水和冰 - 细胞生物学在线

水分生物体内的水分含量通常占生物体重量的50～90％成年人体内水分含量：58～67％；人体中水分含量随年龄增大而减少；在体内分布亦不均衡。植物体内水分含量与分布也因植物种类、部位、发育状况而异，变化很大人体内水的分布含水量：随年龄、性别不同而有差异新生儿：75～80％；成年男子：60％；成年女子：50～55％；老年人：40～50％各组织器官的含水量（％）组织器官含水量血液91～92脑70～85肌肉72～80脂肪组织10.0饮料中所含成分（100g可食部计）饮料名称水分能量（kcal）蛋白质脂肪碳水化合物可口可乐89.1430.1010.8苹果汁饮料86.7540.10.312.8苹果果肉饮料87.3440.10.412.1橙汁饮料88.2460.5011.0牛奶86.9693.43.95.1牛奶（巧克力）84.4742.32.89.9酸乳饮料87.8541.11.39.4杏仁露90.3490.72.16.8蔬菜、水果中的含水量（100g可食部计）食物名称含水量食物名称含水量食物名称含水量白萝卜94.8冬瓜96.9芹菜95.4胡萝卜90.0黄瓜96.0生菜96.7黄豆芽89.8南瓜88.8草莓91.3绿豆芽95.3丝瓜94.1鸭梨88.3茄子（紫、长）93.4辣椒（青、尖）93.4苹果85.9番茄95.2甜椒94.6葡萄88.7樱桃番茄92.5娃娃菜95.0香蕉75.8西兰花91.6油菜95.6冬枣69.5花菜93.2大白菜95.6西瓜92.1本章主要内容水和冰的物理特性及其在食品中的应用水和冰的结构水与溶质的相互作用及水分的存在状态水分活度与水分的吸着等温线水分活度与食品稳定性冰在食品稳定中的作用水与冰的物理特性水的熔点、沸点较高介电常数、表面张力、热容和相变热高黏度低、密度与温度密切相关：水结冰时体积增加，表现出异常的膨胀特性导热性：通常用导热率和热扩散系数表示；冰的导热性优于水水的物理性质在食品加工中的作用水分子极性大，分子小，能使许多食品成分分子表面带有水膜水是食品加工中优良的热介质水的沸点高，且沸点随压力而变水的热容大，载热能力强（尤其水蒸气）水的溶解能力强水分子的结构水分子的缔合水分子的缔合水分子的缔合

水缔合体的氢键结合程度受多重因素影响：其中重要的是温度和其它溶质的影响。温度决定：分子间距离配位数水和冰的结构冰的结构水和冰的结构液态水的结构和冰的结构的区别在于它们的配位数和两个水分子间的距离。水与冰结构中水分子之间的配位数和距离0℃（冰）1.5℃83℃配位数44.44.9H—O…H距离0.276nm0.29nm0.305nm水与溶质的相互作用水与溶质的相互作用*水与离子和离子基团的相互作用*水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用*水与非极性物质的相互作用

食品中水分的存在状态

水与离子和离子基团的相互作用离子或离子基团通过自身的电荷与水分子偶极产生相互作用，称为离子的水合作用。水合使离子转变为水合离子，离子的性质就发生了一定变化。水与离子和离子基团的相互作用水分子同Na+的水和作用能约83.68kJ.mol-1，是水分子之间氢键结合能的4倍。水与离子和离子基团的相互作用离子结构：半径大、电场强度弱的离子→与水作用力较弱→水化膜较薄半径小、电场强度强的离子→与水作用力较强→水化膜较厚水分子结构：半径大、电场强度弱的离子→与水作用力较弱→破坏水的网状结构半径小、电场强度强的离子→与水作用力较强→使水的网状结构更趋紧密水与具有氢键键合能力的基团的相互作用水与溶质之间的氢键键合比水与离子之间的相互作用弱，与水分子间的氢键相近。当体系中添加具有氢键键合能力的溶质时，每摩尔溶液中的氢键总数不会明显的改变。如果与溶质形成的氢键部位的分布和定向在几何上与正常水的氢键部位是不相容的，具有结构破坏效应。水与具有氢键键合能力的基团的相互作用生物大分子中有许多可与水分子形成氢键的基团，水分子介入形成的氢键对生物大分子的结构与功能及食品功能性都有重要的影响。在生物大分子的两个部位或两个大分子之间可形成有几个水分子所构成的“水桥”。大分子中存在的“水桥”水与非极性基团的相互作用非极性基团的物质——疏水物质疏水基团与邻近的水分子仅产生微弱的相互作用——相互排斥，邻近疏水基团的水比纯水的结构更为有序——疏水水合作用。疏水水合产生两个结果：笼形水合物蛋白质中的疏水相互作用水与非极性物质的相互作用非极性物质能和水形成笼形水合物：水是这类化合物的“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中，被截留的物质称为“客体”。为使疏水水合这种作用的热力学不利变化降到最小，疏水基团尽可能相互聚集，使其同水分子接触的机会降至最低限度——疏水相互作用。

疏水水合作用的结果是促进了非极性物质之间的缔合，从而减少水与非极物质的界面面积，这是一个热力学上有利的过程（△G<0），此过程称为疏水相互作用疏水相互作用示意图（A）（B）BA疏水水合疏水相互作用疏水相互作用是蛋白质折叠的主要驱动力水与溶质的相互作用水—溶质的相互作用分类种类实例相互作用的强度（与H2O—H2O氢键比较）偶极—离子H2O—游离离子较强H2O—有机分子中的带电基团偶极—偶极/氢键H2O—蛋白质NH接近或相等H2O—蛋白质CO蛋白质侧链OH疏水水合H2O＋R→R（水合）远小于（ΔG＞0）疏水相互作用R(水合)＋R（水合）→R2（水合）＋H2O不可比较（ΔG＜0）食品中不同状态水的性质比较结合水游离水（体相水）一般描述存在于溶质或其他非水成分附近的那部分水，它包括化合水、邻近水及几乎全部的多层水。距离非水成分位置最远，主要以水-水氢键存在。冰点（与纯水比较）冰点下降至-40℃都不结冰能结冰，冰点略有下降溶解溶质的能力无有平动运动（分子水平）与纯水比较大大降低，甚至无变化较小蒸发焓（与纯水比较）增大基本无变化在高水分食品（90%H2O或9gH2O/g干物质）中占总水分含量的%＜0.03~3约96食品中水分的存在状态食品中水分的存在状态食品中水的存在形式结合水：一般包括化合水、邻近水及几乎全部多层水。化合水（组成水、构成水）：与非水物质结合最强的，并作为非水组份整体部分的水。邻近水：与非水组分的特异亲水位置通过水－离子和水－偶极间的缔合产生强烈的相互作用的水。多层水：在邻近水外层通过水－水和水－溶质间的氢键与非水组份紧密结合的水。食品中水的存在形式游离水（体相水）：占据着与非水组份相距很远位置的水；它们具有与稀溶液中的水相似的性质。持水力（持水容量）：通常用来描述分子（一般是指低浓度存在的大分子化合物）构成的基体通过物理方式截留大量水，阻止水渗出的能力。持水力的变化对食品品质影响极大食品中水的存在形式分类特征典型食品中比例结合水化合水食品非水成分的组成部分＜0.03%单层水与非水成分的亲水基团强烈作用形成单分子层；水-离子以及水-偶极结合0.1~0.9%多层水在亲水基团外形成另外的分子层；水-水及水-溶质结合1~5%游离水自由流动水自由流动，性质同稀的盐溶液；水-水结合为主5~96%滞化水、毛细管水容纳于凝胶或基质中，水不能流动，性质同自由流动水5~96%水分活度水分活度的定义：

aw

＝

f／fo

≈p/po

≈ERH/100

水分活度是样品固有的一种性质；平衡相对湿度（ERH）是空气与样品中的水蒸汽达到平衡时大气所具有的一种特性。水分活度随温度而变。一般：温度每变化10℃，aw变化0.03～0.2。水分活度与产品的种类（食品中的组分）有关。水分活度与食品水分含量的关系食品中水分活度与食品水分含量是两个不同的概念。食品含水量食品含水量食品含水量菠萝0.28干淀粉0.13鱼肉0.21苹果0.34干马铃薯0.15鸡肉0.18香蕉0.25大豆0.10

aw=0.7时若干食品中的含水量（g水/g干物质）水分活度高于和低于冻结温度的水活性的三个重要区别：冻结温度以上，aw是样品组分和温度的函数，前者是主要的因素；但在冻结温度以下时，aw与样品中的组分无关，只取决于温度。冻结温度以上和冻结温度以下水分活度对食品稳定性的影响是不同的。低于冻结温度时的aw不能用来预测冻结温度以上的同一食品的aw。水分活度水分活度的测定方法：水分活度仪测定恒定相对湿度平衡室法化学法相对湿度传感器测定法冰点测定法水分吸着等温线水分吸着等温线：又称水分吸附等温线，指在恒定温度下，食品水分含量（用每单位干物质质量中水的质量表示）与水分活度的关系曲线图，简称MSI。水分吸着等温线吸附等温线的分区等温线区Ⅰ中的水：食品中吸附最牢固和最不容易移动的水，靠水－离子或水－偶极相互作用吸附在极性部位。在区间Ⅰ的高水分末端位置的水相当于食品的“BET单分子层”水含量，它相当于与干物质牢固结合的最大数量的水。等温线区Ⅱ中的水：多分子层水，主要靠水－水和水－溶质的氢键键合作用与邻近的分子缔合。向含有相当于区间Ⅰ和区间Ⅱ边界位置水含量的食品中增加水，所增加的水将会使溶解过程开始，并且具有增塑剂和促进基质溶胀的作用。由于溶解作用的开始，引起体系中反应物移动，使大多数反应的速率加快。吸附等温线的分区吸附等温线的分区等温线区Ⅲ中的水：是食品中结合最不牢固和最容易流动的水，即游离水。在凝胶和细胞体系中，因为体相水以物理方式被截留，所以宏观流动性受到阻碍，但它与稀盐溶液中水的性质相似；这部分水既可以结冰也可以作为溶剂，并且还有利于化学反应的进行和微生物的生长。水分吸着等温线与温度的关系：一定的水分含量时，水活性随温度的上升而增大。滞后现象：采用向干燥样品中添加水（回吸作用）的方法绘制水分吸着等温线和按除去水（解吸）过程绘制的等温线并不重叠，这种不重叠性称为滞后现象。

滞后作用的大小、曲线的形状和滞后回线的起始点和终止点都不相同，它们取决于食品的性质和食品除去或添加水份时所发生的物理变化，以及温度、解吸速率和解吸时的脱水程度等多种因素。水分活度与食品的稳定性低于结冰温度时冰对食品稳定性的影响

食品中的水结冰时出现的两个不利后果：水结冰后，食品中非水组份的浓度将比冷冻前变大——冷冻浓缩效应水结冰后，体积比结冰前增加9％

冷冻对食品稳定性的有利方面：低温下微生物的繁殖被抑制温度降低，大部分化学反应的反应速率降低冰的冻结规律纯水的冻结曲线蔗糖溶液的冻结曲线不同冻结速率的食品物料的冻结曲线冰的冻结规律过冷状态、晶核食品中含有一定水溶性成分，使食品的结冰温度（冻结点）降低；随着冻结量的增加，冻结点持续下降到更低，直到食品内溶液浓度增加到一定浓度后不再改变。低共熔点：水和其溶解物开始共同向固体转化的温度。约：－55℃～－65℃－18℃：食品中绝大部分水已冻结－1℃～－4℃：完成大部分冰的形成过程冰的冻结规律冰有11种结构，在常压和0℃时，只有普通正六方晶系是稳定