第二章 水-本科課件必修課-食品化學(xué)

第二章水第一節(jié)引言第二節(jié)食品中水的存在狀態(tài)第三節(jié)水分活度第四節(jié)吸濕等溫線第五節(jié)水分活度與食品的穩(wěn)定性第六節(jié)食品的凍結(jié)保藏

第二章水2.1.1引言

人體所必須的六大營(yíng)養(yǎng)元素包括：糖類，脂類，蛋白質(zhì)，維生素，礦物質(zhì)和水。雖然這些都是活生物體的生存所必須的，但水是食品中最重要的成分之一。食品品種不同，含水量差別很大。

2.1.2水在生物體內(nèi)的功能：(1)穩(wěn)定生物大分子（如：蛋白質(zhì)）的構(gòu)象，使之表現(xiàn)出特異的生物活性；(2)

作為體內(nèi)通用的介質(zhì)，使各類生物化學(xué)反應(yīng)得以順利進(jìn)行；(3)作為代謝所需的營(yíng)養(yǎng)成分和產(chǎn)生的廢物的輸送介質(zhì)；(4)由于水的熱容量大，可用來調(diào)節(jié)溫度、平衡溫度；(5)對(duì)體內(nèi)各運(yùn)動(dòng)部位起潤(rùn)滑作用。2.1.3水和冰的物理性質(zhì)問題：為什么食品冷凍的速率大于解凍的速率？2.1.4水的三態(tài)O是三相點(diǎn)（溫度為0.0098℃，壓力為611Pa）熔化熱：使冰融化為水所吸收的熱量稱為熔化熱汽化熱：使水汽化變?yōu)樗魵馑盏臒崃糠Q為汽化熱。潛熱：只使相態(tài)發(fā)生變化，而溫度沒有改變，所吸收的熱量稱為潛熱（如：熔化熱和汽化熱）顯熱：溫度發(fā)生改變，而相態(tài)沒有變化，所吸收的熱量稱為顯熱（如：比熱容）問題：在食品加工過程中，凍干的原理。

2.2結(jié)合水和自由水2.2.1結(jié)合水：定義：指食品中的非水分與水通過氫鍵結(jié)合的水。通常是指存在于溶質(zhì)或其他非水組分附近的那部分水，它與同一體系中的體系水比較，分子的運(yùn)動(dòng)減小，并且使水的其他性質(zhì)明顯改變。結(jié)合水的特點(diǎn)：（1）－40℃以上不能結(jié)冰；（2）結(jié)合水不能作溶劑；（3）不能被微生物所利用。單分子層水結(jié)合水多分子層水

單分子層水：與非水組分中的強(qiáng)極性基團(tuán)（如：羧基、氨基等）直接以氫鍵結(jié)合的第一個(gè)水分子層的水稱為單分子層結(jié)合水。

特點(diǎn)：氫鍵鍵能大，結(jié)合牢固，蒸發(fā)時(shí)比純水吸收較多的熱量，蒸發(fā)能力弱。一般情況下，單分子層結(jié)合水不易失去，可看成食品的一部分。這部分水的許多性質(zhì)遵守Langmuir吸附等溫式，又稱Langmuir水。單分子層水只占很小的比例，約占總水量的0.5%

多分子層結(jié)合水：在單分子層以外的幾個(gè)水分子層中所包含的水，以及與非水組分中弱極性基團(tuán)（如：酰胺）以氫鍵結(jié)合的水稱為多分子層結(jié)合水。特點(diǎn)：與單分子層水相比，多分子層水被束縛的強(qiáng)度稍弱一些，但與自由水相比，它與非水組分間的結(jié)合仍然顯著。單分子層水含量約小于總水量的5%

2.1.2自由水：定義:自由水是指存在于組織、細(xì)胞和細(xì)胞間隙中容易結(jié)冰的水。（1）毛細(xì)管水：動(dòng)植物體內(nèi)天然形成的毛細(xì)管是由親水物質(zhì)構(gòu)成的，毛細(xì)管內(nèi)徑很細(xì)，毛細(xì)管有較強(qiáng)的束縛水的能力，把保留在毛細(xì)管的水稱為毛細(xì)管水，屬于自由水。（φ＜0.1

μm的毛細(xì)管水可看成是結(jié)合水）（2）截留水：食品中被生物膜或凝膠內(nèi)大分子交聯(lián)成的網(wǎng)絡(luò)所截留的水稱為截留水。

自由水的特點(diǎn)：在－40℃以上可以結(jié)冰；在食品內(nèi)可以作為溶劑；可以以液體形式移動(dòng)，在氣候干燥時(shí)也可以以蒸汽形式逸出，使食品中含水量降低；在潮濕的環(huán)境中食品容易吸收一定量的水分造成含水量增加；微生物可以利用自由水繁殖，各種化學(xué)反應(yīng)也可以在其中進(jìn)行。問題：含水18%的果脯與含水18%的小麥比較，哪種耐儲(chǔ)藏？

2.3水分活度（wateractivity）

2.3.1定義

水分活度是指食品中水的蒸汽壓和該溫度下純水的飽和蒸汽壓的比值。

用公式表示為：aw

＝p/p0

aw

：水分活度；

p

：一定溫度下食品中水的蒸汽壓

po

：同溫度下純水的飽和蒸汽壓

水分活度的物理學(xué)意義：一個(gè)食物樣品中水蒸氣分壓p與同溫度下純水的飽和蒸汽分壓p0之比。也可以理解為食品中所含有的自由狀態(tài)的水分子數(shù)與純水在此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。所以說存在以下的關(guān)系：純水a(chǎn)w＝1，溶液aw

﹤1，

結(jié)合水↑aw

↓

(1).水分活度反映了食品中的水分存在形式和被微生物利用的程度。(2).水分活度是食品的內(nèi)在性質(zhì)，它取決于食品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成。2.3.2水分活度與物質(zhì)的量的關(guān)系拉烏爾（Raoult）定律：在一定溫度下，難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液的蒸汽壓下降與溶質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)成正比。即⊿P＝PO-P＝POPo純?nèi)軇┑恼羝麎篜

溶液的蒸汽壓n1、n2分別為溶劑和溶質(zhì)的物質(zhì)的量

n2n1+n2∵

aw=

P/Po∴1-aw=

1-P/Po=

（Po-P）/Po=⊿P/Po∴aw=1-⊿P/Po=

1-

==NN：溶劑（水）的物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)

n2n1+n2n1n1+n2根據(jù)溶液的依數(shù)性：難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液的沸點(diǎn)上升(⊿tb)

和凝固點(diǎn)(⊿tf

)下降與溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度成正比。即：⊿tb

=Kb.bB

⊿tf

=Kf

.bB

Kb為溶劑的沸點(diǎn)上升常數(shù)（Kb=0.512K.Kg/mol）

Kf

為溶劑的凝固點(diǎn)下降常數(shù)（Kf=1.86K.Kg/mol）

bB

溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度∵bB=n2/m1(n2為溶質(zhì)的物質(zhì)的量；m1為溶劑的質(zhì)量)∴bB=⊿tf

/Kf

=n2/m1∴n2=

由于食品的質(zhì)量單位是克數(shù)（g），所以公式可以表示為：n2=⊿tf.m1Kf⊿tf.m11000.Kf2.3.3水分活度與平衡相對(duì)濕度（ERH）的關(guān)系平衡相對(duì)濕度（Equilibriumrelativehumidity,ERH）的定義平衡相對(duì)濕度(ERH)是指吸濕物質(zhì)與周圍環(huán)境水汽交換達(dá)到平衡時(shí)的相對(duì)濕度，用100%表示。根據(jù)定義水分活度與平衡相對(duì)濕度的關(guān)系可以表示為：

aw=P/Po=

ERH100水分活度是食品內(nèi)在的性質(zhì)，與食品的組成、結(jié)構(gòu)有關(guān)；而平衡相對(duì)濕度則與食品平衡時(shí)大氣的性質(zhì)有關(guān)。食品與周圍大氣環(huán)境間的平衡需要一個(gè)時(shí)間過程，對(duì)于空間小的樣品可在一定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到這一平衡，而對(duì)于空間較大的樣品，要達(dá)到平衡幾乎是不可能的。2.3.4水分活度的測(cè)定方法冰點(diǎn)測(cè)定法

先測(cè)定樣品的冰點(diǎn)降低和含水量，然后根據(jù)公式代入計(jì)算。相對(duì)濕度傳感器法將樣品置于恒溫密閉的小容器中，使其達(dá)到平衡，然后用電子或濕度測(cè)量?jī)x測(cè)定環(huán)境空氣中的平衡相對(duì)濕度。恒定相對(duì)濕度平衡室法（擴(kuò)散法）將樣品置于一恒溫密閉的小容器中（分隔并相通的兩個(gè)小室），分別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：

aw=(Ax+By）/(x+y)

其中：Ax：活度低的鹽溶液的標(biāo)準(zhǔn)水分活度；

By：活度高的鹽溶液的標(biāo)準(zhǔn)水分活度；

x：使用B時(shí)樣品重量的凈增值；

y：使用A時(shí)樣品重量的凈減值；2.3.5水分活度與溫度關(guān)系在水分活度的表達(dá)式中，P、Po和ERH等都是溫度（T）的函數(shù)，因而水分活度也是溫度的函數(shù)。

⊿Go=-RT㏑KP∵KP=P/Po

∴⊿Go=-RT㏑KP=-RT㏑P/Po=-RT㏑aw

∵⊿Go=⊿H-T⊿S=-RT㏑aw∴㏑aw=-+⊿HRT⊿SRClausius-Clapeyron方程

=式中：T熱力學(xué)溫度（絕對(duì)溫度）；

R摩爾氣體常量

⊿H樣品中水分的等量?jī)粑綗?/p>

(純水的汽化潛熱)d㏑awd(1/T)-⊿H

Rlnaw

在較大的溫度范圍內(nèi)㏑aw和-1/T作圖并非始終是一直線；當(dāng)冰形成時(shí)，圖線出現(xiàn)明顯的折點(diǎn)，在冰點(diǎn)以下㏑aw隨-1/T的變化（斜率）明顯加大，并且不再受樣品中非水物質(zhì)的影響（？），見圖2-11

在冰點(diǎn)以下樣品的蒸汽分壓等于相同溫度下冰的蒸汽壓

aw=P/P0P0應(yīng)采用過冷純水的蒸汽壓，P為同溫度下冰的蒸汽壓。這時(shí)⊿H由水的汽化熱變?yōu)楸纳A熱（汽化熱：40.63KJ/mol；升華熱：50.91KJ/mol）㏑aw=-+⊿HRT⊿SR不能以冰點(diǎn)以上的aw值來正確預(yù)測(cè)體系中溶質(zhì)的種類和含量對(duì)冰點(diǎn)以下體系發(fā)生變化的影響同樣的aw值，冰點(diǎn)以上和以下對(duì)食品的影響完全不同2.4吸濕等溫線2.4.1定義和區(qū)域定義在恒定溫度下，食品的水分含量（每單位干物質(zhì)質(zhì)量中的水的質(zhì)量表示）與它的水分活度之間的關(guān)系圖稱為吸濕等溫線（Moisturesorptionisotherms,MSI）。

不同的食品其組成、質(zhì)構(gòu)不同，相同的含水量，其水分活度也不相同。區(qū)域根據(jù)水分含量和水分活度的關(guān)系，吸濕等溫線可分為三個(gè)區(qū)段進(jìn)行討論。Ⅰ區(qū)：aw

在0～0.25之間Ⅱ區(qū)：aw

在0.25～0.85之間Ⅲ區(qū)：aw

在0.85～0.99之間2.4.2滯后現(xiàn)象測(cè)定水加入：干燥食品的吸濕（吸附）等溫線；測(cè)定高水分食品脫水：解吸等溫線；二線不完全重合，顯示吸濕等溫線滯后環(huán)。這一吸濕（吸附）等溫線與解吸等溫線不完全重合的現(xiàn)象稱為吸濕等溫線的滯后現(xiàn)象。問題：1.吸濕等溫線和解吸等溫線的制作;2.滯后現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。水分含量相同時(shí)，對(duì)應(yīng)的Aw

，解吸

<回吸

原因：（1）解吸過程中一些水分與非水溶液成分作用而無法放出水分，所以相同的Aw，解吸的水分含量要高；（2）解吸作用時(shí)，因組織改變，當(dāng)再次吸水時(shí)無法緊密結(jié)合水，還未充分被食品組分束縛，沒有使食品完全“復(fù)原”

，導(dǎo)致回吸相同水分含量時(shí)處于較高的Aw。影響滯后環(huán)大小的因素:

（1）食品品種不同，滯后環(huán)不同

（2）同一食品，不同溫度，滯后環(huán)不同

（3）不同的解吸方法,滯后環(huán)也不同

2.4.3溫度對(duì)吸濕等溫線的影響

2.5水分活度與食品的穩(wěn)定性

2.5.1

水分活度對(duì)微生物生長(zhǎng)繁殖的影響：食品中各種微生物的生長(zhǎng)發(fā)育是由其水分活度而不是由其含水量決定的。食品的水分活度決定了微生物在食品中萌發(fā)的時(shí)間、生長(zhǎng)速率及死亡率。細(xì)菌對(duì)水分活度最敏感。aw﹤0.90時(shí)，細(xì)菌不能生長(zhǎng)；酵母菌次之，aw﹤0.87時(shí)大多數(shù)酵母菌受到抑制；霉菌的敏感性最差

aw﹤0.80時(shí)大多數(shù)霉菌不生長(zhǎng)。aw﹥0.91時(shí)，微生物變質(zhì)以細(xì)菌為主；aw﹤0.91時(shí)可抑制一般細(xì)菌的生長(zhǎng)。在食品原料中加入食鹽、糖后，水分活度下降，一般細(xì)菌不能生長(zhǎng)，但一種嗜鹽菌卻能生長(zhǎng)，就會(huì)造成食品的腐敗。有效抑制方法是在10℃以下的低溫中貯藏，以抑制這種嗜鹽菌的生長(zhǎng)。

毒菌生長(zhǎng)的最低水分活度在0.86－0.97。在真空包裝的水產(chǎn)和畜產(chǎn)加工制品，流通標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其水分活度要保持在0.94以下。2.5.2水分活度對(duì)酶促反應(yīng)的影響：水分活度aw﹤0.85時(shí)，導(dǎo)致食品原料腐敗的大部分酶會(huì)失去活性，一些生物化學(xué)反應(yīng)就不能進(jìn)行。酶的反應(yīng)速率還與酶能否與食品相互接觸有關(guān)。當(dāng)酶與食品相互接觸時(shí)，反應(yīng)速率較快；當(dāng)酶與食品相互隔離時(shí)，反應(yīng)速率較慢。

2.5.3水分活度對(duì)食品化學(xué)變化的影響

食品中存在著氧化，褐變等化學(xué)變化，食品采用熱處理的方法可以避免微生物腐敗的危險(xiǎn)，但化學(xué)變質(zhì)仍然不可避免。食品中化學(xué)反應(yīng)的速率與水分活度的關(guān)系是隨著食品的組成、物理狀態(tài)及其結(jié)構(gòu)而改變的，也受大氣組成(特別是氧的濃度)、溫度等因素的影響。

水分活度對(duì)脂肪氧化酸敗的影響：

水分活度↑，脂肪氧化酸敗↑。

aw為0.3－0.4時(shí)速率較慢；

aw﹥0.4時(shí)，氧在水中的溶解度增加，并使含脂食品膨脹，暴露了更多的易氧化部位，反應(yīng)加快；若再增加水分活度，又稀釋了反應(yīng)體系，反應(yīng)速率開始降低。

水分活度對(duì)美拉德反應(yīng)的影響：

aw在0.6－0.7時(shí)最容易發(fā)生，水分在一定范圍內(nèi)時(shí)，非酶褐變隨水分活度增加而增加。aw降到0.2以下，褐變難以進(jìn)行。aw大于褐變的高峰值，則因溶質(zhì)受到稀釋而速度減慢。

色素的穩(wěn)定與水分活度：

aw↑，花青素分解↑。2.5.4水分活度對(duì)食品質(zhì)構(gòu)的影響

aw從0.2－0.3增加到0.65時(shí)，大多數(shù)半干或干燥食品的硬度及黏性增加，各種脆性食品，必須在較低的aw下，才能保持其酥脆。aw控制在0.35－0.5可保持干燥食品理想性質(zhì)。

對(duì)于含水較多的食品，如凍布丁、蛋糕、面包等，它們的aw大于周圍空氣的相對(duì)濕度，保存時(shí)需要防止水分蒸發(fā)。通過食品的包裝創(chuàng)造適宜的小環(huán)境，盡可能達(dá)到不同食品對(duì)水分活度的要求。

2.5.5降低水分含量的方法定義：食品干燥是指將食品中的水不斷蒸發(fā)、不斷擴(kuò)散出去，而使食品水分含量降低。自然干燥：定義：食品的自然干燥是指充分利用自然界的能量除去食品中的水分。如利用日光曬干，利用風(fēng)進(jìn)行風(fēng)干。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)。不需要特殊設(shè)備，被廣泛使用。

缺點(diǎn)：所需時(shí)間長(zhǎng)，易發(fā)生變色、褪色、顯色、氧化以及由于酶的作用引發(fā)的各種生化反應(yīng)，食品的質(zhì)量往往受到影響。熱風(fēng)干燥：定義：人為的控制下除去食品中的水分。將食品放在金屬網(wǎng)或鋼制帶式運(yùn)輸機(jī)上，送入熱風(fēng)干燥室。優(yōu)點(diǎn)：可以使水分含量控制在一定范圍之內(nèi)，品質(zhì)基本保持一致。

真空干燥：在101.3kPa時(shí)，水在100℃沸騰；當(dāng)壓力降到2.33kPa時(shí)，水在20℃即可沸騰。因此適當(dāng)調(diào)節(jié)溫度和真空度，使食品中的水極易轉(zhuǎn)化為氣態(tài)逸出，能達(dá)到在較低溫度下迅速干燥食品的目的，并能獲得品質(zhì)優(yōu)良的食品。

噴霧干燥：應(yīng)用：對(duì)黏度大，易結(jié)塊的易吸濕的食品，如速溶咖啡，豆奶粉等食品，可以采取噴霧干燥法。

工序：液態(tài)食品→濃縮→加壓噴頭將其噴成微細(xì)的霧狀→與熱風(fēng)同時(shí)進(jìn)入干燥室→干燥優(yōu)點(diǎn)：有較大的表面積，溶解速度快，蛋白質(zhì)變性和褐變少

冷凍升華干燥：定義：將濕物料先凍結(jié)到冰點(diǎn)以下，使水分變成固體冰，然后在較高的真空度下將冰直接轉(zhuǎn)化為蒸汽而除去，物料即被干燥。

優(yōu)點(diǎn)：適用于熱敏性且易氧化的食品，可保持食品的色、香、味及Vc等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及原來的外形。缺點(diǎn)：易吸濕。降低Aw的方法在