食品化學(xué)第二章水

關(guān)于食品化學(xué)第二章水一、食品中的水分含量及功能二、食品中的水分狀態(tài)及與溶質(zhì)間的相互關(guān)系三、水分活度四、水對(duì)食品的影響五、分子流動(dòng)性與食品穩(wěn)定性

第2頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、食品中的水分含量及功能（一）

水分含量一般生物體及食品中水分含量為3～97%

某些食品的水分含量見(jiàn)表2—1。表2—1某些食品的水分含量食品水分含量(%)

白菜，菠菜90—95

豬肉53—60

新鮮蛋74

奶88

冰淇淋65

大米12

面包35

餅干3—8

奶油15—20

水果75--95第3頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第4頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天（二）水的功能1、水在生物體內(nèi)的功能穩(wěn)定生物大分子的構(gòu)象，使表現(xiàn)特異的生物活性體內(nèi)化學(xué)介質(zhì)，使生物化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，代謝載體熱容量大，調(diào)節(jié)體溫潤(rùn)滑作用2、食品功能組成成分顯示色、香、味、形、質(zhì)構(gòu)特征分散蛋白質(zhì)、淀粉、形成溶膠影響鮮度、硬度影響加工，起浸透、膨脹作用影響儲(chǔ)藏性第5頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、食品中的水分狀態(tài)及

與溶質(zhì)間的相互關(guān)系

（一）水分狀態(tài)1、結(jié)合水（束縛水，boundwater，化學(xué)結(jié)合水）可分為單分子層水（monolayerwater），多分子層水（multilayerwater）作用力：配位鍵，氫鍵，部分離子鍵特點(diǎn)：在-40℃以上不結(jié)冰，不能作為外來(lái)溶質(zhì)的溶劑,與純水比較分子平均運(yùn)動(dòng)大大減少,不能被微生物利用。2、自由水（freewater）（體相水，游離水，吸濕水）可分為滯化水、毛細(xì)管水、自由流動(dòng)水（截留水、自由水作用力：物理方式截留，生物膜或凝膠內(nèi)大分子交聯(lián)成的網(wǎng)絡(luò)所截留；毛細(xì)管力特點(diǎn)：可結(jié)冰，溶解溶質(zhì)；測(cè)定水分含量時(shí)的減少量；可被微生物利用。第6頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天（二）水與溶質(zhì)間的關(guān)系1、水與離子和離子基團(tuán)的相互作用作用力：極性結(jié)合，偶極—離子相互作用阻礙水分子的流動(dòng)的能力大于其它溶質(zhì)；水—離子鍵的強(qiáng)度大于水—水氫鍵；破壞水的正常結(jié)構(gòu),阻止水在0℃時(shí)結(jié)冰，對(duì)冰的形成造成一種阻力；改變水的結(jié)構(gòu)的能力與離子的極化力有關(guān)。

第7頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第8頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、水與可形成氫鍵的中性基團(tuán)的相互作用

水可以與羥基、氨基、羰基、?；?、亞氨基等形成氫鍵；作用力小于水與離子間作用力；流動(dòng)性??；對(duì)水的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)影響?。蛔璧K水結(jié)冰；大分子內(nèi)或大分子間產(chǎn)生“水橋”第9頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、水與非極性物質(zhì)的相互作用籠形水合物的形成：由于非極性基團(tuán)與水分子產(chǎn)生斥力，使疏水基團(tuán)附近的水分子間氫鍵鍵合力↑熵值s↓20～74個(gè)水分子將“客體”包在其中，形成“籠形水合物”。作用力：范德華力、少量靜電力、疏水基團(tuán)間的締合作用第10頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第11頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第12頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第13頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天

三、水分活度

Wateractivity（一)概念問(wèn)題：

(1)含水18%的果脯與含水18%的小麥比較，哪種耐儲(chǔ)藏？

(2)含水量標(biāo)準(zhǔn)：大豆、油菜籽≤9%，玉米≤14%

水分活度—食品中水分逸出的程度，可以用食品中水的蒸汽壓與同溫度下純水飽和蒸汽壓之比表示，也可以用平衡相對(duì)濕度表示。

Aw=f（溶液中水的逸度）/fo(純水的逸度）≈P（食品中水的蒸汽壓）/Po（純水飽和蒸汽壓因?yàn)榧兯乃只疃?1,所以溶液的水分活度<1第14頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天由拉烏爾定理（理想稀溶液）

P=P0X1(X1—溶劑摩爾分?jǐn)?shù))

（P/P0=X1)Aw=P/P0=n1/(n1+n2)

（n1

、n2--溶劑、溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)）例如：2mol蔗糖溶于1000gH2O中

1000/18.016=55.5(mol)Aw=n1/(n1+n2)=55.5/(55.5+2)=0.9652=96.52%所以，Aw可以用平衡相對(duì)濕度ERH表示

(equilibriumrelativehumidity)

即

Aw=P/P0=ERH/100第15頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天

只有當(dāng)溶質(zhì)是非電解質(zhì)且濃度小于1mol/L的稀溶液時(shí),其水分活度才可以按Aw=n1/(n1+n2)計(jì)算:

溶質(zhì)BAw

理想溶液0.9823=55.51/(55.51+1)

丙三醇0.9816

蔗糖0.9806

氯化鈉0.967

氯化鈣0.945(1千克水(約55.51mol)溶解1mol溶質(zhì)B)第16頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天（二）Aw與溫度的關(guān)系1、Aw隨著溫度的變化而變化

Clasius-Clapeyron方程

dlnAw/d(1/T)=-ΔH/RP20圖2-10可以看出:【3.2（39.5℃）；3.6（4.8℃）】

含水量相等時(shí)，溫度越高，Aw越大。第17頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第18頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、低于冰點(diǎn)時(shí)，Aw與溫度的關(guān)系

Aw=Pff（部分凍結(jié)食品中過(guò)冷水蒸氣分壓）／Ｐ０（scw,純過(guò)冷水蒸氣壓）＝Ｐice（純冰蒸氣壓）／Ｐ０（scw）(Aw與食品組成無(wú)關(guān))

圖2-11復(fù)雜食品在冰點(diǎn)以上和冰點(diǎn)以下時(shí)Aw和溫度的關(guān)系(1)低于冰點(diǎn)時(shí)，Aw與１／Ｔ成線性關(guān)系(2)冰點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)折斷(3)溫度對(duì)Aw的影響遠(yuǎn)大于冰點(diǎn)以上（陡些）第19頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第20頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、結(jié)論高于冰點(diǎn)時(shí)，Aw與食品組成及Ｔ有關(guān)，其中食品組成是主要因素，當(dāng)組成水％同，Ｔ上升，則Aw上升。低于冰點(diǎn)時(shí)，Aw與食品組成無(wú)關(guān)，僅與溫度有關(guān)。冰點(diǎn)以上或以下，Aw對(duì)食品穩(wěn)定性影響是不同的。例：-１５℃，Aw＝0.86微生物不繁殖２０℃，Aw＝0.86微生物繁殖

第21頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天（三）吸濕等溫線（MSI)

MoistureSorptionIsotherms

1、概念及意義

在等溫條件下，以食品含水量為縱坐標(biāo)，以Aw為橫坐標(biāo)作圖，所得曲線稱(chēng)為吸濕等溫線。

P22圖2-12，高水分含量范圍內(nèi)的食品吸濕等溫線圖2-13，低水分含量范圍內(nèi)的食品吸濕等溫線

第22頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第23頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第24頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天

不同食品，因其化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)不同，對(duì)水束縛能力不一樣，有不同的吸濕等溫線，但都為Ｓ型。

P22圖2-14各種食品和生物物質(zhì)的吸濕等溫線意義：吸濕等溫線表示了食品的Aw與含水量對(duì)應(yīng)關(guān)系，除去水（濃縮、干燥）的難易程度與Aw有關(guān)，配制食品混合應(yīng)注意水在配料間的轉(zhuǎn)移，測(cè)定包裝材料的阻濕性質(zhì)，測(cè)定一定水分含量與微生物生長(zhǎng)的關(guān)系，預(yù)測(cè)食品穩(wěn)定性與水分含量的關(guān)系。第25頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第26頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天

因?yàn)椋陨?，Aw升高，對(duì)同一食品，Ｔ升高，形狀近似不變，曲線位置向下方移動(dòng)圖２—1９不同溫度下馬鈴薯的吸濕等溫線2、吸濕等溫線與溫度的關(guān)系第27頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天

3、吸濕等溫線的滯后現(xiàn)象

測(cè)定水加入→干燥食品的吸濕（回吸）等溫線；測(cè)定高水分食品→脫水的解吸等溫線；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(chēng)為吸濕等溫線的滯后現(xiàn)象。在Aw同，對(duì)應(yīng)的水分含量，回吸<解吸說(shuō)明：吸濕到食品內(nèi)的水，還未充分被食品組分束縛，沒(méi)有使食品“復(fù)原”。問(wèn)題：麥胚在130℃烘箱中烘烤60分鐘，然后放在空氣中儲(chǔ)藏，結(jié)果如何？食品品種不同，滯后環(huán)不同；同一食品，不同溫度，滯后環(huán)不同。第28頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第29頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天滯后現(xiàn)象產(chǎn)生的原因:

解吸過(guò)程中一些水分與非水溶液成分作用而無(wú)法放出水分（結(jié)合水）。解吸作用時(shí),因組織改變,當(dāng)再回吸水時(shí)無(wú)法緊密形成結(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30頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天4、吸濕等溫線分區(qū)為了說(shuō)明吸濕等溫線的內(nèi)在含義，并與水的存在狀態(tài)緊密聯(lián)系，可以將其分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)。

Ⅰ區(qū)：Aw=0～0.2約0～0.07g水/g干物質(zhì)作用力：H2O—離子，H2O—偶極，配位鍵屬單分子層水（含水合離子內(nèi)層水）不能作溶劑，-40℃以上不結(jié)冰，與腐敗無(wú)關(guān)

Ⅱ區(qū)：Aw=0.2～0.85（加Ⅰ區(qū)，<0.45gH2O/g干）作用力：氫鍵：H2O—H2OH2O—溶質(zhì)屬多分子層水，加上Ⅰ區(qū)約占高水食品的5%，不作溶劑，

-40℃以上不結(jié)冰，但接近0.85（Aw）的食品，可能有變質(zhì)現(xiàn)象。

Ⅲ區(qū)：0.85～1.0新增的水為自由水，（截留+流動(dòng)）多者可達(dá)20gH2O/g干物質(zhì)可結(jié)冰，可作溶劑劃分區(qū)不是絕對(duì)的，可有交叉，連續(xù)變化第31頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第32頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天5、吸濕等溫方程式

因?yàn)橛?jì)算單分子層水值具有實(shí)際意義，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)干燥產(chǎn)品最大穩(wěn)定性時(shí)的含水量。據(jù)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、經(jīng)修改的吸濕等溫線方程式如下:=

以αw／[m(1-αw)]對(duì)αw作圖得到一條直線，稱(chēng)為BET直線

圖2-29圖2—17）天然馬鈴薯淀粉的BET圖

a=3/0.281=10.7b=0.6

所以，m1=1/(10.7+0.6)=0.88gH2O/g干物質(zhì)）m1’=0.088/1.088=8.09%AW=0.2(相當(dāng)于)第33頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第34頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天

四、水對(duì)食品的影響（一）Aw與食品的穩(wěn)定性

1、Aw與微生物生長(zhǎng)（P26表2-5）微生物的生長(zhǎng)繁殖需要水，適宜的Aw一般情況如下，

Aw<0.90大多數(shù)細(xì)菌

<0.87大多酵母

<0.80大多霉菌

0.8～0.6耐鹽、干、滲透壓細(xì)菌、酵母、霉菌

<0.50任何微生物均不生長(zhǎng)繁殖第35頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天第36頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天水可作為介質(zhì)，活化底物和酶

Aw<0.8大多數(shù)酶活力受到抑制

Aw=0.25～0.3有效阻止酶褐變，包括淀粉酶、多酚氧化酶、過(guò)氧化物酶抑制或喪失活力而脂肪酶在Aw=0.1～0.5仍保持其活性，如肉脂類(lèi)（因?yàn)榛钚曰鶊F(tuán)未被水覆蓋，易與氧作用）

Aw與羰氨反應(yīng)（非酶褐變）

Aw<0.7

Aw升高，v升高，

Aw=0.6～0.7v最大

Aw>0.7

v降低（因?yàn)镠2O稀釋了反應(yīng)物濃度)

2、Aw與酶促反應(yīng)第37頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、Aw與脂肪氧化酸敗影響復(fù)雜：Aw<0.4Aw↑V↓(MO2—H2O阻V)Aw>0.4Aw↑V↑（H2O溶解O2，溶脹后催化部位暴露，氧化V↑）

Aw>0.8Aw↑V↓(稀釋濃度)4、Aw與水溶性色素分解，維生素分解

Aw↑V分解↑總之，水分應(yīng)該保持在結(jié)合水范圍內(nèi)，使反應(yīng)難以發(fā)生，穩(wěn)定，并保持食品的質(zhì)構(gòu)。

第38頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天

食品結(jié)冰時(shí)非凍結(jié)相中，（未凝固水），溶質(zhì)變濃，冰的體積增加9%

由于濃縮效應(yīng)，未凍結(jié)的pH、粘度、離子強(qiáng)度、氧化還原電位、膠體性質(zhì)等發(fā)生變化。（溫度與濃縮綜合效應(yīng)，V↓↑）加速一些化學(xué)反應(yīng)：蔗糖在酸催化下水解反應(yīng)，肌紅蛋白褐變蛋白質(zhì)變性S↓

氧化反應(yīng)（VC、脂肪、VA、VE、β-胡蘿卜素…）酶催化反應(yīng)（糖原損失、乳酸↑，高能磷酸鹽降解……）（二）結(jié)冰對(duì)食品穩(wěn)定性影響第39頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天

水%、Aw對(duì)干、半干、中濕食品質(zhì)構(gòu)有影響低Aw：餅干脆性油炸土豆片脆性硬糖防粘固體飲料防結(jié)塊中濕：軟糖防變硬蛋糕防變硬面包防變硬冷凍方式對(duì)質(zhì)構(gòu)的影響速凍、小晶體破壞小；慢凍，大冰晶破壞大干燥方法對(duì)質(zhì)構(gòu)的影響空氣干燥質(zhì)構(gòu)破壞冷凍干燥相似質(zhì)構(gòu)如脫水蔬菜高溫脫水質(zhì)構(gòu)破壞真空干燥相似質(zhì)構(gòu)真空微波干燥相似質(zhì)構(gòu)（三）水對(duì)食品質(zhì)構(gòu)的影響第40頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天

在食品中添加吸濕劑可在水分含量不變條件下，降低Aw值。吸濕劑應(yīng)該含離子、離子基團(tuán)或含可形成氫鍵的中性基團(tuán)（羥基，羰基，氨基，亞氨基，酰基等），即有可與水形成結(jié)合水的親水性物質(zhì)。如：多元醇：丙三醇、丙二醇、糖無(wú)機(jī)鹽：磷酸鹽（水分保持劑）、食鹽動(dòng)、植物、微生物膠：明膠、卡拉膠、黃原膠（四）降低Aw的方法第41頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天五、分子流動(dòng)性與食品穩(wěn)定性

Molecularmobilityandfood

stability1、分子流動(dòng)性（Mm）：是分子的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)和平轉(zhuǎn)移動(dòng)性的總度量。決定食品Mm值的主要因素是水和食品中占支配地位的非水成分。

玻璃態(tài)（glassstate）：是聚合物的一種狀態(tài),它既象固體一樣有一定的形狀，又象液體一樣分子間排列只是近似有序，是非晶態(tài)或無(wú)定形態(tài)。處于此狀態(tài)的聚合物只允許小尺寸的運(yùn)動(dòng)，其形變很小，類(lèi)于玻璃，因此稱(chēng)玻璃態(tài)。玻璃化溫度（glasstransitiontemperature,Tg）：非晶態(tài)食品從玻璃態(tài)到橡膠態(tài)（具有柔軟、彈性的固態(tài)）的轉(zhuǎn)變稱(chēng)玻璃化轉(zhuǎn)變，此時(shí)的溫度稱(chēng)玻璃化溫度。無(wú)定形（Amorphous）：是物質(zhì)的一種非平衡，非結(jié)晶態(tài)。第42頁(yè),共48頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、狀態(tài)圖——描述分子流動(dòng)性與食品穩(wěn)定性關(guān)系，包括平衡和非平衡狀態(tài)數(shù)據(jù)的圖（p34圖2—19）食品存在無(wú)定形區(qū)食品的物理變化和化學(xué)變化的速度由分子流動(dòng)性所決定分子流動(dòng)性與溫度有相依性大多數(shù)食品具有玻璃化溫度溶質(zhì)類(lèi)型影響玻璃化溫度第43頁(yè),共48頁(yè)，2024年2