第二章 水 分

1、第二章第二章 水水 分分Water2本本章章主主要要內(nèi)內(nèi)容容水分活度與食品穩(wěn)定性水分活度與食品穩(wěn)定性水和冰的物理特性水和冰的物理特性食品中水的存在狀態(tài)食品中水的存在狀態(tài)水分活度水分活度水分活度和等溫吸濕曲線水分活度和等溫吸濕曲線引言引言分子流動性與食品穩(wěn)定性分子流動性與食品穩(wěn)定性水是食品中非水是食品中非 常重要的一常重要的一種成分，也是構(gòu)成大多數(shù)食種成分，也是構(gòu)成大多數(shù)食品的主要組分，每種食品都品的主要組分，每種食品都有其特定的含水量。有其特定的含水量。水是唯一的以三種物水是唯一的以三種物理狀態(tài)廣泛存在的物理狀態(tài)廣泛存在的物質(zhì)。質(zhì)。第一節(jié)第一節(jié) 引引 言言4一、食品中的水分含量一、食品中的水分

2、含量面 粉 、 粗 燕 麥 粉 、 粗 面 粉 1013 乳 制 品 奶 油 15 山 羊 奶 87 奶 酪 （ 含 水 量 與 品 種 有 關(guān) ） 4075 奶 粉 4 冰 淇 淋 65 人 造 奶 油 15 焙 烤 食 品 面 包 3545 餅 干 58 餡 餅 4359 糖 及 其 制 品 蜂 蜜 20 果 凍 、 果 醬 35 蔗 糖 、 硬 糖 、 純 巧 克 力 1 6水在水在食品加工食品加工方面的功能方面的功能食品理化性質(zhì)：食品理化性質(zhì)：起著溶解、分散蛋白質(zhì)、起著溶解、分散蛋白質(zhì)、淀粉等水溶性成分的作用淀粉等水溶性成分的作用 食品質(zhì)地方面：食品質(zhì)地方面：對食品的新鮮度、硬度、對食

3、品的新鮮度、硬度、風味、流動性、色澤、耐風味、流動性、色澤、耐貯性和加工適應(yīng)性有影響貯性和加工適應(yīng)性有影響食品安全性：食品安全性：水是微生物繁殖的必需條件水是微生物繁殖的必需條件食品工藝角度：食品工藝角度：水起著膨潤、浸透、均勻水起著膨潤、浸透、均勻 化等功能；化等功能；大多數(shù)食品加工的大多數(shù)食品加工的單元操單元操 作作都與水有關(guān)，如干燥、都與水有關(guān)，如干燥、 濃縮、冷凍、水的固定等濃縮、冷凍、水的固定等二、水的重要功能二、水的重要功能7第二節(jié)第二節(jié) 水和冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)水和冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)單個水分子的結(jié)構(gòu)特征H2O分子的四面體結(jié)構(gòu)有對稱型分子的四面體結(jié)構(gòu)有對稱型H-O共價鍵有離子性共價鍵有離子性

4、氧的另外兩對孤對電子有靜電斥力氧的另外兩對孤對電子有靜電斥力水分子是偶極分子水分子是偶極分子101. H-O1. H-O鍵間電荷的非對稱鍵間電荷的非對稱分布使分布使H-OH-O鍵具有極性鍵具有極性, ,這種極性使分子之間產(chǎn)這種極性使分子之間產(chǎn)生引力生引力. .2. 2. 由于每個水分子具有數(shù)由于每個水分子具有數(shù)目相等的氫鍵供體和受目相等的氫鍵供體和受體體, ,因此可以在三維空間因此可以在三維空間形成多重氫鍵形成多重氫鍵. .氫鍵供體氫鍵供體氫鍵受體氫鍵受體氫鍵供體氫鍵供體氫鍵供體氫鍵供體氫鍵受體氫鍵受體氫鍵受體氫鍵受體2. 水分子的締合水分子的締合Association of water mo

5、lecules水的三維空間結(jié)構(gòu)水的三維空間結(jié)構(gòu)121314 升 華 焓 （ 0 ） 50.91kJ(12.16kcal)/mol 溫 度 其 他 性 質(zhì) 20 0 0 （ 冰 ） -20 密 度 /(g/cm3) 0.99821 0.99984 0.9168 0.9193 粘 度 /(Pa s) 1.002 10-3 1.793 10-3 表 面 張 力 (空 氣 -水 界 面 )/(N/m) 72.75 10-3 75.64 10-3 蒸 汽 壓 /kPa 2.3388 0.6113 0.6113 0.103 比 熱 容 /J/(g K) 4.1818 4.2176 2.1009 1.954

6、4 熱 導(dǎo) 率 (液 體 )/W/(m K) 0.5984 0.5610 2.240 2.433 熱 擴 散 /(m2/s) 1.4 10-7 1.3 10-7 11.7 10-7 1.8 10-7 介 電 常 數(shù) 80.20 87.90 90 98 三、水和冰的物理性質(zhì)三、水和冰的物理性質(zhì)水與冰比較水與冰比較 水的密度高于冰；冰的導(dǎo)熱值、熱擴散率等明顯大于水。水的密度高于冰；冰的導(dǎo)熱值、熱擴散率等明顯大于水。15四、冰在食品穩(wěn)定性中的作用n凍結(jié)點凍結(jié)點（freezing pointfreezing point） 隨著溫度的降低，食隨著溫度的降低，食品中冰晶開始出現(xiàn)時的溫度，又稱品中冰晶開始出

7、現(xiàn)時的溫度，又稱食品的冰點食品的冰點。n食品凍結(jié)的實質(zhì)是水分的凍結(jié)。食品凍結(jié)的實質(zhì)是水分的凍結(jié)。n水的冰點是0，食品中水分不是純水。nRaoult稀溶液定律：Tf=KfbB， Kf為與溶劑有關(guān)的常數(shù)，水為1.86。即質(zhì)量摩爾濃度每增加1 mol/kg，凍結(jié)點就會下降1.86。因此食品物料要降到0以下才產(chǎn)生冰晶，bB摩爾質(zhì)量濃度（mol/kg)。16 表表3-7：幾幾種種常常見見食食品品的的凍凍結(jié)結(jié)點點品種 凍結(jié)點（）含水率（%）品種 凍結(jié)點（）含水率（%）牛肉-0.6 -1.771.6葡萄-2.281.5豬肉-2.860蘋果-287.9魚肉 -0.6 -27085青豆 -1.173.4牛奶 -

8、0.588.6橘子 -2.288.1蛋白-0.4589香蕉-3.475.5蛋黃-0.6549.5n溫度-55-65左右，食品內(nèi)水分全部凍結(jié)，此溫度稱為共晶點，也叫共熔點。 n在-18 -30時，食品中絕大部分水分已凍結(jié)，能夠達到凍藏的要求。低溫冷庫的貯藏溫度一般為-18 -25。n凍結(jié)率：凍結(jié)終了時食品內(nèi)水分的凍結(jié)量（%），又稱結(jié)冰率K=100（1TD/TF）TD和TF分別為食品的凍結(jié)點及其凍結(jié)終了溫度18凍結(jié)率與溫度關(guān)系曲線表表3-8 一一些些食食品品的的凍凍結(jié)結(jié)率率（%） 溫度/C食品-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-12.5 -15-18肉類，禽類0-25 52-60 67-7

9、3 72-77 75-80 77-82 79-84 80-85 81-86 82-87 85-89 87-90 89-91魚類0-45 0-6832-77 45-82 848587899091929395蛋類，菜類607884.5818990.591.592939494.59595.5乳456877828485.58788.589.590.59293.595西紅柿3060707680828485.58788899091蘋果,梨,土豆003245535862656870747880大豆，蘿卜028505864.5687173757780.58384橙,檸檬,葡萄00203241485458.56

10、2.569727576蔥，豌豆1050657175777980.58283.58687.589櫻桃000203240475255.55863677120 在低溫介質(zhì)中，隨著凍結(jié)的進行，食品的溫度逐漸下降。凍結(jié)曲線表示了凍結(jié)過程中溫度隨時間的變化。 過冷現(xiàn)象，過冷臨界溫度。 各種食品的過冷溫度并不相同，如禽、肉、魚為-45，牛奶為-56，蛋類為-1113。凍結(jié)曲線212223 凍結(jié)速度對食品質(zhì)量的影響24降溫速率與冰晶25紅色水的凍結(jié)2627n食品的溫度從食品的凍結(jié)點降低至-5左右，這時食品中的大部分水結(jié)成冰，放出大量的潛熱 所謂的速凍就是以最快的速凍通過冰晶帶。食品凍結(jié)應(yīng)以最快的速度通過最大冰

11、晶生成帶。28第三節(jié)第三節(jié) 食品中水的存在狀態(tài)食品中水的存在狀態(tài)一、水與溶質(zhì)的相互作用一、水與溶質(zhì)的相互作用293031水能與蛋白質(zhì)、淀粉、果膠等中某些基團，例如羥基、氨水能與蛋白質(zhì)、淀粉、果膠等中某些基團，例如羥基、氨基、羰基、酰氨基和亞氨基等極性基團，發(fā)生氫鍵鍵合?；Ⅳ驶?、酰氨基和亞氨基等極性基團，發(fā)生氫鍵鍵合。3233343536疏水水合（A)與疏水相互作用（B)37383940二、食品中水的存在狀態(tài)二、食品中水的存在狀態(tài)41食品中不同狀態(tài)的水性質(zhì)比較42第四節(jié) 水分活度43 注意：注意： A 水分活度的物理意義是表征生物組織和食品中水分活度的物理意義是表征生物組織和食品中能參與各種生

12、理作用的水分含量與總含水量的能參與各種生理作用的水分含量與總含水量的定量關(guān)系。定量關(guān)系。應(yīng)用應(yīng)用aw=ERH/100時必須注意時必須注意:aw是樣品的內(nèi)在品質(zhì)是樣品的內(nèi)在品質(zhì),而而ERH是與樣品中的水蒸是與樣品中的水蒸氣平衡時的大氣性質(zhì)；氣平衡時的大氣性質(zhì)；B 僅當食品與其環(huán)境達到平衡時才能應(yīng)用。僅當食品與其環(huán)境達到平衡時才能應(yīng)用。3.3.水分活度的測定方法水分活度的測定方法將將已知含水量的樣品置于恒溫密閉小容器中已知含水量的樣品置于恒溫密閉小容器中,使其使其達到平衡達到平衡,然后用電子或濕度測定儀測樣品和環(huán)境然后用電子或濕度測定儀測樣品和環(huán)境空氣的平衡相對濕度空氣的平衡相對濕度,即可得即可得

13、aw.100wERHa4647二、水分活度與溫度的關(guān)系二、水分活度與溫度的關(guān)系 測定樣品水活性時，必須標明溫度，因為測定樣品水活性時，必須標明溫度，因為aW值隨值隨溫度而改變。經(jīng)修改的克勞修斯溫度而改變。經(jīng)修改的克勞修斯-科拉伯龍（科拉伯龍（Clausius-Clapeyron）方程，精確地表示）方程，精確地表示aW對溫度的相依性。對溫度的相依性。式中：式中：T,絕對溫度；絕對溫度；R，氣體常數(shù)；，氣體常數(shù)；H,樣品中水分樣品中水分的等含量凈吸著熱。上式過整理，符合廣義的直線方的等含量凈吸著熱。上式過整理，符合廣義的直線方程。顯然，以程。顯然，以lnaW對對1/T作圖（當水分含量一定時）作圖（

14、當水分含量一定時）應(yīng)該是一條直線。應(yīng)該是一條直線。 aw=-kH/R（1/T）RHKTdAwd)/1 (ln4849冰點以下水分活度與溫度的關(guān)系冰點以下水分活度與溫度的關(guān)系P P ff ff 部分冷凍食品中水的分壓部分冷凍食品中水的分壓P P0 0（scwscw） 相同溫度下純的過冷水的蒸汽壓相同溫度下純的過冷水的蒸汽壓P P0 0（iceice） 純冰的蒸汽壓。純冰的蒸汽壓。 基于冷凍食品中水的分壓等于相同溫度下冰基于冷凍食品中水的分壓等于相同溫度下冰的蒸汽壓。的蒸汽壓。)(0)(0SCWiceSCWffPPPPAw50高于或低于凍結(jié)溫度時樣品的水活性和溫度之間的關(guān)系高于或低于凍結(jié)溫度時樣品

15、的水活性和溫度之間的關(guān)系(1)(1)在冰點以下的溫在冰點以下的溫度呈線性關(guān)系。度呈線性關(guān)系。(2)(2)濕度對冰點以下濕度對冰點以下的的a aw w的影響一般遠遠的影響一般遠遠超過對冰點以上的超過對冰點以上的a aw w的影響。的影響。(3) (3) 該圖在樣品的冰該圖在樣品的冰點處不連續(xù)并產(chǎn)生急點處不連續(xù)并產(chǎn)生急劇的轉(zhuǎn)折。劇的轉(zhuǎn)折。 51高于和低于凍結(jié)溫度下高于和低于凍結(jié)溫度下awaw的重要差別的重要差別n在冰點以上，在冰點以上，AwAw是樣品組成與溫度的函數(shù)，前者是樣品組成與溫度的函數(shù)，前者是主要的因素是主要的因素; ;在冰點以下，在冰點以下，AwAw與樣品的組成無關(guān)，與樣品的組成無關(guān)，而

16、僅與溫度有關(guān)，即冰相存在時，而僅與溫度有關(guān)，即冰相存在時， AwAw不受所存在不受所存在的溶質(zhì)的種類或比例的影響，不能根據(jù)的溶質(zhì)的種類或比例的影響，不能根據(jù)Aw Aw 預(yù)測受預(yù)測受溶質(zhì)影響的反應(yīng)過程。溶質(zhì)影響的反應(yīng)過程。 n不能根據(jù)冰點以下溫度不能根據(jù)冰點以下溫度AwAw預(yù)測冰點以上溫度的預(yù)測冰點以上溫度的Aw Aw n當溫度改變到形成冰或熔化冰時，就食品穩(wěn)定性當溫度改變到形成冰或熔化冰時，就食品穩(wěn)定性而言，水分活度的意義也改變了。而言，水分活度的意義也改變了。在在-15的產(chǎn)品的產(chǎn)品中中(aw為為0.86)，微生物不再生長，而且化學反應(yīng)緩，微生物不再生長，而且化學反應(yīng)緩慢進行；但是在慢進行；但

17、是在20與與aw 為為0.86時，一些化學反時，一些化學反應(yīng)將快速進行，一些微生物將以中等速度生長應(yīng)將快速進行，一些微生物將以中等速度生長52三、水分吸濕等溫線三、水分吸濕等溫線Moisture Sorption Isotherms5354MSIMSI的實際意義的實際意義 由于水的轉(zhuǎn)移程度與由于水的轉(zhuǎn)移程度與aw有關(guān)有關(guān),從從MSI圖可圖可 以看出食品脫水的難易程度。以看出食品脫水的難易程度。 也可以看出如何組合食品才能避免水分在也可以看出如何組合食品才能避免水分在不同物料間的轉(zhuǎn)移。不同物料間的轉(zhuǎn)移。 據(jù)據(jù)MSI可預(yù)測含水量對食品穩(wěn)定性的影響?？深A(yù)測含水量對食品穩(wěn)定性的影響。從從MSI還可看出

18、食品中非水組分與水結(jié)合還可看出食品中非水組分與水結(jié)合能力的強弱。能力的強弱。55565758MSI上不同區(qū)水分特性上不同區(qū)水分特性59吸濕等溫線與溫度的關(guān)系60四、滯后現(xiàn)象Hysteresis61626364656667二、二、Enzymatic Changes Aw Awr 低低Aw(0.25-0.3)，不反應(yīng)，不反應(yīng)Several enzymatic changes do not occur at low aw (0.25-0.3)v diffusional limitationsv low molecular mobility does not allow enzyme and subs

19、trate rearrangements68(1) Aw： 0-0.33范圍內(nèi)范圍內(nèi)n隨隨Aw,反應(yīng)速度反應(yīng)速度n過分干燥，食品穩(wěn)定性過分干燥，食品穩(wěn)定性下降下降 三、三、Lipid oxidationAw原因原因 : :水覆蓋了可氧化部位，阻止與氧接水覆蓋了可氧化部位，阻止與氧接觸。觸。水與脂類氧化生成的氫過氧化物以水與脂類氧化生成的氫過氧化物以氫鍵結(jié)合氫鍵結(jié)合, ,保護氫過氧化物的分解保護氫過氧化物的分解, ,阻止氧化進行阻止氧化進行水與金屬離子水合水與金屬離子水合, ,降低了催化性降低了催化性69(2) Aw：0.33-0.73范范圍內(nèi)圍內(nèi)n隨隨Aw,反應(yīng)速度反應(yīng)速度三、三、 Lipid

20、 oxidationAw 原因原因 : :u 水中溶解氧增加水中溶解氧增加u 大分子物質(zhì)腫脹大分子物質(zhì)腫脹, ,活性位活性位 點暴露加速脂類氧化點暴露加速脂類氧化u 催化劑和氧的流動性增加催化劑和氧的流動性增加7071727374 分子流動性（molecular mobility, Mm）：是分子的旋轉(zhuǎn)移動和平動移動性的總度量。 Mm主要受水合作用的大小及溫度高低的影響。第六節(jié) 分子流動性與食品穩(wěn)定性75（一）關(guān)于玻璃化的基本概念 1. 玻璃態(tài)、橡膠態(tài)和黏流態(tài) 晶態(tài)和非晶態(tài)(non-crystalline, amorphous) :當溫度降低時，液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，可以有兩種不同的狀態(tài)晶態(tài)和非晶態(tài)

21、。在非晶態(tài)固體材料中，原子、離子或分子的排列是無規(guī)則的。 玻璃態(tài)：無定型聚合物在較低的溫度下，分子熱運動能量很低，只有較小的運動單元，如測基、支鏈和鏈節(jié)能夠運動，而分子鏈和鏈段均處于凍結(jié)狀態(tài)，這時聚合物表現(xiàn)出來的狀態(tài)表現(xiàn)出來的力學狀態(tài)與玻璃相似。 習慣將融化物質(zhì)在冷卻過程中不發(fā)生結(jié)晶的無機物質(zhì)稱為玻璃(glass)，所以后來逐漸擴大地將其它非晶態(tài)均稱為玻璃態(tài)(glassy)。76 玻璃態(tài)的特征：物體的自由體積非常小，分子流動阻力非常大，使體系具有極高的黏度，通常高于1012pas，體系中分子的擴散速率就非常小，分子間相互接觸和發(fā)生反應(yīng)的速率非常小。 食品處于玻璃態(tài)下不易發(fā)生化學反應(yīng)，不易變質(zhì)腐敗。77 橡膠態(tài)：處于玻璃態(tài)的無定型聚合物隨著溫度的升高至某一溫度時，鏈段受到激發(fā)，但整個分子仍處于束縛狀態(tài)，在受外力作用時，能夠表現(xiàn)出較大的形變，當外力解除時，形變可以恢復(fù)，這種狀態(tài)稱為高彈態(tài)。 黏流態(tài)：溫度繼續(xù)升高，不僅鏈段可以運動，整個分子鏈都可以運動，無定型聚合物表現(xiàn)出黏性流動的狀態(tài)。狀態(tài)圖78792. 食品的玻璃化 使食品形成玻璃化的過程就是食品的玻璃化，它是在一定的溫度范圍內(nèi)將非晶體固體物質(zhì)轉(zhuǎn)變成高黏性液體狀態(tài)或者將非晶體水溶液轉(zhuǎn)變成高黏性液體狀態(tài)的一個二級相變過程。 該相變過程僅涉及顯熱的變化，而不涉及潛熱的變化。803. 玻璃化過程n將新鮮食品的溫度降低到冰點以下，就會有冰