水分活度和吸濕等溫曲線

1、關(guān)于水分活度與吸濕等溫曲線第一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.3.1 水分活度的定義及測(cè)定方法一、定義： 一定溫度下樣品水分蒸氣壓與純水蒸氣壓的比值；用公式表示即為： Aw= p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2) Aw ：水份活度； p：樣品中水的蒸氣分壓 p0：同溫純水蒸氣壓； ERH：樣品周圍空氣不與樣品換濕時(shí)的平均相對(duì)濕度； N：稀溶液中溶質(zhì)的mol分?jǐn)?shù)； n1：稀溶液中水的mol數(shù)； n2：稀溶液中溶質(zhì)的mol數(shù)。第三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月注意： 1.上述公式成立的前提是溶液是理想溶液并達(dá)到熱

2、力學(xué)平衡，食品體系一般不符合這個(gè)條件，因此上式嚴(yán)格講，只是近似的表達(dá)。2.公式中的前兩項(xiàng)，即Aw=p/p0=ERH/100，是根據(jù)水分活度定義給出的；而后兩項(xiàng)是拉烏爾定律所確定的，其前提是稀溶液。所以前兩項(xiàng)和后兩項(xiàng)之間也應(yīng)該是近似的關(guān)系。3.由于p/p0和n1/n1+n2，因此，aw的值在01之間。第四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、測(cè)定方法可以利用不同的方法對(duì)于食品中的水分活度進(jìn)行測(cè)定：a.冰點(diǎn)測(cè)定法：b.相對(duì)濕度傳感器測(cè)定法：c.康維氏微量擴(kuò)散器測(cè)定法第五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月c.康維氏微量擴(kuò)散器測(cè)定法康維氏微量擴(kuò)散器可如右圖示意：分隔并相通的兩個(gè)小室分別

3、放樣品和飽和鹽溶液；樣品量一般為1g；恒溫溫度一般為25 ，平衡時(shí)間為20min；分別測(cè)定水分活度高的飽和鹽溶液和水分活度低的飽和鹽溶液和樣品達(dá)平衡時(shí)樣品吸收或失去水的質(zhì)量，利用下式求算樣品的水分活度：康維氏微量擴(kuò)散器aw=(Ax+By/(x+y) 其中：Ax：活度低的鹽溶液活度； By：活度高的鹽溶液活度 x：使用B時(shí)的凈增值； y：使用A時(shí)的凈減值；第六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.3.2 水分活度和溫度的關(guān)系 上邊對(duì)于水分活度定義及測(cè)定方法的敘述中，均強(qiáng)調(diào)了在一定的溫度下。也就是說溫度對(duì)于水分活度的值有較大的影響。第七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 其中：此處

4、的H 可用純水的汽化潛熱表示，是常數(shù)，其值為40537.2J/mol；K的直觀意義是在達(dá)到同樣水蒸氣壓時(shí)，食品的溫度比純水溫度高出的比值，本質(zhì)反映了食品中非水成分對(duì)水活性的影響。食品中非水成分越多并且與水的結(jié)合能力越強(qiáng)，k值越大，相同溫度時(shí)Aw值越小；反之亦然。第八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月討論： a.由公式(2)可知，lnAw與1/T之間為一直線關(guān)系，其意義在于：一定樣品水分活度的對(duì)數(shù)在不太寬的溫度范圍內(nèi)隨絕對(duì)溫度的升高而正比例升高。b.但在較大的溫度范圍內(nèi)， lnAw與1/T之間并非始終為一直線關(guān)系；當(dāng)冰開始形成時(shí)，lnAw與1/T曲線中出現(xiàn)明顯的折點(diǎn)，冰點(diǎn)以下lnAw與1

5、/T的變化率明顯加大了，并且不再受樣品中非水物質(zhì)的影響；這是因?yàn)榇藭r(shí)水的汽化潛熱應(yīng)由冰的升華熱代替，也就是說前述的Aw與溫度的關(guān)系方程中的H值大大增加了。第九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 由b可以得出結(jié)論：在比較冰點(diǎn)以上或冰點(diǎn)以下的水分活度值時(shí)應(yīng)該注意到以下兩個(gè)重要的區(qū)別。第一，在冰點(diǎn)以上，水分活度是樣品組成和溫度的函數(shù)，并且樣品組成對(duì)于水分活度值有明顯的影響；而在冰點(diǎn)以下時(shí)，水分活度與樣品的組成無關(guān)，僅與溫度有關(guān)。因此不能根據(jù)冰點(diǎn)以上水分活度值來預(yù)測(cè)體系中溶質(zhì)種類和含量對(duì)冰點(diǎn)以下體系發(fā)生變化的影響。第二，冰點(diǎn)以上和以下時(shí)，就食品而言，水分活度的意義是不一樣的。例如：在水分活度為

6、0.86的-15的食品中，微生物不再生長(zhǎng)，其它化學(xué)反應(yīng)的速度也很慢；但在同樣的水分活度而溫度是20情況下，一些化學(xué)反應(yīng)將快速進(jìn)行，一些微生物也將中等速度生長(zhǎng)。第十張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 水分吸濕等溫線Moisture Sorption Isotherms(MSI) 在恒定溫度下，食品水分含量（每克干物質(zhì)中水的質(zhì)量）與Aw的關(guān)系曲線。一、定義 DefinitionMSI的實(shí)際意義: 1、由于水的轉(zhuǎn)移程度與Aw有關(guān)，從MSI圖可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不同物料間的轉(zhuǎn)移。 2、據(jù)MSI可預(yù)測(cè)含水量對(duì)食品穩(wěn)定性的影響。 3、從MSI還可看

7、出食品中非水組分與水結(jié)合能力的強(qiáng)弱。第十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月測(cè)定方法：在恒定溫度下，改變食品中的水分含量，測(cè)定相應(yīng)的活度，以水分含量為縱軸、Aw為橫軸畫出曲線。二、MSI中的分區(qū)一般的MSI均可分為三個(gè)區(qū)，如下圖所示：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(duì)固體沒有顯著的增塑作用，可以簡(jiǎn)單的看作固體的一部分。第十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月要注意的是

8、，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。第十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月區(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、鄰近水以水溶質(zhì)、水水以氫鍵和締合作用被相對(duì)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

9、應(yīng)。第十四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月區(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/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(zhǎng)。第十五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 按照吸濕等溫線將食品中所含的水分作三個(gè)區(qū)，對(duì)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(duì)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

10、夠稍微改變?cè)瓉硭男再|(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)，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(duì)食品的穩(wěn)定起著重要的作用。第十六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月MSI上不同區(qū)水分特性第十七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月MSI與溫度的關(guān)系水分含量一定 T，AwAw一定 T，水分含量在不同溫度下馬鈴薯的水分吸著等溫線第十八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、滯后現(xiàn)象Hysteresis 1、定義：采用回吸(resorption)的方法繪制的MSI和按解吸(desorpt

11、ion)的方法繪制的MSI并不互相重疊的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。 在一指定的Aw時(shí)，解吸過程中試樣的水分含量大于回吸過程中的水分含量第十九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月高糖-高果膠食品空氣干燥蘋果總的滯后現(xiàn)象明顯滯后出現(xiàn)在真實(shí)單層水區(qū)域Aw0.65時(shí)，不存在滯后第二十張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月淀粉質(zhì)食品冷凍干燥大米存在大的滯后環(huán)Aw=0.70時(shí)最嚴(yán)重第二十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月高蛋白食品冷凍干燥熟豬肉Aw0.85開始出現(xiàn)滯后滯后不嚴(yán)重回吸和解吸等溫線均保持S形第二十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2、滯后現(xiàn)象產(chǎn)生的原因 （1）解吸過程中一

12、些水分與非水溶液成分作用而無法放出水分。 （2）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不同的蒸汽壓(要抽出需P內(nèi)P外， 要填滿則需P外 P內(nèi))。 （3）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，由此可導(dǎo)致回吸相同水分含量時(shí)處于較高的aw。第二十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.4 與水相關(guān)的食品學(xué)問題及相關(guān)技術(shù)原理2.4.1 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有密切的關(guān)系，因此食品的水分活度對(duì)食品的穩(wěn)定性產(chǎn)生著巨大的影響。第二十四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.4.2 水分活度與微生物生命活動(dòng)的關(guān)系食品

13、質(zhì)量及食品加工工藝的確定與微生物有密切的關(guān)系。而食品中微生物的存活及繁殖生長(zhǎng)與食品中水分的活度有密切的關(guān)系。下表列出了不同微生物生長(zhǎng)與食品水分活度的關(guān)系。第二十五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月A范圍在此范圍內(nèi)的最低Aw所能抑制的微生物種類在此水分活度范圍內(nèi)的食品1.000.950.950.910.910.870.870.800.800.750.750.650.650.6小于0.5 假單胞菌、大腸桿菌變形桿菌、志賀氏菌屬、克霍伯氏菌屬、芽孢桿菌、產(chǎn)氣莢膜梭狀芽孢桿菌、一些酵母沙門氏桿菌屬、溶副血紅蛋白弧菌、肉毒梭狀芽孢桿菌、沙雷氏桿菌、乳酸桿菌屬、足球菌、一些霉菌、酵母許多酵母、小球

14、菌大多數(shù)霉菌、金黃色葡萄球菌、大多數(shù)酵母菌屬大多數(shù)嗜鹽細(xì)菌、產(chǎn)真菌毒素的曲霉嗜旱霉菌、二孢酵母耐滲透壓酵母、少數(shù)霉菌微生物不增殖極易腐敗變質(zhì)（新鮮）的食品、罐頭水果、蔬菜、肉、魚及牛奶，熟香腸和面包，含有約40%(w/w)蔗糖或7%食鹽的食品一些干酪、腌制肉、一些水果汁濃縮物，含有55%蔗糖（飽和）或12%食鹽的食品發(fā)酵香腸、松蛋糕、干的干酪、人造奶油、含65%蔗糖（飽和或15%食鹽的食品大多數(shù)濃縮果汁、甜煉乳、巧克力糖漿、槭糖漿和水果糖漿，面粉，米，含有1517%水分的豆類食品水果蛋糕，家庭自制火腿等果醬、加柑橘皮絲的果凍、杏仁酥糖、糖漬水果、一些棉花糖含10%水分的燕麥片、砂性軟糖、棉花糖

15、等含1520%水的果干、蜂蜜等表2.1 食品中水分活度與微生物生長(zhǎng)第二十六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月由上表可以看出：a.不同種類的微生物其正常生長(zhǎng)繁殖所需要的水分活度不同，由此可以正確推斷影響不同含水量食品質(zhì)量的主要微生物；b.表中每一個(gè)水分活度區(qū)間的下限為相應(yīng)微生物正常生長(zhǎng)的水分活度閾值，即在此水分活度以下，該類微生物不能正常生長(zhǎng)。不同種類的微生物其存活和生長(zhǎng)與水分活度有關(guān)系，同一種類微生物在不同的生長(zhǎng)階段也要求不同的水分活度。一般講，細(xì)菌形成芽孢時(shí)比繁殖時(shí)所需的水分活度要高；產(chǎn)毒微生物在產(chǎn)生毒素時(shí)所需的水分活度高于不產(chǎn)毒時(shí)所需的水分活度。第二十七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于

16、2022年6月 由以上討論可以得出結(jié)論，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(zhǎng)、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常快速增殖，此時(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(yíng)養(yǎng)成分、氧氣等因素對(duì)于微生物的影響。第二十八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.4.3 水分活度與食品化學(xué)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

17、關(guān)系的一般規(guī)律總結(jié)如下：第二十九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月淀粉：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)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(shì)。第三十張，PPT共三

18、十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 其原因是在非常干燥的樣品中加入水會(huì)明顯干擾氧化，本質(zhì)是水與脂肪自由基氧化中形成的氫過氧化合物通過氫鍵結(jié)合，降低了氫過氧化活性，從而降低了脂肪氧化反應(yīng)的速度；從沒有水開始，隨著水量的增加，保護(hù)作用增強(qiáng)，因此氧化速度有一個(gè)降低的過程；除了水對(duì)氫過氧化物的保護(hù)作用外，水與金屬的結(jié)合還可使金屬離子對(duì)脂肪氧化反應(yīng)的催化作用降低。當(dāng)含水量超過、區(qū)交界時(shí)，較大量的水通過溶解作用可以有效地增加氧的含量，還可使脂肪分子通過溶脹而更加暴露；當(dāng)含水量到達(dá)區(qū)時(shí)，大量的水降低了反應(yīng)物和催化劑的濃度，氧化速度又有所降低。第三十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 褐變反應(yīng)是影響食品質(zhì)

19、量和外觀特性的重要的化學(xué)反應(yīng)，包括酶促褐變和非酶褐變兩類。酶促褐變是在酶作用下，食品中的酚類化合物發(fā)生特殊的氧化反應(yīng)使食品顏色變劣的過程。當(dāng)食品中的水分活度在0.250.30之間時(shí)，酶促褐變可被有效防止；但當(dāng)水分活度在此基礎(chǔ)上增加時(shí)，酶促反應(yīng)就會(huì)明顯發(fā)生。非酶褐變指食品通過一些非酶氧化而導(dǎo)致食品變色的反應(yīng)。也與水分活度有密切的關(guān)系，當(dāng)食品中的水分活度在0.60.7之間時(shí)，非酶褐變最為嚴(yán)重；水分活度下降，褐變速度減慢，在0.2以下時(shí)，褐變難以發(fā)生。但當(dāng)水分活度超過褐變高峰要求的值時(shí)，其褐變速度又由于體系中溶質(zhì)的減少而下降。第三十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月蛋白質(zhì)及酶：據(jù)測(cè)定，當(dāng)食品中的水分含量在2%以下時(shí)，可以有效的阻止蛋白質(zhì)的變性；而當(dāng)達(dá)到4%或其以上時(shí)，蛋白質(zhì)變性變得越來越容易。合物分解的水促使蛋白質(zhì)變性的原因是，水能使多孔蛋白質(zhì)潤(rùn)脹，暴露出長(zhǎng)鏈中可能被氧化的基團(tuán)，導(dǎo)致氧化反應(yīng)的發(fā)生，破壞保持蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的弱鍵，從而使蛋白質(zhì)變性。第三十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月水溶性色素：一般而言，當(dāng)食品中的水分