食品生物化学-第1章水和冰

?第一节 概述?第二节食品中的水
?第三节 水分活度授课主要内容陆地生物机体化学物质组成的大致比例水
蛋白质
核酸
糖类
脂质
无机盐蛋
白
质
15%核
酸
7%
糖
类
3%脂
质
2
%
无
机
盐
1%
水
70
%第一节概述一、水在生物体内的含量及生理功用水母 鱼类 蛙 哺乳动物 藻类 高等植物
休眠种
子9780
8578
65 90
6080 10以下?水虽无直接的营养价值但具有某些特殊性能如溶解力强介电常数大比热高
粘度小等是维持生理活性和进行新陈代谢不可缺少的物质。?水是体内化学作用的介质同时也是生物
化学反应的反应物及组织和细胞所需的养
分和代谢物在体内运转的载体。二、?熔点、沸点、介电常数、表面张力、热容、相
变热等物理常数较高如甲烷的b.p-162℃m.p-183℃而水b.p100℃m.p0℃?热导性、热扩散速度冰> 水——水的冻结速度比解冻速度要快得多?水在冻结时体积增加表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水在不同条件下与食物成分的作用
-50℃停留时间为什么不能超过半小时这个温度容易形成大冰晶。-5-2℃为什么比0℃以上变质速度还快开始冻结后为冻结部分的反应物浓度越来越大这个温度
是以浓缩为主加速了多种反应进一步降温温度效应
为主导温度越低反应速度越慢综合节能和保质采取
-18 ℃一冰冻影响二水-溶质相互作用的分类
种
类 实 例 相互作用的强度
与水-水氢键比较
偶极-离子

H2O
-游离离子
H2O
-有机分子上的带电基团
较强
偶极-偶极


H2O
-蛋白质NH
H2O
-蛋白质CO
H2O
-侧链OH

近乎相等
疏水水合 H2O + R
R水合 远低(△G0)
疏水相互作用 R(水合)+R(水合)R2(
水合)+H2O 不可比较(△G0) 焓
热力学不能自发进行
熵△G=△H-T△S键的强度大共价键
H2O-离子键H2O- H2O
小(1)键的强度大
共价键
H2O-离子
H2O- H2O
H2O-亲水性溶质
小(2)水与具有氢键形成能力的中性基团亲水性溶质的相互作用(3)疏水水合(Hydrophobic hydration)向水中添加疏水物质时由于它们与水分子产生斥力从而使疏水基团附
近的水分子之间的氢键键合增强使得熵减小此过程成为疏水水合。油脂烃类分层。(4)水作为双亲分子的分散介质双亲分子
–一个分子中同时存在亲水和疏水基团–脂肪酸盐、蛋白脂质、糖脂、极性脂质、核酸水中存在同时含有多个亲水性和疏水性侧链基团
的生物大分子其分子中的疏水基团以色散力相互吸引避开

与水的接触疏水基团包埋在分子内部亲水基与水以氢键结合这种现象称疏水
性基相互作用。?食品中的水是以自由态、水合态、胶体吸润态、
表面吸附态等状态存在的。?水之所以能以各种形态存在于动植物组织中是由于水能被两种作用力即氢键结合力和毛细管力联系着。食品
中水
的存
在形
式构成水定义与非水物质呈紧密结合状态的水
特点非水物质必要的组分-40度部结冰
无溶剂能力不能被微生物利用邻近水定义处于非水物质外围与非水物质
呈缔合状态的水
特点-40度不结冰无溶剂能力不
能被微生物利用多层水定义处于邻近水外围的与邻近水以氢
键或偶极力结合的水
特点有一定厚度(多层)-40度基本不结
冰溶剂能力下降可被蒸发
单分子层
水0.5%
5%结合水
自由水被组织中的显微结构或亚显微结构或膜滞留的水
滞化水
不能自由流动与非水物质没关系
毛细管水
由细胞间隙等形成的毛细管力所系留的水
物理及化学性质与滞化水相同
自由流动水
以游离态存在的水
可正常结冰具有溶剂能力微生物可利用
定义
特点
定义
特点
定义
特点化合水(一) 结合水?结合水是与食品中蛋白
质、淀粉、果胶物质、
纤维素等成分通过氢键
而结合着的。
?根据各种有机分子的不
同极性基团与水形成氢
键的牢固程度有所不同。
结合水又可分为单分子
层结合水和多分子层结
合水?(二) 自由水?以毛细管力联系着的水称为自由水(或游离水)。
?存在于植物组织的细胞
质、膜、细胞间隙中和任何组织的循环液以及制成食品的结构组织中。?结合水的量与食品中有机大分子的极性基团的数量有
比较固定的比例关系。
?结合水的蒸气压比自由水低得多所以在一定温度
(100℃)下结合水不能从食品中分离出来。?结合水对食品的可溶性成分不起溶剂的作用。?自由水能为微生物所利用结合水则不能。
?结合水在低温-40C或更低下不能冻结。
?结合水在核磁共振实验中产生宽带。定义和测定方法水分活度(water activity)是指食品中水的蒸汽压与该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值,可用下式表示Aw =P/P0
=ERH/100equilibrium relative humidity =n1/(n1+n2) Aw=p/p0其中Aw水份活度p食品中水的蒸气分压p0同温下纯水蒸气压
?水分活度测定公式
Aw=p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)ERH样品周围空气不与样品换湿时的平衡相对湿度N稀溶液中溶剂摩尔分数n1稀溶
液中溶剂的摩尔数n2稀溶液中溶质的摩

尔数。
自由水1.上述公式成立的前提是溶液是理想溶液并达到热力学平
衡食品体系一般不符合这个条件因此上式严格讲只是近似的表达。2.公式中的前两项即Aw=p/p0是根据水分活度定义给出的而后两项Aw=N=n1/(n1+n2)是拉乌尔定律所推导的
其前提是稀溶液。所以也是近似的关系。
3.Aw是样品的内在品质而ERH是样品的环境性质仅当样品与它的环境达到平衡时上式才能成立。Aw=p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)Aw=p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)<1?a.冰点测定法通过测定样品冰点的降低值△Tf
及含水量求出n1,根据公式Aw=N=n1/(n1+n2) n2= G △Tf/1000KfKf水的摩尔冰点下降常数即可求出样品的水分活度。b.相对湿度传感器测定法
将已知含水量的样品置于恒温密闭的小容器中达到平衡用湿度传感器测
定其空间的湿度即可得
出ERHAw=ERH/100得
到样品的水分活度。c.恒定相对湿度平衡室法康维微量扩散器测定法饱和盐
溶液
样品恒温密闭小容器、样品和
饱和盐溶液两种以上
样品量一般为1g恒温温
度一般为25℃康维氏微量扩散器测定达平衡时样品吸收/失去水的质量用下式求算Aw=(Ax+By/(x+y)其中A活度低的盐溶液活度
B活度高的盐溶液活度
x使用B时的净增值
y使用A时的净减值水分含量相同温度不同Aw不同
水分活度与温度的函数可用克劳修斯-克拉伯龙方程来表示。In Aw = -ΔH /RT + CT-绝对温度R-气体常数ΔH-样品中水分的吸湿热Aw?在冰点以上Aw是样品组成与温度的函数前者是主要的因素
?在冰点以下Aw与样品的组成无关而仅与
温度有关即冰相存在时Aw不受所存在的
溶质的种类或比例的影响不能根据Aw 预测
受溶质影响的反应过程
?不能根据冰点以下温度Aw预测冰点以上温度
的Aw
?当温度改变到形成冰或熔化冰时就食品稳定
性而言水分活度的意义也改变了一些常见食品的水分活度高水分食品水分活度中等水分食品水分活度低水分食品水分活度
生鱼
0.99
糖蜜
0.76
干面条
0.5
苹果
0.99
重盐渍鱼
0.70
饼干
0.1
牛奶
0.98
面粉
0.70
熏火腿
0.87
果酱
0.80
面包
0.95
果脯
0.70
酱油
0.80
三、水分活度和食品含水量的关系水分吸附等温线定义在恒定温度下食品的水分含量以g水/g干物质表示
与其水分活度之间的关系图称为水分吸附等温线或吸湿等温线MSImoisture sorption isotherms。?形状不同食品的MSI具有不同的形状。S形是大多数食品的特征。糖果和咖啡提取物含有大量糖和其它可溶性小
分子而聚合物含量

不高它们的MSI呈J形。MSI中的分区一般的MSI均可分为三个区如下图所示Ⅰ区为化合水和邻近水区即与食品成分中的羧基、氨基等基团通过水-离子或水-偶极相互结合的那
部分水。特点牢固结合Aw较低相当于物料含水量00.07g/g干物质不能
作为溶剂-40℃不结冰对固体
没有显著的增塑作用可以简单的
看作固体的一部分。Ⅰ区和Ⅱ区交界处的水分
含量称为食品的“单分子
层”水含量这部分水可看成是在干物质可接近的强极性基团周围形成一个
单分子层所需水量的近似
值。到达边界
水将引起 
。Ⅱ区增加了多层水区即通过水溶质、水水以氢键被相对固定的水也包括直径小于1μm的毛细管
的水。Ⅲ区水量增加至自由水区
特点与非水物质结合最不牢
固、最容易流动的水其蒸发
焓基本上与纯水相同既可以
结冰也可作为溶剂并且还有
利于化学反应的进行和微生物的生长。这种分区是相对的。?水分子在区内和区间快速地交换。从区Ⅰ至区Ⅲ水的性质是连续变化的。
?向干燥物质中增加水虽然能够稍微改变原来所含水的性质但是当等温线的区间Ⅱ增加水时区间Ⅰ水的性质几乎保持不变同样在区间Ⅲ内增
加水区间Ⅱ的性质也几乎保持不变。滞后现象?滞后现象即向干燥的样品中添加水回吸作用后绘制
的吸湿等温线和由样品中取
出水解吸作用后绘制的
吸湿等温线并不完全重合这种不重叠性称为滞后现象。出现滞后现象的主要原因有a.解吸过程中一些水分与非水物质
相互作用而无法放出水分b.物料不规则形状产生毛细管现象的部位欲填满或抽空水分需要不同的蒸气压
c.解吸时因组织改变当再吸水
时无法紧密结合水分由此可导致回吸相同水量时处于较高的水分活度。MSI?由于水的转移程度与Aw有关,从MSI图可以看出食品脱水的难易程度,也可以看出如何组合食品才能
避免水分在不同物料间的转移。?据MSI可预测含水量对食品稳定性的影响。?从MSI还可看出食品中非水组分与水结合能力的强弱。MSI区I区II区III区Aw 0-0.2 0.2-0.85 0.85 含水量% 1-6.5 6.5-27.5 27.5冷冻能力 不能冻结 不能冻结 正常溶剂能力 无 轻微-适度 正常水分状态 单分子层水 多分子层水 体相水
微生物利用 不可利用 部分可利用 可利用?各种食品在一定条件下都各有其一定的水
分活度各种微生物的活动和各种化学与生物化学反应也都需要有一定的Aw值。只要计算出微生物、化学以及生物化学反应
所需要的Aw值

就可能控制食品加工的条
件和预测食品的耐藏性。( )微 生 物
发育所必需的最低Aw 微 生 物发育所必需的最低Aw 普通细菌
0.90
嗜盐细菌
≤0.75
普通酵母
0.87
耐干性酵母、
细菌
0.65 普通霉菌
0.80
耐渗透压性酵母0.61 微生物发育时必需的水分活度注a.不同种类的微生物其正常生长繁殖所需要的水分活度不同
由此可以推断影响不同含水食品质量的主要微生物
b. 同一种类微生物在不同的生长
阶段也要求不同的水分活度。如
细菌形成芽孢时比繁殖时所需的
水分活度要高产毒微生物在产
生毒素时所需的水分活度高于不
产毒时所需的水分活度。( )?水分在酶反应中起着溶解基质和增加基质流动性等的作用食品中水分活度极低时酶反应几乎停止或者反应极慢。
?一般水分活度在0.3以下淀粉酶、酚氧化酶、过氧化酶而脂肪酶在0.1—0.5时仍能保持活力课后思考
1. 水在食品中的存在形式、吸湿等温线的基本概念
2. 冰冻对食物的影响
3. 水与食品中非水物质之间作用及作用类型
4. 水分活度的定义及其意义
5. MSI的形成及其分区
6、食物冷冻的最佳温度是多少本章难点水分活度及吸湿等温的意义及其在应用。