的水

自由流動(dòng)水血漿、尿液等2.3.2食品中水的存在狀態(tài)31構(gòu)成水(constitutionalwater)結(jié)合最強(qiáng)的水，已成為非水物質(zhì)的整體部分在-40℃下不結(jié)冰無溶解溶質(zhì)的能力與純水比較分子平均運(yùn)動(dòng)為0不能被微生物利用Constitutionalwater2.3.2食品中水的存在狀態(tài)32鄰近水(vicinalwater)占據(jù)著非水成分的大多數(shù)親水基團(tuán)的第一層位置在-40℃下不結(jié)冰無溶解溶質(zhì)的能力與純水比較分子平均運(yùn)動(dòng)大大減少不能被微生物利用此種水很穩(wěn)定，不易引起Food的腐敗變質(zhì)。Vicinalwater2.3.2食品中水的存在狀態(tài)33多層水(multilayerwater)占有第一層中剩下的位置以及形成了鄰近水外的幾層大多數(shù)多層水在-40℃下不結(jié)冰，其余可結(jié)冰，但冰點(diǎn)大大降低。有一定溶解溶質(zhì)的能力與純水比較分子平均運(yùn)動(dòng)大大降低不能被微生物利用Multilayerwater2.3.2食品中水的存在狀態(tài)34除了結(jié)合水以外的那部分水能結(jié)冰，但冰點(diǎn)有所下降溶解溶質(zhì)的能力強(qiáng)，干燥時(shí)易被除去與純水分子平均運(yùn)動(dòng)接近很適于微生物生長和大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)，易引起Food的腐敗變質(zhì)，但與食品的風(fēng)味及功能性緊密相關(guān)。Bulk-phasewater2.3.2食品中水的存在狀態(tài)35單分子層水包括化合水和鄰近水，單分子層水是在非水物質(zhì)上形成單分子覆蓋層為主，其總量稱為單層值，一般含量為總水含量的0.5％。食品中體相水含量最高，容易失去，它的含量大小與食品安全性直接相關(guān),與食品質(zhì)地、風(fēng)味功能性質(zhì)等相關(guān)。

362.4、水分活度與等溫吸濕曲線WateractivityandMoistureSorptionIsotherms食品的水分含量～食品的腐敗性存在相關(guān)性但發(fā)現(xiàn)水分含量相同，腐敗性顯著不同水與非水成分締合強(qiáng)度上的差別水分含量不是一個(gè)腐敗性的可靠指標(biāo)水分活度Aw比水分含量更可靠與微生物生長和許多降解反應(yīng)具有相關(guān)性

Introduction372.4、水分活度與等溫吸濕曲線WateractivityandMoistureSorptionIsothermsIntroduction382.4.1、水分活度的概念1、水分活度是指食品在密閉容器中達(dá)平衡時(shí)的水蒸氣壓與同溫下純水的飽和蒸汽壓之比。

AW=P/P0=ERH/100AW——是水分活度P——食品樣品的水蒸氣壓P0——同溫下純水的飽和蒸氣壓

ERH——食品樣品的環(huán)境平衡相對濕度Aw是樣品的內(nèi)在品質(zhì)，ERH是與樣品平衡的大氣的性質(zhì)僅當(dāng)產(chǎn)品與環(huán)境達(dá)到平衡時(shí)，關(guān)系式才能成立392、它反映食品中水被微生物利用的程度，食品中水與非水成分結(jié)合越強(qiáng)、溶液中非水成分含量越高，食品穩(wěn)定性越強(qiáng)。3、食品可以認(rèn)為是稀溶液（濃度小于1mol/L)，根據(jù)拉烏爾定律P=P0X1

X1（N）——溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)X1=n1/(n1+n2)P=P0n1/(n1+n2)

AW=P/P0=n1/(n1+n2)n1——溶劑的物質(zhì)的量n2——溶質(zhì)的物質(zhì)的量4、AW大于0且小于1。對純水來說AW＝1402.4.2水分活度的測定1、用水分活度測定儀直接測定，操作簡便、測定較準(zhǔn)確。2、采用擴(kuò)散的方法（恒定相對濕度平衡室法），這種方法儀器簡單、經(jīng)濟(jì)，但時(shí)間較長，準(zhǔn)確性相對較差。3、冰點(diǎn)測定法，先測定樣品的冰點(diǎn)下降值和含水量，并應(yīng)用公式計(jì)算：n2＝G*△Tf/1000Kf

式中G是樣品中溶劑的克數(shù)△Tf是冰點(diǎn)下降值（℃）Kf是水的摩爾冰點(diǎn)降低常數(shù)（1.86

再用公式AW＝n1/(n1+n2)求出AW，誤差小，準(zhǔn)確性高，實(shí)驗(yàn)較復(fù)雜。41水分含量相同，溫度不同，Aw不同Clausius-Clapeyron公式

T——絕對溫度

R——?dú)怏w常數(shù)H——在樣品的水分含量下等量凈吸附熱2.4.3水分活度與溫度的關(guān)系42lnAw～1/T水分含量從4%到25%,Aw與溫度(5-50℃)的關(guān)系為直線溫度變化10℃，Aw變化0.03～0.2水分含量少時(shí),溫度所引起的Aw變化小43冰點(diǎn)以下食品的AwPff

部分凍結(jié)食品中水的分壓P0(scw)純的過冷水的蒸汽壓P(ice) 純冰的蒸汽壓

44在冰點(diǎn)以下也是線性的直線出現(xiàn)明顯的折斷溫度對Aw的影響冰點(diǎn)以下＞冰點(diǎn)以上45比較冰點(diǎn)以上和冰點(diǎn)以下Aw1、冰點(diǎn)以上食品中水和非水成分的組成(食品組成）與T（溫度）共同影響水分活度,并且前者為主要因素。食品組成不變，溫度升高，AW

越大；如溫度不變，非水成分與水的結(jié)合能力越強(qiáng)，AW

越小。在冰點(diǎn)以下，Aw與樣品的組成無關(guān)，而僅與溫度有關(guān)，即冰相存在時(shí)，Aw不受所存在的溶質(zhì)的種類或比例的影響，不能根據(jù)Aw預(yù)測受溶質(zhì)影響的反應(yīng)過程3、在冰點(diǎn)以上和以下AW應(yīng)用意義不同。因?yàn)楸c(diǎn)以下AW大小不能用來判斷食品穩(wěn)定性大小，因此冰點(diǎn)以下水分活度對食品無意義。461等溫吸濕曲線的定義水分吸附等溫線(Moisturesorptionisotherms,MSI)，MSI是指在恒定溫度下，食品的水含量（g水/g干物質(zhì)）與它的水分活度之間的關(guān)系圖，也稱為吸附等溫線。Definition:poltsinterrelatingwatercontentofafoodwithitswateractivityatconstanttemperature.2.4.4等溫吸濕曲線（MSI）47高水分食品的MSI從正常至干燥的整個(gè)水分含量范圍48低水分食品的MSI加水回吸時(shí)，試樣的組成從區(qū)Ⅰ（干）移至區(qū)Ⅲ（高水分）各區(qū)相關(guān)的水的性質(zhì)存在著顯著的差別（實(shí)際是連續(xù)變化的）49回吸等溫線繪制方法將水加到預(yù)先干燥的試樣中形狀S形J形決定形狀和位置的因素試樣的成分試樣的物理結(jié)構(gòu)試樣的預(yù)處理溫度等溫線繪制方法50區(qū)Ⅰ的水的性質(zhì)：

區(qū)域Ⅰ（AW=0—0.25）中的水為化合水和鄰近水（單分子層水），約在食品中占總水量的0.5%。結(jié)合最強(qiáng)，幾乎與非水成分為一體。2、水分吸濕等溫線的分區(qū)51BET單層：區(qū)域Ⅰ與區(qū)域Ⅱ間（AW=0.2±0.25）為單層值（BET），是和干物質(zhì)牢固結(jié)合的最大數(shù)量的水。相當(dāng)于一個(gè)干制品能呈現(xiàn)最高的穩(wěn)定性時(shí)含有的最大水分含量，具有很大實(shí)用意義52區(qū)Ⅱ的水的性質(zhì)：多層水

區(qū)域Ⅱ（AW=0.25—0.8）中的水為多層水，在高水分含量的食品中占總水量小于5%。對水不太敏感，總體上看，對食品腐敗影響不大。53區(qū)Ⅱ和Ⅲ接界0.38gH2O/g干物質(zhì)Aw=0.85完全水合所需的水分含量，即占據(jù)所有的第一層部位所需的水分含量。真實(shí)單層：54區(qū)Ⅲ的水的性質(zhì)：體相水

區(qū)域Ⅲ（AW=0.8—0.99）中的水為體相水，在高水分含量的食品中占總水量高于95%。這部分水吸濕性最強(qiáng)，水分活度略有改變，其水分含量有明顯變化，對食品腐敗起決定作用。552.4、水分活度與等溫吸濕曲線WateractivityandMoistureSorptionIsotherms4.MSI與溫度的關(guān)系水分含量一定

T↑，Aw↑

Aw一定

T↑，水分含量↓562.4、水分活度與等溫吸濕曲線WateractivityandMoistureSorptionIsotherms5.滯后現(xiàn)象（Hysteresis）回吸：把水加到干的樣品中解吸：先使樣品吸水飽和，再干燥滯后現(xiàn)象（Hysteresis）：

回吸與解吸所得的等溫線不重疊現(xiàn)象即為“滯后現(xiàn)象”（Hysteresis）。572.4、水分活度與等溫吸濕曲線WateractivityandMoistureSorptionIsotherms5.滯后現(xiàn)象（Hysteresis）滯后環(huán)一般來說，當(dāng)Aw一定時(shí)，解吸過程中食品的水分含量大于回吸過程中水分含量。解吸線在上方滯后環(huán)形狀取決于食品品種溫度582.4、水分活度與等溫吸濕曲線WateractivityandMoistureSorptionIsotherms高糖-高果膠食品空氣干燥蘋果

總的滯后現(xiàn)象明顯滯后出現(xiàn)在真實(shí)單層水區(qū)域Aw＞0.65時(shí)，不存在滯后滯后環(huán)的形狀—食品品種

592.4、水分活度與等溫吸濕曲線WateractivityandMoistureSorptionIsotherms高蛋白食品冷凍干燥熟豬肉

Aw＜0.85開始出現(xiàn)滯后滯后不嚴(yán)重回吸和解吸等溫線均保持S形滯后環(huán)的形狀—食品品種

602.4、水分活度與等溫吸濕曲線WateractivityandMoistureSorptionIsotherms淀粉質(zhì)食品冷凍干燥大米

存在大的滯后環(huán)Aw=0.70時(shí)最嚴(yán)重滯后環(huán)的形狀—食品品種

61T↑滯后程度減輕↓

滯后的Aw起始點(diǎn)↓滯后環(huán)在等溫線上的跨度↓純蛋白（BSA）滯后現(xiàn)象與T無關(guān)滯后環(huán)的形狀—溫度

2.4、水分活度與等溫吸濕曲線WateractivityandMoistureSorptionIsotherms622.4、水分活度與等溫吸濕曲線滯后現(xiàn)象的現(xiàn)實(shí)意義雞肉和豬肉Aw=0.75～0.84，解吸時(shí)脂肪氧化速度高于回吸Aw一定，解吸樣品的水分高于回吸高水分樣品粘度低，催化劑流動(dòng)性好，基質(zhì)的腫脹使催化部位暴露氧的擴(kuò)散系數(shù)提高控制微生物生長，解吸方法比回吸方法制備樣品時(shí)要達(dá)到更低的Aw632.5、水分活度與食品穩(wěn)定性Microorganismsmaygrowaboveagiven,foodmaterialspecificwatercontentMicroorganismsdonotgrowatlowwateractivitiesGrowthofmicroorganismsmayoccurinintermediatemoisturefoods1.Microbiologicalstability

—Aw

642.5、水分活度與食品穩(wěn)定性首次出現(xiàn)最低反應(yīng)速度時(shí)的水分含量相當(dāng)于“BET”水分含量一般情況，Aw↑，反應(yīng)速度↑2.ChemicalStability

—Aw

WateractivityandFoodStabilityAw652.5、水分活度與食品穩(wěn)定性(1)

Aw：0-0.33范圍內(nèi)隨Aw↑,反應(yīng)速度↓過分干燥，食品穩(wěn)定性下降

3.Lipidoxidation

—Aw

WateractivityandFoodStabilityAw原因:水與脂類氧化生成的氫過氧化物以氫鍵結(jié)合,保護(hù)氫過氧化物的分解,阻止氧化進(jìn)行水與金屬離子水合,降低了催化性662.5、水分活度與食品穩(wěn)定性(2)Aw：0.33-0.73范圍內(nèi)隨Aw↑,反應(yīng)速度↑3.Lipidoxidation

—Aw

WateractivityandFoodStabilityAw

原因:

水中溶解氧增加大分子物質(zhì)腫脹,活性位點(diǎn)暴露加速脂類氧化催化劑和氧的流動(dòng)性增加672.5、水分活度與食品穩(wěn)定性(3)Aw＞0.8隨Aw↑,反應(yīng)速度增加很緩慢3.Lipidoxidation

—Aw

WateractivityandFoodStabilityAw

原因:

催化劑和反應(yīng)物被稀釋,阻滯氧化682.5、水分活度與食品穩(wěn)定性4.Non-EnzymaticBrowning

—Aw

WateractivityandFoodStabilityAwNon-enzymaticbrowningisextremelylowordoesnotoccuratlowAw(0.2)

slowmolecularmotionsproductionofwaterinthereactionmayenhancebrowning

低Aw(0.2)，反應(yīng)速度極低或不反應(yīng)692.5、水分活度與食品穩(wěn)定性4.Non-EnzymaticBrowning

—Aw

WateractivityandFoodStabilityAwTherateofthereactionincreasesrapidlyaboveacriticalwateractivityTherateishighestatintermediate

Aw(0.6-0.7)

athighwatercontents,reactantsaredilutedandtherateofreactiondecreases

中等至高Aw，反應(yīng)速度最高水是一個(gè)產(chǎn)物，水含量繼續(xù)增加，會(huì)稀釋中間產(chǎn)物的濃度，導(dǎo)致產(chǎn)物抑制作用

702.5、水分活度與食品穩(wěn)定性increasingwatercontentoftenincreasestherateofoxidationofproteinProteindenatureProteindenatureoccurslowlyatlowwatercontents(0.4%)Proteindenaturedoesnotoccurwhenwatercontentbelow0.2%5.ProteinDenature

—Aw

WateractivityandFoodStability原因:水分能使蛋白質(zhì)膨潤,體積增大,暴露出長鏈中可氧化的基團(tuán),Aw的增大會(huì)加速蛋白質(zhì)的氧化,破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其變性.712.5、水分活度與食品穩(wěn)定性Starchstalingoccurrapidlyinwatercontentof30%-60%.Starchstalingdoesnotoccurwhenwatercontentdecreaseto10%-15%.6.StarchStaling

—Aw

WateractivityandFoodStability

食品在較高Aw(30-60%)情況下,淀粉老化速度最快;

如果降低Aw,則老化速度減慢,若含水量降至于10%-15%,則食品中水分多呈結(jié)合態(tài),淀粉幾乎不發(fā)生老化.722.5、水分活度與食品穩(wěn)定性Retentionofflavourandaromaisrelativelyhighatlowwateractivities7.FlavourRetention

—Aw

WateractivityandFoodStabilityVolatilecompoundsmustdiffusetothesurface.Diffusionisdependentontemperatureandwatercontent.VolatilecompoundsoftenbecomeencapsulatedinfoodmatricesatlowwateractivitiesLossofvolatiles,flavoursandaromamayresultfromstructuralchangesandcrystallizationofcomponentcompou