第02章 水

（二）结冰对食品稳定性影响
食品结冰时非冻结相中，（未凝固水），溶质变 浓，冰的体积增加9%。 由于浓缩效应，未冻结的pH、粘度、离子强度、 氧化还原电位、胶体性质等发生变化。（温度与浓 缩综合效应，V → ↑） 加速一些化学反应：蔗糖在酸催化下水解反应， 肌红蛋白褐变 蛋白质变性 S→ 氧化反应（VC、脂肪、VA、VE、β-胡萝卜素…） 酶催化反应（糖原损失、乳酸↑，高能磷酸盐降 解……）
5、水分吸附等温方程式
因为计算单分子层水值具有实际意义，可准确预测 干燥产品最大稳定性时的含水量。 • 据热力学、动力学、统计学、经修改的吸湿等温 线方程式如下: 1 C 1 • = m(1 ) mC m • • 以αw／[m(1-αw)]对αw作图得到一条直线，称为 BET直线 图2-29图2—17）天然马铃薯淀粉的BET图 a=3/0.281=10.7 b=0.6 所以，m1=1/(10.7+0.6) = 0.88g H 2O/g干物质）m1， = 0.088/1.088 = 8.09% AW=0.2(相当于)
（三） 水对食品质构的影响
水%、Aw对干、半干、中湿食品质构有影响 低Aw： 饼干 脆性 油炸土豆片 脆性 硬糖 防粘 固体饮料 防结块 中湿： 软糖 防变硬 蛋糕 防变硬 面包 防变硬 冷冻方式对质构的影响 速冻、小晶体破坏小；慢冻，大冰晶破坏大 干燥方法对质构的影响 空气干燥 质构破坏 冷冻干燥 相似质构 如脱水蔬菜 高温脱水 质构破坏
（二）水与溶质间的关系
1、水与离子和离子基团的相互作用 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； 水—离子键的强度大于水—水氢键； 破坏水的正常网络结构,阻止水在0℃时结 冰，对冰的形成造成一种阻力； 改变水的结构的能力与离子的极化力有关。 结果：影响水的物理性质、所溶解或分散 其中的物质的溶解度及状态，如蛋白质构象 和胶体的稳定性。
P22图2-12，广泛水分含量范围食品的吸 附等温线；将其低水分含量范围的图放大， 可得图2-13。 可划为三个分区：见图2-13。
Ⅰ区：Aw=0~0.25， 水分含量0~0.07
Ⅱ区： Aw=0.25~0.80，水 分含量0.07~0.32
Ⅲ区： Aw=0.80~0.99，水 分含量大于0.40
由拉乌尔定理 （理想稀溶液） P = P0 X1 (X1—溶剂摩尔分数) （ P/P0 = X1 ) Aw = P/P0 = n1 /( n1 + n2) （n1 、 n2 -- 溶剂、溶质摩尔分数） 例如：2mol蔗糖溶于1000g H2O中 1000/18.016 = 55.5 (mol) Aw = n1 /( n1+n2 )= 55.5/(55.5+2) =0.9652 = 96.52% 所以，Aw可以用平衡相对湿度ERH表示 (equilibrium relative humidity) 即 Aw = ERH/100
2、水分吸附等温线与温度的关系
因为Ｔ升高，Aw 升高，对同一食品， Ｔ升高，形状近似不 变，曲线位臵向下方 移动 图２—1９不同温 度下马铃薯的水分吸 附等温线
3、水分吸附等温线的滞后现象
测定水加入→干燥食品的吸湿（回吸）等温 线；测定高水分食品→脱水的解吸等温线；二线 不完全重合，显示吸湿等温线滞后环。这一吸湿 （吸附）等温线与解吸等温线不完全重合的现象 称为水分吸附等温线的滞后现象。 在Aw同，对应的水分含量，回吸< 解吸 说 明：吸湿到食品内的水，还未充分被食品组分束 缚，没有使食品“复原”。 问题：麦胚在130℃烘箱中烘烤60分钟，然 后放在空气中储藏，结果如何？ 食品品种不同，滞后环不同；同一食品，不 同温度，滞后环不同。
2、低于冰点时，Aw与温度的关系 Aw= Pff（部分冻结食品中过冷水蒸气分 压）／Ｐ０（scw,纯过冷水蒸气压）＝Ｐice （纯冰蒸气压）／Ｐ０（scw） (Aw与食品组 成无关) 图2-11 复杂食品在冰点以上和冰点以下 时Aw和温度的关系（冰点T-1×1000 =3.661） (1)低于冰点时，Aw与１／Ｔ成线性关系 (2)冰点时，出现折断 (3)温度对Aw的影响远大于冰点以上（陡些）
2、水与可形成氢键的中性基团的相互作用 水可以与羟基、氨基、羰基、酰基、亚氨基等 形成氢键（存在于蛋白质、淀粉、纤维素中）； 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； 生物大分子内或大分子间产生“水桥”，维持 特定构象。
3、水与非极性物质的相互作用
方式一：疏水相互作用
3、Aw 与脂肪氧化酸败
影响复杂：Aw < 0.4 Aw↑ V →( MO2— H2O 阻V) Aw > 0.4 Aw↑ V ↑（H2O溶解O2，溶胀 后催化部位暴露，氧化V↑） Aw > 0.8 Aw↑ V → (稀释浓度)
4、Aw与水溶性色素分解，维生素分解
Aw ↑ V分解 ↑ 总之，水分应该保持在结合水范围内， 使反应难以发生，稳定，并保持食品的质构。
（四）降低Aw的方法
在食品中添加吸湿剂可在水分含量不变条件 下，降低Aw值。 吸湿剂应该含离子、离子基团或含可形成氢 键的中性基团（ 羟基，羰基，氨基，亚氨基， 酰基等），即有可与水形成结合水的亲水性物质。 例如： 多元醇：丙三醇、 丙二醇、 糖 无机盐：磷酸盐（水分保持剂）、食盐 动、植物、微生物胶：明胶、卡拉胶、黄原胶
只有当溶质是非电解质且浓度小于1mol/L的 稀溶液时,其水分活度才可以按 Aw =n1/(n1+n2) 计算: 溶质B Aw 理想溶液 0.9823=55.51/(55.51+1) 丙三醇 0.9816 蔗糖 0.9806 氯化钠 0.967 氯化钙 0.945 [1千克水(约55.51mol)溶解1mol溶质B]
w
w
w
1
1
四、水对食品的影响
（一） Aw与食品的稳定性 1、Aw与微生物生长（P26 表2-5） 微生物的生长繁殖需要水，适宜的Aw一 般情况如下， Aw <0.90 大多数细菌 <0.87 大多酵母 <0.80 大多霉菌 0.8～0.6 耐盐、干、渗透压细菌、 酵母、霉菌 <0.50 任何微生物均不生长繁殖
滞后现象产生的原因:
解吸过程中一些水分与非水溶液成分 作用而无法放出水分（结合水）。 解吸作用时,因组织改变,当再回吸水 时无法紧密形成结合水,由此可导致回吸 相同水分含量时处于较高的Aw。
4、水分吸附等温线分区
为了说明吸湿等温线的内在含义，并与水的存在状态 紧密联系，可以将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区。 Ⅰ区：Aw=0～0.2 约0～0.07g水/g干物质 作用力：H2O—离子，H2O—偶极，配位键 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 Ⅱ区：Aw=0.2～0.85（加Ⅰ区，<0.45gH2O/g干） 作用力：氢键：H2O—H2O H2O—溶质 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，但接近0.85（Aw） 的食品， 可能有变质现象。 Ⅲ区：0.85～1.0 新增的水为自由水， （截留+流动）多者可达20g H2O/g干物质 可结冰，可作溶剂 划分区不是绝对的，可有交叉，连续变化
Moisture Sorption Isotherms
1、概念及意义 在恒定温条件下，食品含水量与水分活 度之间的关系曲线称为水分吸附等温线。 （含水量为纵坐标，Aw为横坐标） 曲线制作：高水分含量的食品，通过测 定脱水过程中水分含量和Aw来制作解吸等温 线；对低水分含量的食品，通过测定加湿过 程中的同样参数制作吸湿等温线。
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，有不同的水 分吸附等温线，但都为Ｓ型。 P22图2-14 各种食品和生物物质的水 分吸附等温线 意义：水分吸附等温线表示了食品的 Aw与含水量对应关系，脱去水（浓缩、干 燥）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。
第二章 水
Chapter 2 Water
一、食品中的水分含量及功能 二、 食品中的水分状态及 与溶质间的相互关系 三、水分活度 四、水对食品的影响 五、分子流动性与食品稳定性
一、食品中的水分含量及功能
（一） 水分含量
一般生物体及食品中水分含量为3%～97% 某些食品的水分含量见表2—1。 表2—1 某些食品的水分含量 食品 水分含量 ( % ) 白菜，菠菜 90—95 猪肉 53—60 新鲜蛋 74 奶 88 冰淇淋 65 大米 12 面包 35 饼干 3—8 奶油 15—20 水果 75--95
2、Aw与酶促反应
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 有效阻止酶褐变，包括淀粉酶、 多酚氧化酶、过氧化物酶抑制或丧失活力 而脂肪酶在Aw=0.1～0.5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） Aw与羰氨反应（非酶褐变） Aw < 0.7 Aw 升高，v升高， Aw = 0.6～0.7 v最大 Aw > 0.7 v降低（因为H2O稀释了反应物 浓度)
（二）水的功能
1、 水在生物体内的功能 稳定生物大分子的构象，使表现特异的生物活性 体内化学介质，使生物化学反应顺利进行 营养物质，代谢载体 热容量大，调节体温 润滑作用 2、 在食品中的功能 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
方式二：笼形水合物的形成 水通过氢键形成像笼一样的结构，通过 物理作用方式将非极性物质截留在笼中。 水称为“宿主”，被截留的物质称为“客 体”。 一般是20～74个水分子将“客体”包在 其中，形成“笼形水合物”。 作用力：范德华力、少量静电力、疏水 基团间的缔合作用。
三、 水分活度 Water activity
3、 结论
高于冰点时，Aw与食品组成及Ｔ有 关，其中食品组成是主要因素，当组 成水％同，Ｔ上升，则Aw 上升。 低于冰点时，Aw与食品组成无关， 仅与温度有关。 冰点以上或以下，Aw对食品稳定性 影响是不同的。 例：-１５℃， Aw＝0.86 微生物不繁殖 ２０℃， Aw＝0.86 微生物繁殖
（三）水分吸附等温线（MSI)
Байду номын сангаас
二、食品中的水分状态及 与溶质间的相互关系
（一） 水分状态 1、 结合水（束缚水，bound water，化学结合水） 可分为单分子层水（monolayer water），多分子层水 （multilayer water）。 作用力：配位键，氢键，部分离子键 特点：在-40℃以上不结冰，不能作为外来溶质的溶剂,与 纯水比较分子平均运动大大减少,不能被微生物利用。 2、 自由水（ free water）（体相水，游离水，吸湿水） 可分为滞化水、毛细管水、自由流动水。 自由水的作用力：物理方式截留，生物膜或凝胶内大分子 交联成的网络所截留；毛细管力。 特点：可结冰，溶解溶质；测定水分含量时的减少量；可 被微生物利用。
（一) 概念
问题： (1)含水18%的果脯与含水18%的小麦比较，哪种耐储 藏？ (2)含水量标准：大豆、油菜籽≤9%，玉米≤14% 水分活度—食品中水分逸出的程度。可用食品中 水的蒸汽压与该温度下纯水的饱和蒸汽压之比表示， 也可以用平衡相对湿度表示。 Aw = f（溶液中水的逸度）/fo(纯水的逸度） ≈P（食品中水的蒸汽压）/Po（纯水饱和蒸汽压） 因为纯水的水分活度=1,所以溶液的水分活度<1
（二）Aw与温度的关系
1、Aw随着温度的变化而变化 Clausius-Clapeyron方程 d lnAw/d (1/T)= -ΔH/R 以lnAw-1/T作图（P21） 图2-10、2-11 可以看出:水分含量一定时，是一条直线。 含水量相等时，温度越高，Aw越大。
【3.2（39.5℃）；3.6（4.8℃）】