第二章水和冰(1)

1、第二章第二章 水和冰水和冰目的和要求：1.掌握水在食品中的重要作用、存在的状态，水分活度和水分等温吸湿线的概念及其意义，水分活度与食品稳定性的关系。2.了解水和冰的结构及其性质,分子流动性与食品稳定性的关系。水和冰生物体系的基本成分：蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸、矿物质和水。其中水是最普遍存在的，它往往占植物、动物质量或食品质量的50%90%。而且水分的分布不均，动物体内以血液、脑等器官最多，其次是皮肤，而骨骼中较少；植物中一般以叶、茎、根等部位含水量高，种子中含量少。2.1 概述概述2.1.1 水在食品中的作用水在食品中的作用食品的溶剂食品中的反应物或反应介质除去食品加工过程中的有害物质（

2、单宁、秋水仙碱）食品的浸胀剂食品的传热介质生物大分子化合物构象的稳定剂食品中的含水量食品中的含水量 水是食品的主要组成成分，食品中的水分含量、分布和状态对食品的结构、外观、质地、风味、新鲜程度产生极大的影响；食品中的水分也是引起食品变质的重要原因；影响食品的品质和加工工艺。表2.1 某些代表性食品的含水量食品名称水分%食品名称水分%食品名称水分%番茄 95莴苣 95 卷心菜 92 啤酒 90 柑橘 87 苹果汁 87 牛奶 87 马铃薯 78 香蕉 75 鸡 70 肉 65 面包 35 果酱 28 蜂蜜 20 奶油 16稻米面粉 12 奶粉 4 酥油 02.1.2 水、冰的物理特性水、冰的物理

3、特性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：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。冰的热导率是同样温度下水的4倍说明冰对热的传导速率要比生物材料中非流动水的导热率快得多。冰的热扩散系数约为水的9倍说明在一定的环境条件下，冰的温度变化速率比水大得多。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。解释水和冰的异常物理性质，最好先从研究单个水分子的性质开始，进而拓展到水分子束的特性，最终考察整体相水的特征。2.

4、2 水、冰的结构和性质水、冰的结构和性质一、单个水分子的结构一、单个水分子的结构接近完美四面体结构的强极性分子。水分子由两个氢原子与一个氧原子的两个SP3杂杂化轨道结合化轨道结合成两个共价键，形成近似四面体结构，氧原于位于四面体中心，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。OHH104.501.84DSP3水分子两个OH键的夹角即键的夹角即(HOH)的键角的键角为为104.5，OH核间距为核间距为0.096 nm，氢和氧的，氢和氧的范德华半径范德华半径分别为0.12和和0.14 nm。1. H2O分子的四面体结构有对称性2. H-O共价键有离子性和电负性3.

5、 氧的另外两对孤对电子有静电力氨NH3（三个供体和一个受体部位形成四面体排列）和氟化氢HF（一个供体和三个受体部位形成四面体排列）分子由于没有相等数量的供体和受体部位，都无法形成和水一样的三维氢键网络，而是形成二维氢键网络，每个分子参与的氢键数目小于水分子。水分子的结构特征水分子的结构特征水是呈四面体的网状结构水分子之间的氢键网络是动态的 水分子氢键键合程度取决于温度水分子氢键键合程度取决于温度配位数（coordination number）是中心离子的）是中心离子的重要特征。直接同中心离子（或原子）配位的原子数目叫中心离子（或原子）的配位数。水分子的缔合与水的三态水分子的缔合与水的三态由于水

6、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：OHHOHHOHH由于每个水分子上有四个形成氢键的位点，因此每个水分子的可以通过氢键结合4个水分子。水分子之间还可以以静电力相互结合，因此缔合态的水在空间有不同的存在形式，如：OHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHH不同的缔合形式，可导致水分子之间的缔合数大于4。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

7、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。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。水具有一定的黏度是因为水分子在大多数情况下是缔合的，而水具有流动性是因

8、为水分子之间的缔合是动态的。当水分子在ns或ps这样短的时间内改变它们与临近水分子之间的氢键键合关系时，会改变水的淌度和流动性。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。水的结构3种结构模型混合型水分子间以氢键形式瞬时聚体成庞大的水分子簇连续结构水分子间的氢键均匀地分布在整个水体系中，连续网状填隙式模型水保留了一种似冰或是笼型的结构，单个水分子填充在整个笼型结构的间隙空间中冰的结构冰的结构和性

9、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：在冰的晶体结构中，每个水和另外4个水分子相互缔合，OO之间的最小距离为0.276nm，OOO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。一般有4种类型，即六方形、不规则树状、粗糙球状、易消失的球晶；六方形是多见的、在大多数冷冻食品中重要的结晶形式。这种晶形形成的条件是在最适的低温冷却剂中缓慢冷冻，并且溶质的性质及浓度不严重干扰水分子的迁移。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

10、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。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

11、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。2.3 水-溶质相互作用亲水溶质改变邻近水的结构和流动性水会改变亲水溶质的反应性和结构溶质的疏水基团优先选择非水环境水水-溶质相互作用的分类溶质相互作用的分类与离子或离子基团的相互作用与离子或离子基团的相互作用当食品中存在离子或可解离成离子或离子基团的盐类物质时，这些物质由于在水中可以溶解而且解离出带电荷的离子，因而可以固定相当数量的水。例如食品中的食盐和水之间的作用：Cl-Na+共价键共价键H2O-离子H2O-H2O大小键的强度离子对水的净结构的影响离子对水的净结构的影响由于离子带有完整的电荷，因此它们和水分子之间的极性作用

12、比水分子之间的氢键连接还要强，如Na+与水分子之间的结合能力大约是水分子间氢键连接力的4倍。正是由于自由离子和水分子之间的强的相互作用，导致破坏原先水分子之间的缔合关系，使一部分水固定在了离子的表面。离子对水的净结构的影响与极化力或电场强度紧密相关。随着离子种类的变化及所带电荷的不同，与水之间的相互作用也有所差别。大致可以分作两类：净结构形成效应 (forming effect)有助于水分子网状结构的形成，水溶液的流动性小于水，此类离子一般为离子半径小、电场强度大或多价离子，这些离子主要是带正电荷的离子。如：Li+、Na+、H3O+、Ca2+、Ba2+、Mg2+、Al3+、F-、OH-等。净结

13、构破坏效应 (breaking effect) 、能阻碍水分子之间网状结构的形成，其溶液的流动性比水大，离子半径大、电场强度小或单价离子，这些离子主要是负离子或大的正离子。如：K+、Rb+、Cs+、N+H4、Cl-、Br-、I-、NO-3、BrO-3等；离子效应离子效应通过水合能力，改变水的结构，影响水的介电常数，决定胶体粒子周围双电层的厚度。显著影响水对其它非水溶质和悬浮物质的相容程度。离子的种类和数量也影响蛋白质的构象和胶体的稳定性。与具有氢键键合能力的中性分子或基团的相互作用与具有氢键键合能力的中性分子或基团的相互作用许多食品成分，如蛋白质、多糖（淀粉或纤维素）、果胶等，其结构中含有大量

14、的极性基团，如羟基、羧基、氨基、羰基等，这些极性基团均可与水分子通过氢键相互结合。因此通常在这些物质的表面总有一定数量的被结合、被相对固定的水。不同基团与水的结合能力不同基团与水的结合能力键的强度共价键共价键H2O-H2OH2O-离子H2O-亲水性溶质大小不同的极性基团与水的结合能力有所差别。一般情况下，氨基、羧基等在生理条件下可以呈解离状态的极性基团均与水有较强的结合，而羟基、酰胺基等非解离基团与水之间的结合较弱。带有极性基团的有机物质由于和水能够通过氢键相互结合，因此对纯水的正常结构都有一定程度的破坏，而且也可降低冰点。带极性基团的食品分子不但可以通过氢键结合并固定水分子在自己的表面，而且

15、通过静电引力还可吸引一些水分子处于结合水的外围，这些水称为临近水。尽管结合或附着在分子上的水分子数量并不多，但其作用和性质常常非常重要。它们常是一些酶保持活性结构并能发挥作用的重要因素；也常是食品保持正常结构的重要因素。 对水结构的影响对水结构的影响一般会增加（至少不会破坏）水净结构溶质氢键部位的分布和定向在几何上与水不相容时对水结构具有破坏作用尿素显著破坏效应总氢键数没有显著改变，对水的净结构没有多大影响能与水形成氢键的基团能与水形成氢键的基团羟基氨基羰基酰基亚氨基水与蛋白质分子的两种功能基团形成氢键与非极性物质的相互作用与非极性物质的相互作用非极性的分子通常包括烃类、脂类、甾萜类等，通过化

16、学的手段也可在一些含极性基团的分子（如蛋白质等）中引入非极性部分（基团）。当水中存在非极性物质，即疏水性物质时，由于它们与水分子产生斥力，可以导致疏水分子附近的水分子之间的氢键键合增强。由于在这些不相容的非极性实体邻近的水形成了特殊的结构，使得熵下降，此过程称为疏水水合作用。由于疏水水合在热力学上是不利的，因此水倾向于尽可能地减少与存在的非极性实体靠近。如果存在两个分离的非极性实体，那么不相容的水环境将促使它们相互靠近并缔合，从而减少水-非极性实体界面面积，此过程是疏水水合的部分逆转，被称为“疏水相互作用”。与疏水基团相邻的水的结构与疏水基团相邻的水的结构排斥正电荷排斥正电荷吸引负电荷吸引负电

17、荷疏水基团还有两种特殊的性质，即能和水形成笼形水合物及能和蛋白质产生疏水相互作用。笼形水合物是像冰一样的包合物，水通过氢键形成类似于笼的结构，通过物理方式将非极性物质截留在笼中；水称为“主人”，而被截留的疏水物质称为“客人”。笼形水合物一般由2074个水分子形成，具体多少视客人的几何尺寸而定；而客人通常是一些低分子量的化合物，如烃类、稀有气体、短链的胺类、卤代烃、二氧化碳等。笼形水合物的结构与冰相似，同样具有一定的稳定性。已证明生物物质中天然存在的类似晶体的笼形水合物结构，它们很可能对蛋白质等生物大分子的构象、反应性和稳定性有影响。这种结构在海水脱盐、溶液浓缩和防止氧化等方面可能具有应用前景。

18、 疏水相互作用疏水相互作用为蛋白质的折叠提供了主要推动力为蛋白质的折叠提供了主要推动力维持蛋白质四级结构维持蛋白质四级结构疏水基团处在蛋白质分子的内部疏水基团处在蛋白质分子的内部水与双亲分子的相互作用水与双亲分子的相互作用水作为双亲分子的分散介质双亲分子 一个分子中同时存在亲水和疏水基团 脂肪酸盐、蛋白脂质、糖脂、极性脂质、核酸胶团 双亲分子在水中形成大分子聚集体 分子数从几百到几千脂肪酸盐双亲分子一般结构双亲分子的胶团结构双亲分子的胶团结构极性极性非极性非极性水与亲水部位的缔合导致双亲分子的表观水与亲水部位的缔合导致双亲分子的表观“增溶增溶”根据水在食品中所处状态的不同，与非水组分结合强弱的

19、不同，可把固态食品中的水大体上划分为两类：1. 结合水（束缚水或固定水）结合水（束缚水或固定水）2. 体相水（游离水或自由水）体相水（游离水或自由水）食品中水的存在形式食品中水的存在形式结合水结合水定义：结合水是食品中可与非水组分通过氢键结合的水，是食品中与非水组分结合的最为牢固的水。根据结合水被结合的牢固程度，分为构成水（化合水）、邻近水和多层水三种。自由水自由水又称游离水、体相水。没有被非水物质化学结合的水，主要通过物理作用而滞留的水。滞化水毛细管水自由流动水食品中水的存在形式构成水定义：与非水物质呈紧密结合状态的水特点：非水物质必要的组分，-40度部结冰， 无溶剂能力，不能被微生物利用；

20、邻近水定义：处于非水物质外围，与非水物质 呈缔合状态的水；特点：-40度不结冰，无溶剂能力，不 能被微生物利用；多层水定义：处于邻近水外围的，与邻近水以氢 键或偶极力结合的水；特点：有一定厚度(多层)，-40度基本不结 冰，溶剂能力下降，可被蒸发；单分子层水，0.5%5%结合水自由水被组织中的显微结构或亚显微结构或膜滞留的水滞化水不能自由流动，与非水物质没关系毛细管水由细胞间隙等形成的毛细管力所系留的水物理及化学性质与滞化水相同自由流动水以游离态存在的水可正常结冰，具有溶剂能力，微生物可利用定义特点定义特点定义特点自由水与结合水的性质差别自由水与结合水的性质差别食品中自由水与结合水的性质差别体

21、现在5个方面：个方面：1）结合水与非水组分结合，特别是有机物分）结合水与非水组分结合，特别是有机物分子中的极性基团的结合；自由水则相距远； 2）被蒸发的难易程度不同；）被蒸发的难易程度不同； 3）-40以上结冰与否；以上结冰与否； 4）能否作溶剂；）能否作溶剂； 5）能否为微生物所利用。）能否为微生物所利用。其中，又以-40以上能否结冰、能否作溶剂两方以上能否结冰、能否作溶剂两方面最典型。 结合水对食品品质和风味有较大的影响，当结合水被强行与食品分离时，食品质量、风味就会改变。2.4 水分活度和相对蒸汽压水分活度和相对蒸汽压一、引言食品的水分含量与食品的腐败性 存在相关性 但发现不同食品水分含

22、量相同，腐败性显著不同 水分含量不是一个腐败性的可靠指标水分活度Aw 水与非水成分缔合强度上的强度 比水分含量更可靠，也并非完全可靠 与微生物生长和许多降解反应具有相关性二、水分活度的定义和测定方法二、水分活度的定义和测定方法0ffAw oppff0oppAw oppAw 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差别差别1%仅适合理想溶液仅适合理想溶液RVP,相对蒸汽压相对蒸汽压严格Aw与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关1000ERHppAwAw是样品的内在品质，是样品的内在品质，ERH是与样品平衡的大气的性质是与样品平衡的大气的性质仅当产品与环境达到平衡时

23、，关系式才能成立。仅当产品与环境达到平衡时，关系式才能成立。注意：1.上述公式成立的前提是溶液是理想溶液并达到热力学平衡，食品体系一般不符合这个条件，因此上式严格讲，只是近似的表达。2.公式中的前两项，即aw=p/p0=ERH/100，是根据水分活度定义给出的；而后两项是拉乌尔定律所确定的，其前提是稀溶液。所以前两项和后两项之间也应该是近似的关系。3.由于p/p0，因此，aw的值在01之间。测定方法测定方法可以利用不同的方法对于食品中的水分活度进行测定：a.冰点测定法：通过测定样品冰点的降低值（Tt）及含水量（求出n1）,根据公式：n2= G Tt/1000Kt 在将此公式的值带入活度的定义公

24、式即可求出样品的水分活度。此法的误差很小，准确度较高。b.相对湿度传感器测定法：将已知含水量的样品置于恒温密闭的小容器中，使其蒸气压和环境蒸气充分作用，达到平衡；用湿度传感器测定其空间的湿度，即可得出ERH，这时可得到样品的水分活度。c.康维氏微量扩散器测定法康维氏微量扩散器可如右图示意：分隔并相通的两个小室分别放样品和饱和盐溶液；样品量一般为1g；恒温温度一般为25 ，平衡时间为20min；分别测定水分活度高的饱和盐溶液和水分活度低的饱和盐溶液和饱和盐溶液样品康维氏微量扩散器样品达平衡时样品吸收或失去水的质量，利用下式求算样品的水分活度：aw=(Ax+By/(x+y) 其中：Ax：活度低的盐

25、溶液活度； By：活度高的盐溶液活度 x：使用B时的净增值； y：使用A时的净减值；水分活度和温度的关系水分活度和温度的关系上边对于水分活度定义及测定方法的叙述中，均强调了在一定的温度下。也就是说温度对于水分活度的值有较大的影响。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：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。整理此式可得： lnAw=-kH/R(1/T)(2) 其中：此处的H 可用纯水的汽化潜热表示，是常数，其值为40537.2J/mol；k=样品的绝对温度纯水的蒸气压为样品蒸气压(p)时的绝对温度纯水的

26、蒸气压为样品蒸气压(p)时的绝对温度K的直观意义是在达到同样水蒸气压时，食品的温度比纯水温度高出的比值，本质反映了食品中非水成分对水活性的影响。食品中非水成分越多并且与水的结合能力越强，k值越大，相同温度时Aw值越小；反之亦然。讨论：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。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

27、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。 由b可以得出结论：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，

28、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。第三，在冰点以下的水分活度数据不能被用于预示冰点以上的相同食品的水分活度，这是因为冰点以下的水分活度值与样品的组成无关，而仅于温度有关。冰点以上和冰点以下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冰点温度以下和冰点温度

29、以上时的Aw对食品稳定性的影响是不同的。低于冰点温度时的Aw不能预测冰点温度以上同一食品的Aw，因为低于冰点温度时Aw值与样品的组分无关，只取决于温度。吸湿等温曲线吸湿等温曲线一、定义及测定方法定义：在恒定温度下，食品的水含量（以g水/g干物质表示）对其活度形成的曲线称为等温吸湿曲线（MSI）。 测定方法：在恒定温度下，改变食品中的水分含量，测定相应的活度，以水分含量为纵轴、Aw为横轴画出曲线。意义：1、在浓缩和干燥过程中样品脱水的难易程度与相对蒸汽压的关系。2、应当如何组合食品才能防止水分在组合食品的各配料之间的转移。3、测定包装材料的阻湿性。4、可以预测多大的水分含量时才能够抑制微生物的生

30、长。5、预测食品的化学和物理稳定性与水分含量的关系。6、可以看出不同食品中非水组分与水结合能力的强弱。高水分食品的MSI未能详细显示低水分区的数据未能详细显示低水分区的数据低水分食品的低水分食品的MSI一般的MSI均可分为三个区，如下图所示：区：为构成水和邻近水区，即与食品成分中的羧基、氨基等基团通过氢键或静电引力相互结合的那部分水。由于这部分水比较牢固的与非水成分结合，因此aw较低，一般在00.25之间，相当于物料含水量00.07g/g干物质。这种水不能作为溶剂而且在-40不结冰，对固体没有显著的增塑作用，可以简单的看作固体的一部分。要注意的是，一般把区和区交界处的水分含量称为食品的“单分子

31、层”水含量，这部分水可看成是在干物质可接近的强极性基团周围形成一个单分子层所需水量的近似值。区区的水的性质的水的性质w最强烈地吸附w最少流动w水离子或水偶极相互作用w在-40不结冰w不能作为溶剂w看作固体的一部分w构成水和邻近水w占总水量极小部分BET单层单层 v区和接界v0.07g H2O/ g干物质vAw =0.2v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区：多层水区，即食品中与酰胺基、羧基等基团和结合水、邻近水以水溶质、水水以氢键和缔合作用被相对固定的水，也包括直径小于1m的毛细管的水；这部分水的aw一般在0.250.8之间，相当于物料含水量在0.07g/g干物质至0.14

32、0.33g/g干物质。当食品中的水分含量相当于区和区的边界时，水将引起溶解过程，它还起了增塑剂的作用并且促使固体骨架开始溶胀。溶解过程的开始将促使反应物质流动，因此加速了大多数的食品化学反应。区的水的性质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多层水区和区的水占总水分的5%以下 真实单层真实单层 区和接界0.38g H2O/ g干物质Aw =0.85完全水合所需的水分含量，即占据所有的第一层部位所需的水分含量。区：自由水区，aw在0.80.99之间，物料最低含水量在0.140.33 g/g干物质，最高为20g/g干物质。这部分水是食品中与

33、非水物质结合最不牢固、最容易流动的水，也称为体相水。其蒸发焓基本上与纯水相同，既可以结冰也可作为溶剂，并且还有利于化学反应的进行和微生物的生长。在凝胶和细胞体系中，体相水以物理的方式被截留，其宏观流动性受到影响，但它与稀盐溶液中水的性质相似。区的水的性质体相水物理截留(凝胶或细胞体系)或自由的性质与稀盐溶液中的水类似占总水分的95%以上按照吸湿等温线将食品中所含的水分作三个区，对于食品中水的应用及防腐保鲜具有重要的意义。但也要理解，这种分区是相对的。因为除化学吸附结合水外，等温线每一个区间内和区间与区间之间的水都可以发生交换。另外，向干燥物质中增加水虽然能够稍微改变原来所含水的性质，即基质的溶

34、胀和溶解过程，但是当等温线的区间增加水时，区间水的性质几乎保持不变；同样在区间内增加水，区间的性质也几乎保持不变。从而说明，食品中结合得最不牢固的那部分水对食品的稳定起着重要的作用。回吸等温线回吸等温线 绘制方法 将水加到预先干燥的试样中大多数食品或食品原料的吸湿等温线为S型，而水果、糖制品、含有大量糖和其他可溶性小分子的咖啡提取物等食品的吸湿等温线为J型。如图： 决定形状和位置的因素试样的成分试样的物理结构试样的预处理温度等温线绘制方法MSI与温度的关系与温度的关系水分含量一定 T，AwAw一定 T，水分含量滞后现象滞后现象回吸：把水加到干的样品中解吸：先使样品吸水饱和，再干燥回吸与解吸所得

35、的等温线不重叠现象即为“滞后现象”（Hysteresis）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引起食品解吸和回吸出现滞后现象的主要原因有：a.解吸过程中一些水分与非水物质相互作用导致释放速度减缓；b.物料不规则形状产生毛细管现象的部位，欲填满或抽空水分需要不同的蒸气压；c.解吸作用时，因组织改变，当再吸水时无法紧密结合水分，由此可导致回吸相同水量时处于较高的水分活度。由于滞后现象的存在，有解吸制得的食品必需保持更低的水分活度才能与由回吸制得的食品保持相同的稳定性。高糖-高果胶食品空气干燥苹果总的滞后现象明显滞后

36、出现在真实单层水区域Aw0.65时，不存在滞后高蛋白食品冷冻干燥熟猪肉Aw0.85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时最严重滞后温度T滞后程度减轻滞后的Aw起始点滞后环在等温线上的跨度纯蛋白（BSA）滞后现象与T无关滞后现象的意义鸡肉和猪肉Aw=0.750.84，解吸时脂肪氧化速度高于回吸 Aw一定，解吸样品的水分高于回吸,高水分样品粘度低，催化剂流动性好，基质的肿胀使催化部位暴露，氧的扩散系数提高。控制微生物生长，解吸方法比回吸方法制备样品时要达到更低的Aw水分活度与微生物生命活动的关系食品质量及食品加工工艺的确定与微生物有密切

37、的关系。而食品中微生物的存活及繁殖生长与食品中水分的活度有密切的关系。下表列出了不同微生物生长与食品水分活度的关系。表3.1 食品中水分活度与微生物生长aw范围在此范围内的最低aw所能抑制的微生物种类在此水分活度范围内的食品1.000.950.950.910.910.870.870.800.800.750.750.650.650.6小于0.5 假单胞菌、大肠杆菌变形杆菌、志贺氏菌属、克霍伯氏菌属、芽孢杆菌、产气荚膜梭状芽孢杆菌、一些酵母沙门氏杆菌属、溶副血红蛋白弧菌、肉毒梭状芽孢杆菌、沙雷氏杆菌、乳酸杆菌属、足球菌、一些霉菌、酵母许多酵母、小球菌大多数霉菌、金黄色葡萄球菌、大多数酵母菌属大多数

38、嗜盐细菌、产真菌毒素的曲霉嗜旱霉菌、二孢酵母耐渗透压酵母、少数霉菌微生物不增殖极易腐败变质（新鲜）的食品、罐头水果、蔬菜、肉、鱼及牛奶，熟香肠和面包，含有约40%(w/w)蔗糖或7%食盐的食品一些干酪、腌制肉、一些水果汁浓缩物，含有55%蔗糖（饱和）或12%食盐的食品发酵香肠、松蛋糕、干的干酪、人造奶油、含65%蔗糖（饱和或15%食盐的食品大多数浓缩果汁、甜炼乳、巧克力糖浆、槭糖浆和水果糖浆，面粉，米，含有1517%水分的豆类食品水果蛋糕，家庭自制火腿等果酱、加柑橘皮丝的果冻、杏仁酥糖、糖渍水果、一些棉花糖含10%水分的燕麦片、砂性软糖、棉花糖等含1520%水的果干、蜂蜜等由上表可以看出：a.

39、不同种类的微生物其正常生长繁殖所需要的水分活度不同，由此可以正确推断影响不同含水量食品质量的主要微生物；b.表中每一个水分活度区间的下限为相应微生物正常生长的水分活度阈值，即在此水分活度以下，该类微生物不能正常生长。不同种类的微生物其存活和生长与水分活度有关系，同一种类微生物在不同的生长阶段也要求不同的水分活度。一般讲，细菌形成芽孢时比繁殖时所需的水分活度要高；产毒微生物在产生毒素时所需的水分活度高于不产毒时所需的水分活度。由以上讨论可以得出结论，当食品的水分活度降低到一定的限度以下时，就会抑制要求水分活度阈值高于此值的微生物的生长、繁殖或产生毒素，使食品加工和贮藏得以顺利进行。当然发酵技术中

40、要求所用微生物能正常快速增殖，此时则要给予合适的、必要高的水分活度；另外，利用水分活度控制食品质量或加工工艺时还要考虑pH、营养成分、氧气等因素对于微生物的影响。与水相关的食品学问题及相关技术原理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。水分活度与食品化学变化的关系食品中的水分活度与食品中所发生的化学变化的种类和速度有密切的关系；而食品中的化学变化是依赖于各类食品成分而发生的。以各类食品成分为线索，其化学变化与水分活度关系的一般规律总结如下：淀粉：淀粉的食品学特性主要体现在老化和糊化上。老化是淀

41、粉颗粒结构、淀粉链空间结构发生变化而导致溶解性能、糊化及成面团作用变差的过程。在含水量大3060%时，淀粉的老化速度最快；降低含水量老化速度变慢；当含水量降至1015%时，淀粉中的水主要为结合水，不会发生老化。脂肪：影响脂肪品质的化学反应主要为酸败，而酸败过程的化学本质是空气氧的自动氧化。脂类的氧化反应与水分含量之间的关系为：在区，氧化反应的速度随着水分增加而降低；在区，氧化反应速度随着水分的增加而加快；在区，氧化反应速度随着水分增加又呈下降趋势。 其原因是在非常干燥的样品中加入水会明显干扰氧化，本质是水与脂肪自由基氧化中形成的氢过氧化合物通过氢键结合，降低了氢过氧化合物分解的活性，从而降低了脂肪氧化反应的速度；从没有水开始，随着水量的增加，保护作用增强，因此氧化速度有一个降低的过程；除了水对氢过氧化物的保护作用外，水与金属的结合还可使金属离子对脂肪氧化反应的催化作用降低。当含水量超过、区交界时，较大量的水通过溶解作用可以有效地增加氧的含量，还可使脂肪分子通过溶胀而更加暴露；当含水量到达区时，大量的水降低了反应物和催化剂的浓度，氧化速度又有所降低。 蛋白质及酶：据测定，当食品中的水分含量在2%以下时，可以有效的阻止蛋白质的变性；而当达到4%或其以上时，蛋白质变性变得越来越容易。 水促使蛋白质变性的原因是，水能使多孔蛋白质润胀，暴露出长链