2-食品化学 第二章水

第二章水Water1.概述Introduction水在食品中的作用水是食品的重要组成部分如果蔬:75%-95%肉类:50%-80%面包:35%-45%谷物:10%-15%水分含量和存在形式对食品的结构,外观,质地,风味,新鲜程度和腐败变质的敏感性产生极大的影响在食品的贮藏和加工过程中作为化学和生化反应的介质和水解过程的反应物2.水和冰的结构Structureofwaterandice2.1水和冰的物理特性水异常的物理性质:熔点,沸点高介电常数大在20℃时,水的介电常数为80.6,而大多数生物体物质为2.2-4.0.水的表面张力和相变热大.密度低,结冰时体积膨胀.导热值比非金属固体大.0℃时,冰的导热值为同温度下水的4倍,扩散速度为水的9倍.密度随温度而变化.2.2水和冰的结构2.2.1单个水分子的结构特征Thewatermolecule近似四面体结构氧有两对孤对电子（未成对电子）.H-O键角104.5Ċ.2.2.2水分子的结构特点(多个水分子在液态时的结构)水分子通过氢键形成缔合分子结构水是呈四面体的网状结构水分子之间的氢键网络是动态的水分子的缔合Associationofwatermolecules水为什么具有很特殊的物理性质？水分子之间存在很强的吸引力,水和冰在三维空间通过强氢键缔合形成网络结构.水分子缔合的原因:由于氧的电负性比氢大，H-O键间电荷的非对称分布使H-O键具有极性,这种极性使分子之间产生引力.由于每个水分子具有数目相等的氢键供体和受体,因此可以在三维空间形成多重氢键.静电效应.水形成三维氢键的能力可以用来解释它异常的物性.此外,水的低黏度特点也与水缔合形成的氢键网处于动态平衡紧密相关.2.2.3冰的结构Structureofice•由水分子有序排列形成•水分子之间靠氢键形成非常疏松的刚性结构•冰晶分子内存在大量空隙。所以冰具有熔点低,硬度和密度小的特点。冰的结构示意图冰中水分子的四面体形排列情况冰的结构主要为四种类型：六方型冰晶.不规则树枝状结晶.粗糙的球状结晶.易消失的球状结晶。大多数冷冻食品种的冰晶体为高度有序的六方晶系结构。3.食品中水的存在形式Categoriesofwaterinfoods自由水体相水截留水水化合水结合水邻近水多层水•自由水远离非水组分，宏观流动性不受限制的水.•截留水存在于动植物组织的细胞质、膜间隙中，任何组织的循环液，以及制成食品的结构组织中。结合水：与食品中成分以氢键结合而不能自由运动的水化合水结合最牢固的水，与非水物质保持一个整体。邻近水仅次于最牢固的化合水，占据非水组织中亲水性最强的基团的第一层位置。多分子层水占据第一层剩下的的位置及在“邻近水”外形成的几层水。单分子层水持水量截留水的含量称为持水量.化合水+临近水单分子层水化合水+临近水持水量截留水的含量称为持水量.自由水与结合水的区分自由水的特点•易结水•.可作为溶剂•能被微生物利用•可用简单的加热方法从食品中分离出来结合水的特点•不易结冰（-40℃不结冰）•不能作为溶剂•不能被微生物利用•用NMR氢谱或量热分析法分析4水和溶质的相互作用Water–soluteinteractions水与溶质相互作用的分类种类实例偶极-离子H2O-游离离子H2O-有机分子带电基团偶极-偶极H2O-PR-NH，H2O-PR-COH2O-侧链OH疏水水合H2O+R→R（水合）疏水相互作用R（水合）＋R（水合）→R2（水合）+H2O4.1水与离子基团的相互作用InteractionofwaterwithIonicgroups4.2水与能产生氢键键合的中性基团的相互作用Interactionofwaterwithneutralgroupspossessinghydrogen-bondingcapabilities4.3水与疏水基团的相互作用Interactionofwaterwithnonpolarsubstances疏水水合作用疏水相互作用(Hydropinteraction)疏水基团为了避开水相，减小界面张力，疏水基团发生缔合，这种作用，称为疏水相互作用笼形水合物(Clathratehydrates)是象冰一样的包含化合物，水为“宿主”，它们靠氢键键合形成想笼一样的结构，通过物理方式将非极性物质截留在笼内，被截留的物质称为“客体”。一般“宿主”由20-74个水分子组成，较典型的客体有低分子量烃，稀有气体，卤代烃等。笼形化合物结构示意图5.水分活度•水分活度(aw)水分活度(wateractivity)是指食品中水的蒸汽压与该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值,可用下式表示:aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)P—某种食品在密闭容器中达到平衡状态时的水蒸气分压P0.—相同温度下纯水的蒸汽压ERH—样品周围的空气平衡相对湿度n1—溶剂摩尔数n2—溶质摩尔数•水分活度的物理意义表征生物组织和食品中能参与各种生理作用和化学作用的水分含量与总含水量的定量关系.Aw与ERH的区别aw是样品的内在品质,与环境无关。而ERH是与样品中的水蒸气平衡是的大气性质.aw=ERH/100仅当食品与其环境达到平衡时才能应用.只有当溶质是非电解质且浓度小于1mol/L的稀溶液时,其水分活度才可以按aw=n1/(n1+n2)计算:溶质Aaw理想溶液0.9823=55.51/(55.51+1)丙三醇0.9816蔗糖0.9806氯化钠0.967氯化钙0.945A:1千克水(约55.51mol)溶解1mol溶质5。1水分活度与温度的关系(temperaturedependence)可用经修改的克劳修斯-克拉伯龙方程表示㏑aw=-K△H/RT式中：R—气体常数T—热力学温度△H—纯水的汽化潜热（40.5372KJ/mol）•K=（T-T’）/T’•----达到同样水蒸气压时食品的温度比纯水高出的比值，它反应食品中非水组分对aw的影响•较大温度范围内，lnAw与1/T并非始终为一条直线。当开始结冰时，直线断点LnAw对1/T作图应为一条直线冰点以下Aw冰点以下Aw重新定义为：P++---未完全冰冻的食品中水的分压Po(scw)---过冷水的蒸汽压（过冷水Supercooledwater）)(0ASCWPP冰点温度以下lnAw此与1/T关系图的特点冰点温度以下lnAw此与1/T也是直线关系。冰点温度时，直线出现断点。冰点温度以下，温度对影响比冰点以上大。（直线斜率较大）高于和低于冻结温度下的aw区别:在冻结温度以上,aw是样品组分与温度的函数,且前者是主要因素在冻结温度以下,aw与样品组分无关,只取决于温度,)T,n(fA)T(fA冰点以上和以下温度的Aw对食品稳定性影响不一样•如：•-15℃Aw是0.86微生物不生长；生化反应缓慢•20℃Aw是0.86微生物能生长；生化反应快所以，不能用冰点以下Aw预测冰点以上Aw。5。2水分吸湿等温线MoistureSorptionIsothermsDefinition:poltsinterrelatingwatercontentofafoodwithitswateractivityatconstanttemperature.MSI的实际意义:由于水的转移程度与aw有关,从MSI图可以看出食品脱水的难易程度,也可以看出如何组合食品才能避免水分在不同物料间的转移.据MSI可预测含水量对食品稳定性的影响.从MSI还可看出食品中非水组分与水结合能力的强弱.区I区II区III区Aw0-0.20.2-0.85＞0.85含水量%1-6.56.5-27.5＞27.5冷冻能力不能冻结不能冻结正常溶剂能力无轻微-适度正常水分状态单分子层水多分子层水体相水微生物利用不可利用部分可利用可利用MSI上不同区水分特性食品化学与分析Foodchemistryandanalysis滞后现象Hysteresis定义:采用回吸(resorption)的方法绘制的MSI和按解吸(desorption)的方法绘制的MSI并不互相重叠的现象称为滞后现象.滞后现象产生的原因解吸过程中一些水分与非水溶液成分作用而无法放出水分.不规则形状产生毛细管现象的部位,欲填满或抽空水分需不同的蒸汽压(要抽出需P内＞P外,要填满则需P外＞P内).解吸作用时,因组织改变,当再吸水时无法紧密结合水,由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的aw.5。3水分活度与食品的稳定性Wateractivityandfoodstability食品化学与分析Foodchemistryandanalysis5。3。1水分活度与微生物生命活动的关系一般而论,当aw＜0.6时,几乎所有的微生物都不生长;当aw＜0.77时大部分酵母不生长;aw＜0.8时细菌不生长;aw＜0.7时霉菌不生长.5。3。2水分活度与食品中化学反应的关系•aw与淀粉的老化:水含量在30%-60%范围,淀粉老化速度最快,若含水量降至10-15%时,水分基本上以结合水状态存在,淀粉不会老化.•aw与蛋白质变性:aw增大,蛋白质氧化加速,导致蛋白质变性,当水分含量达4%时,蛋白质变性仍可缓慢进行,当水分含量在2%以下,则不会变性.•aw与酶促褐变:当aw下降至0.25-0.3的范围,酶促褐变进行缓慢,但随aw↑,反应速度↑.•aw与非酶褐变:非酶褐变速度随aw增大而加速,aw在0.6-0.7之间时,速度最大,当aw降低到0.2以下时,褐变难以发生.•aw↑与脂肪酸败:在aw=0-0.35范围内,随aw↑,反应速度↓;在aw=0.35-0.8范围内,随aw↑,反应速度↑;当aw＞0.8时,随aw↑,反应速度增加很缓慢.•在aw=0-0.35范围内,随aw↑,反应速度↓的原因:①水与脂类氧化生成的氢过氧化物以氢键结合,保护氢过氧化物的分解,阻止氧化进行.②这部分水能与金属离子形成水合物,降低了其催化性.食品化学与分析Foodchemistryandanalysis•在aw=0.35-0.8范围内,随aw↑,反应速度↑的原因:①水中溶解氧增加②大分子物质肿胀,活性位点暴露加速脂类氧化.③催化剂和氧的流动性增加.当aw＞0.8时,随aw↑,反应速度增加很缓慢的原因:催化剂和反应物被稀释.5。3。3。干燥食品最大稳定性时的含水量计算—单分子层值单分子层水ａw在0.2-0.3（相当于Ι区和Ⅱ区边界位置）许多生化反应速度最小。（脂类氧化除外）。把这种反应速度最小时食品所含的水，称……CMCC111M1)-M(1M-含水量-水活性-单分子层值C-常数-1M以Aw=[M(1-aw)]对Aw作图得到一条直线，称为BET直线。利用BET直线可求出.M1斜率截距Y1M15.3.4提高食品保存性研究简介。•在半干食品研究领域•鸡腿保存中，提高持水性，降低，•芒果干制品中5。5冰对食品稳定性的影响低于结冰温度时冰对食品稳定性的影响浓缩效应体积效应冷冻对化学反应的影响:低温效应→化学反应↓浓缩效应→化学反应↑6.分子的流动性和食品的稳定性Molecularmobilityandfoodstability概述分子淌度，也就是分子的流动性（包括平动和转动），关系到许多食品的扩散限制性质，在讨论食品稳定性时，应该同时考虑水活性和分子淌度。几个概念：玻璃态（glassstste）：是聚合物的一种状态，它既象固体一样有一定的形状，又象液体一样分子间排列只是近视有序，是非晶态或无定形态。处于此状态的聚合物只允许小尺寸的运动，其形变很小，类于玻璃，因此称～。玻璃化温度（glasstransitiontemperature,Tg）：非晶态食品从玻璃态到橡胶态的转变称玻璃化转变，此时的温度称～。无定形（Amorphous）：是物质的一种非平衡，非结晶态。分子流动性（Mm）：是分子的旋转移动和平转移动性的总度量。决定食品Mm值的主要因素是水和食品中占支配地位的非水成分。大分子缠结（Macromoleculerentanglement）：指大的聚合物以随机的方式相互作用，没有形成化学键