水与矿物质PowerPointPresentation课件

1、水与矿物质PowerPointPresentation水与矿物质PowerPointPresentation一、水和冰的结构二、水在生物体内的含量与功能三、人体与水及食物与人体水的关系四、食品中水分的种类；五、水与溶质的相互作用六、水分活度和吸附等温线七、分子迁移和食品稳定主要内容(contents)一、水和冰的结构主要内容(contents) 水异常的物理性质: 1. 熔点,沸点高. 2. 介电常数大 3. 水的表面张力和相变热大.（一 ）水和冰的物理特性一、水和冰的结构 （Structure of water and ice） 水异常的物理性质:（一 ）水和冰的物理特性一、水和冰的结构 4

2、. 密度低,结冰时体积膨胀. 5. 导热值比非金属固体大,0时,冰的导热值为同温度下水的4倍,扩散速度为水的9倍. 6. 密度随温度而变化. 4. 密度低,结冰时体积膨胀. （二 ）水和冰的结构（二 ）水和冰的结构单个水分子的结构特征The water molecule 1. H2O分子的四面体结构有对称型. 2. H-O共价键有离子性. 3. 氧的另外两对孤对电子有静电力. 4. H-O键具有电负性.单个水分子的结构特征The water molecule 水分子的缔合Association of water molecules Food chemistry and analysis水分子的

3、缔合Association of water mo 水分子的缔合水分子的缔合 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. 3. 静电效应.水分子缔合的原因:水分子的缔合Association of water molecules 1. H-O键间电荷的非对称分布使H-O键具有极性,这冰的结构Structure of ice冰的结构Structure of ice 水与矿物质PowerPointPresentation 水与矿物质PowerPointPresentation

4、在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻 溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移。六方冰晶形成的条件： 在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻六方冰晶形成的条按冷冻速度和对称要素分，冰可分为四大类： 六方型冰晶不规则树枝状结晶粗糙的球状结晶 易消失的球状结晶及各种中间体。冰的分类按冷冻速度和对称要素分，冰的分类水的结构Structure of water 目前提出的3类水的结构模型: 混合模型:混合模型强调了分子间氢键的概念,认为分子间氢键短暂地浓集于成簇的水分子之间,成簇的水分子与其它更密集的水分子处于动态平衡. 水的结构Structure of water 目前提出的3 连续模型:分子间氢键均匀地分布于整

5、个水样,水分子的连续网络结构成动态平衡. 填隙式模型:水保留在似冰状或笼状结构中,个别的水分子填充在笼状结构的缝隙中. 连续模型:分子间氢键均匀地分布于整个水样,水分子的连续网水分子的结构特征 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的结构特征 水是呈四面体的网状结构 温度() 配位数 分子间距nm 0 4 0.276 1.5 4.4 0.290 83 4.9 0.305 返回 温度() 配位数 二、水在生物体内的含量与功能1、水在生物体内的含量2、水的生理功能二、水在生物体内的含量与功能1、水在生物体内的含量1、人体对水的需要与平衡（1）人体对

6、水的需要（2）人体内水的来源与排出（3）人体对水的吸收（4）人体内水的代谢失常2、食物成分与体内水平衡的关系三、人体与水及食物与人体内水的关系1、人体对水的需要与平衡三、人体与水及食物与人体内水的关系四、食品中水分的种类 Categories of water in foods 束缚水 水 滞化水 自由水 毛细管水 自由流动水四、食品中水分的种类 Categories of wate美国O。R。菲尼马的分类 自由水 体相水 截留水 水 化合水 结合水 邻近水 多层水美国O。R。菲尼马的分类 在-40下不结冰无溶解溶质的能力与纯水比较分子平均运动为0不能被微生物利用化合水Constitution

7、al water在-40下不结冰化合水Constitutional wat 在-40下不结冰无溶解溶质的能力与纯水比较分子平均运动大大减少不能被微生物利用此种水很稳定，不易引起Food的腐败变质。邻近水Vicinal water 邻近水Vicinal water大多数多层水在-40下不结冰，其余可结冰，但冰点大大降低。有一定溶解溶质的能力与纯水比较分子平均运动大大降低不能被微生物利用多层水Multilayer water大多数多层水在-40下不结冰，其余可结冰，但冰点大大降低。 能结冰，但冰点有所下降溶解溶质的能力强，干燥时易被除去与纯水分子平均运动接近 很适于微生物生长和大多数化学反应，易引

8、起Food的腐败变质，但与食品的风味及功能性紧密相关。自由水Bulk-phase water返回 能结冰，但冰点有所下降自由水Bulk-phase wate四、水与溶质的相互作用 Water solute interactions四、水与溶质的相互作用 Water solute int种类 实例 相互作用强弱 （与H2O-H2O氢键比较） 偶极-离子 H2O-游离离子 较强 H2O-有机分子带电基团 偶极-偶极 H2O-PR-NH， H2O-PR-CO 近乎相等 H2O-侧链OH 疏水水合 H2O+RR（水合） G0 疏水相互作用 R（水合）R（水合） R2（水合）+ H2O G0 水与溶质相

9、互作用的分类种类 实水与离子基团的相互作用Interaction of water with Ionic groups水与离子基团的相互作用Interaction of wat 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+, Cs+, NH4+, Cl-, Br-，I-,NO3-,BrO3-,IO3-，ClO4-等。净结构破坏效应Net structure-breaking effect 在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效应（N 另外一些离子具有净结构形成效应（Net struct

10、ure- 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。净结构形成效应Net structure- forming effect 另外一些离子具有净结构形成效应（N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水与有氢键键合能力中性基团的相互作用InteractionThe above chain of ten water m

11、olecules, linking the end of one a-helix to the middle of another is found from the X-ray diffraction data of glucoamylase-471(葡萄糖淀粉酶), The water network links secondary structures within the protein The above chain of ten water mThe above centrally-placed water molecule makes strong hydrogen bonds

12、to residues in three separated parts of the ribonuclease(核糖核酸酶) molecule holding them together. This water molecule and its binding site are conserved across the entire family of microbial ribonucleasesThe above centrally-placed wat Water molecules have also proved integral to the structure and biol

13、ogical function of a dimeric(二聚) hemoglobin(血色素) Water molecules have also proWeak hydrogen bonding, e.g. a-L-arabinofuranose(阿拉伯呋喃糖)Weak hydrogen bonding, e.g. a-Strong hydrogen bonding, e.g. b-1-4-linked D-xylose(D-木糖)Strong hydrogen bonding, e.g. 水与疏水基团的相互作用Interaction of water with nonpolar subs

14、tances 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。水与疏水基团的相互作用Interaction of wat 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。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 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

15、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。笼形水合物(Clathrate hydrates) 是象冰一样的包含化合物，水为“宿主”，它们靠氢键键水与矿物质PowerPointPresentation返回返回四、水分活度和吸附等温线 Water activity and Moisture Sorption Isotherms四、水分活度和吸附等温线 Water activity a（一） Water activity(aw)的定义: 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:

16、aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)（一） Water activity(aw)的定义: 水分活度的物理意义是表征生物组织和食品中能参与各种生理作用的水分含量与总含水量的定量关系. 应用aw =ERH/100时必须注意: aw 是样品的内在品质,而ERH是与样品中的水蒸气平衡是的 大气性质. 仅当食品与其环境达到平衡时才能应用. 注意事项 水分活度的物理意义是表征生物组织和食品中能 只有当溶质是非电解质且浓度小于1mol/L的稀溶液时,其水分活度才可以按 aw =n1/(n1+n2)计算: 溶质 A aw 理想溶液 0.9823=55.51/(55.51+1) 丙三醇 0.

17、9816 蔗糖 0.9806 氯化钠 0.967 氯化钙 0.945 A:1千克水(约55.51mol)溶解1mol溶质 只有当溶质是非电解质且浓度小于1mol/L的稀 aw=-KH/RT（二 ）水分活度与温度的关系 (temperature dependence) aw=-KH/RT（二 ）水分活度与温度的关系 比较高于和低于冻结温度下的aw时应注意两个重要差别: 在冻结温度以上, aw是样品组分与温度的函数,且前者是主要因素,在冻结温度以下, aw与样品组分无关,只取决于温度,不能根据aw预测受溶质影响的冰点以下发生的过程,如扩散控制 过程,催化反应等. 冻结温度以上和以下aw对食品稳的影

18、响是不同的. 比较高于和低于冻结温度下的aw时应注意水分吸湿等温线Moisture Sorption Isotherms Definition:在一定温度下食品的水分含量和水分活度之间的相互关系图（ polts interrelating water content of a food with its water activity at constant temperature .）水分吸湿等温线Moisture Sorption Isot水与矿物质PowerPointPresentation由于水的转移程度与aw有关,从MSI图可以看出食品脱水的难易程度,也可以看出如何组合食品才能避免水分

19、在不同物料间的转移.据MSI可预测含水量对食品稳定性的影响.从MSI还可看出食品中非水组分与水结合能力的强弱.MSI的实际意义由于水的转移程度与aw有关,从MSI图可以看出食品脱水的难易 区 I区 II区 III区Aw 0-0.2 0.2-0.85 0.85含水量% 1-6.5 6.5-27.5 27.5冷冻能力 不能冻结 不能冻结 正常溶剂能力 无 轻微-适度 正常水分状态 单分子层水 多分子层水 体相水微生物利用 不可利用 部分可利用 可利用 MSI上不同区水分特性 区 滞后现象Hysteresis 定义:采用回吸(resorption)的方法绘制的MSI和按解吸(desorption)的

20、方法绘制的MSI并不互相重叠的现象称为滞后现象. Food chemistry and analysis滞后现象Hysteresis 定义:采用回 水与矿物质PowerPointPresentation水与矿物质PowerPointPresentation水与矿物质PowerPointPresentation滞后现象产生的原因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.滞后现象产生的原因

21、解吸过程中一些水分与非水溶液成分作用而无法水分活度与食品的稳定性Water activity and food stability 水分活度与食品的稳定性Water activity and水分活度与食品的稳定性水分活度与食品的稳定性 Stability of low- and intermediate moisture foods (IMF) is dependent on water content and water activity Stability is often maintained below the monolayer water content水分活度和稳定性WATER

22、ACTIVITY AND STABILITY水分活度和稳定性WATER ACTIVITY AND ST Microorganisms may grow above a given, food material specific water content Microorganisms do not grow at low water activities Growth of microorganisms may occur inintermediate moisture foods微生物的稳定性Microbiological stability Microorganisms may grow

23、aboThere are general water activity limits for growth of molds, yeasts and bacteria- aw 0.6 xerophilic molds and yeasts- aw 0.7 molds- aw 0.75 halophilic bacteria- aw 0.8 yeasts- aw 0.86 pathogenic bacteria (S. aureus)微生物的稳定性Microbiological stabilityThere are general water activi化学稳定性Chemical Stabil

24、ity 氧化作用Oxidation Most foods contain lipids, colours, vitamins, etc.,which are susceptible to oxidation These compounds may be encapsulated and protected from oxidation at low water contents Increases in water content may release encapsulatedcompounds or result in enhanced diffusion of oxygen in the

25、 material化学稳定性Chemical Stability 氧化作用O “Free lipids”, i.e., non encapsulated lipids oxidise rapidly at low water contents- increasing water content often decreases the rateof oxidation: dilution of catalysts, structuralchanges- at high water activities, the rate of oxidationincreases脂肪氧化Lipid oxidat

26、ion “Free lipids”, i.e., non enc水与矿物质PowerPointPresentation在aw=0-0.33范围内,随aw,反应速度的原因: 水与脂类氧化生成的氢过氧化物以氢键结合,保护氢过氧化物的分解,阻止氧化进行. 这部分水能与金属离子形成水合物,降低了其催化性水与矿物质PowerPointPresentation在aw=0.33-0.73范围内,随aw,反应速度的原因: 水中溶解氧增加 大分子物质肿胀,活性位点暴露加速脂类氧化. 催化剂和氧的流动性增加. 当aw0.8时,随aw,反应速度增加很缓慢的原因: 催化剂和反应物被稀释. 在aw=0.33-0.73范

27、围内,随aw,反应速度的原因increasing water content often increases the rate of oxidation of protein Protein denature Protein denature occur slowly at low water contents(0.4%) Protein denature does not occur when water content below 0.2%蛋白质变性Protein denatureincreasing water content often淀粉的老化Starch staling Starc

28、h staling occur rapidly in water content of 30%-60%. Starch staling does not occur when water content decrease to 10%-15%. 淀粉的老化Starch staling Several enzymatic changes do not occur at low aw (0.25-0.3)- diffusional limitations- low molecular mobility does not allow enzymeand substrate rearrangement

29、s酶的变化Enzymatic Changes Several enzymatic changes do Non-enzymatic browning (Maillard reaction,caramellisation) reactions may occur in most low and intermediate moisture foods Non-enzymatic browning is exremely low or does not occur at low aw(0.2)- slow molecular motions- production of water in the r

30、eaction may enhancebrowning非酶褐变Non-Enzymatic Browning Non-enzymatic browning (Mail The rate of the reaction increases rapidly above a critical water activity- the rate is highest at intermediate aw(0.6-0.7)- at high water contents, reactants are diluted and the rate of the reaction decreases The rat

31、e of browning often increases as a result of water released by crystallization of amorphous sugars, e.g., lactose in dairy powders非酶褐变Non-Enzymatic Browning The rate of the reaction inc Retention of flavour and aroma is relatively high at low water activities Volatile compounds must diffuse to the s

32、urface.Diffusion is dependent on temperature and water content. Volatile compounds often become ncapsulated in food matrices at low water activities Loss of volatiles, flavours and aroma may result from structural changes and crystallization of component compounds as encapsulated compounds are relea

33、sed.香味的保持Flavour Retention Retention of flavour and aro Structural transformations often occur above acritical water activity Typical changes in structure include collapse of physical structure, stickiness and caking of powders,and loss of crispness.结构的组织上的变化Changes in Structure and Texture结构的组织上的变化

34、五、分子迁移和食品稳定 Molecular mobility and food stability 五、分子迁移和食品稳定 Molecular mobility 玻璃态（glass stste）：是聚合物的一种状态，它既象固体一样有一定的形状，又象液体一样分子间排列只是近视有序，是非晶态或无定形态。处于此状态的聚合物只允许小尺寸的运动，其形变很小，类于玻璃，因此称。 几个概念几个概念玻璃化温度（glass transition temperature, Tg）：非晶态食品从玻璃态到橡胶态的转变称玻璃化转变，此时的温度称。无定形（Amorphous）：是物质的一种非平衡，非结晶态。玻璃化温度（g

35、lass transition tempera 分子流动性（Mm）：是分子的旋转移动和平转移动性的总度量。决定食品Mm值的主要因素是水和食品中占支配地位的非水成分。 大分子缠结（Macromoleculer entanglement）：指大的聚合物以随机的方式相互作用，没有形成化学键，有或没有氢键。水与矿物质PowerPointPresentation二元体系的状态图状态图（State diagrams）二元体系的状态图状态图（State diagrams）分子淌度与食品性质的相关性 1、化学、物理反应的速率与分子淌度的关系 扩散因子D 碰撞频率因子A 活化能因子Ea 决定化学反应速度分子淌度与食品性质的相关性 1、化学、物理反应 扩散限制反应(Diffusion-limited reaction)：质子转移反应，自由基重新结合反应，酸碱反应，许多酶催化反应，蛋白质折叠反应，聚合物链增长，以及血红蛋白和肌红蛋白的氧合/去氧合作用。 非扩散限制反应(Non- Diffusion-limited reaction) ：高水分食品中的一些反应，有些非催化的慢反应等。 当温度降至T