第二章 水

在通常情况下，水有三种存在状态， 气态、 在通常情况下，水有三种存在状态，即气态、液态 固态。 和固态。水分子之间的缔合程度与水的存在状态有 在气态下，水分子之间的缔合程度很小， 关。在气态下，水分子之间的缔合程度很小，可看 作以自由的形式存在；在液态， 作以自由的形式存在；在液态，水分子之间有一定 程度的缔合，几乎没有游离的水分子， 程度的缔合，几乎没有游离的水分子，由此可理解 为什么水具有高的沸点； 为什么水具有高的沸点；而在固态也就是结冰的状 态下，水分子之间的缔合数是4， 态下，水分子之间的缔合数是 ，每个水分子都固 定在相应的晶格里，这也是冰的熔点高的原因。 定在相应的晶格里，这也是冰的熔点高的原因。
食品名称 番茄 莴苣 卷心菜 啤酒 柑橘 苹果汁 水分% 95 95 92 90 87 87 食品名称 牛奶 马铃薯 香蕉 鸡 肉 面包 水分% 87 78 75 70 65 35 食品名称 果酱 蜂蜜 奶油 稻米面粉 奶粉 酥油 水分% 28 20 16 12 4 0
第一节 水、冰的物理特性
一、水分子的结构
c.水的热导率较大，然而冰的热导率却是水 水的热导率较大， 水的热导率较大 同温度下的4倍 同温度下的 倍。这说明冰的热传导速度比非流动 如动、植物组织内的水）快得多； 水（如动、植物组织内的水）快得多；因此水的 冻结速度比熔化速度要快得多； 冻结速度比熔化速度要快得多； d.冰的热扩散速度是水的 倍，因此在一定的 冰的热扩散速度是水的9倍 冰的热扩散速度是水的 环境条件下，冰的温度变化速度比水大得多。 环境条件下，冰的温度变化速度比水大得多。 正是由于水的以上物理特性， 正是由于水的以上物理特性，导致含水食品在加 工贮藏过程中的许多方法及工艺条件必须以水为 重点进行考虑和设计 进行考虑和设计； 重点进行考虑和设计；特别是在利用食品低温加 工技术是要充分重视水的热传导和热扩散的特点
水的缔合程度及水分子之间的距离也与温度有密切 的关系； 水分子的配位数是4， 的关系；在0℃ 时，水分子的配位数是 ，相互缔合 ℃ 的水分子之间的距离是0.276nm；当冰开始熔化时， 的水分子之间的距离是 ；当冰开始熔化时， 水分子之间的刚性结构遭到破坏， 水分子之间的刚性结构遭到破坏，此时水分子之间 的距离增加， 的距离增加，如1.5℃ 时为 ℃ 时为0.29nm，但由 ℃ ，但由0℃ ~3.98℃ 时，水分子的缔合数增大，如1.5℃ 时缔 水分子的缔合数增大， ℃ ℃ 合数是4.4，因此冰熔化的开始阶段，密度有一个提 合数是 ，因此冰熔化的开始阶段，密度有一个提 的过程；随着温度的继续提高， 高的过程；随着温度的继续提高，水分子之间的距 离继续增大，缔合数逐步降低，因此密度逐渐降低。 离继续增大，缔合数逐步降低，因此密度逐渐降低。
SP 3
O H O H H H O H H
O H
104.5 0
H
1.84D
二、水分子的缔合与水的三态 由于水分子的极性及两种组成原子的电负性差别， 由于水分子的极性及两种组成原子的电负性差别，导致 水分子之间可以通过形成氢键而呈现缔合状态： 水分子之间可以通过形成氢键而呈现缔合状态：
由于每个水分子上有四此每个水分 四个形成氢键的位点 子的可以通过氢键结合4个水分子 个水分子。 子的可以通过氢键结合 个水分子。
笼形水合物的形成：疏水物质如烃类、脂肪酸、 笼形水合物的形成：疏水物质如烃类、脂肪酸、 氨基酸及蛋白质的非极性基团与水接触，产生斥力， 氨基酸及蛋白质的非极性基团与水接触，产生斥力， 使疏水基团附近的水分子间氢键键合力↑ 熵值s↓ 使疏水基团附近的水分子间氢键键合力↑ 熵值s↓ 20～74个水分子将 客体”包在其中，形成“ 个水分子将“ 20～74个水分子将“客体”包在其中，形成“笼形 水合物” 笼形水合物是冰状包合物， 水合物”。笼形水合物是冰状包合物，其中水为 主体”物质，通过氢键形成了笼状结构， “主体”物质，通过氢键形成了笼状结构，截留了 被称为“客体”的分子， 被称为“客体”的分子，即低分子量的烃类及卤化 稀有气体、二氧化硫、二氧化碳、环氧乙烷、 烃、稀有气体、二氧化硫、二氧化碳、环氧乙烷、 乙醇、短链的伯胺、仲胺及叔胺、烷基铵等。 乙醇、短链的伯胺、仲胺及叔胺、烷基铵等。 作用力：水与客体之间通过弱的范德华力、 作用力：水与客体之间通过弱的范德华力、静电的 相互作用。 相互作用。
水分子之间还可以以静电力相互结合，因此缔合态的水在 水分子之间还可以以静电力相互结合， 以静电力相互结合 空间有不同的存在形式， 空间有不同的存在形式，如：
H H H H O H H O H O O H O H H H H O H O H H O H O H H
不同的缔合形式，可导致水分子之间的缔合数大于4。 不同的缔合形式，可导致水分子之间的缔合数大于 。 缔合数大于
第二节 食品中水的存在状态
一、水与溶质的相互作用 1.与离子或离子基团的相互作用 与离子或离子基团的相互作用 离子或离子基团(Na+，CI C00¯ 离子或离子基团(Na+，CI¯ ，C00 ，NH3+ 等)通过自身的电 (Na+ 荷与水分子偶极子的静电相互作用而产生水合。与离子和离 荷与水分子偶极子的静电相互作用而产生水合。 子基团相互作用的水，是食品中结合最紧密的一部水， 子基团相互作用的水，是食品中结合最紧密的一部水，主要 是化合水，有少量单层水和多层水。 是化合水，有少量单层水和多层水。 作用力：极性结合，偶极—离子相互作用 作用力：极性结合，偶极 离子相互作用 阻碍水分子的流动的能力大于其它溶质； 阻碍水分子的流动的能力大于其它溶质； 离子键的强度大于水—水氢键 水—离子键的强度大于水 水氢键； 离子键的强度大于水 水氢键； 破坏水的正常结构,阻止水在0℃时结冰， 0℃时结冰 破坏水的正常结构,阻止水在0℃时结冰，对冰的形成造成 一种阻力； 一种阻力； 改变水的结构的能力与离子的极化力有关。 改变水的结构的能力与离子的极化力有关。 Na+与水分子之间的结合能力大约是水分子间氢键连接力 如Na+与水分子之间的结合能力大约是水分子间氢键连接力 正是由于自由离子和水分子之间的强的相互作用， 的4倍。正是由于自由离子和水分子之间的强的相互作用， 导致破坏原先水分子之间的缔合关系， 导致破坏原先水分子之间的缔合关系，使一部分水固定在了 离子的表面。 离子的表面。
水具有一定的黏度是因为水分子在大多数情况下是缔合的， 水具有一定的黏度是因为水分子在大多数情况下是缔合的， 而水具有流动性是因为水分子之间的缔合是动态的。 而水具有流动性是因为水分子之间的缔合是动态的。当水 分子在ns或 这样短的时间内改变它们与临近水分子之间 分子在 或ps这样短的时间内改变它们与临近水分子之间 的氢键键合关系时，会改变水的流动性。 的氢键键合关系时，会改变水的流动性。 水分子不仅相互之间可以通过氢键缔合， 水分子不仅相互之间可以通过氢键缔合，而且可以和其它 带有极性基团的有机分子通过氢键相互结合，所以糖类、 带有极性基团的有机分子通过氢键相互结合，所以糖类、 氨基酸类、蛋白质类、黄酮类、 氨基酸类、蛋白质类、黄酮类、多酚类化合物在水中均有 一定的溶解度。另外，水还可以作为两亲分子的分散介质， 一定的溶解度。另外，水还可以作为两亲分子的分散介质， 通过这种途径使得疏水物质也可在水中均匀分散。 通过这种途径使得疏水物质也可在水中均匀分散。
3. 与非极性物质的相互作用 非极性的分子通常包括烃类、脂类、甾萜类等， 非极性的分子通常包括烃类、脂类、甾萜类等，通过化 学的手段也可在一些含极性基团的分子（如蛋白质等） 学的手段也可在一些含极性基团的分子（如蛋白质等）中引 入非极性部分（基团）。当水中存在非极性物质， ）。当水中存在非极性物质 入非极性部分（基团）。当水中存在非极性物质，即疏水性 物质时，由于它们与水分子产生斥力， 物质时，由于它们与水分子产生斥力，可以导致疏水分子附 近的水分子之间的氢键键合增强 氢键键合增强。 近的水分子之间的氢键键合增强。由于在这些不相容的非极 性实体邻近的水形成了特殊的结构，使得熵下降， 性实体邻近的水形成了特殊的结构，使得熵下降，此过程称 疏水水合作用。 由于疏水水合在热力学上是不利的， 为疏水水合作用。 由于疏水水合在热力学上是不利的，因 此水倾向于尽可能地减少与存在的非极性实体靠近。 此水倾向于尽可能地减少与存在的非极性实体靠近。 如果存在两个分离的非极性实体， 如果存在两个分离的非极性实体，那么不相容的水环境将促 使它们相互靠近并缔合，从而减少水-非极性实体界面面积， 使它们相互靠近并缔合，从而减少水-非极性实体界面面积， 此过程是疏水水合的部分逆转，被称为“疏水相互作用” 此过程是疏水水合的部分逆转，被称为“疏水相互作用”。 疏水基团还有两种特殊的性质，即能和水形成笼形水合物 笼形水合物及 疏水基团还有两种特殊的性质，即能和水形成笼形水合物及 能和蛋白质产生疏水相互作用 蛋白质产生疏水相互作用。 能和蛋白质产生疏水相互作用。
2.水与极性基团的相互作用： 水与极性基团的相互作用： 水与极性基团的相互作用 水和极性基团(羟基、氨基、羰基、酰基、巯基、 水和极性基团(羟基、氨基、羰基、酰基、巯基、 亚氨基等)间的相互作用力比水与离子间的弱， 亚氨基等)间的相互作用力比水与离子间的弱，形 成氢键，多数为单层水和多层水。 成氢键，多数为单层水和多层水。 作用力小于水与离子间作用力； 作用力小于水与离子间作用力； 流动性小； 流动性小； 对水的网状结构影响小； 对水的网状结构影响小； 带有极性基团的有机物质由于和水能够通过氢键相 互结合， 互结合，因此对纯水的正常结构都有一定程度的破 也可降低冰点。 而且也可降低冰点 坏，而且也可降低冰点。 大分子内或大分子间产生“水桥” 大分子内或大分子间产生“水桥”
图
碳氢化合物周围水分子构成的有序笼形化合物结构
4 水与双亲分子的相互作用 在食品体系中的双亲分子包括脂肪酸盐、 1 在食品体系中的双亲分子包括脂肪酸盐、蛋白 脂质、糖脂、极性脂类和核酸。 脂质、糖脂、极性脂类和核酸。 水与双亲分子亲水部位(羧基、磷酸基、羟基、 2 水与双亲分子亲水部位(羧基、磷酸基、羟基、 羰基、含氮基团等)缔合导致双亲分子的表观增溶。 羰基、含氮基团等)缔合导致双亲分子的表观增溶。 双亲分子在水中形成大分子聚集体，称为胶团， 3 双亲分子在水中形成大分子聚集体，称为胶团， 参与形成胶团的分子数从几百到几千。 参与形成胶团的分子数从几百到几千。 4 双亲分子的非极性部分指向胶团的内部而极性 部分定向至水环境。 部分定向至水环境。图 P12
三、水、冰的物理特性及与食品质量关系 水是一种特殊的溶剂， 水是一种特殊的溶剂，其物理性质和热行为有与 其它溶剂显著不同的方面： 其它溶剂显著不同的方面： a.水的熔点、沸点、介电常数、表面张力、 水的熔点、 水的熔点 沸点、介电常数、表面张力、 热容和相变热均比质量和组成相近的分子高得多。 热容和相变热均比质量和组成相近的分子高得多。 如甲烷的b.p：-162℃ ，m.p：-183℃ ，而水在 如甲烷的 ： ℃ ： ℃ 0.1MPa下b.p：100℃ m.p：0℃ 0.1MPa下b.p：100℃ ，m.p：0℃ ；这些特性将 对食品加工中的冷冻和干燥过程产生很大的影响； 对食品加工中的冷冻和干燥过程产生很大的影响； b.水的密度较低，水在冻结时体积增加，表 水的密度较低， 水的密度较低 水在冻结时体积增加， 现出异常的膨胀行为， 现出异常的膨胀行为，这会使得含水的食品在冻 结的过程中其组织结构遭到破坏； 结的过程中其组织结构遭到破坏；
第二章 水
分
水在食品中的作用
a.水是食品的重要组成成分，是食品加工工艺考虑的重要因 水是食品的重要组成成分， 水是食品的重要组成成分 素； b.水分含量、分布和状态对于食品的结构、外观、质地、风 水分含量、 水分含量 分布和状态对于食品的结构、外观、质地、 新鲜程度会产生极大的影响； 味、新鲜程度会产生极大的影响； c.水是引起食品化学变化及微生物作用的重要原因，直接关 水是引起食品化学变化及微生物作用的重要原因， 水是引起食品化学变化及微生物作用的重要原因 系到食品的贮藏和安全特性。 系到食品的贮藏和安全特性。 天然食品中水分的含量范围一般在50~92% 天然食品中水分的含量范围一般在