食品化学课件水

邻近水
多层水
BET
真实单层
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MSI与温度的关系
•
水分含量一定 T↑，Aw↑ Aw一定 T↑，水分含量↓
•
滞后现象（Hysteresis）
回吸：把水加到干的样品中 解吸：使样品干燥 滞后现象（Hysteresis）： 回吸与解吸所得的等温线不重叠现象即 为“滞后现象”（Hysteresis）。
仅适合理想溶液 RVP,相对蒸汽压
• 水分活度(water activity) • 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:
p Aw po
Aw与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关
p ERH Aw p0 100
ERH (Equlibrium Relative Humidity)
自由水 体相水 以毛细管力结合的水,毛细管Βιβλιοθήκη Baidu 水 截留水 构成水
结合水
以氢键结合力结合的水；邻近水
多层水
小结
2.6 水与溶质的相互作用
水与离子基团的相互作用 由于水中添加可解离的溶 质，使纯水靠氢键键合形 成的四面体排列的正常结 构遭到破坏。对于既不具 有氢键受体又没有给体的 简单无机离子，它们与水 相互作用时仅仅是离子偶极的极性结合。
2.2 水分子
2.3 水分子的缔合 2.3 Association of water molecules
氢键供体
1. 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. 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.
氢键受体
水与双亲分子的相互作用 双亲分子包括：脂肪酸盐、蛋白质、糖脂、 等
2.7 水分活度与相对蒸汽压
1.Water activity(Aw)的定义
f Aw f0
f ——溶剂（水）的逸度 f0——纯溶剂（水）的逸度 逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势
f p f 0 po
差别1%
p Aw po
p Aw po
滞后环
•
一般来说，当Aw一定 时，解吸过程中食品 的水分含量大于回吸 过程中水分含量。 解吸线在上方
滞后环形状取决于 食品品种 温度
•
高糖-高果胶食品
空气干燥苹果
•
•
•
总的滞后现象明显 滞后出现在单分子层 水区域 Aw ＞ 0.65 时 ， 不 存 在 滞后
高蛋白食品
冷冻干燥熟猪肉
• • •
冰点以下水活度与温度的关系
(1)在冰点以下的温度呈 线性关系。 (2)湿度对冰点以下的aw 的影响一般远远超过对冰 点以上的aw的影响。 (3) 该图在样品的冰点处 不连续并产生急剧的转折。
比较冰点以上和冰点以下Aw:
• •
•
•
在冰点以上，Aw是样品组成与温度的函数，前者 是主要的因素; 在冰点以下，Aw与样品的组成无关，而仅与温度 有关，即冰相存在时， Aw不受所存在的溶质的种 类或比例的影响，不能根据Aw 预测受溶质影响的 反应过程 不能根据冰点以下温度Aw预测冰点以上温度的Aw 当温度改变到形成冰或熔化冰时，就食品稳定性 而言，水分活度的意义也改变了
水在疏水表面的取向
大多数蛋白质分子中大约40%的氨 基酸含有非极性基团。
蛋白质的非极性基团包括丙氨酸的 甲基、苯丙氨酸的苄基、缬氨酸的 异丙基、半胱氨酸的巯基、亮氨酸 的仲丁基和异丁基。其他化合物例 如醇类、脂肪酸和游离氨基酸的非 极性基团也参与疏水相互作用。
非极性物质具有两种特殊的性质：
•蛋白质分子产生的疏水相互作用 （hydrophobic interaction） ������ •非极性物质能和水形成笼形水合物 （clathratehydrates）
•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。
2.8 水分活度与食品稳定性
疏水水合 Hydrophobic hydration
&向水中添加疏水物质时，由于它们与水分 子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子 之间的氢键键合增强，使得熵减小，此过程 成为疏水水合。
疏水相互作用 Hydrophobic interaction &当水与非极性基团接触时，为减少水与非 极性实体的界面面积，疏水基团之间进行缔 合，这种作用成为疏水相互作用。
第二章 水
Chapter 2 Water
Contents
引言
本 章 主 要 内 容
水分子 水分子的缔合 冰的结构 水-溶质相互作用 水分活度和相对蒸汽压 分子流动性和食品稳定性
2.1 引言 Introduction 水是食品的主要成分之一，各种食品都有显 示其品质的特征含水量, 大多数生物体内水分含量为70% -80%, 果蔬: 75%-95%, 肉类:50%-80%, 面:35%-45%, 谷物:10%-15%。
水与有氢键键合能力中性基团的相互作用 Interaction of water with neutral groups possessing hydrogen-bonding capabilities
水与溶质之 间的氢键键合 比水与离子之 间的相互作用 弱。氢键作用 的强度与水分 子之间的氢键 相近。 水能与某些基团， 例如羟基、氨基、 羰基、酰氨基和亚 氨基等极性基团， 发生氢键键合。
水与疏水基团的相互作用 Interaction of water with nonpolarsubstances
水中加入疏水性物质
疏水基团与水分 子产生斥力，从而 使疏水基团附近的 水分子之间的氢键 键合增强,结构更为 有序 疏水基团之间相互
聚集，从而使它们与 水的接触面积减小， 结果导致自由水分子 增多
Water activity and food stability
低水分活度能抑制食品化学变化的机理
第一, 大多数化学反应都必须在水溶液中才能进行，则食品 中结合水的比例增加, 自由水的比例减少。 第二 , 很多化学反应是属于离子反应, 该反应发生的条件是 反应物首先必须进行离子化或水化作用, 而发生离子化或水 化作用的条件必须有足够的自由水才能进行。 第三, 很多化学反应和生物化学反应都必须有水分子参加才 能进行( 如水解反应）。若降低水分活度, 就减少了参加反 应的自由水的数量, 反应物( 水 ) 的浓度下降, 化学反应 的速度也就变慢。
高水分食品的MSI

从正常至干燥的整个 水分含量范围
低水分食品的MSI
加水回吸时，试样的组 成从区Ⅰ（干）移至区 Ⅲ（高水分） 各区相关的水的性质存 在着显著的差别（实际 是连续变化的）
区Ⅰ的水的性质：





构成水和邻近水 最强烈地吸附 最少流动 水－离子或水－偶 极相互作用 在-40℃不结冰 不能作为溶剂 看作固体的一部分 占总水量极小部分
区Ⅱ的水的性质：
• • • •
•
•
多层水 通过氢键与相邻的水分 子和溶质分子缔合 流动性比体相水稍差 大部分在-40℃不结冰 导致固体基质的初步肿 胀 区Ⅰ和区Ⅱ的水占总水 分的5%以下
区Ⅲ的水的性质：
• • • •
体相水 被物理截留或自由的 性质与稀盐溶液中的水 类似 占总水分的95%以上
BET单层：
Aw是样品的内在品质，ERH是与样品平衡的大气
的性质
仅当产品与环境达到平衡时，关系式才能成立
食品水分活度与含水量的关系
水分活度与温度的关系
• 马铃薯淀粉的水分活度与温度 的Clausius—Clapeyron）关系 1）在含水量一定的 情况下，水活分度 的对数与绝对温度 的倒数呈良好的线 性关系 2）水分活度对温度 的相依性是含水量 的函数。
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There are general water activity limits for growth of molds, yeasts and bacteria
aw < 0.5 no growth������ aw > 0.5 xerophilic（耐干燥） molds and yeasts������ aw > 0.75 halophilic（耐盐的） bacteria aw > 0.8 most molds and yeasts ������ aw > 0.86 pathogenic（致病的） bacteria
六、水分活度与食品稳定性 1.Microbiological stability —Aw
• Microorganisms may grow above a given, food material specific water content
• Microorganisms do not grow at low water activities • Growth of microorganisms may occur in intermediate moisture foods
水分吸湿等温线 Moisture Sorption Isotherms 定义： 在恒定的温度下，食品的水分含量(用 单位干物质质量中水的质量表示，g水／g 干物质)与它的水分活度之间的关系图称 为吸附等温线（简称MSI）。
不同食品类型的MSI
• 大多数食品的吸湿等温线为S形； • 而水果、糖制品、含有大量糖和其它可溶 性小分子的咖啡提取物等食品的吸湿等温 线为J形。
Aw＜0.85开始出现滞 后 滞后不严重 回吸和解吸等温线均 保持S形
淀粉质食品
冷冻干燥大米
•
•
存在大的滞后环 Aw=0.70时最严重
温度的影响
• 苹果：当温度从2.8度提高到37.9度时，滞 后现象的起始点从0.65转移至0.20； • 猪肉：水分活度从0.95转移至0.60
滞后现象产生的原因
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• •
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区Ⅰ和Ⅱ接界 0.07g H2O/ g干物质 Aw =0.2 相当于一个干制品能呈 现最高的稳定性时含有 的最大水分含量
真实单层：
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区Ⅱ和Ⅲ接界
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0.38g H2O/ g干物质
Aw =0.85
Water activity and Moisture Sorption Isotherms
2.4 冰的结构 2.4 Structure of ice 冰是水分子有序 排列形成的晶体。 水结冰时分子 之间氢键连接在一 起形成低密度的刚 性结构。
六方形冰晶 Hexagonal Ice
0℃时普通冰的晶胞
Ice-six (Ice VI)
2.5 食品中水的存在状态
Categories of water in foods
在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效应（Net
structure-breaking effect), 这些离子大多为 负离子和大的正离子，如：K+, Rb+, NH4+, Cl-, ClO4- 等。 Cs+, Br-，I-, NO3-,BrO3-, IO3-，
另外一些离子具有净结构形成效应（Net structure-forming effect),这些离子大多是电 场强度大，离子半径小的离子。如：Li+, Na+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+，F-,OH-, 等。
球状蛋白质的疏水相互作用
疏水基团缔合或发生 疏水相互作用引起了 蛋白质的折叠。 疏水相互作用是蛋白质 折叠的主要驱动力，同时 也是维持蛋白质三级结构 的重要因素。
• 笼形水合物(Clathratehydrates) 是象冰一样的包含化合物，水为“宿主”， 它们靠氢键键合形成想笼一样的结构，通 过物理方式将非极性物质截留在笼内，被 截留的物质称为“客体”。一般“宿主” 由20-74个水分子组成，较典型的客体有 低分子量烃，稀有气体，卤代烃等。
水 在 食 品 工 艺 学 方 面 的 功 能
食品理化性质：
起着溶解、分散蛋白质、 淀粉等水溶性成分的作用 对食品的新鲜度、硬度、 风味、流动性、色泽、耐 贮性和加工适应性有影响
食品质地方面：
食品安全性：
水是微生物繁殖的必需条件
食品工艺角度：
水起着膨润、浸透、均匀 化等功能； 大多数食品加工的单元操 作都与水有关，如干燥、 浓缩、冷冻、水的固定等
水分活度与食品化学变化的关系
Water activity and Food Stability