水分活度的概及其与食品稳定性的关系。 食品伙伴网

Multilayer water: 大多数多层水在-40℃下不结冰，其余可结 冰， 但冰点大大降低。
有一定溶解溶质的能力 与纯水比较分子平均运动大大降低 不能被微生物利用
Bulk-phase water: 能结冰，但冰点有所下降 溶解溶质的能力强，干燥时易被除去 与纯水分子平均运动接近很适于微生物生长 和大多数化学反应，易引起Food的腐败变质， 但与食品的风味及功能性紧密相关。
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。
2）氢键作用
分子中的电荷是非对称分布的，产生的分子偶 极矩为1.84 D(库.米)。氢原子几乎成为裸露的 带正电荷的质子后，这个半径很小且带正电荷 的质子。能够和带相对负电荷的另一水分子中 的氧原子之间产生静电引力，这种作用力产生 的能量一般在2-40kJ／mol的范围，比化学键弱， 但比纯分子间力强，称之为氢键。
重点难点：
水分活度的概及其与食品稳定性的关系。
生命之源 组成机体，维持生命活 动、调节代谢
战争之源 “下一场世界大战将是 对水资源的争夺”
水是食品中非常重要的 一种成分，也是构成大 多数食品的主要组成；
水对食品的结构、外观、 外表、质地、风味以及 对腐败的敏感性有着很 大的影响。
人及动物体的机体中：
H2O-侧链OH
疏水水合
H2O-+R→R（水合）
疏水相互作用 R(水合)+R(水合)→R(水
合)+ H2O
相互作用强弱 (与H2O- H2O氢键比较)
较强
近乎相等
∆G>0 ∆G<0
水与溶质相互作用的分类
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⑵ 水与离子基团的相互作用 Interaction of water with Ionic groups
热系数的4 倍，冰的热扩散系数约为水的5 倍， 说明在同一环境中，冰比水能更快的改变自身 的温度。
水和冰的导热系数和热扩散系数上较大的差异， 就导致了在相同温度下组织材料冻结的速度比 解冻的速度快很多。
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固态 液态 汽态
食品的低共熔点在-55~-65℃之间，而我国的冷 藏食品的温度常为 -18℃，因此，冻藏食品的 水分实际上并未完全凝结固化。
一般说来，食品干燥后安全贮藏的水分含量要求 即为该食品的单分子层水。
若得到干燥后食品的水分含量就可以计算食品的 单分子层水含量。
多分子层水：是指单分子层水之外的几个水分子 层包含的水。
细胞与凝胶中水的部分主要是截留水。 持水容量（能力）（water holding
capacity,WHC）：描述一个大分子形成的骨架 截留大量水以防止它渗出的能力。基质分子截 留大量水的能力。
1.截留的大部分水在食品干燥时可以被除去； 2.在冷冻时可以被冻住。 持水力的损害而造成食品质量下降的例子：凝
胶食品脱水收缩，食品解冻时渗水。
⑴水与溶质相互作用 Water -solute interactions
种类
实例
偶极-离子
H2O-游离离子
H2O-有机分子带基团
偶极-偶极
H2O-PR-NH，H2O-PR-CO
2.3 食品中水的存在形式
⑴水与溶质相互作用 ⑵水与离子基团的相互作用 ⑶水与有氢键键合能力中性基团的相互作用
⑷ 水与非极性物质的相互作用
2.4 水分活度与吸着等温线
一、水分活度的定义 二、水分活度的测定方法 三、水分活度与温度的关系 四、水分吸湿等温线 五、滞后现象 六 、水分活度与食品的稳定性 七、低于结冰温度时冰对食品稳定性的影响 八、分子的移动性与食品的稳定性 九、aw和Mm方法研究食品稳定性的比较
b 水的比热大，是体温良好的稳定剂。 c 水是构成集体的重要成分。 d 水可对体内的机械摩擦产生润滑，减少损伤。
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2.1 水和冰的物理特性
水是唯一的以三种物理状态广泛存在的物质
水与元素周期表中邻近氧的某些元素的氢化物 比较（CH4、NH3、 HF、H2S）：
表面张力、介电常数、热容及相变热等异常高
食品中的水不是单独存在的，它会与食品中的 其他成分发生化学或物理作用，因而改变了水 的性质。按照食品中的水与其他成分之间相互 作用强弱可将食品中的水分成：
Constitutional water: 在-40℃下不结冰 无溶解溶质的能力 与纯水比较分子平均运动为0 不能被微生物利用
Vicinal water: 在-40℃下不结冰 无溶解溶质的能力 与纯水比较分子平均运动大大减少 不能被微生物利用 此种水很稳定，不易引起Food的腐败变质。
Why？
水分子间存在三维氢键缔合
与冰比较（密度、热扩散率等）： 水密度大，结冰后体积增大，在冷冻工艺中应当 注意，冰对食品的组织结构造成的机械损伤。
例如：一般的食物在冻结后解冻往往有大量的 汁液流出，其主要原因是冻结后冰的体积比相同 质量的水的体积增大9%，因而破坏了组织结构。
Why?
冻结比解冻快？ 冰的导热系数在0℃时近似为同温度下水的导
结合水定义：存在于溶质及其他非水组分临近 的水，与同一体系中“体相”水相比，它们呈 现出低的流动性和其他显著不同的性质，这些 水在-40℃下不结冰。
注意问题：
表观结合水含量随测定方法而异；
结合水的实际数量随产品而异；例如：
在复杂体系中存在不同结合程度的水；水分子 和食品体系中其他分子的结合方式将随总的水 分含量而改变；
毛细管水：指食品中由于天然形成的毛细管而保 留的水分，是存在于生物体细胞间隙的水。毛 细管的直径越小，持水能力越强，当毛细管直 径小于0.1μm 时，毛细管水实际上已经成为结 合水，而当毛细管直径大于0.1μm 则为自由水， 大部分毛细管水为自由水。
结合水与自由水的区别：结合水在食品中不能作 为溶剂，在-40℃时不结冰，而自由水可以作 为溶剂，在-40℃会结冰。
食品中的结合水的产生除毛细管作用外，大多数 结合水是由于食品中的水分与食品中的蛋白质、 淀粉、果胶等物质的羧基、羰基、氨基、亚氨 基、羟基、巯基等亲水性基团或水中的无机离 子的键合或偶极作用产生的。
根据与食品中非水组分之间的作用力的强弱可将 结合水分成单分子层水和多分子层水。
单分子层水：指与食品中非水成分的强极性基团 如：羧基、氨基、羟基等直接以氢键结合的第一 个水分子层。在食品中的水分中它与非水成分之 间的结合能力最强，很难蒸发，与纯水相比其蒸 发焓大为增加，它不能被微生物所利用。
水的含量:约占60％， 有机物:约占30％， 矿物质:约占 5％。
⑴食品中水的含量
⑵食品中水的功能
㈠水在食品工艺学方面的功能 ㈡水在食品生物学方面的功能
2.1 水和冰的物理特性 2.2 水和冰的结构
㈠ 水分子的结构 ㈡ 分子的缔合 ㈢冰的结构（自学，见参考书） ㈣冰形成分子运动学过程 ㈤ 水的结构 ㈥液态水分子的结构特征
②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。
③静电效应。
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㈢冰的结构（自学，见参考书）
①纯冰 冰有11种结晶类型，普 通冰的结晶属于六方晶 系的双六方双锥体型，
另外，还有9种同质多晶 和1种无定型结构，在常 压和0℃下，这11种结构 只是六方冰结晶才是稳 定的形式。
Chapter 2 水
Water
概述
Introduction
基本要求：
使学生理解水与冰的结构及在食品中的性质； 理解水与离子、离子基团，具有氢键键合能力
的中性基团和非极性物质间的相互作用；
理解水分活度的定义和吸湿等温线； 掌握水分活度对温度的相依性，水分活度与食
品的稳定性的关系；
了解在冰点温度以下，冰与食品质量的关系及 其在储藏和加工中的运用。
（Masakazu Matsumoto,NATURE /VOL 16/28,03,2002）
四个阶段：
--静态化学势能相对稳定期
(t = 256-290 ns); --短暂的化学势能快速衰减期 (t = 290-320ns)； --短暂的化学势能快速增加期 (t = 320-360ns)；
--终止期，化学势能虽有降低 但相对恒定，冰结构完全形成 (t > 360ns)。
H2O分子的四面体结构有对称型 H-O共价键有离子性 氧的另外两对孤对电子有静电力
H-O键具有电负性 单个水分子的键角为_________，接近正四面体的 角度______，O-H核间距______，氢和氧的范德华 半径分别为0.12nm和0.14nm。
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㈡ 分子的缔合
1) 水分子HOH中的氢、氢原子呈V 字形排序， 形成共价键。
尽管如此，在这种温度下绝大部分水已冻结了， 并且是在-1~-4℃之间完成了大部分冰的形成过 程。
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2.2 水和冰的结构 Structure of water and ice
为什么有异常的水和冰物理特性
Why？？？
㈠ 水分子的结构
单个水分子的结构特征
水的异常性质可以推测水分子间存在强烈的吸引力 以及水和冰具有不寻常结构。
每个水分子最多能够与____个水分子通过_____ 结合，每个水分子在_____维空间有相等数目的氢 键给体和受体。
3)水分子在三维空间形成多重氢键键合—每个水 分子具有相等数目的氢键给体和受体，能够在三 维空间形成氢键网络结构。
水分子缔合的原因： ①H-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。
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㈥液态水分子的结构特征
水是呈四面体的网状结构； 水分子之间的氢键网络是动态的； 水分子氢键键合程度取决于温度。
温度（℃） 0 1.5 83
配位数 4 4.4 4.9
分子间距nm 0.276 0.290 0.305
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2.3 食品中水的存在形式
自由水 体相水
截留水
水
化合水
结合水 邻近水
多层水
㈢ 冰的结构
②溶质存在时 ①六方冰晶形成的条件： 在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻 溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的移。
②按冷冻速度和对称要素分，冰可分为四大类： 六方型冰晶 不规则树枝状结晶 粗糙的球状结晶 易消失的球状结晶及各种中间体
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㈣冰形成分子运动学过程
研究了过冷水（230K）体系中冰的形成
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㈤ 水的结构
目前提出的3类水的结构模型: 混合模型：混合模型强调了分子间氢键的概 念， 认为分子间氢键短暂地浓集于成簇的水分 子之间，成簇的水分子与其它更密集的水分子 处于动态平衡。
连续模型：分子间氢键均匀地分布于整个水 样水分子的连续网络结构成动态平衡。 填隙式模型：水保留在似冰状或笼状结构中， 个别的水分子填充在笼状结构的缝隙中。
不应该将结合水看作为完全地被固定，或者说 结合水中相当一部分位移的速度并非等于0。
食品中的水分成结合水、毛细管水和自由水。
结合水：又称为束缚水，是指存在于食品中的与 非水成分通过氢键结合的水，是食品中与非水 成分结合的最牢固的水。
自由水(Free water):是指食品中与非水成分有较 弱作用或基本没有作用的水。水分子可以自由 运动，但在宏观上它是被束缚的。
⑴食品中水的含量
各种食品都有显示其品质的特征 含水量，如:
果蔬：75%-95%； 肉类：50%-80%； 面包：35%-45%； 谷物：10%-15%； 鱼类：70％-80％。
⑵食品中水的功能
㈠ 水在食品工艺学方面的功能：
a 从食品理化性质上讲，水在食品中起着溶解、分 散蛋白质、淀粉等说溶性成分的作用，使它们形成 溶液或凝胶。
b 从食品质地方面讲，水对食品的鲜度、硬度、流 动性、呈味、耐贮性和加工适应性都具有重要的影 响。
c 从食品安全性讲，水是微生物繁殖的必需条件。 d 从食品工艺的角度讲，水起着膨润、浸透、均匀
化等功能。
㈡水在食品生物学方面的功能
a 水是体内化学作用的介质，亦是化学反应的反 应物和产物，是组织或细胞所需养分和代谢物 质以及排泄物质转运的载体。
结合水（bound water）：又称为束缚水义：
1）在低温下不能冻结；
2）不能作为所加入的溶质的溶剂；
3）在质子核磁共振中产生宽线；
4）从沉降速度、粘度、或扩散等实验证明，结合 水和大分子一起运动；
5）结合水存在于溶质及其他非水物质的附近处， 它的性质显著地不同于同一体系中“体相”水 （bulk water）的性质