食品化学_水分

的摩尔数。
可以看出，对于1mol的溶液，蒸汽压为纯
水蒸汽压的55.51/(1+55.51)＝98.23％。
水分活度的定义

水分活度Aw定义为Aw = p/p0
那么1mol溶质的蒸气压相当于纯水蒸气压的 98.23％；如果处在水分平衡状态下，平衡相对 湿度也应当是98.23％。 水分活度(water activity)即某含水体系中的 水蒸汽压和相同温度下纯水蒸气压的比值。这个 定义反映了水溶液中溶剂和溶质粒子数与蒸气压 下降之间的本质关系。它是微生物生长、酶活性 和化学反应与水分之间相关性的最佳表达方式。
水分活度的由来 2
(p0-p)/p0 1-
=n1/(n1+n2)
(1)
(2)
P/P0 =n1/(n1+n2) = n2/(n1+n2)
P/P0 = - n2/(n1+n2)
(3)
(4)
P/P0
水分活度的由来 3

(1)式简化最终得到
p/p0 = n2/(n1+n2)
其中，n1代表溶剂的摩尔数，n2代表溶质
糖种类
木糖 阿拉伯糖
mol/OH
0.58 0.89
ml/g
0.28 0.42
果糖
葡萄糖
0.76
0.70
0.38
0.35
蔗糖
麦芽糖
0.48
0.63
0.20
0.22
表：一些氨基酸结合水的能力

氨基酸结合水量一般为0.3~0.4mg/g干重
氨基酸 Asp 解离态 COOH COO－ mol/残基 2 6 氨基酸 Lys 解离态 NH2 NH3＋ mol/残基 4.5 4.5
毛细水
流动水
自由水
自由水
图：不同食品的等温吸湿曲线

等温吸湿曲线因食品 不同而性状各异。但 只有低水分食品才看 得出曲线的形状。
图：不同温度的等 吸湿曲线也随温度 变化。
等温吸湿曲线中的滞后效应
等温吸湿曲线可以用两种方法绘制：

向绝对干燥的物料中加入水分——回吸 把含水分食品逐渐干燥直到水分为零——解吸
水分活度的由来 1
溶质溶解后，水分子围在溶质分子周围，体
系的自由能降低。水分子不象以前一样容易 逸失到空气中，溶液的蒸汽压降低，冰点降 低，沸点升高。溶液浓度和蒸汽压降低之间 的关系如拉乌尔定律(Raoult’s Law)：


(p0-p)/p0 =n1/(n1+n2)
(1)
1kg水含55.51mole，1mole理想溶质溶在 1kg水中将使蒸汽压降低0.0177，或1.77％。
对称结构冰晶。
水首先冷却成为过冷状态，然后围绕晶核结
冰，冰晶不断长大。快速冻结可以形成较多 晶核和较小冰晶，有利保持食品品质。
图：冰的氢键结构

图为冰的晶胞。其中 配位数为4，两个氧原 子之间的距离为 0.276nm。
冰在不同温度和压力 下有10种晶体结构， 此为第一种。

3 水和溶质的相互作用
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打扰， 发生水-溶质相互作用。
其中包括几种情况：

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
水与离子和离子基团的相互作用
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。
前两者为束缚水或称结合水(bond water)，
后者为自由水(free water)。
自由水与束缚水的性质差异
束缚水/结合水与自由水的不同：

不易蒸发 不易冻结 不能作为溶剂 不能参与化学反应 不能为微生物所利用
自由水则具有上述的各种能力。
5 水分活度
水分活度的由来 水分活度的定义 水分活度的意义 水分活度与温度
水分活度与微生物的繁殖

细菌繁殖活动所需的Aw 一般细菌为0.94－ 0.99，酵母菌0.88左右，霉菌0.80左右。嗜盐 细菌为0.75左右，耐干燥霉菌和高渗酵母为 0.65~0.60。
新鲜食品原料中，水分活度高达0.99，故而极易 腐败，包括果蔬、鱼肉、奶等。 水分活性降到0.75左右后，能生存的微生物种类 受到很大限制，产毒能力丧失。0.70以下，总的 说来食品可以长期保存。 详细信息见课本31页表
质的亲水基团周围形成多层吸附，相当于 0.07~0.33g/g干重
等温吸湿曲线与水的存在状态 2
II区也包括了小部分毛细管水。右边部分
开始了溶解过程，使得反应物可以相遇发生 作用。因此反应速度提高。
III区：Aw在0.8~0.99之间，所含水分
仅仅是因为物理原因被截留于食品当中，但 仍然属于自由水。这部分水可作为溶剂、可 蒸发、可结冰，可被微生物和酶反应利用。
水分含量与食品特性 1
蔬菜含水量在
90%以上。
水分含量与食品特性 2
水果含水量在
80%以上。
水分含量与食品特性 3
肉类含水量在
70%左右。
水分含量与食品特性 4
面包和馒头含
水量在40%左 右。
水分含量与食品特性 5
米和面含水量
在12%左右。
水分含量与食品特性 6
饼干、糖果、
奶粉等食品的 含水量在8% 以下。

水分活度的测定
由于食品中的水溶液体系多非理想溶液，因
而食品中的水分活度并不能通过以上简单计 算而得出，需要进行蒸气压的实际测定。
测定水分活度可以采用冰点降低法、相对湿
度传感器法和恒定相对湿度平衡室法。通常 用水分活度计测定。（详见课本23页）
水分活度与温度 1
水分活度的数值随温度而改变。Aw与T之
含水量Wd：食品中水的重量/完全干燥重
水分Ww
：食品中水的重量/食品总重
Wd = Ww(1-Ww)
图：一个典型的等温吸湿曲线

通常低水分食品可 以作出倒S形的等 温吸湿曲线。 横轴为水分活度， 纵轴为含水量。

等温吸湿曲线的分区

曲线可以划分为三个 区域：
I区：以化合水为主


I、II交界：临近水或 单层吸附水

图：水分活度与微生物和酶反应

微生物在高水分活度下繁殖能力强。酶反应也 随着水分活度上升加快速度。
高中低水分活度食品

水分活度在0.6以下的 食品一般可以长期保存， 为长货架期食品。 水分活度在0.6~0.9之 间为中等水分活度食品 可以在常温下保存数日 至两周。
水分活度0.9以上的食 品通常需要低温保存。

在0℃时，冰中水分子配位数为4。温度上升则配 位数增加；然而水分子间的距离随着温度升高而 加大。在3.98 ℃时，密度达到最大值。
冰的结构
水结冰之后，分子之间以氢键连接形成刚性
结构。由于分子之间的距离大于液态水，冰 的密度比水低，引而结冰后体积增大。
冰有多种晶型，在一般情况下形成正六方形
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。
4 水在食品当中的存在状态
1 2 3
化合水或结构水(constitutional water) 为结合最牢固的水
吸附水或临近水(vicinal water) 包括单 层水和多层水，为吸附水 体相水(bulk phase water)
II区：多层水、少量 毛细管水 III区：体相水


等温吸湿曲线与水的存在状态 1
I
区：水分子和食品成分中的离子基团通过 离子-偶极相互作用牢固结合。Aw在 0~0.25之间，相当于0~0.07g/g干重
吸附在干物质的亲水基团周围形成单层
I、II交界：相当于单分子层吸附水，即水 II区：Aw在0.2~0.85之间，即水在干物
6 等温吸湿曲线
等温吸湿曲线的定义 等温吸湿曲线的分区 等温吸湿曲线与水的存在形式 等温吸湿曲线的滞后效应
等温吸湿曲线的定义
在一定温度下使食品吸湿或者干燥，测定其
含水量与水分活度之间的关系，作出图形， 称为等温吸湿曲线，也称吸湿等温线 (water sorption isotherm)。
Glu
Tyr Phe
COOH COO－
OH O－
2 7.5
3 7.5 0
Val Ala
Ser Pro ProOH
1 1.5
2 3 4
水与非极性基团的相互作用
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”。
2 水和冰的分子结构
水分子的电子结构

氧原子电子结构：1S22S22Px22Py12Pz1 两个共价键和两个孤对电子 四个sp3杂化轨道
水分子的结构特点

sp3杂化轨道顶点连线呈现假想的四面体结构 部分的离子性质 可以通过分子间氢键形成三维网状结构
图：水分子的电子云和共价键
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。
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。其第一 层水分子也失去了自由移动的能力。
表：一些单糖和双糖结合水的能力

单糖结合水 量一般为 0.2~0.4m g/g干重


酶促反应与水分活性
酶反应需要水提供反应介质，有时水本身就