高級(jí)食品化學(xué)講稿-16-09-02水

WelcometoJoin!Startshere!有您會(huì)更精彩《高級(jí)食品化學(xué)》主講人：劉延奇所在單位：食品與生物工程學(xué)院日期：2016.09.22

研究生課程

第二章食品中的水和冰

2.1概述

2.2水、冰的結(jié)構(gòu)

2.3水分活度與吸濕等溫曲線

2.4與水相關(guān)的食品處理技術(shù)

第二章水2.1概述水在食品中的重要作用

a.水是食品的重要組成成分，是形成食品加工工藝考慮的重要因素；表3.1某些代表性食品的含水量食品名稱水分%食品名稱水分%食品名稱水分%番茄95萵苣95

卷心菜92

啤酒90

柑橘87

蘋果汁87

牛奶87

馬鈴薯78

香蕉75

雞70

肉65

面包35

果醬28

蜂蜜20

奶油16稻米面粉12

奶粉4

酥油0

b.水分含量、分布和狀態(tài)對(duì)于食品的結(jié)構(gòu)、外觀、質(zhì)地、風(fēng)味、新鮮程度會(huì)產(chǎn)生極大的影響；

c.是引起食品化學(xué)變化及微生物作用的重要原因，直接關(guān)系到食品的貯藏特性。2.2水、冰的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

2.2.1水分子的結(jié)構(gòu)

2.2.2水分子的締合與水的三態(tài)

由于水分子的極性及兩種組成原子的電負(fù)性差別，導(dǎo)致水分子之間可以通過(guò)形成氫鍵而呈現(xiàn)締合狀態(tài)：水與冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

由于每個(gè)水分子上有四個(gè)形成氫鍵的位點(diǎn)，因此每個(gè)水分子的可以通過(guò)氫鍵結(jié)合4個(gè)水分子。

由于水分子之間可以以不同數(shù)目和不同形式結(jié)合，因此締合態(tài)的水在空間有不同的存在形式，如：由于水分子之間除了通過(guò)氫鍵結(jié)合外，還有極性的作用力，因此水分子之間的締合數(shù)可能大于4。水與冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

在通常情況下，水有三種存在狀態(tài)，即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。水分子之間的締合程度與水的存在狀態(tài)有關(guān)。在氣態(tài)下，水分子之間的締合程度很小，可看作以自由的形式存在；在液態(tài)，水分子之間有一定程度的締合，幾乎沒(méi)有游離的水分子，由此可理解為什么水具有高的沸點(diǎn)；在固態(tài)也就是結(jié)冰的狀態(tài)下，水分子之間的締合數(shù)是4，每個(gè)水分子都固定在相應(yīng)的晶格里，這也是水的熔點(diǎn)高的原因。水具有一定的黏度是因?yàn)樗肿釉诖蠖鄶?shù)情況下是締合的，而水具有流動(dòng)性是因?yàn)樗肿又g的締合是動(dòng)態(tài)的。水與冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

水分子不僅相互之間可以通過(guò)氫鍵締合，而且可以和其它帶有極性基團(tuán)的有機(jī)分子通過(guò)氫鍵相互結(jié)合，所以糖類、氨基酸類、蛋白質(zhì)類、黃酮類、多酚類化合物在水中均有一定的溶解度。另外，水還可以作為兩親分子的分散介質(zhì)，通過(guò)這種途徑使得疏水物質(zhì)也可在水中均勻分散。水與冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

2.2.3水、冰的物理特性及與食品質(zhì)量關(guān)系水是一種特殊的溶劑，其物理性質(zhì)和熱行為有與其它溶劑顯著不同的方面：a.水的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、介電常數(shù)、表面張力、熱容和相變熱均比質(zhì)量和組成相近的分子高得多。如甲烷的b.p：-162℃，m.p：-183℃，而水在0.1MPa下b.p：100℃，m.p：0℃；這些特性將對(duì)食品加工中的冷凍和干燥過(guò)程產(chǎn)生很大的影響；b.水的密度較低，水在凍結(jié)時(shí)體積增加，表現(xiàn)出異常的膨脹行為，這會(huì)使得含水的食品在凍結(jié)的過(guò)程中其組織結(jié)構(gòu)遭到破壞；水與冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

c.水的熱導(dǎo)率較大，然而冰的熱導(dǎo)率卻是水同溫度下的4倍。這說(shuō)明冰的熱傳導(dǎo)速度比非流動(dòng)水（如動(dòng)、植物組織內(nèi)的水）快得多；因此水的凍結(jié)速度比熔化速度要快得多；d.冰的熱擴(kuò)散速度是水的9倍，因此在一定的環(huán)境條件下，冰的溫度變化速度比水大得多。正是由于水的以上物理特性，導(dǎo)致含水食品在加工貯藏過(guò)程中的許多方法及工藝條件必須以水為重點(diǎn)進(jìn)行考慮和設(shè)計(jì)；特別是在利用食品低溫加工技術(shù)是要充分重視水的熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散的特點(diǎn)。水與冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

水與冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

2.2.4冰的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)冰是水分子通過(guò)氫鍵相互結(jié)合、有序排列形成的低密度、具有一定剛性的六方形晶體結(jié)構(gòu)。普通冰的晶胞和基礎(chǔ)平面可如下圖所示：在冰的晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)水和另外4個(gè)水分子相互締合，O－O之間的最小距離為0.276nm，O－O－O之間的夾角為109°。當(dāng)水溶液結(jié)冰時(shí)，其所含溶質(zhì)的種類和數(shù)量可以影響冰晶的數(shù)量、大小、結(jié)構(gòu)、位置和取向。一般有4種類型，即六方形、不規(guī)則樹(shù)狀、粗糙球狀、易消失的球晶；六方形是多見(jiàn)的、在大多數(shù)冷凍食品中重要的結(jié)晶形式。這種晶形形成的條件是在最適的低溫冷卻劑中緩慢冷凍，并且溶質(zhì)的性質(zhì)及濃度不嚴(yán)重干擾水分子的遷移。水與冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

純水結(jié)晶時(shí)有下列行為：即盡管冰點(diǎn)是0℃，但常并不在0℃結(jié)凍，而是出現(xiàn)過(guò)冷狀態(tài)，只有當(dāng)溫度降低到零下某一溫度時(shí)才可能出現(xiàn)結(jié)晶（加入固體顆?；蛘駝?dòng)可促使此現(xiàn)象提前出現(xiàn)）；出現(xiàn)冰晶時(shí)溫度迅速回升到0℃。把開(kāi)始出現(xiàn)穩(wěn)定晶核時(shí)的溫度叫過(guò)冷溫度。如果外加晶核，不必達(dá)到過(guò)冷溫度就能結(jié)冰，但此時(shí)生產(chǎn)的冰晶粗大，因?yàn)楸е饕獓@有限數(shù)量的晶核成長(zhǎng)。水與冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

一般食品中的水均是溶解了其中可溶性成分所形成的溶液，因此其結(jié)冰溫度均低于0℃。把食品中水完全結(jié)晶的溫度叫低共熔點(diǎn)，大多數(shù)食品的低共熔點(diǎn)在-55～-65℃之間。但冷藏食品一般不需要如此低的溫度，如我國(guó)冷藏食品的溫度一般定為-18℃,這個(gè)溫度離低共熔點(diǎn)相差甚多，但已使大部分水結(jié)冰，且最大程度的降低了其中的化學(xué)反應(yīng)。現(xiàn)代食品冷藏技術(shù)中提倡速凍，這是因?yàn)樗賰鲂纬傻谋Ъ?xì)小，呈針狀，凍結(jié)時(shí)間短且微生物活動(dòng)受到更大限制，從而保證了食品品質(zhì)。水與冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

食品中水的存在狀態(tài)

2.3食品中水的存在狀態(tài)理解食品中水的存在狀態(tài)是掌握水在食品中的作用及各種與水相關(guān)的加工技術(shù)的關(guān)鍵。而水在食品中的存在狀態(tài)說(shuō)到底是水在食品中和各類食品物質(zhì)之間的關(guān)系及水的存在量。2.3.1水與溶質(zhì)的相互作用2.3.1.1與離子或離子基團(tuán)的相互作用當(dāng)食品中存在離子或可解離成離子或離子基團(tuán)的鹽類物質(zhì)時(shí)，這些物質(zhì)由于在水中可以溶解而且解離出帶電荷的離子，因而可以固定相當(dāng)數(shù)量的水。例如食品中的食鹽和水之間的作用：水與溶質(zhì)的相互作用

由于離子帶有完整的電荷，因此它們和水分子之間的極性作用比水分子之間的氫鍵連接還要強(qiáng)，如Na+與水分子之間的結(jié)合能力大約是水分子間氫鍵連接力的4倍。正是由于自由離子和水分子之間的強(qiáng)的相互作用，導(dǎo)致破壞原先水分子之間的締合關(guān)系，使一部分水固定在了離子的表面。水與溶質(zhì)的相互作用

隨著離子種類的變化及所帶電荷的不同，與水之間的相互作用也有所差別。大致可以分作兩類：能阻礙水分子之間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，其溶液的流動(dòng)性比水大，此類離子如：K+、Rb+、Cs+、N+H4、Cl-、Br-、I-、NO-3、BrO-3等；有助于水分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，水溶液的流動(dòng)性小于水，此類離子一般為離子半徑小、電場(chǎng)強(qiáng)度大或多價(jià)離子，如：Li+、Na+、H3O+、Ca2+、Ba2+

、Mg2+

、Al3+

、OH-等。水與溶質(zhì)的相互作用

2.3.1.2與具有氫鍵鍵合能力的中性分子或基團(tuán)的相互作用許多食品成分，如蛋白質(zhì)、多糖（淀粉或纖維素）、果膠等，其結(jié)構(gòu)中含有大量的極性基團(tuán)，如羥基、羧基、氨基、羰基等，這些極性基團(tuán)均可與水分子通過(guò)氫鍵相互結(jié)合。因此通常在這些物質(zhì)的表面總有一定數(shù)量的被結(jié)合、被相對(duì)固定的水。稱為結(jié)合水。水與溶質(zhì)的相互作用

不同的極性基團(tuán)與水的結(jié)合能力有所差別。一般情況下，氨基、羧基等在生理?xiàng)l件下可以呈解離狀態(tài)的極性基團(tuán)均與水有較強(qiáng)的結(jié)合，而羥基、酰胺基等非解離基團(tuán)與水之間的結(jié)合較弱。帶有極性基團(tuán)的有機(jī)物質(zhì)由于和水能夠通過(guò)氫鍵相互結(jié)合，因此對(duì)純水的正常結(jié)構(gòu)都有一定程度的破壞，而且也可降低冰點(diǎn)。帶極性基團(tuán)的食品分子不但可以通過(guò)氫鍵結(jié)合并固定水分子在自己的表面，而且通過(guò)靜電引力還可吸引一些水分子處于結(jié)合水的外圍，這些水稱為臨近水：水與溶質(zhì)的相互作用

盡管結(jié)合或附著在分子上的水分子數(shù)量并不多，但其作用和性質(zhì)常常非常重要。它們常是一些酶保持活性結(jié)構(gòu)并能發(fā)揮作用的重要因素；也常是食品保持正常結(jié)構(gòu)的重要因素。水與溶質(zhì)的相互作用

2.3.1.3與非極性物質(zhì)的相互作用非極性的分子通常包括烴類、脂類、甾萜類等，通過(guò)化學(xué)的手段也可在一些含極性基團(tuán)的分子（如蛋白質(zhì)等）中引入非極性部分（基團(tuán)）。當(dāng)水中存在非極性物質(zhì)，即疏水性物質(zhì)時(shí)，由于它們與水分子產(chǎn)生斥力，可以導(dǎo)致疏水分子附近的水分子之間的氫鍵鍵合增強(qiáng)。由于在這些不相容的非極性實(shí)體鄰近的水形成了特殊的結(jié)構(gòu)，使得熵下降，此過(guò)程稱為疏水水合作用。由于疏水水合在熱力學(xué)上是不利的，因此水傾向于盡可能地減少與存在的非極性實(shí)體靠近。如果存在兩個(gè)分離的非極性實(shí)體，那么不相容的水環(huán)境將促使它們相互靠近并締合，從而減少水-非極性實(shí)體界面面積，此過(guò)程是疏水水合的部分逆轉(zhuǎn)，被稱為“疏水相互作用”。水與溶質(zhì)的相互作用

疏水基團(tuán)還有兩種特殊的性質(zhì)，即能和水形成籠形水合物及能和蛋白質(zhì)產(chǎn)生疏水相互作用?；\形水合物是像冰一樣的包合物，水通過(guò)氫鍵形成類似于籠的結(jié)構(gòu)，通過(guò)物理方式將非極性物質(zhì)截留在籠中；水稱為“主人”，而被截留的疏水物質(zhì)稱為“客人”?；\形水合物一般由20～74個(gè)水分子形成，具體多少視客人的幾何尺寸而定；而客人通常是一些低分子量的化合物，如烴類、稀有氣體、短鏈的胺類、鹵代烴、二氧化碳等。水與溶質(zhì)的相互作用

籠形水合物的結(jié)構(gòu)與冰相似，同樣具有一定的穩(wěn)定性。已證明生物物質(zhì)中天然存在的類似晶體的籠形水合物結(jié)構(gòu)，它們很可能對(duì)蛋白質(zhì)等生物大分子的構(gòu)象、反應(yīng)性和穩(wěn)定性有影響。這種結(jié)構(gòu)在海水脫鹽、溶液濃縮和防止氧化等方面可能具有應(yīng)用前景。盡管將蛋白質(zhì)劃在了帶極性基團(tuán)的分子類型中，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)蛋白質(zhì)分子，特別是球形蛋白質(zhì)分子大多數(shù)極性基團(tuán)處于表面且朝向水，而非極性基團(tuán)處于內(nèi)部而形成疏水區(qū)域。但實(shí)際上仍有一部分非極性基團(tuán)朝外，這些朝外的非極性基團(tuán)與水之間產(chǎn)生疏水的相互作用并產(chǎn)生一定的力，對(duì)于保持蛋白質(zhì)的活性構(gòu)象也具有一定的作用。水與溶質(zhì)的相互作用

2.3.2食品中水的存在狀態(tài)根據(jù)食品中水與非水物質(zhì)之間的相互關(guān)系，可以把食品中的水分作不同的類型。食品中水的存在狀態(tài)

食品中水的存在狀態(tài)

結(jié)合水也稱束縛水、固定水，自由水也稱體相水。這二者之間很難作截然的劃分，其主要的區(qū)別在于：a.結(jié)合水的量與食品中所含極性物質(zhì)的量有比較固定的關(guān)系，如100g蛋白質(zhì)大約可結(jié)合50g的水，100g淀粉的持水能力在30～40g；b.結(jié)合水對(duì)食品品質(zhì)和風(fēng)味有較大的影響，當(dāng)結(jié)合水被強(qiáng)行與食品分離時(shí)，食品質(zhì)量、風(fēng)味就會(huì)改變.食品中水的存在狀態(tài)

c.結(jié)合水不易結(jié)冰，由于這種性質(zhì)使得植物的種子和微生物的孢子得以在很低的溫度下保持其生命力；而多汁的組織在冰凍后細(xì)胞結(jié)構(gòu)往往被體相水的冰晶所破壞，解凍后組織不同程度的崩潰；d.結(jié)合水不能作為可溶性成分的溶劑，也就是說(shuō)喪失了溶劑能力；e.體相水可被微生物所利用，結(jié)合水則不能。食品中水的存在狀態(tài)

水分活度2.4水分活度新鮮或干燥食品中的含水量，都隨環(huán)境條件的變動(dòng)而變化。如果食品周圍環(huán)境的空氣干燥，濕度低，則水分會(huì)從食品向空氣中蒸發(fā)，水分逐漸減少而干燥，反之，如環(huán)境濕度高，則干燥的食品就會(huì)吸濕,使得水分增多。當(dāng)食品所吸收的水量等于從食品中蒸發(fā)的水量時(shí)，食品的水分含量就不再發(fā)生變化，我們把此時(shí)的水分稱為平衡水分。但當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化，則這種蒸發(fā)與吸濕的平衡就又被打破，直到建立起新的平衡。也就是說(shuō)，食品中的水分并不是靜止的，而是處于一種活動(dòng)的狀態(tài)，因此，食品的含水量除了用％表示外，還可用水分活度AW來(lái)表示。其定義為食品所顯示的水蒸汽壓P對(duì)在同一溫度下純水的蒸汽壓P0之比:Aw=P/Po第二章水的作用2.5水的作用水是維持動(dòng)、植物和人類生存必不可少的物質(zhì)之一。水的生理功用如下：1、

水的溶解力很強(qiáng)，食物中各種無(wú)機(jī)及有機(jī)物質(zhì)都很容易溶于水中，即使不溶于水的物質(zhì)如脂肪和某些蛋白質(zhì)，也能在適當(dāng)條件下分散于水中，成為乳濁液或膠體溶液。2、

水是體內(nèi)各種物質(zhì)運(yùn)輸?shù)妮d體。3、

水的比熱及蒸發(fā)潛熱大，能使生物體溫維持恒定。4、

水是體內(nèi)關(guān)節(jié)、肌肉等摩擦的潤(rùn)滑劑，食物吞咽需水的幫助。第二章食品的含水量除谷物和豆類等種子外（1216％），一般都比較高（6090％），水是食物各種組分中數(shù)量最多的組分。如：蔬菜85

97％蛋類73

75％水果80

90％乳類87

89％魚類67

81％豬肉43

59％食品的含水量與其風(fēng)味及腐敗和發(fā)霉等現(xiàn)象有極大關(guān)系，如香腸的口味就與其吸水、持水情況關(guān)系很大，而含水多的食物都容易發(fā)霉、腐敗。此外，食品中水分含量的變化也常引起食品的物理性質(zhì)發(fā)生變化，如面包和餅類烘烤后變硬就不僅是失水干燥；而且也是水分含量的變化，使得淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的結(jié)果。

第二章食品的含水量結(jié)合水與自由水

雖然食品中含有大量水分，但在切開(kāi)它們時(shí)一般都不會(huì)流出水來(lái)，這表明，食品中含的水有二種，一種是與普通水一樣能自由流動(dòng)的水，稱為自由水或游離水。另一種是與食品中蛋白質(zhì)、碳水化合物等以氫鍵結(jié)合著而不能自由運(yùn)動(dòng)的結(jié)合水，結(jié)合水的性質(zhì)與普通水的不同：1、

它的冰點(diǎn)為－40C2、

它沒(méi)有溶劑作用3、

食物中的微生物孢子不能利用結(jié)合水進(jìn)行發(fā)芽和繁殖，因而，只要從食品中除去自由水，就可使食品安全地保藏。食品的含水量，是指其中自由水與結(jié)合水的總和。第二章水分活度水分子會(huì)從水中蒸發(fā)跑到空氣中成為氣體，即水蒸汽，而氣體都有一定壓力，水蒸汽的壓力就稱為水蒸汽壓，一般食品不僅含有水，而且含有蛋白質(zhì)，淀粉等固形物，所以它的水相對(duì)地就比純水少，故其水蒸汽壓也就小，即一般有P＜P0，所以AW值皆小于1。例如，魚和水果等含水量高的食品，其AW值為0.980.99，都比較大，而米和大豆等水分少的干燥食品，其AW值就較小，為0.600.64。各種微生物的活動(dòng)都有一定的AW閾值（最低值）如：細(xì)菌0.90酵母0.88霉菌0.80故在討論食品保藏等問(wèn)題時(shí)，常用活度的概念而不用％來(lái)表示水分含量。第二章本章思考及練習(xí)題

一、填空題

1.冰的導(dǎo)熱系數(shù)在0℃時(shí)近似為同溫度下水的導(dǎo)熱系數(shù)的（）

倍，冰的熱擴(kuò)散系數(shù)約為水的（）

倍，說(shuō)明在同一環(huán)境中，冰比水能更（）的改變自身的溫度。水和冰的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)上較大的差異，就導(dǎo)致了在相同溫度下組織材料凍結(jié)的速度比解凍的速度（）。

2.一般的食物在凍結(jié)解凍后往往（），其主要原因是（）。

3.按照食品中的水與其他成分之