食品化学 第二章 水

一、食品中的水分含量及功能（一）水分含量一般生物体及食品中水分含量为3～97%某些食品的水分含量见表2—1。表2—1某些食品的水分含量食品水分含量(%)白菜，菠菜90—95猪肉53—60新鲜蛋74奶88冰淇淋65大米12面包35饼干3—8奶油15—20水果75--95（二）水的功能1、水在生物体内的功能稳定生物大分子的构象，使表现特异的生物活性体内化学介质，使生物化学反应顺利进行营养物质，代谢载体热容量大，调节体温润滑作用2、食品功能组成成分显示色、香、味、形、质构特征分散蛋白质、淀粉、形成溶胶影响鲜度、硬度影响加工，起浸透、膨胀作用影响储藏性二、食品中的水分状态及与溶质间的相互关系（一）水分状态1、结合水（束缚水，boundwater，化学结合水）可分为单分子层水（monolayerwater），多分子层水（multilayerwater）作用力：配位键，氢键，部分离子键特点：在-40℃以上不结冰，不能作为外来溶质的溶剂,与纯水比较分子平均运动大大减少,不能被微生物利用。2、自由水（freewater）（体相水，游离水，吸湿水）可分为滞化水、毛细管水、自由流动水（截留水、自由水作用力：物理方式截留，生物膜或凝胶内大分子交联成的网络所截留；毛细管力特点：可结冰，溶解溶质；测定水分含量时的减少量；可被微生物利用。（二）水与溶质间的关系1、水与离子和离子基团的相互作用作用力：极性结合，偶极—离子相互作用阻碍水分子的流动的能力大于其它溶质；水—离子键的强度大于水—水氢键；破坏水的正常结构,阻止水在0℃时结冰，对冰的形成造成一种阻力；改变水的结构的能力与离子的极化力有关。2、水与可形成氢键的中性基团的相互作用水可以与羟基、氨基、羰基、酰基、亚氨基等形成氢键；作用力小于水与离子间作用力；流动性小；对水的网状结构影响小；阻碍水结冰；大分子内或大分子间产生“水桥”3、水与非极性物质的相互作用笼形水合物的形成：由于非极性基团与水分子产生斥力，使疏水基团附近的水分子间氢键键合力↑熵值s↓20～74个水分子将“客体”包在其中，形成“笼形水合物”。作用力：范德华力、少量静电力、疏水基团间的缔合作用三、水分活度Wateractivity（一)概念问题：(1)含水18%的果脯与含水18%的小麦比较，哪种耐储藏？(2)含水量标准：大豆、油菜籽≤9%，玉米≤14%水分活度—食品中水分逸出的程度，可以用食品中水的蒸汽压与同温度下纯水饱和蒸汽压之比表示，也可以用平衡相对湿度表示。Aw=f（溶液中水的逸度）/fo(纯水的逸度）≈P（食品中水的蒸汽压）/Po（纯水饱和蒸汽压因为纯水的水分活度=1,所以溶液的水分活度1由拉乌尔定理（理想稀溶液）P=P0X1(X1—溶剂摩尔分数)（P/P0=X1)Aw=P/P0=n1/(n1+n2)（n1、n2--溶剂、溶质摩尔分数）例如：2mol蔗糖溶于1000gH2O中1000/18.016=55.5(mol)Aw=n1/(n1+n2)=55.5/(55.5+2)=0.9652=96.52%所以，Aw可以用平衡相对湿度ERH表示(equilibriumrelativehumidity)即Aw=P/P0=ERH/100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BAw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0.945(1千克水(约55.51mol)溶解1mol溶质B)（二）Aw与温度的关系1、Aw随着温度的变化而变化Clasius-Clapeyron方程dlnAw/d(1/T)=-ΔH/RP20图2-10可以看出:【3.2（39.5℃）；3.6（4.8℃）】含水量相等时，温度越高，Aw越大。2、低于冰点时，Aw与温度的关系Aw=Pff（部分冻结食品中过冷水蒸气分压）／Ｐ０（scw,纯过冷水蒸气压）＝Ｐice（纯冰蒸气压）／Ｐ０（scw）(Aw与食品组成无关)图2-11复杂食品在冰点以上和冰点以下时Aw和温度的关系(1)低于冰点时，Aw与１／Ｔ成线性关系(2)冰点时，出现折断(3)温度对Aw的影响远大于冰点以上（陡些）3、结论高于冰点时，Aw与食品组成及Ｔ有关，其中食品组成是主要因素，当组成水％同，Ｔ上升，则Aw上升。低于冰点时，Aw与食品组成无关，仅与温度有关。冰点以上或以下，Aw对食品稳定性影响是不同的。例：-１５℃，Aw＝0.86微生物不繁殖２０℃，Aw＝0.86微生物繁殖（三）吸湿等温线（MSI)MoistureSorptionIsotherms1、概念及意义在等温条件下，以食品含水量为纵坐标，以Aw为横坐标作图，所得曲线称为吸湿等温线。P22图2-12，高水分含量范围内的食品吸湿等温线图2-13，低水分含量范围内的食品吸湿等温线不同食品，因其化学组成和组织结构不同，对水束缚能力不一样，有不同的吸湿等温线，但都为Ｓ型。P22图2-14各种食品和生物物质的吸湿等温线意义：吸湿等温线表示了食品的Aw与含水量对应关系，除去水（浓缩、干燥）的难易程度与Aw有关，配制食品混合应注意水在配料间的转移，测定包装材料的阻湿性质，测定一定水分含量与微生物生长的关系，预测食品稳定性与水分含量的关系。因为Ｔ升高，Aw升高，对同一食品，Ｔ升高，形状近似不变，曲线位置向下方移动图２—1９不同温度下马铃薯的吸湿等温线2、吸湿等温线与温度的关系3、吸湿等温线的滞后现象测定水加入→干燥食品的吸湿（回吸）等温线；测定高水分食品→脱水的解吸等温线；二线不完全重合，显示吸湿等温线滞后环。这一吸湿（吸附）等温线与解吸等温线不完全重合的现象称为吸湿等温线的滞后现象。在Aw同，对应的水分含量，回吸解吸说明：吸湿到食品内的水，还未充分被食品组分束缚，没有使食品“复原”。问题：麦胚在130℃烘箱中烘烤60分钟，然后放在空气中储藏，结果如何？食品品种不同，滞后环不同；同一食品，不同温度，滞后环不同。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（结合水）。解吸作用时,因组织改变,当再回吸水时无法紧密形成结合水,由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的Aw。4、吸湿等温线分区为了说明吸湿等温线的内在含义，并与水的存在状态紧密联系，可以将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区。Ⅰ区：Aw=0～0.2约0～0.07g水/g干物质作用力：H2O—离子，H2O—偶极，配位键属单分子层水（含水合离子内层水）不能作溶剂，-40℃以上不结冰，与腐败无关Ⅱ区：Aw=0.2～0.85（加Ⅰ区，0.45gH2O/g干）作用力：氢键：H2O—H2OH2O—溶质属多分子层水，加上Ⅰ区约占高水食品的5%，不作溶剂，-40℃以上不结冰，但接近0.85（Aw）的食品，可能有变质现象。Ⅲ区：0.85～1.0新增的水为自由水，（截留+流动）多者可达20gH2O/g干物质可结冰，可作溶剂划分区不是绝对的，可有交叉，连续变化5、吸湿等温方程式因为计算单分子层水值具有实际意义，可准确预测干燥产品最大稳定性时的含水量。•据热力学、动力学、统计学、经修改的吸湿等温线方程式如下:•=••以αw／[m(1-αw)]对αw作图得到一条直线，称为BET直线图2-29图2—17）天然马铃薯淀粉的BET图a=3/0.281=10.7b=0.6所以，m1=1/(10.7+0.6)=0.88gH2O/g干物质）m1’=0.088/1.088=8.09%AW=0.2(相当于))1(wwmwmCCm1111四、水对食品的影响（一）Aw与食品的稳定性1、Aw与微生物生长（P26表2-5）微生物的生长繁殖需要水，适宜的Aw一般情况如下，Aw0.90大多数细菌0.87大多酵母0.80大多霉菌0.8～0.6耐盐、干、渗透压细菌、酵母、霉菌0.50任何微生物均不生长繁殖水可作为介质，活化底物和酶Aw0.8大多数酶活力受到抑制Aw=0.25～0.3有效阻止酶褐变，包括淀粉酶、多酚氧化酶、过氧化物酶抑制或丧失活力而脂肪酶在Aw=0.1～0.5仍保持其活性，如肉脂类（因为活性基团未被水覆盖，易与氧作用）Aw与羰氨反应（非酶褐变）Aw0.7Aw升高，v升高，Aw=0.6～0.7v最大Aw0.7v降低（因为H2O稀释了反应物浓度)2、Aw与酶促反应3、Aw与脂肪氧化酸败影响复杂：Aw0.4Aw↑V↓(MO2—H2O阻V)Aw0.4Aw↑V↑（H2O溶解O2，溶胀后催化部位暴露，氧化V↑）Aw0.8Aw↑V↓(稀释浓度)4、Aw与水溶性色素分解，维生素分解Aw↑V分解↑总之，水分应该保持在结合水范围内，使反应难以发生，稳定，并保持食品的质构。食品结冰时非冻结相中，（未凝固水），溶质变浓，冰的体积增加9%由于浓缩效应，未冻结的pH、粘度、离子强度、氧化还原电位、胶体性质等发生变化。（温度与浓缩综合效应，V↓↑）加速一些化学反应：蔗糖在酸催化下水解反应，肌红蛋白褐变蛋白质变性S↓氧化反应（VC、脂肪、VA、VE、β-胡萝卜素…）酶催化反应（糖原损失、乳酸↑，高能磷酸盐降解……）（二）结冰对食品稳定性影响水%、Aw对干、半干、中湿食品质构有影响低Aw：饼干脆性油炸土豆片脆性硬糖防粘固体饮料防结块中湿：软糖防变硬蛋糕防变硬面包防变硬冷冻方式对质构的影响速冻、小晶体破坏小；慢冻，大冰晶破坏大干燥方法对质构的影响空气干燥质构破坏冷冻干燥相似质构如脱水蔬菜高温脱水质构破坏真空干燥相似质构真空微波干燥相似质构（三）水对食品质构的影响在食品中添加吸湿剂可在水分含量不变条件下，降低Aw值。吸湿剂应该含离子、离子基团或含可形成氢键的中性基团（羟基，羰基，氨基，亚氨基，酰基等），即有可与水形成结合水的亲水性物质。如：多元醇：丙三醇、丙二醇、糖无机盐：磷酸盐（水分保持剂）、食盐动、植物、微生物胶：明胶、卡拉胶、黄原胶（四）降低Aw的方法五、分子流动性与食品稳定性Molecularmobilityandfoodstability1、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。玻璃态（glassstate）：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似有序，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，因此称玻璃态。玻璃化温度（glasstransitiontemperature,Tg）：非晶态食品从玻璃态到橡胶态（具有柔软、弹性的固态）的转变称玻璃化转变，此时的温度称玻璃化温度。无定形（Amorphous）：是物质的一种非平衡，非结晶态。2、状态图——描述分子流动性与食品稳定性关系，包括平衡和非平衡状态数据的图（p34图2—19）食品存在无定形区食品的物理变化和化学变化的速度由分子流动性所决定分子流动性与温度有相依性大多数食品具有玻璃化温度溶质类型影响玻璃化温度3、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，有或没有氢键。大分子的缠结对食品性质的影响：EN对于冷冻食品的结晶速度，大分子化合物的溶解度、功能性乃至生物活性都将产生不同程度的影响，同时可以阻滞焙烤食品中水分的迁移，有益于保持饼干的脆性和促进凝胶的形成。分子的缠结能影响食品的性质（因为阻碍水分的迁移，有助于保持谷物食品的脆性，减缓冷冻食品的结晶速度。