中国农业大学食品化学课件1

类型 根据测定方法的不同等温吸湿曲线可分为：
回吸（吸附）等温线：在恒温条件下，把水逐
步渗透到干燥的食品中，在测定了不同吸湿阶 段的水分活度后绘制的等温线； 解吸等温线：把高水分含量的食品逐步脱水， 在测定了不同脱水阶段的水分活度后绘制出的 等温线。
（4）影响等温吸湿曲线形状的因素： 测绘方法 食品组成结构
结合水的量与食品中有机大分子的极性集团的
数量有比较固定的比例关系； 结合水的蒸汽压比自由水高； 结合水在食品中不能作为溶剂，在-40℃以上 不能结冰；自由水在食品中可以作溶剂，在40℃以上可以结冰； 自由水能为微生物所利用，适于微生物繁殖及 进行化学反应，是发生食品腐败变质的适宜环 境。结合水则不能； 结合水对食品风味起重要作用。
截留水
食品中被生物膜或凝胶内大分子交联成的网络
所截留； 主要存于富水的细胞中或凝胶块内； 只能在被截留的区域内流动，单个水分子可通 过生物膜或大分子网络向外蒸发； 在高水分食品中，占总水量的90%以上， 与食品的风味、硬度和韧性有关，应防止流失。
2.3.2 结合水（束缚水） 与自由水性质差别
成键轨道（见图2-1A胡）， 氢键受体部位： O的两个孤对电子轨道，位于 正四面体的另外两个轨道， 每个H2O最多能与另外4个H2O通过氢键结合，得 到如图2.1-2（1）（刘）的四面体排列。
2.2 水的物理性质
熔点、沸点、比热容、熔化热、蒸发热、表面
张力和介电常数等明显偏高（三维氢键缔合）： 1) 压力↑↓→沸点 ↑↓； 101.32kPa, 100℃; 减压浓缩；+101.32kPa,121～ 123 ℃ 2）比热大，原因： 温度↑→分子动能↑→吸入热量 ↘缔合分子→简单分子→吸入热量 比热大→水温不易随气温变化
位臵：占据与非水组分相距很远位臵
性质：与稀溶液中水相似，宏观流动不受阻碍
或仅受凝胶或组织骨架阻碍；在食品中可以作 溶剂； 在-40℃以上可以结冰； 含量：在高水分食品中，略低于总水量的5%。
毛细管水
动植物体中毛细管保留的水；
存在于细胞间隙中； 只能在毛细管内流动，加压可使水压出体外。
水蒸气中水：多以单分子形式存在 化学式：H2O
组成：一个氧原子和两个氢原子
形状：折线形 H—O结合方式：共价键 键角：104.5℃ 分子类型：极性分子
2.1.2 液体水的结构 （水分子的缔合）
存在形式：若干个水分子缔合[（H2O）n]
吸引力：含有偶极的水分子在三维空间上的静
3.3.1
Aw对微生物繁殖的影响
• 微生物生长需要的Aw值一般较高： • Aw ↑→ 微生物生长速度↑↑→生长速 度MAX后↓（略有下降）； • 不同微生物在食品中繁殖时，都有它最 适宜的Aw范围；见表（刘2.1-3，图 2.1-9）。 • 在食品中，微生物赖以生存的水主要是 自 由 水 ： 自 由 水 含 量 ↑ → Aw ↑ ， 故Aw大的食品易受微生物感染，稳定性 差。
溶剂，在许多方面与纯水相似，因而有利于化 学反应及微生物生长； 物料含水量：最低为0.14～0.33g/g干物质， 增加的水最多20g干物质； 在高水分食品中一般占总含水量的95%以上。
区段划分不绝对：
1）区段I：靠近II→多分子层水
区段II：靠近I→单分子层水 2）除结合水外，其余水能在区域内/间进行交换 故用区带表示相互交叉过程 区段II/III水↑→区段I/II水性质几乎不变→食品 中结合得最不牢固的那部分水对食品的稳定性起着 重要作用。
水分活度： 食品的蒸汽压与同温下纯水的蒸汽压的比值，
即Aw=P/P0,Aw=水分活度;P=食品中水的的 蒸汽分压，P0=指定温度下纯水的蒸汽压； 纯水P=P0，Aw=1，而食品中P总小于P0，故 Aw<1。 活度方程式：Aw=f/f0 式中，f=溶液中水的逸度， f0=纯水的逸度
2.3.2 结合水（束缚水） 与自由水性质差别
结合水的量与食品中有机大分子的极性集团的
数量有比较固定的比例关系； 结合水的蒸汽压比自由水？； 结合水在食品中不能作为溶剂，在-40℃以上 不能结冰；自由水在食品中可以作溶剂，在40℃以上可以结冰； 自由水能为微生物所利用，适于微生物繁殖及 进行化学反应，是发生食品腐败变质的适宜环 境。结合水则不能； 结合水对食品风味起重要作用。
区段Ⅰ
单分子层的结合水：为构成水和邻近水 连接集团：羧基和氨基等离子基团
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ连接方式：水-离子或水-偶极相互作用
连接部位：吸附在极性部位 结合力：最强，吸附最牢固和最不容易移动， Aw：最低 在食品中占比例：0～0.25g，相当于物料含
水量0～0.07g/g干物质
很难蒸发，蒸发焓比纯水大得多； -40℃时不结冰； 不能溶解溶质； 与食品腐败无关； 对食品的固形物不产生增塑效应，相当于固形
多分子层水（半结合水）
邻近水：与非水物质结合强度较次的结合水 位臵：强极性集团单分子层外的几个水分子层 结合基团：非水组分中弱极性集团 结合方法：氢键
键能：小，不牢固
被束缚强度：稍弱 蒸发能力：较弱
自由水（体相水、游离水）
除束缚水外剩余的部分水； 连接力：毛细管力
区段III
区段I、II及区段III边界内增加的水（回吸过
程）； 吸湿性：最强烈； 新增加的水：属于自由水中直径>1μm毛细管 凝聚的水和生物大分子凝结成的网状结构截留 水，结合最不牢固和最易流动的水（体相水）； Aw：0.8～0.99g；
与非水组分间的结合力极弱； 蒸发焓 ；基本与纯水相同，既可结冰也可作
电引力形成氢键的缔合作用（多重氢键键合）， 缔合原因：O-H键具有极性→分子中电荷非对 称分布→分子具有较大偶极距；极性→吸引力 →强度缔合 键能大小：共价键（平均键能335kJ/mol） >氢键（2～40 kJ/mol）>偶极间静电引力， 结构不稳定 动态平衡：水分子得失。
氢键给体部位：在H2O正四面体的两个轴上O-H
水密度低，黏度小 导热率高： 其中，导热系数、扩散系数：冰>水→经受温
度变化速率：冰>水→冻结速度>解冻速度 密度比冰大： 质量相同：V冰>V水→冷冻工艺机械损伤 溶解能力强，可溶解电解质、蛋白质等溶液： 离子型化合物→介电常数大 非离子型化合物→氢键 脂肪、蛋白→乳浊液/胶体溶液
微生物发育时必需的Aw
微生物
发育所必需的最低AW 普通细菌 0.90 普通酵母 0.87 普通霉菌 0.80 嗜盐细菌 ≤0.75 耐干性酵母（细菌） 0.65 耐渗透压性酵母 0.61

3.3.2 酶促反应与水分活度的关系
如图2.1-9（2）所示
3 水分活度与食品稳定性
3．1 水分活度定义
水含量不能作为判断食品稳定性的指标： 1）水分含量的测定受温度、湿度等外界条件
的影响； 2）各非水组分与水氢键键合的能力和大小均 不相同，与非水组分结合牢固的水不可能被食 品中的微生物生长和化学水解反应所利用。 因此，用水活性度作为食品易腐败性的指标比 水含量更为恰当，而且它与食品中许多降解反 应的速度有良好的相关性。
2.3 固态食品中水的类型
2．3．1 根据在食品中与非水物的结合程度
划分： 束缚水： 单分子层水、多分子层水 自由水： 毛细管水、截留水
束缚水（结合水，构成水）
构成水：指与非水物质结合最强的并作为非水
组分整体部分的结合水。 可与各非水组分结合且结合得最为牢固 作为非水组分整体部分 不能作为溶剂， -40℃以上不能结冰。
物的组成部分； 高水分末端（区间Ⅰ和区间II的分界线）位臵 的这部分水相当于食品的单分子层水含量。
区段Ⅱ
区间I的水、区间II内增加的水（多分子层水、
毛细管水）； 与水结合基团：酰胺基、羟基等； 键型：水-水、水-溶质的氢键键合作用与邻近 分子缔合，形成多分子层结合水或称为半结合 水； 结合力：稍差； 蒸发能力：比水弱，蒸发焓比纯水大，（水与 非水组分的缔合程度）；
单分子层水
位臵：第一个水分子层中 结合集团：非水组分中强极性集团（如羧基、
氨基等） 结合方法：氢键 键能：大，结合牢固，呈单分子层 结合强度：最为牢固 蒸发、冻结、转移和溶剂能力均可忽略。
个别单分子层上的水分子可脱离开强极性集团，进
入外面多分子层水内，与多分子层中的水分子交换。 含量：在高水分食品中，占总水量的0.5%； 不能被微生物利用，不能用做介质进行生化反应。
大多数食品的MSI呈S形，含有大量糖及其它可
溶性小分子但不富有高聚物的水果、糖果及咖 啡提取物等的MSI则具有J形。
见图2-18胡
用途
确定食品适宜的浓缩脱水时间，确定适宜的食
品组成以防止水分在各组分间转移； 预测食品适宜含水量以确保其稳定性； 看出不同食品非水成分与水结合能力的强弱。
平衡相对湿度（ ERH ） 食品中水分蒸发达到平衡时食品上空已恒定的
水蒸气分压与在此温度时水的饱和蒸汽压的比 值。 Aw=P/P0=ERH/100，现时大气中水蒸气的 分压力与在此温度下水的饱和蒸汽压的比值。 用乘100后的整数形式表示。
3.2等温吸湿曲线
• 定义：在恒定温度下，表示食品的水含量 （g水/g干物质）与它的水分活度之间关 系的曲线称为等温吸湿曲线（MSI）。即 以食品中的水分含量为纵坐标，以水分活 度为横坐标作图，所得的曲线为等温吸湿 曲线。（胡图2-16P24-25或韩图1-10P31-32）
新增多的这部分水不能做溶剂，在-40℃时也
不结冰； Aw=0.8时增加水，溶解作用使多数反应加速， 并具有增塑剂和促进基质溶胀的作用（引发固 态组织溶胀）； Aw：0.25～0.8g，相当于物料含水量0.07 至0.33～0.4g水/g干物质，最高为20g的干 物，占总水量的5%以下； Aw接近0.8，常温可能霉烂变质。
温度
…...
滞后现象 （hysteresis）见图1-11韩
定义：同一食品等温吸附线和解吸等温线不完
全重合，在中低水分含量部分张开一细长眼孔 影响滞后作用大小的因素：食品组成结构、性 质、食品除去和添加水所发生的物理变化、温 度以及吸湿与解吸速度和脱水程度等。 在同一Aw下，所对应的水分含量，都是解吸 大于吸湿，（食品的解吸过程一般比回吸过程 时含水量更高）说明吸湿到食品内的水，还没 有充分地被非水组分束缚，没有使食品复原。

3.3 Aw对微生物繁殖及化学反应的影响
水分活度越小，食品越稳定，较少出现腐败变质的问题；
毛细管水能溶解反应物质，起溶剂作用，有助于反应物
质的移动，从而促进化学变化； 过分干燥→氧化、脂肪酸败、非酶褐变Aw 最高稳定性所必需的水分含量：保持在结合水范围内 （即最低Aw） →防止氧对活性基团的作用，阻碍蛋白 质和碳水化合物的相互作用，化学变化难于发生，不会 丧失吸水性和复原性。
水
1 概述
六大营养素之一，是维持人类正常生命
活动必需的基本物质； 存在：动植物体内、食品； 在食品中的主要作用： 赋予色、香、味、形等特征； 分散蛋白质和淀粉等，使形成凝胶； 新鲜度、硬度、流动性、呈味性、保藏 性和加工等。
2 水与溶质的相互作用
2.1 水的化学结构
2.1.1 水分子的结构 （单分子水或汽态水分子）
等温吸湿曲线与温度有关：
水分含量一定， t℃↑→Aw↑ 同一食品不同温度下绘制的等温吸湿曲线，
t℃↑，曲线形状基本不变，位置顺序向右下 方移动。见图1-12韩或刘2.1-7
（5）等温吸湿曲线分区
（胡图2-17）
目的：
深刻理解含义和实际应用
与食品内水的类型紧密联系 根据： 水分含量和Aw的关系 MSI图形特点