第21章-水和冰

第二十一章水和冰•第一节水和冰的物理性质与结构•第二节食品中的水分状态•第三节水分活度主要内容第一节水和冰的物理性质与结构一、水在食品中的重要性质–(1)水在4℃时密度最大，为1；0℃时冰的密度为0.917。水冻结为冰时，体积膨胀是1.62m1/L。–(2)水的沸点和熔点相当高。–(3)水的比热较大。–(4)水的导热率高，冰的热扩散率比水大。–(5)水的溶解能力强。–(6)介电常数高–(7)表面张力高二、分子结构(一)水的结构1、水的分子结构–4个杂化轨道2px22py12pz1–由于氧的高负电性，O-H共价键具有部分离子特征–水分子的四面体结构有对称型–氧的另外两对孤对电子有静电力–H-O键具有电负性二、分子结构(一)水的结构1、水的分子结构•4个杂化轨道2px22py12pz1•由于氧的高负电性,O-H共价键具有部分离子特征••（二）水和冰的结构•O-H键具有极性•不对称的电荷分布•偶极距•分子间吸引力•强烈的缔合倾向•形成三维氢键•四面体结构•解释水的不寻常性质2、水分子的缔合作用氢键供体氢键受体氢键供体氢键供体氢键受体氢键受体(二)冰的结构水分子通过四面体之间的作用力结晶O-O核间最相邻距离为0.276nmO-O-O键角约109°(四面体角109°28′)冰的六面体晶格结构在C轴是单折射，其它方向是双折射结晶对称性：六方晶系的六方形双锥体组溶质的种类和数量影响冰结晶的结构(a)(b)图21-1普通冰的伸展结构(a)在四面体构型中水分子的氢键(用虚线表示)(b)仅表明氧原子，白圆圈与黑圆圈分别代表上层基面与低层基面的氧原子a1a2a3C三、水与溶质的相互作用水-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+RR（水合）远低(△G＞0)疏水相互作用R(水合)+R(水合)R2(水合)+H2O不可比较(△G＜0)焓热力学不能自发进行熵△G=△H-T△S键的强度大共价键H2O-离子键H2O-H2O小(一)水与离子基团的相互作用离子对水的净结构的影响净结构形成效应(formingeffect)•小离子或多价离子产生强电场•Li+,Na+,H3O+,Ca2+,Ba2+,Mg2+,Al3+,F-,OH-•具有比纯水较低的流动性和较紧密的堆积净结构破坏效应(breakingeffect)•大离子和单价离子产生较弱电场•K+,Cs+,NH4+,Cl-,Br-,I-,NO3-,BrO3-,IO3-,ClO4-•流动性比纯水强键的强度大共价键H2O-离子H2O-H2OH2O-亲水性溶质小(二)水与具有氢键形成能力的中性基团（亲水性溶质）的相互作用Theabovechainoftenwatermolecules,linkingtheendofonea-helixtothemiddleofanotherisfoundfromtheX-raydiffractiondataofglucoamylase-471(葡萄糖淀粉酶),ThewaternetworklinkssecondarystructureswithintheproteinTheabovecentrally-placedwatermoleculemakesstronghydrogenbondstoresiduesinthreeseparatedpartsoftheribonuclease(核糖核酸酶)moleculeholdingthemtogether.ThiswatermoleculeanditsbindingsiteareconservedacrosstheentirefamilyofmicrobialribonucleasesWatermoleculeshavealsoprovedintegraltothestructureandbiologicalfunctionofadimeric(二聚)hemoglobin(血色素)Weakhydrogenbonding,e.g.a-L-arabinofuranose(阿拉伯呋喃糖)Stronghydrogenbonding,e.g.b-1-4-linkedD-xylose(D-木糖)(三)水与疏水基团的相互作用疏水水合(Hydrophobichydration)：向水中添加疏水物质时，由于它们与水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强，使得熵减小，此过程成为疏水水合。•疏水相互作用(Hydrophobicinteraction)•当水与非极性基团接触时，为减少水与非极性实体的界面面积，疏水基团之间进行缔合，这种作用成为疏水相互作用。•疏水水合作用–△G＝△H－T△S＞0△S＜0–H2O＋RR(水合)•疏水相互作用–△G＜0热力学有利–R(水合)＋R(水合)R2(水合)＋H2O与疏水基团相邻的水的结构排斥正电荷吸引负电荷笼状水合物•“主体”物质——水（20～74个水分子）•“客体”物质——低相对分子质量的化合物••••(四)水与双亲分子的相互作用•水作为双亲分子的分散介质•胶团–双亲分子在水中形成大分子聚集体–分子数从几百到几千•双亲分子–一个分子中同时存在亲水和疏水基团–脂肪酸盐、蛋白脂质、糖脂、极性脂质、核酸四、水的生理功能•水虽无直接的营养价值，但具有某些特殊性能，如溶解力强，介电常数大，比热高，粘度小等，是维持生理活性和进行新陈代谢不可缺少的物质。•水是体内化学作用的介质，同时也是生物化学反应的反应物及组织和细胞所需的养分和代谢物在体内运转的载体。第二节食品中的水分状态•食品中的水，是以自由态、水合态、胶体吸润态、表面吸附态等状态存在的。•水之所以能以各种形态存在于动植物组织中，是由于水能被两种作用力即氢键结合力和毛细管力联系着。•(一)自由水•以毛细管力联系着的水称为自由水(或游离水)。•存在于植物组织的细胞质、膜、细胞间隙中和任何组织的循环液以及制成食品的结构组织中。(二)结合水•结合水是与食品中蛋白质、淀粉、果胶物质、纤维素等成分通过氢键而结合着的。•根据各种有机分子的不同极性基团与水形成氢键的牢固程度有所不同。结合水又可分为单分子层结合水和多分子层结合水结合水与自由水在性质上的差别•结合水的量与食品中有机大分子的极性基团的数量有比较固定的比例关系。•结合水的蒸气压比自由水低得多，所以在一定温度(100℃)下结合水不能从食品中分离出来。•结合水对食品的可溶性成分不起溶剂的作用。•自由水能为微生物所利用，结合水则不能。•结合水在低温（-40C或更低）下不能冻结。•结合水在核磁共振实验中产生宽带。第三节水分活度一、定义: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=n1/(n1+n2)表示食品中水分可以被微生物所利用的程度反映了食品中水分的存在状态，即水分与食品中的其它非水成分的结合程度。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的水分含量与总含水量的定量关系。二、水分活度与温度的关系水分含量相同，温度不同，Aw不同水分活度与温度的函数可用克劳修斯-克拉伯龙方程来表示。InAw=-ΔH/RT+CT-绝对温度，R-气体常数ΔH-样品中水分的吸湿热比较冰点以上和冰点以下Aw•在冰点以上，Aw是样品组成与温度的函数，前者是主要的因素•在冰点以下，Aw与样品的组成无关，而仅与温度有关，即冰相存在时，Aw不受所存在的溶质的种类或比例的影响，不能根据Aw预测受溶质影响的反应过程•不能根据冰点以下温度Aw预测冰点以上温度的Aw•当温度改变到形成冰或熔化冰时，就食品稳定性而言，水分活度的意义也改变了三、水分活度与食品含水量的关系水分吸湿等温线(MoistureSorptionIsotherms)在一定温度下食品的水分含量和水分活度之间的相互关系图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。MSI上不同区水分特性区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三、水分活度的实际应用•各种食品在一定条件下都各有其一定的水分活度，各种微生物的活动和各种化学与生物化学反应也都需要有一定的Aw值。只要计算出微生物、化学以及生物化学反应所需要的Aw值，就可能控制食品加工的条件和预测食品的耐藏性。(一)水分活度与微生物繁殖的关系微生物发育所必需的最低Aw微生物发育所必需的最低Aw普通细菌0.90嗜盐细菌≤0.75普通酵母0.87耐干性酵母、细菌0.65普通霉菌0.80耐渗透压性酵母0.61微生物发育时必需的水分活度(二)水分活度与酶促反应的关系•水分在酶反应中起着溶解基质和增加基质流动性等的作用，食品中水分活度极低时，酶反应几乎停止，或者反应极慢。(三)水分活度与生物化学反应的关系谢谢