食品化學(xué) 第二章 水分.ppt

2020年3月13日 第二章水分 第二章水分 食品化學(xué) 主講 張洪微 2020年3月13日 第二章水分 主要內(nèi)容 第一節(jié)水和冰的物理特性第二節(jié)水和冰的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第三節(jié)水在食品中的存在狀態(tài)第四節(jié)水分活度第五節(jié)吸濕等溫線第六節(jié)水分活度與食品的穩(wěn)定性第七節(jié)含水食品的水分轉(zhuǎn)移 2020年3月13日 第二章水分 第一節(jié)水和冰的物理特性 一 水在食品中的作用 含水量 從食品的理化性質(zhì)上講 水在食品中起著溶解分散蛋白質(zhì) 淀粉等可溶性成分的作用 使它們形成溶液或凝膠 從食品品質(zhì)方面講 對(duì)食品的鮮度 硬度 流動(dòng)性 風(fēng)味等方面都有重要的影響 水的質(zhì)量關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量 從食品的安全性方面講 水是微生物繁殖的必須條件 從食品工藝角度講 水起著膨潤 浸透 均勻化的功能 2020年3月13日 第二章水分 二 水和冰的物理性質(zhì) 高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn) 具有很大的表面張力 熱容以及相變熱值 介電常數(shù)大 水的密度很小 水在凝固時(shí)具有異常的膨脹性 水的黏度低 具有流動(dòng)性 水的熱導(dǎo)率較大 0 時(shí)冰的熱導(dǎo)率為同溫下水的熱導(dǎo)率的4倍 2020年3月13日 第二章水分 第二節(jié)水和冰的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 2020年3月13日 第二章水分 一 水分子的結(jié)構(gòu)特征 以氧為中心的四面體結(jié)構(gòu) O H鍵間的鍵角為104 5度 水分子是極性分子 O H具有離子性 水分子可以電離 氧的另外兩對(duì)孤對(duì)電子有靜電力 具有兩個(gè)氫給體和兩個(gè)氫受體 18種同位素變體量極少 2020年3月13日 第二章水分 水分子的締合作用 一個(gè)水分子可以和周圍四個(gè)水分子締合 形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 2020年3月13日 第二章水分 水分子締合的原因 H O鍵間電荷的非對(duì)稱分布使H O鍵具有極性 這種極性使分子之間產(chǎn)生引力 由于每個(gè)水分子具有數(shù)目相等的氫鍵供體和受體 因此可以在三維空間形成多重氫鍵 靜電效應(yīng) 2020年3月13日 第二章水分 二 結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系 氫鍵水分子簇水分子是可移動(dòng)水分子之間的締合程度和分子間的距離 每個(gè)水分子都參與了和其他4個(gè)水分子形成三維空間的多重氫鍵締合 因此具有高的沸點(diǎn) 熔點(diǎn) 熱容和相變熱等 產(chǎn)生了多分子偶極 有效地提高了水的介電常數(shù) 所以具有溶劑性 可以促進(jìn)電解質(zhì)電離 三維氫鍵網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)水分子是可移動(dòng)的 它們快速地切斷一個(gè)氫鍵 同時(shí)形成新的氫鍵網(wǎng) 因此水具有流動(dòng)性 黏度較低 水分子之間的締合程度增加 密度增加 分子距離增加 密度減小 0 3 98 締合程度起決定作用 所以 在這個(gè)范圍內(nèi) 隨溫度升高 密度增加 在3 98 時(shí) 密度最大 在3 98 以上 水分子之間的距離占主導(dǎo)地位 密度又隨溫度的升高而降低 2020年3月13日 第二章水分 三 冰的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 氧核間距離最小為0 276nm 一個(gè)水分子通過氫鍵與相鄰的4個(gè)水分子結(jié)合 O O O鍵角約為109度 冰是水分子有序排列形成的晶體 2020年3月13日 第二章水分 2020年3月13日 第二章水分 2020年3月13日 第二章水分 2020年3月13日 第二章水分 冰的分類 按冷凍速度和對(duì)稱要素分 冰可分為四大類 六方型冰晶不規(guī)則樹枝狀結(jié)晶粗糙的球狀結(jié)晶易消失的球狀結(jié)晶及各種中間體 六方冰晶形成的條件 在最適的低溫冷卻劑中緩慢冷凍 溶質(zhì)的性質(zhì)及濃度均不嚴(yán)重干擾水分子的遷移 2020年3月13日 第二章水分 冰晶的形成 晶核過冷狀態(tài) 過冷溫度可外加晶核速凍對(duì)食品的影響 2020年3月13日 第二章水分 第三節(jié)水在食品中的存在狀態(tài) 一 水與溶質(zhì)的相互作用 2020年3月13日 第二章水分 1 水與離子和離子基團(tuán)的相互作用 第二章水分 1 水與離子和離子基團(tuán)的相互作用 離子水合作用 凈結(jié)構(gòu)形成效應(yīng) 離子是電場強(qiáng)度較強(qiáng) 離子半徑小的離子或多價(jià)離子 它們有助于水形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 因此這類離子的水溶液比純水的流動(dòng)性小 也就是這種溶液中離子間的結(jié)構(gòu)要比純水的結(jié)構(gòu)要穩(wěn)定 凈結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng) 離子一般為低價(jià)離子 離子半徑較大 這些離子能阻礙水形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 因此這種溶液比純水的流動(dòng)性要大 Li Na Ca2 K Rb CI 稀鹽溶液 2020年3月13日 第二章水分 2 水與具有氫鍵鍵合能力的中性基團(tuán)的相互作用 2020年3月13日 第二章水分 3 水與非極性物質(zhì)的相互作用 2020年3月13日 第二章水分 3 水與非極性物質(zhì)的相互作用 籠形水合物 指水通過氫鍵形成籠狀結(jié)構(gòu) 將非極性小分子包在里面 通常由20 74個(gè)水分子組成籠形結(jié)構(gòu) 水與蛋白質(zhì)分子中的疏水基團(tuán)的締合 大多數(shù)蛋白質(zhì)分子中 大約有40 的氨基酸含有非極性基團(tuán) 這些疏水基團(tuán)就會(huì)締合產(chǎn)生疏水相互作用 2020年3月13日 第二章水分 二 水的存在狀態(tài) 化合水結(jié)合水鄰近水多層水滯化水體相水毛細(xì)管水自由流動(dòng)水 2020年3月13日 第二章水分 結(jié)合水 束縛水或固定水 存在于溶質(zhì)或非水組分附近 與溶質(zhì)分子通過化學(xué)鍵的力結(jié)合的那部分水 由近到遠(yuǎn) 化合水 水與離子作用鄰近水 水與離子 水與偶極多層水 水與溶質(zhì)氫鍵 2020年3月13日 第二章水分 自由水 體相水 被非水物質(zhì)物理截留在組織中的水 根據(jù)存在方式 滯化水 不能自由流動(dòng)毛細(xì)管水 毛細(xì)管力所阻留自由流動(dòng)水 可自由流動(dòng) 2020年3月13日 第二章水分 2020年3月13日 第二章水分 第四節(jié)水分活度 引言食品的水分含量 食品的腐敗性存在相關(guān)性但發(fā)現(xiàn)水分含量相同 腐敗性顯著不同水分含量不是一個(gè)腐敗性的可靠指標(biāo)水分活度Aw水與非水成分締合強(qiáng)度上的差別比水分含量更可靠 也并非完全可靠與微生物生長和許多降解反應(yīng)具有相關(guān)性 2020年3月13日 第二章水分 第四節(jié)水分活度 f 溶劑 水 的逸度 f0 純?nèi)軇?水 的逸度 逸度 溶劑從溶液逃脫的趨勢 嚴(yán)格 差別1 僅適合理想溶液 RVP 相對(duì)蒸汽 2020年3月13日 第二章水分 Aw P P0 第四節(jié)水分活度 一 定義 指食品中水的蒸汽壓和該溫度下純水的飽和蒸汽壓的比值 水分活度值介于0 1之間 2020年3月13日 第二章水分 Aw P P0 ERH 100 N n1 n1 n2 ERH equilibriumrelativehumidity 是樣品周圍的空氣平衡相對(duì)濕度 它是與樣品平衡的大氣的性質(zhì) 拉烏爾定律 水分活度的意義 水分活度表示生物組織與食品中能參與生物活動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)的水分含量 2020年3月13日 第二章水分 水分活度的幾種測量方法 冰點(diǎn)測定法相對(duì)濕度傳感器測定法恒定相對(duì)濕度平衡室法水分活度儀 2020年3月13日 第二章水分 二 水分活度與溫度的關(guān)系 k是樣品中非水物質(zhì)的本質(zhì)和濃度的函數(shù) 也是溫度的函數(shù) 2020年3月13日 第二章水分 意義 一定樣品 在恒定的水分含量下 水分活度的對(duì)數(shù)在不太寬的溫度范圍內(nèi)隨絕對(duì)溫度升高而正比例升高 lnAw和1 T兩者間有良好的線性關(guān)系但它們的線性關(guān)系是以含水量為參數(shù)的 當(dāng)水分含量越大時(shí) 水分活度受溫度的影響越大 2020年3月13日 第二章水分 冰點(diǎn)以上和冰點(diǎn)以下水分活度的區(qū)別 比較高于和低于凍結(jié)溫度下的Aw時(shí)應(yīng)注意兩個(gè)重要差別 在凍結(jié)溫度以上 Aw是樣品組分與溫度的函數(shù) 且前者是主要因素 在凍結(jié)溫度以下 Aw與樣品組分無關(guān) 只取決于溫度 不能根據(jù)Aw預(yù)測受溶質(zhì)影響的冰點(diǎn)以下發(fā)生的過程 如擴(kuò)散控制過程 催化反應(yīng)等 凍結(jié)溫度以上和以下Aw對(duì)食品穩(wěn)定性的影響是不同的 2020年3月13日 第二章水分 第五節(jié)吸濕等溫線 定義 MSI 是指在恒定溫度下 食品的水分含量與它的水分活度之間的關(guān)系圖 2020年3月13日 第二章水分 吸濕等溫線的區(qū)域 2020年3月13日 第二章水分 區(qū)的水的性質(zhì) 最強(qiáng)烈地吸附最少流動(dòng)水 離子或水 偶極相互作用在 40 不結(jié)冰不能作為溶劑看作固體的一部分化合水和鄰近水占總水量極小部分 2020年3月13日 第二章水分 BET單層區(qū) 和 接界0 07gH2O g干物質(zhì)Aw 0 2相當(dāng)于一個(gè)干制品能呈現(xiàn)最高的穩(wěn)定性時(shí)含有的最大水分含量 2020年3月13日 第二章水分 區(qū)的水的性質(zhì) 通過氫鍵與相鄰的水分子和溶質(zhì)分子締合流動(dòng)性比體相水稍差大部分在 40 不結(jié)冰導(dǎo)致固體基質(zhì)的初步腫脹多層水區(qū) 和區(qū) 的水占總水分的5 以下 2020年3月13日 第二章水分 區(qū)的水的性質(zhì) 體相水被物理截留或自由的宏觀運(yùn)動(dòng)受阻性質(zhì)與稀鹽溶液中的水類似 占總水分的95 以上 2020年3月13日 第二章水分 各區(qū)特性 2020年3月13日 第二章水分 滯后現(xiàn)象 通常吸濕等溫線的繪制是通過向干燥樣品中添加水而得到的 因此我們也常把這個(gè)過程叫回吸作用 如果把這個(gè)吸滿水的樣品再進(jìn)行干燥 同樣又可以得到一條曲線 我們把這條線叫解吸曲線 滯后現(xiàn)象 樣品的吸濕等溫線和解吸等溫線不完全重疊的現(xiàn)象 2020年3月13日 第二章水分 一般來說 當(dāng)Aw一定時(shí) 解吸過程中食品的水分含量大于回吸過程中水分含量 解吸線在上方 滯后環(huán)形狀取決于 食品品種解吸速度脫水程度 溫度 2020年3月13日 第二章水分 空氣干燥的蘋果片冷凍干燥的熟豬肉 2020年3月13日 第二章水分 2020年3月13日 第二章水分 滯后現(xiàn)象產(chǎn)生的原因 解吸過程中一些水分與非水溶液成分作用而無法放出水分 不規(guī)則形狀產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象的部位 欲填滿或抽空水分需不同的蒸汽壓 要抽出需P內(nèi) P外 要填滿則需P外 P內(nèi) 解吸作用時(shí) 因組織改變 當(dāng)再吸水時(shí)無法緊密結(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 2020年3月13日 第二章水分 滯后現(xiàn)象的現(xiàn)實(shí)意義 雞肉和豬肉Aw 0 75 0 84 解吸時(shí)脂肪氧化速度高于回吸Aw一定 解吸樣品的水分高于回吸高水分樣品粘度低 催化劑流動(dòng)性好 基質(zhì)的腫脹使催化部位暴露控制微生物生長 解吸方法比回吸方法制備樣品時(shí)要達(dá)到更低的Aw 2020年3月13日 第二章水分 第六節(jié)水分活度與食品的穩(wěn)定性 一 水分活度與微生物的關(guān)系1 不同微生物的生長對(duì)水分活度的要求不同 大多數(shù)的細(xì)菌0 99 0 94 大多數(shù)霉菌0 94 0 8之間 大多數(shù)耐鹽細(xì)菌0 75 耐干燥霉菌和耐高滲透壓酵母0 65 0 6 低于0 6時(shí) 絕大多數(shù)的微生物是無法生長的 2020年3月13日 第二章水分 2 不同階段對(duì)水分活度的閾值的要求不同細(xì)菌 它在形成芽孢時(shí)的Aw比繁殖生長時(shí)所需的水分活度值要高 霉菌孢子發(fā)芽的Aw閾值則低于孢子發(fā)芽后菌絲生長所需的Aw值 微生物產(chǎn)生毒素時(shí)所需的Aw閾值則高于生長時(shí)所需的Aw數(shù)值 2020年3月13日 第二章水分 食品中水分活度與微生物生長 2020年3月13日 第二章水分 二 水分活度與食品化學(xué)變化的關(guān)系 1 對(duì)脂肪氧化酸敗的影響 水能與脂肪氧化的自由基反應(yīng)中的氫過氧化物形成氫鍵水能與金屬離子形成水合物 水增加了氧的溶解度脂肪分子腫脹催化劑和氧的流動(dòng)性增加 催化劑和反應(yīng)物的濃度被稀釋 2020年3月13日 第二章水分 2 水分活度對(duì)非酶褐變的影響 在一定的水分活度范圍內(nèi) 反應(yīng)速度隨水分活度的值增大而增大 在水分活度在0 2以下 反應(yīng)通常不會(huì)發(fā)生 而當(dāng)水分活度過大時(shí) 大于0 7 反應(yīng)速度下降 2020年3月13日 第二章水分 3 對(duì)淀粉老化的影響 30 60 老化的速度最快10 15 淀粉不會(huì)發(fā)生老化 4 對(duì)蛋白質(zhì)變性的影響 水分活度增大會(huì)加速蛋白質(zhì)的氧化作用 5 對(duì)酶促褐變的影響 當(dāng)Aw值降低到0 25 0 30的范圍 就能有效地減慢或阻止酶促褐變的進(jìn)行 2020年3月13日 第二章水分 降低水分活度可以降低食品的化學(xué)反應(yīng)速度 提高食品的穩(wěn)定性 大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)只有在水中才能進(jìn)行 一些離子反應(yīng)在沒有自由水存在時(shí)是無法進(jìn)行離子化或水化作用的 在一些反應(yīng)中 水不僅作為反應(yīng)介質(zhì) 還是反應(yīng)的參與者 沒有了自由水的參加 反應(yīng)速度變慢 在酶促反應(yīng)中 水作為輸送介質(zhì) 大多數(shù)酶在水分活度低于0 2和大于0 8時(shí)受到抑制 2020年3月13日 第二章水分 三 冰在食品穩(wěn)定性中的作用 冷凍法 降溫的目的水結(jié)冰會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)不良的后果體積增大 細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞 濃度變大 產(chǎn)生濃縮效應(yīng) 冰凍對(duì)反應(yīng)速度具有兩個(gè)相反方向的影響降低溫度導(dǎo)致反應(yīng)速度變緩 可能導(dǎo)致反應(yīng)速度的加快 2020年3月13日 第二章水分 速凍 慢凍 2020年3月13日 第二章水分 第七節(jié)含水食品的水分轉(zhuǎn)移 食品吸水或失水以及水分在同一食品的不同部位的移動(dòng)的現(xiàn)象叫水分的轉(zhuǎn)移 水分轉(zhuǎn)移可分為兩種情況 不同食品位轉(zhuǎn)移同一食品不同部位相轉(zhuǎn)移三態(tài)之間的變化 2020年3月13日 第二章水分 一 水分的位轉(zhuǎn)移 動(dòng)力化學(xué)勢由高到低溫度 水分活度 從高溫部位會(huì)向低溫部位移動(dòng)從水分活度高的部位向水分活度低的地方轉(zhuǎn)移 2020年3月13日 第二章水分 二 水分的相轉(zhuǎn)移 空氣濕度的表示法 絕對(duì)濕度 是指空氣中實(shí)際所含有的水蒸氣的數(shù)量 即單位體積空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量或水蒸氣所具有的壓力 飽和濕度 是指在一定溫度下 單位體積空氣所能容納的最大水蒸氣量或水蒸氣所能具有的最大壓力 相對(duì)濕度 指空氣絕對(duì)濕度與同溫度下飽和濕度的比值 以 表示 2020年3月13日 第二章水分 二 水分的相轉(zhuǎn)移 水分蒸發(fā) 與空氣濕度與飽和濕度差有關(guān)飽和濕度差大 則食品水分蒸發(fā)量就大蒸汽凝結(jié) 空