水和冰的結(jié)構(gòu)

1、第二章水 水和冰的結(jié)構(gòu) 水與非水組分的相互作用 水分活度 水分活度與食品穩(wěn)定性 降低食品水分含量的方法水 食品的含水量直接影響到食品的貯藏性能和消費(fèi)者接受程度。 食品的含水量和水在食品中的存在形式，是直接引起食品化學(xué)和微生物變質(zhì)的原因之一。 食品的含水量直接影響食品的加工工藝和貯藏性能。 水分含量的檢測是食品分析的重要指標(biāo)之一。食品中水的存在形式構(gòu)成水定義：與非水物質(zhì)呈緊密結(jié)合狀態(tài)的水特點(diǎn)：非水物質(zhì)必要的組分，-40度部結(jié)冰， 無溶劑能力，不能被微生物利用；鄰近水定義：處于非水物質(zhì)外圍，與非水物質(zhì) 呈締合狀態(tài)的水；特點(diǎn)：-40度不結(jié)冰，無溶劑能力，不 能被微生物利用；多層水定義：處于鄰近水外圍

2、的，與鄰近水以氫 鍵或偶極力結(jié)合的水；特點(diǎn)：有一定厚度(多層)，-40度基本不結(jié) 冰，溶劑能力下降，可被蒸發(fā)；單分子層水，0.5%5%結(jié)合水自由水被組織中的顯微結(jié)構(gòu)或亞顯微結(jié)構(gòu)或膜滯留的水滯化水不能自由流動(dòng)，與非水物質(zhì)沒關(guān)系毛細(xì)管水由細(xì)胞間隙等形成的毛細(xì)管力所系留的水物理及化學(xué)性質(zhì)與滯化水相同自由流動(dòng)水以游離態(tài)存在的水可正常結(jié)冰，具有溶劑能力，微生物可利用定義特點(diǎn)定義特點(diǎn)定義特點(diǎn)結(jié)合水不易結(jié)冰，由于這種性質(zhì)使得植物的種子和微生物的孢子得以在很低的溫度下保持其生命力；而多汁的組織在冰凍后細(xì)胞結(jié)構(gòu)往往被體相水的冰晶所破壞，解凍后組織不同程度的崩潰；結(jié)合水不能作為可溶性成分的溶劑，也就是說喪失了溶劑

3、能力；體相水可被微生物所利用，結(jié)合水則不能。水和冰的結(jié)構(gòu) 水分子由2個(gè)氫原子與1個(gè)氧原子所組成。 水分子的結(jié)構(gòu)見右圖冰的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)冰的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 冰是水分子通過氫鍵相互結(jié)合、有序排列形成的低密度、具有一定剛冰是水分子通過氫鍵相互結(jié)合、有序排列形成的低密度、具有一定剛性的六方形晶體結(jié)構(gòu)。普通冰的晶胞和基礎(chǔ)平面可如下圖所示：性的六方形晶體結(jié)構(gòu)。普通冰的晶胞和基礎(chǔ)平面可如下圖所示：水分子的締合 由于水分子的極性及兩種組成原子的電負(fù)性差別，導(dǎo)致水分子之間可以通過形成氫鍵而呈現(xiàn)締合狀態(tài)。ohhohhohh水分子的締合由于水分子之間除了通過氫鍵結(jié)合外，還有極性的作用力，因此水分子之間的締合數(shù)可能大于4。水

4、分子的締合水分子不僅相互之間可以通過氫鍵締合，而且可以和其它帶有極性基團(tuán)的有機(jī)分子通過氫鍵相互結(jié)合，所以糖類、氨基酸類、蛋白質(zhì)類、黃酮類、多酚類化合物在水中均有一定的溶解.度。另外，水還可以作為兩親分子的分散介質(zhì)，通過這種途徑使得疏水物質(zhì)也可在水中均勻分散。水分活度 水分活度：指一個(gè)食物樣品中水蒸汽分壓p與同一溫度下純水的飽和蒸氣分壓p0之比?；蛞粋€(gè)物質(zhì)所含有的自由狀態(tài)的水分子數(shù)與如果是純水在此同等條件下同等條件下同等溫度與有限空間內(nèi)的自由狀態(tài)的水分子數(shù)的比值。 水分活度的數(shù)值在01，純水的水分活度aw1，因溶液的蒸氣壓降低，所以溶液的aw1。吸濕等溫曲線吸濕等溫曲線定義：在恒定溫度下，食品的

5、水含量（以g水/g干物質(zhì)表示）對其活度形成的曲線稱為吸濕等溫曲線（msi）。大多數(shù)食品或食品原料的吸濕等溫線為s型，而水果、糖制品、含有大量糖和其他可溶性小分子的咖啡提取物等食品的吸濕等溫線為j型。如圖：吸濕等溫線的分區(qū)區(qū)：為構(gòu)成水和鄰近水區(qū)，即與食品成分中的羧基、氨基等基團(tuán)通過氫鍵或靜電引力相互結(jié)合的那部分水。由于這部分水比較牢固的與非水成分結(jié)合，因此aw較低，一般在00.25之間，相當(dāng)于物料含水量00.07g/g干物質(zhì)。這種水不能作為溶劑而且在-40不結(jié)冰，對固體沒有顯著的增塑作用，可以簡單的看作固體的一部分。吸濕等溫線的分區(qū) 區(qū)：多層水區(qū)，即食品中與酰胺基、羧基等基團(tuán)和結(jié)合水、鄰近水以水

6、溶質(zhì)、水水以氫鍵和締合作用被相對固定的水，也包括直徑小于1m的毛細(xì)管的水；這部分水的aw一般在0.250.8之間，相當(dāng)于物料含水量在0.07g/g干物質(zhì)至0.140.33g/g干物質(zhì)。當(dāng)食品中的水分含量相當(dāng)于區(qū)和區(qū)的邊界時(shí)，水將引起溶解過程，它還起了增塑劑的作用并且促使固體骨架開始溶脹。溶解過程的開始將促使反應(yīng)物質(zhì)流動(dòng)，因此加速了大多數(shù)的食品化學(xué)反應(yīng)。吸濕等溫線的分區(qū) 要注意的是: 一般把區(qū)和區(qū)交界處的水分含量稱為食品的“單分子層”水含量，這部分水可看成是在干物質(zhì)可接近的強(qiáng)極性基團(tuán)周圍形成一個(gè)單分子層所需水量的近似值。區(qū)：自由水區(qū)，aw在0.80.99之間，物料最低含水量在0.140.33 g

7、/g干物質(zhì)，最高為20g/g干物質(zhì)。這部分水是食品中與非水物質(zhì)結(jié)合最不牢固、最容易流動(dòng)的水，也稱為體相水。其蒸發(fā)焓基本上與純水相同，既可以結(jié)冰也可作為溶劑，并且還有利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行和微生物的生長。在凝膠和細(xì)胞體系中，體相水以物理的方式被截留，其宏觀流動(dòng)性受到影響，但它與稀鹽溶液中水的性質(zhì)相似。按照吸濕等溫線將食品中所含的水分作三個(gè)區(qū)，對于食品中水的應(yīng)用及防腐保鮮具有重要的意義。但也要理解，這種分區(qū)是相對的。因?yàn)槌瘜W(xué)吸附結(jié)合水外，等溫線每一個(gè)區(qū)間內(nèi)和區(qū)間與區(qū)間之間的水都可以發(fā)生交換。另外，向干燥物質(zhì)中增加水雖然能夠稍微改變原來所含水的性質(zhì)，即基質(zhì)的溶脹和溶解過程，但是當(dāng)?shù)葴鼐€的區(qū)間增加水時(shí)，

8、區(qū)間水的性質(zhì)幾乎保持不變；同樣在區(qū)間內(nèi)增加水，區(qū)間的性質(zhì)也幾乎保持不變。從而說明，食品中結(jié)合得最不牢固的那部分水對食品的穩(wěn)定起著重要的作用。吸濕等溫線的分區(qū)水分吸濕等溫線在食品加工中的作用 看出食品的濃縮與脫水何時(shí)較難，何時(shí)較易 預(yù)測食品保持多大的含水量時(shí)方才穩(wěn)定， 直接看出不同食品中非水成分與水結(jié)合能力的強(qiáng)弱吸濕等溫線的測定方法測定方法：在恒定溫度下，改變食品中的水分含量，測定相應(yīng)的活度，以水分含量為縱軸、aw為橫軸畫出曲線。滯后現(xiàn)象 對于食品體系，吸濕曲線與解吸曲線并不重合，兩條等溫線不完全一致，這種現(xiàn)象稱滯后現(xiàn)象. 圖中顯示的具有一狹長細(xì)孔的環(huán)叫滯后環(huán)。 在任何指定的aw，解吸過程中試樣

9、的水分含量大于吸濕過程中的水分含量。引起食品解吸和回吸出現(xiàn)滯后現(xiàn)象的主要原因有：a.解吸過程中一些水分與非水物質(zhì)相互作用導(dǎo)致釋放速度減緩；b.物料不規(guī)則形狀產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象的部位，欲填滿或抽空水分需要不同的蒸氣壓；c.解吸作用時(shí)，因組織改變，當(dāng)再吸水時(shí)無法緊密結(jié)合水分，由此可導(dǎo)致回吸相同水量時(shí)處于較高的水分活度。由于滯后現(xiàn)象的存在，有解吸制得的食品必需保持更低的水分活度才能與由回吸制得的食品保持相同的穩(wěn)定性。滯后現(xiàn)象的研究對于食品脫水和復(fù)水過程有重要的指導(dǎo)意義，然而滯后現(xiàn)象的本質(zhì)和應(yīng)用中還有許多不清楚的地方。滯后現(xiàn)象 水分活度與食品的穩(wěn)定性下面幾張圖說明了食品中的化學(xué)反應(yīng)及微生物的活性與水分活度

10、有密切的關(guān)系，因此食品的水分活度對食品的穩(wěn)定性產(chǎn)生著巨大的影響。水分活度對微生物的影響 當(dāng)食品的水分活度降低到一定的限度以下時(shí)，就會(huì)抑制要求水分活度閾值高于此值的微生物的生長、繁殖或產(chǎn)生毒素，使食品加工和貯藏得以順利進(jìn)行。當(dāng)然發(fā)酵技術(shù)中要求所用微生物能正?？焖僭鲋常藭r(shí)則要給予合適的、必要高的水分活度；另外，利用水分活度控制食品質(zhì)量或加工工藝時(shí)還要考慮ph、營養(yǎng)成分、氧氣等因素對于微生物的影響。水分活度對酶促反應(yīng)的影響 aw0.85時(shí),食品原料腐敗的大部分酶會(huì)失去活性。 脂肪氧化速度隨水分含量的增加而下降。 需要指出的是：同一微生物在不同溶質(zhì)的水溶液中生長所需的aw是不同的。水分活度與食品化學(xué)

11、變化的關(guān)系 食品中的水分活度與食品中所發(fā)生的化學(xué)變化的種類和速度有密切的關(guān)系；而食品中的化學(xué)變化是依賴于各類食品成分而發(fā)生的。以各類食品成分為線索，其化學(xué)變化與水分活度關(guān)系的一般規(guī)律總結(jié)如下：水分活度與食品化學(xué)變化的關(guān)系 淀粉：淀粉的食品學(xué)特性主要體現(xiàn)在老化和糊化上。老化是淀粉顆粒結(jié)構(gòu)、淀粉鏈空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而導(dǎo)致溶解性能、糊化及成面團(tuán)作用變差的過程。在含水量大3060%時(shí)，淀粉的老化速度最快；降低含水量老化速度變慢；當(dāng)含水量降至1015%時(shí)，淀粉中的水主要為結(jié)合水，不會(huì)發(fā)生老化。 脂肪：影響脂肪品質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)主要為酸敗，而酸敗過程的化學(xué)本質(zhì)是空氣氧的自動(dòng)氧化。脂類的氧化反應(yīng)與水分含量之間的關(guān)

12、系為：在區(qū)，氧化反應(yīng)的速度隨著水分增加而降低；在區(qū)，氧化反應(yīng)速度隨著水分的增加而加快；在區(qū)，氧化反應(yīng)速度隨著水分增加又呈下降趨勢。水分活度對食品質(zhì)構(gòu)的影響 水分活度對干燥和半干燥食品的質(zhì)構(gòu)有較大的影響。通過各種各樣的食品包裝來創(chuàng)造適宜的小環(huán)境，盡可能達(dá)到不同食品對水分活度的要求。 肉制品韌性的增加與交聯(lián)作用及高水分活度下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，水分活度為0.40.5時(shí)，肉干的硬度及耐嚼性都降低?？偨Y(jié) 降低食品中的水分活度，可以延緩酶促褐變和非酶褐變的進(jìn)行，減少營養(yǎng)成分的破壞，防止水溶性色素的分解。但水分活度太低，反而會(huì)加速脂肪的氧化酸敗。要使食品具有最高的穩(wěn)定性，最好將水分活度保持在結(jié)合水范圍內(nèi)。這樣，既可使化學(xué)變化難以發(fā)生，同時(shí)又不會(huì)使食品喪失吸水性和持水性。降低食品水分含量的方法 自然干燥: 熱風(fēng)干燥：在人為的控制下除去食