食品化學(xué)第二章水課件

第二章水第一節(jié)引言水的重要功能水是最普遍存在的組分，占50%～90%為生物化學(xué)反應(yīng)提供一個(gè)物理環(huán)境代謝所需營養(yǎng)成分和反應(yīng)產(chǎn)物的載體是其它食品組分的溶劑主要食品的水份含量第二節(jié)水和冰的物理性質(zhì)高熔點(diǎn)（0℃）、高沸點(diǎn)（100℃）介電常數(shù)高表面張力高熱容和相轉(zhuǎn)變熱焓高熔化焓、蒸發(fā)焓、升華焓密度低（1g/cm3）凝固時(shí)的異常膨脹率黏度正常（1cPa·s）第三節(jié)水分子4個(gè)雜化軌道2px22py12pz1由于氧的高負(fù)電性，O-H共價(jià)鍵具有部分離子特征第四節(jié)水分子的締合O-H鍵具有極性不對稱的電荷分布偶極距分子間吸引力強(qiáng)烈的締合傾向形成三維氫鍵四面體結(jié)構(gòu)解釋水的不尋常性質(zhì)氫鍵供體氫鍵受體氫鍵供體氫鍵供體氫鍵受體氫鍵受體第六節(jié)水的結(jié)構(gòu)水的結(jié)構(gòu)模型混合式填隙式連續(xù)式液態(tài)水通過氫鍵而締合氫鍵程度取決于溫度冰轉(zhuǎn)變?yōu)樗畷r(shí)，密度凈增加第七節(jié)水-溶質(zhì)相互作用一、宏觀水平術(shù)語：水結(jié)合（Waterbinding）水合（Hydration）

水結(jié)合和水合常被用來表示水與包括細(xì)胞物質(zhì)在內(nèi)的親水物質(zhì)締合的一般傾向。

持水力（Waterholdingcapacity）

描述由分子（通常是以低濃度存在的大分子）構(gòu)成的基體通過物理方式截留大量水而阻止水滲出的能力。例如：果膠、淀粉凝膠、動(dòng)物組織細(xì)胞

特點(diǎn)切割或剁碎時(shí)不會(huì)流出性質(zhì)幾乎與純水相同易干燥除去、易凍結(jié)為冰，可作為溶劑整體流動(dòng)被嚴(yán)格控制，但個(gè)別分子的運(yùn)動(dòng)與一般稀鹽溶液中的水分子無異水-溶質(zhì)相互作用的分類熱力學(xué)不能自發(fā)進(jìn)行焓熵△G=△H-T△S二、分子水平理論上定義：結(jié)合水是存在于溶質(zhì)及其它非水組分鄰近的水，與同一體系中的體相水相比，它們呈現(xiàn)出與同一體系中體相水顯著不同的性質(zhì)。（熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、流動(dòng)性）具有“被阻礙的流動(dòng)性”，而不是“被固定化的”占總水量很小的一部分相當(dāng)于鄰近親水基團(tuán)的第一層水（二）結(jié)合水（boundwater）結(jié)合水的分類構(gòu)成水(constitutionalwater)結(jié)合最強(qiáng)的水，已成為非水物質(zhì)的整體部分鄰近水(vicinalwater)占據(jù)著非水成分的大多數(shù)親水基團(tuán)的第一層位置多層水(multilayerwater)占有第一層中剩下的位置以及形成了鄰近水外的幾層水-溶質(zhì)相互作用的分類離子對水的凈結(jié)構(gòu)的影響與極化力或電場強(qiáng)度緊密相關(guān)凈結(jié)構(gòu)形成效應(yīng)(formingeffect)小離子或多價(jià)離子產(chǎn)生強(qiáng)電場Li+,Na+,H3O+,Ca2+,Ba2+,Mg2+,Al3+,F-,OH-具有比純水較低的流動(dòng)性和較緊密的堆積凈結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)(breakingeffect)大離子和單價(jià)離子產(chǎn)生較弱電場K+,Cs+,NH4+,Cl-,Br-,I-,NO3-,BrO3-,IO3-,ClO4-流動(dòng)性比純水強(qiáng)四、水與具有氫鍵形成能力的中性

基團(tuán)（親水性溶質(zhì)）的相互作用鍵的強(qiáng)度

大

共價(jià)鍵

H2O-離子H2O-H2OH2O-親水性溶質(zhì)

小

對水結(jié)構(gòu)的影響一般會(huì)增加（至少不會(huì)破壞）水凈結(jié)構(gòu)溶質(zhì)氫鍵部位的分布和定向在幾何上與水不相容時(shí)對水結(jié)構(gòu)具有破壞作用尿素——顯著破壞效應(yīng)總氫鍵數(shù)沒有顯著改變，對水的凈結(jié)構(gòu)沒有多大影響能與水形成氫鍵的基團(tuán)羥基氨基羰基酰基亞氨基水與蛋白質(zhì)分子的兩種功能基團(tuán)形成氫鍵水橋五、水與非極性基團(tuán)的相互作用非極性物質(zhì)：烴、稀有氣體以及脂肪酸、氨基酸和蛋白質(zhì)的非極性基團(tuán)疏水水合作用（hydrophobichydration）△G＝△H－T△S＞0△S＜0H2O＋RR(水合)疏水相互作用（hydrophobicinteraction）△G＜0熱力學(xué)有利R(水合)＋R(水合)R2(水合)＋H2O“主體”物質(zhì)——

水（20～74個(gè)水分子）“客體”物質(zhì)——

低相對分子質(zhì)量的化合物籠狀水合物疏水相互作用為蛋白質(zhì)的折疊提供了主要推動(dòng)力維持蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)疏水基團(tuán)處在蛋白質(zhì)分子的內(nèi)部雙親分子的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)非極性極性水與親水部位的締合導(dǎo)致雙親分子的表觀“增溶”第八節(jié)水分活度和相對蒸汽壓一、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

二、水分活度的定義和測定方法f——溶劑（水）的逸度f0——純?nèi)軇ㄋ┑囊荻纫荻龋喝軇娜芤禾用摰内厔輫?yán)格差別1%僅適合理想溶液RVP,相對蒸汽壓Aw與產(chǎn)品環(huán)境的百分平衡相對濕度（ERH）有關(guān)Aw是樣品的內(nèi)在品質(zhì)，ERH是與樣品平衡的大氣的性質(zhì)僅當(dāng)產(chǎn)品與環(huán)境達(dá)到平衡時(shí)，關(guān)系式才能成立Aw測定方法密閉容器達(dá)到表觀平衡后測定壓力或相對濕度根據(jù)冰點(diǎn)下降測定RVP根據(jù)干、濕球溫度計(jì)，查表讀RVP測定精確性為±0.02三、水分活度與溫度的關(guān)系水分含量相同，溫度不同，Aw不同Clausius-Clapeyron公式

T——絕對溫度R——?dú)怏w常數(shù)H——在樣品的水分含量下等量凈吸附熱lnAw～1/T直線關(guān)系10℃溫度變化，Aw變化0.03～0.21.0冰點(diǎn)以下食品的AwPff 部分凍結(jié)食品中水的分壓P0

(scw) 純的過冷水的蒸汽壓P(ice) 純冰的蒸汽壓在冰點(diǎn)以下也是線性的溫度對Aw的影響冰點(diǎn)以下＞冰點(diǎn)以上直線出現(xiàn)明顯的折斷比較冰點(diǎn)以上和冰點(diǎn)以下Aw在冰點(diǎn)以上，Aw是樣品組成與溫度的函數(shù)，前者是主要的因素在冰點(diǎn)以下，Aw與樣品的組成無關(guān)，而僅與溫度有關(guān)，即冰相存在時(shí)，Aw不受所存在的溶質(zhì)的種類或比例的影響，不能根據(jù)Aw預(yù)測受溶質(zhì)影響的反應(yīng)過程不能根據(jù)冰點(diǎn)以下溫度Aw預(yù)測冰點(diǎn)以上溫度的Aw當(dāng)溫度改變到形成冰或熔化冰時(shí)，就食品穩(wěn)定性而言，水分活度的意義也改變了四、水分吸著等溫線

（一）定義和區(qū)水分吸附等溫線（Moisturesorptionisotherms,MSI）在恒定溫度下，使食品吸濕或干燥，所得到的食品水分含量（每克干物質(zhì)中水的質(zhì)量）與Aw的關(guān)系曲線。高水分食品的MSI從正常至干燥的整個(gè)水分含量范圍低水分食品的MSI加水回吸時(shí)，試樣的組成從區(qū)Ⅰ（干）移至區(qū)Ⅲ（高水分）各區(qū)相關(guān)的水的性質(zhì)存在著顯著的差別（實(shí)際是連續(xù)變化的）回吸等溫線繪制方法將水加到預(yù)先干燥的試樣中形狀S形J形溶菌酶水合作用水合過程開始時(shí)存在于干蛋白質(zhì)中的水被假設(shè)為構(gòu)成水（Ⅰ區(qū)）水首先吸收在離子化、羧基和氨基酸側(cè)鏈部位（ⅡA區(qū)）水的進(jìn)一步吸收導(dǎo)致較小吸收部位（蛋白質(zhì)主鏈的酰胺羰基）的逐漸水合（ⅡB區(qū)）BET真實(shí)單層構(gòu)成水：占據(jù)大分子溶質(zhì)內(nèi)部的特殊位置，存在于干蛋白質(zhì)中的水自由水：宏觀流動(dòng)不受大分子基質(zhì)的物理限制截留水：宏觀流動(dòng)受大分子基質(zhì)的物理限制區(qū)Ⅰ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構(gòu)成水和鄰近水占總水量極小部分BET單層

區(qū)Ⅰ和Ⅱ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區(qū)Ⅱ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)Ⅰ和區(qū)Ⅱ的水占總水分的5%以下

真實(shí)單層

區(qū)Ⅱ和Ⅲ接界0.38gH2O/g干物質(zhì)Aw=0.85完全水合所需的水分含量，即占據(jù)所有的第一層部位所需的水分含量。區(qū)Ⅲ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BET真實(shí)單層鄰近水多層水（二）MSI與溫度的關(guān)系水分含量一定T↑，Aw↑Aw一定T↑，水分含量↓（三）滯后現(xiàn)象（Hysteresis）回吸：把水加到干的樣品中解吸：先使樣品吸水飽和，再干燥回吸與解吸所得的等溫線不重疊現(xiàn)象即為“滯后現(xiàn)象”滯后環(huán)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溫度滯后現(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黏度低，催化劑流動(dòng)性好，基質(zhì)的腫脹使催化部位暴露氧的擴(kuò)散系數(shù)提高控制微生物生長，解吸方法比回吸方法制備樣品時(shí)要達(dá)到更低的Aw五、水分活度與食品穩(wěn)定性0.95-0.910.91-0.870.87-0.800.5首次出現(xiàn)最低反應(yīng)速度時(shí)的水分含量相當(dāng)于“BET”水分含量一般情況，Aw↑，反應(yīng)速度↑

0.20.40.60.81.0

0.20.40.60.81.0脂肪氧化速度～Aw1.

Aw：0～BET氧化速度逐漸下降過分干燥，食品穩(wěn)定性下降原因水與氧化產(chǎn)物結(jié)合，阻礙分解，阻止氧化進(jìn)程水與金屬離子水合，降低了催化性

0.20.40.60.81.0Aw2.

Aw＞BET氧化速度增加原因提高了氧的溶解度促使大分子腫脹，暴露更多的催化部位，加速氧化進(jìn)程3.

Aw＞0.80稀釋催化劑，阻滯氧化

0.20.40.6