水和冰 - 細(xì)胞生物學(xué)在線

水分生物體內(nèi)的水分含量通常占生物體重量的50～90％成年人體內(nèi)水分含量：58～67％；人體中水分含量隨年齡增大而減少；在體內(nèi)分布亦不均衡。植物體內(nèi)水分含量與分布也因植物種類、部位、發(fā)育狀況而異，變化很大人體內(nèi)水的分布含水量：隨年齡、性別不同而有差異新生兒：75～80％；成年男子：60％；成年女子：50～55％；老年人：40～50％各組織器官的含水量（％）組織器官含水量血液91～92腦70～85肌肉72～80脂肪組織10.0飲料中所含成分（100g可食部計(jì)）飲料名稱水分能量（kcal）蛋白質(zhì)脂肪碳水化合物可口可樂89.1430.1010.8蘋果汁飲料86.7540.10.312.8蘋果果肉飲料87.3440.10.412.1橙汁飲料88.2460.5011.0牛奶86.9693.43.95.1牛奶（巧克力）84.4742.32.89.9酸乳飲料87.8541.11.39.4杏仁露90.3490.72.16.8蔬菜、水果中的含水量（100g可食部計(jì)）食物名稱含水量食物名稱含水量食物名稱含水量白蘿卜94.8冬瓜96.9芹菜95.4胡蘿卜90.0黃瓜96.0生菜96.7黃豆芽89.8南瓜88.8草莓91.3綠豆芽95.3絲瓜94.1鴨梨88.3茄子（紫、長）93.4辣椒（青、尖）93.4蘋果85.9番茄95.2甜椒94.6葡萄88.7櫻桃番茄92.5娃娃菜95.0香蕉75.8西蘭花91.6油菜95.6冬棗69.5花菜93.2大白菜95.6西瓜92.1本章主要內(nèi)容水和冰的物理特性及其在食品中的應(yīng)用水和冰的結(jié)構(gòu)水與溶質(zhì)的相互作用及水分的存在狀態(tài)水分活度與水分的吸著等溫線水分活度與食品穩(wěn)定性冰在食品穩(wěn)定中的作用水與冰的物理特性水的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較高介電常數(shù)、表面張力、熱容和相變熱高黏度低、密度與溫度密切相關(guān)：水結(jié)冰時(shí)體積增加，表現(xiàn)出異常的膨脹特性導(dǎo)熱性：通常用導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散系數(shù)表示；冰的導(dǎo)熱性優(yōu)于水水的物理性質(zhì)在食品加工中的作用水分子極性大，分子小，能使許多食品成分分子表面帶有水膜水是食品加工中優(yōu)良的熱介質(zhì)水的沸點(diǎn)高，且沸點(diǎn)隨壓力而變水的熱容大，載熱能力強(qiáng)（尤其水蒸氣）水的溶解能力強(qiáng)水分子的結(jié)構(gòu)水分子的締合水分子的締合水分子的締合

水締合體的氫鍵結(jié)合程度受多重因素影響：其中重要的是溫度和其它溶質(zhì)的影響。溫度決定：分子間距離配位數(shù)水和冰的結(jié)構(gòu)冰的結(jié)構(gòu)水和冰的結(jié)構(gòu)液態(tài)水的結(jié)構(gòu)和冰的結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于它們的配位數(shù)和兩個(gè)水分子間的距離。水與冰結(jié)構(gòu)中水分子之間的配位數(shù)和距離0℃（冰）1.5℃83℃配位數(shù)44.44.9H—O…H距離0.276nm0.29nm0.305nm水與溶質(zhì)的相互作用水與溶質(zhì)的相互作用*水與離子和離子基團(tuán)的相互作用*水與具有氫鍵鍵合能力的中性基團(tuán)的相互作用*水與非極性物質(zhì)的相互作用

食品中水分的存在狀態(tài)

水與離子和離子基團(tuán)的相互作用離子或離子基團(tuán)通過自身的電荷與水分子偶極產(chǎn)生相互作用，稱為離子的水合作用。水合使離子轉(zhuǎn)變?yōu)樗想x子，離子的性質(zhì)就發(fā)生了一定變化。水與離子和離子基團(tuán)的相互作用水分子同Na+的水和作用能約83.68kJ.mol-1，是水分子之間氫鍵結(jié)合能的4倍。水與離子和離子基團(tuán)的相互作用離子結(jié)構(gòu)：半徑大、電場(chǎng)強(qiáng)度弱的離子→與水作用力較弱→水化膜較薄半徑小、電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)的離子→與水作用力較強(qiáng)→水化膜較厚水分子結(jié)構(gòu)：半徑大、電場(chǎng)強(qiáng)度弱的離子→與水作用力較弱→破壞水的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)半徑小、電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)的離子→與水作用力較強(qiáng)→使水的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更趨緊密水與具有氫鍵鍵合能力的基團(tuán)的相互作用水與溶質(zhì)之間的氫鍵鍵合比水與離子之間的相互作用弱，與水分子間的氫鍵相近。當(dāng)體系中添加具有氫鍵鍵合能力的溶質(zhì)時(shí)，每摩爾溶液中的氫鍵總數(shù)不會(huì)明顯的改變。如果與溶質(zhì)形成的氫鍵部位的分布和定向在幾何上與正常水的氫鍵部位是不相容的，具有結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)。水與具有氫鍵鍵合能力的基團(tuán)的相互作用生物大分子中有許多可與水分子形成氫鍵的基團(tuán)，水分子介入形成的氫鍵對(duì)生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能及食品功能性都有重要的影響。在生物大分子的兩個(gè)部位或兩個(gè)大分子之間可形成有幾個(gè)水分子所構(gòu)成的“水橋”。大分子中存在的“水橋”水與非極性基團(tuán)的相互作用非極性基團(tuán)的物質(zhì)——疏水物質(zhì)疏水基團(tuán)與鄰近的水分子僅產(chǎn)生微弱的相互作用——相互排斥，鄰近疏水基團(tuán)的水比純水的結(jié)構(gòu)更為有序——疏水水合作用。疏水水合產(chǎn)生兩個(gè)結(jié)果：籠形水合物蛋白質(zhì)中的疏水相互作用水與非極性物質(zhì)的相互作用非極性物質(zhì)能和水形成籠形水合物：水是這類化合物的“宿主”，它們靠氫鍵鍵合形成象籠一樣的結(jié)構(gòu)，通過物理方式將非極性物質(zhì)截留在籠中，被截留的物質(zhì)稱為“客體”。為使疏水水合這種作用的熱力學(xué)不利變化降到最小，疏水基團(tuán)盡可能相互聚集，使其同水分子接觸的機(jī)會(huì)降至最低限度——疏水相互作用。

疏水水合作用的結(jié)果是促進(jìn)了非極性物質(zhì)之間的締合，從而減少水與非極物質(zhì)的界面面積，這是一個(gè)熱力學(xué)上有利的過程（△G<0），此過程稱為疏水相互作用疏水相互作用示意圖（A）（B）BA疏水水合疏水相互作用疏水相互作用是蛋白質(zhì)折疊的主要驅(qū)動(dòng)力水與溶質(zhì)的相互作用水—溶質(zhì)的相互作用分類種類實(shí)例相互作用的強(qiáng)度（與H2O—H2O氫鍵比較）偶極—離子H2O—游離離子較強(qiáng)H2O—有機(jī)分子中的帶電基團(tuán)偶極—偶極/氫鍵H2O—蛋白質(zhì)NH接近或相等H2O—蛋白質(zhì)CO蛋白質(zhì)側(cè)鏈OH疏水水合H2O＋R→R（水合）遠(yuǎn)小于（ΔG＞0）疏水相互作用R(水合)＋R（水合）→R2（水合）＋H2O不可比較（ΔG＜0）食品中不同狀態(tài)水的性質(zhì)比較結(jié)合水游離水（體相水）一般描述存在于溶質(zhì)或其他非水成分附近的那部分水，它包括化合水、鄰近水及幾乎全部的多層水。距離非水成分位置最遠(yuǎn)，主要以水-水氫鍵存在。冰點(diǎn)（與純水比較）冰點(diǎn)下降至-40℃都不結(jié)冰能結(jié)冰，冰點(diǎn)略有下降溶解溶質(zhì)的能力無有平動(dòng)運(yùn)動(dòng)（分子水平）與純水比較大大降低，甚至無變化較小蒸發(fā)焓（與純水比較）增大基本無變化在高水分食品（90%H2O或9gH2O/g干物質(zhì)）中占總水分含量的%＜0.03~3約96食品中水分的存在狀態(tài)食品中水分的存在狀態(tài)食品中水的存在形式結(jié)合水：一般包括化合水、鄰近水及幾乎全部多層水?；纤ńM成水、構(gòu)成水）：與非水物質(zhì)結(jié)合最強(qiáng)的，并作為非水組份整體部分的水。鄰近水：與非水組分的特異親水位置通過水－離子和水－偶極間的締合產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用的水。多層水：在鄰近水外層通過水－水和水－溶質(zhì)間的氫鍵與非水組份緊密結(jié)合的水。食品中水的存在形式游離水（體相水）：占據(jù)著與非水組份相距很遠(yuǎn)位置的水；它們具有與稀溶液中的水相似的性質(zhì)。持水力（持水容量）：通常用來描述分子（一般是指低濃度存在的大分子化合物）構(gòu)成的基體通過物理方式截留大量水，阻止水滲出的能力。持水力的變化對(duì)食品品質(zhì)影響極大食品中水的存在形式分類特征典型食品中比例結(jié)合水化合水食品非水成分的組成部分＜0.03%單層水與非水成分的親水基團(tuán)強(qiáng)烈作用形成單分子層；水-離子以及水-偶極結(jié)合0.1~0.9%多層水在親水基團(tuán)外形成另外的分子層；水-水及水-溶質(zhì)結(jié)合1~5%游離水自由流動(dòng)水自由流動(dòng)，性質(zhì)同稀的鹽溶液；水-水結(jié)合為主5~96%滯化水、毛細(xì)管水容納于凝膠或基質(zhì)中，水不能流動(dòng)，性質(zhì)同自由流動(dòng)水5~96%水分活度水分活度的定義：

aw

＝

f／fo

≈p/po

≈ERH/100

水分活度是樣品固有的一種性質(zhì)；平衡相對(duì)濕度（ERH）是空氣與樣品中的水蒸汽達(dá)到平衡時(shí)大氣所具有的一種特性。水分活度隨溫度而變。一般：溫度每變化10℃，aw變化0.03～0.2。水分活度與產(chǎn)品的種類（食品中的組分）有關(guān)。水分活度與食品水分含量的關(guān)系食品中水分活度與食品水分含量是兩個(gè)不同的概念。食品含水量食品含水量食品含水量菠蘿0.28干淀粉0.13魚肉0.21蘋果0.34干馬鈴薯0.15雞肉0.18香蕉0.25大豆0.10

aw=0.7時(shí)若干食品中的含水量（g水/g干物質(zhì)）水分活度高于和低于凍結(jié)溫度的水活性的三個(gè)重要區(qū)別：凍結(jié)溫度以上，aw是樣品組分和溫度的函數(shù)，前者是主要的因素；但在凍結(jié)溫度以下時(shí)，aw與樣品中的組分無關(guān)，只取決于溫度。凍結(jié)溫度以上和凍結(jié)溫度以下水分活度對(duì)食品穩(wěn)定性的影響是不同的。低于凍結(jié)溫度時(shí)的aw不能用來預(yù)測(cè)凍結(jié)溫度以上的同一食品的aw。水分活度水分活度的測(cè)定方法：水分活度儀測(cè)定恒定相對(duì)濕度平衡室法化學(xué)法相對(duì)濕度傳感器測(cè)定法冰點(diǎn)測(cè)定法水分吸著等溫線水分吸著等溫線：又稱水分吸附等溫線，指在恒定溫度下，食品水分含量（用每單位干物質(zhì)質(zhì)量中水的質(zhì)量表示）與水分活度的關(guān)系曲線圖，簡(jiǎn)稱MSI。水分吸著等溫線吸附等溫線的分區(qū)等溫線區(qū)Ⅰ中的水：食品中吸附最牢固和最不容易移動(dòng)的水，靠水－離子或水－偶極相互作用吸附在極性部位。在區(qū)間Ⅰ的高水分末端位置的水相當(dāng)于食品的“BET單分子層”水含量，它相當(dāng)于與干物質(zhì)牢固結(jié)合的最大數(shù)量的水。等溫線區(qū)Ⅱ中的水：多分子層水，主要靠水－水和水－溶質(zhì)的氫鍵鍵合作用與鄰近的分子締合。向含有相當(dāng)于區(qū)間Ⅰ和區(qū)間Ⅱ邊界位置水含量的食品中增加水，所增加的水將會(huì)使溶解過程開始，并且具有增塑劑和促進(jìn)基質(zhì)溶脹的作用。由于溶解作用的開始，引起體系中反應(yīng)物移動(dòng)，使大多數(shù)反應(yīng)的速率加快。吸附等溫線的分區(qū)吸附等溫線的分區(qū)等溫線區(qū)Ⅲ中的水：是食品中結(jié)合最不牢固和最容易流動(dòng)的水，即游離水。在凝膠和細(xì)胞體系中，因?yàn)轶w相水以物理方式被截留，所以宏觀流動(dòng)性受到阻礙，但它與稀鹽溶液中水的性質(zhì)相似；這部分水既可以結(jié)冰也可以作為溶劑，并且還有利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行和微生物的生長。水分吸著等溫線與溫度的關(guān)系：一定的水分含量時(shí)，水活性隨溫度的上升而增大。滯后現(xiàn)象：采用向干燥樣品中添加水（回吸作用）的方法繪制水分吸著等溫線和按除去水（解吸）過程繪制的等溫線并不重疊，這種不重疊性稱為滯后現(xiàn)象。

滯后作用的大小、曲線的形狀和滯后回線的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)都不相同，它們?nèi)Q于食品的性質(zhì)和食品除去或添加水份時(shí)所發(fā)生的物理變化，以及溫度、解吸速率和解吸時(shí)的脫水程度等多種因素。水分活度與食品的穩(wěn)定性低于結(jié)冰溫度時(shí)冰對(duì)食品穩(wěn)定性的影響

食品中的水結(jié)冰時(shí)出現(xiàn)的兩個(gè)不利后果：水結(jié)冰后，食品中非水組份的濃度將比冷凍前變大——冷凍濃縮效應(yīng)水結(jié)冰后，體積比結(jié)冰前增加9％

冷凍對(duì)食品穩(wěn)定性的有利方面：低溫下微生物的繁殖被抑制溫度降低，大部分化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率降低冰的凍結(jié)規(guī)律純水的凍結(jié)曲線蔗糖溶液的凍結(jié)曲線不同凍結(jié)速率的食品物料的凍結(jié)曲線冰的凍結(jié)規(guī)律過冷狀態(tài)、晶核食品中含有一定水溶性成分，使食品的結(jié)冰溫度（凍結(jié)點(diǎn)）降低；隨著凍結(jié)量的增加，凍結(jié)點(diǎn)持續(xù)下降到更低，直到食品內(nèi)溶液濃度增加到一定濃度后不再改變。低共熔點(diǎn)：水和其溶解物開始共同向固體轉(zhuǎn)化的溫度。約：－55℃～－65℃－18℃：食品中絕大部分水已凍結(jié)－1℃～－4℃：完成大部分冰的形成過程冰的凍結(jié)規(guī)律冰有11種結(jié)構(gòu)，在常壓和0℃時(shí)，只有普通正六方晶系是穩(wěn)定