水分理解水与冰的结构及在食品中的性质

第2章 水 分 Water,2,理解水与冰的结构及在食品中的性质； 掌握食品中水的存在状态； 掌握水分活度的定义和水分吸着等温线； 掌握水分活度对温度的相依性，水分活度与食品的稳定性的关系； 了解在冰点温度以下，冰与食品质量的关系及其在储藏和加工中的运用。,基本要求,重点难点,水分活度的概念及其与食品稳定性的关系。,3,本 章 主 要 内 容,水分活度与食品稳定性的关系,水的功能,水的结构与性质,食品中水的存在状态,水分活度和水分吸着等温线,食品中的水含量,4,生命之源 组成机体，维持生命活动，调节代谢,5,一、食品中的水含量,水是食品中非常重要的一种成分，是构成大多数食品的主要组成，也是形成食品加工工艺考虑的重要因素。,表2.1 某些代表性食品的含水量,6,一、食品中的水含量,各种食品都有显示其品质的特征含水量，如:果蔬：75%95%；肉类：50%80%；面包：35%45%；谷物：10%15%；鱼类：70%80%。,7,二、水的功能,水在食品工艺学方面的功能,食品理化性质：,起着溶解、分散蛋白质、淀粉等水溶性成分的作用,食品质地方面：,对食品的新鲜度、硬度、风味、流动性、色泽、耐贮性和加工适应性有影响,食品安全性：,水是微生物繁殖的必需条件,食品工艺角度：,水起着膨润、浸透、均匀化等功能； 大多数食品加工的单元操 作都与水有关，如干燥、浓缩、冷冻等,8,二、水的功能,水在食品生物学方面的功能,水是良好的溶剂；,水为必须的生物化学反应提供一个物理环境,水是体内物质运输的载体；,水是维持体温的载温体；,水是体内摩擦的润滑剂；,9,三、水和冰的结构与性质,水是唯一的以三种物理状态广泛存在的物质。,固态,液态,气态,10,1.在气态状态下,水主要以单个分子的形式存在。,三、水和冰的结构与性质,水分子几何构型,11,三、水和冰的结构与性质,水分子的结构,成键轨道,Structure of water and ice,12,2.在液态状态下,水主要以缔合状态（H2O）n存在，n可变。,不同的缔合形式，可导致水分子之间的缔合数大于4。,靠偶极力相互吸引,靠氢键相互吸引,三、水和冰的结构与性质,13,三、水和冰的结构与性质,1. H-O键间电荷的非对称分布使H-O键具有极性，这种极性使分子之间产生引力。 2. 由于每个水分子具有数目相等的氢键供体和受体，因此可以在三维空间形成稳定的多重氢键。,氢键供体,氢键受体,水分子的缔合 Association of water molecules,14,水以分子晶体的形式存在。,3.在固态（冰）状态下,三、水和冰的结构与性质,冰是水分子通过氢键相互结合、有序排列形成的低密度、具有一定刚性的六方形晶体结构。普通冰的晶胞可如图所示：,还有不规则树枝状、粗糙球状、易消失的球晶等,15,三、水和冰的结构与性质,水异常的物理性质,1、高熔点(0)， 高沸点(100)；,2、介电常数大；,3、表面张力高；,4、热容和相转变热焓高；,熔化热、蒸发热和升华热,5、密度低，凝固时的异常膨胀率;,6、粘度正常；,16,三、水和冰的结构与性质,纯水是具有一定结构的液体。液体水的结构与冰的结构的区别在于它们的配位数和两个水分子之间的距离（下表）。,水与冰结构中水分子之间的配位数和距离,液体水的结构是不稳定的，并不是单纯的由氢键构成的四面体形状。通过“H-桥”的作用，水分可形成短暂存在的多边形结构；水分子中氢键可被溶于其中的盐及具有亲水/疏水基团分子破坏。,注意,17,四、食品中水的存在状态,理解食品中水的存在状态是掌握水在食品中的作用及各种与水相关的加工技术的关键。而水在食品中的存在状态说到底是水在食品中和各类食品物质之间的关系及水的存在量。,当食品中存在离子或可解离成离子或离子基团的盐类物质时，这些物质由于在水中可以溶解而且解离出带电荷的离子，因而可以固定相当数量的水。例如食品中的食盐和水之间的作用：,4.1 水与溶质的相互作用,4.1.1 与离子或离子基团的相互作用,18,四、食品中水的存在状态,由于离子带有完整的电荷，因此它们和水分子之间的极性作用比水分子之间的氢键连接还要强，如Na+与水分子之间的结合能力大约是水分子间氢键连接力的4倍。正是由于自由离子和水分子之间的强的相互作用，导致破坏原先水分子之间的缔合关系，使一部分水固定在了离子的表面，此即离子水合作用。,19,随着离子种类的变化及所带电荷的不同，与水之间的相互作用也有所差别。大致可以分作两类：1能阻碍水分子之间网状结构的形成（净结构破坏效应），其溶液的流动性比水大，此类离子一般为负离子和大的正离子，如：K+、Rb+、Cs+、NH4+、Cl-、Br-、I-、NO3、BrO3-等；2有助于水分子网状结构的形成（净结构形成效应），溶液的流动性小于水，此类离子一般为离子半径小、电场强度大或多价离子，如：Li+、Na+、H3O+、Ca2+、Ba2+、Mg2+、Al3+、OH-等。,四、食品中水的存在状态,20,许多食品成分，如蛋白质、多糖（淀粉或纤维素）、果胶等，其结构中含有大量的极性基团，如羟基、羧基、氨基、羰基等，这些极性基团均可与水分子通过氢键相互结合。因此通常在这些物质的表面总有一定数量的被结合、被相对固定的水。不同的极性基团与水的结合能力有所差别。一般情况下，氨基、羧基等在生理条件下可以呈解离状态的极性基团均与水有较强的结合，而羟基、酰胺基等非解离基团与水之间的结合较弱。,四、食品中水的存在状态,4.1.2 与具有氢键键合能力的中性分子或基团的相互作用,21,四、食品中水的存在状态,带有极性基团的有机物质由于和水能够通过氢键相互结合，因此对纯水的正常结构都有一定程度的破坏，而且也可降低冰点。带极性基团的食品分子不但可以通过氢键结合并固定水分子在自己的表面，而且通过静电引力还可吸引一些水分子处于结合水的外围，这些水称为邻近水。尽管结合或附着在分子上的水分子数量并不多，但其作用和性质常常非常重要。它们常是一些酶保持活性结构并能发挥作用的重要因素；也常是食品保持正常结构的重要因素。,22,四、食品中水的存在状态,在生物大分子的两个部位或两个大分子之间也可形成由几个水分子所构成的“水桥”。,木瓜蛋白酶中的三分子水桥,23,四、食品中水的存在状态,4.1.3 与非极性物质的相互作用,水中加入疏水性物质,疏水基团与水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强,结构更为有序。,疏水基团之间相互聚集，从而使它们与水的接触面积减小，结果导致自由水分子增多。,24,四、食品中水的存在状态,水在疏水表面的取向,大多数蛋白质分子中大约40%的氨基酸含有非极性基团。蛋白质的非极性基团包括丙氨酸的甲基、苯丙氨酸的苄基、缬氨酸的异丙基、半胱氨酸的巯基、亮氨酸的仲丁基和异丁基。其他化合物例如醇类、脂肪酸和游离氨基酸的非极性基团也参与疏水相互作用。,排斥正电荷,吸引负电荷,25,非极性物质具有两种特殊的性质：,四、食品中水的存在状态,蛋白质分子产生的疏水相互作用 和水形成笼形水合物,26,四、食品中水的存在状态,疏水水合,向水中添加疏水物质时，由于它们与水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强，使得熵减小，此过程成为疏水水合。,疏水相互作用,27,四、食品中水的存在状态,疏水相互作用,当水与非极性基团接触时，为减少水与非极性实体的界面面积，疏水基团之间进行缔合，这种作用成为疏水相互作用。,疏水相互作用,28,四、食品中水的存在状态,球状蛋白质的疏水相互作用,疏水基团缔合或发生“疏水相互作用”，引起了蛋白质的折叠。 疏水相互作用是蛋白质折叠的主要驱动力。同时也是维持蛋白质三级结构的重要因素。,是疏水基团，圆球周围的“L形”物质是疏水表面定向的水分子，代表与极性基团缔合的水分子,疏水相互作用,29,四、食品中水的存在状态,笼形水合物,是象冰一样的包含化合物，水为“宿主”，它们靠氢键键合形成像笼一样的结构，通过物理方式将非极性物质截留在笼内，被截留的物质称为“客体”。一般“宿主”由20-74个水分子组成，较典型的客体有低分子量烃，稀有气体，卤代烃等。,笼形水合物,30,4.2 食品中水的存在状态,四、食品中水的存在状态,根据食品中水与非水物质之间的相互关系，可以把食品中的水分作不同的类型（如下页图）。,31,也称束缚水、固定水,也称体相水，游离水,32,四、食品中水的存在状态,结合水和自由水之间很难作截然的划分，其主要的区别在于：a.结合水的量与食品中所含极性物质的量有比较固定的关系，如100g蛋白质大约可结合50g 的水，100g淀粉的持水能力在3040g；b.结合水对食品品质和风味有较大的影响，当结合水被强行与食品分离时，食品质量、风味就会改变；c.结合水不易结冰，由于这种性质使得植物的种子和微生物的孢子得以在很低的温度下保持其生命力；而多汁的组织在冰冻后细胞结构往往被体相水的冰晶所破坏，解冻后组织不同程度的崩溃；d.结合水不能作为可溶性成分的溶剂，也就是说丧失了溶剂能力；e.体相水可被微生物所利用，结合水则不能。,33,结合水按照与食品中非水组分氢键结合强弱可分为： 单分子层水与非水组分中强极性基团直接以氢键结合的第一个水分子层中的水，与非水组分结合的最为牢固，蒸发的能力很弱，不能被微生物利用，不能作为介质进行生物化学反应。 多分子层水强极性基团单分子层外的几个水分子层中所含的水，以及与非水组分中弱极性基团以氢键结合的水，向外蒸发的能力也较弱。干燥的食品吸收了这部分水后，非水组分开始膨胀。,四、食品中水的存在状态,34,五、水分活度与水分吸着等温线,食品的水分含量食品的腐败性 存在相关性 但发现水分含量相同，腐败性显著不同 水分含量不是一个腐败性的可靠指标 水分活度Aw 水与非水成分缔合强度上的差别 比水分含量更可靠，也并非完全可靠 与微生物生长和许多降解反应具有相关性,35,水分活度（water activity）是指食品中水的蒸汽压与该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值，可用下式表示:,1.Aw的定义,五、水分活度与水分吸着等温线,36,Aw与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关,Aw是样品的内在品质，ERH是与样品平衡时大气的性质。 仅当产品与环境达到平衡时，关系式才能成立。,五、水分活度与水分吸着等温线,特点：,一般，物质溶于水后，该溶液的蒸汽压总要低于纯水的蒸汽压，故Aw值总是在01之间！,37,水分含量相同，温度不同，Aw不同，温度对于水分活度的值有较大的影响。 物理化学中的克劳修斯-克拉贝龙方程精确表示了水分活度与绝对温度（T）之间的关系： dlnAw/d(1/T)=-H/R.(1)其中R为气体常数，H为样品中水分的等量净吸附热。整理此式可得： lnAw=-kH/R(1/T)(2),2.水分活度与温度的关系,五、水分活度与水分吸着等温线,38,其中：此处的H 可用纯水的汽化潜热表示，是常数，其值为40537.2J/mol，K的意义可以用下式表示：,K的直观意义是在达到同样水蒸气压时，食品的温度比纯水温度高出的比值，本质反映了食品中非水成分对水活性的影响。食品中非水成分越多并且与水的结合能力越强，k值越大，相同温度时Aw值越小；反之亦然。,五、水分活度与水分吸着等温线,39,lnAw1/T,从左图可以得出如下结论： A：从水分含量4到25，Aw与温度（550）关系为直线； B：水分含量少时，温度所引起的Aw变化小。,上述关系是：在一定的水分含量范围内，lnAw与1/T是一种线性关系。,五、水分活度与水分吸着等温线,40,在冰点以下也是线性的 温度对Aw的影响 冰点以下冰点以上 温度下降到开始结冰时，直线出现明显的折断,五、水分活度与水分吸着等温线,在较大的温度范围内作图时,现在讨论冰点以下的Aw,41,Pff 部分冻结食品中水的分压 P0 (scw) 纯的过冷水的蒸汽压 P(ice) 纯冰的蒸汽压,