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水1概述六大营养素之一，是维持人类正常生命活动必需的基本物质；存在：动植物体内、食品；在食品中的主要作用：赋予色、香、味、形等特征；分散蛋白质和淀粉等，使形成凝胶；新鲜度、硬度、流动性、呈味性、保藏性和加工等。2水与溶质的相互作用2.1水的化学结构2.1.1水分子的结构（单分子水或汽态水分子）水蒸气中水：多以单分子形式存在化学式：H2O组成：一个氧原子和两个氢原子形状：折线形H—O结合方式：共价键键角：104.5℃分子类型：极性分子2.1.2液体水的结构（水分子的缔合）存在形式：若干个水分子缔合[（H2O）n]吸引力：含有偶极的水分子在三维空间上的静电引力形成氢键的缔合作用（多重氢键键合），缔合原因：O-H键具有极性→分子中电荷非对称分布→分子具有较大偶极距；极性→吸引力→强度缔合键能大小：共价键（平均键能335kJ/mol）氢键（2～40kJ/mol）偶极间静电引力，结构不稳定动态平衡：水分子得失。氢键给体部位：在H2O正四面体的两个轴上O-H成键轨道（见图2-1A胡），氢键受体部位：O的两个孤对电子轨道，位于正四面体的另外两个轨道，每个H2O最多能与另外4个H2O通过氢键结合，得到如图2.1-2（1）（刘）的四面体排列。2.2水的物理性质熔点、沸点、比热容、熔化热、蒸发热、表面张力和介电常数等明显偏高（三维氢键缔合）：1)压力↑↓→沸点↑↓；101.32kPa,100℃;减压浓缩；+101.32kPa,121～123℃2）比热大，原因：温度↑→分子动能↑→吸入热量↘缔合分子→简单分子→吸入热量比热大→水温不易随气温变化水密度低，黏度小导热率高：其中，导热系数、扩散系数：冰水→经受温度变化速率：冰水→冻结速度解冻速度密度比冰大：质量相同：V冰V水→冷冻工艺机械损伤溶解能力强，可溶解电解质、蛋白质等溶液：离子型化合物→介电常数大非离子型化合物→氢键脂肪、蛋白→乳浊液/胶体溶液2.3固态食品中水的类型2．3．1根据在食品中与非水物的结合程度划分：束缚水：单分子层水、多分子层水自由水：毛细管水、截留水束缚水（结合水，构成水）构成水：指与非水物质结合最强的并作为非水组分整体部分的结合水。可与各非水组分结合且结合得最为牢固作为非水组分整体部分不能作为溶剂，-40℃以上不能结冰。单分子层水位置：第一个水分子层中结合集团：非水组分中强极性集团（如羧基、氨基等）结合方法：氢键键能：大，结合牢固，呈单分子层结合强度：最为牢固蒸发、冻结、转移和溶剂能力均可忽略。个别单分子层上的水分子可脱离开强极性集团，进入外面多分子层水内，与多分子层中的水分子交换。含量：在高水分食品中，占总水量的0.5%；不能被微生物利用，不能用做介质进行生化反应。多分子层水（半结合水）邻近水：与非水物质结合强度较次的结合水位置：强极性集团单分子层外的几个水分子层结合基团：非水组分中弱极性集团结合方法：氢键键能：小，不牢固被束缚强度：稍弱蒸发能力：较弱自由水（体相水、游离水）除束缚水外剩余的部分水；连接力：毛细管力位置：占据与非水组分相距很远位置性质：与稀溶液中水相似，宏观流动不受阻碍或仅受凝胶或组织骨架阻碍；在食品中可以作溶剂；在-40℃以上可以结冰；含量：在高水分食品中，略低于总水量的5%。毛细管水动植物体中毛细管保留的水；存在于细胞间隙中；只能在毛细管内流动，加压可使水压出体外。截留水食品中被生物膜或凝胶内大分子交联成的网络所截留；主要存于富水的细胞中或凝胶块内；只能在被截留的区域内流动，单个水分子可通过生物膜或大分子网络向外蒸发；在高水分食品中，占总水量的90%以上，与食品的风味、硬度和韧性有关，应防止流失。2.3.2结合水（束缚水）与自由水性质差别结合水的量与食品中有机大分子的极性集团的数量有比较固定的比例关系；结合水的蒸汽压比自由水高；结合水在食品中不能作为溶剂，在-40℃以上不能结冰；自由水在食品中可以作溶剂，在-40℃以上可以结冰；自由水能为微生物所利用，适于微生物繁殖及进行化学反应，是发生食品腐败变质的适宜环境。结合水则不能；结合水对食品风味起重要作用。2.3.2结合水（束缚水）与自由水性质差别结合水的量与食品中有机大分子的极性集团的数量有比较固定的比例关系；结合水的蒸汽压比自由水？；结合水在食品中不能作为溶剂，在-40℃以上不能结冰；自由水在食品中可以作溶剂，在-40℃以上可以结冰；自由水能为微生物所利用，适于微生物繁殖及进行化学反应，是发生食品腐败变质的适宜环境。结合水则不能；结合水对食品风味起重要作用。3水分活度与食品稳定性3．1水分活度定义水含量不能作为判断食品稳定性的指标：1）水分含量的测定受温度、湿度等外界条件的影响；2）各非水组分与水氢键键合的能力和大小均不相同，与非水组分结合牢固的水不可能被食品中的微生物生长和化学水解反应所利用。因此，用水活性度作为食品易腐败性的指标比水含量更为恰当，而且它与食品中许多降解反应的速度有良好的相关性。水分活度：食品的蒸汽压与同温下纯水的蒸汽压的比值，即Aw=P/P0,Aw=水分活度;P=食品中水的的蒸汽分压，P0=指定温度下纯水的蒸汽压；纯水P=P0，Aw=1，而食品中P总小于P0，故Aw1。活度方程式：Aw=f/f0式中，f=溶液中水的逸度，f0=纯水的逸度平衡相对湿度（ERH）食品中水分蒸发达到平衡时食品上空已恒定的水蒸气分压与在此温度时水的饱和蒸汽压的比值。Aw=P/P0=ERH/100，现时大气中水蒸气的分压力与在此温度下水的饱和蒸汽压的比值。用乘100后的整数形式表示。3.2等温吸湿曲线•定义：在恒定温度下，表示食品的水含量（g水/g干物质）与它的水分活度之间关系的曲线称为等温吸湿曲线（MSI）。即以食品中的水分含量为纵坐标，以水分活度为横坐标作图，所得的曲线为等温吸湿曲线。（胡图2-16P24-25或韩图1-10P31-32）大多数食品的MSI呈S形，含有大量糖及其它可溶性小分子但不富有高聚物的水果、糖果及咖啡提取物等的MSI则具有J形。见图2-18胡用途确定食品适宜的浓缩脱水时间，确定适宜的食品组成以防止水分在各组分间转移；预测食品适宜含水量以确保其稳定性；看出不同食品非水成分与水结合能力的强弱。类型根据测定方法的不同等温吸湿曲线可分为：回吸（吸附）等温线：在恒温条件下，把水逐步渗透到干燥的食品中，在测定了不同吸湿阶段的水分活度后绘制的等温线；解吸等温线：把高水分含量的食品逐步脱水，在测定了不同脱水阶段的水分活度后绘制出的等温线。（4）影响等温吸湿曲线形状的因素：测绘方法食品组成结构温度…...滞后现象（hysteresis）见图1-11韩定义：同一食品等温吸附线和解吸等温线不完全重合，在中低水分含量部分张开一细长眼孔影响滞后作用大小的因素：食品组成结构、性质、食品除去和添加水所发生的物理变化、温度以及吸湿与解吸速度和脱水程度等。在同一Aw下，所对应的水分含量，都是解吸大于吸湿，（食品的解吸过程一般比回吸过程时含水量更高）说明吸湿到食品内的水，还没有充分地被非水组分束缚，没有使食品复原。等温吸湿曲线与温度有关：水分含量一定，t℃↑→Aw↑同一食品不同温度下绘制的等温吸湿曲线，t℃↑，曲线形状基本不变，位置顺序向右下方移动。见图1-12韩或刘2.1-7（5）等温吸湿曲线分区（胡图2-17）目的：深刻理解含义和实际应用与食品内水的类型紧密联系根据：水分含量和Aw的关系MSI图形特点区段Ⅰ单分子层的结合水：为构成水和邻近水连接集团：羧基和氨基等离子基团连接方式：水-离子或水-偶极相互作用连接部位：吸附在极性部位结合力：最强，吸附最牢固和最不容易移动，Aw：最低在食品中占比例：0～0.25g，相当于物料含水量0～0.07g/g干物质很难蒸发，蒸发焓比纯水大得多；-40℃时不结冰；不能溶解溶质；与食品腐败无关；对食品的固形物不产生增塑效应，相当于固形物的组成部分；高水分末端（区间Ⅰ和区间II的分界线）位置的这部分水相当于食品的单分子层水含量。区段Ⅱ区间I的水、区间II内增加的水（多分子层水、毛细管水）；与水结合基团：酰胺基、羟基等；键型：水-水、水-溶质的氢键键合作用与邻近分子缔合，形成多分子层结合水或称为半结合水；结合力：稍差；蒸发能力：比水弱，蒸发焓比纯水大，（水与非水组分的缔合程度）；新增多的这部分水不能做溶剂，在-40℃时也不结冰；Aw=0.8时增加水，溶解作用使多数反应加速，并具有增塑剂和促进基质溶胀的作用（引发固态组织溶胀）；Aw：0.25～0.8g，相当于物料含水量0.07至0.33～0.4g水/g干物质，最高为20g的干物，占总水量的5%以下；Aw接近0.8，常温可能霉烂变质。区段III区段I、II及区段III边界内增加的水（回吸过程）；吸湿性：最强烈；新增加的水：属于自由水中直径1μm毛细管凝聚的水和生物大分子凝结成的网状结构截留水，结合最不牢固和最易流动的水（体相水）；Aw：0.8～0.99g；与非水组分间的结合力极弱；蒸发焓；基本与纯水相同，既可结冰也可作溶剂，在许多方面与纯水相似，因而有利于化学反应及微生物生长；物料含水量：最低为0.14～0.33g/g干物质，增加的水最多20g干物质；在高水分食品中一般占总含水量的95%以上。区段划分不绝对：1）区段I：靠近II→多分子层水区段II：靠近I→单分子层水2）除结合水外，其余水能在区域内/间进行交换故用区带表示相互交叉过程区段II/III水↑→区段I/II水性质几乎不变→食品中结合得最不牢固的那部分水对食品的稳定性起着重要作用。3.3Aw对微生物繁殖及化学反应的影响水分活度越小，食品越稳定，较少出现腐败变质的问题；毛细管水能溶解反应物质，起溶剂作用，有助于反应物质的移动，从而促进化学变化；过分干燥→氧化、脂肪酸败、非酶褐变Aw最高稳定性所必需的水分含量：保持在结合水范围内（即最低Aw）→防止氧对活性基团的作用，阻碍蛋白质和碳水化合物的相互作用，化学变化难于发生，不会丧失吸水性和复原性。3.3.1Aw对微生物繁殖的影响•微生物生长需要的Aw值一般较高：•Aw↑→微生物生长速度↑↑→生长速度MAX后↓（略有下降）；•不同微生物在食品中繁殖时，都有它最适宜的Aw范围；见表（刘2.1-3，图2.1-9）。•在食品中，微生物赖以生存的水主要是自由水：自由水含量↑→Aw↑，故Aw大的食品易受微生物感染，稳定性差。微生物发育时必需的Aw微生物发育所必需的最低AW普通细菌0.90普通酵母0.87普通霉菌0.80嗜盐细菌≤0.75耐干性酵母（细菌）0.65耐渗透压性酵母0.613.3.2酶促反应与水分活度的关系如图2.1-9（2）所示酶促褐变：食品中的酚类物在酚氧化酶的作用下，经氧化后聚合成黑色素所致。条件：酚类物、氧、酶酶的催化活性：酶分子的构像—环境—水介质水的作用：维持酶分子活性构像的各种作用力，特别是非极性侧链间的疏水作用力；有利于酶和底物分子在食品内的移动，使之充分靠拢，溶解并增加基质流动性等。Aw与酶反应速率：Aw极低时，反应几乎停止或极慢；Aw增加，毛细管的凝聚作用开始，毛细管微孔充满水，导致基质溶解于水，酶反应速率增大。Aw与酶活性：Aw0.85，催化活性明显减弱；Aw0.3，淀粉酶、酚氧化酶、过氧化物酶受到极大抑制；Aw=0.3～0.1，脂肪酶仍能保持活性。如图2.1-9Aw很低：V很慢；Aw0.35:Aw↑→V↑↑Aw=0.2-0.3（I、II边界，单分子层水，可准确预测干燥产品最大稳定性时含水量）：化学反应、酶促反应速度最小Aw0.2:反应速度保持最小（氧化反应除外）3.3.3非酶反应（Maillard）与Aw的关系