1、第二章水，本章的主要內(nèi)容包括：食品中水分的意義和功能，水分活性和狀態(tài)及其在食品中的組成，水與溶質(zhì)的相互作用，水分活性和食品的穩(wěn)定性，分子流動(dòng)性和食品穩(wěn)定性，一、食品中水的意義和功能，一、食品工藝學(xué)功能從食品理化性質(zhì)出發(fā)， 水在食品中溶解形成它們的溶液和凝膠從食品面料方面，水從對(duì)食品的新鮮度、硬度、流動(dòng)性、呈味性、耐貯藏性和加工適應(yīng)性有重要影響的食品安全性方面，水從微生物繁殖的必要條件從食品工藝方面，水發(fā)揮溶脹、滲透、均勻化等功能2，水從食品生物學(xué)方面組織和細(xì)胞所需要的養(yǎng)分和代謝物質(zhì)、排泄物質(zhì)輸送的載體水的比熱大，體溫好的穩(wěn)定劑水是構(gòu)成機(jī)體的重要成分水對(duì)機(jī)體內(nèi)的機(jī)械摩擦產(chǎn)生潤(rùn)滑，減少損傷，二是食

2、品水的組成、食品中水分的存在狀態(tài)，一是化學(xué)結(jié)合，二是物理-化學(xué)結(jié)合，三是食品中水分的存在狀態(tài)，三是水， 相水自由水游離水、結(jié)合毛細(xì)管水可凍結(jié)，但在冰點(diǎn)下溶解溶質(zhì)的能力強(qiáng)，干燥時(shí)容易除去的與純水分子相比較，平均運(yùn)動(dòng)較近，適合微生物生長(zhǎng)和大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)，容易引起食品的腐敗變質(zhì)，但與食品的風(fēng)味和功能性密切相關(guān)。 40、不凍結(jié)的無(wú)溶質(zhì)能力與純水分子相比，平均運(yùn)動(dòng)為零，微生物不利用，四、食品中水分的表示方法、食品中的平衡水分定義為：當(dāng)食品內(nèi)部的水蒸氣壓和外部氣體的水蒸氣壓在一定的溫度和濕度下平衡時(shí)，食品中的含水量保持一定的值。 干基表示水分相對(duì)于食品干物總質(zhì)量的百分比。 濕基表示水分相對(duì)于含水食品總質(zhì)量

3、的百分率。 五、水分子的締合，水分子的極性產(chǎn)生分子間的吸引力的水分子間的大吸引力不僅是大的偶極矩，而且是水分子間的締合合作用水分子的三維空間結(jié)構(gòu)，即水分子能夠與其他4個(gè)水分子最大形成氫鍵的三維空間， 由于水分子具有相等數(shù)量的氫鍵供體和受體部分的水的三維氫鍵能力，水具有特殊性質(zhì)的水的介電常數(shù)高，與氫鍵有關(guān)，六、水溶質(zhì)的相互作用，宏觀水平：宏觀反映水與含細(xì)胞物質(zhì)的親水物質(zhì)締合的一般趨勢(shì)的水鍵程度顯示了這種趨勢(shì)影響水鍵程度， 依賴于許多因素：非水成分的本質(zhì)、鹽的組成、pH值和溫度保水力：描述由分子組成的機(jī)體在物理上捕集大量水阻止水滲出的能力保水力損害導(dǎo)致食品質(zhì)量下降：凝膠食品脫水收縮冷凍食品解凍時(shí)浸

4、水動(dòng)物宰后的生理變化會(huì)降低肌肉pH值使肉制品變質(zhì)，六、 引起水溶質(zhì)的相互作用，分子水平：溶質(zhì)和水混合時(shí)同時(shí)改變這兩種成分的性質(zhì)親水溶質(zhì)改變鄰接水的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)性， 反應(yīng)性疏水溶質(zhì)只是與鄰接的水分子有弱的作用而在反應(yīng)體系中優(yōu)先選擇的非水環(huán)境離子和有機(jī)離子的離子基在不阻礙水分子的流動(dòng)的程度上其他類型的溶質(zhì)H2O-離子鍵的強(qiáng)度比氫鍵大，一方面，水和離子基的相互作用、水和離子、離子基的相互作用， 水和簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)離子發(fā)生偶極子離子的相互作用，作用強(qiáng)度對(duì)氫鍵強(qiáng)，溶質(zhì)影響水結(jié)構(gòu)的網(wǎng)結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)(Net structure-breaking effect )是稀水溶液中的一些離子發(fā)生網(wǎng)結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)(Net str

5、ucture-breaking effect )例如krbcsnh4cl-br-I-no3- br o3- io3- clo4-等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成效果，其他離子為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成效果這些離子大多為小離子和多價(jià)離子，電場(chǎng)強(qiáng)度大，離子半徑小，是網(wǎng)結(jié)構(gòu)形成體。 如Li Na Ca 2 Ba 2 Mg 2 Al 3 F - OH -等，如何判斷對(duì)水結(jié)構(gòu)的影響？ 結(jié)論：離子半徑小/多價(jià)離子產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，產(chǎn)生網(wǎng)結(jié)構(gòu)形成效果離子半徑大/一價(jià)離子產(chǎn)生弱電場(chǎng)，產(chǎn)生網(wǎng)結(jié)構(gòu)破壞效果，水與具有氫鍵形成能力的中性基團(tuán)的相互作用水與非離子， 親水性溶質(zhì)之間的相互作用可能比水與離子的相互作用增加(不破壞)可形成氫鍵的溶質(zhì)，純水結(jié)構(gòu)與

6、溶質(zhì)形成氫鍵的部位的分布和幾何上正常的水的氫鍵部位不相容，具有結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)的水能和各種潛在的適當(dāng)基團(tuán)形成氫鍵(羥基、氨基水與非極性物質(zhì)的相互作用、疏水化(Hydrophobic hydration ) :水與非極性物質(zhì)混合，顯然是不利于熱力學(xué)的過(guò)程(G0)。 由于非極性物質(zhì)和水分子的斥力，疏水基附近的水分子間的氫鍵增強(qiáng)，熵減少的過(guò)程成為疏水化，疏水化作用的結(jié)果是：促進(jìn)非極性物質(zhì)間的締合，水和非極性物質(zhì)的界面面積減少，這是熱力學(xué)上有利的過(guò)程(G0)，將該過(guò)程稱為疏水相互作用(hydrrra )和r (水合) r (水合) R 2(水合) H 2 O R是非極性基團(tuán)，是疏水相互作用(Hydroph

7、obic interaction )的示意圖，當(dāng)水與非極性基團(tuán)接觸時(shí)，為了減少水與非極性實(shí)體的界面面積，在疏水基團(tuán)之間進(jìn)行的該結(jié)構(gòu)中，水為宿主 一般的“宿主”由2074個(gè)水分子構(gòu)成，典型的“客體”有低分量烴、稀有氣體、鹵代烴等。 生物物質(zhì)中最典型的是暴露的蛋白質(zhì)分子中的疏水基周圍存在籠狀結(jié)構(gòu)。 水與父母分子的相和作用，父母分子的特征是脂肪酸鹽、蛋白脂質(zhì)、糖脂、極性脂質(zhì)和核酸水與父母分子親水部位的羧基、磷酸基羰基或一些含氮基的締合引起父母分子的“可溶化”現(xiàn)象，水與父母分子的相和作用， 在蛋白質(zhì)的水合作用等同時(shí)存在的a .水分少時(shí)，蛋白質(zhì)中的水合主要締合存在，含水量為0.38g H2O/g的干蛋白

8、質(zhì)，Aw為0.85時(shí)，達(dá)到蛋白質(zhì)的單分子層水合。 b .隨著水分活性度的增加，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)也不同，對(duì)蛋白質(zhì)的食品功能性有很大影響。 c .隨著水分活性度的增加，溶菌酶活性也不同，存在相水時(shí)才顯示明顯的酶活性。 這對(duì)理解食品的保存和加工有重要意義。七、水活度(Aw )與相對(duì)蒸汽壓、食品水分含量與其腐敗性有一定的關(guān)系，除了評(píng)價(jià)食品中水分含量外，注意水的存在狀態(tài)的食品加工中，濃縮和脫水的目的與降低食品水分含量的同時(shí)提高溶質(zhì)溶解度，降低食品腐敗性的食品水分含量相同。 但是，腐敗程度顯著不同的水和非水成分的締合程度有很大差異的水分含量不是食品腐敗的確定指標(biāo)的水分活性度比水分含量更能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)食品的穩(wěn)定性

9、、安全性和其他性質(zhì)，食品中的水分活性度和水分含量的關(guān)系，Aw=0.7時(shí)若干食品中的含水量(g水/g干物質(zhì))， 水分活性度(Aw )、p o在同一溫度下純水的飽和蒸氣壓水分活性度(Aw )與空氣的平衡相對(duì)濕度： Aw=P/Po=ERH%、水分活性度的物理意義在數(shù)值上相等，應(yīng)用3: Aw=ERH%時(shí)必須注意3360， Aw反映了樣品的內(nèi)在品質(zhì)水與各種非水成分締合的強(qiáng)度，同時(shí)表現(xiàn)了生物組織與食品中各種生理作用相關(guān)的水分含量和總含水量的定量關(guān)系，8、水分活性度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響，9、水分吸濕等溫線(Moisture Sorption Isotherms，MSI ) 在恒溫條件下，當(dāng)食品的Aw值高于環(huán)境

10、的相對(duì)濕度時(shí)，食品沿著解吸等溫線散濕，是一種水分含量范圍寬的食品水分吸附等溫線，為了深入理解吸附等溫線的含義和實(shí)用，右圖曲線可以分為3個(gè)區(qū)間。 相當(dāng)于等溫線區(qū)間I中的水，是食品中吸附最牢固、最難移動(dòng)的水，通過(guò)水離子和水偶極子相互作用吸附在極性部位，蒸發(fā)焓遠(yuǎn)大于純水，在-40時(shí)不凍結(jié)，沒(méi)有溶質(zhì)溶解能力，食品的固體物沒(méi)有塑化效果，微生物低水分含量范圍的食品的水分吸附等溫線，等溫線區(qū)間的水分活性度多孔性食品材料吸附多分子層的水分，孔徑變細(xì)，因此水蒸氣在毛細(xì)管中自動(dòng)凝聚。 因此，食品在高水分活性度下相對(duì)濕度稍微增大時(shí)，食品的含水量急劇增高，曲線強(qiáng)烈地靠近縱坐標(biāo)。 區(qū)間范圍內(nèi)增加的水是食品中最堅(jiān)固容易流

11、動(dòng)的水，一般稱為相水或自由水。 了解和測(cè)定MSI的意義是： a、在食品濃縮干燥過(guò)程中除水的難易度與Aw有關(guān)；b、調(diào)配食品，避免水分在不同材料之間的移動(dòng)；c、對(duì)不同食品包裝的包裝材料的耐濕性要求；d、預(yù)測(cè)微生物的生長(zhǎng)和食品的穩(wěn)定性；e、預(yù)測(cè)食品的化學(xué)和物理的穩(wěn)定性。 由于水分含量范圍的食品水分吸附等溫線，在低溫低濕度的環(huán)境條件下，干燥食品比較穩(wěn)定。 可以簡(jiǎn)單地將該分水視為固體的一部分，也可以理解為結(jié)合水。 包括相當(dāng)于等溫線區(qū)間I和區(qū)間邊界的位置，當(dāng)食品中的水分量增加時(shí)，該分水的增加開(kāi)始溶解過(guò)程，具有促進(jìn)增塑劑和基質(zhì)膨脹的作用。 隨著溶解作用的開(kāi)始，體系中的反應(yīng)物發(fā)生移動(dòng)，很多反應(yīng)的速度加快。 在

12、含水量高的食品中，屬于等溫線區(qū)間I和區(qū)間的水一般占總含水量的5以下。隨著水含量的進(jìn)一步增加，增加部分的水主要通過(guò)氫鍵與相鄰水分子和溶質(zhì)分子結(jié)合，增加溶解過(guò)程的反應(yīng)速度，此時(shí)區(qū)相水被捕獲或自由流動(dòng)，通常占高水分食品總水分的95%以上。 MSI上不同區(qū)域的水分特性，上圖提示：不同食品由于其化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)的不同，有不同的MSI、糖果(主要成分為蔗糖粉)； 噴霧干燥菊根提取物； 烘后咖啡豬胰臟提取物天然米淀粉注： 1呈40時(shí)曲線，其侑預(yù)均為20。 十、水分活度與食品穩(wěn)定性、水分活度與溫度的關(guān)系：在一定的水分含量范圍內(nèi)： lnAw與1/T呈線性關(guān)系。 開(kāi)始Aw是0.5，溫度系數(shù)在240的范圍內(nèi)是0.

13、0034/。 由左圖可知，1、水分含量從4%到25%，Aw與溫度(550 )的關(guān)系為直線2 .水分含量少時(shí)，隨溫度的Aw變化小。 (十二)水分吸附等溫線與溫度的關(guān)系表明，MSI與溫度有密切的關(guān)系，同一食品的水分含量、溫度越高，Aw也越大。 也就是說(shuō)，食品的Aw隨著溫度的上升而變高，不同溫度下馬鈴薯的水分解吸等溫線，左圖顯示了1、Aw與溫度的關(guān)系在冰點(diǎn)下呈直線關(guān)系。 2 .溫度對(duì)Aw的影響遠(yuǎn)大于冰點(diǎn)下冰點(diǎn)上的影響： 3、冰點(diǎn)下發(fā)生折斷4 .比較冰點(diǎn)下溫度對(duì)Aw的影響時(shí)需要注意的2點(diǎn)： 1是在冰點(diǎn)以下的溫度下，試料成分對(duì)Aw的影響大；2是冰點(diǎn)下Aw的變化僅對(duì)溫度大從左圖可以看出，除了酶氧化為Aw0

14、.3時(shí)有高反應(yīng)的情況以外，其他反應(yīng)都是Aw越小速度越小。 也就是說(shuō)，c對(duì)于很多食品來(lái)說(shuō)，低Aw有利于食品的穩(wěn)定性。 低水分活性度穩(wěn)定的食品的原因是水和脂質(zhì)的氧化生成的過(guò)氧化氫氫鍵，保護(hù)過(guò)氧化氫的分解，阻止氧化的進(jìn)行。 另外，在Aw=0.33時(shí)，該部分的水與金屬離子形成水合物，使其催化活性降低。 1、對(duì)脂肪酸化酸敗的影響，在A w=0- 0.33的范圍內(nèi)，由于A w、反應(yīng)速度的原因，水分過(guò)低，一部分活性基露出，不能使過(guò)氧化物和金屬離子水合作，脂肪酸化變快，水分過(guò)高，脂肪的氧化機(jī)理還不成熟。 2、對(duì)淀粉老化的影響，食品在高Aw(3060% )時(shí)，淀粉老化速度快，Aw下降，老化速度慢，含水量下降到10%，食品中水分形成結(jié)合狀態(tài)，淀粉幾乎不老化。 3、對(duì)蛋白質(zhì)改性的影響，水分使蛋白質(zhì)膨脹，增大體積，暴露長(zhǎng)鏈中的可氧化基團(tuán)，Aw的增大加速蛋白質(zhì)的氧化，破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其改性。 4 .對(duì)化學(xué)及生化反應(yīng)速度的影響，許多化學(xué)反應(yīng)在水溶液中進(jìn)行