食品化學第二章水精品

1、第二章 水第一節(jié) 引 言水的重要功能水是最普遍存在的組分，占50%90%為生物化學反應提供一個物理環(huán)境代謝所需營養(yǎng)成分和反應產(chǎn)物的載體是其它食品組分的溶劑主要食品的水份含量水與食品加工了解水在食品中的存在形式是掌握食品加工和保藏技術原理的基礎大多數(shù)食品加工的單元操作都與水有關干燥、濃縮、冷凍、水的固定復水、解凍沒有完全成功第二節(jié) 水和冰的物理性質(zhì)高熔點（0）、高沸點（100）介電常數(shù)高表面張力高熱容和相轉(zhuǎn)變熱焓高 熔化焓、蒸發(fā)焓、升華焓密度低（1 g/cm3）凝固時的異常膨脹率黏度正常（1 cPas）第三節(jié) 水分子4個雜化軌道 2px2 2py1 2pz1由于氧的高負電性，O-H共價鍵具有部分

2、離子特征第四節(jié) 水分子的締合O-H鍵具有極性不對稱的電荷分布偶極距分子間吸引力強烈的締合傾向形成三維氫鍵四面體結構解釋水的不尋常性質(zhì)氫鍵供體氫鍵受體氫鍵供體氫鍵供體氫鍵受體氫鍵受體第五節(jié) 冰的結構水分子通過四面體之間的作用力結晶O-O核間最相鄰距離為0.276nmO-O-O鍵角約109(四面體角10928)冰的六面體晶格結構在C軸是單折射，其它方向是雙折射結晶對稱性：六方晶系的六方形雙錐體組溶質(zhì)的種類和數(shù)量影響冰結晶的結構第六節(jié) 水的結構水的結構模型混合式填隙式連續(xù)式液態(tài)水通過氫鍵而締合氫鍵程度取決于溫度冰轉(zhuǎn)變?yōu)樗畷r，密度凈增加第七節(jié) 水-溶質(zhì)相互作用一、宏觀水平術語：水結合（Water bi

3、nding）水合（Hydration） 水結合和水合常被用來表示水與包括細胞物質(zhì)在內(nèi)的親水物質(zhì)締合的一般傾向。 持水力（Water holding capacity） 描述由分子（通常是以低濃度存在的大分子）構成的基體通過物理方式截留大量水而阻止水滲出的能力。例如：果膠、淀粉凝膠、動物組織細胞 特點切割或剁碎時不會流出性質(zhì)幾乎與純水相同易干燥除去、易凍結為冰，可作為溶劑整體流動被嚴格控制，但個別分子的運動與一般稀鹽溶液中的水分子無異（一）概述 溶質(zhì)-水親水溶質(zhì)改變鄰近水的結構和疏水性水會改變親水溶質(zhì)的反應性和結構水-溶質(zhì)相互作用的分類熱力學不能自發(fā)進行焓熵G=H-TS二、分子水平（二）結合水（

4、bound water）理論上定義：結合水是存在于溶質(zhì)及其它非水組分鄰近的水，與同一體系中的體相水相比，它們呈現(xiàn)出與同一體系中體相水顯著不同的性質(zhì)。 （熔點、沸點、流動性）具有“被阻礙的流動性”，而不是“被固定化的”占總水量很小的一部分相當于鄰近親水基團的第一層水結合水的分類構成水(constitutional water)結合最強的水，已成為非水物質(zhì)的整體部分鄰近水(vicinal water)占據(jù)著非水成分的大多數(shù)親水基團的第一層位置多層水(multilayer water)占有第一層中剩下的位置以及形成了鄰近水外的幾層三、水與離子及離子基團的相互作用 鍵的強度 大共價鍵H2O-離子鍵H2

5、O- H2O 小水-溶質(zhì)相互作用的分類離子對水的凈結構的影響與極化力或電場強度緊密相關凈結構形成效應 (forming effect)小離子或多價離子產(chǎn)生強電場Li+, Na+, H3O+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+, F-, OH-具有比純水較低的流動性和較緊密的堆積凈結構破壞效應 (breaking effect)大離子和單價離子產(chǎn)生較弱電場K+, Cs+, NH4+ , Cl-, Br-, I-, NO3- , BrO3- , IO3- , ClO4-流動性比純水強四、水與具有氫鍵形成能力的中性基團（親水性溶質(zhì)）的相互作用 鍵的強度 大共價鍵H2O-離子H2O- H2

6、OH2O- 親水性溶質(zhì) 小 水-溶質(zhì)相互作用的分類對水結構的影響一般會增加（至少不會破壞）水凈結構溶質(zhì)氫鍵部位的分布和定向在幾何上與水不相容時對水結構具有破壞作用尿素顯著破壞效應總氫鍵數(shù)沒有顯著改變，對水的凈結構沒有多大影響能與水形成氫鍵的基團羥基氨基羰基?；鶃啺被c蛋白質(zhì)分子的兩種功能基團形成氫鍵水橋五、水與非極性基團的相互作用非極性物質(zhì)：烴、稀有氣體以及脂肪酸、氨基酸和蛋白質(zhì)的非極性基團疏水水合作用（hydrophobic hydration） G HTS 0 S 0H2OR R(水合)疏水相互作用（hydrophobic interaction）G 0 熱力學有利R(水合)R(水合)

7、R2(水合)H2O 與疏水基團相鄰的水的結構吸引負電荷排斥正電荷“主體”物質(zhì) 水（2074個水分子）“客體”物質(zhì) 低相對分子質(zhì)量的化合物籠狀水合物疏水相互作用為蛋白質(zhì)的折疊提供了主要推動力維持蛋白質(zhì)四級結構疏水基團處在蛋白質(zhì)分子的內(nèi)部六、水與雙親分子的相互作用水作為雙親分子的分散介質(zhì)雙親分子一個分子中同時存在親水和疏水基團脂肪酸鹽、蛋白脂質(zhì)、糖脂、極性脂質(zhì)、核酸膠團雙親分子在水中形成大分子聚集體分子數(shù)從幾百到幾千1234脂肪酸鹽雙親分子一般結構非極性區(qū)極性區(qū)雙親分子的膠團結構 非極性極性水與親水部位的締合導致雙親分子的表觀“增溶”第八節(jié) 水分活度和相對蒸汽壓一、引言食品的水分含量食品的腐敗性存

8、在相關性但發(fā)現(xiàn)水分含量相同，腐敗性顯著不同水分含量不是一個腐敗性的可靠指標水分活度Aw水與非水成分締合強度上的差別比水分含量更可靠，也并非完全可靠與微生物生長和許多降解反應具有相關性 二、水分活度的定義和測定方法f 溶劑（水）的逸度f0純?nèi)軇ㄋ┑囊荻纫荻龋喝軇娜芤禾用摰内厔輫栏癫顒e1%僅適合理想溶液RVP,相對蒸汽壓Aw與產(chǎn)品環(huán)境的百分平衡相對濕度（ERH）有關Aw是樣品的內(nèi)在品質(zhì)，ERH是與樣品平衡的大氣的性質(zhì)僅當產(chǎn)品與環(huán)境達到平衡時，關系式才能成立Aw 測定方法密閉容器達到表觀平衡后測定壓力或相對濕度根據(jù)冰點下降測定RVP根據(jù)干、濕球溫度計，查表讀RVP測定精確性為0.02三、水分活

9、度與溫度的關系水分含量相同，溫度不同，Aw不同Clausius-Clapeyron公式 T 絕對溫度 R 氣體常數(shù)H 在樣品的水分含量下等量凈吸附熱lnAw1/T直線關系10溫度變化，Aw變化0.030.21.0冰點以下食品的AwPff部分凍結食品中水的分壓P0 (scw)純的過冷水的蒸汽壓P(ice)純冰的蒸汽壓在冰點以下也是線性的溫度對Aw的影響 冰點以下冰點以上直線出現(xiàn)明顯的折斷比較冰點以上和冰點以下Aw在冰點以上，Aw是樣品組成與溫度的函數(shù)，前者是主要的因素在冰點以下，Aw與樣品的組成無關，而僅與溫度有關，即冰相存在時， Aw不受所存在的溶質(zhì)的種類或比例的影響，不能根據(jù)Aw 預測受溶質(zhì)

10、影響的反應過程不能根據(jù)冰點以下溫度Aw預測冰點以上溫度的Aw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四、水分吸著等溫線 （一）定義和區(qū) 水分吸附等溫線 （Moisture sorption isotherms,MSI）在恒定溫度下，使食品吸濕或干燥，所得到的食品水分含量（每克干物質(zhì)中水的質(zhì)量）與Aw的關系曲線。高水分食品的MSI從正常至干燥的整個水分含量范圍低水分食品的MSI加水回吸時，試樣的組成從區(qū)（干）移至區(qū)（高水分）各區(qū)相關的水的性質(zhì)存在著顯著的差別（實際是連續(xù)變化的）回吸等溫線繪制方法將水加到預先干燥的試樣中形狀S形J形溶菌酶水合作用水合過程開始時存在于干

11、蛋白質(zhì)中的水被假設為構成水（區(qū)）水首先吸收在離子化、羧基和氨基酸側(cè)鏈部位（A 區(qū)）水的進一步吸收導致較小吸收部位（蛋白質(zhì)主鏈的酰胺羰基）的逐漸水合（B 區(qū)）BET真實單層構成水：占據(jù)大分子溶質(zhì)內(nèi)部的特殊位置， 存在于干蛋白質(zhì)中的水自由水：宏觀流動不受大分子基質(zhì)的 物理限制截留水：宏觀流動受大分子基質(zhì)的 物理限制區(qū)的水的性質(zhì)最強烈地吸附最少流動水離子或水偶極相互作用在-40不結冰不能作為溶劑看作固體的一部分構成水和鄰近水占總水量極小部分BET單層 區(qū)和接界0.07g H2O/ g干物質(zhì)Aw =0.2相當于一個干制品能呈現(xiàn)最高的穩(wěn)定性時含有的最大水分含量區(qū)的水的性質(zhì)通過氫鍵與相鄰的水分子和溶質(zhì)分子

12、締合流動性比體相水稍差大部分在-40不結冰導致固體基質(zhì)的初步腫脹多層水區(qū)和區(qū)的水占總水分的5%以下 真實單層 區(qū)和接界0.38g H2O/ g干物質(zhì)Aw =0.85完全水合所需的水分含量，即占據(jù)所有的第一層部位所需的水分含量。區(qū)的水的性質(zhì)體相水被物理截留或自由的宏觀運動受阻性質(zhì)與稀鹽溶液中的水類似占總水分的95%以上BET真實單層鄰近水多層水（二）MSI與溫度的關系水分含量一定 T，AwAw一定 T，水分含量（三）滯后現(xiàn)象（Hysteresis）回吸：把水加到干的樣品中解吸：先使樣品吸水飽和，再干燥回吸與解吸所得的等溫線不重疊現(xiàn)象 即為“滯后現(xiàn)象”滯后環(huán)一般來說，當Aw一定時，解吸過程中食品的

13、水分含量大于回吸過程中水分含量。 解吸線在上方滯后環(huán)形狀取決于食品品種溫度滯后現(xiàn)象的現(xiàn)實意義雞肉和豬肉Aw=0.750.84，解吸時脂肪氧化速度高于回吸Aw一定，解吸樣品的水分高于回吸高水分樣品黏度低，催化劑流動性好，基質(zhì)的腫脹使催化部位暴露氧的擴散系數(shù)提高控制微生物生長，解吸方法比回吸方法制備樣品時要達到更低的Aw五、水分活度與食品穩(wěn)定性0.95-0.910.91-0.870.87-0.800.5首次出現(xiàn)最低反應速度時的水分含量相當于“BET”水分含量一般情況，Aw，反應速度 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0脂肪氧化速度Aw 1. Aw：0BET氧化速度逐漸下降過分干燥，食品穩(wěn)定性下降原因水與氧化產(chǎn)物結合，阻礙分解，阻止氧化進程水與金屬離子水合，降低了催化性 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Aw 2. AwBET氧化速度增加原因提高了氧的溶解度促