食品化学 第三章食品中的水和冰 第三节 水分活度与吸湿等温曲线
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c.结合水不易结冰，由于这种性质使得植物的种子和微生物的孢子 得以在很低的温度下保持其生命力；而多汁的组织在冰冻后细胞结构往 往被体相水的冰晶所破坏，解冻后组织不同程度的崩溃；
d.结合水不能作为可溶性成分的溶剂，也就是说丧失了溶剂能力；
e.体相水可被微生物所利用，结合水则不能。
3.3 水分活度与吸湿等温曲线
大多数食品或食品原料的吸湿等温线为S型，而水果、糖制品、含有大 量糖和其他可溶性小分子的咖啡提取物等食品的吸湿等温线为J型。如图：
测定方法：在恒定温度下，改变食品中的水分含量，测定相应的活度， 以水分含量为纵轴、Aw为横轴画出曲线。
二、MSI中的分区
一般的MSI均可分为三个区，如下图所示：
Ⅰ区：为构成水和邻近水区，即与食 品成分中的羧基、氨基等基团通过氢 键或静电引力相互结合的那部分水。 由于这部分水比较牢固的与非水成分 结合，因此aw较低，一般在0～0.25之 间，相当于物料含水量0～0.07g/g干 物质。这种水不能作为溶剂而且在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。 要注意的是，一般把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。
Ⅲ区：自由水区，aw在0.8～0.99之间，物料最低含水量在0.14～0.33 g/g干物质，最高为20g/g干物质。这部分水是食品中与非水物质结合最不 牢固、最容易流动的水，也称为体相水。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。 在凝胶和细胞体系中，体相水以物理的方式被截留，其宏观流动性受到影 响，但它与稀盐溶液中水的性质相似。
3.由于p/p0和n1/n1+n2，因此，aw的值在0～1之间。 二、测定方法
可以利用不同的方法对于食品中的水分活度进行测定：
a.冰点测定法：
通过测定样品冰点的降低值（△Tt）及含水量（求出n1）,根据公式： n2= G △Tt/1000Kt 在将此公式的值带入活度的定义公式即可求出样品 的水分活度。此法的误差很小，准确度较高。
m 1=Y轴 截 距 1 +斜 率
Ⅱ区：多层水区，即食品中与酰胺基、羧基等基团和结合水、邻近水 以水－溶质、水－水以氢键和缔合作用被相对固定的水，也包括直径小于 1μm的毛细管的水；这部分水的aw一般在0.25～0.8之间，相当于物料含 水量在0.07g/g干物质至0.14～0.33g/g干物质。当食品中的水分含量相当 于Ⅱ区和Ⅲ区的边界时，水将引起溶解过程，它还起了增塑剂的作用并且 促使固体骨架开始溶胀。溶解过程的开始将促使反应物质流动，因此加速 了大多数的食品化学反应。
按照吸湿等温线将食品中所含的水分作三个区，对于食品中水的应用 及防腐保鲜具有重要的意义。但也要理解，这种分区是相对的。因为除化 学吸附结合水外，等温线每一个区间内和区间与区间之间的水都可以发生 交换。另外，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， 即基质的溶胀和溶解过程，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。从而说明，食品中结合得最不牢固的那部分水对食品的稳定起着重要 的作用。
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，使其蒸气压和环境蒸
气充分作用，达到平衡；用湿度传感器测定其空间的湿度，即可得出ERH， 这时可得到样品的水分活度。
c.康维氏微量扩散器测定法 康维氏微量扩散器可如右图示意：
分隔并相通的两个小室分别放样 品和饱和盐溶液；样品量一般为1g； 恒温温度一般为25℃ ，平衡时间为 20min；分别测定水分活度高的饱和 盐溶液和水分活度低的饱和盐溶液和
三、滞后现象
所谓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一些水（解吸作用）后绘制的吸湿等温线并不完全重 合，这种不重合性称为滞后现象，可用下页图表示。
样品
康维氏微量扩散器
饱和盐 溶液
样品达平衡时样品吸收或失去水的质量，利用下式求算样品的水分活度：
源自文库
aw=(Ax+By/(x+y) 其中：Ax：活度低的盐溶液活度；
By：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；
3.3.3 吸湿等温曲线
一、定义及测定方法
定义：在恒定温度下，食品的水含量（以g水/g干物质表示）对其活度 形成的曲线称为等温吸湿曲线（MSI）。
食品单分子层水含量的意义及计算：
意义：由于一般食品当其含水量接近单层值时，有最大的稳定性，因而根据具体对象确 定其单层值，对于食品的有效保存是非常重要的。
计算：a..公式法：BET方程式：
m (A 1-w A w )=m 1 1C+m C1 -C 1A w
其中：m：水分含量（g水/g干物质） m1：单层值 C：常数 b.作图法：以Aw/[m(1-Aw)]~Aw作BET图，在一定范围内有较好的 线性关系。由图上可 以直接测量出Y轴截距及斜率；通过下式求出M1值。
N：稀溶液中溶质的mol分数； n2：稀溶液中溶质的mol数。
n1：稀溶液中水的mol数；
注意：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。 （Owen R. Fennema “食品化学2.8.2）
2.公式中的前两项，即aw=p/p0=ERH/100，是根据水分活度定义 给出的；而后两项是拉乌尔定律所确定的，其前提是稀溶液。所以前两项 和后两项之间也应该是近似的关系。
不同种类的食品即使水分含量相同，其腐败变质的难易程度也有明 显的差异。食品的品质和贮藏性能与水分活度有密切的关系。
3.3.1 水分活度的定义及测定方法
一、定义：一定温度下样品水分蒸气压与纯水蒸气压的比值；
用公式表示即为：aw=p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
其中：aw：水份活度； p：样品中水的蒸气分压 p0：同温纯水蒸气压； ERH：样品周围空气不与样品换湿时的平均相对湿度；
d.结合水不能作为可溶性成分的溶剂，也就是说丧失了溶剂能力；
e.体相水可被微生物所利用，结合水则不能。
3.3 水分活度与吸湿等温曲线
大多数食品或食品原料的吸湿等温线为S型，而水果、糖制品、含有大 量糖和其他可溶性小分子的咖啡提取物等食品的吸湿等温线为J型。如图：
测定方法：在恒定温度下，改变食品中的水分含量，测定相应的活度， 以水分含量为纵轴、Aw为横轴画出曲线。
二、MSI中的分区
一般的MSI均可分为三个区，如下图所示：
Ⅰ区：为构成水和邻近水区，即与食 品成分中的羧基、氨基等基团通过氢 键或静电引力相互结合的那部分水。 由于这部分水比较牢固的与非水成分 结合，因此aw较低，一般在0～0.25之 间，相当于物料含水量0～0.07g/g干 物质。这种水不能作为溶剂而且在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。 要注意的是，一般把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。
Ⅲ区：自由水区，aw在0.8～0.99之间，物料最低含水量在0.14～0.33 g/g干物质，最高为20g/g干物质。这部分水是食品中与非水物质结合最不 牢固、最容易流动的水，也称为体相水。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。 在凝胶和细胞体系中，体相水以物理的方式被截留，其宏观流动性受到影 响，但它与稀盐溶液中水的性质相似。
3.由于p/p0和n1/n1+n2，因此，aw的值在0～1之间。 二、测定方法
可以利用不同的方法对于食品中的水分活度进行测定：
a.冰点测定法：
通过测定样品冰点的降低值（△Tt）及含水量（求出n1）,根据公式： n2= G △Tt/1000Kt 在将此公式的值带入活度的定义公式即可求出样品 的水分活度。此法的误差很小，准确度较高。
m 1=Y轴 截 距 1 +斜 率
Ⅱ区：多层水区，即食品中与酰胺基、羧基等基团和结合水、邻近水 以水－溶质、水－水以氢键和缔合作用被相对固定的水，也包括直径小于 1μm的毛细管的水；这部分水的aw一般在0.25～0.8之间，相当于物料含 水量在0.07g/g干物质至0.14～0.33g/g干物质。当食品中的水分含量相当 于Ⅱ区和Ⅲ区的边界时，水将引起溶解过程，它还起了增塑剂的作用并且 促使固体骨架开始溶胀。溶解过程的开始将促使反应物质流动，因此加速 了大多数的食品化学反应。
按照吸湿等温线将食品中所含的水分作三个区，对于食品中水的应用 及防腐保鲜具有重要的意义。但也要理解，这种分区是相对的。因为除化 学吸附结合水外，等温线每一个区间内和区间与区间之间的水都可以发生 交换。另外，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， 即基质的溶胀和溶解过程，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。从而说明，食品中结合得最不牢固的那部分水对食品的稳定起着重要 的作用。
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，使其蒸气压和环境蒸
气充分作用，达到平衡；用湿度传感器测定其空间的湿度，即可得出ERH， 这时可得到样品的水分活度。
c.康维氏微量扩散器测定法 康维氏微量扩散器可如右图示意：
分隔并相通的两个小室分别放样 品和饱和盐溶液；样品量一般为1g； 恒温温度一般为25℃ ，平衡时间为 20min；分别测定水分活度高的饱和 盐溶液和水分活度低的饱和盐溶液和
三、滞后现象
所谓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一些水（解吸作用）后绘制的吸湿等温线并不完全重 合，这种不重合性称为滞后现象，可用下页图表示。
样品
康维氏微量扩散器
饱和盐 溶液
样品达平衡时样品吸收或失去水的质量，利用下式求算样品的水分活度：
源自文库
aw=(Ax+By/(x+y) 其中：Ax：活度低的盐溶液活度；
By：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；
3.3.3 吸湿等温曲线
一、定义及测定方法
定义：在恒定温度下，食品的水含量（以g水/g干物质表示）对其活度 形成的曲线称为等温吸湿曲线（MSI）。
食品单分子层水含量的意义及计算：
意义：由于一般食品当其含水量接近单层值时，有最大的稳定性，因而根据具体对象确 定其单层值，对于食品的有效保存是非常重要的。
计算：a..公式法：BET方程式：
m (A 1-w A w )=m 1 1C+m C1 -C 1A w
其中：m：水分含量（g水/g干物质） m1：单层值 C：常数 b.作图法：以Aw/[m(1-Aw)]~Aw作BET图，在一定范围内有较好的 线性关系。由图上可 以直接测量出Y轴截距及斜率；通过下式求出M1值。
N：稀溶液中溶质的mol分数； n2：稀溶液中溶质的mol数。
n1：稀溶液中水的mol数；
注意：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。 （Owen R. Fennema “食品化学2.8.2）
2.公式中的前两项，即aw=p/p0=ERH/100，是根据水分活度定义 给出的；而后两项是拉乌尔定律所确定的，其前提是稀溶液。所以前两项 和后两项之间也应该是近似的关系。
不同种类的食品即使水分含量相同，其腐败变质的难易程度也有明 显的差异。食品的品质和贮藏性能与水分活度有密切的关系。
3.3.1 水分活度的定义及测定方法
一、定义：一定温度下样品水分蒸气压与纯水蒸气压的比值；
用公式表示即为：aw=p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
其中：aw：水份活度； p：样品中水的蒸气分压 p0：同温纯水蒸气压； ERH：样品周围空气不与样品换湿时的平均相对湿度；