第二章-水分1..ppt

单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,第二章 水分（water）,1.2 冰和水的结构与性质,1.3 食品中水的存在状态,1.4 水分活度,1.5 吸湿等温线,1.6,水分活度与食品的稳定性,1.1 概述,1.7 冰在食品稳定性中的作用,1.8,含水食品的水分转移,1.9,分子流动性与食品稳定性,,1.1 概述,一 水在生物体内的功能,★ 热容量大，调节体温,,★ 体内化学介质，使生物化学反应顺利进行,,★ 营养物质，代谢载体,,★ 稳定生物大分子构象，使其表现特异的生物活性,,★ 润滑作用,,★ 此外，具有镇痛、强壮效果、保护眼睛、降脂减肥,,美容等功效是食品的组成成分从食品的理化性质上讲，水在食品中起着溶解分散蛋白质、淀粉等可溶性成分的作用，使它们形成溶液或凝胶从食品品质方面讲，对食品的鲜度、硬度、流动性、风味等方面都有重要的影响，水的质量关系到产品的质量从食品的安全性方面讲，水是微生物繁殖的必须条件从食品工艺角度讲，水起着膨润、浸透、均匀化的功能。

二 水在食品中的作用,,高的熔点和沸点，具有很大的表面张力、热容以及相变热值冷冻、干燥）,,介电常数大良好的溶剂）,,水的密度较小，水在凝固时具有异常的膨胀性食品冻结）,,水的黏度低，具有流动性水的热导率较大， 而,0℃,时冰的热导率为同温下水的热导率的,4,倍；冰的热扩散性系数约为水的,9,倍,三 水和冰的物理特性,结冻快还是解冻快？,,1.2 水和冰的结构与性质,一 水分子的结构,,水分子结构特点,,以氧为中心的四面体结构，O-H键间的键角为104.5度，水分子是极性分子O-H具有离子性，水分子可以电离氧的另外两对孤对电子有静电力二 水分子的缔合,,水分子缔合的原因:,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.,,,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多重氢键.,,,,水分子缔合原因,,氢键,,,良好的溶剂性能,,,水分子可移动,,,水分子之间的缔合程度和分子间的距离,,每个水分子都参与了,,和其他4个水分子形成三维,,空间的多重氢键缔合，因此具有,,高的沸点、熔点、热容和,,相变热等水分子簇产生了多分子偶极，,,有效地提高了水的介电常数，,,所以具有溶剂性，,,可以促进电解质电离。

三维氢键网络中的每一个水分子,,是可移动的，它们快速地切断一,,个氢键，同时形成新的氢键网，,,因此水具有流动性，黏度较低,水分子之间的缔合程度增加，密度增加，分子距离增加，密度减小0-3.98℃,：缔合程度起决定作用，所以，在这个范围内，随温度升高，密度增加，在,3.98℃,时，密度最大；,,在,3.98℃,以上：水分子之间的距离占主导地位，密度又随温度的升高而降低结构,性质,,,混合模型：分子间氢键短暂的浓集于成簇的水分子之间，成簇的水分子与其他更密集的水分子处于动态平衡连续模型：分子键氢键均匀的分布于整个水样，水分子的连续网络结构成动态平衡,,填隙式模型：水保留在似冰状或笼状结构中，个别的水分子填充在笼状结构的缝隙中※,三 液态水的结构模型,,※,四 冰的结构和性质,冰是由水分子有序排列形成的结晶水分子之间靠氢键连接构成非常疏松的刚性结构0℃是冰中水分子的配位数等于4,,常压和0℃时，普通正六方晶系的冰晶体最稳定（11种结构）,,冷冻食品中四种冰晶体结构，即六方形、不规则树枝状、粗糙的球形、易消失的球晶,,※水的过冷现象supercooling,,结晶时，实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。

在一定压力下,当液体的温度已低于该压力下液体的凝固点,而液体仍不凝固的现象叫液体的过冷现象(supercooled phenomena of liquid)液体越纯，过冷现象越明显高纯水-40摄氏度才开始结冰当具备凝固所需物质，例如投入少许固体，或摇晃液体，都能让液体迅速凝固1.3 食品中水的存在状态,※,一 水与溶质的相互作用,类 型,实 例,作用强度,,（与水-水氢键比）,偶极-离子,水-游离离子,,水-有机分子上的带电基团,较大,偶极-偶极,水-蛋白质NH,,水-蛋白质CO,,水-侧链OH,近似相等,,偶极-疏水性物质,水＋R→R（水合的）,,R（水合的）＋R（水合的）→R,2,（水合的）＋水,疏水水合ΔG>0,,疏水相互作用ΔG<0,,（1）水与离子和离子基团的相互作用,（,偶极-离子,）,净结构形成效应：,离子是电场强度较强、离子半径小的离子或多价离子，它们有助于水形成网络结构，因此这类离子的水溶液比纯水的流动性小，也就是这种溶液中离子间的结构要比纯水的结构要稳定净结构破坏效应：,离子一般为低价离子，离子半径较大，这些离子能阻碍水形成网络结构，因此这种溶液比纯水的流动性要大。

离子水合作用,,,（2）水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用（,偶极-偶极,）,●许多食品成分，如蛋白质、多糖、果胶等，其结构含有大量的极性基团，羟基、羧基、氨基、羰基等,,,●氨基、羧基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结合较弱,,,（3）水与非极性物质的相互作用（,偶极-疏水性物质,）,笼形水合物,:指水通过氢键形成笼状结构，将非极性小分子包在里面，通常由20-74个水分子组成笼形结构水与蛋白质分子中的疏水基团的疏水作用,:大多数蛋白质分子中，大约有40％的氨基酸含有非极性基团，这些疏水基团就会缔合产生疏水相互作用※,二 水的存在状态,食品中水,,结 合 水,,Bound water,化合水,compound water,邻近水,vicinal water,多层水,multilayer water,滞化水,entrapped water,毛细管水,capillary water,自由流动水,free flow water,体 相 水,,Bulk water,,,※,1.4 水分活度 water activity,一 水分活度的定义,☆,食品的水分含量～食品的腐败性,,,A,存在相关性,,B 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,,A 水与非水成分缔合强度上的差别,,B 比水分含量更可靠，也并非完全可靠,,C 与微生物生长和许多降解反应具有相关性,,f ——,溶剂（某种溶液）的逸度,,,f,0,——,纯溶剂（水）的逸度,,,逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势,,,严格,差别,1%,仅适合理想溶液,RVP,,相对蒸汽压,,●,水分活度值介于0～l之间 。

●,ERH（equilibrium relative humidity）是样品周围的空气平衡相对湿度，它是与样品达到平衡时的大气性质●,水分活度的意义:水分活度表示生物组织与食品中能参与生物活动和化学反应的水分含量aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2),※水分活度：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,,冰点测定法,,相对湿度传感器测定法,,恒定相对湿度平衡室法,二 水分活度的几种测量方法：,,＊,比较冰点以上与冰点以下的Aw时，应注意：,,1 在冰点以上的温度时，水分活度是食品组成和温度的函数，并以食品的组成为主在冰点以下时，水分活度只与温度有关2 冰点上下，对于食品的稳定性，Aw值意义不同3 冰点上下，Aw值无法互相预测三 水分活度与温度之间的关系,在一定温度范围，Aw与1/T呈负相关关系,lnAw,=-k△H/R(1/T),,※,1.5 水分吸湿等温线,（1） 定义moisture sorption isotherms：（MSI）是指在恒定温度下，食品的水分含量与它的水分活度之间的关系图一 吸湿等温线及分区,,,Ⅰ区的水的性质,,＊最强烈地吸附,,＊最少流动,,＊水－离子或水－偶极相互作用,,＊在-40℃不结冰,,＊不能作为溶剂,,＊看作固体的一部分,,化合水和邻近水,,＊占总水量极小部分,,,＊,,BET单层,,,区Ⅰ和Ⅱ接界,,＊,,0.07g H,2,O/ g干物质,,＊,,Aw =0-0.25,,＊,相当于一个干制品能,,呈现最高的稳定性时含,,有的最大水分含量,,,Ⅱ区的水的性质,通过氢键与相邻的水,,分子和溶质分子缔合,,,流动性比体相水稍差,,,大部分在-40℃不结冰,,,导致固体基质的初步肿胀,,,多层水,,大部分化学反应速度加快,,区Ⅰ和区Ⅱ的水占总,,水分的5%以下,,,,Ⅲ区的水的性质,(1)体相水,,(2)被物理截留或自由的,,(3)宏观运动受阻,,(4)性质与稀盐溶液中的,,水类似，占总水分的95%,,以上,可以结冰，冰点要低,,(5)可作溶剂，利于化学反应,,微生物生长,,,,,在浓缩和干燥过程中样品脱水的难易程度与相对蒸汽压的关系。

应当如何组合食品才能防止水分在各配料之间的转移测定包装材料的阻湿性可以预测多大的水分含量时才能够抑制微生物的生长预测食品的化学和物理稳定性与水分含量的关系,,可以看出不同食品中非水组分与水结合能力的强弱吸湿等温线的意义,,水分活度依赖于温度，MSI也与温度有关，,在一定水分含量时，水分活度随温度上升而增大MSI,温度,,,(1)定义：样品的吸湿等温线和解吸等温线不完全重叠的现象,＊通常吸湿等温线的绘制是通过向干燥样品中添加水而得到的，因此我们也常把这个过程叫,回吸作用,＊如果把这个吸满水的样品再进行干燥，同样又可以得到一条曲线，我们把这条线叫,解吸曲线,※,二 滞后现象 hysteresis,,一般来说，当Aw一定时，解吸过程中食品的水分含量大于回吸过程中水分含量解吸线在上方,滞后环形状取决于,食品品种,,解吸速度,,脱水程度,,温度,,食品发生的物理变化,,空气干燥的苹果片,冷冻干燥的熟猪肉,,（2）滞后现象产生的原因,扩散势垒、平衡对时间的依赖性,,不规则形状产生毛细管现象的部位,,,欲填满或抽空水分需不同的蒸汽压,(,要抽出需,P,内,＞,P,外,,,要填满则需,P,外,＞,P,内,)---,毛细管现象,,解吸作用时,,,因,组织改变,,,当再吸水时无法紧密结合水,,,由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的,a,w,,（3）滞后现象的现实意义,鸡肉和猪肉Aw=0.75～0.84，采用解吸调整Aw时脂肪氧化速度高于回吸 。

这是因为Aw一定，解吸样品的水分含量高于回吸,,,1,不同微生物的生长对水分活度的要求不同：,,大多数的细菌,，,,大多数霉菌,之间；,,大多数耐盐细菌,0.75,；,,耐干燥霉菌和耐高渗透压酵,,母,；,,低于,0.6,时，绝大多数的微生,,物是无法生长的※,1.6 水分活度与食品的稳定性,一,水分活度与微生物的关系,,2,不同阶段对水分活度的阈值的要求不同,,细菌，它在形成芽孢时的水分活度比繁殖生长时所需的水分活度值要高,,霉菌孢子发芽的,a,w,阈值则低于孢子发芽后菌丝生长所需的,a,w,值,,微生物产生毒素时所需的,a,w,阈值则高于生长时所需的,aw,数值,,,食品中水分活度与微生物生长,,（1）对脂肪氧化酸败的影响,水能与脂肪氧化的自由基反应中的氢过氧化物形成氢键,,水能与金属离子形成水合物,,水增加了氧的溶解度,,脂肪分子肿胀,,催化剂和氧的流动性增加,,催化剂和反应物的浓度被稀释,,,,,二,水分活度与食品化学变化的关系,,●,（2） 水分活度对非酶褐变的影响,＊,在一定的水分活度范围内，反应速度随水分活度的值增大而增大,,＊,在水分活度在0.2以下，反应通常不会发生,,＊,而当水分活度过大时（大于0.7）反应速度下降。

●,,（3）对淀粉老化的影响：,,,30％～60％ 老化的速度最快,,10％～15％ 淀粉不会发生老化,●,,（4）对蛋白质变性的影响：,,,含水量低于2%，阻止蛋白质变性；含水量大于4%，水分活度增大会加速蛋白质的氧化作用,导致蛋白质变性,●,,（5）对酶促褐变的影响：,,,,当aw值降低到0.25～0.30的范围，就能有效地减慢或阻止酶促褐变的进行总之,：,降低水分活度可以降低食品的化学反应速度，抑制微生物的生长繁殖，提高食品的稳定性,,●,,（6）,对色素的影响：,,,,一般而言，当食品水分活度增大时，水溶性色素分解的速度就会加快,,冷冻法,：抑制微生物生长繁殖，降低大多数,,化学反应水结冰会产生两个不良的后果,,体积增大，细胞结构被破坏,,浓度变大，产生浓缩效应,,冰冻对反应速度具有两个相反方向的影响,,降低温度导致反应速度变缓；,,同时冷冻浓缩可能导致反应速度的加快1.7 冰在食品稳定性中的作用,一冷冻与食品稳定性,,,无定形态（amorphous):,,物质的所处的一种非平衡、非结晶状态，当饱和条件占优势并且溶质保持非结晶时，此时形成的固体就是无定形态,,,玻璃态(glassy state):,,,即象固体一样具有一定的形状和体积，又像液体一样分子间排列只是近似有序，是非晶态或无定形态。

二 玻璃化温度与食品稳定性,几个概念,,橡胶态（rubbery state）,：,是指大分子聚合物转变成柔软而具有弹性的固体,,黏流态,：,大分子聚合物转变成柔软而具弹性的固体※,玻璃化转变温度,（glass transition temperature，Tg，Tg’）：,Tg是指非晶态的食品体系从玻璃态向橡胶态的转变时的温度； Tg’是特殊的Tg，是指食品体系在冰形成时具有最大冷冻浓缩效应的玻璃化转变温度在Tg下，食品具有高度的稳定性，低温冷冻时，食品的稳定性与,该食品的Tg与储藏温度t的差,来决定,,位转移:水分在同一食品的不同部位或在不同食品之间发生位转移水分的化学式：µ= µ（,T,,p）+RTln,Aw,,高µ 低µ,,,＊,T: 高温区向低温区，过程缓慢,,＊,Aw：高Aw区域向低Aw区域，自动转移,,（蛋糕和饼干放在一起）,,,,※,1.8 含水食品的水分转移,一 食品中水分的位转移,,相转移包括：水分蒸发（evaporation） 水分凝结（condensing）,,,水分蒸发：△,µ= µF- µe,,1,△,µ,﹥0，食品中的水分向外界转移是自发过程。

2 △,µ,=0，食品水溶液的水蒸气与空气中水蒸气处于动态平衡，食品货架期的理想环境3 △,µ,﹤,0，空气中的水蒸气向食品中自动转移,,空气的饱和湿度差,,,二,食品中水分的相转移,,水蒸气的凝结:,,温度--食品表面温度低于空气中水蒸气的饱和温度 时，会产生凝结亲水性物质：吸附（糕点）,,憎水性物质: 凝结成小水滴（水果,）,,※,分子移动性,（molecular mobility，Mm）也称分子流动性，是分子的旋转移动和平动移动的总度量＊,完全完整的结晶状态—Mm值为0,,＊,玻璃态时---Mm值近乎0,,＊,多数情况---Mm值大于0,,＊,决定Mm值大小：水和食品中占优势的非水成分1.9 分子流动性与食品稳定性,,,Mm—在估计由扩散限制的性质（冷冻食品、冷冻干燥、结晶、胶凝作用、淀粉老化）,,估计食品保藏在接近室温时导致的结块、黏结和脆性等物理变化时， Mm和Aw效果相同,,Aw---估计不含冰的产品中微生物的生长和非扩散限制的化学反应水分活度，分子移动性和Tg,,在预测食品稳定性的比较,,本章小结,,,,1.1 概述,1.2 冰和水的结构,,水分子的结构,水分子的缔合,液态水的模型,冰的结构,1.3 食品中水的存在状态,,水和溶质间的相互作用,食品中水的存在状态,1.4 水分活度,,定义,测定方法,与温度的关系,1.5 水分吸湿等温线,,各区特点,滞后现象,,1.6 水分活度与食品的稳定性,,水分活度与微生物,水分活度与化学反应,1.7 冰与食品的稳定性,冷冻与食品稳定性,,玻璃化温度与食品稳定性,1.8 含水食品的水分转移,,相转移,位转移,1.9 分子流动性与食品稳定性,水分活度，分子移动性和Tg,,在预测食品稳定性的比较,,。