食品化學課件

食品化學課件第一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四2.1概述2.2水和冰的結構2.3食品中水的存在形式2.4水和溶質的相互作用2.5水分活度和吸濕等溫線2.6分子的流動性和食品的穩(wěn)定性2.7水分含量和水分活度的測定主要內容(contents)

第二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

各種食品都有顯示其品質的特征含水量,如果蔬:75%-95%,肉類:50%-80%,面包:35%-45%,谷物:10%-15%2.1Introduction第三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四2.2Structureofwaterandice第四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四水的物理性質:1.熔點,沸點高.2.介電常數(shù)大

3.水的表面張力和相變熱大.4.密度低,結冰時體積膨脹.5.導熱值比非金屬固體大,0℃時,冰的導熱值為同溫度下水的4倍,擴散速度為水的9倍.6.密度隨溫度而變化.一水和冰的物理特性第五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

二水和冰的結構第六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四單個水分子的結構特征

Thewatermolecule

1.H2O分子的四面體結構有對稱型.2.H-O共價鍵有離子性.3.氧的另外兩對孤對電子有靜電力.4.H-O鍵具有電負性.第七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四水分子的締合

Associationofwatermolecules

第八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

水分子的締合第九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四1.H-O鍵間電荷的非對稱分布使H-O鍵具有極性,這種極性使分子之間產生引力.2.由于每個水分子具有數(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.3.靜電效應.水分子締合的原因:第十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四水分子的結構特征

水是呈四面體的網狀結構水分子之間的氫鍵網絡是動態(tài)的水分子氫鍵鍵合程度取決于溫度第十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四溫度(℃)配位數(shù)分子間距nm040.2761.54.40.290834.90.305第十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四冰的結構

Structureofice第十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

第十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

第十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

①在最適度的低溫冷卻劑中緩慢冷凍②溶質的性質及濃度均不嚴重干擾水分子的遷移。六方冰晶形成的條件：第十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四按冷凍速度和對稱要素分，冰可分為四大類：六方型冰晶不規(guī)則樹枝狀結晶粗糙的球狀結晶易消失的球狀結晶及各種中間體。冰的分類第十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四2.3Categoriesofwaterinfoods

自由水體相水截留水水化合水結合水鄰近水多層水第十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四Waterthatisanintegralpartofanonaqueousconstitutents.

在-40℃下不結冰無溶解溶質的能力與純水比較分子平均運動為0不能被微生物利用Constitutionalwater

第十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

Waterthatstronglyinteractswithspecifichydrophilicsitesofnonaqueousconstituentsbywater-ionandwater-dipoleassociations

在-40℃下不結冰無溶解溶質的能力與純水比較分子平均運動大大減少不能被微生物利用此種水很穩(wěn)定，不易引起Food的腐敗變質。Vicinalwater第二十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

waterthatoccupiesremainingfirst-layersitesandformsseveraladditionallayersaroundhyyydrophilicgroupsofnonaqueousconstituents;water-waterandwater-solutehydrogenbondspredominate.大多數(shù)多層水在-40℃下不結冰，其余可結冰，但冰點大大降低。有一定溶解溶質的能力與純水比較分子平均運動大大降低不能被微生物利用Multilayerwater第二十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

waterthatoccupiespositionsfurthestremovedfromnonaqueousconstituents;water-waterhydrogenbondspredominate.

能結冰，但冰點有所下降溶解溶質的能力強，干燥時易被除去與純水分子平均運動接近很適于微生物生長和大多數(shù)化學反應，易引起Food的腐敗變質，但與食品的風味及功能性緊密相關。Bulk-phasewater第二十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四2.4Water–soluteinteractions

第二十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四水與溶質相互作用的分類

種類實例相互作用強弱（與H2O-H2O氫鍵比較）偶極-離子H2O-游離離子較強

H2O-有機分子帶電基團偶極-偶極H2O-PR-NH，H2O-PR-CO近乎相等

H2O-側鏈OH

疏水水合H2O+R→R（水合）△G＞0

疏水相互作用R（水合）＋R（水合）→R2（水合）+H2O△G＜0

水與溶質相互作用的分類

第二十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四水與離子基團的相互作用

InteractionofwaterwithIonicgroups第二十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

在稀水溶液中一些離子具有凈結構破壞效應（Netstructure-breakingeffect),這些離子大多為負離子和大的正離子，如：K+,Rb+,Cs+,NH4+,Cl-,Br-，I-,NO3-,BrO3-,IO3-，ClO4-等。Netstructure-breakingeffect第二十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四另外一些離子具有凈結構形成效應（Netstructure-formingeffect),這些離子大多是電場強度大，離子半徑小的離子。如：Li+,Na+,Ca2+,Ba2+,Mg2+,Al3+，F(xiàn)-,OH-,等。Netstructure-formingeffect第二十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四水與有氫鍵鍵合能力中性基團的相互作用

Interactionofwaterwithneutralgroupspossessinghydrogen-bondingcapabilities

第二十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四水與疏水基團的相互作用

Interactionofwaterwithnonpolarsubstances

疏水水合(Hydrophobichydration)：向水中添加疏水物質時，由于它們與水分子產生斥力，從而使疏水基團附近的水分子之間的氫鍵鍵合增強，使得熵減小，此過程成為疏水水合。第二十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四當水與非極性基團接觸時，為減少水與非極性實體的界面面積，疏水基團之間進行締合，這種作用成為疏水相互作用。疏水相互作用(Hydrophobicinteraction)

第三十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四是象冰一樣的包含化合物，水為“宿主”，它們靠氫鍵鍵合形成想籠一樣的結構，通過物理方式將非極性物質截留在籠內，被截留的物質稱為“客體”。一般“宿主”由20-74個水分子組成，較典型的客體有低分子量烴，稀有氣體，鹵代烴等?；\形水合物(Clathratehydrates)

第三十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四第三十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四第三十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四2.5WateractivityandMoistureSorptionIsotherms第三十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四2.5WateractivityandMoistureSorptionIsotherms一

Wateractivity(aw)的定義:

水分活度(wateractivity)是指食品中水的蒸汽壓與該溫度下純水的飽和蒸汽壓的比值,可用下式表示:aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)第三十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

水分活度的物理意義是表征生物組織和食品中能參與各種生理作用的水分含量與總含水量的定量關系.

應用aw=ERH/100時必須注意:①aw

是樣品的內在品質,而ERH是與樣品中的水蒸氣平衡是的大氣性質.②僅當食品與其環(huán)境達到平衡時才能應用.

注意事項

第三十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

只有當溶質是非電解質且濃度小于1mol/L的稀溶液時,其水分活度才可以按aw=n1/(n1+n2)計算:

溶質

Aaw

理想溶液0.9823=55.51/(55.51+1)

丙三醇0.9816

蔗糖0.9806

氯化鈉0.967

氯化鈣0.945A:1千克水(約55.51mol)溶解1mol溶質第三十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

㏑aw=-K△H/RT

二水分活度與溫度的關系(temperaturedependence)第三十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四第三十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

第四十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四比較高于和低于凍結溫度下的aw時應注意兩個重要差別:

①在凍結溫度以上,aw是樣品組分與溫度的函數(shù),且前者是主要因素,在凍結溫度以下,aw與樣品組分無關,只取決于溫度,不能根據(jù)aw預測受溶質影響的冰點以下發(fā)生的過程,如擴散控制過程,催化反應等.②凍結溫度以上和以下aw對食品穩(wěn)的影響是不同的.第四十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四水分吸濕等溫線

MoistureSorptionIsotherms

Definition:poltsinterrelatingwatercontentofafoodwithitswateractivityatconstanttemperature.第四十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四第四十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

由于水的轉移程度與aw有關,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移.

據(jù)MSI可預測含水量對食品穩(wěn)定性的影響.

從MSI還可看出食品中非水組分與水結合能力的強弱.MSI的實際意義第四十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

區(qū)I區(qū)II區(qū)III區(qū)Aw0-0.2

0.2-0.85

＞0.85含水量%1-6.56.5-27.5＞27.5冷凍能力不能凍結不能凍結正常溶劑能力無輕微-適度正常水分狀態(tài)單分子層水多分子層水體相水微生物利用不可利用部分可利用可利用

MSI上不同區(qū)水分特性第四十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四滯后現(xiàn)象

Hysteresis

定義:采用回吸(resorption)的方法繪制的MSI和按解吸(desorption)的方法繪制的MSI并不互相重疊的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象.

第四十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

蘋果干制品第四十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四冷凍干燥熟豬肉第四十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四第四十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四滯后現(xiàn)象產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＞P外,要填滿則需P外＞P內).

解吸作用時,因組織改變,當再吸水時無法緊密結合水,由此可導致回吸相同水分含量時處于較高的aw.第五十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四2.6水分活度與食品的穩(wěn)定性

Wateractivityandfoodstability

第五十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四水分活度與食品的穩(wěn)定性第五十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四Stabilityoflow-andintermediatemoisturefoods(IMF)isdependentonwatercontentandwateractivityStabilityisoftenmaintainedbelowthemonolayerwatercontentWATERACTIVITYANDSTABILITY

第五十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四Microorganismsmaygrowaboveagiven,foodmaterialspecificwatercontent?Microorganismsdonotgrowatlowwateractivities?GrowthofmicroorganismsmayoccurinintermediatemoisturefoodsMicrobiologicalstability

第五十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四Therearegeneralwateractivitylimitsforgrowthofmolds,yeastsandbacteria-aw<0.6nogrowth-aw>0.6xerophilicyeastsandmolds耐滲透壓酵母-aw>0.7molds-aw>0.75halophilicbacteria嗜鹽細菌-aw>0.8yeasts-aw>0.86pathogenicbacteria(S.aureus)Microbiologicalstability第五十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四ChemicalStability

Oxidation?Mostfoodscontainlipids,colours,vitamins,etc.,whicharesusceptibletooxidation?Thesecompoundsmaybeencapsulatedandprotectedfromoxidationatlowwatercontents?Increasesinwatercontentmayreleaseencapsulatedcompoundsorresultinenhanceddiffusionofoxygeninthematerial第五十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四Lipidoxidation?“Freelipids”,i.e.,nonencapsulatedlipidsoxidiserapidlyatlowwatercontents-increasingwatercontentoftendecreasestherateofoxidation:dilutionofcatalysts,structuralchanges-athighwateractivities,therateofoxidationincreases第五十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四在aw=0-0.33范圍內,隨aw↑,反應速度↓的原因:①水與脂類氧化生成的氫過氧化物以氫鍵結合,保護氫過氧化物的分解,阻止氧化進行.②這部分水能與金屬離子形成水合物,降低了其催化性第五十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四在aw=0.33-0.73范圍內,隨aw↑,反應速度↑的原因:①水中溶解氧增加②大分子物質腫脹,活性位點暴露加速脂類氧化.③催化劑和氧的流動性增加.

當aw＞0.8時,隨aw↑,反應速度增加很緩慢的原因:催化劑和反應物被稀釋.

第五十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四increasingwatercontentoftenincreasestherateofoxidationofprotein

ProteindenatureProteindenatureoccurslowlyatlowwatercontents(0.4%)Proteindenaturedoesnotoccurwhenwatercontentbelow0.2%Proteindenature第六十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四StarchstalingStarchstalingoccurrapidlyinwatercontentof30%-60%.Starchstalingdoesnotoccurwhenwatercontentdecreaseto10%-15%.

第六十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四?Severalenzymaticchangesdonotoccuratlowaw(0.25-0.3)-diffusionallimitations-lowmolecularmobilitydoesnotallowenzymeandsubstraterearrangementsEnzymaticChanges第六十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四?Non-enzymaticbrowning(Maillardreaction,caramellisation)reactionsmayoccurinmostlowandintermediatemoisturefoods?Non-enzymaticbrowningisextremelylowordoesnotoccuratlowaw(0.2)-slowmolecularmotions-productionofwaterinthereactionmayenhancebrowningNon-EnzymaticBrowning第六十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四?Therateofthereactionincreasesrapidlyaboveacriticalwateractivity-therateishighestatintermediateaw(0.6-0.7)-athighwatercontents,reactantsaredilutedandtherateofthereactiondecreases?Therateofbrowningoftenincreasesasaresultofwaterreleasedbycrystallizationofamorphoussugars,e.g.,lactoseindairypowdersNon-EnzymaticBrowning第六十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四?Structuraltransformationsoftenoccuraboveacriticalwateractivity?Typicalchangesinstructureincludecollapseofphysicalstructure,stickinessandcakingofpowders,andlossofcrispness.ChangesinStructureandTexture第六十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四食品的單分子層水分含量計算可以通過布化奧爾方程計算食品單分子層水分含量。第六十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四第六十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四2.7冰在食品穩(wěn)定性中的作用冷凍是保藏大多數(shù)食品的理想方法：其主要作用至于低溫，而不是形成冰。第六十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四冷凍濃縮效應溫度降低：反應速度降低；冷凍濃縮：底物濃度提高，反應速度提高。第六十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四2.8含水食品的水分轉移水分的位轉移：食品中游離水的化學勢μμ=μ（T,P)+RTlnaw第七十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四水分的相轉移水分蒸發(fā)蒸汽凝結第七十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四第七十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四2.9Molecularmobilityandfoodstability

第七十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

玻璃態(tài)（glassstate）：是聚合物的一種狀態(tài)，它既象固體一樣有一定的形狀，又象液體一樣分子間排列只是近視有序，是非晶態(tài)或無定形態(tài)。處于此狀態(tài)的聚合物只允許小尺寸的運動，其形變很小，類于玻璃，因此稱～。

幾個概念第七十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四玻璃化溫度（glasstransitiontemperature,Tg）：非晶態(tài)食品從玻璃態(tài)到橡膠態(tài)的轉變稱玻璃化轉變，此時的溫度稱～。無定形（Amorphous）：是物質的一種非平衡，非結晶態(tài)。第七十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四分子流動性（Mm）：是分子的旋轉移動和平轉移動性的總度量。決定食品Mm值的主要因素是水和食品中占支配地位的非水成分。

大分子纏結（Macromoleculerentanglement）：指大的聚合物以隨機的方式相互作用，沒有形成化學鍵，有或沒有氫鍵。第七十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四二元體系的狀態(tài)圖狀態(tài)圖（Statediagrams）第七十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四分子流動性與食品性質的相關性

1、化學、物理反應的速率與分子流動性的關系擴散因子D

碰撞頻率因子A

活化能因子Ea

決定化學反應速度第七十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

擴散限制反應(Diffusion-limitedreaction)：質子轉移反應，自由基重新結合反應，酸堿反應，許多酶催化反應，蛋白質折疊反應，聚合物鏈增長，以及血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合/去氧合作用。

非擴散限制反應(Non-Diffusion-limitedreaction)：高水分食品中的一些反應，有些非催化的慢反應等。第七十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四當溫度降至Tg時，自由體積（Freevolume）顯著的變小，以致使聚合物鏈段的平動停止。自由體積與分子流動性是正相關，減小自由體積在某種意義上有利于食品的穩(wěn)定性，但不是絕對的，而且自由體積目前還不能作為預測食品穩(wěn)定性的定量指標。2.自由體積與分子流動性的相關性第八十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四2、食品的玻璃化轉變溫度與穩(wěn)定性簡單的高分子體系

復雜體系Tg=DSCDMA+DMTAW1Tg1+KW2Tg2W1+KW2GordonandTayor第八十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四3、水的增塑作用和對Tg的影響在高于或低于Tg時，水的增塑作用可以提高Mm。當增加水含量時，引起Tg下降和自由體積增加，這是混合物平均分子質量降低的結果

第八十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四4、溶質類型和分子量對Tg和Tg′的影響第八十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四5、大分子的纏結對食品性質的影響

EN對于冷凍食品的結晶速度，大分子化合物的溶解度、功能性乃至生物活性都將產生不同程度的影響，同時可以阻滯焙烤食品中水分的遷移，有益于保持餅干的脆性和促進凝膠的形成。

第八十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四分子流動性與干燥

AirDringandVacuumFreeze-Drying二元體系冷凍,干燥和冷凍干燥可能途徑的狀態(tài)圖

第八十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

幾種不同分子質量的碳水化合物的玻璃化轉變溫度和或P/P0（25℃）之間的關系M代表麥芽糊精，數(shù)字表示相對分子質量食品貨架期的預測第八十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

顯示食品穩(wěn)定性的二元體系狀態(tài)圖第八十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四Aw和Mm方法研究食品穩(wěn)定性的比較二者相互補充，非相互競爭

Aw法主要注重食品中水的有效性，如水作為溶劑的能力；

Mm法主要注重食品的微觀黏度（Microviscosity）和化學組分的擴散能力。第八十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四2.9MeasurementofwatercontentandAw第八十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四1. Dryingmethods2. Distillationmethod3. ChemicalmethodsSpectrometrymethods

WATERDETERMINATIONMETHODS

第九十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四DRYINGMETHODS1.Air-ovenMethod---putthesample(10g)inflat,tarreddish-specifiedtimeandtemperature(150℃for1h)-measurethelossofwater.2.VacuumovenMethod---useitifyoudonotwanttoexposetohightemperature.e.gFoodrichinfructosemustbedriedat70Corbelow.第九十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四3.HotplateMethod---rapid,qualitycontrol,usesometime,putinvacuumat100℃,coolindesiccators,"Mojonnier".4.Moisture-balance---balanceinovenwithIRlightandheat.Measurethemoistureloss.第九十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四CHEMICALMETHODSKarlFisherMethod---Standardtechniqueforlowmoisturefoods.Especiallygoodforreducingsugarsandprotein-richfoodsandgoodforfoodswithhighvolatileoils.

第九十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期四

SO2+I2+2H2O→H2SO4+2HIC5H5NI2+C5H5NSO2+H2O→2C5H5N·HI+C5H5N·SO3C5H5N·SO3+CH3OH→C5H5N·HSO4CH3

總反應式為:(I2+SO2+3C5H5N+CH3OH)+H2O→2C5H5N·HI+C5H5N·HSO4CH3KARLFISHERMETHOD第九十四頁，共一百零四頁，編輯于202