《江南大学食品化学》PPT课件
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第二章 水（water)
第一节 引 言（introduction)
一、水是食品的主要组分之一
➢ 水是生物体系的基本成分: Protein、Carbohydrate、 lipids、nucleic acid、
mineral and water。 ➢主要营养成分：
营养素： Protein、Carbonhydrate、 lipids、 Vitamin、mineral、water、Fibre。 ➢ 每一种食品具有特定的水分含量
冰的结构的复杂性
• 纯冰不仅含有普通的HOH分子，而且还含有离子和 HOH同位素变种(氢有重氢，氧有17.18) 。
• 由于H3O+和OH-的运动和HOH的振动，冰结晶不是完 美的，总存在缺陷。这些缺陷的存在可用于解释 冰中质子的流动性以及当水冻结时直流电导的稍 有减小。
• 冰不是静止的或均一的体系，存在于结晶空隙的 HOH分子可以缓慢地扩散通过晶格，它的特性取决 于温度。
三、水分子
（Water Molecule)
斯陶特模型
小于正方 体的 109.5°
2s
2p
四、水分子的缔合
（ Association of Water Molecules)
形成三维氢键能力（three dimensional H-bond network） 水分子具有在三维空间内形成许多氢键
（hydrogen bond）的能力.这可充分地解释水分子间存在 大的引力。
六方晶系 单斜晶系 正交晶系 三方晶系
斜方双锥
四方双锥
六方晶系的六方金刚石
a.六方柱体 b. 六方双锥 体 c-d. 双晶
冰结晶的对称性
• 普通冰属于六方晶系中的双六方双锥体型。
• 冰还可能以其他9种多晶型结构存在，也可能 以无定形或无一定结构的玻璃态存在。但是在 总的11种结构中，只有普通的六方形冰在0℃ 和常压下是稳定的。
水对食品的结构、外观和质构以及对腐败的敏感性 有着很大的影响。
食主要品食品的水分含量 水分含量%
肉
猪肉、生百度文库分割瘦肉
53-60
牛肉、生的零售部分
50-70
鸡肉、各种级别的去皮生肉
74
鱼、肌肉蛋白质
65-81
水果
浆果、樱桃、梨
80-85
苹果、桃子、桔子、葡萄柚
85-90
大黄、草莓、蕃茄
90-95
蔬菜
• 冰向水转变伴随着最接近的水分子间的距离的增加 最接近的水分子的平均数目的增加。 水的密度在3.98℃达到最大。
• 密度增加 在0℃和3.98℃之间，配位数增加的效应占优势。
• 密度下降 超过3.98℃后，最接近的水分子间的距离增加的效应
（热膨胀）占优势。
• 水的低粘度 水分子的氢键键合排列是高度动态的，允许各个水分
• 在0℃时冰的配位数为4，与最接近的水分子的距离 为0.276nm。
• 当输入熔化潜热时冰熔化，即一些氢键断裂（最接 近的水分子间的距离增加），而其他氢键变形，水 分子呈缔合的流体状态，总体上它们更加紧密。
• 随 着 温 度 提 高 ， 配 位 数 从 0℃ 冰 时 的 4.0 增 加 至 1.50℃水时的4.4时，随后83℃水时的4.9。同时， 最接近的水分子间的距离从0℃冰时的0.276nm增加 至1.5℃水时的0.29nm，随后83℃水时的0.305nm。
• 仅在温度近-180℃或更低时，所有的氢键才是完 整的。随着温度升高，完整的（固定的）氢键平 均数将逐渐地减少。
六、 水的结构
（Structure of liquid water）
• 液体水具有结构。
– 某个水分子的定向与流动性受到与它相邻分子的影响。 – 水部分地保留了冰的敝开、氢键和四面体排列。 – 冰的熔化热很高，但熔化只打断了冰中约15%的氢键。 – 三个一般模型：混合、填隙和连续（均一）模型。
鳄梨、香蕉、豌豆（绿）
74-80
甜菜、茎椰菜、胡萝卜、马铃薯
80-90
芦笋、菜豆（绿）、卷心菜、花菜、莴苣
90-95
水果
浆果、樱桃、梨
80-85
苹果、桃子、桔子、葡萄柚
85-90
大黄、草莓、蕃茄
90-95
二、水的重要功能
• 是体内化学反应的介质 水为生物化学反应提供一个物理环境。 • 生化反应的反应物 • 养分和代谢物的载体 • 热容量大，体质体温 • 粘度小，有润滑作用 • 生物大分子构象的稳定剂
与共价键（平均键能约355kJ/mol）相比，氢键是弱键 （一般为2-40kJ/mol），它有着较长而多变的键长。
静电力(对氢键键能作出了主要的贡献). 每个水分子至多能与四个其他的分子形成氢键。
克库勒模型
Tetrahedral coordination of Water molecules
• 每个水分子具有数量相等的氢键给予体（hydrogen bond donor)和氢键接受 体（H- bond acceptor)的部位，并且这些部位的排列可以形成三维氢键， 因此，存在于水分子间的吸引力仍然是特别的大。
• 水合氢离子(H3+O)带正电荷，比非离子化水具有更大的氢键给予能力；羟基 (OH-)离子带负电荷，比非离子化水具有更大的氢键接受能力。
与打破分子间氢键所需额外能 量有关的水的性质
• 低蒸汽压 • 高沸点 • 高熔化热 • 高蒸发热
五、冰的结构
（Structure of Ice）
（一）纯冰(Pure ice)
子在毫微秒至微微秒的时间间隔内改变它们与邻近水分子 间的氢键键合关系，增加了水的流动性。
第二节 水和溶质的相互作用 Water-solute interaction
• 混合模型： 分子间氢键短暂地浓集在庞大成簇的水分子中，
后者与其他更稠密的水分子处在动态平衡。
• 连续模型： 分子间氢键均匀地分布在整个水样中，原
存在于冰中的许多键在冰熔化时简单地扭曲而不 是断裂。此模型认为存在着一个由水分子构成的 连续网，具有动态本质。
• 填隙模型： 水保留一种似冰或笼形物结构，而个
别水分子填充在笼形物的间隙中。
短暂、扭曲的 • 在所有的三种模型中，主要的结构特征是在 四面体中液态水分子通过氢键缔合。
一个氢 • 所有的模型也容许各个水分子频繁地改变它们的排列，即 键快速地终止而代之以一个新的氢 键，而在温度不变的条件下，整个体系维持一定的氢键键合和结构的
程度。
水分子中分子间氢键键合的程度取决于温度
第一节 引 言（introduction)
一、水是食品的主要组分之一
➢ 水是生物体系的基本成分: Protein、Carbohydrate、 lipids、nucleic acid、
mineral and water。 ➢主要营养成分：
营养素： Protein、Carbonhydrate、 lipids、 Vitamin、mineral、water、Fibre。 ➢ 每一种食品具有特定的水分含量
冰的结构的复杂性
• 纯冰不仅含有普通的HOH分子，而且还含有离子和 HOH同位素变种(氢有重氢，氧有17.18) 。
• 由于H3O+和OH-的运动和HOH的振动，冰结晶不是完 美的，总存在缺陷。这些缺陷的存在可用于解释 冰中质子的流动性以及当水冻结时直流电导的稍 有减小。
• 冰不是静止的或均一的体系，存在于结晶空隙的 HOH分子可以缓慢地扩散通过晶格，它的特性取决 于温度。
三、水分子
（Water Molecule)
斯陶特模型
小于正方 体的 109.5°
2s
2p
四、水分子的缔合
（ Association of Water Molecules)
形成三维氢键能力（three dimensional H-bond network） 水分子具有在三维空间内形成许多氢键
（hydrogen bond）的能力.这可充分地解释水分子间存在 大的引力。
六方晶系 单斜晶系 正交晶系 三方晶系
斜方双锥
四方双锥
六方晶系的六方金刚石
a.六方柱体 b. 六方双锥 体 c-d. 双晶
冰结晶的对称性
• 普通冰属于六方晶系中的双六方双锥体型。
• 冰还可能以其他9种多晶型结构存在，也可能 以无定形或无一定结构的玻璃态存在。但是在 总的11种结构中，只有普通的六方形冰在0℃ 和常压下是稳定的。
水对食品的结构、外观和质构以及对腐败的敏感性 有着很大的影响。
食主要品食品的水分含量 水分含量%
肉
猪肉、生百度文库分割瘦肉
53-60
牛肉、生的零售部分
50-70
鸡肉、各种级别的去皮生肉
74
鱼、肌肉蛋白质
65-81
水果
浆果、樱桃、梨
80-85
苹果、桃子、桔子、葡萄柚
85-90
大黄、草莓、蕃茄
90-95
蔬菜
• 冰向水转变伴随着最接近的水分子间的距离的增加 最接近的水分子的平均数目的增加。 水的密度在3.98℃达到最大。
• 密度增加 在0℃和3.98℃之间，配位数增加的效应占优势。
• 密度下降 超过3.98℃后，最接近的水分子间的距离增加的效应
（热膨胀）占优势。
• 水的低粘度 水分子的氢键键合排列是高度动态的，允许各个水分
• 在0℃时冰的配位数为4，与最接近的水分子的距离 为0.276nm。
• 当输入熔化潜热时冰熔化，即一些氢键断裂（最接 近的水分子间的距离增加），而其他氢键变形，水 分子呈缔合的流体状态，总体上它们更加紧密。
• 随 着 温 度 提 高 ， 配 位 数 从 0℃ 冰 时 的 4.0 增 加 至 1.50℃水时的4.4时，随后83℃水时的4.9。同时， 最接近的水分子间的距离从0℃冰时的0.276nm增加 至1.5℃水时的0.29nm，随后83℃水时的0.305nm。
• 仅在温度近-180℃或更低时，所有的氢键才是完 整的。随着温度升高，完整的（固定的）氢键平 均数将逐渐地减少。
六、 水的结构
（Structure of liquid water）
• 液体水具有结构。
– 某个水分子的定向与流动性受到与它相邻分子的影响。 – 水部分地保留了冰的敝开、氢键和四面体排列。 – 冰的熔化热很高，但熔化只打断了冰中约15%的氢键。 – 三个一般模型：混合、填隙和连续（均一）模型。
鳄梨、香蕉、豌豆（绿）
74-80
甜菜、茎椰菜、胡萝卜、马铃薯
80-90
芦笋、菜豆（绿）、卷心菜、花菜、莴苣
90-95
水果
浆果、樱桃、梨
80-85
苹果、桃子、桔子、葡萄柚
85-90
大黄、草莓、蕃茄
90-95
二、水的重要功能
• 是体内化学反应的介质 水为生物化学反应提供一个物理环境。 • 生化反应的反应物 • 养分和代谢物的载体 • 热容量大，体质体温 • 粘度小，有润滑作用 • 生物大分子构象的稳定剂
与共价键（平均键能约355kJ/mol）相比，氢键是弱键 （一般为2-40kJ/mol），它有着较长而多变的键长。
静电力(对氢键键能作出了主要的贡献). 每个水分子至多能与四个其他的分子形成氢键。
克库勒模型
Tetrahedral coordination of Water molecules
• 每个水分子具有数量相等的氢键给予体（hydrogen bond donor)和氢键接受 体（H- bond acceptor)的部位，并且这些部位的排列可以形成三维氢键， 因此，存在于水分子间的吸引力仍然是特别的大。
• 水合氢离子(H3+O)带正电荷，比非离子化水具有更大的氢键给予能力；羟基 (OH-)离子带负电荷，比非离子化水具有更大的氢键接受能力。
与打破分子间氢键所需额外能 量有关的水的性质
• 低蒸汽压 • 高沸点 • 高熔化热 • 高蒸发热
五、冰的结构
（Structure of Ice）
（一）纯冰(Pure ice)
子在毫微秒至微微秒的时间间隔内改变它们与邻近水分子 间的氢键键合关系，增加了水的流动性。
第二节 水和溶质的相互作用 Water-solute interaction
• 混合模型： 分子间氢键短暂地浓集在庞大成簇的水分子中，
后者与其他更稠密的水分子处在动态平衡。
• 连续模型： 分子间氢键均匀地分布在整个水样中，原
存在于冰中的许多键在冰熔化时简单地扭曲而不 是断裂。此模型认为存在着一个由水分子构成的 连续网，具有动态本质。
• 填隙模型： 水保留一种似冰或笼形物结构，而个
别水分子填充在笼形物的间隙中。
短暂、扭曲的 • 在所有的三种模型中，主要的结构特征是在 四面体中液态水分子通过氢键缔合。
一个氢 • 所有的模型也容许各个水分子频繁地改变它们的排列，即 键快速地终止而代之以一个新的氢 键，而在温度不变的条件下，整个体系维持一定的氢键键合和结构的
程度。
水分子中分子间氢键键合的程度取决于温度