水分和水分活度的測定

水分和水分活度的測定（第9次課2學(xué)時）一、授課題目第五章水分和水分活度的測定二、教學(xué)目的和要求學(xué)習(xí)本次內(nèi)容，要求學(xué)生了解水分測定的意義，掌握水分測定的方法，了解水分活度測定的意義。三、教學(xué)重點和難點重點：1、什么是結(jié)合水？什么是自由水？2、水分的測定方法。1、穆華榮、于淑萍主編，食品分析.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20042、周光理主編，食品分析與檢驗技術(shù)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20063、楊月欣主編，實用食物營養(yǎng)成分分心手冊（第二版），北京：中國輕工業(yè)出版社，20074、曲祖乙、劉靖主編，食品分析與檢驗.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2006五、教學(xué)過程1、 學(xué)時分配：2學(xué)時2、 輔導(dǎo)手段：自習(xí)輔導(dǎo)、習(xí)題輔導(dǎo)3、教學(xué)辦法：課堂討論、講授4、板書設(shè)計：第一節(jié)概述第五章水分和水分活度的測定三、卡爾?費(fèi)休法（KarlFicher）l、原理2、適用范圍3、主要儀器：4、試劑：5、測定注意：四、其它測定水分方法1、介電容量法2、電導(dǎo)率法3、紅外吸收光譜法4、折光法5、其他方法⑴化學(xué)干燥法⑵氣相色譜法⑶微波法疑難字詞一、食品中水分的存在形式（三）減壓干燥法二、水分的測定方法1、直接法2、間接法三、水分的測定的意義第二節(jié)水分的測定一、干燥法（一） 干燥法的注意事項1、干燥法的前提條件2、操作條件的選擇：（二） 直接干燥法（常壓干燥法）1、原理：2、適用范圍：3、樣品的制備、測定及結(jié)果計算1、原理：2、適用范圍3、儀器及裝置（四）紅外干燥法1、原理：2、裝置3、操作方法二、蒸餾法（應(yīng)用廣泛的為共沸蒸餾）1、原理：2、特點和使用范圍3、儀器4、操作方法5、操作注意事項5、教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)概述水的作用：沒有水就沒有生命，食品組成離不開水。一、食品中水分的存在形式根據(jù)水在食品中所處的狀態(tài)不同以及與非水組分結(jié)合強(qiáng)弱的不同，可以把食品中的水劃分為以下三類：1、 自由水（游離水）一一是靠分子間力形成的吸附水。它是以溶液狀態(tài)存在的水分，它保持著水本身的物理性質(zhì)，在被截留的區(qū)域內(nèi)可以自由流動。2、 親和水一一強(qiáng)極性基團(tuán)單分子外的水分子層。它向外蒸發(fā)的能力較弱，與自由水相比，蒸發(fā)時吸收較多的能量。3、 結(jié)合水（束縛水）一一以氫鍵結(jié)合的水，是食品中與非水組分結(jié)合最牢固的水。如葡萄糖、麥芽糖、乳糖的結(jié)晶水以及與食品中的蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素、果膠物質(zhì)中的羧基、氨基、羥基、巰基通過氫鍵結(jié)合的水。結(jié)合水的冰點為-40°C，它與非水組分之間配價鍵的結(jié)合力比親合水與非水組分間的結(jié)合力大得多，很難用蒸發(fā)的方法排除出去。結(jié)合水在食品內(nèi)部不能作為溶劑，微生物及其孢子不能利用它來進(jìn)行繁殖和發(fā)芽。食品中的固形物一一指食品內(nèi)將水分排除后的全部殘留物，包括蛋白質(zhì)、脂肪、粗纖維、無氮抽出物、灰分等。固形物（%）=100%一水份（%）二、水分的測定方法1、 直接法一一利用水分本身的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)測定水分：重量法、蒸餾法、卡爾?費(fèi)休法、化學(xué)方法。2、 間接法一一利用食品的物理常數(shù)通過函數(shù)關(guān)系確定水分含量。如測相對密度、折射率、電導(dǎo)、旋光率等。直接法比間接法準(zhǔn)確度高。三、水分的測定的意義水分是影響食品質(zhì)量的因素，對于食品分析來說，水分含量的測定是最基本、最重要的方法之一。1、 水分含量是產(chǎn)品的一個質(zhì)量因素。果醬和果凍：要防止糖結(jié)晶，必須要控制水分含量；水果硬糖：水分含量一般控制在3%以下，但過低會出現(xiàn)返砂甚至返潮現(xiàn)象；新鮮面包：水分含量若低于28%-30%，則其外形干癟，沒有光澤。2、 有些產(chǎn)品的水分含量（或固形物含量）通常有專門的規(guī)定。為了使產(chǎn)品達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，有必要通過水分檢測來更好地控制水分含量。3、水分含量在食品保藏中也是一個關(guān)鍵因素，可以直接影響一些產(chǎn)品，這就需要通過檢測水分來調(diào)節(jié)控制食品中的水分含量。4、食品營養(yǎng)價值的計量值要求列出水分含量。5、 水分含量數(shù)據(jù)可用于表示樣品在同一計量基礎(chǔ)上其他分析的測定結(jié)果。6、 生產(chǎn)原料中水分含量的高低，對于它們的品質(zhì)和保存、成本核算、提高工廠的經(jīng)濟(jì)效益等均具有重大意義。第二節(jié)水分的測定一、干燥法以原樣重量-干燥后重量二水分重量（一）干燥法的注意事項1、干燥法的前提條件樣品本身要符合三項條件（50頁下部）水分是唯一的揮發(fā)的物質(zhì)，不含或含其它揮發(fā)性成分極微。水分的排除情況很完全，即含膠態(tài)物質(zhì)、含結(jié)合水量少。因為常壓很難把結(jié)合水除去，只好用真空干燥除去結(jié)合水。食品中其他組分在加熱過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的重量變化非常小，可忽略不計，對熱穩(wěn)定的食品。2、操作條件的選擇：（1）稱量瓶的選擇（鋁制、玻璃）玻璃稱量瓶一一能耐酸堿，不受樣品性質(zhì)的限制，常用于常壓干燥法。鋁制稱量瓶一一質(zhì)量輕，導(dǎo)熱性強(qiáng)，但對酸性食品不適宜，常用于減壓干燥法或原糧水分的測定。選擇稱量瓶的大小要合適，一般樣品＞1/3高度。稱量瓶放入烘箱內(nèi)，蓋子應(yīng)該打開，斜放在旁邊，取出時先蓋好蓋子，用紙條取，放入干燥器內(nèi)，冷卻后稱重。⑵稱樣量樣品一般控制在干燥后的殘留物為1.5?3克；固態(tài)、濃稠態(tài)樣品控制在3?5克；含水分較高的樣品控制在15?20克；⑶干燥設(shè)備①烘箱在進(jìn)行烘箱干燥時，除了使用特定的溫度和時間條件外，還應(yīng)考慮由于不同類型的烘箱而引起的溫差變化。a、空氣流動的方式：對流式、強(qiáng)力循環(huán)通風(fēng)式。前者溫度上升比較慢，溫差最大可達(dá)10°C，若要得到較高的準(zhǔn)確度和精密度的數(shù)據(jù)，對流烘箱就顯得不適用了；后者的溫差是所有烘箱中最小的，通常不超過1C，其箱內(nèi)空氣由風(fēng)扇強(qiáng)制在烘箱內(nèi)作循環(huán)運(yùn)動°b、烘箱內(nèi)壓力：普通；真空②干燥器水分測定過程中干燥器作用：防止烘干的物料返潮；將稱量瓶降溫，便于操作。⑷干燥條件1）干燥溫度：①一般是95?105C。②對含還原糖較多的食品應(yīng)先低溫（50?60C）干燥0.5小時，然后再195?105C干燥。③對熱穩(wěn)定的谷物可用120?130C干燥。對于脂肪高的樣品，后一次重量可能高于前一次（由于脂肪氧化），應(yīng)用前一次的數(shù)據(jù)計算。2）干燥時間：恒重 最后兩次重量之差V2mg，基本保證水分蒸發(fā)完全。規(guī)定時間——根據(jù)經(jīng)驗，準(zhǔn)確度要求不高的。3）易形成硬皮或結(jié)塊的物料的處理對于易結(jié)塊或形成硬皮的樣品要加入定量的海砂。作用為：防止表面硬皮的形成；使樣品分散，減少樣品水分蒸發(fā)的障礙。海砂的量依樣品量定，一般每3g樣品加入20-30g的海砂可以使其充分地分散。（二）直接干燥法（常壓干燥法）1、原理：在一定的溫度（95?105°C）和壓力（常壓）下，將樣品在烘箱中加熱干燥，除去水分，干燥前后樣品的質(zhì)量之差為樣品的水分含量。2、適用范圍：適用于95?105C下，不含或含其他揮發(fā)性物質(zhì)甚微且對熱穩(wěn)定的食品。3、樣品的制備、測定及結(jié)果計算⑴樣品的預(yù)處理（對分析結(jié)果影響較大）a、采集，處理，保存過程中，要防止組分發(fā)生變化，特別要防止水分的丟失或受潮。b、固體樣品要磨碎（粉碎），谷類達(dá)18目，其他30?40目。如：面包、餅干、乳粉、飼料、糧谷類、大豆。樣品制備：磨碎一過篩（20-40目篩）f混勻（1） 一般水分含量在14%（安全水分）以下，在實驗室條件下進(jìn)行粉碎過篩等處理，水分含量一般不會發(fā)生變化，但動作要迅速，制備好的樣品存于干燥的磨口瓶中備用。（2） 水分含量N16%如面包：可采用二步干燥法。關(guān)鍵點：在磨碎過程中，要防止樣品水分含量變化。c、液態(tài)樣品：需經(jīng)低溫濃縮后，再進(jìn)行高溫干燥。（原因直接置于高溫下加熱，會因沸騰而造成樣品損失。）加入海砂的目的：由于干燥后固形物含量較少，可先稱適量的海砂，用小玻棒與之一同攪拌，放在沸水浴上蒸干然后帶上小玻棒，放入干燥箱中干燥4小時。d、濃稠液體(糖漿、煉乳等)：加水稀釋，最后要把加入的水除去；加入精制海砂或無水硫酸鈉，攪拌均勻以增大蒸發(fā)面積。如何制備海砂：海砂可購買也可自己制備。取用水洗去泥土的海砂或河砂，先用6MHCl煮沸半小時，用水洗至中性，再用6MNaOH煮沸半小時，用水洗到中性，經(jīng)105°C干燥備用。濃稠樣品直接加熱，其表面易結(jié)硬殼焦化，使內(nèi)部水分蒸發(fā)受阻，加入精制海砂或無水NaSO4,攪拌均勻，以增大蒸發(fā)面積。實驗前準(zhǔn)備：取潔凈的蒸發(fā)皿，內(nèi)加10.0g海砂及一根小玻棒，置于95-105C干燥箱中，干燥0.5-1小時，放入干燥器內(nèi)冷卻0.5小時(冷卻至室溫)后稱量測定：稱取樣品5-10g于蒸發(fā)皿中，攪拌均勻后，…以下同固體樣品。e、含水量＞16%的谷類食品，采用兩步干燥法。如面包，切成薄片，自然風(fēng)干15~20h，再稱量，磨碎，過篩，烘干(2)常壓干燥法操作過程：烘箱預(yù)熱一稱量瓶恒重m3—準(zhǔn)確稱樣+稱量瓶重m1-干燥1h-冷卻30minf稱量f干燥1hf冷卻30minf稱量f反復(fù)至恒重準(zhǔn)確稱樣+稱量皿重m2(3)水分的計算：水分%=(m1-m2)/(m1-m3)某100%4、說明及注意事項①水果、蔬菜樣品，應(yīng)先洗去泥沙后，再用蒸餾水沖洗一次，然后用潔凈紗布吸干表面的水分。②在測定過程中，稱量皿從烘箱中取出后，應(yīng)迅速放入干燥器中進(jìn)行冷卻，否則，不易達(dá)到恒重。（三）減壓干燥法1、原理：利用水的沸點隨PI的原理，將樣品稱量后放入真空干燥箱內(nèi)，在選定的真空度與加熱溫度下干燥至恒重，干燥后樣品所失去的質(zhì)量百分比即為水分含量。2、適用范圍：在100°C以上加熱容易變質(zhì)及含有不易除去的結(jié)合水的食品。如糖漿、果糖、味精、高脂肪的食品、果蔬及果蔬制品。因為這些樣品在高溫下（〉70C）長時間加熱，樣品中的果糖會發(fā)生氧化分解作用而導(dǎo)致明顯誤差。如蜂皇漿的干燥條件:70C，真空度2.7-4KPa（20-30mmHg），干燥4h3、儀器及裝置真空烘箱（帶真空泵、干燥瓶、安全瓶）。在用減壓干燥法測水分含量時，為了除去烘干過程中樣品蒸發(fā)出來的水分以及烘箱恢復(fù)常壓時空氣中的水分，整套儀器設(shè)備除用一個真空烘箱（帶真空泵）外，還連接了幾個干燥瓶和一個安全瓶，設(shè)備流程如圖真空泵（抽氣用，降低烘箱內(nèi)壓力）；安全瓶（調(diào)節(jié)烘箱內(nèi)外氣壓平衡起緩沖作用，防止固體顆粒吸入真空泵）；干燥瓶（內(nèi)裝硅膠起吸收水分的作用，內(nèi)裝苛性鈉起吸收酸氣的作用）；真空烘箱（烘干樣品）4、操作：準(zhǔn)確稱取樣品于已烘干至恒重的稱量皿中，放入真空烘箱內(nèi)，按圖所示流程連接好全套裝置后，打開真空泵抽出烘箱內(nèi)空氣至所需壓力40-53.3KP（300-00mmHg）（如烘箱密封的好，要重新緊一次門的開關(guān)螺栓），并同時加熱至所需溫度（50-60°C）。關(guān)閉真空泵上的活塞，停止抽氣，使烘箱內(nèi)保持一定的溫度和壓力，經(jīng)一定時間后，打開活塞使空氣經(jīng)干燥瓶緩緩進(jìn)入烘箱內(nèi)，待壓力恢復(fù)正常后，再打開烘箱取出稱量皿，放入干燥器中冷卻0.5小時后稱量。并重復(fù)以上操作至恒重。5、說明及注意事項真空烘箱內(nèi)各部位溫度要求均勻一致，若干燥時間短時，更應(yīng)嚴(yán)格控制.第一次使用的鋁質(zhì)稱量盒要反復(fù)烘干二次，每次置于調(diào)節(jié)到規(guī)定溫度的烘箱內(nèi)烘1~2小時，然后移至干燥器內(nèi)冷卻45分鐘，稱重（精確到0.1mg），求出恒重.第二次以后使用時，通常采用前移次的恒重值.試樣為谷粒時,入小心使用可重復(fù)20~30次而恒重值不變.③由于直讀天平與被測量物之間的溫度差會引起明顯的誤差，故在操作中應(yīng)力求被稱量物與天平的溫度相同后再稱重，一般冷卻時間在0.5~1小時內(nèi).④減壓干燥時，自烘箱內(nèi)部壓力降至規(guī)定真空度時起計算烘干時間，一般每次烘干時間為2小時，但有的樣品需5小時；恒重一般以減量不超過0.5mg時為標(biāo)準(zhǔn)，但對受熱后易分解的樣品則可以不超過1~3mg的減量值為恒重標(biāo)準(zhǔn)。（四）紅外干燥法（60頁）1、原理：以紅外線燈管做為熱源（700?300000nm波長），利用紅外線的輻射熱加熱試樣，高效快速的使水分蒸發(fā)，據(jù)干燥前后的失重即可求出樣品的水分。集烘箱于天平為一體。2、裝置MA30水分測定儀（德），樣品最大為30g。SCT—3A快速水分測定儀（中），樣品最大量為100g°3、操作方法特點：測定水分快速，簡便，但其精密度較差，當(dāng)樣品份數(shù)較多時，效率反而降低。奶粉水分測定：幾分鐘完成。干燥法產(chǎn)生誤差的原因：樣品水分含量較高，干燥溫度也較高時，有些樣品可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使水分無形損失。為了避免這種現(xiàn)象。可先在低溫條件下加熱，其后在某一指定溫度下繼續(xù)完成干燥。糖分，特別是果糖，對熱很不穩(wěn)定。一般都采用真空烘箱法。其他原因有：樣品中含有水分以外的其他易揮發(fā)物，如乙醇，醋酸；樣品中含有雙鍵或其他易于氧化的基團(tuán)，如飽和脂肪酸，酚類等，使殘留物增重，水分含量偏低。二、蒸餾法（應(yīng)用廣泛的為共沸蒸餾）1、原理:兩種互不相溶的液體，二元體系的沸點低于其中各組份分沸點，將食品中的水分與有機(jī)溶劑如甲苯、苯、二甲苯等，共沸蒸出，冷凝并收集餾出液，由于水與其他組分密度不同，餾出液在有刻度的接收管中分層，根據(jù)水的體積計算水分含量。例：有關(guān)沸點：水——100°C苯——80.2°C水+苯——69.25°C有關(guān)相對密度：（20/4）:d水=1.00000d苯=0.87900d甲苯=0.866942、特點和使用范圍此法為一種高效的換熱方法，水分可以被迅速的移去，加熱溫度比直接干燥法低；而且避免了揮發(fā)性物質(zhì)減少的質(zhì)量以及脂肪氧化對水分測定造成的誤差。另外是在密閉的容器中進(jìn)行的，設(shè)備簡單，操作方便，廣泛用于各類果蔬、油類等多種樣品的水分的測定。特別是香料，此法是唯一公認(rèn)的水分含量的標(biāo)準(zhǔn)分析方法。3、儀器4、 操作方法準(zhǔn)確稱取適量樣品（估計含水量2-5ml）,放入水分測定測定儀器的燒瓶中，加入新蒸餾的甲苯（或二甲苯）50-75ml使樣品浸沒，連接冷凝管及接受管，從冷凝管頂端注入甲苯（或二甲苯），使之充滿水分接受刻度管.加熱慢慢蒸餾，使每秒鐘約蒸餾出2滴餾出液，待大部分水分蒸餾出后,加速蒸餾使每秒約蒸出4滴餾出液，當(dāng)水分全部蒸出后（接收管內(nèi)的體積不再增加時），從冷凝管頂端注入少許甲苯（或二甲苯）沖洗.如發(fā)現(xiàn)冷凝管壁或接受管上部附有水滴，可用附用小橡皮頭的銅絲擦下，再蒸餾片刻直接接受管上部及冷凝管壁無水滴附著為止.讀取接受管水層的容積.5、 操作注意事項要先接好冷水，且先打開冷凝水。試劑苯、甲苯、二甲苯，要預(yù)先蒸餾，除去水分備用。有機(jī)溶劑一般用甲苯，其沸點為110.7°C。對于在高溫易分解樣品則用苯作蒸餾溶劑（純苯沸點80.2C，水-苯其沸點則為69.25C），但蒸餾的時間需延長。準(zhǔn)確稱量適量的樣品（估計含水量2-5ml）。樣品用量一般谷類、豆類約20g，魚、肉、蛋、乳制品約5~10克，蔬菜、水果約5g。d.加熱慢慢蒸餾，使2滴餾出液/每秒。6、計算：水分（%）=（V/W）某100V一一接收管內(nèi)水的體積。W 樣品質(zhì)量。7、產(chǎn)生誤差的原因及其防止產(chǎn)生誤差的原因很多。例如，樣品中水分沒完全揮發(fā)出來；水分附集在冷凝器及連接管的內(nèi)壁；水分溶解在有機(jī)溶劑中；生成了乳濁液，等等。添加少量戊醇，異丁醇，可防止出現(xiàn)乳濁液；對熱不穩(wěn)定性的食品，除用低沸點的溶劑外，也可發(fā)散涂布于硅藻土上；為了防止水分附集于蒸餾器內(nèi)壁，須充分清洗儀器。三、卡爾?費(fèi)休法（KarlFicher）簡稱費(fèi)休法或K—F法。利用I2氧化SO2時需要有一定的水參加反應(yīng)，（氧化還原反應(yīng)）I2+SO2+2H2OH2SO4+2HI此反應(yīng)具有可逆性，當(dāng)生成物H2SO4濃度〉0.05%時，即發(fā)生可逆反應(yīng)，要使反應(yīng)順利向右進(jìn)行，要加入適量的堿性物質(zhì)以中和生成的酸，毗啶（C5H5N）可以。I2+SO2+2H2O+3C5H5N2C5H5NHI+C5H5NSO3氫碘酸毗啶硫酸毗啶硫酸毗啶很不穩(wěn)定，與水發(fā)生副反應(yīng)，形成干擾。若有甲醇存在，則可生成穩(wěn)定的化合物。將12、SO2、C5H5N、CH3OH配在一起成為費(fèi)休試劑。2、適用范圍費(fèi)休法廣泛地應(yīng)用于各種液體、固體、及一些氣體樣品中水分含量的測定，也常作為水分痕量級標(biāo)準(zhǔn)分析方法，也可用于此法校定其他的測定方法。使用范圍有化工、試劑、化肥、醫(yī)藥、食品等。在食品分析中，能用于含水量從lppm到接近100%的樣品的測定，已應(yīng)用于面粉、砂糖、人造奶油、可可粉、糖蜜、茶葉、乳粉、煉乳及香料等食品中的水分測定，結(jié)果的準(zhǔn)確度優(yōu)于直接干燥法，也是測定脂肪和油品中痕量水分的理想方法。3、主要儀器：ZKF—1型水分測定儀（上?；ぱ芯吭褐疲㏒DY—84型水分滴定儀（上海醫(yī)械專機(jī)廠制）4、試劑：盡量用無水的試劑，有時需要蒸餾后再使用，加入無水硫酸鈉保存無水甲醇、無水毗啶，或選用費(fèi)休試劑滴一下，配好費(fèi)休試劑后，放置24小時后，進(jìn)行標(biāo)定且每次要標(biāo)定。標(biāo)定有三種方法：是用純水進(jìn)行標(biāo)定。用事先配好的水一甲醇標(biāo)定。③用二水合酒石酸鈉標(biāo)定。5、測定注意：（1）卡爾-費(fèi)休法中，樣品顆粒的大小非常重要。通常樣品細(xì)度約為