《食品化学第二章水》PPT课件
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食品化学 第二章 水PPT课件
应用aw =ERH%时 必须注意:
① aw 是样品的内在品质,而ERH是 与样品中的水பைடு நூலகம்气平衡是大气性质
②仅当食品与其环境达到平衡时才 能应用
A
B
第二章 水
11
C
第二章 水
12
D
第二章 水
13
3、水与非极性物质的相互作用
（1）疏水相互作用
疏水水合(Hydrophobic hydration)：当水与非极性 物质混合显然是一热力学不利过程（△G>0）。由于非极 性物质与水分子产生斥力，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。
从左图可以看出，每个 水分子能够缔合另外4个水 分子（配位数为4），即1， 2，3和W'，形成四面体结构 。
第二章 水
5
2、水的结构
纯水是具有一定结构的液体。液体水的结构与冰的结构的区别在于 它们的配位数和二水分子之间的距离（下表） 。
水与冰结构中水分子之间的配位数和距离
应注意的是：其一，液体水的结构是不稳定的，并不单纯的 由氢键构成的四面体形状。通过“H-桥”的作用，水分可形成短 暂存在的多边形结构；其二，水分子中氢键可被溶于其中的盐及 具有亲水/疏水基团分子破坏。
2、自由水
（1）、滞化水 （2）、毛细管水 （3）、自由流动水
第二章 水
19
食品中不同状态水的性质比较
第二章 水
20
第三节、水分活度
一、水分活度的定义
1、食品的 平衡水分
定义：当食品内部的水蒸 气压与外界空气的水蒸气 压在一定温度和湿度下达 成平衡时，食品的含水量 保持一定的数值。
干基表示：水分占食品干 物质质量的百分数。
食品化学课件
(IMF) is dependent on water content and water activity
Stability is often maintained below the monolayer water content
Microbiological stability
Microorganisms may grow above a given, food material specific water content
Vicinal water
Water that strongly interacts with specific hydrophilic sites of nonaqueous constituents by water-ion and water-dipole associations
• 在-40℃下不结冰 • 无溶解溶质的能力 • 与纯水比较分子平均运动大大减少 • 不能被微生物利用 此种水很稳定，不易引起Food的腐败变质。
Net structure- forming effect
另外一些离子具有净结构形成效应（Net structure- forming effect),这些离子大多是电场强度大， 离子半径小的离子。如：Li+, Na+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+，F-,OH-, 等。
水与有氢键键合能力中性基团的相互作用 Interaction of water with neutral groups possessing hydrogen-bonding capabilities
II区
0.2-0.85 6.5-27.5 不能冻结 轻微-适度 多分子层水 部分可利用
《食品化学第二章水》PPT课件
相互作用的强度 与水-水氢键比较 较强
焓
近乎相等
远低(△G＞0) 不可比较(△G＜0)
熵 热力学不能自发进行
△G=△H-T△S
h
13
（二）结合水（bound water）
理论上 • 定义：结合水是存在于溶质及其它非水组分邻近的水，与同一体系中的
体相水相比，它们呈现出与同一体系中体相水显著不同的性质。 （熔点、沸点、流动性）
Aw
po
po
仅适合理想溶液 RVP,相对蒸汽压
h
31
Aw与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关
Aw p ERH p0 100
Aw是样品的内在品质，ERH是与样品平衡的大气 的性质 仅当产品与环境达到平衡时，关系式才能成立
h
32
Aw 测定方法
• 密闭容器达到表观平衡后测定压力或相对湿度 • 根据冰点下降测定RVP • 根据干、湿球温度计，查表读RVP • 测定精确性为±0.02
h
6
第四节 水分子的缔合
• O-H键具有极性 • 不对称的电荷分布 • 偶极距 • 分子间吸引力 • 强烈的缔合倾向 氢键受体 • 形成三维氢键 • 四面体结构 • 解释水的不寻常性质
氢键供体
h
7
第五节 冰的结构
• 水分子通过四面体之间的作用力结晶 • O-O核间最相邻距离为0.276nm • O-O-O键角约109°(四面体角109°28′) • 冰的六面体晶格结构 • 在C轴是单折射，其它方向是双折射 • 结晶对称性：六方晶系的六方形双锥体组 • 溶质的种类和数量影响冰结晶的结构
• 水分活度Aw – 水与非水成分缔合强度上的差别 – 比水分含量更可靠，也并非完全可靠 – 与微生物生长和许多降解反应具有相关性
食品化学第2章 水-PPT课件
物理意义 物体受热升温时，进入物体的热量沿途不断地被 吸收而使当地温度升高，在此过程持续到物体内部 各点温度全部扯平为止。由热扩散率的定义α=λ/ρc 可知： （1） 物体的导热系数λ越大，在相同的温度梯 度下可以传导更多的热量。 （2） 分母ρc是单位体积的物体温度升高1℃所 需的热量。ρc 越小，温度升高1℃所吸收的热量越 小，可以剩下更多热量继续向物体内部传递，能使 物体各点的温度更快地随界面温度的升高而升高。 这种物理上的意义还可以从另一个角度来加以说 明，即从温度的角度看，α越大，材料中温度变化 传播的越迅速。可见α也是材料传播温度变化能力 大小的指标，因而有导温系数之称。
水是食物各种组分中含量最多的组分，食 品的含水量除谷物和豆类等种子较低外 (10～16％)，一般都比较高(60～90％)，大 致范围如下：
蔬菜
蛋类
水果 乳类 鱼类 猪肉 肉类
85 ～97％ 73 ～75％ 80 ～ 90 ％ 87 ～ 89％ 67 ～ 81 ％ 43 ～ 59％ 70 ～ 80%
4、对食品的结构、外观、质地、风味、新鲜 程度和腐败变质的敏感性产生极大的影响。 对食品的商品价值及销售有着深刻的影响。
5、在奶油和人造奶油等乳化产品中作为分 散相。 6、在饮料食品中作溶剂等。
2.2 水和冰的结构和性质 Structure and characters of water and ice
纯水是否导电？
水的密度较低，热胀冷缩、热缩冷胀
水的最高密度点在哪里？ 为什么食品冻结时组织结构会破坏？会导致什
么不良后果？
水的比热容是：4200J/(KG.℃) 冰的比热容是：2100J/(KG.℃)
食品化学课件
Stability is often maintained below the monolayer water content
Microbiological stability
Microorganisms may grow above a given, food material specific water content
Net structure- forming effect
另外一些离子具有净结构形成效应（Net structure- forming effect),这些离子大多是电场强度大， 离子半径小的离子。如：Li+, Na+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+，F-,OH-, 等。
水与有氢键键合能力中性基团的相互作用 Interaction of water with neutral groups possessing hydrogen-bonding capabilities
二 水和冰的结构
单个水分子的结构特征 The water molecule
1. H2O分子的四面体结构有对称型. 2. H-O共价键有离子性. 3. 氧的另外两对孤对电子有静电力. 4. H-O键具有电负性.
水分子的缔合 Association of water molecules
水 分 合子 的 缔
• - aw < 0.6 no growth • - aw > 0.6 xerophilic yeasts and molds耐渗
透压酵母 • - aw > 0.7 molds • - aw > 0.75 halophilic bacteria 嗜盐细菌 • - aw > 0.8 yeasts • - aw > 0.86 pathogenic bacteria (S. aureus)
食品化学课件-水
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）
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
离子水合作用。
在稀盐溶液中，不同的离子对水结构的影响是不同的
• K+，Rb+，Cs+，NH4+，Cl-，Br-，I-，NO3-，BrO3-，IO3-，ClO4-等，具有破坏水的网状结构
效应, 这些离子大多为电场强度较弱的负离子和离子半径大的正离子；
• Li+，Na+，Ca2+，Ba2+，Mg2+，Al3+，F-，OH-等，有助于水形成网状结构，这些离子大多是电
（4）掌握水分活度与温度的关系；
（5）熟悉食品材料的吸湿等温线；
（6）掌握水分活度与食品稳定性的关系。
2.1 概述
2.1.1 水的作用
• 生命之源
• 组成机体
• 调节代谢
战争之源
“下一场世界大战将
是对水资源的争夺”
2.1 概述
2.1.1 水的作用
水对人体的重要作用
•
•
•
•
•
•
•
水使人体体温保持稳定（热容量大）
10~12
10~13
水果
蔬菜
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）
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
离子水合作用。
在稀盐溶液中，不同的离子对水结构的影响是不同的
• K+，Rb+，Cs+，NH4+，Cl-，Br-，I-，NO3-，BrO3-，IO3-，ClO4-等，具有破坏水的网状结构
效应, 这些离子大多为电场强度较弱的负离子和离子半径大的正离子；
• Li+，Na+，Ca2+，Ba2+，Mg2+，Al3+，F-，OH-等，有助于水形成网状结构，这些离子大多是电
（4）掌握水分活度与温度的关系；
（5）熟悉食品材料的吸湿等温线；
（6）掌握水分活度与食品稳定性的关系。
2.1 概述
2.1.1 水的作用
• 生命之源
• 组成机体
• 调节代谢
战争之源
“下一场世界大战将
是对水资源的争夺”
2.1 概述
2.1.1 水的作用
水对人体的重要作用
•
•
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•
•
水使人体体温保持稳定（热容量大）
10~12
10~13
水果
蔬菜
食品化学课件
温度(℃) 0 1.5 83
配位数 4 4.4 4.9
分子间距nm 0.276 0.290 0.305
冰的结构 Structure of ice
六方冰晶形成的条件：
① 在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻 ② 溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移。
冰的分类
按冷冻速度和对称要素分，冰可分为四大类： o 六方型冰晶 o 不规则树枝状结晶 o 粗糙的球状结晶 o 易消失的球状结晶及各种中间体。
Net structure- forming effect
另外一些离子具有净结构形成效应（Net structure- forming effect),这些离子大多是电场强度大， 离子半径小的离子。如：Li+, Na+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+，F-,OH-, 等。
水与有氢键键合能力中性基团的相互作用 Interaction of water with neutral groups possessing hydrogen-bonding capabilities
II区
0.2-0.85 6.5-27.5 不能冻结 轻微-适度 多分子层水 部分可利用
III区 ＞0.85 ＞ 27.5 正常 正常 体相水 可利用
滞后现象 Hysteresis
定义:采用回吸(resorption)的方法绘制的 MSI和按解吸(desorption)的方法绘制的MSI并 不互相重叠的现象称为滞后现象.
Multilayer water
water that occupies remaining first-layer sites and forms several additional layers around hyyydrophilic groups of nonaqueous constituents; water-water and water-solute hydrogen bonds predominate.
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第二章 水
第一节 引 言
水的重要功能
• 水是最普遍存在的组分，占50%～90% • 为生物化学反应提供一个物理环境 • 代谢所需营养成分和反应产物的载体 • 是其它食品组分的溶剂
主要食品的水份含量
食品 肉
猪肉、生的分割瘦肉 牛肉、生的零售部分 鸡肉、各种级别的去皮生肉 鱼、肌肉蛋白质 水果 浆果、樱桃、梨 苹果、桃子、桔子、葡萄柚 大黄、草莓、蕃茄 蔬菜 鳄梨、香蕉、豌豆（绿） 甜菜、茎椰菜、胡萝卜、马铃薯 芦笋、菜豆（绿）、卷心菜、花菜、莴苣
• 多层水(multilayer water) – 占有第一层中剩下的位置以及形成了邻近水外的几层
三、水与离子及离子基团的相互作用
键的强度
大 共价键
H2O-离子键 H2O- H2O
小
水-溶质相互作用的分类
种类 偶极-离子 偶极-偶极
疏水水合 疏水相互作用
实例
H2O-游离离子 H2O-有机分子上的带电基团 H2O-蛋白质 NH H2O-蛋白质 CO H2O-侧链 OH H2O + RR（水合） R(水合)+R(水合)R2(水合)+H2O
相互作用的强度 与水-水氢键比较 较强
近乎相等
远低(△G＞0) 不可比较(△G＜0)
离子对水的净结构的影响
与极化力或电场强度紧密相关 • 净结构形成效应 (forming effect)
– 小离子或多价离子产生强电场 – Li+, Na+, H3O+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+, F-, OH– 具有比纯水较低的流动性和较紧密的堆积 • 净结构破坏效应 (breaking effect) – 大离子和单价离子产生较弱电场 – K+, Cs+, NH4+ , Cl-, Br-, I-, NO3- , BrO3- , IO3- , ClO4– 流动性比纯水强
第六节 水的结构
• 水的结构模型 – 混合式 – 填隙式 – 连续式
• 液态水通过氢键而缔合 • 氢键程度取决于温度 • 冰转变为水时，密度净增加
第七节 水-溶质相互作用
一、宏观水平
术语： • 水结合（Water binding） • 水合（Hydration）
水结合和水合常被用来表示水与包 括细胞物质在内的亲水物质缔合的一 般倾向。
• 羟基 • 氨基 • 羰基 • 酰基 • 亚氨基
第四节 水分子的缔合
• O-H键具有极性 • 不对称的电荷分布 • 偶极距 • 分子间吸引力 • 强烈的缔合倾向 氢键受体 • 形成三维氢键 • 四面体结构 • 解释水的不寻常性质
氢键供体
第五节 冰的结构
• 水分子通过四面体之间的作用力结晶 • O-O核间最相邻距离为0.276nm • O-O-O键角约109°(四面体角109°28′) • 冰的六面体晶格结构 • 在C轴是单折射，其它方向是双折射 • 结晶对称性：六方晶系的六方形双锥体组 • 溶质的种类和数量影响冰结晶的结构
相互作用的强度 与水-水氢键比较 较强
焓
近乎相等
远低(△G＞0) 不可比较(△G＜0)
熵 热力学不能自发进行
△G=△H-T△S
（二）结合水（bound water）
理论上 • 定义：结合水是存在于溶质及其它非水组分邻近的水，与同一体系中的
体相水相比，它们呈现出与同一体系中体相水显著不同的性质。 （熔点、沸点、流动性）
四、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
键的强度
大
共价键
Hale Waihona Puke H2O-离子H2O- H2O H2O- 亲水性溶质
小
水-溶质相互作用的分类
种类 偶极-离子 偶极-偶极
疏水水合 疏水相互作用
实例
H2O-游离离子 H2O-有机分子上的带电基团 H2O-蛋白质 NH H2O-蛋白质 CO H2O-侧链 OH H2O + RR（水合） R(水合)+R(水合)R2(水合)+H2O
• 持水力（Water holding capacity）
描述由分子（通常是以低浓度存在的大分 子）构成的基体通过物理方式截留大量水而 阻止水渗出的能力。
例如：果胶、淀粉凝胶、动物组织细胞
特点 – 切割或剁碎时不会流出 – 性质几乎与纯水相同 • 易干燥除去、易冻结为冰，可作为溶剂 – 整体流动被严格控制，但个别分子的运动与一般稀盐溶液中的水 分子无异
水分含量%
53-60 50-70
74 65-81
80-85 85-90 90-95
74-80 80-90 90-95
水与食品加工
• 了解水在食品中的存在形式是掌握食 品加工和保藏技术原理的基础
• 大多数食品加工的单元操作都与水有 关
干燥、浓缩、冷冻、水的固定
• 复水、解冻没有完全成功
第二节 水和冰的物理性质
• 具有“被阻碍的流动性”，而不是“被固定化的” • 占总水量很小的一部分 • 相当于邻近亲水基团的第一层水
结合水的分类
• 构成水(constitutional water) – 结合最强的水，已成为非水物质的整体部分
• 邻近水(vicinal water) – 占据着非水成分的大多数亲水基团的第一层位置
相互作用的强度 与水-水氢键比较 较强
近乎相等
远低(△G＞0) 不可比较(△G＜0)
对水结构的影响
• 一般会增加（至少不会破坏）水净结 构
• 溶质氢键部位的分布和定向在几何上 与水不相容时
– 对水结构具有破坏作用
• 尿素——显著破坏效应
• 总氢键数没有显著改变，对水的净结 构没有多大影响
能与水形成氢键的基团
• 高熔点（0℃）、高沸点（100℃） • 介电常数高 • 表面张力高 • 热容和相转变热焓高
熔化焓、蒸发焓、升华焓
• 密度低（1 g/cm3） • 凝固时的异常膨胀率 • 黏度正常（1 cPa·s）
第三节 水分子
• 4个杂化轨道 2px2 2py1 2pz1
• 由于氧的高负电性， O-H共价键具有部 分离子特征
（一）概述
溶质-水
– 亲水溶质改变邻近水的结构和疏水性 – 水会改变亲水溶质的反应性和结构
二、分子水平
水-溶质相互作用的分类
种类 偶极-离子 偶极-偶极
疏水水合 疏水相互作用
实例
H2O-游离离子 H2O-有机分子上的带电基团 H2O-蛋白质 NH H2O-蛋白质 CO H2O-侧链 OH H2O + RR（水合） R(水合)+R(水合)R2(水合)+H2O
第一节 引 言
水的重要功能
• 水是最普遍存在的组分，占50%～90% • 为生物化学反应提供一个物理环境 • 代谢所需营养成分和反应产物的载体 • 是其它食品组分的溶剂
主要食品的水份含量
食品 肉
猪肉、生的分割瘦肉 牛肉、生的零售部分 鸡肉、各种级别的去皮生肉 鱼、肌肉蛋白质 水果 浆果、樱桃、梨 苹果、桃子、桔子、葡萄柚 大黄、草莓、蕃茄 蔬菜 鳄梨、香蕉、豌豆（绿） 甜菜、茎椰菜、胡萝卜、马铃薯 芦笋、菜豆（绿）、卷心菜、花菜、莴苣
• 多层水(multilayer water) – 占有第一层中剩下的位置以及形成了邻近水外的几层
三、水与离子及离子基团的相互作用
键的强度
大 共价键
H2O-离子键 H2O- H2O
小
水-溶质相互作用的分类
种类 偶极-离子 偶极-偶极
疏水水合 疏水相互作用
实例
H2O-游离离子 H2O-有机分子上的带电基团 H2O-蛋白质 NH H2O-蛋白质 CO H2O-侧链 OH H2O + RR（水合） R(水合)+R(水合)R2(水合)+H2O
相互作用的强度 与水-水氢键比较 较强
近乎相等
远低(△G＞0) 不可比较(△G＜0)
离子对水的净结构的影响
与极化力或电场强度紧密相关 • 净结构形成效应 (forming effect)
– 小离子或多价离子产生强电场 – Li+, Na+, H3O+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+, F-, OH– 具有比纯水较低的流动性和较紧密的堆积 • 净结构破坏效应 (breaking effect) – 大离子和单价离子产生较弱电场 – K+, Cs+, NH4+ , Cl-, Br-, I-, NO3- , BrO3- , IO3- , ClO4– 流动性比纯水强
第六节 水的结构
• 水的结构模型 – 混合式 – 填隙式 – 连续式
• 液态水通过氢键而缔合 • 氢键程度取决于温度 • 冰转变为水时，密度净增加
第七节 水-溶质相互作用
一、宏观水平
术语： • 水结合（Water binding） • 水合（Hydration）
水结合和水合常被用来表示水与包 括细胞物质在内的亲水物质缔合的一 般倾向。
• 羟基 • 氨基 • 羰基 • 酰基 • 亚氨基
第四节 水分子的缔合
• O-H键具有极性 • 不对称的电荷分布 • 偶极距 • 分子间吸引力 • 强烈的缔合倾向 氢键受体 • 形成三维氢键 • 四面体结构 • 解释水的不寻常性质
氢键供体
第五节 冰的结构
• 水分子通过四面体之间的作用力结晶 • O-O核间最相邻距离为0.276nm • O-O-O键角约109°(四面体角109°28′) • 冰的六面体晶格结构 • 在C轴是单折射，其它方向是双折射 • 结晶对称性：六方晶系的六方形双锥体组 • 溶质的种类和数量影响冰结晶的结构
相互作用的强度 与水-水氢键比较 较强
焓
近乎相等
远低(△G＞0) 不可比较(△G＜0)
熵 热力学不能自发进行
△G=△H-T△S
（二）结合水（bound water）
理论上 • 定义：结合水是存在于溶质及其它非水组分邻近的水，与同一体系中的
体相水相比，它们呈现出与同一体系中体相水显著不同的性质。 （熔点、沸点、流动性）
四、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
键的强度
大
共价键
Hale Waihona Puke H2O-离子H2O- H2O H2O- 亲水性溶质
小
水-溶质相互作用的分类
种类 偶极-离子 偶极-偶极
疏水水合 疏水相互作用
实例
H2O-游离离子 H2O-有机分子上的带电基团 H2O-蛋白质 NH H2O-蛋白质 CO H2O-侧链 OH H2O + RR（水合） R(水合)+R(水合)R2(水合)+H2O
• 持水力（Water holding capacity）
描述由分子（通常是以低浓度存在的大分 子）构成的基体通过物理方式截留大量水而 阻止水渗出的能力。
例如：果胶、淀粉凝胶、动物组织细胞
特点 – 切割或剁碎时不会流出 – 性质几乎与纯水相同 • 易干燥除去、易冻结为冰，可作为溶剂 – 整体流动被严格控制，但个别分子的运动与一般稀盐溶液中的水 分子无异
水分含量%
53-60 50-70
74 65-81
80-85 85-90 90-95
74-80 80-90 90-95
水与食品加工
• 了解水在食品中的存在形式是掌握食 品加工和保藏技术原理的基础
• 大多数食品加工的单元操作都与水有 关
干燥、浓缩、冷冻、水的固定
• 复水、解冻没有完全成功
第二节 水和冰的物理性质
• 具有“被阻碍的流动性”，而不是“被固定化的” • 占总水量很小的一部分 • 相当于邻近亲水基团的第一层水
结合水的分类
• 构成水(constitutional water) – 结合最强的水，已成为非水物质的整体部分
• 邻近水(vicinal water) – 占据着非水成分的大多数亲水基团的第一层位置
相互作用的强度 与水-水氢键比较 较强
近乎相等
远低(△G＞0) 不可比较(△G＜0)
对水结构的影响
• 一般会增加（至少不会破坏）水净结 构
• 溶质氢键部位的分布和定向在几何上 与水不相容时
– 对水结构具有破坏作用
• 尿素——显著破坏效应
• 总氢键数没有显著改变，对水的净结 构没有多大影响
能与水形成氢键的基团
• 高熔点（0℃）、高沸点（100℃） • 介电常数高 • 表面张力高 • 热容和相转变热焓高
熔化焓、蒸发焓、升华焓
• 密度低（1 g/cm3） • 凝固时的异常膨胀率 • 黏度正常（1 cPa·s）
第三节 水分子
• 4个杂化轨道 2px2 2py1 2pz1
• 由于氧的高负电性， O-H共价键具有部 分离子特征
（一）概述
溶质-水
– 亲水溶质改变邻近水的结构和疏水性 – 水会改变亲水溶质的反应性和结构
二、分子水平
水-溶质相互作用的分类
种类 偶极-离子 偶极-偶极
疏水水合 疏水相互作用
实例
H2O-游离离子 H2O-有机分子上的带电基团 H2O-蛋白质 NH H2O-蛋白质 CO H2O-侧链 OH H2O + RR（水合） R(水合)+R(水合)R2(水合)+H2O