第2章 水

续表2-1
食 乳制品 奶油 山羊奶 奶酪（含水量与品种有关） 奶粉 冰淇淋 人造奶油 焙烤食品 面包 饼干 馅饼 糖及其制品 蜂蜜 果冻、果酱 蔗糖、硬糖、纯巧克力 品 含水量（%） 15 87 40~75 4 65 15 35~45 5~8 43~59 20 <35 <1
2. 水在食品方面的功能
单个水分子的结构特征
• 水分子的四面体结构
有对称性
• H-O共价键具离子性
与电负性
• 氧的另外两对孤对电
子具有静电力
2. 水分子的缔合作用
①H-O键间电荷的非对 称分布(氧电负性大，使 氢原子带有部分正电荷且 电子屏蔽小，表现裸质子 特征)使H-O键具有极性， 这种极性使分子之间产生 引力。 ②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 形成多重氢键网络结构。 ③静电效应。 为什么水分子间存 在强大吸引力能进 行高强度缔合？ 氢键供体
不同的缔合形式，可导致水分子之间的缔合数大于4。
水的结构特征
水是呈四面体的网状结构。 水分子之间的氢键网络是动态的。 水分子氢键键合程度取决于温度。
温度(℃)
0 1.5
配位数
4 4.4
分子间距nm
0.276 0.290
8.3
4.9
0.305
为什么水的密度在3.98℃/4 ℃最大？
水分子之间的氢键网络是动态的； 水的氢键键合程度取决于温度； 0 ℃时，冰中水分子配位数是4，随着温 度上升，配位数增多，密度增大，在0-3.98 ℃时，配位数的影响占主导。但温度升高 密度降低；
第二章
水
Water
本章简介
本章作业
第2章 水
掌握内容 讲授
要点回顾
教学目的和要求
本章主要介绍了水、冰的物理性质和结 构特点，水在食品中的存在形式以及与食 品稳定性的关系 掌握水与冰的物理和结构差异、水与溶 质间的相互作用（结合水和体相水）、水 活性和水分等温吸湿线的概念及意义、水 活性与食品稳定性之间的关系。
最主要机理
氢键受体
水 和 冰 的 结 构 与 性 质
由于每个水分子上有四个形成氢键的位点，因此每 个水分子的可以通过氢键结合4个水分子。
水分子之间还可以以静电力相互结合，因此缔合 态的水在空间有不同的存在形式，如：
H H H H O O O H H H H O H O H H H O H O H H O H O H H
﹥4℃时，布朗运动占主导，导致体积膨胀，
最终结果是水在3.98℃密度最大。
水分子三维氢键缔合
对水的异常物理性质的解释
• 大热溶值、高熔点、高沸点、高表面张 力和高相变热：这些热力学现象都关系 到打破水分子间的氢键(网络)，因而所 需的能量增大。
• 高介电常数：水的氢键缔合产生了庞大 的水分子簇，产生了多分子偶极子，从 而使水的介电常数显著增大。
表2-1 某些代表性食品中的典型水分含量
食 肉类 猪肉 牛肉（碎块） 鸡（无皮肉） 鱼（肌肉蛋白） 水果 香蕉 浆果、樱桃、梨、葡萄、猕猴桃、柿子、菠萝 苹果、桃、甜橙、李子、无花果 蔬菜 青豌豆、甜玉米 甜菜、硬花甘蓝、胡萝卜、马铃薯 芦笋、青大豆、大白菜、红辣椒、花菜、莴苣、西红柿、西瓜 谷物 全粒谷物 面粉、粗燕麦粉、粗面粉 10~12 10~13 74~80 80~90 90~95 75 80~85 85~90 53~60 50~70 74 65~81 品 含水量（%）
冰的基础平面
（a）沿c轴方向观察到的六方形结构 （b）基础平面的立体图
冰的扩展结构
冰的晶体结构 比较开阔，水
分子间有较大
的空隙，这就 是冰的密度比 较小的原理。
由三个基本平面结合形成的扩展结构
冰 的 结 构 特 征
冰有11种结晶类型，普通冰的结晶 属于六方晶系的双六方双锥体，且在 常压和温度0℃时只有六方形冰晶才 是最稳定的形式； 冰并不完全是由精确排列的水分子
水 和 冰 的 结 构 与 性 质
1.单个水分子的结构
• 氧原子和氢原子成键时， 氧原子发生sp3杂化，形成4 个sp3杂化轨道； • 单个水分子为四面体结构， 氧原子位于中心，4个顶点 中有2个被氢原子占据，其 余2个被氧原子的孤对电子 所占据；
水 和 冰 的 结 构 与 性 质
1.单个水分子的结构
9%，因而破坏了组织结构。
水的异常性质(强氢键网络)可以推测水分 子间存在强烈的吸引力，以及水和冰具有 不寻常结构。
水和冰的结构
2.3.1 水分子 1. 水分子的结构 2. 水分子的缔合作用 3. 水分子的离解(自学) 2.3.2 冰的结构 1. 纯冰 2. 溶质对冰晶结构的影响 3. 水（液体）的结构
冰的基础平面和扩展结构
• 当多个晶格结合在一起时，冰结构中存
在水分子的两个平面，这两个平面平行而
且很紧密的结合在一起； • 当冰受到压力“滑动”或“流动”时， 它们作为一个单元（整体）滑动，像冰河 中的冰在压力下所产生的“流动”； • 这类成对平面构成冰的“基础平面”； • 几个“基础平面”堆积起来便得到冰的 扩展结构。
纯 冰
纯冰：是水分子通过 氢键相互结合、有序排 列形成的低密度、具有 一定刚性的六方形晶体 结构 最邻近水分子的O-O 核间距为0.276 nm，OO-O键角约为109°十分 接近理想四面体的键角 每个水分子都能缔合 另外4个水分子，形成四 面体结构，所以水分子 的配位数为4
0℃下冰的晶格单元
多数食品的主要组成；
Protein、Carbohydrate、 lipids、nucleic acid、 mineral and water。
水 的 作 用
每一种食品具有特定的水分含量。
☆
水对食品的结构、外观、质地、风味、色泽、
流动性以及对腐败的敏感性有着很大的影响。
水在食品储藏加工过程 中，既是化学和生化反 应的介质，又是水解过 程的反应物。
• 由于该两对孤对电子将对成键
电子形成挤压作用，所以2个OH键间夹角为104.5°，与典型四 面体夹角109°28′有所差别； • 每个O-H键的离解能为
4.614×102 kJ/mol
• O-H具有极性，即电荷不对称
分布，（氢原子几乎成为一个裸
露的质子而带正电荷）。
水 和 冰 的 结 构 与 性 质
战争之源 “下一场世界大战将 是对水资源的争夺”
生物体的含水量（%）
水母
97
鱼类
80～ 85
蛙
78
哺乳 动物
65
藻类
90
高等 植物
60～ 80
休眠 种子
10以下
陆地生物机体化学物质组成的大致比例
蛋 白 质 15 % 核 酸 7% 糖 脂 无 类 质 机 3 2 盐 % % 1%
水 70 %
水 蛋白质 核酸 糖类 脂质 无机盐
小（呈针状），在食品组织中分布比较均匀；(2)由于小冰晶的 膨胀力小，对食品组织的破坏很小，解冻融化后的水可以重新 渗透到食品组织中，使其基本保持原有的风味和营养价值；(3) 冻结时间缩短使微生物活动受到更大限制。
• 纯水是具有一定结构的液体，
虽然它没有刚性，但它比气态
分子的排列有规则得多。 • 在液态水中，水的分子并不 是以单个分子形式存在，而是 由若干个分子以多重氢键网络 缔合形成水分子簇（H2O)n。
的溶液，因此其结冰温度均低于0℃。
把食品中水完全结晶的温度叫低共熔点。
大多数食品的低共熔点在-55～-65℃之间。
但冷藏食品一般不需要如此低的温度，如我国冷藏
食品的温度一般定为-18℃,这个温度离低共熔点相
差甚多，但已使大部分水结冰，且最大程度的降低 了其中的化学反应。
为什么提倡
使用速冻工艺？
现代冻藏工艺提出速冻，因为(1)该工艺下形成的冰晶体颗粒细
纯 水 结 冰
出现冰晶时温度迅速回升到0℃（水向冰晶转化时
放出潜热，促进温度回升到0℃ ）。
把开始出现稳定晶核时的温度叫过冷温度。
如果外加晶核，不必达到过冷温度就能结冰，但 此时生成的冰晶粗大，因为冰晶主要围绕有限数量 的晶核成长。
食 品 中 的 水 结 冰
一般食品中的水均是溶解了其中可溶性成分所形成
因为冰的热导值、热扩散系数都大于水， 冷冻时，水形成冰，冰的传热快；解冻 时，由冰形成水，水的传热慢。
与冰比较密度： 水密度大，结冰后体积增大，在冷冻工艺中应当 注意，冰对食品的组织结构造成的机械损伤。
例如：一般的食物在冻结后解冻往往有大量的
汁液流出，其主要原因
是冻结后冰的体积比相同质量的水的体积增大
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 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
水是微生物繁殖必需条件—货架期
水 在工艺角度
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
六方冰晶形成的条件
• 在最适的低温冷却剂 中缓慢冷冻。 •溶质的性质及浓度均 不严重干扰水分子的 迁移。 •大而复杂的亲水性分 子(明胶)，限制水分子 的运动且阻碍水形成高 度有序的六方形结晶。
纯水结冰晶时有下列行为
尽管冰点是0℃，但纯水常并不在0℃冻结 出现过冷状态，只有当温度降低到零下某一温度 时才可能出现结晶（加入固体颗粒或振动可促使此 现象提前出现）；
组成的静态体系，实际上冰晶中的水
分子以及由它形成的氢键都处于不断
运动的状态（水分子振动，氢键瞬间
断裂或有重新生成；
溶质对冰晶结构的影响
冰 的 结 构 特 征
当水溶液结冰时，其所含溶质的种类和数量可以 影响冰晶的数量、大小、结构、位置和取向。
有溶质时，冰的结构主要有4种类型：
六方型冰晶
不规则树枝状结晶 粗糙的球状结晶 易消失的球状结晶及各种 中间体
水和冰的物理性质
• 水与元素周期表中邻近氧的某些元素的氢化物（CH4、 NH3、HF、H2S）相比较，除了粘度以外都有显著差异。 • 熔点、沸点、表面张力、介电常数、热容及相变热 （溶解、蒸发、升华）等都明显偏高,但密度偏低 •水结冰时体积异常膨大，水的热导值大于其他液体，
冰的热导值略大于非金属固体。
0.99984 0.9168 -3 1.793×10 — 75.64×10-3 — 0.6113 0.6113 4.2176 2.1009 0.5610 2.240 1.3×10-7 11.7 ×10-7 87.90 ~90
0℃同一温度下
冰热导率=4倍水热导率 冰热扩散率=9倍水热扩散率
在温差相等的情况下，为什么生物 组织的冷冻速率比解冻速率快？
水在生物体方面的功能
热容量和蒸发潜热大，调节维持体温恒定
水 的 作 用
养分和代谢物运输的载体
是体内化学和生化反应的反应物或介质，水为 生物化学反应提供一个物理环境或反应物
粘度小，天然润滑剂和增塑剂 生物大分子构象的稳定剂和大分子动力学的促 进剂
——生物体的存在显著依赖于水这无机小分子
水是食品中非常重要的一种成分，也是构成大
水与冰比较： 水的密度高于冰；冰的热导值、热扩散率/系数 明显大于水
表2-2 水和冰的物理常数
性 质 18.0153 0.000℃ 100.000℃ 373.99℃ 22.064MPa(218.6atm) 0.01℃和 611.73Pa(4.589mmHg) 6.012kJ(1.436kcal)/mol 40.657kJ(9.711kcal)/mol 50.91kJ(12.16kcal)/mol 温 20℃ 0.99821 1.002×10-3 72.75×10-3 2.3388 4.1818 0.5984 1.4×10-7 80.20 0℃ 度 0℃（冰） -20℃ 0.9193 — — 0.103 1.9544 2.433 1.8×10-7 ~98 数 值 相对分子量 相转变性质 熔点（0.1Mpa） 沸点（0.1Mpa） 临界温度 临界压力 三相点 熔化焓（0℃） 蒸发焓（100℃） 升华焓（0℃） 其他性质 密度/(g/cm3) 粘度/(Pa·s) 表面张力(空气-水界面)/(N/m) 蒸汽压/kPa 比热容/[J/(g·K)] 热导率(液体)/[W/(m·K)] 热扩散/(m2/s) 介电常数
本章主要内容讲授
2.1 概述(水在生物体和食品方面的作用)
2.2 水和冰的物理特性和结构 2.3 水与溶质间的相互作用 2.4 水活性 / 水分活度 2.5 水与食品稳定性
2.6 低于结冰温度时对食品稳定性影响
2.7 分子淌度/移动性与食品的稳定性(自学)
水是唯一的以三 种物理状态广泛 存在的物质。 生命之源 组成机体 维持生命活动 调节代谢���