高級(jí)食品化學(xué)講稿-16-09-02水

1、Welcome to Join!Starts here!有您會(huì)更精彩主主 講講 人人：劉延奇劉延奇所在單位所在單位：食品與生物工程學(xué)院食品與生物工程學(xué)院日期日期：2016.09.22 研究生研究生課程課程第二章第二章 食品中的水和冰食品中的水和冰2.1 概述概述 2.2 水、冰的結(jié)構(gòu)水、冰的結(jié)構(gòu) 2.3 水分活度與吸濕等溫曲線水分活度與吸濕等溫曲線 2.4與水相關(guān)的食品處理技術(shù)與水相關(guān)的食品處理技術(shù) 水水2.1 概述概述水在食品中的重要作用水在食品中的重要作用a.水是食品的重要組成成分，是形成食品加工工藝考慮的重要因素； 表3.1 某些代表性食品的含水量食品名稱水分%食品名稱水分%食品名稱水分

2、%番茄 95萵苣 95 卷心菜 92 啤酒 90 柑橘 87 蘋果汁 87 牛奶 87 馬鈴薯 78 香蕉 75 雞 70 肉 65 面包 35 果醬 28 蜂蜜 20 奶油 16稻米面粉 12 奶粉 4 酥油 0b.水分含量、分布和狀態(tài)對(duì)于食品的結(jié)構(gòu)、外觀、質(zhì)地、風(fēng)味、新鮮程度會(huì)產(chǎn)生極大的影響；c.是引起食品化學(xué)變化及微生物作用的重要原因，直接關(guān)系到食品的貯藏特性。2.2 水、冰的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)水、冰的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)2.2.1 水分子的結(jié)構(gòu)水分子的結(jié)構(gòu)OHH104.501.84DSP32.2.2 水分子的締合與水的三態(tài)水分子的締合與水的三態(tài)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

3、以通過形成氫鍵而呈現(xiàn)締合狀態(tài)：OHHOHHOHH由于每個(gè)水分子上有四個(gè)形成氫鍵的位點(diǎn)，因此每個(gè)水分子的可以通過氫鍵結(jié)合4個(gè)水分子。由于水分子之間可以以不同數(shù)目和不同形式結(jié)合，因此締合態(tài)的水在空間有不同的存在形式，締合態(tài)的水在空間有不同的存在形式，如：OHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHH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)可能大于水分子之間的締合數(shù)可能大于4。在通常情況下，水有三種存在狀態(tài)，即氣態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)液態(tài)和固態(tài)。水分子之間的締合程度與水的存在狀態(tài)有關(guān)。在氣態(tài)下，水分子之間的締合程度很小，可看作以自由的形式存在；在液態(tài)，水分子之

4、間有一定程度的締合，幾乎沒有游離的水分子，由此可理解為什么水具有高的沸點(diǎn)；在固態(tài)也就是結(jié)冰的狀態(tài)下，水分子之間的締合數(shù)是4，每個(gè)水分子都固定在相應(yīng)的晶格里，這也是水的熔點(diǎn)高的原因。水具有一定的黏度黏度是因?yàn)樗肿釉诖蠖鄶?shù)情況下是締合的，而水具有流動(dòng)性是水具有流動(dòng)性是因?yàn)樗肿又g的締合是動(dòng)態(tài)的。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。|2.2.3 水、冰的物理特性及與食品質(zhì)量關(guān)系水、冰的物理

5、特性及與食品質(zhì)量關(guān)系|水是一種特殊的溶劑，其物理性質(zhì)和熱行為有與其它溶劑顯著不同的方面：|a.水的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、介電常數(shù)、表面張力、熱容和相變熱均比質(zhì)量和組成相近的分子高得多。如甲烷的b.p：-162 ，m.p：-183 ，而水在0.1MPa下b.p：100 ，m.p：0 ；這些特性將對(duì)食品加工中的冷凍和干燥過程產(chǎn)生很大的影響；|b.水的密度較低，水在凍結(jié)時(shí)體積增加，表現(xiàn)出異常的膨脹行為，這會(huì)使得含水的食品在凍結(jié)的過程中其組織結(jié)構(gòu)遭到破壞；|c.水的熱導(dǎo)率較大，然而冰的熱導(dǎo)率卻是水同溫度下的4倍。這說明冰的熱傳導(dǎo)速度比非流動(dòng)水（如動(dòng)、植物組織內(nèi)的水）快得多；因此水的凍結(jié)速度比熔化速度要快得多；|

6、d.冰的熱擴(kuò)散速度是水的9倍，因此在一定的環(huán)境條件下，冰的溫度變化速度比水大得多。|正是由于水的以上物理特性，導(dǎo)致含水食品在加工貯藏過程中的許多方法及工藝條件必須以水為重點(diǎn)進(jìn)行考慮和設(shè)計(jì)；特別是在利用食品低溫加工技術(shù)是要充分重視水的熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散的特點(diǎn)。2.2.4 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：|在冰的晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)水和另外每個(gè)水和另外4個(gè)水分個(gè)水分子相互締合，子相互締合，OO之間的最小距離為之間的最小距離為0.276nm，OOO之間的夾角為之間的夾角為109。|當(dāng)水溶液結(jié)冰時(shí)，

7、其所含溶質(zhì)的種類和數(shù)量可以影響冰晶的數(shù)量、大小、結(jié)構(gòu)、位置和取向。一般有一般有4種類型，即六方形、不種類型，即六方形、不規(guī)則樹狀、粗糙球狀、易消失的球晶；規(guī)則樹狀、粗糙球狀、易消失的球晶；六方形是多見的、在大多數(shù)冷凍食品中重要的結(jié)晶形式。這種晶形形成的條件是在最適的低溫冷卻劑中緩慢冷凍，并且溶質(zhì)的性質(zhì)及濃度不嚴(yán)重干擾水分子的遷移。|純水結(jié)晶時(shí)有下列行為：即盡管冰點(diǎn)是0，但常并不在0結(jié)凍，而是出現(xiàn)過冷狀態(tài)，只有當(dāng)溫度降低到零下某一溫度時(shí)才可能出現(xiàn)結(jié)晶（加入固體顆?；蛘駝?dòng)可促使此現(xiàn)象提前出現(xiàn)）；出現(xiàn)冰晶時(shí)溫度迅速回升到0。把開始出現(xiàn)穩(wěn)定晶核時(shí)的溫度叫過冷溫度過冷溫度。如果外加晶核，不必達(dá)到過冷溫度

8、就能結(jié)冰，但此時(shí)生產(chǎn)的冰晶粗大，因?yàn)楸е饕獓@有限數(shù)量的晶核成長(zhǎng)。|一般食品中的水均是溶解了其中可溶性成分所形成的溶液，因此其結(jié)冰溫度均低于0。把食品中水完全結(jié)晶的溫度叫低共熔點(diǎn)，大多數(shù)食品的低共熔點(diǎn)在-55-65之間。但冷藏食品一般不需要如此低的溫度，如我國(guó)冷藏食品的溫度一般定我國(guó)冷藏食品的溫度一般定為為-18,這個(gè)溫度離低共熔點(diǎn)相差甚多，但已使大部分水結(jié)冰，且最大程度的降低了其中的化學(xué)反應(yīng)。|現(xiàn)代食品冷藏技術(shù)中提倡速凍，這是因?yàn)樗賰鲂纬傻谋Ъ?xì)小，呈針狀，凍結(jié)時(shí)間短且微生物活動(dòng)受到更大限制，從而保證了食品品質(zhì)。|2.3 食品中水的存在狀態(tài)食品中水的存在狀態(tài)|理解食品中水的存在狀態(tài)是掌握水

9、在食品中的作用及各種與水相關(guān)的加工技術(shù)的關(guān)鍵。而水在食品中的存在狀態(tài)說到底是水在食品中和各類食品物質(zhì)之間的關(guān)系及水的存在量。|2.3.1 水與溶質(zhì)的相互作用水與溶質(zhì)的相互作用|2.3.1.1 與離子或離子基團(tuán)的相互作與離子或離子基團(tuán)的相互作用用|當(dāng)食品中存在離子或可解離成離子或離子基團(tuán)的鹽類物質(zhì)時(shí)，這些物質(zhì)由于在水中可以溶解而且解離出帶電荷的離子，因而可以固定相當(dāng)數(shù)量的水。例如食品中的食鹽和水之間的作用：Cl-Na+|由于離子帶有完整的電荷，因此它們和水分子之間的極性作用比水分子之間的氫鍵連接還要強(qiáng)，如如Na+與水分子之間的結(jié)合能力大與水分子之間的結(jié)合能力大約是水分子間氫鍵連接力的約是水分子間

10、氫鍵連接力的4倍。倍。正是由于自由離子和水分子之間的強(qiáng)的相互作用，導(dǎo)致破壞原先水分子之間的締合關(guān)系，使一部分水固定在了離子的表面。|隨著離子種類的變化及所帶電荷的不同，與水之間的相互作用也有所差別。大致可以分作兩類：|能阻礙水分子之間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，其溶液的流動(dòng)性比水大，此類離子如：K+、Rb+、Cs+、N+H4、Cl-、Br-、I-、NO-3、BrO-3等；|有助于水分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，水溶液的流動(dòng)性小于水，此類離子一般為離子半徑小、電場(chǎng)強(qiáng)度大或多價(jià)離子，如：Li+、Na+、H3O+、Ca2+、Ba2 + 、Mg2 + 、Al3 + 、OH-等。|2.3.1.2 與具有氫鍵鍵合能力的中性分子

11、與具有氫鍵鍵合能力的中性分子或基團(tuán)的相互作用或基團(tuán)的相互作用|許多食品成分，如蛋白質(zhì)、多糖（淀粉或纖維素）、果膠等，其結(jié)構(gòu)中含有大量的極性基團(tuán)，如羥基、羧基、氨基、羰基等，這些極性基團(tuán)均可與水分子通過氫鍵相互結(jié)合。因此通常在這些物質(zhì)的表面總有一定數(shù)量的被結(jié)合、被相對(duì)固定的水。稱為結(jié)合水。結(jié)合水。|不同的極性基團(tuán)與水的結(jié)合能力有所差別。一般情況下，氨基、羧基等在生理?xiàng)l件下可以呈解離狀態(tài)的極性基團(tuán)均與水有較強(qiáng)的結(jié)合，而羥基、酰胺基等非解離基團(tuán)與水之間的結(jié)合較弱。|帶有極性基團(tuán)的有機(jī)物質(zhì)由于和水能夠通過氫鍵相互結(jié)合，因此對(duì)純水的正常結(jié)構(gòu)都有一定程度的破壞，而且也可降低冰點(diǎn)。|帶極性基團(tuán)的食品分子不但

12、可以通過氫鍵結(jié)合并固定水分子在自己的表面，而且通過靜電引力還可吸引一些水分子處于結(jié)合水的外圍，這些水稱為臨近水臨近水：盡管結(jié)合或附著在分子上的水分子數(shù)量并不多，但其作用和性質(zhì)常常非常重要。它們常是一些酶保持活性結(jié)構(gòu)并能發(fā)揮作用的重要因素；也常是食品保持正常結(jié)構(gòu)的重要因素。|2.3.1.3 與非極性物質(zhì)的相互作用與非極性物質(zhì)的相互作用|非極性的分子通常包括烴類、脂類、甾萜類等，通過化學(xué)的手段也可在一些含極性基團(tuán)的分子（如蛋白質(zhì)等）中引入非極性部分（基團(tuán)）。當(dāng)水中存在非極性物質(zhì)，即疏水性物質(zhì)時(shí)，由于它們與水分子產(chǎn)生斥力，可以導(dǎo)致疏水分子附近的水分子之間的氫鍵鍵合增強(qiáng)。由于在這些不相容的非極性實(shí)體鄰

13、近的水形成了特殊的結(jié)構(gòu)，使得熵下降，此過程稱為疏水水合作用疏水水合作用。|由于疏水水合在熱力學(xué)上是不利的，因此水傾向于盡可能地減少與存在的非極性實(shí)體靠近。如果存在兩個(gè)分離的非極性實(shí)體，那么不相容的水環(huán)境將促使它們相互靠近并締合，從而減少水-非極性實(shí)體界面面積，此過程是疏水水合的部分逆轉(zhuǎn)，被稱為“疏水相互作用疏水相互作用”。|疏水基團(tuán)還有兩種特殊的性質(zhì)，即能和水形成籠形水合物及能和蛋白質(zhì)產(chǎn)生疏水相互作用。|籠形水合物是像冰一樣的包合物，水通過氫鍵形成類似于籠的結(jié)構(gòu)，通過物理方式將非極性物質(zhì)截留在籠中；水稱為“主人”，而被截留的疏水物質(zhì)稱為“客人”?；\形水合物一般由2074個(gè)水分子形成，具體多少視

14、客人的幾何尺寸而定；而客人通常是一些低分子量的化合物，如烴類、稀有氣體、短鏈的胺類、鹵代烴、二氧化碳等。|籠形水合物的結(jié)構(gòu)與冰相似，同樣具有一定的穩(wěn)定性。已證明生物物質(zhì)中天然存在的類似晶體的籠形水合物結(jié)構(gòu)，它們很可能對(duì)蛋白質(zhì)等生物大分子的構(gòu)象、反應(yīng)性和穩(wěn)定性有影響。這種結(jié)構(gòu)在海水脫鹽、溶液濃縮和防止氧化等方面可能具有應(yīng)用前景。|盡管將蛋白質(zhì)劃在了帶極性基團(tuán)的分子類型中，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)蛋白質(zhì)分子，特別是球形蛋白質(zhì)分子大多數(shù)極性基團(tuán)處于表面且朝向水，而非極性基團(tuán)處于內(nèi)部而形成疏水區(qū)域。但實(shí)際上仍有一部分非極性基團(tuán)朝外，這些朝外的非極性基團(tuán)與水之間產(chǎn)生疏水的相互作用并產(chǎn)生一定的力，對(duì)于保持蛋白質(zhì)的活

15、性構(gòu)象也具有一定的作用。|2.3.2 食品中水的存在狀態(tài)食品中水的存在狀態(tài)|根據(jù)食品中水與非水物質(zhì)之間的相互關(guān)系，可以把食品中的水分作不同的類型。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

16、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)合水結(jié)合水也稱束縛水、固定水，自由水也稱體相水。這二者之間很難作截然的劃分，其主要的區(qū)別在于：|a.結(jié)合水的量結(jié)合水的量與食品中所含極性物質(zhì)的量有比較固定的關(guān)系，如100g蛋白質(zhì)大約可結(jié)合50g 的水，100g淀粉的持水能力在3040g；|b.結(jié)合水對(duì)食品品質(zhì)和風(fēng)味有較大的影響，當(dāng)結(jié)合水被強(qiáng)行與食品分離時(shí)，食品質(zhì)量、風(fēng)味就會(huì)改變.|c.結(jié)合水不易結(jié)冰，結(jié)合水不易結(jié)冰，由于這種性質(zhì)使得植物的種子和

17、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；|d.結(jié)合水不能作為可溶性成分的溶結(jié)合水不能作為可溶性成分的溶劑，劑，也就是說喪失了溶劑能力；|e.體相水可被微生物所利用，體相水可被微生物所利用，結(jié)合水則不能。|2.4 水分活度水分活度|新鮮或干燥食品中的含水量，都隨環(huán)境條件的變動(dòng)而變化。如果食品周圍環(huán)境的空氣干燥，濕度低，則水分會(huì)從食品向空氣中蒸發(fā)，水分逐漸減少而干燥，反之，如環(huán)境濕度高，則干燥的食品就會(huì)吸濕,使得水分增多。當(dāng)食品所吸收的水量等于從食品中蒸發(fā)的水量時(shí)，食品的水分含量就不再發(fā)生變化，我們把此時(shí)的水分稱為

18、平衡水分平衡水分。但當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化，則這種蒸發(fā)與吸濕的平衡就又被打破，直到建立起新的平衡。|也就是說，食品中的水分并不是靜止的，而是處于一種活動(dòng)的狀態(tài)，因此，食品的含水量除了用表示外，還可用水分活度水分活度AW來表示。其定義為食品所顯示的水蒸汽壓P對(duì)在同一溫度下純水的蒸汽壓P0之比:|Aw=P / Po|第二章2.5 2.5 水的作用水的作用水是維持動(dòng)、植物和人類生存必不可少的物質(zhì)之一。水的生理功用如下：1、 水的溶解溶解力很強(qiáng)，食物中各種無機(jī)及有機(jī)物質(zhì)都很容易溶于水中，即使不溶于水的物質(zhì)如脂肪和某些蛋白質(zhì)，也能在適當(dāng)條件下分散于水中，成為乳濁液或膠體溶液。2、 水是體內(nèi)各種物質(zhì)運(yùn)輸?shù)妮d體

19、載體。3、 水的比熱及蒸發(fā)潛熱大，能使生物體溫維持體溫維持恒定。4、 水是體內(nèi)關(guān)節(jié)、肌肉等摩擦的潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑劑，食物吞咽需水的幫助。|第二章食品的含水量除谷物和豆類等種子外（1216），一般都比較高（6090），水是食物各種組分中數(shù)量最多的組分。如：蔬菜 85 97蛋類 73 75水果 80 90 乳類 87 89魚類 67 81 豬肉 43 59食品的含水量與其風(fēng)味及腐敗和發(fā)霉等現(xiàn)象有極大關(guān)系，如香腸的口味就與其吸水、持水情況關(guān)系很大，而含水多的食物都容易發(fā)霉、腐敗。此外，食品中水分含量的變化也常引起食品的物理性質(zhì)發(fā)生變化，如面包和餅類烘烤后變硬就不僅是失水干燥；而且也是水分含量的變化，使得淀

20、粉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的結(jié)果。 |第二章食品的含水量雖然食品中含有大量水分，但在切開它們時(shí)一般都不會(huì)流出水來，這表明，食品中含的水有二種，一種是與普通水一樣能自由流動(dòng)的水，稱為自由自由水或游離水水或游離水。另一種是與食品中蛋白質(zhì)、碳水化合物等以氫鍵結(jié)合著而不能自由運(yùn)動(dòng)的結(jié)合水結(jié)合水，結(jié)合水的性質(zhì)與普通水的不同：1、 它的冰點(diǎn)為40 C2、 它沒有溶劑作用3、 食物中的微生物孢子不能利用結(jié)合水進(jìn)行發(fā)芽和繁殖，因而，只要從食品中除去自由水，就可使食品安全地保藏。食品的含水量，是指其中自由水與結(jié)合水的總和。 |第二章|水分子會(huì)從水中蒸發(fā)跑到空氣中成為氣體，即水蒸汽，而氣體都有一定壓力，水蒸汽的壓力就稱為水蒸

21、汽壓，一般食品不僅含有水，而且含有蛋白質(zhì)，淀粉等固形物，所以它的水相對(duì)地就比純水少，故其水蒸汽壓也就小，即一般有PP0，所以AW值皆小于1。|例如，魚和水果等含水量高的食品，其AW值為0.980.99，都比較大，而米和大豆等水分少的干燥食品，其AW值就較小，為0.600.64。|各種微生物的活動(dòng)都有一定的AW閾值（最低值）如：|細(xì)菌0.90 酵母0.88 霉菌0.80|故在討論食品保藏等問題時(shí)，常用活度的概念而不用來表示水分含量。 |第二章本章思考及練習(xí)題一、填空題1. 冰的導(dǎo)熱系數(shù)在0時(shí)近似為同溫度下水的導(dǎo)熱系數(shù)的（） 倍，冰的熱擴(kuò)散系數(shù)約為水的（） 倍，說明在同一環(huán)境中，冰比水能更（）的改

22、變自身的溫度。水和冰的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)上較大的差異，就導(dǎo)致了在相同溫度下組織材料凍結(jié)的速度比解凍的速度（）。2. 一般的食物在凍結(jié)解凍后往往（ ），其主要原因是（）。3. 按照食品中的水與其他成分之間相互作用強(qiáng)弱可將食品中的水分成（）和（），微生物賴以生長(zhǎng)的水為（）。|4. 就水分活度對(duì)脂質(zhì)氧化作用的影響而言，在水分活度較低時(shí)由于（）而使氧化速度隨水分活度的增加而減?。划?dāng)水分活度大于0.4 時(shí)，由于（），而使氧化速度隨水分活度的增加而增大；當(dāng)水分活度大于0.8 由于（），而使氧化速度隨水分活度的增加而減小。|5. 按照定義，水分活度的表達(dá)式為（）。|6. 結(jié)合水與自由水的區(qū)別在于，a.（）；b.（）；c.（）。|7. 根據(jù)與食品中非