水分活度和吸濕等溫曲線

1、關(guān)于水分活度與吸濕等溫曲線第一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.3.1 水分活度的定義及測定方法一、定義： 一定溫度下樣品水分蒸氣壓與純水蒸氣壓的比值；用公式表示即為： Aw= p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2) Aw ：水份活度； p：樣品中水的蒸氣分壓 p0：同溫純水蒸氣壓； ERH：樣品周圍空氣不與樣品換濕時的平均相對濕度； N：稀溶液中溶質(zhì)的mol分數(shù)； n1：稀溶液中水的mol數(shù)； n2：稀溶液中溶質(zhì)的mol數(shù)。第三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月注意： 1.上述公式成立的前提是溶液是理想溶液并達到熱

2、力學(xué)平衡，食品體系一般不符合這個條件，因此上式嚴格講，只是近似的表達。2.公式中的前兩項，即Aw=p/p0=ERH/100，是根據(jù)水分活度定義給出的；而后兩項是拉烏爾定律所確定的，其前提是稀溶液。所以前兩項和后兩項之間也應(yīng)該是近似的關(guān)系。3.由于p/p0和n1/n1+n2，因此，aw的值在01之間。第四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、測定方法可以利用不同的方法對于食品中的水分活度進行測定：a.冰點測定法：b.相對濕度傳感器測定法：c.康維氏微量擴散器測定法第五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月c.康維氏微量擴散器測定法康維氏微量擴散器可如右圖示意：分隔并相通的兩個小室分別

3、放樣品和飽和鹽溶液；樣品量一般為1g；恒溫溫度一般為25 ，平衡時間為20min；分別測定水分活度高的飽和鹽溶液和水分活度低的飽和鹽溶液和樣品達平衡時樣品吸收或失去水的質(zhì)量，利用下式求算樣品的水分活度：康維氏微量擴散器aw=(Ax+By/(x+y) 其中：Ax：活度低的鹽溶液活度； By：活度高的鹽溶液活度 x：使用B時的凈增值； y：使用A時的凈減值；第六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.3.2 水分活度和溫度的關(guān)系 上邊對于水分活度定義及測定方法的敘述中，均強調(diào)了在一定的溫度下。也就是說溫度對于水分活度的值有較大的影響。第七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 其中：此處

4、的H 可用純水的汽化潛熱表示，是常數(shù)，其值為40537.2J/mol；K的直觀意義是在達到同樣水蒸氣壓時，食品的溫度比純水溫度高出的比值，本質(zhì)反映了食品中非水成分對水活性的影響。食品中非水成分越多并且與水的結(jié)合能力越強，k值越大，相同溫度時Aw值越??；反之亦然。第八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月討論： a.由公式(2)可知，lnAw與1/T之間為一直線關(guān)系，其意義在于：一定樣品水分活度的對數(shù)在不太寬的溫度范圍內(nèi)隨絕對溫度的升高而正比例升高。b.但在較大的溫度范圍內(nèi)， lnAw與1/T之間并非始終為一直線關(guān)系；當(dāng)冰開始形成時，lnAw與1/T曲線中出現(xiàn)明顯的折點，冰點以下lnAw與1

5、/T的變化率明顯加大了，并且不再受樣品中非水物質(zhì)的影響；這是因為此時水的汽化潛熱應(yīng)由冰的升華熱代替，也就是說前述的Aw與溫度的關(guān)系方程中的H值大大增加了。第九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 由b可以得出結(jié)論：在比較冰點以上或冰點以下的水分活度值時應(yīng)該注意到以下兩個重要的區(qū)別。第一，在冰點以上，水分活度是樣品組成和溫度的函數(shù)，并且樣品組成對于水分活度值有明顯的影響；而在冰點以下時，水分活度與樣品的組成無關(guān)，僅與溫度有關(guān)。因此不能根據(jù)冰點以上水分活度值來預(yù)測體系中溶質(zhì)種類和含量對冰點以下體系發(fā)生變化的影響。第二，冰點以上和以下時，就食品而言，水分活度的意義是不一樣的。例如：在水分活度為

6、0.86的-15的食品中，微生物不再生長，其它化學(xué)反應(yīng)的速度也很慢；但在同樣的水分活度而溫度是20情況下，一些化學(xué)反應(yīng)將快速進行，一些微生物也將中等速度生長。第十張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 水分吸濕等溫線Moisture Sorption Isotherms(MSI) 在恒定溫度下，食品水分含量（每克干物質(zhì)中水的質(zhì)量）與Aw的關(guān)系曲線。一、定義 DefinitionMSI的實際意義: 1、由于水的轉(zhuǎn)移程度與Aw有關(guān)，從MSI圖可以看出食品脫水的難易程度，也可以看出如何組合食品才能避免水分在不同物料間的轉(zhuǎn)移。 2、據(jù)MSI可預(yù)測含水量對食品穩(wěn)定性的影響。 3、從MSI還可看

7、出食品中非水組分與水結(jié)合能力的強弱。第十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月測定方法：在恒定溫度下，改變食品中的水分含量，測定相應(yīng)的活度，以水分含量為縱軸、Aw為橫軸畫出曲線。二、MSI中的分區(qū)一般的MSI均可分為三個區(qū)，如下圖所示：區(qū)：為構(gòu)成水和鄰近水區(qū)，即與食品成分中的羧基、氨基等基團通過氫鍵或靜電引力相互結(jié)合的那部分水。由于這部分水比較牢固的與非水成分結(jié)合，因此aw較低，一般在00.25之間，相當(dāng)于物料含水量00.07g/g干物質(zhì)。這種水不能作為溶劑而且在-40不結(jié)冰，對固體沒有顯著的增塑作用，可以簡單的看作固體的一部分。第十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月要注意的是

8、，一般把區(qū)和區(qū)交界處的水分含量稱為食品的“單分子層”水含量，這部分水可看成是在干物質(zhì)可接近的強極性基團周圍形成一個單分子層所需水量的近似值。第十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月區(qū)：多層水區(qū)，即食品中與酰胺基、羧基等基團和結(jié)合水、鄰近水以水溶質(zhì)、水水以氫鍵和締合作用被相對固定的水，也包括直徑小于1m的毛細管的水；這部分水的Aw一般在0.250.8之間，相當(dāng)于物料含水量在0.07g/g干物質(zhì)至0.140.33g/g干物質(zhì)。當(dāng)食品中的水分含量相當(dāng)于區(qū)和區(qū)的邊界時，水將引起溶解過程，它還起了增塑劑的作用并且促使固體骨架開始溶脹。溶解過程的開始將促使反應(yīng)物質(zhì)流動，因此加速了大多數(shù)的食品化學(xué)反

9、應(yīng)。第十四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月區(qū)：自由水區(qū)，Aw在0.80.99之間，物料最低含水量在0.140.33 g/g干物質(zhì)，最高為20g/g干物質(zhì)。這部分水是食品中與非水物質(zhì)結(jié)合最不牢固、最容易流動的水，也稱為體相水。其蒸發(fā)焓基本上與純水相同，既可以結(jié)冰也可作為溶劑，并且還有利于化學(xué)反應(yīng)的進行和微生物的生長。第十五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 按照吸濕等溫線將食品中所含的水分作三個區(qū)，對于食品中水的應(yīng)用及防腐保鮮具有重要的意義。但也要理解，這種分區(qū)是相對的。因為除化學(xué)吸附結(jié)合水外，等溫線每一個區(qū)間內(nèi)和區(qū)間與區(qū)間之間的水都可以發(fā)生交換。另外，向干燥物質(zhì)中增加水雖然能

10、夠稍微改變原來所含水的性質(zhì)，即基質(zhì)的溶脹和溶解過程，但是當(dāng)?shù)葴鼐€的區(qū)間增加水時，區(qū)間水的性質(zhì)幾乎保持不變；同樣在區(qū)間內(nèi)增加水，區(qū)間的性質(zhì)也幾乎保持不變。從而說明，食品中結(jié)合得最不牢固的那部分水對食品的穩(wěn)定起著重要的作用。第十六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月MSI上不同區(qū)水分特性第十七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月MSI與溫度的關(guān)系水分含量一定 T，AwAw一定 T，水分含量在不同溫度下馬鈴薯的水分吸著等溫線第十八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、滯后現(xiàn)象Hysteresis 1、定義：采用回吸(resorption)的方法繪制的MSI和按解吸(desorpt

11、ion)的方法繪制的MSI并不互相重疊的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。 在一指定的Aw時，解吸過程中試樣的水分含量大于回吸過程中的水分含量第十九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月高糖-高果膠食品空氣干燥蘋果總的滯后現(xiàn)象明顯滯后出現(xiàn)在真實單層水區(qū)域Aw0.65時，不存在滯后第二十張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月淀粉質(zhì)食品冷凍干燥大米存在大的滯后環(huán)Aw=0.70時最嚴重第二十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月高蛋白食品冷凍干燥熟豬肉Aw0.85開始出現(xiàn)滯后滯后不嚴重回吸和解吸等溫線均保持S形第二十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2、滯后現(xiàn)象產(chǎn)生的原因 （1）解吸過程中一

12、些水分與非水溶液成分作用而無法放出水分。 （2）不規(guī)則形狀產(chǎn)生毛細管現(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))。 （3）解吸作用時，因組織改變,當(dāng)再吸水時無法緊密結(jié)合水，由此可導(dǎo)致回吸相同水分含量時處于較高的aw。第二十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.4 與水相關(guān)的食品學(xué)問題及相關(guān)技術(shù)原理2.4.1 水分活度與食品的穩(wěn)定性下面幾張圖說明了食品中的化學(xué)反應(yīng)及微生物的活性與水分活度有密切的關(guān)系，因此食品的水分活度對食品的穩(wěn)定性產(chǎn)生著巨大的影響。第二十四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.4.2 水分活度與微生物生命活動的關(guān)系食品

13、質(zhì)量及食品加工工藝的確定與微生物有密切的關(guān)系。而食品中微生物的存活及繁殖生長與食品中水分的活度有密切的關(guān)系。下表列出了不同微生物生長與食品水分活度的關(guān)系。第二十五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月A范圍在此范圍內(nèi)的最低Aw所能抑制的微生物種類在此水分活度范圍內(nèi)的食品1.000.950.950.910.910.870.870.800.800.750.750.650.650.6小于0.5 假單胞菌、大腸桿菌變形桿菌、志賀氏菌屬、克霍伯氏菌屬、芽孢桿菌、產(chǎn)氣莢膜梭狀芽孢桿菌、一些酵母沙門氏桿菌屬、溶副血紅蛋白弧菌、肉毒梭狀芽孢桿菌、沙雷氏桿菌、乳酸桿菌屬、足球菌、一些霉菌、酵母許多酵母、小球

14、菌大多數(shù)霉菌、金黃色葡萄球菌、大多數(shù)酵母菌屬大多數(shù)嗜鹽細菌、產(chǎn)真菌毒素的曲霉嗜旱霉菌、二孢酵母耐滲透壓酵母、少數(shù)霉菌微生物不增殖極易腐敗變質(zhì)（新鮮）的食品、罐頭水果、蔬菜、肉、魚及牛奶，熟香腸和面包，含有約40%(w/w)蔗糖或7%食鹽的食品一些干酪、腌制肉、一些水果汁濃縮物，含有55%蔗糖（飽和）或12%食鹽的食品發(fā)酵香腸、松蛋糕、干的干酪、人造奶油、含65%蔗糖（飽和或15%食鹽的食品大多數(shù)濃縮果汁、甜煉乳、巧克力糖漿、槭糖漿和水果糖漿，面粉，米，含有1517%水分的豆類食品水果蛋糕，家庭自制火腿等果醬、加柑橘皮絲的果凍、杏仁酥糖、糖漬水果、一些棉花糖含10%水分的燕麥片、砂性軟糖、棉花糖

15、等含1520%水的果干、蜂蜜等表2.1 食品中水分活度與微生物生長第二十六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月由上表可以看出：a.不同種類的微生物其正常生長繁殖所需要的水分活度不同，由此可以正確推斷影響不同含水量食品質(zhì)量的主要微生物；b.表中每一個水分活度區(qū)間的下限為相應(yīng)微生物正常生長的水分活度閾值，即在此水分活度以下，該類微生物不能正常生長。不同種類的微生物其存活和生長與水分活度有關(guān)系，同一種類微生物在不同的生長階段也要求不同的水分活度。一般講，細菌形成芽孢時比繁殖時所需的水分活度要高；產(chǎn)毒微生物在產(chǎn)生毒素時所需的水分活度高于不產(chǎn)毒時所需的水分活度。第二十七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于

16、2022年6月 由以上討論可以得出結(jié)論，當(dāng)食品的水分活度降低到一定的限度以下時，就會抑制要求水分活度閾值高于此值的微生物的生長、繁殖或產(chǎn)生毒素，使食品加工和貯藏得以順利進行。 當(dāng)然發(fā)酵技術(shù)中要求所用微生物能正?？焖僭鲋?，此時則要給予合適的、必要高的水分活度；另外，利用水分活度控制食品質(zhì)量或加工工藝時還要考慮pH、營養(yǎng)成分、氧氣等因素對于微生物的影響。第二十八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.4.3 水分活度與食品化學(xué)變化的關(guān)系 食品中的水分活度與食品中所發(fā)生的化學(xué)變化的種類和速度有密切的關(guān)系；而食品中的化學(xué)變化是依賴于各類食品成分而發(fā)生的。以各類食品成分為線索，其化學(xué)變化與水分活度

17、關(guān)系的一般規(guī)律總結(jié)如下：第二十九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月淀粉：淀粉的食品學(xué)特性主要體現(xiàn)在老化和糊化上。老化是淀粉顆粒結(jié)構(gòu)、淀粉鏈空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而導(dǎo)致溶解性能、糊化及成面團作用變差的過程。在含水量大3060%時，淀粉的老化速度最快；降低含水量老化速度變慢；當(dāng)含水量降至1015%時，淀粉中的水主要為結(jié)合水，不會發(fā)生老化。脂肪：影響脂肪品質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)主要為酸敗，而酸敗過程的化學(xué)本質(zhì)是空氣氧的自動氧化。脂類的氧化反應(yīng)與水分含量之間的關(guān)系為：在區(qū)，氧化反應(yīng)的速度隨著水分增加而降低；在區(qū)，氧化反應(yīng)速度隨著水分的增加而加快；在區(qū)，氧化反應(yīng)速度隨著水分增加又呈下降趨勢。第三十張，PPT共三

18、十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 其原因是在非常干燥的樣品中加入水會明顯干擾氧化，本質(zhì)是水與脂肪自由基氧化中形成的氫過氧化合物通過氫鍵結(jié)合，降低了氫過氧化活性，從而降低了脂肪氧化反應(yīng)的速度；從沒有水開始，隨著水量的增加，保護作用增強，因此氧化速度有一個降低的過程；除了水對氫過氧化物的保護作用外，水與金屬的結(jié)合還可使金屬離子對脂肪氧化反應(yīng)的催化作用降低。當(dāng)含水量超過、區(qū)交界時，較大量的水通過溶解作用可以有效地增加氧的含量，還可使脂肪分子通過溶脹而更加暴露；當(dāng)含水量到達區(qū)時，大量的水降低了反應(yīng)物和催化劑的濃度，氧化速度又有所降低。第三十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 褐變反應(yīng)是影響食品質(zhì)

19、量和外觀特性的重要的化學(xué)反應(yīng)，包括酶促褐變和非酶褐變兩類。酶促褐變是在酶作用下，食品中的酚類化合物發(fā)生特殊的氧化反應(yīng)使食品顏色變劣的過程。當(dāng)食品中的水分活度在0.250.30之間時，酶促褐變可被有效防止；但當(dāng)水分活度在此基礎(chǔ)上增加時，酶促反應(yīng)就會明顯發(fā)生。非酶褐變指食品通過一些非酶氧化而導(dǎo)致食品變色的反應(yīng)。也與水分活度有密切的關(guān)系，當(dāng)食品中的水分活度在0.60.7之間時，非酶褐變最為嚴重；水分活度下降，褐變速度減慢，在0.2以下時，褐變難以發(fā)生。但當(dāng)水分活度超過褐變高峰要求的值時，其褐變速度又由于體系中溶質(zhì)的減少而下降。第三十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月蛋白質(zhì)及酶：據(jù)測定，當(dāng)食品中的水分含量在2%以下時，可以有效的阻止蛋白質(zhì)的變性；而當(dāng)達到4%或其以上時，蛋白質(zhì)變性變得越來越容易。合物分解的水促使蛋白質(zhì)變性的原因是，水能使多孔蛋白質(zhì)潤脹，暴露出長鏈中可能被氧化的基團，導(dǎo)致氧化反應(yīng)的發(fā)生，破壞保持蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的弱鍵，從而使蛋白質(zhì)變性。第三十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月水溶性色素：一般而言，當(dāng)食品中的水分