第二章 水
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Water activity and Moisture Sorption Isotherms
2. 水分活度与温度的关系
¾ 水分含量相同，温度不同，Aw不同; ¾ Clausius-Clapeyron公式.
d ln Aw KΔH =− d (1 / T ) R
ΔH ∗ k 1 ln Aw = − ∗ R T
25
球 状 蛋 白 质 的 疏 水 相 互 作 用 球 状 蛋 白 质 的 疏 水 相 互 作 用
26
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
Introduction 食品的水分含量～食品的腐败性
¾ 存在相关性 ¾ 但发现水分含量相同，腐败性显著不同 ¾ 水分含量不是一个腐败性的可靠指标
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
1.Water activity(Aw)的定义
f Aw = f0 f p ≈ f 0 po
差别1%
f ——溶剂（水）的逸度 f0——纯溶剂（水）的逸度 逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势
p Aw = po
严格
p Aw ≈ po
2.水分活度与温度的关系 冰点以下食品的Aw
Aw =
Pff P0 ( SCW )
=
Pice P0 ( SCW )
29
仅适合理想溶液
RVP,相对蒸汽压
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
1.Water activity(Aw)的定义
水分活度(water acLeabharlann Baiduivity)
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:
结合力是水－水和水－溶质间的氢键
15
2.3 食品中水的存在状态
体相水 Bulk-phase water water that occupies positions furthest removed from nonaqueous constituents. ¾ 能结冰，但冰点有所下降； ¾ 溶解溶质的能力强，干燥时易被除去； ¾ 与纯水分子平均运动接近； ¾ 很适于微生物生长和大多数化学反应，易引起食 品的腐败变质，与食品的风味及功能性紧密相关。
13
2.3 食品中水的存在状态
临近水 Vicinal water Water that strongly interacts with specific hydrophilic sites of nonaqueous constituents by water-ion and water-dipole associations ¾ 在-40℃下不结冰 ¾ 无溶解溶质的能力 ¾ 与纯水比较分子平均运动大大减少 ¾ 不能被微生物利用
¾Aw是样品的内在品质，ERH是与样品平衡的大 气的性质 ¾仅当产品与环境达到平衡时，关系式才能成立
31
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 康维皿法和水分活度仪法 测定的精确性为±0.02
32
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
第二章
Water
水
Contents
水在食品中的含量及作用
本 章 主 要 内 容
水与冰的结构与性质 食品中水的存在状态 水-溶质的相互作用 水分活度和等温吸湿曲线 水分活度与食品稳定性
2
2.1 水在食品中的含量及作用
主要食品的水分含量
¾ 蔬菜含水量在70% 以上; ¾ 水果、液态乳含水 量在80%以上； ¾ 肉类含水量在50% 以上； ¾ 面包和馒头含水量 在40%左右； ¾ 米和面含水量在 12%左右; ¾ 饼干、糖果、奶粉 等食品的含水量在8% 以下。
T: 绝对温度 R: 气体常数 ΔH: 纯水的汽化潜热，是常数，其值为40537.2J/mol K: 达到同样水蒸汽压时食品温度比纯水温度高出的比值
33
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
2. 水分活度与温度的关系
上述关系是：在一定的水分含量 范围内：lnAw与1/T是一种线性 关系。 从作图得到如下结论： A:从水分含量4%到25%，Aw与 温度（5～50℃）关系为直线； B:含水量相等时，温度越高， Aw越大。
水分活度Aw
¾ 水与非水成分缔合强度上的差别 ¾ 比水分含量更可靠，也并非完全可靠 ¾ 与微生物生长和许多降解反应具有相关性
27
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
Introduction
28
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
III. 水与非极性基团的相互作用
¾ 脂肪酸、非极性氨基酸等物质中的非极性基团与水分 子产生排斥作用，可增强周围水分子之间的氢键结合 力，称为“疏水水合作用”。一些疏水小分子的进入可 形成“笼状水合物”。 ¾ 非极性物质之间倾向于彼此结合以减少与水的接触表 面，称为“疏水相互作用”。它是维持蛋白质三级结构 的重要力量之一。
19
2.4 水-溶质的相互作用
I .水与离子和离子基团的相互作用
¾ 水具有偶极，可以和离子发生水合作用。由于离子和 水分子的结合能力高于氢键键能，水分子优先与离子 结合。 ¾ 在所产生的离子水合物当中，水分子被严密地控制在 离子周围，失去自由移动的能力。 ¾ 离子水合物当中的水不能结冰，不能蒸发，不能成为 溶剂，表现和固体一样。
此种水很稳定，不易引起食品的腐败变质。
结合力是结合力是水－离子和水－偶极缔合作用
14
2.3 食品中水的存在状态
多层水 Multilayer water
water that occupies remaining first-layer sites and forms several additional layers around hydrophilic groups of nonaqueous constituents; water-water and water-solute hydrogen bonds predominate. ¾ 大多数多层水在-40℃下不结冰，其余可结冰，但冰点 大大降低。 ¾ 有一定溶解溶质的能力。 ¾ 与纯水比较分子平均运动大大降低。 ¾ 不能被微生物利用
lnAw～1/T
34
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
2. 水分活度与温度的关系
¾在冰点以下也是线性的 ¾温度对Aw的影响 冰点以下＞冰点以上 ¾冰点时直线出现明显的折断
35
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
p Aw = po
30
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
Aw与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关
p ERH n1 Aw = = =N= p0 100 n1 + n2
ERH (Equlibrium Relative Humidity)
2.3 食品中水的存在状态
自由水 体相水 以毛细管力结合的水； 截留水 水 构成水 结合水 以氢键结合力结合的水； 邻近水 多层水
12
2.3 食品中水的存在状态
构成水 Constitutional water
Water is an integral part of a nonaqueous constituents. ¾ 在-40℃下不结冰 ¾ 无溶解溶质的能力 ¾ 与纯水比较分子平均运动为0 ¾ 不能被微生物利用
3
水分含量%
2.1 水在食品中的含量及作用
食品理化性质
起着溶解、分散蛋白质、 淀粉等水溶性成分的作用
水在食品品质方面的作用
食品质构方面
对食品的新鲜度、硬度、 风味、流动性、色泽、耐 贮性和加工适应性有影响 水是微生物繁殖的必需条件 ¾水起着膨润、浸透、均匀 化等功能； ¾大多数食品加工的单元操 作都与水有关，如干燥、 浓缩、冷冻、水的固定等
水与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 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)
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 + R→R（水合） R(水合)+R(水合)→R2(水合)+H2O
24
疏水水合作用（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，此过程称为 疏水水合。 H2O＋R R(水合)
疏水相互作用（hydrophobic interaction）
当水与非极性基团接触时，为减少水与非极性实体的界面面积， 疏水基团之间进行缔合，这种作用称为疏水相互作用。 R(水合)＋R(水合) R2(水合)＋H2O
16
2.3 食品中水的存在状态 小 结：
17
2.4 水-溶质的相互作用
¾ 纯水以氢键结合成连续结构，而如果在水中加入 其他物质，水的原有结构将受到影响，发生水-溶 质相互作用。 ¾ 包括几种情况：
离子与水的相互作用 亲水极性化合物与水的相互作用 疏水物质与水的相互作用
18
2.4 水-溶质的相互作用
6
2.2 水和冰的结构与性质
1、高熔点, 高沸点;
水异常的物理性质
2、介电常数大； 3、表面张力高； 4、热容和相转变热焓高；
熔化热、蒸发热和升华热
5、密度低，凝固时的异常膨胀率; 6、粘度正常
7
2.2 水和冰的结构与性质
Association of water molecules ¾ H-O键间电荷的非对称分 布使H-O键具有极性，这 种极性使分子之间产生引 力。 氢键受体 ¾ 由于每个水分子具有数目 相等的氢键供体和受体， 因此可以在三维空间形成 多重氢键。 氢键供体
22
一些单糖和双糖结合水的能力
糖种类 木糖 阿拉伯糖 果糖 葡萄糖 蔗糖 麦芽糖 mol/OH 0.58 0.89 0.76 0.70 0.48 0.63 mL/g 0.28 0.42 0.38 0.35 0.20 0.22
单糖结合水量一般为0.2~0.4mg/g干重
23
2.4 水-溶质的相互作用
水分子的缔合
8
2.2 水和冰的结构与性质
Structure of ice
冰的结构
¾冰有多种晶型，在一 般情况下形成正六方形 对称结构冰晶。 六方冰晶形成条件：
¾在最适度的低温冷却剂 中缓慢冷冻; ¾溶质的性质及浓度均不 严重干扰水分子的迁移。
9
10
2.3 食品中水的存在状态
食品中水的存在状态
11
4
食品安全性
食品工艺
2.1 水在食品中的含量及作用
水是良好的溶剂； 水为生物化学反应提供一
个必须的物理环境
水在食品生物学方面的作用
水是体内物质运输的载体；
水是维持体温的载温体；
水是体内摩擦的润滑剂；
5
2.2 水和冰的结构与性质
水的结构 Structure of water
¾ 氧原子的4个杂化轨道: 1S2 2px2 2py2 2pz2 ¾ 由于氧的高电负性，O-H共价 键具有部分离子特征
20
水与离子化合物通过离子-偶极作用结合
21
2.4 水-溶质的相互作用
II. 水与极性基团的相互作用
¾ 蛋白质、淀粉、膳食纤维等具有极性基团的物质都可 以与水通过氢键而结合。 ¾ 不同极性基团与水的结合能力不同，其中未解离-NH2 和-COOH结合力最强，-OH和 -CONH-等基团结合力 稍逊。 ¾ 这些物质周围以氢键结合的水称为“临近水”，对维持 大分子构象十分重要。
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 草莓、番茄 蔬菜 青豌豆 甜菜、茎椰菜、胡萝卜、马铃薯 芦笋、青豆、卷心菜 谷物食品 面包、馒头 小麦粉 大米 53-60 50-70 74 65-81 80-85 85-90 90-95 74-80 85-90 90-95 35-45 12-14 12
2. 水分活度与温度的关系
¾ 水分含量相同，温度不同，Aw不同; ¾ Clausius-Clapeyron公式.
d ln Aw KΔH =− d (1 / T ) R
ΔH ∗ k 1 ln Aw = − ∗ R T
25
球 状 蛋 白 质 的 疏 水 相 互 作 用 球 状 蛋 白 质 的 疏 水 相 互 作 用
26
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
Introduction 食品的水分含量～食品的腐败性
¾ 存在相关性 ¾ 但发现水分含量相同，腐败性显著不同 ¾ 水分含量不是一个腐败性的可靠指标
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
1.Water activity(Aw)的定义
f Aw = f0 f p ≈ f 0 po
差别1%
f ——溶剂（水）的逸度 f0——纯溶剂（水）的逸度 逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势
p Aw = po
严格
p Aw ≈ po
2.水分活度与温度的关系 冰点以下食品的Aw
Aw =
Pff P0 ( SCW )
=
Pice P0 ( SCW )
29
仅适合理想溶液
RVP,相对蒸汽压
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
1.Water activity(Aw)的定义
水分活度(water acLeabharlann Baiduivity)
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:
结合力是水－水和水－溶质间的氢键
15
2.3 食品中水的存在状态
体相水 Bulk-phase water water that occupies positions furthest removed from nonaqueous constituents. ¾ 能结冰，但冰点有所下降； ¾ 溶解溶质的能力强，干燥时易被除去； ¾ 与纯水分子平均运动接近； ¾ 很适于微生物生长和大多数化学反应，易引起食 品的腐败变质，与食品的风味及功能性紧密相关。
13
2.3 食品中水的存在状态
临近水 Vicinal water Water that strongly interacts with specific hydrophilic sites of nonaqueous constituents by water-ion and water-dipole associations ¾ 在-40℃下不结冰 ¾ 无溶解溶质的能力 ¾ 与纯水比较分子平均运动大大减少 ¾ 不能被微生物利用
¾Aw是样品的内在品质，ERH是与样品平衡的大 气的性质 ¾仅当产品与环境达到平衡时，关系式才能成立
31
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 康维皿法和水分活度仪法 测定的精确性为±0.02
32
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
第二章
Water
水
Contents
水在食品中的含量及作用
本 章 主 要 内 容
水与冰的结构与性质 食品中水的存在状态 水-溶质的相互作用 水分活度和等温吸湿曲线 水分活度与食品稳定性
2
2.1 水在食品中的含量及作用
主要食品的水分含量
¾ 蔬菜含水量在70% 以上; ¾ 水果、液态乳含水 量在80%以上； ¾ 肉类含水量在50% 以上； ¾ 面包和馒头含水量 在40%左右； ¾ 米和面含水量在 12%左右; ¾ 饼干、糖果、奶粉 等食品的含水量在8% 以下。
T: 绝对温度 R: 气体常数 ΔH: 纯水的汽化潜热，是常数，其值为40537.2J/mol K: 达到同样水蒸汽压时食品温度比纯水温度高出的比值
33
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
2. 水分活度与温度的关系
上述关系是：在一定的水分含量 范围内：lnAw与1/T是一种线性 关系。 从作图得到如下结论： A:从水分含量4%到25%，Aw与 温度（5～50℃）关系为直线； B:含水量相等时，温度越高， Aw越大。
水分活度Aw
¾ 水与非水成分缔合强度上的差别 ¾ 比水分含量更可靠，也并非完全可靠 ¾ 与微生物生长和许多降解反应具有相关性
27
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
Introduction
28
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
III. 水与非极性基团的相互作用
¾ 脂肪酸、非极性氨基酸等物质中的非极性基团与水分 子产生排斥作用，可增强周围水分子之间的氢键结合 力，称为“疏水水合作用”。一些疏水小分子的进入可 形成“笼状水合物”。 ¾ 非极性物质之间倾向于彼此结合以减少与水的接触表 面，称为“疏水相互作用”。它是维持蛋白质三级结构 的重要力量之一。
19
2.4 水-溶质的相互作用
I .水与离子和离子基团的相互作用
¾ 水具有偶极，可以和离子发生水合作用。由于离子和 水分子的结合能力高于氢键键能，水分子优先与离子 结合。 ¾ 在所产生的离子水合物当中，水分子被严密地控制在 离子周围，失去自由移动的能力。 ¾ 离子水合物当中的水不能结冰，不能蒸发，不能成为 溶剂，表现和固体一样。
此种水很稳定，不易引起食品的腐败变质。
结合力是结合力是水－离子和水－偶极缔合作用
14
2.3 食品中水的存在状态
多层水 Multilayer water
water that occupies remaining first-layer sites and forms several additional layers around hydrophilic groups of nonaqueous constituents; water-water and water-solute hydrogen bonds predominate. ¾ 大多数多层水在-40℃下不结冰，其余可结冰，但冰点 大大降低。 ¾ 有一定溶解溶质的能力。 ¾ 与纯水比较分子平均运动大大降低。 ¾ 不能被微生物利用
lnAw～1/T
34
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
2. 水分活度与温度的关系
¾在冰点以下也是线性的 ¾温度对Aw的影响 冰点以下＞冰点以上 ¾冰点时直线出现明显的折断
35
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
p Aw = po
30
2.5 水分活度与等温吸湿曲线
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
Aw与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关
p ERH n1 Aw = = =N= p0 100 n1 + n2
ERH (Equlibrium Relative Humidity)
2.3 食品中水的存在状态
自由水 体相水 以毛细管力结合的水； 截留水 水 构成水 结合水 以氢键结合力结合的水； 邻近水 多层水
12
2.3 食品中水的存在状态
构成水 Constitutional water
Water is an integral part of a nonaqueous constituents. ¾ 在-40℃下不结冰 ¾ 无溶解溶质的能力 ¾ 与纯水比较分子平均运动为0 ¾ 不能被微生物利用
3
水分含量%
2.1 水在食品中的含量及作用
食品理化性质
起着溶解、分散蛋白质、 淀粉等水溶性成分的作用
水在食品品质方面的作用
食品质构方面
对食品的新鲜度、硬度、 风味、流动性、色泽、耐 贮性和加工适应性有影响 水是微生物繁殖的必需条件 ¾水起着膨润、浸透、均匀 化等功能； ¾大多数食品加工的单元操 作都与水有关，如干燥、 浓缩、冷冻、水的固定等
水与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 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)
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 + R→R（水合） R(水合)+R(水合)→R2(水合)+H2O
24
疏水水合作用（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，此过程称为 疏水水合。 H2O＋R R(水合)
疏水相互作用（hydrophobic interaction）
当水与非极性基团接触时，为减少水与非极性实体的界面面积， 疏水基团之间进行缔合，这种作用称为疏水相互作用。 R(水合)＋R(水合) R2(水合)＋H2O
16
2.3 食品中水的存在状态 小 结：
17
2.4 水-溶质的相互作用
¾ 纯水以氢键结合成连续结构，而如果在水中加入 其他物质，水的原有结构将受到影响，发生水-溶 质相互作用。 ¾ 包括几种情况：
离子与水的相互作用 亲水极性化合物与水的相互作用 疏水物质与水的相互作用
18
2.4 水-溶质的相互作用
6
2.2 水和冰的结构与性质
1、高熔点, 高沸点;
水异常的物理性质
2、介电常数大； 3、表面张力高； 4、热容和相转变热焓高；
熔化热、蒸发热和升华热
5、密度低，凝固时的异常膨胀率; 6、粘度正常
7
2.2 水和冰的结构与性质
Association of water molecules ¾ H-O键间电荷的非对称分 布使H-O键具有极性，这 种极性使分子之间产生引 力。 氢键受体 ¾ 由于每个水分子具有数目 相等的氢键供体和受体， 因此可以在三维空间形成 多重氢键。 氢键供体
22
一些单糖和双糖结合水的能力
糖种类 木糖 阿拉伯糖 果糖 葡萄糖 蔗糖 麦芽糖 mol/OH 0.58 0.89 0.76 0.70 0.48 0.63 mL/g 0.28 0.42 0.38 0.35 0.20 0.22
单糖结合水量一般为0.2~0.4mg/g干重
23
2.4 水-溶质的相互作用
水分子的缔合
8
2.2 水和冰的结构与性质
Structure of ice
冰的结构
¾冰有多种晶型，在一 般情况下形成正六方形 对称结构冰晶。 六方冰晶形成条件：
¾在最适度的低温冷却剂 中缓慢冷冻; ¾溶质的性质及浓度均不 严重干扰水分子的迁移。
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10
2.3 食品中水的存在状态
食品中水的存在状态
11
4
食品安全性
食品工艺
2.1 水在食品中的含量及作用
水是良好的溶剂； 水为生物化学反应提供一
个必须的物理环境
水在食品生物学方面的作用
水是体内物质运输的载体；
水是维持体温的载温体；
水是体内摩擦的润滑剂；
5
2.2 水和冰的结构与性质
水的结构 Structure of water
¾ 氧原子的4个杂化轨道: 1S2 2px2 2py2 2pz2 ¾ 由于氧的高电负性，O-H共价 键具有部分离子特征
20
水与离子化合物通过离子-偶极作用结合
21
2.4 水-溶质的相互作用
II. 水与极性基团的相互作用
¾ 蛋白质、淀粉、膳食纤维等具有极性基团的物质都可 以与水通过氢键而结合。 ¾ 不同极性基团与水的结合能力不同，其中未解离-NH2 和-COOH结合力最强，-OH和 -CONH-等基团结合力 稍逊。 ¾ 这些物质周围以氢键结合的水称为“临近水”，对维持 大分子构象十分重要。
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 草莓、番茄 蔬菜 青豌豆 甜菜、茎椰菜、胡萝卜、马铃薯 芦笋、青豆、卷心菜 谷物食品 面包、馒头 小麦粉 大米 53-60 50-70 74 65-81 80-85 85-90 90-95 74-80 85-90 90-95 35-45 12-14 12