食品中水与非水组分之间的相互作用PPT课件

1、Welcome to Join!Starts here!有您会更精彩食 品 化 学 打开食品科学之门的钥匙|掌握水在食品中的重要作用；|了解水和冰的结构及性质；|掌握水在食品中的存在状态；|掌握水分活度和水分等温吸湿线的概念、意义；|掌握水分活度与食品的稳定性之间的关系。教学目的和要求2.1 概述2.1.1 水的作用 水是地球上储量最多、分布最广的物质； 生物体内水分含量一般7080%；成年人含水量为5867%，正常情况，每人每日需要摄入22.7 L水，维持生命活动。 水使人体体温保持稳定； 水使一种溶剂，能作为体内营养素运输、吸收和代谢物运转的载体，也可作为体内化学和生物化学的反应物和反应介质； 水是天然的润滑剂，使摩擦面润滑，减少损伤； 水是优良的增塑剂，是生物大分子聚合物构象的稳定剂，酶催化剂等大分子动力学行为的促进剂。木瓜蛋白酶中的三分子水桥 水是食品非常重要的一种成分，也是构成大多数食品的主要成分。食品名称水分%食品名称水分%食品名称水分%番茄 95莴莴苣 95卷心菜 92啤酒 90柑橘 87苹果汁 87 牛奶 87 马铃马铃 薯 78 香蕉 75 鸡鸡 70 肉 65 面包

2、 35 果酱酱 28 蜂蜜 20 奶油 16稻米面粉 12 奶粉 4 酥油 0表2.1 某些代表性食品的含水量水在食品中的重要作用 水分含量、分布和状态不仅对食品的结构、外观、质地、风味、色泽、流动性、新鲜程度和腐败变质的敏感性产生极大的影响，而且对生物组织的生命过程也起着至关重要的作用。如：水在食品储藏加工过程中作为化学和生物化学的反应介质，又是水解过程的反应物；水是微生物生长繁殖的重要因素，影响食品的货架期；水与蛋白质、脂类和多糖通过物理相互作用影响食品的质构；水还能发挥膨润、浸湿的作用，影响食品的加工性。2.2 水和冰的结构和性质2.2.1水分子的结构2.2.2 水分子的缔合作用由于水分子的极性及两种组成原子的电负性差别，导致水分子之间可以通过形成氢键而呈现缔合状态。由于每个水分子上有4个形成氢键的位点，因此每个水分子的可以通过氢键结合4个水分子。因为每个水分子具有相等的氢键给予体和氢键接受体的部位，并且这些部位的排列可以形成稳定的三维空间结构，因此，水分子之间的吸引力比其他形成氢键的小分子（NH3或HF）要大的多。这就是为什么水的沸点较高。水的反常的介电常数也与氢键缔合有关，因

3、为水的氢键缔合生成了庞大的水分子簇，产生了多分子偶极子，从而使水的介电常数显著增大。水的低粘度也与结构有关，因为氢键是网络动态的，当分子在纳秒这样短暂的时间内改变他们与邻近分子间的氢键结合关系时，会增大流动性。v水分子不仅相互之间可以通过氢键缔合，而且可以和其它带有极性基团的有机分子通过氢键相互结合，所以糖类、氨基酸类、蛋白质类、黄酮类、多酚类化合物在水中均有一定的溶解度。2.2.3 冰的结构和性质v冰是水分子通过氢键相互结合、有序排列形成的具有一定刚性的六方形晶体结构。冰的结构|冰结构中存在两个平行的平面，当冰受压下“滑动”时，它们作为个单元滑动，这类成对平面构成冰的“基础平面”v尽管水的冰点是0，但常并不在0结冻，而是出现过冷状态，只有当温度降低到开始出现稳定性晶核时，或在振动的促使下才会向冰晶体转化并放出潜热，同时温度迅速回升到0。开始出现稳定晶核时的温度叫过冷温度。如果外加晶核，不必达到过冷温度就能结冰，但此时生产的冰晶粗大。v食品中的水均是溶解了其中可溶性成分所形成的溶液，因此其结冰温度均低于0。食品中水完全结晶的温度叫低共熔点，大多数食品的低共熔点在-55-65之间。但冻藏

4、食品一般不需要如此低的温度，如我国冻藏食品的温度一般定为-18，大部分已水结冰，且最大程度的降低了其中的化学反应。v现代食品冷藏技术中提倡速冻，这是因为速冻形成的冰晶细小，呈针状，冻结时间短且微生物活动受到更大限制，从而保证了食品品质。2.3 食品中水与非水组分之间的相互作用2.3.1 食品中水与非水组分之间的相互作用2.3.1.1 与离子和离子基团的相互作用（食品中结合最紧密的一部分水）通过离子或离子基团的电荷与水分子偶极子发生静电相互作用(离子-偶极子)而产生水和作用。由于水分子具有大的偶极距，因此能与离子产生强的相互作用，这种极性作用比水分子之间的氢键还要强，如Na+与水分子之间的结合能力(83.68 kJ/mol)大约是水分子间氢键(20.9 kJ/mol)的4倍。2.3.1.2 水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用许多食品成分，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。这种氢键作用比水与离子间的静电作用要弱，但与水分子间的氢键相近。水与蛋白质中两类功能基团形成氢键 水与疏水性物

5、质（如烃类、稀有气体以及脂肪酸、氨基酸、蛋白质的非极性基团）相混合，由于非极性物质与水分子产生斥力，导致疏水分子附近的水分子之间的氢键键合增强，使得熵下降，在热力学上是不利的（G0），此过程称为疏水水合作用。2.3.1.3 水与非极性物质的相互作用v疏水水合作用的表现形式：笼形水合物的形成。v笼形水合物是冰状包合物，其中水为“主体”，通过氢键形成了笼状结构，物理截留了另一种称为“客体”的分子。v“主体”水分子与“客体”分子之间的相互作用一般是弱的范德华力。v笼形水合物一般由2074个水分子形成，具体多少视非极性物质的几何尺寸而定；只有“客体”的大小和形状适合于“主体”的笼才能被截留。“主体”“客体”笼形水合物 如果存在两个分离的非极性实体，那么不相容的水环境将促使它们相互靠近并缔合，从而减少水-非极性实体接触面积，这是个热力学上有利的过程(G0),此过程是疏水水合的部分逆转，被称为“疏水相互作用”。v大多数蛋白质分子中，约40%的氨基酸具有非极性侧链，而且约有三分之一的非极性基团暴露在水中，与水之间产生疏水的相互作用，对于保持蛋白质的活性构象具有一定的作用。v水与溶质的结合力非常重要，

6、相互作用如下表：种类类实实例相互作用的强度（与水的氢键氢键 比较较）偶极-离子水-游离离子较较强水-有机分子中的带电带电 基团团偶极-偶极水-氨基接近水-羰羰基水-羟羟基疏水水合水-非极性基团团远远小于疏水相互作用水-非极性基团团+水-非极性基团团水-非极性基团团-非极性基团团2.3.2 食品中水的存在形式食品中的水分子可与非水物质发生作用，根据作用的性质和程度，可将食品中的水分分为结合水和体相水。 结合水：也称束缚水、固定水，通常是指存在于溶质或其他非水组分附近的，与溶质分子之间通过化学键结合的那部分水。根据结合水被结合的牢固程度不同，分为化合水、邻近水和多层水。 体相水：又称游离水，是指食品中除了结合水以外的那部分水，是没有被非水物质化学结合的水。它又可分为三类，不移动水或滞化水、毛细管水和自由流动水。 木瓜蛋白酶中的三分子水桥（化合水）凝胶（滞化水） 结合水和体相水之间的界限很难定量区分，只能根据其理化性质作定性区分：v结合水的量与食品中有机大分子的极性基团的数量有比较固定的比例关系，如100g蛋白质大约可结合50g 的水，100g淀粉的持水能力在3040g；v结合水对食品品质和

7、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；v结合水的蒸汽压比自由水低得多，在一定温度（100oC）下结合水不能从食品中分离出来；v结合水不易结冰（冰点约-40oC），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；v结合水不能作为溶剂；v体相水可被微生物所利用，结合水则不能。 长期以来人们就已认识到食品的水分含量和它的易腐性之间存在着一定的关系。然而，发现不同类型的食品虽然水分含量相同，但是它们的易腐性显著不同，出现这种情况的原因是水与非水成分缔合强度的不同，参与强缔合的水比弱缔合的水在较低程度上支持降解活力，而水分活度正说明了水与各种非水成分的缔合强度，因此，水分活度比水分含量能更可靠的预示食品稳定性。2.4 水分活度2.4.1 水分活度的定义及测定方法一、定义：水分活度是指食品中水的蒸汽压与同温下纯水的饱和蒸汽压的比值，即：其中：Aw：水份活度； p：是某种食品在密闭容器中达到平衡状态时的水蒸汽分压， 即食品上空水蒸气的分压力； p0：相同温度下的纯水的蒸气压若把

8、纯水作为食品来看，其水蒸气压p和 p0相等，Aw=1，然而，一般食品不仅含有水分，而且有非水组分，食品的蒸气压比纯水小，即总是pp0相等，Aw1。注意：水分活度是样品的固有性质，反映了食品中水的存在状态。二、测定水分活度的方法a.冰点测定法：通过测定样品冰点的降低值（Tt）及水分含量（求出n2）,根据公式：G：样品中溶剂的克数； Tt ：冰点降低(oC);Kt：水的摩尔冰点降低常数。根据水分活度与拉乌尔定律的关系：N：溶剂摩尔分数；n1：溶剂摩尔数；n2：溶质摩尔数。b.相对湿度传感器测定法：在恒定温度下，把已知水分含量的样品放在一个密闭的小容器中，使其蒸气压和环境蒸气压达到平衡；用湿度传感器测定环境的平衡相对湿度，即可得出ERH，这时可得到样品的水分活度。分隔并相通的两个小室分别放样品和饱和盐溶液；样品量一般为1g；恒温温度一般为25 ，平衡时间为20min；分别测定水分活度高的饱和盐溶液和水分活度低的饱和盐溶液和样品达平衡时样品吸收或失去水的质量，利用下式求算样品的水分活度：康维氏微量扩散器Aw=(Ax+By)/(x+y)其中：Ax：水分活度低的饱和盐溶液的标准水分活度； By：水

9、分活度高的饱和盐溶液的标准水分活度；x：使用B液时样品的净增值；y：使用A液时样品的净减值；c.恒定相对湿度平衡室法：d.水分活度仪测定样品的Aw 2.4.2 水分活度与温度的关系测定水分活度时，必须标明温度。克劳修斯-克拉伯龙方程精确表示了水分活度与绝对温度（T）之间的关系：其中：R为气体常数；H为样品中水分的等量净吸附热，可用纯水的汽化潜热表示，是常数，其值为40537.2J/mol； k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。在样品一定和温度变化范围较窄的情况下，k可看做常数。 当水分含量一定时，在一定温度范围内，lnAw与1/T之间为一直线关系，其意义在于： 一定样品lnAw在不太宽的温度范围（如冰点以上）内随绝对温度的升高而正比例升高。T升高，Aw也升高。 水分活度是样品组成(含水量)和温度的函数。v但在较大的温度范围内（越过冰点），lnAw与1/T之间并非始终为一条直线；而是当冰开始形成时，曲线中出现明显的折点，在冰点以下lnAw与1/T的之间仍然呈线性关系，但是变化率（斜率）明显变大了，并且不再受食品中非水组分的影响

10、。v主要因为此时水的汽化潜热应由冰的升华热代替，致使H值大大增加了。v此外，由于冷冻食品中水的蒸汽分压等于相同温度下冰的蒸汽压，如果选用冰的蒸汽压作为p0，则Aw=1，这是不可能的，因此，水分活度的定义式中的p0应采用过冷纯水的蒸汽压。而冷冻食品中水的分压等于相同温度下冰的蒸汽压，冰的蒸汽压与食品的样品组成无关，因此，在冰点以下，水分活度与样品组成无关。H ：冰的升华热常压下，冰的升华热约为2822千焦/千克 水的汽化潜热2260千焦/千克 pw：部分冻结食品中水的分压；p0：纯过冷水的蒸汽压；pice：纯冰的蒸汽压v在比较冰点以上或冰点以下的水分活度值时应该注意到以下三个重要的区别:v第一，在冰点以上，水分活度是样品组成和温度的函数；而在冰点以下时，水分活度与样品的组成无关，仅与温度有关。v第二，冰点以上和以下时，就食品而言，水分活度的意义是不一样的。例如：在水分活度为0.86的-15的食品中，微生物不再生长，其它化学反应的速度也很慢；但在同样的水分活度而温度是20情况下，一些化学反应将快速进行，一些微生物也将中等速度生长。v第三，冰点以下的Aw数据不能用来预示冰点以上的相同食品的A

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