第3章 水分
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一、结合水 二、自由水
固态食品中的水
单分子层水Ⅰ型水
结合水（束缚水）多分子层水Ⅱ型水
少部分毛细管水
自由水
大部分的毛细管水Ⅲ型水
截留水
结合水与自由水的性质特点：束缚水在食品内部不
能作溶剂，在－40℃以上不结冰；而相反，自由水在食品 中可作溶剂，在－40℃以上可以结冰。
液态食品中的水则主要是可流动的自由水
单个水分子的结构特征:
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.
2、水分子间的缔合
原因：
➢水分子中的电荷是非对称分布的。由于O 的高电负性，水分子中O－H共用电子对 强烈地偏向于O原子一边，使得H原子带 有部分正电荷（δ＋），成为强极性分子。 每个水分子上的H因正电性可以和另一个 H引2，O分而子形的成负氢电键性，O使原2个子、的3孤个对…电…子水相分吸 子缔合起来。
MSI的实际意义
➢ 由于水的转移程度与aw有关,从MSI图可以看
出食品脱水的难易程度,也可以看出如何组合食 品才能避免水分在不同物料间的转移. ➢ 据MSI可预测含水量对食品稳定性的影响. ➢ 从MSI还可看出食品中非水组分与水结合能 力的强弱.
回吸等温线与解吸等温线
食品和生物材料的回吸等温线
大多数食品的等温 线呈S形，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 以及多聚物含量不 高的食品的等温线 为J形。
4、冻结食品中的水分活度Aw的意义 ①在冻结温度以上, aw是样品组分与温度的函数, 且前者是主要因素,在冻结温度以下, aw与样品组 分无关,只取决于温度,不能根据aw预测受溶质影 响的冰点以下发生的过程,如扩散控制 过程,催化 反应等. ②冻结温度以上和以下aw对食品稳的影响是不同 的.
二、吸湿等温曲线（MSI）
第五节 食品中水分与食品保藏性
一、非冻结食品中水分活度与食品保藏性 二、水分与冷冻食品 三、水分活度与食品包装
1、水分活度的概念 水分活度是指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: aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
其中， P－溶液中水蒸汽压 P0－纯水饱和蒸汽压 ERH (equilibrium relative humidity)即样品周围环境的平衡
相对湿度(%)。
Aw＝ (1000／18.016)＋1 ＝0.98
Aw代表了食品中水分被蒸发的程度(主要指自由水), 它更能体现食品中水分与食品保藏性的关系。
2、Aw与温度有关
➢P、P0、ERH等都与温度有关，所以， Aw也与温度有关。即：不同温度下的Aw 不同。
3、Aw大小与食品中水分的状态－被非水组分束 缚的程度有关
18.0153
0.000℃ 100.000℃ 373.99℃
22.14Mpa(218.6atm)
0.01℃和611.73pa(4.589mmHg)
6.012KJ(1.436Kcal)/mol
40.657KJ(9.711Kcal)/mol
50.91KJ(12.06Kcal)/mol
20℃ 0℃ 0℃(冰) -20℃(冰)
结合水：指食品中那些与非水组分通过氢键 结合的水。
1、单分子层水 ：指与强极性基团（如－COOH、－NH2等） 直接以氢键结合的第一个水分子层的水称单分子层水。
单层值
2、多分子层水 ：指的是在强极性基团单分子层水以外的几 个水分子层中的水，以及与非水组分中弱极性基团以氢键相 结合的水。
自由水：除开束缚水外，剩余的那部分水都称为自由水。
1、毛细管水 ：食品中的组织含有天然的毛细管，其内部保 留的水称为毛细管水，实际上主要存在于细胞间隙中。
2、截留水 指食品中被生物膜或凝胶大分子交联成的网络所 截留的水，主要存在于富含水分的细胞中或凝胶块中。
第四节 水分活度与等温吸湿曲线
一、水分活度）
水分子间的吸引力比同样靠氢键结合在一起 的其他小分子要大得多(例如NH3和HF)。
H
O+
H
H
HX OH
HX
图3-3 水合氢离子的结构及 其和氢键结合的可能结 构(虚线表示氢键)
图3-4 氢氧根离子的结构和 氢键结合的可能结构(虚 线 表 示 氢 键 ， HX 代 表 溶
质或水分子)
3、冰的结构
0℃冰中水分子的配位数等于4。
I区
II区
0-0.25
0.25-0.85
1-6.5
6.5-27.5
不能冻结 不能冻结
无
轻微-适度
单分子层水 多分子层水
不可利用 部分可利用
III区 ＞0.85 ＞ 27.5 正常 正常 自由水 可利用
4、吸湿等温曲线的“滞后”现象
定义:采用向干燥样品中添加水（回吸作用）的 方法绘制水分吸着等温线和按解吸过程绘制的 等温线并不相互重叠，这种不重叠性称为滞后 现象(hysteresis)。很多种食品的水分吸着等温 线都表现出滞后现象。
第3章 水分 Water
主要内容
一节 水在生物体内的含量、功能与供给量 二节 水的结构与性质
三节 食品中水分状态 四节 水分活度与等温吸湿曲线 五节 食品中水分与食品保藏性 六节 水分的测定 重、难点：水分状态、水分活度与等温吸湿 曲线
第二节 水的结构与性质
一、水的结构 二、水与冰的性质
一、水的结构
1、吸湿等温曲线的定义 ：
• 在恒定的温度下，将食品的Aw值作横坐标， 此时达到平衡的食品含水量（用每单位干物质 质量中水的质量表示）为纵坐标所描绘的曲线 就称为等温吸湿曲线（moisture sorption isotherms,MSI）。
广泛范围水分含量的吸 湿等温线图
低水分含量范围食品的吸湿 等温线
水 分 子 的 缔 合
➢如果以1个H2O为中心，它可以与另外4个H2O 之间同时形成4个氢键，其中中心分子做了2次氢 供体和2次氢受体。理论上讲，每个H2O分子都 可以成为中心分子，只要不在界面上，与4个 H2O分子缔合成正四面体。液态水就是由若干水 分子以三维氢键缔合而成的高度组织化的整体－
称“水分子簇”。
根据拉乌尔定律，稀溶液的蒸汽压下降率等于溶质 （所占的）的摩尔分数：
（P0－P）／P0＝n2／（n1 ＋n2） 其中，n1 、n2分别 为水、溶质的摩尔数；
那么，P／P0＝n1／（n1 ＋n2）＝Aw
所以，Aw =P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
例如，1摩尔砂糖溶于1000克水，该溶液的Aw是： 1000／18.016
0.99821 0.99984 0.9168 0.9193
1.002×10-3 1.793×10-3 ─
─
72.75×10-3 75.64×10-3 ─
─
2.3388 0.6113 0.6113 0.103
4.1818 4.2176 2.1009 1.9544
0.5984 0.5610 2.240 2.433
1表示40℃时的曲线，其余的均为 20℃。 1. 糖果（主要成分为粉末 状蔗糖）； 2. 喷雾干燥菊苣根提 取物； 3. 焙烤后的咖啡； 4. 猪胰 脏提取物粉末； 5. 天然稻米淀粉
2、等温吸湿曲线与温度的关系
马铃薯在不同温度下的水分解吸等温线
3、等温吸湿曲线的分区
MSI上不同区水分特性
区
Aw 含水量% 冷冻能力 溶剂能力 水分状态 微生物利用
水分吸着等温线的滞后现象
滞后现象产生的原因
▪ 解吸过程中一些水分与非水溶液成分作用 而无法放出水分.
▪ 不规则形状产生毛细管现象的部位,欲填满 或抽空水分需不同的蒸汽压(要抽出需P内＞P外, 要填满则需P外＞ P内).
▪ 解吸作用时,因组织改变,当再吸水时无法紧 密结合水,由此可导致回吸相同水分含量时处于 较高的aw.
1.4×10-7 1.3×10-7 11.7×10-7 11.8×10-7
80.20 87.90 ~90 ~98
水和冰相比，与食品有关的性质差异：
1、就密度而言，水>冰。 2、冰的导热系数与水存在差异。 3、水的介电常数高。 4、水的沸点、熔点高。 5、食品中含有一定的水溶性成分。
第三节 食品中的水分状态
相对分子质量
相变性质
熔点(101.3kpa) 沸点(101.3kpa) 临界温度
临界压力
三相点
熔化热(0℃) 蒸发热(100℃) 升华热(0℃) 其他性质
密度(g/cm3) 粘度(pa ·sec) 界面张力(相对于空气)(N/m) 蒸汽压(kpa) 热容量(J/g·k) 热传导(液体)(W/m·k) 热扩散系数(m2/S) 介电常数
1、水的分子结构
水分子(H2O)中:
➢O原子的外层电子构型为2S22P4，成键时先行杂化 而成4个SP3杂化轨道，其中两个轨道有未成对的单 电子，另两个轨道各有一对成对的电子，四个轨道 成正四面体;前两个轨道未成对电子分别与2个H原子 的1S轨道重叠产生两个O－H共价键，结合成两个σ 共价键(具有40%离子特性)，即形成一个水分子。
➢冰与水之间存在状态、性质上的差异， 所15以食品中的水分转变为冰之后，会 随之造成食品外观、质量等的改变。
二、水与冰的性质
• H2O的熔点、沸点、熔化热、蒸发热、表 面张力、介电常数等都明显的高，这些 都应功于水分子间的三维氢键缔合。
表3-2 水和冰的物理常数（P13）
物理量名称
物 理常数值
固态食品中的水
单分子层水Ⅰ型水
结合水（束缚水）多分子层水Ⅱ型水
少部分毛细管水
自由水
大部分的毛细管水Ⅲ型水
截留水
结合水与自由水的性质特点：束缚水在食品内部不
能作溶剂，在－40℃以上不结冰；而相反，自由水在食品 中可作溶剂，在－40℃以上可以结冰。
液态食品中的水则主要是可流动的自由水
单个水分子的结构特征:
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.
2、水分子间的缔合
原因：
➢水分子中的电荷是非对称分布的。由于O 的高电负性，水分子中O－H共用电子对 强烈地偏向于O原子一边，使得H原子带 有部分正电荷（δ＋），成为强极性分子。 每个水分子上的H因正电性可以和另一个 H引2，O分而子形的成负氢电键性，O使原2个子、的3孤个对…电…子水相分吸 子缔合起来。
MSI的实际意义
➢ 由于水的转移程度与aw有关,从MSI图可以看
出食品脱水的难易程度,也可以看出如何组合食 品才能避免水分在不同物料间的转移. ➢ 据MSI可预测含水量对食品稳定性的影响. ➢ 从MSI还可看出食品中非水组分与水结合能 力的强弱.
回吸等温线与解吸等温线
食品和生物材料的回吸等温线
大多数食品的等温 线呈S形，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 以及多聚物含量不 高的食品的等温线 为J形。
4、冻结食品中的水分活度Aw的意义 ①在冻结温度以上, aw是样品组分与温度的函数, 且前者是主要因素,在冻结温度以下, aw与样品组 分无关,只取决于温度,不能根据aw预测受溶质影 响的冰点以下发生的过程,如扩散控制 过程,催化 反应等. ②冻结温度以上和以下aw对食品稳的影响是不同 的.
二、吸湿等温曲线（MSI）
第五节 食品中水分与食品保藏性
一、非冻结食品中水分活度与食品保藏性 二、水分与冷冻食品 三、水分活度与食品包装
1、水分活度的概念 水分活度是指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: aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
其中， P－溶液中水蒸汽压 P0－纯水饱和蒸汽压 ERH (equilibrium relative humidity)即样品周围环境的平衡
相对湿度(%)。
Aw＝ (1000／18.016)＋1 ＝0.98
Aw代表了食品中水分被蒸发的程度(主要指自由水), 它更能体现食品中水分与食品保藏性的关系。
2、Aw与温度有关
➢P、P0、ERH等都与温度有关，所以， Aw也与温度有关。即：不同温度下的Aw 不同。
3、Aw大小与食品中水分的状态－被非水组分束 缚的程度有关
18.0153
0.000℃ 100.000℃ 373.99℃
22.14Mpa(218.6atm)
0.01℃和611.73pa(4.589mmHg)
6.012KJ(1.436Kcal)/mol
40.657KJ(9.711Kcal)/mol
50.91KJ(12.06Kcal)/mol
20℃ 0℃ 0℃(冰) -20℃(冰)
结合水：指食品中那些与非水组分通过氢键 结合的水。
1、单分子层水 ：指与强极性基团（如－COOH、－NH2等） 直接以氢键结合的第一个水分子层的水称单分子层水。
单层值
2、多分子层水 ：指的是在强极性基团单分子层水以外的几 个水分子层中的水，以及与非水组分中弱极性基团以氢键相 结合的水。
自由水：除开束缚水外，剩余的那部分水都称为自由水。
1、毛细管水 ：食品中的组织含有天然的毛细管，其内部保 留的水称为毛细管水，实际上主要存在于细胞间隙中。
2、截留水 指食品中被生物膜或凝胶大分子交联成的网络所 截留的水，主要存在于富含水分的细胞中或凝胶块中。
第四节 水分活度与等温吸湿曲线
一、水分活度）
水分子间的吸引力比同样靠氢键结合在一起 的其他小分子要大得多(例如NH3和HF)。
H
O+
H
H
HX OH
HX
图3-3 水合氢离子的结构及 其和氢键结合的可能结 构(虚线表示氢键)
图3-4 氢氧根离子的结构和 氢键结合的可能结构(虚 线 表 示 氢 键 ， HX 代 表 溶
质或水分子)
3、冰的结构
0℃冰中水分子的配位数等于4。
I区
II区
0-0.25
0.25-0.85
1-6.5
6.5-27.5
不能冻结 不能冻结
无
轻微-适度
单分子层水 多分子层水
不可利用 部分可利用
III区 ＞0.85 ＞ 27.5 正常 正常 自由水 可利用
4、吸湿等温曲线的“滞后”现象
定义:采用向干燥样品中添加水（回吸作用）的 方法绘制水分吸着等温线和按解吸过程绘制的 等温线并不相互重叠，这种不重叠性称为滞后 现象(hysteresis)。很多种食品的水分吸着等温 线都表现出滞后现象。
第3章 水分 Water
主要内容
一节 水在生物体内的含量、功能与供给量 二节 水的结构与性质
三节 食品中水分状态 四节 水分活度与等温吸湿曲线 五节 食品中水分与食品保藏性 六节 水分的测定 重、难点：水分状态、水分活度与等温吸湿 曲线
第二节 水的结构与性质
一、水的结构 二、水与冰的性质
一、水的结构
1、吸湿等温曲线的定义 ：
• 在恒定的温度下，将食品的Aw值作横坐标， 此时达到平衡的食品含水量（用每单位干物质 质量中水的质量表示）为纵坐标所描绘的曲线 就称为等温吸湿曲线（moisture sorption isotherms,MSI）。
广泛范围水分含量的吸 湿等温线图
低水分含量范围食品的吸湿 等温线
水 分 子 的 缔 合
➢如果以1个H2O为中心，它可以与另外4个H2O 之间同时形成4个氢键，其中中心分子做了2次氢 供体和2次氢受体。理论上讲，每个H2O分子都 可以成为中心分子，只要不在界面上，与4个 H2O分子缔合成正四面体。液态水就是由若干水 分子以三维氢键缔合而成的高度组织化的整体－
称“水分子簇”。
根据拉乌尔定律，稀溶液的蒸汽压下降率等于溶质 （所占的）的摩尔分数：
（P0－P）／P0＝n2／（n1 ＋n2） 其中，n1 、n2分别 为水、溶质的摩尔数；
那么，P／P0＝n1／（n1 ＋n2）＝Aw
所以，Aw =P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
例如，1摩尔砂糖溶于1000克水，该溶液的Aw是： 1000／18.016
0.99821 0.99984 0.9168 0.9193
1.002×10-3 1.793×10-3 ─
─
72.75×10-3 75.64×10-3 ─
─
2.3388 0.6113 0.6113 0.103
4.1818 4.2176 2.1009 1.9544
0.5984 0.5610 2.240 2.433
1表示40℃时的曲线，其余的均为 20℃。 1. 糖果（主要成分为粉末 状蔗糖）； 2. 喷雾干燥菊苣根提 取物； 3. 焙烤后的咖啡； 4. 猪胰 脏提取物粉末； 5. 天然稻米淀粉
2、等温吸湿曲线与温度的关系
马铃薯在不同温度下的水分解吸等温线
3、等温吸湿曲线的分区
MSI上不同区水分特性
区
Aw 含水量% 冷冻能力 溶剂能力 水分状态 微生物利用
水分吸着等温线的滞后现象
滞后现象产生的原因
▪ 解吸过程中一些水分与非水溶液成分作用 而无法放出水分.
▪ 不规则形状产生毛细管现象的部位,欲填满 或抽空水分需不同的蒸汽压(要抽出需P内＞P外, 要填满则需P外＞ P内).
▪ 解吸作用时,因组织改变,当再吸水时无法紧 密结合水,由此可导致回吸相同水分含量时处于 较高的aw.
1.4×10-7 1.3×10-7 11.7×10-7 11.8×10-7
80.20 87.90 ~90 ~98
水和冰相比，与食品有关的性质差异：
1、就密度而言，水>冰。 2、冰的导热系数与水存在差异。 3、水的介电常数高。 4、水的沸点、熔点高。 5、食品中含有一定的水溶性成分。
第三节 食品中的水分状态
相对分子质量
相变性质
熔点(101.3kpa) 沸点(101.3kpa) 临界温度
临界压力
三相点
熔化热(0℃) 蒸发热(100℃) 升华热(0℃) 其他性质
密度(g/cm3) 粘度(pa ·sec) 界面张力(相对于空气)(N/m) 蒸汽压(kpa) 热容量(J/g·k) 热传导(液体)(W/m·k) 热扩散系数(m2/S) 介电常数
1、水的分子结构
水分子(H2O)中:
➢O原子的外层电子构型为2S22P4，成键时先行杂化 而成4个SP3杂化轨道，其中两个轨道有未成对的单 电子，另两个轨道各有一对成对的电子，四个轨道 成正四面体;前两个轨道未成对电子分别与2个H原子 的1S轨道重叠产生两个O－H共价键，结合成两个σ 共价键(具有40%离子特性)，即形成一个水分子。
➢冰与水之间存在状态、性质上的差异， 所15以食品中的水分转变为冰之后，会 随之造成食品外观、质量等的改变。
二、水与冰的性质
• H2O的熔点、沸点、熔化热、蒸发热、表 面张力、介电常数等都明显的高，这些 都应功于水分子间的三维氢键缔合。
表3-2 水和冰的物理常数（P13）
物理量名称
物 理常数值