食品化學(xué)水2全解

五、水分活度

不同種類的食品即使水分含量相同，其腐敗變質(zhì)的難易程度也有明顯的差異。食品的品質(zhì)和貯藏性能與水分活度有密切的關(guān)系。水分活度的定義：食品中水的逸度與純水的逸度之比稱為水分活度AW（wateractivity)

可表示為：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其中：aw：水份活度；p：樣品中水的蒸氣分壓

p0：同溫純水蒸氣壓；第一頁(yè)第二頁(yè)，共55頁(yè)。ERH:樣品周圍的空氣平衡相對(duì)濕度N：溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)n1：溶劑的摩爾數(shù)；n2：溶質(zhì)的摩爾數(shù)水分活度是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。第二頁(yè)第三頁(yè)，共55頁(yè)。

注意：

1、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(guān)系。應(yīng)用aw=ERH/100時(shí)必須注意:aw是樣品的內(nèi)在品質(zhì),而ERH是與樣品中的水蒸氣平衡時(shí)的大氣性質(zhì)；僅當(dāng)食品與其環(huán)境達(dá)到平衡時(shí)才能應(yīng)用。第三頁(yè)第四頁(yè)，共55頁(yè)。2、只有當(dāng)溶質(zhì)是非電解質(zhì)且濃度小于1mol/L的稀溶液時(shí),其水分活度才可以按aw=n1/(n1+n2)計(jì)算:第四頁(yè)第五頁(yè)，共55頁(yè)。水分活度的測(cè)定方法

MeasurementmethodsofAw1、冰點(diǎn)測(cè)定法先測(cè)樣品的冰點(diǎn)降低和含水量,據(jù)下兩式計(jì)算aw，其誤差很小（＜0.001aw/℃）aw=n1/(n1+n2)n2=G△Tt/(1000.Kt)G—溶劑克數(shù)△Tt—冰點(diǎn)降低(℃)Kt—水的摩爾冰點(diǎn)降低常數(shù)(1.86)第五頁(yè)第六頁(yè)，共55頁(yè)。將已知含水量的樣品置于恒溫密閉小容器中,使其達(dá)到平衡,然后用電子或濕度測(cè)定儀測(cè)樣品和環(huán)境空氣的平衡相對(duì)濕度,即可得aw。2、相對(duì)濕度傳感器測(cè)定法第六頁(yè)第七頁(yè)，共55頁(yè)。

通常溫度恒定在25℃，擴(kuò)散時(shí)間為20min，樣品量為1g，并且是在一種水分活度較低（A）和另一種水分活度較高(B)的飽和鹽溶液下分別測(cè)定樣品的吸收(x)或散失水分(y)的重量，然后安下式計(jì)算：

aw=（Ax+By）/(x+y)置樣品于恒溫密閉的小容器中,用一定種類的飽和鹽溶液使容器內(nèi)的樣品的環(huán)境空氣的相對(duì)濕度恒定,待恒定后測(cè)樣品含水量的變化,然后再求aw。第七頁(yè)第八頁(yè)，共55頁(yè)。水分活度與溫度的關(guān)系測(cè)定樣品水活性時(shí)，必須標(biāo)明溫度，因?yàn)閍W值隨溫度而改變。馬鈴薯淀粉的水分活度與溫度的關(guān)系第八頁(yè)第九頁(yè)，共55頁(yè)。溫度系數(shù)

初始的水分活度為0.5時(shí)，在2～40℃的溫度范圍內(nèi)，濕度系數(shù)是0.0034℃。研究結(jié)果表明，高碳水化合物食品或高蛋白質(zhì)食品的aw的溫度系數(shù)(溫度范圍5～50℃，起始的aw為0.5)范圍為0.003～0.02℃。對(duì)于不同的產(chǎn)品，溫度改變10℃，則aw的變化從0.03～0.2。于是，溫度變化對(duì)水分活度的影響能改變密封在袋內(nèi)或罐內(nèi)的食品的穩(wěn)定性。

第九頁(yè)第十頁(yè)，共55頁(yè)。冰點(diǎn)以下水活度與溫度的關(guān)系Pff

部分冷凍食品中水的分壓P0（scw）純的過(guò)冷水的蒸汽壓P0（ice）純冰的蒸汽壓。

基于冷凍食品中水的分壓等于相同溫度下冰的蒸汽壓。由于過(guò)冷水的蒸汽壓已能測(cè)到-15℃，而冰的蒸汽壓可測(cè)到更低的溫度，因此，精確地計(jì)算冷凍食品的aw值是可能的。第十頁(yè)第十一頁(yè)，共55頁(yè)。高于和低于凍結(jié)溫度下aw的重要差別

凍結(jié)溫度以上和以下aw對(duì)食品穩(wěn)的影響是不同的。在-15℃的產(chǎn)品中(aw為0.86)，微生物不再生長(zhǎng)，而且化學(xué)反應(yīng)緩慢進(jìn)行；但是在20℃與aw為0.86時(shí)，一些化學(xué)反應(yīng)將快速進(jìn)行，一些微生物將以中等速度生長(zhǎng)。第十一頁(yè)第十二頁(yè)，共55頁(yè)。六、水分吸濕等溫線

MoistureSorptionIsotherms

定義：在恒定的溫度下，食品的水分含量(用單位干物質(zhì)質(zhì)量中水的質(zhì)量表示，g水／g干物質(zhì))與它的水分活度之間的關(guān)系圖稱為吸附等溫線（簡(jiǎn)稱MSI）。第十二頁(yè)第十三頁(yè)，共55頁(yè)。高含水量食品的吸濕等溫線第十三頁(yè)第十四頁(yè)，共55頁(yè)。低水分含量范圍食品的水分吸著等溫線第十四頁(yè)第十五頁(yè)，共55頁(yè)。MSI的實(shí)際意義?

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。據(jù)MSI可預(yù)測(cè)含水量對(duì)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(jié)合能力的強(qiáng)弱。第十五頁(yè)第十六頁(yè)，共55頁(yè)。MSI上不同區(qū)水分特性第十六頁(yè)第十七頁(yè)，共55頁(yè)。大多數(shù)食品的吸濕等溫線為S形；而水果、糖制品、含有大量糖和其它可溶性小分子的咖啡提取物等食品的吸濕等溫線為J形。第十七頁(yè)第十八頁(yè)，共55頁(yè)。七、滯后現(xiàn)象

Hysteresis定義:把水加到干的樣品中（回吸）所得的水分吸附等溫線與解吸所得的等溫線不一定重疊，這種不重疊現(xiàn)象即為滯后現(xiàn)象（Hysteresis）。對(duì)于食品體系，滯后現(xiàn)象增加了復(fù)雜性,即不能從回吸等溫線來(lái)預(yù)測(cè)解吸等溫線。第十八頁(yè)第十九頁(yè)，共55頁(yè)。

等溫線的滯后現(xiàn)象

第十九頁(yè)第二十頁(yè)，共55頁(yè)。冷凍干燥蘋果片的吸著滯后現(xiàn)象第二十頁(yè)第二十一頁(yè)，共55頁(yè)。冷凍干燥熟豬肉的吸著滯后現(xiàn)象第二十一頁(yè)第二十二頁(yè)，共55頁(yè)。冷凍干燥大米的吸著滯后現(xiàn)象第二十二頁(yè)第二十三頁(yè)，共55頁(yè)。滯后現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?解吸過(guò)程中一些水分與非水溶液成分作用而無(wú)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(wú)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。第二十三頁(yè)第二十四頁(yè)，共55頁(yè)。水分活度與食品的穩(wěn)定性Wateractivityandfoodstability第二十四頁(yè)第二十五頁(yè)，共55頁(yè)。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

在Aw=0-0.35范圍內(nèi),隨Aw的增加，反應(yīng)速度降低的原因:水與脂類氧化生成的氫過(guò)氧化物以氫鍵結(jié)合,保護(hù)氫過(guò)氧化物的分解,阻止氧化進(jìn)行。這部分水能與金屬離子形成水合物,降低了其催化性。第二十五頁(yè)第二十六頁(yè)，共55頁(yè)。在Aw=0.35-0.8范圍內(nèi),隨Aw增加,反應(yīng)速度增加的原因:水中溶解氧增加。大分子物質(zhì)溶脹,活性位點(diǎn)暴露加速脂類氧化。催化劑和氧的流動(dòng)性增加。當(dāng)Aw＞0.8時(shí),隨Aw增加,反應(yīng)速度增加很緩慢的原因:催化劑和反應(yīng)物被稀釋第二十六頁(yè)第二十七頁(yè)，共55頁(yè)。2、對(duì)淀粉老化的影響

在含水量達(dá)30%-60%時(shí),淀粉老化的速度最快；如果降低含水量則淀粉老化速度減慢,若含水量降至10%-15%時(shí),則水分基本上以結(jié)合水的狀態(tài)存在,淀粉不會(huì)發(fā)生老化。

第二十七頁(yè)第二十八頁(yè)，共55頁(yè)。3、對(duì)蛋白質(zhì)變性的影響

蛋白質(zhì)變性是改變了蛋白質(zhì)分子多膚鏈特有的有規(guī)律的高級(jí)結(jié)構(gòu),使蛋白質(zhì)的許多性質(zhì)發(fā)生改變。因?yàn)樗苁苟嗫椎鞍踪|(zhì)膨潤(rùn),暴露出長(zhǎng)鏈中可能被氧化的基團(tuán),氧就很容易轉(zhuǎn)移到反應(yīng)位置。所以,水分活度增大會(huì)加速蛋白質(zhì)的氧化作用,破壞保持蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的副鍵,導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性。據(jù)測(cè)定,當(dāng)水分含量達(dá)4%時(shí),蛋白質(zhì)變性仍能緩慢進(jìn)行。以下,則不發(fā)生變性。

第二十八頁(yè)第二十九頁(yè)，共55頁(yè)。4、對(duì)酶促褐變的影響EnzymaticChanges酶褐變?cè)贏w(0.25-0.3)不發(fā)生低分子流動(dòng)性不允許酶和底物重組

在有氧的條件下，酚酶催化酚類物質(zhì)形成醌及其聚合物的反應(yīng)過(guò)程。第二十九頁(yè)第三十頁(yè)，共55頁(yè)。5、對(duì)非酶褐變的影響

Non-EnzymaticBrowning

當(dāng)食品的水分活度在一定的范圍內(nèi)時(shí),非酶褐變隨著水分活度的增大而加速,aw值在0.6-0.7之間時(shí),褐變最為嚴(yán)重；隨著水分活度的下降,非酶褐變就會(huì)受到抑制而減弱；當(dāng)水分活度降低到0.2以下時(shí),褐變就難以發(fā)生。但如果水分活度大于褐變高峰的aw值,則由于溶質(zhì)的濃度下降而導(dǎo)致褐變速度減慢。例如：香蕉、蘋果、桃、馬鈴薯、蘑菇、蝦發(fā)生非需宜的褐變和人的黑斑形成。它也是導(dǎo)致茶葉、咖啡、葡萄干和梅干，以及人的皮膚色素形成期望色和黑色的原因。

第三十頁(yè)第三十一頁(yè)，共55頁(yè)。6、對(duì)水溶性色素分解的影響

葡萄、杏、草莓等水果的色素是水溶性花青素,花青素溶于水時(shí)是很不穩(wěn)定的,1-2周后其特有的色澤就會(huì)消失。但花青素在這些水果的干制品中則十分穩(wěn)定,經(jīng)過(guò)數(shù)年貯藏也僅僅是輕微的分解。一般而言,若aw增大,則水溶性色素分解的速度就會(huì)加快。第三十一頁(yè)第三十二頁(yè)，共55頁(yè)。低水分活度能抑制食品化學(xué)變化的機(jī)理

第一,

大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)都必須在水溶液中才能進(jìn)行,降低食品的水分活度,則食品中結(jié)合水的比例增加,自由水的比例減少,而結(jié)合水是不能作為反應(yīng)物的溶劑的,所以降低水分活度,能使食品中許多可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、酶促反應(yīng)受到抑制。

第二,

很多化學(xué)反應(yīng)是屬于離子反應(yīng),該反應(yīng)發(fā)生的條件是反應(yīng)物首先必須進(jìn)行離子化或水化作用,而發(fā)生離子化或水化作用的條件必須有足夠的自由水才能進(jìn)行。

第三十二頁(yè)第三十三頁(yè)，共55頁(yè)。

第三,

很多化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)反應(yīng)都必須有水分子參加才能進(jìn)行(如水解反應(yīng)）。若降低水分活度,就減少了參加反應(yīng)的自由水的數(shù)量,反應(yīng)物(水)的濃度下降,化學(xué)反應(yīng)的速度也就變慢。

第四,

許多以酶為催化劑的酶促反應(yīng),水除了起著一種反應(yīng)物的作用外,還能作為底物向酶擴(kuò)散的輸送介質(zhì),并且通過(guò)水化促使酶和底物活化。第三十三頁(yè)第三十四頁(yè)，共55頁(yè)。綜上所述,降低食品的aw,可以延緩酶促褐變和非酶褐變的進(jìn)行,減少食品營(yíng)養(yǎng)成分的破壞,防止水溶性色素的分解。但aw過(guò)低,則會(huì)加速脂肪的氧化酸敗,還能引起非酶褐變。食品化學(xué)反應(yīng)的最大反應(yīng)速度一般發(fā)生在具有中等水分含量的食品中(aw0.7-0.9)。要使食品具有最高的穩(wěn)定性,最好將aw保持在結(jié)合水范圍內(nèi)。這樣,既使化學(xué)變化難以發(fā)生,同時(shí)又不會(huì)使食品喪失吸水性和復(fù)原性。第三十四頁(yè)第三十五頁(yè)，共55頁(yè)。八含水食品的水分轉(zhuǎn)移

含水食品的水分轉(zhuǎn)移可分為兩種情況:

一種是水分在同一食品的不同部位或在不同食品之間發(fā)生位轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致了原來(lái)水分的分布狀況的改變;

另一種情況是食品水分的相轉(zhuǎn)移,特別是氣相和液相水的互相轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致了食品含水量的改變,這對(duì)食品的貯藏性及加工性和商品價(jià)值都有極大的影響。

第三十五頁(yè)第三十六頁(yè)，共55頁(yè)。1、水分的位轉(zhuǎn)移

如果食品的溫度(T)或水分活度aw不同,則水的化學(xué)勢(shì)就不同,水分就要沿著化學(xué)勢(shì)降落的方向運(yùn)動(dòng),從而造成食品中水分的轉(zhuǎn)移。理論上講,水分的轉(zhuǎn)移必須進(jìn)行到食品中各部位水的化學(xué)勢(shì)完全相等才能停止。

由于溫差引起的水分轉(zhuǎn)移,是食品中水分從高溫區(qū)域沿著化學(xué)勢(shì)降落的方向運(yùn)動(dòng),最后進(jìn)入低溫區(qū)域,這個(gè)過(guò)程較為緩慢。

由于水分活度不同引起的水分轉(zhuǎn)移,水分從aw高的地方自動(dòng)地向aw低的地方轉(zhuǎn)移。如果把水分活度大的蛋糕與水分活度低的餅干放在同一環(huán)境中,則蛋糕里的水分就逐漸轉(zhuǎn)移到餅干里,使兩者的品質(zhì)都受到不同程度的影響。第三十六頁(yè)第三十七頁(yè)，共55頁(yè)。2、水分的相轉(zhuǎn)移

食品中水分的相轉(zhuǎn)移主要形式為水分蒸發(fā)和蒸汽凝結(jié)。

(1)水分蒸發(fā)

食品中的水分由液相變?yōu)闅庀喽⑹У默F(xiàn)象稱為食品的水分蒸發(fā)。水分蒸發(fā)對(duì)食品質(zhì)量有重要的影響。

有利：干燥或濃縮；不利：導(dǎo)致新鮮的水果、蔬菜、肉禽、魚貝的外觀萎焉皺。促進(jìn)食品中水解酶的活力增強(qiáng),產(chǎn)品的貨架壽命縮短。

(2)水蒸汽的凝結(jié)（對(duì)糕點(diǎn)不利）第三十七頁(yè)第三十八頁(yè)，共55頁(yè)。（1）幾個(gè)概念玻璃態(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(wú)定形態(tài)。處于此狀態(tài)的聚合物只允許小尺寸的運(yùn)動(dòng)，其形變很小，類于玻璃，因此稱玻璃態(tài)。橡膠態(tài):高聚物轉(zhuǎn)變成柔軟而具有彈性的固體，稱為橡膠態(tài)。玻璃化溫度（Tg）:非晶態(tài)食品從玻璃態(tài)到橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)變稱玻璃化轉(zhuǎn)變，此時(shí)的溫度稱玻璃化溫度。

分子的移動(dòng)性與食品的穩(wěn)定性第三十八頁(yè)第三十九頁(yè)，共55頁(yè)。無(wú)定形（Amorphous）：

是物質(zhì)的一種非平衡、非結(jié)晶態(tài)。分子流動(dòng)性（Mm）：是分子的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)和平轉(zhuǎn)移動(dòng)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(jié)（Macromoleculerentanglement）：

指大的聚合物以隨機(jī)的方式相互作用，沒(méi)有形成化學(xué)鍵，有或沒(méi)有氫鍵。第三十九頁(yè)第四十頁(yè)，共55頁(yè)。（2）分子淌度與食品性質(zhì)的相關(guān)性分子淌度，也就是分子的流動(dòng)性（包括平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)），關(guān)系到許多食品的擴(kuò)散限制性質(zhì)，這類食品包括含淀粉食品（如面團(tuán)、糖果和點(diǎn)心）、以蛋白質(zhì)為基料的食品、中等水分食品、干燥或冷凍干燥的食品。

第四十頁(yè)第四十一頁(yè)，共55頁(yè)。擴(kuò)散因子D碰撞頻率因子A活化能因子Ea決定化學(xué)反應(yīng)速度化學(xué)、物理反應(yīng)的速率與分子淌度的關(guān)系第四十一頁(yè)第四十二頁(yè)，共55頁(yè)。擴(kuò)散限制反應(yīng)：擴(kuò)散因子D對(duì)反應(yīng)的影響大于碰撞頻率因子A和活化能因子Ea的影響。

包括：質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，自由基重新結(jié)合反應(yīng)，酸堿反應(yīng)，許多酶催化反應(yīng)，蛋白質(zhì)折疊反應(yīng)，聚合物鏈增長(zhǎng)，以及血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合/去氧合作用。非擴(kuò)散限制反應(yīng):擴(kuò)散因子D對(duì)反應(yīng)的影響小于碰撞頻率因子A和活化能因子Ea的影響。

包括：高水分食品中的一些反應(yīng)，有些非催化的慢反應(yīng)等。第四十二頁(yè)第四十三頁(yè)，共55頁(yè)。b自由體積與分子淌度的相關(guān)性

當(dāng)溫度降至Tg時(shí)，自由體積（Freevolume）顯著的變小，以致使聚合物鏈段的平動(dòng)停止。自由體積與分子淌度是正相關(guān)，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(duì)的，而且自由體積目前還不能作為預(yù)測(cè)食品穩(wěn)定性的定量指標(biāo)。第四十三頁(yè)第四十四頁(yè)，共55頁(yè)。（3）Aw和Mm方法研究食品穩(wěn)定性的比較二者相互補(bǔ)充，非相互競(jìng)爭(zhēng)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粘度和化學(xué)組分的擴(kuò)散能力。第四十四頁(yè)第四十五頁(yè)，共55頁(yè)。怎樣飲用水才安全？1.不喝水垢過(guò)多的水。

2.不喝開水和生水混合的水。

3.不能喝隔夜的開水;

4.吃飯的過(guò)程中最好不喝水，飯后不宜馬上喝水；

5.每天最少要喝五次水;不要等渴了再喝水；

6.早上起床后要喝杯水；

7.飲水宜溫水，切忌燙，冰。

8.不可以過(guò)急，宜慢飲

9.強(qiáng)調(diào)多喝水，但過(guò)度的話，會(huì)水腫

10.睡前不能多喝水，易眼腫

11.不要喝反復(fù)煮沸的水

12.喝生水肚子疼，節(jié)約用水有保障第四十五頁(yè)第四十六頁(yè)，共55頁(yè)。本章小結(jié)1.水分子的結(jié)構(gòu)特征：水是呈四面體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的水分子氫鍵鍵合程度取決于溫度2.水分子的締合：由于每個(gè)水分子具有相等數(shù)目的氫鍵給體和受體，能夠在三維空間形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。3.冰：是由水分子有序排列形成的結(jié)晶，有多種晶型，其中六方冰晶是最穩(wěn)定的。第四十六頁(yè)第四十七頁(yè)，共55頁(yè)。4.水的結(jié)構(gòu)模型：混合模型連續(xù)結(jié)構(gòu)模型填隙結(jié)構(gòu)模型5.化合水：與非水組分緊密結(jié)合并作為食品組分的那部分水。特點(diǎn)：①在-40℃下不結(jié)冰。②無(wú)溶解溶質(zhì)的能力。③與純水比較分子平均運(yùn)動(dòng)為0。④不能被微生物利用。第四十七頁(yè)第四十八頁(yè)，共55頁(yè)。6.鄰近水：與非水組的特異親水部位通過(guò)水-離子和水-偶極產(chǎn)生強(qiáng)烈相互作用的水。特點(diǎn)：①在-40℃下不結(jié)冰。②無(wú)溶解溶質(zhì)的能力。③與純水比較分子平均運(yùn)動(dòng)大大減少。④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(zhì)。第四十八頁(yè)第四十九頁(yè)，共55頁(yè)。7.多層水：占據(jù)第一層鄰近水剩余位置和圍繞非水組分親水基團(tuán)形成的另外幾層水。特點(diǎn)：①大多數(shù)多層水在-40℃下不結(jié)冰，其余可結(jié)