食品专业第一章水分

1、营养素化学第一章第一章 水分水分n冰和水的物理性质及结构冰和水的物理性质及结构n食品中水分存在状态食品中水分存在状态n水分活度与食品的安定性水分活度与食品的安定性n分子流动性与食品稳定性分子流动性与食品稳定性第一节第一节 引言引言n水是最普遍存在的组分，占水是最普遍存在的组分，占50%90%n是其它食品成分的溶剂是其它食品成分的溶剂n食品的水分含量决定了食品的感官品质食品的水分含量决定了食品的感官品质 结构、质地、外表、外观、风味结构、质地、外表、外观、风味n食品的水分决定了食品的稳定性食品的水分决定了食品的稳定性n各种食品都具有特征含水量各种食品都具有特征含水量主要食品的水份含量食食 品品

2、水水分分含含量量% % 肉肉 猪猪肉肉、生生的的分分割割瘦瘦肉肉 牛牛肉肉、生生的的零零售售部部分分 鸡鸡肉肉、各各种种级级别别的的去去皮皮生生肉肉 鱼鱼、肌肌肉肉蛋蛋白白质质 水水果果 浆浆果果、樱樱桃桃、梨梨 苹苹果果、桃桃子子、桔桔子子、葡葡萄萄柚柚 大大黄黄、草草莓莓、蕃蕃茄茄 蔬蔬菜菜 鳄鳄梨梨、香香蕉蕉、豌豌豆豆（绿绿） 甜甜菜菜、茎茎椰椰菜菜、胡胡萝萝卜卜、马马铃铃薯薯 芦芦笋笋、菜菜豆豆（绿绿） 、卷卷心心菜菜、花花菜菜、莴莴苣苣 5 53 3- -6 60 0 5 50 0- -7 70 0 7 74 4 6 65 5- -8 81 1 8 80 0- -8 85 5 8 8

3、5 5- -9 90 0 9 90 0- -9 95 5 7 74 4- -8 80 0 8 80 0- -9 90 0 9 90 0- -9 95 5 第二节第二节 冰和水的冰和水的 物理性质及结构物理性质及结构n冰和水的冰和水的物理性质物理性质n冰和水的物性特异性表现为冰和水的物性特异性表现为:异常高的熔点异常高的熔点（0） 、沸点、沸点（100）特别大的热容、相变热（特别大的热容、相变热（熔化、蒸发、升华焓）水具有较大的热传导值水具有较大的热传导值密度较低密度较低（1 g/cm3） ，冻结时异常膨胀，冻结时异常膨胀特别大的表面张力、介电常数特别大的表面张力、介电常数一、冰和水的物理性质一

4、、冰和水的物理性质（一）水分子及水分子间的缔合作用1.单个水分子的结构H2O：O原子核外8个电子的排布 1S2 2S22P4二、冰和水的结构二、冰和水的结构水的异常性质可以推测水分子间存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在强烈的吸引力以及水和冰具有不寻常的结构寻常的结构1S2 2SP3（2）2SP3（2）2SP3（1）2SP3（1）(1)单个水分子的结构特征n水分子的四面体结构有非对称性nO的孤对电子端电子云密度大n氧的两对孤对电子有静电排斥作用nH原子具有部分裸质子特性为不对称分子，存在偶极矩存在广泛的氢键締合氢键受体氢键受体氢键供体氢键供体（二）冰的结构（二）冰的

5、结构 现代分析技术已证实：完整冰结现代分析技术已证实：完整冰结晶是水分子按照正四面体排列方式，靠晶是水分子按照正四面体排列方式，靠氢键连接在一起的（低密度）开放结构。氢键连接在一起的（低密度）开放结构。现代分析技术现代分析技术X-射线衍射射线衍射中子衍射中子衍射电子衍射电子衍射红外拉曼光谱红外拉曼光谱影响冰结晶的因素n共存成分种类、数量n冻结温度、冻结速度n冰晶的成长（三）水的结构（三）水的结构2.2.水的水的“分子团分子团”结构结构3.影响水结构的因素（1）温度）温度水与冰结构中水分子之间的配位数和距离水与冰结构中水分子之间的配位数和距离配位数配位数OHO距离距离冰（冰（0）4.00.276

6、 nm水（水（1.5）4.40.290 nm水（水（83.）4.9 0.305 nmnn（2）非水物质）非水物质n水与离子及离子基团的相互作用水与离子及离子基团的相互作用n水与具有氢键能力的中性基团的相互水与具有氢键能力的中性基团的相互作用作用n水与非极性物质的相互作用水与非极性物质的相互作用 疏水疏水性水合性水合n（3）电场、磁场、红外线、压力场）电场、磁场、红外线、压力场 水与离子及离子基团的相互作用离子-偶极相互作用对纯水结构的破坏对胶体稳定性的影响偶极偶极对水的束缚作用对水正常结构的破坏作用水与具有氢键能力的中性基团的相互作用水与具有氢键能力的中性基团的相互作用水与非极性物质的相互作用

7、 疏水性水合n原因原因n形式形式疏水相互作用疏水相互作用笼状包接水合物笼状包接水合物 将甲烷、乙烷、异丁烷低温高压下压入将甲烷、乙烷、异丁烷低温高压下压入水中，会形成笼状包接水合物结晶（肉眼可水中，会形成笼状包接水合物结晶（肉眼可见），其中构造化纯度程度更高的水分子形见），其中构造化纯度程度更高的水分子形成笼子的主体，小分子的甲烷等作为客体被成笼子的主体，小分子的甲烷等作为客体被包围在笼子的内部。包围在笼子的内部。 3.功能性水Water design 又称活性水、离子水，是由又称活性水、离子水，是由56个水分个水分子组成的环状小分子团，具有良好的口子组成的环状小分子团，具有良好的口感及生物学

8、活性。感及生物学活性。 活性水具有以下特征活性水具有以下特征：npH改变改变（弱碱性）（弱碱性）n表面张力降低，表面活性改变（渗透能力提表面张力降低，表面活性改变（渗透能力提高）高）n粘度改变粘度改变n氧化还原电位改变（负电位），氧的溶解氧化还原电位改变（负电位），氧的溶解度改变度改变(提高）提高）第二节第二节 食品水分存在状态食品水分存在状态一、结合水的种类及性质一、结合水的种类及性质二、体相水的种类及性质二、体相水的种类及性质（一）种类（一）种类1、构成水：是指与食品中其它亲水物质或亲、构成水：是指与食品中其它亲水物质或亲水基团结合最紧密的水，并与非水物质构成水基团结合最紧密的水，并与非水

9、物质构成一个整体。一个整体。2、邻近水：指亲水物质的强亲水基团周围缔、邻近水：指亲水物质的强亲水基团周围缔合的单层水分子膜。合的单层水分子膜。3、多层水：指单分子水化膜外围绕亲水基团、多层水：指单分子水化膜外围绕亲水基团形成的另外几层水。形成的另外几层水。4、微毛细管水：由于受到细胞体系中微毛细、微毛细管水：由于受到细胞体系中微毛细管（管（0.1）物理限制作用，而使水分被）物理限制作用，而使水分被强烈的束缚。强烈的束缚。（二）性质（二）性质食品结合水量与食品的非水成分的极性基食品结合水量与食品的非水成分的极性基 团的数量间有比较固定的比例关系。团的数量间有比较固定的比例关系。 1g Pr 1g

10、Starch在在-40不结冰，不能作为溶剂，也不宜蒸发不结冰，不能作为溶剂，也不宜蒸发除去。除去。不参与化学、生物化学反应，不能被不参与化学、生物化学反应，不能被M利用。利用。单分子层水与食品的质构、风味有关。单分子层水与食品的质构、风味有关。0.30.4g水水0.30.5g水（一）种类（一）种类截留水：指被物理截留在细胞、大分子凝胶骨架中截留水：指被物理截留在细胞、大分子凝胶骨架中的水（的水（d10100 ）。）。游离水：指食品中可以自由流动的那部分水。游离水：指食品中可以自由流动的那部分水。（二）性质（二）性质与稀盐溶液或纯水相似与稀盐溶液或纯水相似r（ ）0.11101001000p（K

11、g/cm2） 14.84 1.484 0.148 0.014 0.0015二、体相水二、体相水n水分活度水分活度(Aw)(Aw)的含义的含义n影响影响Aw的因素的因素nAw与食品含水量的关系吸附与食品含水量的关系吸附等温线等温线nAw与食品的安定性与食品的安定性第三节第三节 水分活度与水分活度与 食品的安定性食品的安定性一、水分活度一、水分活度(Aw)(Aw)的含义的含义n定义：指在一定条件下，在密闭容器中，食品的水蒸气压（P）与同条件下纯水的蒸汽压（P0）之比。 在一定的条件下NPP010PPAw211nnnNAw211nnnNAw 对公式说明：对公式说明：AwAw与食品组成有关与食品组成有

12、关对理想溶液及非电解质稀溶液（对理想溶液及非电解质稀溶液（M M1 1）通过测量食品的冰点下降，可直接导出食品中通过测量食品的冰点下降，可直接导出食品中起起作用的溶质的量作用的溶质的量n n2 2fkfTGn10002其中，其中，G：样品中溶剂的克数：样品中溶剂的克数 Tf:冰点下降冰点下降数数 Kf:水的摩尔冰点降低常数水的摩尔冰点降低常数 （1.86） 另一个表达式另一个表达式：100(%)ERHAw 说明：说明：当食品水分与周围环境相平衡时，水当食品水分与周围环境相平衡时，水分活度也可用环分活度也可用环 境相对湿度来表示（境相对湿度来表示（ERH），），但要注意，但要注意，Aw是样品的固

13、有性质，反映样品是样品的固有性质，反映样品的水分存在状态，而的水分存在状态，而 ERH 是与样品相平衡的是与样品相平衡的大气性质，少量样品与环境之间达到平衡要大气性质，少量样品与环境之间达到平衡要化费时间，而大量样品不可能达到平衡。化费时间，而大量样品不可能达到平衡。二、影响二、影响AwAw的因素温度的因素温度Clausius-Clapeyron方程方程：RHTdadw)1(ln其中，其中，T：绝对温度：绝对温度 R：气体常数：气体常数 H：在样品的水分含量下等：在样品的水分含量下等量净吸附热。量净吸附热。 当含水量一定时，当含水量一定时，lnAw1/T为一条直线。为一条直线。 天然马铃薯的天

14、然马铃薯的Clausius-Clapeyron方程关系曲线方程关系曲线如下：如下： 在在0以上以上，温度对水分活度的影响存在，温度对水分活度的影响存在关系，关系，Q100.030.2 在在0以下以下，上述曲线出现拐点。，上述曲线出现拐点。 0PPAw)(0SCWicePP过冷纯水的蒸汽压部分冻结食品的蒸汽分压 此时此时Aw与样品组成无关，仅与与样品组成无关，仅与T有关。有关。 （一）食品含水量与Aw的关系三、 Aw与食品含水量的关系（二）吸附等温线的概念（二）吸附等温线的概念 在恒定温度下，食品的含水量（在恒定温度下，食品的含水量（g水水/g干物质）与它的水分活度间的关系图干物质）与它的水分活

15、度间的关系图称为吸附等温线。称为吸附等温线。（三）吸附等温线特点 一般呈S型，通常可将其分为三个部分。吸附等温线是温度的函数。解吸线（脱水干燥获得）和回吸线（干燥样品吸湿）不重叠，有滞后现象。MSI与温度的关系n水分含量一定 T，AwnAw一定 T，水分含量（四）吸附等温线用途（四）吸附等温线用途 1、用回吸曲线判断食品吸湿性、用回吸曲线判断食品吸湿性 2、用解吸曲线研究食品的干燥过程、用解吸曲线研究食品的干燥过程 3、判断食品的稳定性、判断食品的稳定性回吸等温线n绘制方法将水加到预先干燥的试样中n形状nS形nJ形n决定形状和位置的因素n试样的成分n试样的物理结构n试样的预处理n温度n等温线绘

16、制方法（一）（一）Aw与微生物与微生物1、发育所必需的最低水分活度、发育所必需的最低水分活度细菌：细菌：0.901.0酵母菌：酵母菌：0.870.90霉菌：霉菌：0.80 2、所有微生物均不能生长、所有微生物均不能生长Aw0.6四、水分活度与食品的稳定性四、水分活度与食品的稳定性（二）（二）Aw与酶作用与酶作用n 大部分酶失活：大部分酶失活：Aw0.85n脂肪氧化酶：脂肪氧化酶：Aw=0.10.3，仍有活力，仍有活力（三）（三）Aw与化学反应速度与化学反应速度水分单层值水分单层值n 概念：在单分子层水分活度时，食品具概念：在单分子层水分活度时，食品具有最大的稳定性，这时对应的水分含量有最大的稳

17、定性，这时对应的水分含量称为水分单层值。称为水分单层值。n计算水分单层值依据计算水分单层值依据Brunauer Emmett Teller（1938）提出的多分子层吸附理论，提出的多分子层吸附理论，常用的一个常用的一个BET方程是：方程是： wwwacmccmama1111)1 (其中：其中：m:食品的水分含量（以食品的水分含量（以g水水/g干物质计）。干物质计）。 m1:水分单层值。水分单层值。 C：在某一温度下，与吸附热相关的常数：在某一温度下，与吸附热相关的常数。BET图：)1(wwama对对 aw 作图为一直线作图为一直线则：则：斜率截距Ym11（四）（四）AwAw与食品质构与食品质构

18、n干燥食品理想性质不损失：干燥食品理想性质不损失： Aw0.350.50n干燥食品性质完全丧失：干燥食品性质完全丧失： Aw0.6n防止高含水量食品失水变硬防止高含水量食品失水变硬（五）水分活度的控制及应用（五）水分活度的控制及应用1 1、控制、控制降低降低Aw以延长贮藏期的方法以延长贮藏期的方法脱水处理脱水处理水分活度调节剂水分活度调节剂选择包装材料选择包装材料阻止水分迁移阻止水分迁移2 2、应用中等水分食品、应用中等水分食品概念概念：指：指AwAw在在0.9，水分含量约，水分含量约202050 50 的食品。的食品。优点优点：具有良好质构；不易被细菌败坏；货：具有良好质构

19、；不易被细菌败坏；货架期较长。架期较长。缺点缺点：易被霉菌败坏；易被酶降解；许多成：易被霉菌败坏；易被酶降解；许多成分易被化学变化破坏。分易被化学变化破坏。生产工艺调控生产工艺调控：加热灭酶；添加防腐剂及抗：加热灭酶；添加防腐剂及抗氧化剂；惰性气体包装；采用水分活度调节氧化剂；惰性气体包装；采用水分活度调节剂。剂。产品产品：猫狗食品、军需食品。：猫狗食品、军需食品。第五节第五节 分子流动性与食品稳定性分子流动性与食品稳定性一、概念一、概念 无定形：这是一种物质的非平无定形：这是一种物质的非平衡、非结晶状态，当饱和条件占优衡、非结晶状态，当饱和条件占优势并且溶质保持非结晶时，过饱和势并且溶质保持非结晶时，过