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•第二章水•基本要求：理解水与冰的结构及在食品中的性质；理解水与溶质间的相互作用；掌握水分活度的定义和吸湿等温线；掌握水分活度与温度的关系，水分活度与食品的稳定性的关系；了解在冰点温度以下，冰与食品质量的关系及其在储藏和加工中的运用。重点难点：水分活度的概念及其与食品稳定性的关系、吸湿等温线。第一节引言•生命之源组成机体，维持生命活动、调节代谢。人及动物体的机体中：水的含量:约占60％，有机物:约占30％，矿物质:约占5％。水在食品中的重要作用a.水是食品的重要组成成分，是形成食品加工工艺和保藏技术考虑的重要因素；主要食品的水分含量果蔬：75%-95%；肉类：50%-80%；面包：35%-45%；谷物：10%-15%；鱼类：70％-80％。b.天然或加工食品的水分含量、分布和存在状态决定着食品的结构、特性、新鲜程度、品质管理水平和储藏期；c.水起着分散蛋白质、脂类和淀粉，使其形成溶胶的作用。d.水是引起食品化学变化及微生物作用的重要原因，直接关系到食品的贮藏和安全特性。第二节水和冰的物理性质•水是一种特殊的溶剂，其物理性质和热行为有与其它溶剂显著不同的方面：a.水的熔点、沸点、介电常数、表面张力、热容和相变热均比质量和组成相近的分子（CH4、NH3、HF、H2S）高得多。如CH4的b.p：-162℃，m.p：-183℃，而水在0.1MPa下b.p：100℃，m.p：0℃；这些特性将对食品加工中的冷冻和干燥过程产生很大的影响；b.水的密度较低，水在冻结时体积增加，表现出异常的膨胀行为，这会使得含水的食品在冻结的过程中其组织结构遭到破坏；例如：一般的食物在冻结后解冻往往有大量的汁液流出，其主要原因是冻结后冰的体积比相同质量的水的体积增大9%，因而破坏了组织结构。c.水的热导率较大，然而冰的热导率却是同温度下水的4倍，冰的热扩散系数（热扩散速度）是水的9倍，这说明在同一环境中，冰比水能更快的改变自身的温度，冰的热传导速度比非流动水（如动、植物组织内的水）快得多，水和冰的导热系数和热扩散系数上较大的差异，就导致了在相同温度下组织材料冻结的速度比解冻的速度快很多。第3-6节水和冰的结构一、水分子的结构斯陶特模型2p2ssp3杂化轨道构型↘→单个水分子的结构特征•水的异常性质可以推测水分子间存在强烈的吸引力以及水和冰具有不寻常结构。H2O分子的四面体结构有对称型H-O共价键有离子性氧的另外两对孤对电子有静电力H-O键具有电负性单个水分子的键角为104.5°，接近正四面体的角度109.28°，O-H核间距0.096nm，氢和氧的范德华半径分别为0.12nm和0.14nm。二、水分子的缔合1、HOH分子呈V字样的形状，H-O键间电荷的非对称分布使H-O键具有极性，产生的分子偶极矩为1.84D(库.米)。HOH分子极性使水分子之间产生引力。2、氢键作用氢原子几乎成为裸露的带正电荷的质子，这个半径很小且带正电荷的质子能够和带相对负电荷的另一水分子中的氧原子之间产生静电引力，这种作用力产生的能量一般在2-40kJ／mol的范围，比化学键弱，但比纯分子间力强，称之为氢键。每个水分子最多能够与4个水分子通过氢键结合。每个水分子在三维空间有相等数目的氢键供体和受体，因此水分子在三维空间形成多重氢键键合。克库勒模型：水分子通过氢键形成四面体构型3、水分子之间还可以以静电力相互结合，因此缔合态的水在空间有不同的存在形式，如：OHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHH不同的缔合形式，可导致水分子之间的缔合数大于4。•水分子缔合的原因：①H-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。②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。③静电效应。与打破分子间氢键所需额外能量有关的水的性质•低蒸汽压•高沸点•高熔化热(80cal/g,335J/g)•高蒸发热(539cal/g,2257J/g)三、冰的结构•冰是水分子通过氢键相互结合、有序排列形成的低密度、具有一定刚性的六方形晶体结构。•在冰的晶体结构中，每个水和另外4个水分子相互缔合，O－O之间的最小距离为0.276nm，O－O－O之间的夹角为109°。(1)纯冰•普通冰属于六方晶系中的六方形双锥体型。•冰还可能以其他9种多晶型结构存在，也可能以无定形或无一定结构的玻璃态存在。但是在总的11种结构中，只有普通的六方形冰在0℃和常压下是稳定的。（2）溶质存在时①六方冰晶形成的条件：在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻；溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的移动。②按冷冻速度和对称要素分，冰可分为四大类：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及各种中间体过冷温度尽管纯水冰点是0℃，但常并不在0℃结冻，而是出现过冷状态，只有当温度降低到零下某一温度时才可能出现结晶（加入固体颗粒或振动可促使此现象提前出现）,即过冷现象；出现冰晶时温度迅速回升到0℃。把开始出现稳定晶核时的温度叫过冷温度，也叫临界温度。如果外加晶核，不必达到过冷温度就能结冰，但此时生产的冰晶粗大，因为冰晶主要围绕有限数量的晶核成长。低共熔点一般食品中的水均是溶解了其中可溶性成分所形成的溶液，因此其结冰温度均低于0℃。把食品中水完全结晶的温度叫低共熔点，大多数食品的低共熔点在-55～-65℃之间。但冷藏食品一般不需要如此低的温度，如我国冷藏食品的温度一般定为-18℃,这个温度离低共熔点相差甚多，但已使大部分水结冰，且最大程度的降低了其中的化学反应。•现代食品冷藏技术中提倡速冻，这是因为速冻形成的冰晶细小，呈针状，冻结时间短且微生物活动受到更大限制，从而保证了食品品质。四、水的结构•液体水具有结构，某个水分子的定向与流动性受到与它相邻分子的影响，水部分地保留了冰的敝开、氢键和四面体排列。•三种模型：混合、填隙和连续（均一）模型。⑴混合模型：分子间氢键短暂地浓集在庞大成簇的水分子中，后者与其他更稠密的水分子处在动态平衡中。⑵连续模型：分子间氢键均匀地分布在整个水样中，原存在于冰中的许多键在冰熔化时简单地扭曲而不是断裂。此模型认为存在着一个由水分子构成的连续网，具有动态本质。⑶填隙模型：水保留一种似冰或笼形物结构，而个别水分子填充在笼形物的间隙中。水分子的缔合与温度水是呈四面体的立体网状结构，水分子之间的氢键网络是动态的；水分子氢键键合程度取决于温度。温度（℃）配位数分子间距nm040.2761.54.40.290834.90.305•水在3.98℃时密度达到最大（？）冰向水转变伴随着最接近的水分子间的距离的增加，最接近的水分子的平均数目的增加。在0℃和3.98℃之间，配位数增加的效应占优势，密度增加；超过3.98℃后，最接近的水分子间的距离增加的效应（热膨胀）占优势，密度下降。•水是流动的，又是固定的。（？）水是固定的是指水具有一定的黏度，因为水分子在大多数情况下是缔合的，而水具有流动性是因为水分子之间的缔合是动态的。当水分子在纳秒ns至皮秒ps这样短的时间内改变它们与临近水分子之间的氢键键合关系时，会增加水的运动和流动。第七节水-溶质相互作用一、食品中水的存在形式•食品中的水不是单独存在的，它会与食品中的其他成分发生化学或物理作用，因而改变了水的性质。按照食品中的水与其他成分之间相互作用强弱可将食品中的水分成：自由水结合水水滞化水毛细管水自由流动水构成水邻近水多层水第七节水-溶质相互作用一、持水力持水力（waterholdingcapacity,WHC）：以分子构成的基体通过物理方式截留大量水而防止它渗出的能力。例：果胶和淀粉凝胶。1.物理截留的大部分水在食品干燥时可以被除去；2.在冻结时易于转变成冰；3.可以作为溶剂；持水力的损害会造成食品质量下降。例子：凝胶食品脱水收缩，食品解冻时渗水。二、食品中水的存在形式•食品中的水不是单独存在的，它会与食品中的其他成分发生化学或物理作用，因而改变了水的性质。按照食品中的水与其他成分之间相互作用强弱可将食品中的水分成：自由水结合水水滞化水毛细管水自由流动水构成水邻近水多层水单分子层结合水多分子层结合水•结合水：又称为束缚水，是食品中与非水成分结合的最牢固的水。在复杂的体系中存在不同结合程度的水，即其由构成水或化合水、邻近水和多层水所组成。•特点在-40℃下基本不结冰无溶解溶质的能力与纯水比较分子平均运动大大减少不能被微生物利用此种水很稳定，不易引起食品的腐败变质。⑴构成水：与非水物质呈紧密结合状态的水，已成为非水物质的整体部分。如存在于蛋白质分子的空隙区域的水和成为化学水合物的一部分的水。⑵临近水:处于非水物质外围与非水物质呈缔合状态的水。如与离子或离子基团相缔合的水。⑶多层水:处于临近水外围的，与临近水以氢键或偶极力结合的水。虽然结合程度不如邻近水，仍与非水组分靠得足够近，其性质大大不同于纯净水的性质。•自由水:又称体相水，是指食品中与非水成分有较弱作用或基本没有作用的水。通常是指存在于动植物组织的细胞质、膜、细胞间隙中的水和凝胶的网状结构束缚的水。水分子可以自由运动，但在宏观上它是被束缚的。特点：能结冰，但冰点有所下降溶解溶质的能力强，干燥时易被除去与纯水分子平均运动接近很适于微生物生长和大多数化学反应，易引起食品的腐败变质，但与食品的风味及功能性紧密相关。⑴滞化水：被组织中的显微结构或亚显微结构或膜滞留的水。⑵毛细管水：指食品中由于天然形成的毛细管而保留的水分，是存在于生物体细胞间隙的水。毛细管的直径越小，持水能力越强，当毛细管直径小于0.1μm时，毛细管水实际上已经成为结合水，而当毛细管直径大于0.1μm则为自由水，大部分毛细管水为自由水。⑶自由流动水：以游离态存在的水。一般说来，食品干燥后安全贮藏的水分含量要求即为该食品的单分子层水。若得到干燥后食品的水分含量就可以计算食品的单分子层水含量。单分子层水的意义注意结合水不是一种均一的和易于识别的实体。解释很困难。这个术语常引起争议，并被误用，科学家建议终止它的使用。但是目前很多文献中经常见到它。如何理解及定义见教材14页。作者提出，结合水与体相水比较，具有“被阻碍的流动性”而不是“被固定化的”。三、水-溶质相互作用水-溶质相互作用的分类种类实例相互作用的强度与水-水氢键比较偶极-离子H2O-游离离子H2O-有机分子上的带电基团较强偶极-偶极H2O-蛋白质NHH2O-蛋白质COH2O-侧链OH近乎相等疏水水合H2O+RR（水合）远低疏水相互作用R（水合）+R（水合）R2水合+H2O不可比较⑴水与离子基团的相互作用食品体系中有电解质，便存在有离子或离子基团,离子电荷与水分子的偶极子之间的相互作用—离子水合作用。与离子或离子基团相互作用的水是食品中结合最紧密的一部分水。(构成水或化合水)H2O-Na＋83.68kJ/moLH2O-H2O20.9kJ/moL影响这种作用力的因素有：解离程度以及食品的酸度。离子对水结构的影响一种离子改变水的净结构的能力与它的极化力（电荷除以半径）或电场强度紧密相关。•净结构破坏效应：稀盐溶液中一些离子具有破坏水的网状结构效应,这些离子大多为大离子和单价负离子，产生较弱电场。如：K+,Rb+,Cs+,NH4+,Cl-,Br-，I-,NO3-,BrO3-,IO3-，ClO4-等。这些离子打破水的正常结构，而新的结构又不足以补偿这种结构上的损失。•结果：粘度变小，流动性增加•净结构形成效应：另外一些离子有助于水形成网状结构,这些离子大多是小离子或多价离子，产生强电场。如：Li+,Na+,Ca2+,Ba2+,Mg2+,Al3+，F-,OH-,等。这些离子强烈地与4至6个第一层水分子相互作用，导致它们比纯水中的HOH具有较低的流动性和包装得更紧密。•结果：粘度增加，流动性变小⑵水与有氢键键合能力极性基团的相互作用•H2O-溶质之间的氢键强度弱于H2O-离子之间的相互作用，H2O-H2O之间氢键的强度相近。•极性基团（亲水性溶质）：水能与各种潜在的极性基团如羟基、羧基、氨基、羰基、酰