第二章：水

第二章 水（water）
天一生水” 天生一，一生水， 《易经》“天一生水”：天生一，一生水，水 易经》 天一生水 生万物。 大一藏于水” 生万物。“大一藏于水”：即天地宇宙间的物 能量、信息均可包幕、储藏在水中。 质、能量、信息均可包幕、储藏在水中。 本草纲目》中把水置于全书药物的首卷， 《本草纲目》中把水置于全书药物的首卷，并 指出： 盖水为万化之源，土为万物之母， 指出：“盖水为万化之源，土为万物之母，饮 资于水，食资于土，饮食者，人之命脉也， 资于水，食资于土，饮食者，人之命脉也，而 营卫赖之。故曰： 水去则营竭， 营卫赖之。故曰：‘水去则营竭，谷去则卫 ’”这说明早在明代 这说明早在明代， 亡。’”这说明早在明代，人们就注意到水与 健康的密切关系了。 健康的密切关系了。 水广泛地存在于各类食品中， 水广泛地存在于各类食品中，并与食品的质量 和稳定保藏有非常密切的关系。 和稳定保藏有非常密切的关系。
2.冰转变为水时的变化
2.1微观结构上的变化 2.2密度上的变化 两个因素： ①配位数 ②最邻近的水分子之间的距离
第七节 水与溶质的相互作用
1.几个一般概念 几个一般概念
溶质分子基团与水分子的两种作用 （1）溶质分子基团 亲水基团：即具有极性的基团。 疏水基团：即具有非极性的基团。 （2）两种作用 亲水相互作用：亲水基团和水分子之间发生的相吸作 用。 疏水相互作用：疏水基团和水分子之间发生的相互排 斥作用。
具有与稀溶液中水相似的性质，宏观流动不受 阻碍或仅受凝胶或组织骨架阻碍。 能结冰，并具有很大的溶剂能力。
2.2.3结合水和自由水的概念
食品界还普通流行着结合水的概念，它的定义 未统一，但最流行的定义是：在-40 ℃下不结 冰的水。 与结合水对应有自由水的概念，它所指的通常 就是体相水。
3.水与离子和离子基团的相互作用
n1 p＝p 0 × n1＋n 2
2.2.3Aw＝ ERH / 100，为什么？
①举例阐述 密闭条件下，1mol砂糖溶于1000g水中， 在室温下与环境达到平衡，求砂糖溶液 的Aw。 ②注意：当且仅当环境与样品达到平衡时，
Aw＝ ERH / 100才成立。
2.3 Aw的测定
通常通过测定RVP（相对蒸气压p/ p0 ） 或平衡相对湿度ERH得到Aw。 方法： 相对湿度传感器法 平衡相对湿度法：康维氏微量扩散法。 仪器测定的方法：水分活度仪法
1.为什么要引出水分活度的概念？ ①水分含量不是表征食品稳定性的一个可 靠指标。 ②水分活度能够反应水与食品体系中非水组分的
缔合强度，进而可靠的预示食品的稳定性、安 全性。（相对可靠，还与非水组分的性质有关）
2.水分活度的定义和测定方法
2.1定义 路易斯(Lewis)热力学平衡表示法（最早 的） Aw＝ƒ / ƒ0 式中：Aw－水分活度 (Water Activity) ƒ－溶剂（水）逸度 ƒ 0－纯溶剂（纯水）逸度
5.2.1种类：取决于食品的类型和温度。 参见教材P26，图2－21。 5.2.2影响滞后环因素 ①食品的种类 ②温度 ③解吸和回吸时食品发生的物理化学变化 ④解吸和回吸的速度 ⑤ 水分除去的程度
5.3滞后现象的意义
由解吸手段制 得的食品必须 保持更低的 Aw值才能与 由回吸手段制 得的食品保持 相当的稳定性。
2.2.1 Aw＝ p/ p0，为什么？
理论基础 在低压（例如室温）时， ƒ / ƒ 0和p/ p0 之间的差别小于1％。因此Aw可以近似 地表示为Aw＝ p/ p0。
2.2.2Aw=n1/(n1+n2)，为什么？
理论基础 拉乌尔定律：在平衡态时，即当溶质分子 与水分子之间的作用等于水分子之间的 凝聚力时，
第三节 水分子结构 －非线性极性化合物
1.非线性结构
2.部分离子特征（极性）
40%
第四节 水分子的缔合作用
1.缔合的原因
三维氢 键
2.水分子缔合的表观性质
大热容。 高熔点。 高沸点。 高表面张力。 高相变热焓。 高介点常数：水分子簇
第五节 冰的结构
1.纯冰的晶胞结构
2.冰的基础平面
3.冰的扩展结构
彼得·阿格雷
彼得·阿格雷（ Agre， 彼得·阿格雷（Peter Agre， 1949年 30日生），美国医 日生）， 1949年1月30日生），美国医 生和分子生物学家。 生和分子生物学家。因对细胞 膜中的水通道的发现以及对 离子通道的研究， 离子通道的研究，与罗德里 麦金农一起获得了2003 2003年 克·麦金农一起获得了2003年 诺贝尔化学奖。 诺贝尔化学奖。
o o o
3. Aw和温度的关系
3.1关系：一定含水量的食品， Aw和温度 在一定的温度范围内符合Clausius－ Clapeyron方程。
3.2几个结论
4.水分吸附等温线 Moisture sorption isotherms，MSI
4.1定义和意义 4.1.1定义：在恒定温度 下，食品的水分含量 对Aw作图所得到的曲 线。表征了一定温度 下，水分含量和Aw的 关系。 4.1.2意义
4.冰的晶形
冰有11种结晶类型，普通冰（纯冰）的结晶属 于六方晶系的双六方双锥体。此外，还有9中 同质多晶和一种非结晶体（玻璃态体）的无定 形结构。 在常压和0℃ 时，只有六方晶系的冰晶是 稳定的形式。
第六节 水的结构
1.水的结构学说 混合模型：认为氢键短暂地浓集于成簇的水分 子之间，但水分子快速地终止一个氢键，同时 形成一个新的氢键。 连续模型：分子间氢键均匀地分布于整个冰中， 当冰熔化为水时，冰中的许多氢键发生扭曲、 断裂。 填隙模型：水保留冰的三维笼状结构，个别水 分子填充在笼状结构的缝隙中。
凝胶扫描电镜观察
面条凝胶截面观察
2.2分子水平
2.2.1水分子和溶质分子作用力强弱的比较
2.2.2食品体系中水分子的存在状态
－－－从水分子和溶质分子作用力强弱上区别 （1）构成水 概念：指与非水物质结合最强的并作为 非水组分整体部分的结合水。 特点：
这部分水在高水含量食品（90％以上）中占很少部分。 在-40℃下不结冰，无溶剂能力。
2.几个术语
2.1宏观水平 宏观水平
2.1.1水结合（Water binding）和水和（Hydration，也称 水化）：表示水与亲水物质缔合的一种倾向。 2.1.2持水力（Water holding capacity 2.1.2 Water capacity）：常用来描述由 分子（通常是指以低浓度存在的大分子）构成的骨架 截留大量水以防止渗出的能力。 这种以物理方式被截留的水习惯上称之为物理截留水 或截留水。 截留水的性质
第一节 引言
1.水对人，及其它生命体的重要性。
水含量达70%~80%
70%
组织鲜重的 70%~90%
2.Leabharlann Baidu的生理功能
(1)水是机体内化学作用的介质，为生化反应提 供了一个物理环境。 (2)水也是许多生化反应的重要反应物或产物。 (2) (3)水是组织和细胞所需要养分和代谢产物在体 内运输的载体。 (4)水具有对生命现象非常重要的物理性质。
热容大、粘度小
3.水对食品的重要性
(1)水是食品中七大营养素之一。 (2)食品中水的存在形式是食品科技工作者 最关心的问题之一。 (3)食品中的水分含量是许多食品的法定指 标之一。
第二节 水和冰的物理性质
和CH4、NH3、H2S相 比，水和冰的物理性 质（参见教材P8，表 2－2） 六高一低：高沸点、 熔点、表面张力、介 电常数、热容、相变 热；低密度 水转化为冰的反常膨 胀现象。
3.4水的净结构（Net sructure）概念
净结构：水的各种形成的结构，包括原有的和 新形成的结构。 净结构破坏效应：稀盐溶液中，离子与水分子 之间的作用力对水分子的破坏超过新形成的结 构。表现为溶液的流动性比纯水的强 表现为溶液的流动性比纯水的强。 表现为溶液的流动性比纯水的强 净结构形成效应：稀盐溶液中，离子与水分子 之间的作用力对水分子的破坏小于新形成的结 构。表现为溶液的流动性比纯水的弱 表现为溶液的流动性比纯水的弱。 表现为溶液的流动性比纯水的弱
3.1离子和离子基团：能在水中电离的物质（无
机离子），以及有机分子的离子基团。 举例。
3.2水分子与离子和离子基团的作用力
3.2.1种类 偶极↔离子 3.2.2强度：比H2O ↔ H2O氢键强，比共价 健弱。
3.3水分子与离子和离子基团的作用力对水 结构和性质的影响
①与离子最相邻的第一层 水分子将强烈地被打乱。 → 结构水、邻近水 ②第二层或更远的水分子 也将被改变。 → 多层水、体相水 ③ 在浓盐溶液和稀盐溶液 中，离子对水结构的影响 是不同的。
4.1中性基团（亲水性溶质）亲水的原因→ 分子 结构中含有亲水性基团。 举例说明中性基团的亲水性基团？？？ 羟基、氨基、羰基、酰胺基、亚氨基
4.2水与亲水性基团的作用力
种类和强度 对水结构的影响： 没有显著的影响。 “水桥”的形成： 维持大分子的特 定构象。
5.水与非极性物质的相互作用
5.1何谓非极性物质？举例说明。
（3）多层水
概念：指占据单分子覆盖层旁边未覆盖 的非水物表面位置以及单分子覆盖层外 位置并且也受一定束缚的另几层水。 特点： 结合方式：以水↔水和水↔溶质氢键为主。
大多数多层水在-40℃仍不结冰，即使有些结 冰，冰点已大大下降。 溶剂能力部分降低（与纯水相比）。
（4）体相水
概念：指占据着与非水组分相距很远位 置的水。 特点： 结合方式：以水↔水氢键为主。
（2）邻近水
概念：指与非水组分结合强度较次的结合水， 指与非水组分的特异亲水部位通过水↔离子和 水↔偶极缔合而产生强烈的相互作用的水。
说明：构成水和邻近水有区别，可以看成是邻近水的 一部分。
特点：
结合方式：水↔离子和水↔偶极 邻近水达最大含量时，是以在非水组分中易被接近的 强亲水基上都形成单分子水覆盖层（PET层）为准。 邻近水也包括了微毛细管(＜0.1微米直径)中的水。 邻近水在－40℃下不结冰，无溶剂能力。
3.5影响离子改变水净结构的因素
离子的极化力，或者说是离子的电场强 度。 ①小离子和多价离子：极化力强，是水的 净结构形成体。 ②大离子和单价离子：极化力弱，是水的 净结构破坏体。
3.6离子效应的其它影响
影响水的介电常数，及胶体周围的双电子层的 厚度。 葡 萄 酒 体 系
4.水与具有氢键形成能力的中性基团 （亲水性溶质）的相互作用
5.2.3疏水相互作用导致水溶液中蛋白 质折叠
非极性氨基酸侧链约占总氨基酸的40%
6.水与双亲分子的相互作用
6.1何谓双亲分子？
双亲分子示意图
6.2双亲分子与水分子的相互作用
6.2.1形成胶束(团)
油滴分散在水中的微乳液
6.2.2形成反胶束
超过临界浓度
胶束
反胶束
第八节 水分活度（水活性） 和相对蒸气压
6. Aw和食品稳定性
和水分含量相比， Aw是衡量食品稳 定性的一个更可靠的指标。
6.1 Aw与食品中化学反应
6.2 Aw与微生物的生长
6.3 BET单层的控制和食品稳定性
作图法获得BET单 层时的Aw。
4.2分区
说明：食品的低 水分含量部分 MSI的分区更有 意义。
4.3 MSI和温度的关系
5.滞后现象（Hysteresis）和滞 后环（Hysteresis loop）
5.1滞后现象：回 吸手段和解吸手 段所得的MSI不 一致的现象。 滞后环：解吸等温 线和回吸等温线 所形成的环
5.2滞后环的种类和影响因素
2.2表示方法
在分析测定过程中，由于ƒ / ƒ 0不方便测定，所 以应寻找一个方便的、易分析测定的表示式。 Aw＝ p/ p0 ＝ERH / 100=n1/(n1+n2) p－溶液的蒸气分压，即溶液中溶剂水的蒸气压 p0 －相同温度下，纯溶剂（纯水）的蒸气压 ERH－样品与环境达到平衡时的相对湿度 n1 －溶液中溶剂（水）的的摩尔数 n2 －溶液中溶质的摩尔数
5.2水与非极性物质的作用过程
水与非极性物质的作用即：疏水相互作 用。 5.2.1该过程是一个在热力学上不利的过程。 (∆G＞0) 作用的结果：产生了非极性基团的疏水 缔合。 作用力：疏水相互作用。
5.2.2笼状水合物学说
理论基础：基于非极性基团的疏水缔合作用。 理论基础：基于非极性基团的疏水缔合作用。