食品化学课件 水分

第一章水分

Water1教学目的和要求2了解水在食品中的重要功能作用、水和冰的结构、性质。掌握水在食品中存在状态、水分活度和水分等温吸湿线的概念、应用及意义，水分活度与食品稳定性的关系。

3本章主要内容水分活度与食品稳定性的关系水的结构与性质食品中水的存在状态水分活度和等温吸湿曲线食品中的水分含量及功能作用Contents41、水是大多数食品的主要组成成分，各种食品的含水量不同。动物食品中各部分含水量也不同，其中肌肉含水60%—80%，内脏70%—80%，骨骼中12%—15%，皮肤60%—70%。植物中各部分含水量也不同。新鲜果蔬含水量高达80%—95%，其中茎、叶含量最高，根部较高，种子最低为12%—15%。2.1、食品中的水分含量及功能作用52、食品加工中水分含量、分布、状态对食品新鲜度、硬度、风味、色泽、流动性、保藏性有很大影响。许多食品的化学变化是受水分含量控制的。如脂类氧化等。6氧原子的电子结构为1s22s22px22py12pz14个SP3杂化轨道形成四面体结构由于氧的高负电性，使水发生偶极化，形成偶极分子。1单分子水的结构2.2、水和冰的结构和性质2.2.1、水的结构与性质7氢键供体氢键受体水的缔合原因偶极间的静电作用由于水分子间存在氢键的作用（4个氢键）水的缔合状态

由于水分子具有相同数目的氢键给体和受体，可以缔合为三维空间网络结构。液态水中大多数水以缔合形式存在，[(H2O)n]。由于氢键和静电作用不等，因此水的缔合结构也不稳定，n不断变化，在一定条件下处于动态平衡。使水流动性大，黏度小。

2液态水的缔合结构8水有较高的熔沸点、相变热，有特别大的表面张力、热容大、介电常数、；水的密度很小，但大于冰的密度，凝固时有膨胀的特性，体积大约膨胀9%；水的导热率较大，但冰的导热率是同温度下水的导热率的4倍；冰的热扩散率大约是水的9倍，水和冰的热传导率和热扩散率上的差异可以解释在相同温度差下（升降方向相反），食品冻结速度比解冻速度快得多。3水的性质9冰的结构比较典型，它的最小单位—冰的晶胞。冰有11种结构，普通冰的晶体为六方晶体（0度、常压下稳定，冷冻速不太快），它是食品冰的主要存在形式。冷冻食品中存在四种主要的冰晶结构：六方型、不规则树状、粗糙球状、易消失球晶。六方冰晶形成要求在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻，并且溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移。2.2.2、冰的结构10冰的结构

StructureoficeO-O核间最相邻距离为0.276nmO-O-O键角约109°(四面体角109°28′)11如果溶液中存在离子或离子基团，如Na+、Cl-、—COO-、NH3+等，它们通过离子或离子基团的电荷与水分子的偶极子发生静电相互作用（离子-偶极）而产生水合作用。如图，NaCl的水合结构2.3.1、食品中水与非水组分的相互作用2.3、食品中水的存在状态1、水与离子及离子基团的相互作用12

键的强度

大

共价键

H2O-离子键

H2O-H2O

小1、水与离子及离子基团的相互作用13水-溶质相互作用的分类1、水与离子及离子基团的相互作用14

在稀盐溶液中，离子对水分子结构影响不同一类离子有助于水形成网状结构

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另一类离子阻碍水形成网状结构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1、水与离子及离子基团的相互作用15由于水原有的缔合结构有所改变，不但水的移动性会变化，它的溶解能力、冰点、沸点和水介质的介电常数都会改变。直接与离子结合的水，其迁移、溶剂、结冰、蒸发能力都会降低。离子水合后，性质也会发生改变。特别是带电大分子和带电胶粒的水合对食品有很重要得作用。如：蛋白质的离子基团越多，水化越充分，蛋白质的溶解度越高，水化膜增厚，稳定性相应增强。16水与多种中性基团（羟基、氨基、羰基、酰胺基等）形成氢键，这些氢键比水—离子的相互作用弱。但形成氢键的水和其邻近的水的迁移性比纯水明显减小，冰点、溶剂、蒸发能力降低。2、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17

键的强度

大

共价键

H2O-离子

H2O-H2OH2O-亲水性溶质

小2、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182、水与具有氢键形成能力的中性

基团（亲水性溶质）的相互作用水-溶质相互作用的分类19一般会增加（至少不会破坏）纯水的正常结构溶质氢键键合的位置和取向在几何构型上与正常水的氢键部位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，对水的网状结构没有多大影响2、水与具有氢键形成能力的中性

基团（亲水性溶质）的相互作用对水结构的影响2021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2、水与具有氢键形成能力的中性

基团（亲水性溶质）的相互作用能与水形成氢键的基团22把非极性物质加入水中，发生疏水水合水合后的疏水物质会产生疏水相互作用3、水与非极性物质的相互作用232425疏水相互作用有时能与水形成笼形水合物

26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274、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千281234脂肪酸盐双亲分子一般结构非极性区极性区29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”30化合水作为化合物的组成部分结合水邻近水靠水－离子和水－偶极作用多层水靠水－水和水－溶质氢键水

滞化水体相水毛细管水直径大于0.1微米的水

自由流动水血浆、尿液等2.3.2食品中水的存在状态31构成水(constitutionalwater)结合最强的水，已成为非水物质的整体部分在-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Constitutionalwater2.3.2食品中水的存在状态32邻近水(vicinalwater)占据着非水成分的大多数亲水基团的第一层位置在-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。Vicinalwater2.3.2食品中水的存在状态33多层水(multilayerwater)占有第一层中剩下的位置以及形成了邻近水外的几层大多数多层水在-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Multilayerwater2.3.2食品中水的存在状态34除了结合水以外的那部分水能结冰，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，易引起Food的腐败变质，但与食品的风味及功能性紧密相关。Bulk-phasewater2.3.2食品中水的存在状态35单分子层水包括化合水和邻近水，单分子层水是在非水物质上形成单分子覆盖层为主，其总量称为单层值，一般含量为总水含量的0.5％。食品中体相水含量最高，容易失去，它的含量大小与食品安全性直接相关,与食品质地、风味功能性质等相关。

362.4、水分活度与等温吸湿曲线WateractivityandMoistureSorptionIsotherms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，腐败性显著不同水与非水成分缔合强度上的差别水分含量不是一个腐败性的可靠指标水分活度Aw比水分含量更可靠与微生物生长和许多降解反应具有相关性

Introduction372.4、水分活度与等温吸湿曲线WateractivityandMoistureSorptionIsothermsIntroduction382.4.1、水分活度的概念1、水分活度是指食品在密闭容器中达平衡时的水蒸气压与同温下纯水的饱和蒸汽压之比。

AW=P/P0=ERH/100AW——是水分活度P——食品样品的水蒸气压P0——同温下纯水的饱和蒸气压

ERH——食品样品的环境平衡相对湿度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392、它反映食品中水被微生物利用的程度，食品中水与非水成分结合越强、溶液中非水成分含量越高，食品稳定性越强。3、食品可以认为是稀溶液（浓度小于1mol/L)，根据拉乌尔定律P=P0X1

X1（N）——溶剂的摩尔分数X1=n1/(n1+n2)P=P0n1/(n1+n2)

AW=P/P0=n1/(n1+n2)n1——溶剂的物质的量n2——溶质的物质的量4、AW大于0且小于1。对纯水来说AW＝1402.4.2水分活度的测定1、用水分活度测定仪直接测定，操作简便、测定较准确。2、采用扩散的方法（恒定相对湿度平衡室法），这种方法仪器简单、经济，但时间较长，准确性相对较差。3、冰点测定法，先测定样品的冰点下降值和含水量，并应用公式计算：n2＝G*△Tf/1000Kf

式中G是样品中溶剂的克数△Tf是冰点下降值（℃）Kf是水的摩尔冰点降低常数（1.86

再用公式AW＝n1/(n1+n2)求出AW，误差小，准确性高，实验较复杂。41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2.4.3水分活度与温度的关系42lnAw～1/T水分含量从4%到25%,Aw与温度(5-50℃)的关系为直线温度变化10℃，Aw变化0.03～0.2水分含量少时,温度所引起的Aw变化小43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

44在冰点以下也是线性的直线出现明显的折断温度对Aw的影响冰点以下＞冰点以上45比较冰点以上和冰点以下Aw1、冰点以上食品中水和非水成分的组成(食品组成）与T（温度）共同影响水分活度,并且前者为主要因素。食品组成不变，温度升高，AW

越大；如温度不变，非水成分与水的结合能力越强，AW

越小。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3、在冰点以上和以下AW应用意义不同。因为冰点以下AW大小不能用来判断食品稳定性大小，因此冰点以下水分活度对食品无意义。461等温吸湿曲线的定义水分吸附等温线(Moisturesorptionisotherms,MSI)，MSI是指在恒定温度下，食品的水含量（g水/g干物质）与它的水分活度之间的关系图，也称为吸附等温线。Definition:poltsinterrelatingwatercontentofafoodwithitswateractivityatconstanttemperature.2.4.4等温吸湿曲线（MSI）47高水分食品的MSI从正常至干燥的整个水分含量范围48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）49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50区Ⅰ的水的性质：

区域Ⅰ（AW=0—0.25）中的水为化合水和邻近水（单分子层水），约在食品中占总水量的0.5%。结合最强，几乎与非水成分为一体。2、水分吸湿等温线的分区51BET单层：区域Ⅰ与区域Ⅱ间（AW=0.2±0.25）为单层值（BET），是和干物质牢固结合的最大数量的水。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，具有很大实用意义52区Ⅱ的水的性质：多层水

区域Ⅱ（AW=0.25—0.8）中的水为多层水，在高水分含量的食品中占总水量小于5%。对水不太敏感，总体上看，对食品腐败影响不大。53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，即占据所有的第一层部位所需的水分含量。真实单层：54区Ⅲ的水的性质：体相水

区域Ⅲ（AW=0.8—0.99）中的水为体相水，在高水分含量的食品中占总水量高于95%。这部分水吸湿性最强，水分活度略有改变，其水分含量有明显变化，对食品腐败起决定作用。552.4、水分活度与等温吸湿曲线WateractivityandMoistureSorptionIsotherms4.MSI与温度的关系水分含量一定

T↑，Aw↑

Aw一定

T↑，水分含量↓562.4、水分活度与等温吸湿曲线WateractivityandMoistureSorptionIsotherms5.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，再干燥滞后现象（Hysteresis）：

回吸与解吸所得的等温线不重叠现象即为“滞后现象”（Hysteresis）。572.4、水分活度与等温吸湿曲线WateractivityandMoistureSorptionIsotherms5.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582.4、水分活度与等温吸湿曲线WateractivityandMoistureSorptionIsotherms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＞0.65时，不存在滞后滞后环的形状—食品品种

592.4、水分活度与等温吸湿曲线WateractivityandMoistureSorptionIsotherms高蛋白食品冷冻干燥熟猪肉

Aw＜0.85开始出现滞后滞后不严重回吸和解吸等温线均保持S形滞后环的形状—食品品种

602.4、水分活度与等温吸湿曲线WateractivityandMoistureSorptionIsotherms淀粉质食品冷冻干燥大米

存在大的滞后环Aw=0.70时最严重滞后环的形状—食品品种

61T↑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

2.4、水分活度与等温吸湿曲线WateractivityandMoistureSorptionIsotherms622.4、水分活度与等温吸湿曲线滞后现象的现实意义鸡肉和猪肉Aw=0.75～0.84，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Aw632.5、水分活度与食品稳定性Microorganismsmaygrowaboveagiven,foodmaterialspecificwatercontentMicroorganismsdonotgrowatlowwateractivitiesGrowthofmicroorganismsmayoccurinintermediatemoisturefoods1.Microbiologicalstability

—Aw

642.5、水分活度与食品稳定性首次出现最低反应速度时的水分含量相当于“BET”水分含量一般情况，Aw↑，反应速度↑2.ChemicalStability

—Aw

WateractivityandFoodStabilityAw652.5、水分活度与食品稳定性(1)

Aw：0-0.33范围内随Aw↑,反应速度↓过分干燥，食品稳定性下降

3.Lipidoxidation

—Aw

WateractivityandFoodStabilityAw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662.5、水分活度与食品稳定性(2)Aw：0.33-0.73范围内随Aw↑,反应速度↑3.Lipidoxidation

—Aw

WateractivityandFoodStabilityAw

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672.5、水分活度与食品稳定性(3)Aw＞0.8随Aw↑,反应速度增加很缓慢3.Lipidoxidation

—Aw

WateractivityandFoodStabilityAw

原因:

催化剂和反应物被稀释,阻滞氧化682.5、水分活度与食品稳定性4.Non-EnzymaticBrowning

—Aw

WateractivityandFoodStabilityAwNon-enzymaticbrowningisextremelylowordoesnotoccuratlowAw(0.2)

slowmolecularmotionsproductionofwaterinthereactionmayenhancebrowning

低Aw(0.2)，反应速度极低或不反应692.5、水分活度与食品稳定性4.Non-EnzymaticBrowning

—Aw

WateractivityandFoodStabilityAwTherateofthereactionincreasesrapidlyaboveacriticalwateractivityTherateishighestatintermediate

Aw(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

702.5、水分活度与食品稳定性increasingwatercontentoftenincreasestherateofoxidationofproteinProteindenatureProteindenatureoccurslowlyatlowwatercontents(0.4%)Proteindenaturedoesnotoccurwhenwatercontentbelow0.2%5.ProteinDenature

—Aw

WateractivityandFoodStability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.712.5、水分活度与食品稳定性Starchstalingoccurrapidlyinwatercontentof30%-60%.Starchstalingdoesnotoccurwhenwatercontentdecreaseto10%-15%.6.StarchStaling

—Aw

WateractivityandFoodStability

食品在较高Aw(30-60%)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.722.5、水分活度与食品稳定性Retentionofflavourandaromaisrelativelyhighatlowwateractivities7.FlavourRetention

—Aw

WateractivityandFoodStabilityVolatilecompoundsmustdiffusetothesurface.Diffusionisdependentontemperatureandwatercontent.VolatilecompoundsoftenbecomeencapsulatedinfoodmatricesatlowwateractivitiesLossofvolatiles,flavoursandaromamayresultfromstructuralchangesandcrystallizationofcomponentcompou