食品化学第二章水精品

1、第二章 水第一节 引 言水的重要功能水是最普遍存在的组分，占50%90%为生物化学反应提供一个物理环境代谢所需营养成分和反应产物的载体是其它食品组分的溶剂主要食品的水份含量水与食品加工了解水在食品中的存在形式是掌握食品加工和保藏技术原理的基础大多数食品加工的单元操作都与水有关干燥、浓缩、冷冻、水的固定复水、解冻没有完全成功第二节 水和冰的物理性质高熔点（0）、高沸点（100）介电常数高表面张力高热容和相转变热焓高 熔化焓、蒸发焓、升华焓密度低（1 g/cm3）凝固时的异常膨胀率黏度正常（1 cPas）第三节 水分子4个杂化轨道 2px2 2py1 2pz1由于氧的高负电性，O-H共价键具有部分

2、离子特征第四节 水分子的缔合O-H键具有极性不对称的电荷分布偶极距分子间吸引力强烈的缔合倾向形成三维氢键四面体结构解释水的不寻常性质氢键供体氢键受体氢键供体氢键供体氢键受体氢键受体第五节 冰的结构水分子通过四面体之间的作用力结晶O-O核间最相邻距离为0.276nmO-O-O键角约109(四面体角10928)冰的六面体晶格结构在C轴是单折射，其它方向是双折射结晶对称性：六方晶系的六方形双锥体组溶质的种类和数量影响冰结晶的结构第六节 水的结构水的结构模型混合式填隙式连续式液态水通过氢键而缔合氢键程度取决于温度冰转变为水时，密度净增加第七节 水-溶质相互作用一、宏观水平术语：水结合（Water bi

3、nding）水合（Hydration） 水结合和水合常被用来表示水与包括细胞物质在内的亲水物质缔合的一般倾向。 持水力（Water holding capacity） 描述由分子（通常是以低浓度存在的大分子）构成的基体通过物理方式截留大量水而阻止水渗出的能力。例如：果胶、淀粉凝胶、动物组织细胞 特点切割或剁碎时不会流出性质几乎与纯水相同易干燥除去、易冻结为冰，可作为溶剂整体流动被严格控制，但个别分子的运动与一般稀盐溶液中的水分子无异（一）概述 溶质-水亲水溶质改变邻近水的结构和疏水性水会改变亲水溶质的反应性和结构水-溶质相互作用的分类热力学不能自发进行焓熵G=H-TS二、分子水平（二）结合水（

4、bound water）理论上定义：结合水是存在于溶质及其它非水组分邻近的水，与同一体系中的体相水相比，它们呈现出与同一体系中体相水显著不同的性质。 （熔点、沸点、流动性）具有“被阻碍的流动性”，而不是“被固定化的”占总水量很小的一部分相当于邻近亲水基团的第一层水结合水的分类构成水(constitutional water)结合最强的水，已成为非水物质的整体部分邻近水(vicinal water)占据着非水成分的大多数亲水基团的第一层位置多层水(multilayer water)占有第一层中剩下的位置以及形成了邻近水外的几层三、水与离子及离子基团的相互作用 键的强度 大共价键H2O-离子键H2

5、O- H2O 小水-溶质相互作用的分类离子对水的净结构的影响与极化力或电场强度紧密相关净结构形成效应 (forming effect)小离子或多价离子产生强电场Li+, Na+, H3O+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+, F-, OH-具有比纯水较低的流动性和较紧密的堆积净结构破坏效应 (breaking effect)大离子和单价离子产生较弱电场K+, Cs+, NH4+ , Cl-, Br-, I-, NO3- , BrO3- , IO3- , ClO4-流动性比纯水强四、水与具有氢键形成能力的中性基团（亲水性溶质）的相互作用 键的强度 大共价键H2O-离子H2O- H2

6、OH2O- 亲水性溶质 小 水-溶质相互作用的分类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水桥五、水与非极性基团的相互作用非极性物质：烃、稀有气体以及脂肪酸、氨基酸和蛋白质的非极性基团疏水水合作用（hydrophobic hydration） G HTS 0 S 0H2OR R(水合)疏水相互作用（hydrophobic interaction）G 0 热力学有利R(水合)R(水合)

7、R2(水合)H2O 与疏水基团相邻的水的结构吸引负电荷排斥正电荷“主体”物质 水（2074个水分子）“客体”物质 低相对分子质量的化合物笼状水合物疏水相互作用为蛋白质的折叠提供了主要推动力维持蛋白质四级结构疏水基团处在蛋白质分子的内部六、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千1234脂肪酸盐双亲分子一般结构非极性区极性区双亲分子的胶团结构 非极性极性水与亲水部位的缔合导致双亲分子的表观“增溶”第八节 水分活度和相对蒸汽压一、引言食品的水分含量食品的腐败性存

8、在相关性但发现水分含量相同，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差别比水分含量更可靠，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严格差别1%仅适合理想溶液RVP,相对蒸汽压Aw与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关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Aw 测定方法密闭容器达到表观平衡后测定压力或相对湿度根据冰点下降测定RVP根据干、湿球温度计，查表读RVP测定精确性为0.02三、水分活

9、度与温度的关系水分含量相同，温度不同，Aw不同Clausius-Clapeyron公式 T 绝对温度 R 气体常数H 在样品的水分含量下等量净吸附热lnAw1/T直线关系10温度变化，Aw变化0.030.21.0冰点以下食品的AwPff部分冻结食品中水的分压P0 (scw)纯的过冷水的蒸汽压P(ice)纯冰的蒸汽压在冰点以下也是线性的温度对Aw的影响 冰点以下冰点以上直线出现明显的折断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

10、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四、水分吸着等温线 （一）定义和区 水分吸附等温线 （Moisture sorption isotherms,MSI）在恒定温度下，使食品吸湿或干燥，所得到的食品水分含量（每克干物质中水的质量）与Aw的关系曲线。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（干）移至区（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）回吸等温线绘制方法将水加到预先干燥的试样中形状S形J形溶菌酶水合作用水合过程开始时存在于干

11、蛋白质中的水被假设为构成水（区）水首先吸收在离子化、羧基和氨基酸侧链部位（A 区）水的进一步吸收导致较小吸收部位（蛋白质主链的酰胺羰基）的逐渐水合（B 区）BET真实单层构成水：占据大分子溶质内部的特殊位置， 存在于干蛋白质中的水自由水：宏观流动不受大分子基质的 物理限制截留水：宏观流动受大分子基质的 物理限制区的水的性质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构成水和邻近水占总水量极小部分BET单层 区和接界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区的水的性质通过氢键与相邻的水分子和溶质分子

12、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 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。区的水的性质体相水被物理截留或自由的宏观运动受阻性质与稀盐溶液中的水类似占总水分的95%以上BET真实单层邻近水多层水（二）MSI与温度的关系水分含量一定 T，AwAw一定 T，水分含量（三）滞后现象（Hysteresis）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的等温线不重叠现象 即为“滞后现象”滞后环一般来说，当Aw一定时，解吸过程中食品的

13、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滞后现象的现实意义鸡肉和猪肉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黏度低，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五、水分活度与食品稳定性0.95-0.910.91-0.870.87-0.800.5首次出现最低反应速度时的水分含量相当于“BET”水分含量一般情况，Aw，反应速度 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0脂肪氧化速度Aw 1. Aw：0BET氧化速度逐渐下降过分干燥，食品稳定性下降原因水与氧化产物结合，阻碍分解，阻止氧化进程水与金属离子水合，降低了催化性 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Aw 2. AwBET氧化速度增加原因提高了氧的溶解度促