食品化学理论-水的结构、含量和测定课件

食品化学理论

—水的结构、含量和测定食品化学理论

—水的结构、含量和测定1本章提要水和冰的结构及其在食品体系中的行为对食品的质地、风味和稳定性的影响。水分活度与水分吸着等温线及水分活度对食品稳定性的影响。食品中水分含量和水分活度的测定方法。本章提要22.1概述Introduction一、水在生物体中的含量及作用

水是生物体含量最高的组分水母（Medusae)98%

营养器官：70－90％繁殖器官：12－15％2.1概述Introduction一、水在生物体中的含量3食品化学理论—水的结构、含量和测定课件4二、水的功能水在食品工艺学方面的功能食品理化性质：起着溶解、分散蛋白质、淀粉等水溶性成分的作用

食品质地方面：对食品的新鲜度、硬度、风味、流动性、色泽、耐贮性和加工适应性有影响食品安全性：水是微生物繁殖的必需条件食品工艺角度：水起着膨润、浸透、均匀化等功能；大多数食品加工的单元操作都与水有关，如干燥、浓缩、冷冻、水的固定等二、水的功能水在食品工艺学方面的功能食品理化性质：起着溶解、5二、水的功能水在食品生物学方面的功能水是良好的溶剂水为必须的生物化学反应提供一个物理环境水是体内物质运输的载体水是维持体温的载温体水是体内摩擦的润滑剂二、水的功能水在食品生物学方面的功能水是良好的溶剂水为必须的6水和冰的物理特性

Physicalcharacterofwaterandice与元素周期表中邻近氧的某些元素的氢化物比较（CH4、NH3、HF、H2S）：表面张力、介电常数、热容及相变热等与冰比较（密度、热扩散率等）水和冰的物理特性

Physicalcharacterof7水和冰的结构StructureofwaterandIce水和冰的结构StructureofwaterandI8水异常的物理性质1、高熔点(0℃),高沸点(100℃);

2、介电常数大；3、表面张力高；4、热容和相转变热焓高；熔化热、蒸发热和升华热

5、密度低(1g/cm3)，凝固时的异常膨胀率;

6、粘度正常(1cPa·s);水异常的物理性质1、高熔点(0℃),高沸点(100℃);9(1)单个水分子的结构特征H2O分子的四面体结构有对称型.H-O共价键有离子性.氧的另外两对孤对电子有静电力.H-O键具有电负性.2Structureofwaterandice(1)单个水分子的结构特征H2O分子的四面体结构有对称型.210(2)

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.氢键供体氢键受体(2)分子的缔合1.H-O键间电荷的非对称分布使H-O键11目前提出的3类水的结构模型:P17混合模型连续模型填隙式模型（3）水的结构目前提出的3类水的结构模型:P17混合模型（3）水的结构12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13(4)冰的结构六方冰晶形成条件：①在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻;②溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移。(4)冰的结构六方冰晶形成条件：14食品化学理论—水的结构、含量和测定课件15食品化学理论—水的结构、含量和测定课件162.3食品中水的存在形式Categoriesofwaterinfoods以毛细管力结合的水以氢键结合力结合的水2.3食品中水的存在形式Categoriesofwat17食品化学理论—水的结构、含量和测定课件182.4水与溶质的相互作用Water–soluteinteractions2.4水与溶质的相互作用Water–soluteint19食品化学理论—水的结构、含量和测定课件202.水与离子基团的相互作用

InteractionofwaterwithIonicgroups

2.水与离子基团的相互作用

Interactionofw21

（P20)在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效应（Net

structure-breakingeffect),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。

另外一些离子具有净结构形成效应（Netstructure-formingeffect),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。（P20)在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效应（Ne223.水与有氢键键合能力中性基团的相互作用

Interactionofwaterwithneutralgroupspossessinghydrogen-bondingcapabilities

水与溶质之间的氢键键合比水与离子之间的相互作用弱。氢键作用的强度与水分子之间的氢键相近。水能与某些基团，例如羟基、氨基、羰基、酰氨基和亚氨基等极性基团，发生氢键键合。3.水与有氢键键合能力中性基团的相互作用

Interacti23

在生物大分子的两个部位或两个大分子之间可形成由几个水分子所构成的“水桥”。在生物大分子的两个部位或两个大分子之间可形成由几个水分子244.

水与疏水基团的相互作用

Interactionofwaterwithnonpolarsubstances

疏水基团与水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强,结构更为有序疏水基团之间相互聚集，从而使它们与水的接触面积减小，结果导致自由水分子增多蛋白质分子产生的疏水相互作用（hydrophobicinteraction）非极性物质能和水形成笼形水合物（clathratehydrates）4.水与疏水基团的相互作用

Interactionof25疏水水合(Hydrophobichydration)：

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。疏水水合(Hydrophobichydration)：

向水26疏水相互作用(Hydrophobicinteraction)：

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(Hydrophobicinteractio27笼形水合物(Clathratehydrates)是象冰一样的包含化合物，水为“宿主”，它们靠氢键键合形成象笼一样的结构，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(Clathratehydrates)是象冰一样28球状蛋白质的疏水相互作用

疏水基团缔合或发生“疏水相互作用”，引起了蛋白质的折叠。疏水相互作用是蛋白质折叠的主要驱动力。同时也是维持蛋白质三级结构的重要因素○是疏水基团，圆球周围的“L－形”物质根据疏水表面定向的水分子，●代表与极性基团缔合的水分子球状蛋白质的疏水相互作用

疏水基团缔合或发生“疏水相互作29食品化学理论—水的结构、含量和测定课件302.5水分活度与吸着等温线

（WateractivityandMoisture

SorptionIsotherms）2.5水分活度与吸着等温线

（Wateractivity31食品的水分含量～食品的腐败性存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

IntroductionIntroduction32食品化学理论—水的结构、含量和测定课件33f——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2.5.1水分活度的定义

WaterActivity:Definitionf——溶剂（水）的逸度严格差别1%仅适合理想溶液RVP34水分活度(wateractivity)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:水分活度(wateractivity)35aw=p/poaw:wateractivityp:vaporpressureofwaterabovefoodpo:vaporpressureabovepurewaterp/poiseasytomeasure→measurerelativehumidityaw=p/po36Aw与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关ERH(EqulibriumRelativeHumidity)注意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:①aw

是样品的内在品质,而ERH是与样品中的水蒸气平衡时的大气性质.②仅当食品其环境达到平衡时才能应用。Aw与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关ERH(Eq372.5.2水分活度与温度的关系(temperaturedependence)㏑aw=-K△H/RT2.5.2水分活度与温度的关系(temperatured38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——纯水的汽化潜热K——达到同样水蒸汽压时食品温度比纯水温度高出的比值水分含量相同，温度不同，Aw不同T——绝对温度39lnAw～1/TlnAw～1/T40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在冰点以下也是线性的41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) 纯冰的蒸汽压冰点以下食品的AwPff 部分冻结食品中水的分压42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。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432.5.3水分吸湿等温线

MoistureSorptionIsothermsDefinition:poltsinterrelatingwatercontentofafoodwithitswateractivityatconstanttemperature.水分吸附等温线(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。2.5.3水分吸湿等温线

MoistureSorptio44高水分食品的MSI从正常至干燥的整个水分含量范围高水分食品的MSI从正常至干燥的整个水分含量范围45低水分食品的MSI加水回吸时，试样的组成从区Ⅰ（干）移至区Ⅲ（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）低水分食品的MSI加水回吸时，试样的组成从区Ⅰ（干）移至区Ⅲ46区Ⅰ的水的性质：构成水和邻近水最强烈地吸附最不易流动水-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占总水量极小部分区Ⅰ的水的性质：构成水和邻近水47单分子层（相当于BET层）区Ⅰ和Ⅱ接界图中：0.07gH2O/g干物质，Aw=0.2相当于干制品能呈现最高的稳定性时含有的最大含水量。单分子层区Ⅰ和Ⅱ接界48BET单层值的意义BET单层值的意义49BET单层值的计算（P31)Aw：水分活度m:水含量(H2Og/g干物质)m1：单分子层值C:常数对Aw作图应得到一条直线，称为BET直线BET单层值的计算（P31)Aw：水分活度对Aw作图应得到50（gH2O/g干物质）（gH2O/g干物质）51区Ⅱ的水的性质：多层水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区Ⅰ和区Ⅱ的水占总水分的5%以下

区Ⅱ的水的性质：多层水52区Ⅱ和Ⅲ接界0.38gH2O/g干物质

Aw=0.85完全水合所需的水分含量。真实单层：区Ⅱ和Ⅲ接界真实单层：53区Ⅲ的水的性质：体相水被物理方式截留或自由的宏观运动受阻与稀盐溶液中水的性质类似占总水分的95%以上区Ⅲ的水的性质：体相水54食品化学理论—水的结构、含量和测定课件55小结(P29)小结(P29)56MSI的实际意义从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的实际意义从MSI图可以看出食品脱水的难易程度,也可以57

滞后现象

Hysteresis

定义:采用回吸(resorption)的方法绘制的MSI和按解吸(desorption)的方法绘制的MSI并不互相重叠的现象称为滞后现象。回吸：把水加到干的样品中解吸：先使样品吸水饱和，再干燥滞后现象

Hysteresis定义:采用回吸(reso58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59高糖-高果胶食品空气干燥苹果

总的滞后现象明显滞后出现在真实单层水区域Aw＞时，不存在滞后滞后环的形状—食品品种

高糖-高果胶食品空气干燥苹果滞后环的形状—食品品种60高蛋白食品冷冻干燥熟猪肉

Aw＜开始出现滞后滞后不严重回吸和解吸等温线均保持S形滞后环的形状—食品品种

高蛋白食品冷冻干燥熟猪肉滞后环的形状—食品品种61淀粉质食品冷冻干燥大米

存在大的滞后环时最严重滞后环的形状—食品品种

淀粉质食品冷冻干燥大米滞后环的形状—食品品种62T↑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无关滞后环的形状—温度

T↑滞后环的形状—温度63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。温度、解吸的速度和程度及食品类型等影响滞后环的形状。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64滞后现象的现实意义鸡肉和猪肉Aw～，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。滞后现象的现实意义鸡肉和猪肉Aw～，解吸时脂肪氧化速度高于回652.6水分活度与食品的稳定性Wateractivityandfoodstability2.6水分活度与食品的稳定性Wateractivity662.6.1AW与微生物生命活动的关系影响食品稳定性的微生物主要是细菌、酵母和霉菌。在不同的生长阶段，微生物所需要的Aw阈值不同。通过调节Aw的大小，可以抑制微生物的生长。2.6.1AW与微生物生命活动的关系影响食品稳定性的微生物67Microorganismsmaygrowaboveagiven,foodmaterialspecificwatercontentMicroorganismsdonotgrowatlowwateractivitiesGrowthofmicroorganismsmayoccurinintermediatemoisturefoodsMicroorganismsmaygrowabove68

Therearegeneralwateractivitylimitsforgrowthofmolds,yeastsandbacteria

-aw<0.6nogrowth

-aw>0.6xerophilicmoldsandyeasts

-aw>0.7molds

-aw>0.75halophilicbacteria

-aw>0.8yeasts

-aw>0.86pathogenicbacteria(S.aureus)MicrobiologicalstabilityTherearegeneralwateractiv69除非酶氧化在时有较高反应外，其它反应均是Aw愈小反应速度愈小。对多数食品而言,低Aw有利于食品的稳定性。首次出现最低反应速度时的水分含量相当于“BET”水分含量

ChemicalStability

—Aw

除非酶氧化在时有较高反应外，其它反应均是Aw愈小反应速度愈小70酶促反应（EnzymaticChanges）

—Aw

Aw

低Aw(0.25-0.3)，不反应SeveralenzymaticchangesdonotoccuratlowAw(0.25-0.3)diffusionallimitationslowmolecularmobilitydoesnotallowenzymeandsubstraterearrangements酶促反应（EnzymaticChanges）—AwA71Oxidation:

Mostfoodscontainlipids,colours,vitamins,etc.,whicharesusceptibletooxidation

Thesecompoundsmaybeencapsulatedandprotectedfromoxidationatlowwatercontents

Increasesinwatercontentmayreleaseencapsulatedcompoundsorresultinenhanceddiffusionofoxygeninthematerial2.6.3Lipidoxidation

—Aw

Oxidation:2.6.3Lipidoxidati72“Freelipids”,i.e.,nonencapsulatedlipidsoxidiserapidlyatlowwatercontents

increasingwatercontentoftendecreasestherateofoxidation:dilutionofcatalysts,structuralchangesathighwateractivities,therateofoxidationincreases食品化学理论—水的结构、含量和测定课件73(1)Aw：范围内随Aw↑,反应速度↓过分干燥，食品稳定性下降Aw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,阻止氧化进行水与金属离子水合,降低了催化性(1)Aw：范围内Aw原因:74(2)Aw：范围内随Aw↑,反应速度↑Aw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(2)Aw：范围内Aw原因:75(3)Aw＞随Aw↑,反应速度增加很缓慢Aw原因:

催化剂和反应物被稀释,

阻滞氧化(3)Aw＞Aw原因:762.6.4

Non-EnzymaticBrowning

—Aw

AwNon-enzymaticbrowning(Maillardreaction,caramellisation)reactionsmayoccurinmostlowandintermediatemoisturefoods

非酶褐变反应可发生在中、低水分含量的食品中2.6.4Non-EnzymaticBrowni77AwNon-enzymaticbrowningisextremelylowordoesnotoccuratlowAw(0.2)slowmolecularmotionsproductionofwaterinthereactionmayenhancebrowning

低Aw(0.2)，反应速度极低或不反应AwNon-enzymaticbrowningisex78AwTherateofthereactionincreasesrapidlyaboveacriticalwateractivityTherateishighestatintermediateAw(0.6-0.7)

athighwatercontents,reactantsaredilutedandtherateofreactiondecreases

中等至高Aw，反应速度最高水是一个产物，水含量继续增加，会稀释中间产物的浓度，导致产物抑制作用

AwTherateofthereactionin79increasingwatercontentoftenincreasestherateofoxidationofproteinProteindenatureProteindenatureoccurslowlyatlowwatercontents(0.4%)Proteindenaturedoesnotoccurwhenwatercontentbelow0.2%

ProteinDenature

—Aw

原因:

水分能使蛋白质膨润,体积增大,暴露出长链中可氧化的基团,Aw的增大会加速蛋白质的氧化,破坏蛋白质的结构,导致其变性。increasingwatercontentoften80Starchstalingoccurrapidlyinwatercontentof30%-60%.Starchstalingdoesnotoccurwhenwatercontentdecreaseto10%-15%.2.6.6

StarchStaling

—Aw

食品在较高Aw(30-60%)的情况下,淀粉老化速度最快;如果降低Aw,则老化速度减慢,若含水量降至于10%-15%,则食品中水分多呈结合态,淀粉几乎不发生老化。Starchstalingoccurrapidlyi81Retentionofflavourandaromaisrelativelyhighatlowwateractivities

FlavourRetention

—Aw

Volatilecompoundsmustdiffusetothesurface.Diffusionisdependentontemperatureandwatercontent.

VolatilecompoundsoftenbecomeencapsulatedinfoodmatricesatlowwateractivitiesLossofvolatiles,flavoursandaromamayresultfromstructuralchangesandcrystallizationofcomponentcompoundsasencapsulatedcompoundsarereleased.Retentionofflavourandaroma828.ChangesinStructureandTexture

—Aw

StructuraltransformationsoftenoccuraboveacriticalwateractivityTypicalchangesinstructureincludecollapseofphysicalstructure,stickiness,cakingofpowdersandlossofcrispness.8.ChangesinStructureandTex832.7冰在食品稳定性中的作用冷冻后食品中非水分组分的浓度将比冷冻前变大。水结冰后体积比结冰前增大9％。冷冻使溶质的浓度上升即浓缩效应,浓缩效应的结果是增大了反应速度。尽量采用速冻和缓慢解冻。2.7冰在食品稳定性中的作用冷冻后食品中非水分组分的浓度将842.8水分含量和水分活度的测定方法MeasurementofwatercontentandAw2.8水分含量和水分活度的测定方法Measurement85水分含量的测定方法

WATERDETERMINATIONMETHODS干燥法；卡尔.费休法；蒸馏法；近红外法；核磁共振法水分含量的测定方法

WATERDETERMINATION86水分活度的测定方法MeasurementmethodsofAw

1.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小容器中,使其达到平衡,然后用电子或湿度测定仪测样品和环境空气的平衡相对湿度,即可得阿AW.2.恒定相对湿度平衡法：置样品于恒温密闭的小容器中,用一定种类的饱和盐溶液使容器内的样品的环境空气的相对湿度恒定,待恒定后测样品含水量的变化,然后再绘图求AW.水分活度的测定方法Measurementmethodso87本章小结1.水分子的结构特征：A.水是呈四面体的网状结构B.水分子之间的氢键网络是动态的C.水分子氢键键合程度取决于温度2.水分子的缔合3.冰是由水分子有序排列形成的结晶，有

种晶型，其中

是最稳定的。本章小结884.水的结构模型5.化合水特点6.邻近水特点7.多层水特点8.体相水特点4.水的结构模型7.多层水899.水与溶质的相互作用10.水分活度的定义11.水分吸着等温线MSI12.滞后现象13.水分活度的测定方法14.水分含量的测定方法9.水与溶质的相互作用13.水分活度的测定方法90作业：1.请分析图中各区及分界的水的性质。2.请比较冰点以上和冰点以下Aw的差异。3.请至少从4个方面分析Aw与食品稳定性的关系。作业：1.请分析图中各区及分界的水的性质。2.请比较冰点91关键词水和冰的结构：Structureofwaterandice化合水：Constitutionalwater邻近水：Vicinalwater多层水：Multilayerwater体相水：Bulk-phasewater水分活度：Wateractivity吸着等温线：MoistureSorptionIsotherms关键词92食品化学理论

—水的结构、含量和测定食品化学理论

—水的结构、含量和测定93本章提要水和冰的结构及其在食品体系中的行为对食品的质地、风味和稳定性的影响。水分活度与水分吸着等温线及水分活度对食品稳定性的影响。食品中水分含量和水分活度的测定方法。本章提要942.1概述Introduction一、水在生物体中的含量及作用

水是生物体含量最高的组分水母（Medusae)98%

营养器官：70－90％繁殖器官：12－15％2.1概述Introduction一、水在生物体中的含量95食品化学理论—水的结构、含量和测定课件96二、水的功能水在食品工艺学方面的功能食品理化性质：起着溶解、分散蛋白质、淀粉等水溶性成分的作用

食品质地方面：对食品的新鲜度、硬度、风味、流动性、色泽、耐贮性和加工适应性有影响食品安全性：水是微生物繁殖的必需条件食品工艺角度：水起着膨润、浸透、均匀化等功能；大多数食品加工的单元操作都与水有关，如干燥、浓缩、冷冻、水的固定等二、水的功能水在食品工艺学方面的功能食品理化性质：起着溶解、97二、水的功能水在食品生物学方面的功能水是良好的溶剂水为必须的生物化学反应提供一个物理环境水是体内物质运输的载体水是维持体温的载温体水是体内摩擦的润滑剂二、水的功能水在食品生物学方面的功能水是良好的溶剂水为必须的98水和冰的物理特性

Physicalcharacterofwaterandice与元素周期表中邻近氧的某些元素的氢化物比较（CH4、NH3、HF、H2S）：表面张力、介电常数、热容及相变热等与冰比较（密度、热扩散率等）水和冰的物理特性

Physicalcharacterof99水和冰的结构StructureofwaterandIce水和冰的结构StructureofwaterandI100水异常的物理性质1、高熔点(0℃),高沸点(100℃);

2、介电常数大；3、表面张力高；4、热容和相转变热焓高；熔化热、蒸发热和升华热

5、密度低(1g/cm3)，凝固时的异常膨胀率;

6、粘度正常(1cPa·s);水异常的物理性质1、高熔点(0℃),高沸点(100℃);101(1)单个水分子的结构特征H2O分子的四面体结构有对称型.H-O共价键有离子性.氧的另外两对孤对电子有静电力.H-O键具有电负性.2Structureofwaterandice(1)单个水分子的结构特征H2O分子的四面体结构有对称型.2102(2)

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.氢键供体氢键受体(2)分子的缔合1.H-O键间电荷的非对称分布使H-O键103目前提出的3类水的结构模型:P17混合模型连续模型填隙式模型（3）水的结构目前提出的3类水的结构模型:P17混合模型（3）水的结构104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105(4)冰的结构六方冰晶形成条件：①在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻;②溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移。(4)冰的结构六方冰晶形成条件：106食品化学理论—水的结构、含量和测定课件107食品化学理论—水的结构、含量和测定课件1082.3食品中水的存在形式Categoriesofwaterinfoods以毛细管力结合的水以氢键结合力结合的水2.3食品中水的存在形式Categoriesofwat109食品化学理论—水的结构、含量和测定课件1102.4水与溶质的相互作用Water–soluteinteractions2.4水与溶质的相互作用Water–soluteint111食品化学理论—水的结构、含量和测定课件1122.水与离子基团的相互作用

InteractionofwaterwithIonicgroups

2.水与离子基团的相互作用

Interactionofw113

（P20)在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效应（Net

structure-breakingeffect),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。

另外一些离子具有净结构形成效应（Netstructure-formingeffect),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。（P20)在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效应（Ne1143.水与有氢键键合能力中性基团的相互作用

Interactionofwaterwithneutralgroupspossessinghydrogen-bondingcapabilities

水与溶质之间的氢键键合比水与离子之间的相互作用弱。氢键作用的强度与水分子之间的氢键相近。水能与某些基团，例如羟基、氨基、羰基、酰氨基和亚氨基等极性基团，发生氢键键合。3.水与有氢键键合能力中性基团的相互作用

Interacti115

在生物大分子的两个部位或两个大分子之间可形成由几个水分子所构成的“水桥”。在生物大分子的两个部位或两个大分子之间可形成由几个水分子1164.

水与疏水基团的相互作用

Interactionofwaterwithnonpolarsubstances

疏水基团与水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强,结构更为有序疏水基团之间相互聚集，从而使它们与水的接触面积减小，结果导致自由水分子增多蛋白质分子产生的疏水相互作用（hydrophobicinteraction）非极性物质能和水形成笼形水合物（clathratehydrates）4.水与疏水基团的相互作用

Interactionof117疏水水合(Hydrophobichydration)：

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。疏水水合(Hydrophobichydration)：

向水118疏水相互作用(Hydrophobicinteraction)：

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(Hydrophobicinteractio119笼形水合物(Clathratehydrates)是象冰一样的包含化合物，水为“宿主”，它们靠氢键键合形成象笼一样的结构，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(Clathratehydrates)是象冰一样120球状蛋白质的疏水相互作用

疏水基团缔合或发生“疏水相互作用”，引起了蛋白质的折叠。疏水相互作用是蛋白质折叠的主要驱动力。同时也是维持蛋白质三级结构的重要因素○是疏水基团，圆球周围的“L－形”物质根据疏水表面定向的水分子，●代表与极性基团缔合的水分子球状蛋白质的疏水相互作用

疏水基团缔合或发生“疏水相互作121食品化学理论—水的结构、含量和测定课件1222.5水分活度与吸着等温线

（WateractivityandMoisture

SorptionIsotherms）2.5水分活度与吸着等温线

（Wateractivity123食品的水分含量～食品的腐败性存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

IntroductionIntroduction124食品化学理论—水的结构、含量和测定课件125f——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2.5.1水分活度的定义

WaterActivity:Definitionf——溶剂（水）的逸度严格差别1%仅适合理想溶液RVP126水分活度(wateractivity)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:水分活度(wateractivity)127aw=p/poaw:wateractivityp:vaporpressureofwaterabovefoodpo:vaporpressureabovepurewaterp/poiseasytomeasure→measurerelativehumidityaw=p/po128Aw与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关ERH(EqulibriumRelativeHumidity)注意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:①aw

是样品的内在品质,而ERH是与样品中的水蒸气平衡时的大气性质.②仅当食品其环境达到平衡时才能应用。Aw与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关ERH(Eq1292.5.2水分活度与温度的关系(temperaturedependence)㏑aw=-K△H/RT2.5.2水分活度与温度的关系(temperatured130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——纯水的汽化潜热K——达到同样水蒸汽压时食品温度比纯水温度高出的比值水分含量相同，温度不同，Aw不同T——绝对温度131lnAw～1/TlnAw～1/T132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在冰点以下也是线性的133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) 纯冰的蒸汽压冰点以下食品的AwPff 部分冻结食品中水的分压134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。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1352.5.3水分吸湿等温线

MoistureSorptionIsothermsDefinition:poltsinterrelatingwatercontentofafoodwithitswateractivityatconstanttemperature.水分吸附等温线(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。2.5.3水分吸湿等温线

MoistureSorptio136高水分食品的MSI从正常至干燥的整个水分含量范围高水分食品的MSI从正常至干燥的整个水分含量范围137低水分食品的MSI加水回吸时，试样的组成从区Ⅰ（干）移至区Ⅲ（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）低水分食品的MSI加水回吸时，试样的组成从区Ⅰ（干）移至区Ⅲ138区Ⅰ的水的性质：构成水和邻近水最强烈地吸附最不易流动水-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占总水量极小部分区Ⅰ的水的性质：构成水和邻近水139单分子层（相当于BET层）区Ⅰ和Ⅱ接界图中：0.07gH2O/g干物质，Aw=0.2相当于干制品能呈现最高的稳定性时含有的最大含水量。单分子层区Ⅰ和Ⅱ接界140BET单层值的意义BET单层值的意义141BET单层值的计算（P31)Aw：水分活度m:水含量(H2Og/g干物质)m1：单分子层值C:常数对Aw作图应得到一条直线，称为BET直线BET单层值的计算（P31)Aw：水分活度对Aw作图应得到142（gH2O/g干物质）（gH2O/g干物质）143区Ⅱ的水的性质：多层水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区Ⅰ和区Ⅱ的水占总水分的5%以下

区Ⅱ的水的性质：多层水144区Ⅱ和Ⅲ接界0.38gH2O/g干物质

Aw=0.85完全水合所需的水分含量。真实单层：区Ⅱ和Ⅲ接界真实单层：145区Ⅲ的水的性质：体相水被物理方式截留或自由的宏观运动受阻与稀盐溶液中水的性质类似占总水分的95%以上区Ⅲ的水的性质：体相水146食品化学理论—水的结构、含量和测定课件147小结(P29)小结(P29)148MSI的实际意义从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的实际意义从MSI图可以看出食品脱水的难易程度,也可以149

滞后现象

Hysteresis

定义:采用回吸(resorption)的方法绘制的MSI和按解吸(desorption)的方法绘制的MSI并不互相重叠的现象称为滞后现象。回吸：把水加到干的样品中解吸：先使样品吸水饱和，再干燥滞后现象

Hysteresis定义:采用回吸(reso150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151高糖-高果胶食品空气干燥苹果

总的滞后现象明显滞后出现在真实单层水区域Aw＞时，不存在滞后滞后环的形状—食品品种

高糖-高果胶食品空气干燥苹果滞后环的形状—食品品种152高蛋白食品冷冻干燥熟猪肉

Aw＜开始出现滞后滞后不严重回吸和解吸等温线均保持S形滞后环的形状—食品品种

高蛋白食品冷冻干燥熟猪肉滞后环的形状—食品品种153淀粉质食品冷冻干燥大米

存在大的滞后环时最严重滞后环的形状—食品品种

淀粉质食品冷冻干燥大米滞后环的形状—食品品种154T↑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无关滞后环的形状—温度

T↑滞后环的形状—温度155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。温度、解吸的速度和程度及食品类型等影响滞后环的形状。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156滞后现象的现实意义鸡肉和猪肉Aw～，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。滞后现象的现实意义鸡肉和猪肉Aw～，解吸时脂肪氧化速度高于回1572.6水分活度与食品的稳定性Wateractivityandfoodstability2.6水分活度与食品的稳定性Wateractivity1582.6.1AW与微生物生命活动的关系影响食品稳定性的微生物主要是细菌、酵母和霉菌。在不同的生长阶段，微生物所需要的Aw阈值不同。通过调节Aw的大小，可以抑制微生物的生长。2.6.1AW与微生物生命活动的关系影响食品稳定性的微生物159Microorganismsmaygrowaboveagiven,foodmaterialspecificwatercontentMicroorganismsdonotgrowatlowwateractivitiesGrowthofmicroorganismsmayoccurinintermediatemoisturefoodsMicroorganismsmaygrowabove160

Therearegeneralwateractivitylimitsforgrowthofmolds,yeastsandbacteria

-aw<0.6nogrowth

-aw>0.6xerophilicmoldsandyeasts

-aw>0.7molds

-aw>0.75halophilicbacteria

-aw>0.8yeasts

-aw>0.86pathogenicbacteria(S.aureus)MicrobiologicalstabilityTherearegeneralwateractiv161除非酶氧化在时有较高反应外，其它反应均是Aw愈小反应速度愈小。对多数食品而言,低Aw有利于食品的稳定性。首次出现最低反应速度时的水分含量相当于“BET”水分含量

ChemicalStability

—Aw

除非酶氧化在时有较高反应外，其它反应均是Aw愈小反应速度愈小162酶促反应（EnzymaticChanges）

—Aw

Aw

低Aw(0.25-0.3)，不反应SeveralenzymaticchangesdonotoccuratlowAw(0.25-0.3)diffusionallimitationslowmolecularmobilitydoesnotallowenzymeandsubstraterearrangements酶促反应（EnzymaticChanges）—AwA163Oxidation:

Mostfoodscontainlipids,colours,vitamins,etc.,whicharesusceptibletooxidation

Thesecompoundsmaybeencapsulatedandprotectedfromoxidationatlowwatercontents

Increasesinwatercontentmayreleaseencapsulatedcompoundsorresultinenhanceddiffusionofoxygeninthematerial2.6.3Lipidoxidation

—Aw

Oxidation:2.6.3Lipidoxidati164“Freelipids”,i.e.,nonencapsulatedlipidsoxidiserapidlyatlowwatercontents

increasingwatercontentoftendecreasestherateofoxidation:dilutionofcatalysts,structuralchangesathighwateractivities,therateofoxidationincreases食品化学理论—水的结构、含量和测定课件165(1)Aw：范围内随Aw↑,反应速度↓过分干燥，食品稳定性下降Aw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,阻止氧化进行水与金属离子水合,降低了催化性(1)Aw：范围内Aw原因:166(2)Aw：范围内随Aw↑,反应速度↑Aw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(2)Aw：范围内Aw原因:167(3)Aw＞随Aw↑,反应速度增加很缓慢Aw原因:

催化剂和反应物被稀释,

阻滞氧化(3)Aw＞Aw原因:1682.6.4

Non-EnzymaticBrowning

—Aw

AwNon-enzymaticbrowning(Maillardreaction,caramellisation)reactionsmayoccurinmostlowandintermediatemoisturefoods

非酶褐变反应可发生在中、低水分含量的食品中2.6.4Non-EnzymaticBrowni169AwNon-enzymaticbrowningisextremelylowordoesnotoccuratlowAw(0.2)slowmolecularmotionsproductionofwaterinthereactionmayenhancebrowning

低Aw(0.2)，反应速度极低或不反应AwNon-enzymaticbrowningisex170AwTherateofthereactionincreasesrapidlyaboveacriticalwateractivityTherateishighestatintermediateAw(0.6-0.7)

athighwatercontents,reactantsaredilutedandtherateofreactiondecreases

中等至高Aw，反应速度最高水是一个产物，水含量继续增加，会稀释中间产物的浓度，导致产物抑制作用

AwTherateofthereactionin171increasingwatercontentoftenincr