第二章 水

第二节 水的结构和性质
一、水分子的结构
由两个氢原子和一个氧原子的单键结合 成的非线性极性共价化合物,单个水分子 （气态）的键角为104.5°，接近正四面 体的角度109°28′
SP3
O
H H 104.50
1.84D
二、水分子的缔合与水的三态
由于水分子的极性及两种组成原子的 电负性差别，导致水分子之间可以通过 形成氢键而呈现缔合状态：
第一章
水分(water)
本章内容
➢ 水的作用及重要性 ➢ 水的结构和性质 ➢ 食品中水的类型 ➢ 水分活度与食品腐败 ➢ 吸湿等温线 ➢ 食品的冻结保藏
第一节 概述
一、生物体内所含有的水
➢在大多数生物体内，水分的含量都 超过任何一种物质成分,含量通常占 体重的70—80%
➢水在动植物体内的分布是不均匀的
动可促使此现象提前出现）；出现冰晶时温度迅速回升 到0℃。把开始出现稳定晶核时的温度叫过冷温度。如 果外加晶核，不必达到过冷温度就能结冰，但此时生产 的冰晶粗大，因为冰晶主要围绕有限数量的晶核成长。
一般食品中的水均是溶解了其中可溶性成分所形成 的溶液，因此其结冰温度均低于0℃。把食品中水完 全结晶的温度叫低共熔点，大多数食品的低共熔点在55～-65℃之间。但冷藏食品一般不需要如此低的温 度，如我国冷藏食品的温度一般定为-18℃,这个温度 离低共熔点相差甚多，但已使大部分水结冰，且最大 程度的降低了其中的化学反应。
水是一种特殊的溶剂，其物理性质和热行为有与其 它溶剂显著不同的方面：
a.水的熔点、沸点、介电常数、表面张力、热容 和相变热均比质量和组成 相近的分子高得多。如甲烷的b.p：-162℃ ，m.p：183℃ ，而水在0.1MPa下b.p：100℃ ，m.p：0℃ ； 这些特性将对食品加工中的冷冻和干燥过程产生很大 的影响；
第三节 食品中水的类型
单分子层水 结合水
多分子层水 固态食品中的水
截留水 自由水 毛细管水
自由流动水
一、结合水（束缚水）
(一)、定义: 是食品中可与各非水组分通 过氢键结合的水，是食品中与非水组分 结合得最为牢固的水
（二）、分类：根据与食品中非水组分氢 键结合强弱，分为单分子层水和多分子 层水
1、单分子层水(Monolayer water)
O
H
H
O
H
HO
H
H
由于每个水分子上有四个形成氢键 的位点，每一个水分子可与相邻的4个水 分子同时形成4个氢键，众多的水分子可
通过氢键缔合形成三维取向的立体结构
在通常情况下，水有三种存在状态，即气态、 液态和固态。水分子之间的缔合程度与水的存 在状态有关。在气态下，水分子之间的缔合程 度很小，可看作以自由的形式存在；在液态， 水分子之间有一定程度的缔合，几乎没有游离 的水分子，由此可理解为什么水具有高的沸点； 而在固态也就是结冰的状态下，水分子之间的 缔合数是4，每个水分子都固定在相应的晶格 里，这也是水的熔点高的原因。
物料既不吸湿也不散湿时的大气相对湿度
2、特点： ▪ Aw是食品内在的性质，与食品的组成结
构有关 ▪ ERH与食品平衡时大气的性质有关 3、水分活度的测定：
冰点测定法、相对湿度传感器测定法、 恒定相对湿度平衡室法
二、水分活度与温度的关系
物理化学中的克劳修斯-克拉贝龙方程精确表 示了水分活度与绝对温度（T）之间的关系：
水的缔合程度及水分子之间的距离也与温度有 密切的关系；在0℃ 时，水分子的配位数是4， 相互缔合的水分子之间的距离是0.276nm；当 冰开始熔化时，水分子之间的刚性结构遭到破坏， 此时水分子之间的距离增加，如1.5℃ 时为 0.29nm，但由0℃ ~3.8℃ 时，水分子的缔合 数增大，如1.5℃ 时缔合数是4.4，因此冰熔化 的开始阶段，密度有一个提高的过程；随着温度 的继续提高，水分子之间的距离继续增大，缔合 数逐步降低，因此密度逐渐降低。
动物的血浆、淋巴和尿液，植物导 管和细胞内液泡中的水分都是可以 自由流动的水分
二、结合水与自由水的区别
1、结合水的量与食品中有机大分子的极性基 团的数量有比较固定的比例关系
2、结合水的蒸气压比自由水低得多，沸点高 于一般水，冰点低于一般水，在-40℃以上 不能结冰，自由水在-40℃以上可以结冰
3、结合水对食品的可溶性成分不起溶剂的作 用，而自由水在食品中可作溶剂
4、自由水能为微生物所利用，结合水则不能
5、结合水对食品的风味起着重大作用
第四节 水对食品品质的影响
水对食品“嫩”的影响
水对原料的质量和成品的品质有很大影响，要使成品“嫩”， 首先应该设法保持原料的水分，并在可能的情况下使原料吃 水，使成品达到既鲜嫩又美味的要求。
水对食品的色泽和风味的影响
以油炸食品为例，如果加热时控制好油温和时间，使失水反 应和聚合反应控制得恰到好处，就可以得到既香又脆、原料 内部失水不太多、仍能保持香嫩的成品。
贺氏菌属、克霍伯氏菌属、芽孢杆 蔬菜、肉、鱼及牛奶，熟香肠和面包，含有
菌、产气荚膜梭状芽孢杆菌、一些 约40%(w/w)蔗糖或7%食盐的食品
酵母
一些干酪、腌制肉、一些水果汁浓缩物，含
沙门氏杆菌属、溶副血红蛋白弧菌、 有55%蔗糖（饱和）或12%食盐的食品
dlnAw/d(1/T)=-△H/R……………….(1)
其中R为气体常数，△H为样品中水分的等量 净吸附热。
整理此式：
lnAw=- kΔH/R(1/T)………………(2)
a.由公式(2)可知， lnAw与-1/T之间为一直线关 系，其意义在于：一定样品水分活度的对数在不太 宽的温度范围内随绝对温度的升高而正比例升高。
二、自由水
(一)、定义:组织、细胞中容易结冰、也 能溶解溶质的水
（二）、分类： ▪ 截留水 ▪ 毛细管水 ▪ 自由流动水
1、截留水
食品中被生物膜或凝胶内大分子 交联成的网络所截留的水
主要存在于富水的细胞中或凝胶块 内，在被截留的区域内可以流动， 能使食品变质的反应及微生物活动 在其中进行，单个水分子可透过生 物膜或大分子网络向外蒸发，留下 干瘪的原料或干燥的凝胶
2、毛细管水
食品中毛细管保留的水，是存在于细胞 间隙中的一部分水
管内的水向外蒸发的能力随着毛细管直 径的减小而减弱
容易蒸发，可在毛细管内流动，但不 能流出体外，可用加压的方法将半径 1μm以上的毛细管水压出体外
微生物可生长繁殖、各种化学反应都 可进行，是发生食品腐败变质的适宜环 境
3、自由流动水
图1-1 普通冰的晶胞和结构
在冰的晶体结构中，每个水和另外4个水分子相互 缔合，O－O之间的最小距离为0.276nm，O－O－O之 间的夹角为109°。
当水溶液结冰时，其所含溶质的种类和数量可以影
响冰晶的数量、大小、结构、位置和取向。
纯水结晶时有下列行为：即尽管冰点是0℃，但常 并不在0℃结冻，而是出现过冷状态，只有当温度降低 到零下某一温度时才可能出现结晶（加入固体颗粒或振
b.但在较大的温度范围内， lnAw与-1/T之 间并非始终为一直线关系；当冰开始形成时， lnAw与-1/T曲线中出现明显的折点，冰点以 下lnAw与-1/T的变化率明显加大了，并且不 再受样品中非水物质的影响；这是因为此时水 的汽化潜热应由冰的升华热代替，也就是说前 述的Aw与温度的关系方程中的△H值大大增加 了。要解释冰点以下Aw与样品的组成无关， 现在的观点认为，在冰点以下样品的蒸气分压 等于相同温度下冰的蒸气压，并且水分活度的 定义式中的P0此时应采用过冷纯水的蒸气压。
与非水组分中强极性基团(羧基、氨基)直 接以氢键结合的第一个水分子层中的水，与 非水组分结合的最为牢固，蒸发的能力很弱， 又称Langmuir水，不能被微生物利用,不能 用作介质进行生物化学反应
2、多分子层水(Multilayer water)
强极性基团单分子层外的几个水分子层中 所包含的水，以及与非水组分中弱极性基团 以氢键相结合的水，向外蒸发的能力也较弱
三、水分活度与食品的稳定性
下面几张图说明了食品中的化学反应及微生物的活性与水分活度有密 切的关系，因此食品的水分活度对食品的稳定性产生着巨大的影响。
图1-2 食品中化学反应及微生物活性与Aw的关系
1、微生物的活动与Aw的关系 细菌Aw>0.9，酵母菌 Aw>0.87，大多数霉菌 Aw>0.8 生长繁殖 Aw<0.50 任何微生物都不能生长
正是由于水的以上物理特性，导致含水食品在加
工贮藏过程中的许多方法及工艺条件必须以水为重点 进行考虑和设计；特别是在利用食品低温加工技术是 要充分重视水的热传导和热扩散的特点。
四、冰的结构和性质
冰是水分子通过氢键相互结合、有序排列形成的低 密度、具有一定刚性的六方形晶体结构。普通冰的 晶胞和基础平面可如下图所示：
表1-2 食品中水分活度与微生物生长的关系
aw范围 1.00～0.95
0.95～0.91 0.91～0.87 0.87～0.80
0.80～0.75 0.75～0.65 0.65～0.6 小于0.5
在此范围内的最低aw所能抑制的微 生物种类
在此水分活度范围内的食品
假单胞菌、大肠杆菌变形杆菌、志 极易腐败变质（新鲜）的食品、罐头水果、
第五节 水分活度与食品腐败
一、水分活度
1、定义: 食品的蒸汽压与同温下纯水的蒸汽压的比 值
Aw=P/P0 P0 食品上空水蒸气的分压力
P 随食品中易被蒸发的自由水含量的增多而加大
ERH 平 衡 相 对 湿 度 (Equilibrium Relation
Humidity)
Aw=P/P0=ERH/100
水分子不仅相互之间可以通过氢键 缔合，而且可以和其它带有极性基团的 有机分子通过氢键相互结合，所以糖类、 氨基酸类、蛋白质类、黄酮类、多酚类 化合物在水中均有一定的溶解度。另外， 水还可以作为两亲分子的分散介质，通 过这种途径使得疏水物质也可在水中均 匀分散。
三、水、冰的物理特性及与食品质量关系
在比较冰点以上或冰点以下的水分活度值时应该 注意到以下两个重要的区别。第一，在冰点以上，水 分活度是样品组成和温度的函数，并且样品组成对于 水分活度值有明显的影响；而在冰点以下时，水分活 度与样品的组成无关，仅与温度有关。因此不能根据 冰点以上水分活度值来预测体系中溶质种类和含量对 冰点以下体系发生变化的影响。第二，冰点以上和以 下时，就食品而言，水分活度的意义是不一样的。例 如：在水分活度为0.86的-15℃的食品中，微生物不 再生长，其它化学反应的速度也很慢；但在同样的水 分活度而温度是20℃情况下，一些化学反应将快速 进行，一些微生物也将中等速度生长。
现代食品冷藏技术中提倡速冻，这是因为速冻形成 的冰晶细小，呈针状，冻结时间短且微生物活动受到 更大限制，从而保证了食品品质。
五、液态水的结构
水的三种结构模型:混合、填隙式和连续（均一） 结构特征：在短暂和扭曲的四面体中液态水通过氢 键而缔合，各个水分子通过终止氢键继而形成新氢键 的方式变更结合排列。 冰变成水伴随着最邻近的水分子之间距离增加（降 低密度）和最邻近的水分子平均数目的增加（增加密 度），后者占优势，密度净增加。
b.水的密度较低，水在冻结时体积增加，表现出 异常的膨胀行为，这会使得含水的食品在冻结的过程 中其组织结构遭到破坏；
c.水的热导率较大，然而冰的热导率却是水同温 度下的4倍。这说明冰的热传导速度比非流动水（如 动、植物组织内的水）快得多；因此水的冻结速度比 熔化速度要快得多；
d.冰的热扩散速度是水的9倍，因此在一定的环境 条件下，冰的温度变化速度比水大得多。
三、水在食品中的作用
➢ 作为食品的溶剂 ➢ 作为食品中的反应物或反应介质 ➢ 去除食品加工过程中的有害物质 ➢ 作为食品的浸涨剂 ➢ 作为食品的传热介质 ➢ 是生物大分子化合物构象的稳定剂
四、水的重要性
水的含量、分布和取向不仅对食品 的结构、外观、质地、风味、新鲜 程度和腐败变质的敏感性产生极大 的影响，而且对生物组织的生命过 程也起着至关重要的作用
二、各种食品的含水量
各种食品都有能显示其品质特性的含水量
食品名称
番茄 莴苣 卷心菜 啤酒 柑橘 苹果汁
表1-1 部分食品的含Βιβλιοθήκη Baidu量
水分%
95 95
92 90 87
87
食品名称
牛奶 马铃薯 香蕉 鸡 肉 面包
水分%
87 78 75
70 65 35
食品名称
果酱 蜂蜜 奶油 稻米面粉 奶粉 酥油
水分%
28 20 16 12 4 0