烹饪化学：第二章 烹饪食品中的 水分VIP

1、2021/1/23,1,第二章 烹饪食品中的水分,2021/1/23,2,2.1 引言,食品的主要成分，水的分布、含量和状态不同； 水果蔬菜：75%，啤酒90%，牛奶：87%。 水的特点：无色、无味、无形、黏度小。 加工利用方式：保持、添加、脱除、结合、溶剂等。 关系与作用：品质保持、保藏性、化学反应等。 水加工技术、产品种类、市场前景、安全等,water cluster,2021/1/23,3,1.食品原料中的水分含量,1)大多数生物体的含水量为60%80%. 2)对于动物性原料: 肌肉、脏器、血液中含量最高为 0%80%. 皮肤中为0%0%. 骨骼中为,2021/1/23,4,对植物性原料

2、： 不同种类：叶菜类根茎类 同一种类： 营养器官（根、茎、叶）中最高为 繁殖器官（种子）中最少为,2021/1/23,5,2.水在食品中的重要作用,b.水分含量、分布和状态对于食品的结构、外观、质地、风味、新鲜程度会产生极大的影响； c.是引起食品化学变化及微生物作用的重要原因，直接关系到食品的贮藏特性,a.水是食品的重要组成成分，是形成食品加工工艺考虑的重要因素,2021/1/23,6,3.水的生理功用如下,1)作为溶剂促进机体对各种营养物质的消化吸收。 2)作为反应介质或反应物,使各类生化反应得以顺利进行。 3)参与代谢物的排泄及各器官功能的调节。 4)可用来调节和平衡体温. 5)对体内各

3、运动、消化部位起润滑作用,2021/1/23,7,4.水在食品工艺学方面的功能,起溶解、分散蛋白质、淀粉等水溶性成分的作用，形成溶液或凝胶。 对食品鲜度、硬度、流动性、呈味、耐贮和加工有重要的影响。 水是微生物繁殖的必需条件。 水起着膨润、浸透、均匀化等功能,2021/1/23,8,5.健康水(Functional water,在国际上，首次从健康水定义和功效特点、理论基础、科学依据、生产工艺、水质标准、产品开发等方面出发，系统地提出健康水完整科学体系。 国内外饮用水质标准的基本共同点是：均以饮水安全为基点，且主要针对自来水行业。 国内喝开水，吃熟食；美国、日本、欧洲等喝生水，吃生食,2021

4、/1/23,9,健康水(Functional water,健康水应遵循以下七条标准准则： （1）不含有毒、有害及有异味的物质； （2）水硬度（以碳酸钙计）适中（30200毫克升） ； （3） pH值呈中性及微碱性； （4）水中溶解氧及二氧化碳含量适中（水中溶解氧6毫克 升，二氧化碳在10 30毫克升）； （5）分子团小，半幅宽100Hz ； （6）含有适量的人体所需的矿物质和微量元素，矿物质含量适中（其中钙含量8毫克升） ； （7）水的营养生理功能（如渗透力、溶解力、代谢力、氧化还原性等）强，长期饮用能够改善人体的营养健康状况。 问题：无相关标准，如小分子团的界定、简单测试方法、先进的仪器及专

5、门技术,2021/1/23,10,2.2水的结构和性质,1.水的结构-（H2O）n 水分子由两个氢原子与一个氧原子的两个SP3杂化轨道结合成两个共价键，为四面体结构，氧原子位于四面体中心，四面体的四个顶点中有两个被氢原子占据，其余两个为氧原子的非共用电子对所占有(图11)。气态水分子两个OH键的夹角即(HOH)的键角为104.5，与典型四面体夹角10928很接近，OH核间距0.96nm，氢和氧的范德瓦尔斯半径分别为1.2nm和1.4nm,2021/1/23,11,图1-1 水的立体结构,图1-2 水分子的四面体构型,104.5,2021/1/23,12,2.冰的结构,水是一种短而有序的结构,而

6、冰是水分子有序排列成大且长的晶体，是水分子靠氢键连接构成非常“疏松”的刚性结构。因此，冰比液态水的结构更为“疏松”,比容较大。冰在熔化时，一部分氢键断裂，所以转变成液相后水分子紧密地靠拢。冰晶体中也存在部分无序的结构,2021/1/23,13,冰有11种结构，但是在常压和温度0时，只有普通正六方晶系的冰晶体是稳定的,还有9种同质多晶(po1ymorphism)和一种非结晶或玻璃态的无定形结构,图1-3 0时普通冰的晶胞,2021/1/23,14,在冷冻食品中存在4种主要的冰晶体结构，即六方形、不规则树枝状、粗糙的球形和易消失的球晶，以及各种中间状态的冰晶体。 大多数冷冻食品中的冰晶体是高度有序

7、的六方形结构，在含有大量明胶的水溶液中，冰晶体主要是立方体和玻璃状冰晶,2021/1/23,15,水的过冷现象,水冷凝时可产生过冷现象，所谓过冷是当液体冷却到冰点以下仍不析出固体。但是，若向过冷水中投入一粒冰晶或摩擦器壁，过冷现象立即消失。当在0的过冷溶液中加入晶核，则会在这些晶核的周围逐渐形成长大的结晶，这种现象称为异相成核(heterogeneous nucleation,2021/1/23,16,过冷度愈高，结晶速度愈慢，这对冰晶的大小是很重要的。当大量的水慢慢冷却时，由于有足够的时间在冰点温度产生异相成核，因而形成粗大的晶体结构。若冷却速度很快就会发生很高的过冷现象，则很快形成晶核，但

8、晶核增长速度很慢，因而形成微细的结晶结构,2021/1/23,17,冰晶体的大小和结晶速度受溶质、温度、温度降低速度等因素影响。溶质的种类和数量影响冰晶体的数量、大小、结构、位置和取向,2021/1/23,18,3.水的异常物理性质,1. 水的比热、汽化热、熔化热大：（水分子间强烈的氢键缔合作用产生的） 2. 水的介电常数大：（水分子间靠氢键键合形成分子群就会成为多极子，这便导致水的介电常数增大） 3. 水的溶解力强：由于水的介电常数大，因此水溶解离子型化合物的能力较强；非离子极性化合物如糖类、醇类、醛类等可与水形成氢键而溶于水中；不溶于水的物质如脂肪和某些蛋白质，也能在适当的条件下分散在水中

9、形成乳浊液或胶体溶液。 4. 水结冰时密度的变化和温度变化所伴随冰的密度变化，以及冰结晶的成长都会引起细胞组织机械损伤和破坏，从而使冷冻食品质地发生物理变化,2021/1/23,19,2.3食品中水的存在状态,水在食品中是以游离水和结合水两种状态存在的。 游离水(体相水或自由水)是指不与食品中任何成分化合或吸附的水，具有纯水的性质，有流动性。占食品中总水量的95%.食品中的绝大部分的水属于游离水.这部分水具有易结冰、易干燥除去、易引起食品腐败变质、易被Mic利用的性质,2021/1/23,20,游离水包括滞化水、毛细管水和自由流动水三类,滞化水指被组织中的显微和亚显微结构与膜所阻留住的水，由于

10、这些水不能流动，也称为不可移动水。 毛细管水指在生物组织的细胞间隙、制成食品的结构组织中，存在着的一种毛细管力所截留的水。 自由流动水指动物的血浆、淋巴和尿液、植物的导管和细胞内液泡中的水，以为可以自由流动，所以叫自由流动水,2021/1/23,21,结合水是指存在于溶质及其它非水组分邻近的水，占食品中总水量的5%.与游离水相比，它们呈现低的流动性和其它显著不同的性质，这些水在-40不会结冰、不能作为所加入溶质的溶剂、不易蒸发除去、不参与化学和生化反应、不能被Mic利用的性质,2021/1/23,22,结合水包括化合水（构成水）和吸附水（单层吸附水或邻近水和多层吸附水,化合水-这部分水与食品成

11、分结合最强，它在高水分含量食品中只占很小比例，它们存在于蛋白质的空隙区域内或者成为化学水合物的一部分(构成水)。 单层水-结合强度较次的结合水，它们占据着非水成分的大多数亲水基团的第一层位置，按这种方式与离子或离子基团缔合的水是结合最紧的一种邻近水。 多层水-占有第一层中剩下的位置以及形成单层水以外的几层，虽然多层水的结合强度不如单层水，但是仍与非水组分靠得足够近，以致于它的性质也大大不同于纯水的性质。因此，结合水是由化合水和吸附水(单层水+多层水)组成的,2021/1/23,23,2.4 食品中水与溶质之间的相互作用,水在溶液中的存在状态，与溶质的性质以及溶质同水分子的相互作用有关,2021

12、/1/23,24,2.5 水分活度,水分活度：水分活度表示食品中可被微生物所利用的程度，在物理化学上水分活度是指食品的水分蒸汽压与相同温度下纯水的蒸汽压的比值。 aw=P/P0 ERH/100 平衡相对湿度：大气水汽分压与相同温度下纯水的饱和蒸汽压之比。 食品的平衡相对湿度是指食品中的水分蒸汽压达到平衡后，食品周围的水汽分压与同温度下水的饱和蒸汽压之比。 测定原理和方法。(水分活度计测定恒定相对湿度平衡室法化学法,2021/1/23,25,2021/1/23,26,1.水分活度与温度的关系,由于蒸汽压和平衡相对湿度都是温度的函数，所以水分活度也是温度的函数。水分活度与温度的函数可用克劳修斯-克

13、拉贝龙方程来表示： dlnaw/d(1/T)=-H/R lnaw=-H/RT+c T-绝对温度，R-气体常数。H-样品中水分的等量净吸附热,2021/1/23,27,食品在冻结点上下水分活度的比较,冰点以上，食物的水分活度是食物组成和食品温度的函数，并且主要与食品的组成有关；而在冰点以下，水分活度与食物组成没有关系，而仅与食物的温度有关。 冰点上下食物的水分活度的大小与食物的理化特性的关系不同。如在-15时，水分活度为0.80，微生物不会生长，化学反应缓慢，在20时，水分活度为0.80 时，化学反应快速进行，且微生物能较快的生长。 不能用食物冰点以下的水分活度来预测食物在冰点以上的水分活度，同

14、样，也不能用食物冰点以上的水分活度来预测食物冰点以下的水分活度,2021/1/23,28,2.水分活度与食品稳定性,微生物活动：细菌为aw0.9，酵母为aw0.87，霉菌为aw0.8。一些耐渗透压微生物除外。 酶促反应：影响酶促反应底物的可移动性及构象。aw0.85 时，活性大幅度降低； aw=0.250.3，则淀粉酶、过氧化物酶和多酚氧化酶等就受到强烈的抑制或丧失活力。但酯酶aw为0.1 0.5 时仍能引起甘油三酯或甘油二酯水解,2021/1/23,29,非酶促反应,脂质氧化作用：在水分活度较低时食品中的水与氢过氧化物结合而不容易产生氧自由基的氧化；aw0.4 水分活度的增加增大了食物中氧气

15、的溶解，加速了氧化；而当水分活度大于0.8 反应物被稀释，氧化作用降低。 Maillard 反应：水分活度大于0.7 时底物被稀释。 水解反应：水分是水解反应的反应物，随着水分活度的增大，水解反应的速度不断增大,2021/1/23,30,2.6水的等温吸附曲线,1.定义：要想了解食品中水的行为，必须知道各种食品的含水量与其对应aw的关系。在一定温度条件下用来联系食品的含水量(用每单位干物质中的水含量表示)与其水活度的图，称为等温吸附曲线。 2.等温吸附曲线的形状：大多数食品的等温吸附曲线形状呈S形（见图1-10），少数食品如水果、糖制品、咖啡等呈J形,2021/1/23,31,图1-10 食品

16、的吸着等温线的一般形式,2021/1/23,32,3.曲线的意义,等温线I区间的水与溶质结合最牢固，它们是食品中最不容易移动的水，这种水靠水一离子或水一偶极相互作用而被吸附在溶质的极性位置，这类水在一40不结冰，也不能作为溶剂，相当于前面叙述的化合水。食品中这类水不可能对食品的固形物产生可塑作用，其行为如同固形物的一部分,2021/1/23,33,在I区间和区间的分界线的水,相当于食品中的单层水，单层水可以看成是在接近干物质强极性基团上形成一个单分子层所需要的水量，I区间内的水只占高水分食品中总水量的很小一部分,2021/1/23,34,等温线区间,包括I区间内的水和区间内增加的水， 区间内增

17、加的水占据固形物的第一层的剩余位置和亲水基团周围的另外几层位置，这部分水是多层水。多层水主要靠水一水分子间的氢键作用和水一溶质间的缔合作用，与邻近的分子缔合。当向食品添加的水相当于等温线区间和区间边界之间的水含量时，所增加的这部分水能引发溶解过程，促使基质出现初期溶胀，起着增塑作用。在含水量高的食品中，这部分水占总水含量的5以下,2021/1/23,35,等温线区间内的水,包括区间和I区间的水加上区间边界内增加的水，该区间增加的这部分水称为游离水，它是食品中结合最不牢固且最容易移动的水。这类水不会受到非水物质分子的作用，既可以作为溶剂又有利于化学反应的进行和微生物生长。区间内的游离水在高水分含

18、量食品中一般占总水量的95以上,2021/1/23,36,滞后现象（如图1-12）吸湿性食品,1.回吸（吸附）曲线：把完全干燥的样品放置在相对湿度不断增加的 环境里，根据样品所增加的质量数据绘制而成的曲线。 2.解吸（脱附）曲线：把潮湿样品放置在同一相对湿度下，测定样品质量减轻数据所绘制而成的曲线。 3.滞后现象：理论上食品的吸附曲线和脱附曲线应该是一致的，但实际上二者之间有一个滞后现象，不能重叠。这种滞后所形成的环状区域，称为滞后环,2021/1/23,37,2.7水与食品保存性的关系,1.水分活度与食品保存性： 同一类的食品由于组成、新鲜度和其它因素而使aw有差异，实际上食品中的脂类自动氧

19、化、非酶褐变、微生物生长、酶的反应等都与aw有很大的关系,2021/1/23,38,当aw小于0.2时，除了氧化反应外，其它反应处于最小值（区域I） ； *当aw为0.20.3时，为最小的反应速度（一般在等温线吸附区域I与的边界）； *当aw=0.70.9时，中等水分时，美拉德褐变反应、脂类氧化、维生素Bl降解、叶绿素损失、微生物繁殖和酶反应均显示出最大速率。但对中等水分到高水分食品，一般随着水活性的增加，反应速度反而降低，如蔗糖水解后的褐变反应,2021/1/23,39,注意的两点： 第一，当水为反应产物时，根据反应动力学原埋，由于水分含量的增加，抑制反应的进行，结果使反应速度降低。 第二，当反应中水的含量达到一定值时，反应物的溶解度、反应物接触程度不再是限制速度的因素，此时，如果再增加水分含量，则对反应组分产生稀释作用，使反应速度降低。因此，中等含水量范围 (aw=0.70.9)的食品，化学反应速率大，不利于食品的耐藏性,2021/1/23,40,水分活度与食品稳定性的关系图,1-脂质氧化作用，2-Maillard 反应，3-水解反应， 4-酶活力，5-霉菌生长，6-酵母生长，7-细菌生长,2021/1/23,41,2.冰与食品稳定性,食品组织缓慢冷冻，使大冰晶