食品化学：第二章 水和冰

4.食品中水分存在形式-2（P13）
结合水分类：构成水、邻近水和多层水
➢ 构成水(constitutional water)：结合最强的水， 已成为非水物质的一部分
➢ 邻近水(vicinal water)：占据着非水成分大多数亲 水基团的第一层位置
➢ 多层水(multilayer water)：占有第一层中剩下的 位置以及邻近水外侧的几层
水分吸附等温线（吸湿等温线）
➢ 在等温条件下，以食品含水量为纵坐标、以Aw为横 坐标作图。
➢ 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。
7.食品中水分变化过程：水分吸附等温线-2
水分吸附等温线的意义：
➢ 表示食品的Aw与含水量对应关系； ➢ 浓缩、干燥等除去水的难易程度与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。
➢ 冰点测定法：
✓ 先测定样品的冰点降低和含水量，利用 ✓ Aw = n1/(n1+n2) ；n2 = (G∆Tf ) /1860 ✓ G：样品中溶剂的量(g)；∆Tf：冰点降低(℃)
6.水对食品稳定性的影响：水分活度-10
冷冻食品中Aw的测定：
➢ 冷冻食品中，水的蒸汽压与同一温度下冰的蒸汽压 相等，能准确计算冷冻食品水Aw；
➢ Aw与非酶褐变
✓ Aw < 0.2 ： V 最小，褐变难于发生 ✓ Aw < 0.6 ： V 升高 ✓ Aw > 0.7 ： V 降低（因为水稀释了反应物浓度） ✓ Aw 0.6-0.7 ：V 最大（羰氨反应达到最大值）
➢ Aw与脂肪的氧化
✓ Aw对脂肪的非酶氧化反应的影响比较复杂 ✓ Aw < 0.4 ：Aw↑，V ↓ ✓ Aw > 0.4 ：Aw↑，V ↑（H2O溶解O2，溶胀后催化部位
7.食品中水分变化过程：水分吸附等温线-9
Ⅲ区：
➢ 新增的水为自由水 ，(截 留+流动)多者可达20g 水/g干物质
特点
➢ 可结冰，可作溶剂。
划分区不是绝对的，可 有交叉，连续变化。
8.水分活度对食品稳定性的影响-1
Aw与微生物繁殖的关系（P25）
8.水分活度对食品稳定性的影响-2
Aw与酶促反应的关系
7.食品中水分变化过程：水分吸附等温线-3
水分吸附等温线与温度的关系
T升高，则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。
7.食品中水分变化过程：水分吸附等温线-4
水分吸附等温线的滞后现象
干燥食品的吸湿 （吸附）等温线与 高水分食品脱水 （解吸）等温线不 完全重合；
5.水与溶质的相互作用-3（P12）
水与具有氢键键合能力的中性基团作用 作用方式：
➢ 与羟基、氨基、羰基、酰基、亚氨基等形成氢键。
特点：
➢ 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”。
5.水与溶质的相互作用-4（P12）
与非极性物质的相互作用 笼形水合物的形成：
➢ 非极性基团与水分子产生斥力，疏水基团附近水分 子间氢键键合力↑是水分子之间企图避免与疏水基团 接触所产生的结果。
➢ 笼形水合物结构：20～74个水分子将“客体”包在 其中。
➢ 作用力：范德华力、少量静电力、疏水基团间的缔 合作用。
6.水对食品稳定性的影响：水分活度-1
* * 水分活度（aw）的意义 问题:
➢ 含水均为18%的果脯与小麦比较，哪种耐储藏？
定义: 食品中水的蒸汽分压（P）与同温度下纯 水饱和蒸汽压（Po）之比表示
Aw = P/Po
6.水对食品稳定性的影响：水分活度-2
对于纯水：P=Po ，Aw=1 对于食品中水分：P<Po，故Aw<1 根据拉乌尔定律，Aw可用样品周围环境的平衡
➢ 营养器官组织含量最高：70-90%，如根、茎、叶 的薄壁组织
➢ 繁殖器官组织含量最低：12-15%，如种子、微生 物的孢子
1.生物体及常见食品中水分含量-2（P22）
35-45%
65%
50-70%
90-95%
2.生物体及食品中水分的作用-1（P6）
在生物体内，水具有以下作用
➢ 稳定生物大分子的构象，保证其结构和功能 ➢ 为生物体内生物化学反应提供反应介质 ➢ 为营养物质代谢提供载体 ➢ 热容量大，调节体温 ➢ 润滑作用、运输作用 ➢ 还具有镇静、强壮效果 ➢ 保护眼睛，降脂减肥和美容作用
相对湿度(ERH)表示： Aw = P/Po = ERH/100 = n1/(n1+n2) n1：溶剂物质的量 n2：溶质物质的量
6.水对食品稳定性的影响：水分活度-3
Aw与温度的关系（P17）
➢ P、Po和ERH与T有关
故 Aw = P/Po= ERH/100也与T有关 aw与温度关系符合克劳休斯公式： dln aw/d(1/T) = －ΔH/R
6.水对食品稳定性的影响：水分活度-4
当含水量相等 时，温度越高 ，aw越大；
温度变化对水 活性产生的效 应影响密封袋 装或罐装食品 的稳定性；
aw还与食品组 成有关
6.水对食品稳定性的影响：水分活度-5
较大温度 范围内， lnaw对 1/T并非 为直线
在0℃时 有拐点
在冰点温 度以下时 ，水活性 的定义需 重新考虑
5.水与溶质的相互作用-1（P11）
水与离子和离子基团的相互作用 作用力：
➢ 极性基团、偶极-离子相互作用。
特点：
➢ 阻碍水分子流动的能力大于其它溶质； ➢ 水-离子键 ＞ 水-水氢键； ➢ 破坏水的正常结构，阻碍冰的形成。 ➢ “冰盐浴”
5.水与溶质的相互作用-2（P11）
产生水合离子作用的离子分类
结构破坏离子:
➢ 能阻碍水形成网状结构，这类盐溶液比纯水流动性大； ➢ 特点：离子半径大，电场强度较弱。如K+、Cl-、Rb+、NH4+、
Br-、I-等。
结构促进离子：
➢ 有助于水形成网状结构，这类盐溶液比纯水流动性小； ➢ 特点：离子半径小，电场强度较强。如Li+、Na+、H3O+、
Ca2+、Mg2+、Al3+等。
➢ 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； ➢ 脂肪酶在Aw = 0.1-0.3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）。
8.水分活度对食品稳定性的影响-3
Aw与非酶反应的关系
食品中水分变化过程：水分吸附等温线 水分活度对食品稳定性的影响 冰对食品稳定性的影响
1.生物体及常见食品中水分含量-1
在动物体内含量特点
➢ 随动物年龄的增加而减少，成年动物：58-67% ➢ 不同部位水分含量不同
✓ 皮肤：60-70% ✓ 肌肉及器脏：70-80% ✓ 骨骼：12-15%
在植物体内含量特点
水与溶质的相互作用4p12非极性基团与水分子产生斥力疏水基团附近水分子间氢键键合力是水分子之间企图避免与疏水基团接触所产生的结果
主要内容
生物体及常见食品中水分含量 生物体及食品中水分的作用 水和冰的基本性质 食品中水分存在形式 水与溶质分子的相互作用
水对食品稳定性的影响：水分活度（aw）
2.生物体及食品中水分的作用-1（P6）
水分在食品中的作用
➢ 食品组成成分 ➢ 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
3.水和冰的基本性质-1
水三态：
✓ 水—汽（100℃/1个大气压） ✓ 水—冰（0℃/1个大气压） ✓ 汽—冰（>0℃/611Pa以下） ✓ 特点: 具有水、汽、冰三相共存（0.0098℃/611Pa）
冰与水的导电系数、热传递系数：
➢ 均为前者大，分别大3倍与4倍。 ➢ 结果：在一定的环境中，冰改变自身的温度要比水
的快得多，所以同一食物的冻结要比解冻快得多。
4.食品中水分存在形式-1（P13）
结合水：与食品中的各组分通过分子间相互作 用紧密结合的水分子。
➢ 占食品中水分总量的比例很小 ➢ 作用方式：离子键或氢键 ➢ 特点：-40度基本不结冰，不能溶解外源溶质
4.食品中水分存在形式-3（P14）
自由水：没有被食品中组分紧密结合的水 分类：滞化水、毛细管水和自由流动水
➢ 滞化水：组织中显微和亚显微结构或膜滞留水
✓ 总含水量中比例较大：肉中约占60%
➢ 毛细管水：生物组织中的毛细管结构借组毛细管力 留系的水
➢ 自由流动水：动物血浆、植物导管中等可以自由流 动的水
水分子间存在着三维氢键缔合（ P7）
➢ 如熔点、沸点、比热容、熔化热、蒸发热、表面张 力和界电常数都明显偏高
冷冻食品的结构造成机械损伤
➢ 水结冰时，体积膨胀约9%(1.62ml/L)。
3.水和冰的基本性质-2
水的沸点与气压关系
➢ 气压↑ 其沸点升高↑；气压↓ ，沸点↓ ➢ 实际应用:
✓ (1) 热敏性食品如牛奶、肉汁、果汁等的浓缩：通常采用 减压或真空方式
7.食品中水分变化过程：水分吸附等温线-6
水分吸附等温线 分区的目的：
➢ 为了说明吸湿等温 线的内在含义及其 与水的存在状态紧 密联系。
7.食品中水分变化过程：水分吸附等温线-7
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。
➢ 过冷水的蒸汽压是在温度降低至－15℃时测定的； 而测定冰的蒸汽压、温度比前者要低得多。
➢ Aw = Pff / P0(scw)=Pice / P0(scw) 式中：
Pff：未完全冷冻食品蒸汽压；p0(scw) ：过冷纯水蒸汽压； pice ：纯冰蒸汽压。
7.食品中水分变化过程：水分吸附等温线-1
➢ 低于冻结温度的aw不能用来预测高于冻结温度同一 食品的aw.
6.水对食品稳定性的影响：水分活度-9
水分活度测定方法
➢ 相对湿度传感器法
✓ 用电子或湿度测定仪测定样品和环境空气平衡相对湿度 ✓ Aw = P/Po = ERH/100
➢ 相对湿度平衡室法：
✓ 用一定种类的饱和盐溶液使容器内样品环境空气的相对湿 度恒定，再测样品的含水量
特点：
➢ 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。
7.食品中水分变化过程：水分吸附等温线-8
Ⅱ区：
➢ Aw ＝ 0.25～0.8
作用力：
➢ H2O-H2O、 H2O-溶质氢键
特点：
➢ 属多分子层水，加上Ⅰ区约占高水食品的5%； ➢ 不作溶剂，－40℃以上不结冰； ➢ 但Aw接近0.8的食品，可能有变质现象； ➢ 会使溶解开始，具有增塑剂和促进基质溶胀作用。
暴露，氧化V↑） ✓ Aw > 0.8 ：Aw↑，V ↓ (稀释浓度)
8.水分活度对食品稳定性的影响-4
水分含量相同时对 应的Aw，解湿 < 吸湿。
7.食品中水分变化过程：水分吸附等温线-5
“滞后现象”原因：
➢ 吸湿到食品内的水，还未充分被食品组分束缚，没 有使食品完全“复原”。
影响因素:
➢ 食品品种不同，滞后环不同； ➢ 同一食品，不同温度，滞后环也不同； ➢ 不同的解吸方法，滞后环也不同。
➢ 低于冻结温度时，温度对水活性的影响比在冻结温 度以上要大得多；
➢ 样品在冰点时，图中直线徒然不连续出现断点。
6.水对食品稳定性的影响：水分活度-8
高于和低于冻结温度的水活性区别
➢ 高于冻结温度、aw是样品组成和温度的函数，低于 冻结温度、aw只是温度的函数；
➢ 高于和低于冻结温度、aw对食品稳定性影响是不同 的；
✓ (2) 不易煮烂食物如动物的筋、骨、牛肉等：可采用高压 蒸煮
✓ (3) 高原上做饭：应采用高压锅
3.水和冰的基本性质-3（P6）
介电常数
➢ 20℃时，水为80.36，生物体的干物质为2.2-4.0； ➢ 结果：溶解能力强； ➢ 意义：促进电解质的解离，对酸、碱、盐等电解质
和蛋白质在水中的溶解非常重要。
6.水对食品稳定性的影响：水分活度-6
冷冻食品中Aw
➢ 在低于冰点，用过冷纯水的蒸气压表示P0： ➢ 冰点温度以下的aw值才能与冰点温度以上aw值精
确比较； ➢ 如用冰的蒸汽压表示P0，含冰晶样品在冰点温度以
下aw值都是相同的。
6.水对食品稳定性的影响：水分活度-7
冷冻食品中Aw的特点
➢ 按冰和过冷纯水的蒸汽压计算冷冻食品的aw符合克 劳休斯公式；