1、Welcome to Join!Welcome to Join!Starts here!Starts here!有您会更精彩有您会更精彩主主 讲讲 人人：李红李红所在单位所在单位：食品与生物工程学院食品与生物工程学院日期日期：2010.9.17 20062006级级课程课程|掌握水在食品中的重要作用；掌握水在食品中的重要作用；|了解水和冰的结构及性质；了解水和冰的结构及性质；|掌握水在食品中的存在状态；掌握水在食品中的存在状态；|掌握水分活度和水分等温吸湿线掌握水分活度和水分等温吸湿线的概念、意义；的概念、意义；|掌握水分活度与食品的稳定性之掌握水分活度与食品的稳定性之间的关系。间的关系。教学
2、目的和要求教学目的和要求2.1 概述概述2.1.1 水的水的作用作用 水是地球上水是地球上储量最多、分布最广储量最多、分布最广的物质；的物质；生物体内水分含量一般生物体内水分含量一般7080%；成年人含水量为；成年人含水量为5867%，正，正常情况，每人每日需要摄入常情况，每人每日需要摄入22.7 L水，维持生命活动。水，维持生命活动。水使人体水使人体体温保持稳定体温保持稳定；水使一种水使一种溶剂溶剂，能作为体内营养素运输、吸收和代谢物运转的，能作为体内营养素运输、吸收和代谢物运转的载体，也可作为体内化学和生物化学的反应物和反应介质；载体，也可作为体内化学和生物化学的反应物和反应介质；水是天然
3、的水是天然的润滑剂润滑剂，使摩擦面润滑，减少损伤；，使摩擦面润滑，减少损伤；水是优良的水是优良的增塑剂增塑剂，是生物大分子聚合物构象的，是生物大分子聚合物构象的稳定剂稳定剂，酶催，酶催化剂等大分子动力学行为的化剂等大分子动力学行为的促进剂促进剂。木瓜蛋白酶中的三分子水桥木瓜蛋白酶中的三分子水桥 水是食品非常重要的水是食品非常重要的一种成分一种成分，也是构成大多数，也是构成大多数食品的主要成分。食品的主要成分。食品名称水分食品名称水分%食品名称水分食品名称水分%食品名称水分食品名称水分%番茄番茄 95莴苣莴苣 95卷心菜卷心菜 92啤酒啤酒 90柑橘柑橘 87苹果汁苹果汁 87 牛奶牛奶 87
4、马铃薯马铃薯 78 香蕉香蕉 75 鸡鸡 70 肉肉 65 面包面包 35 果酱果酱 28 蜂蜜蜂蜜 20 奶油奶油 16稻米面粉稻米面粉 12 奶粉奶粉 4 酥油酥油 0表表2.1 某些代表性食品的含水量某些代表性食品的含水量水在食品中的重要作用水在食品中的重要作用 水分含量、分布和状态不仅对食品的水分含量、分布和状态不仅对食品的结构、外观、质结构、外观、质地、风味、色泽、流动性、新鲜程度和腐败变质地、风味、色泽、流动性、新鲜程度和腐败变质的敏的敏感性产生极大的影响，而且对生物组织的生命过程也感性产生极大的影响，而且对生物组织的生命过程也起着至关重要的作用。如：起着至关重要的作用。如：水在食
5、品储藏加工过程中作为化学和生物化学的反应水在食品储藏加工过程中作为化学和生物化学的反应介质，又是水解过程的反应物；介质，又是水解过程的反应物；水是微生物生长繁殖的重要因素，影响食品的货架期；水是微生物生长繁殖的重要因素，影响食品的货架期；水与蛋白质、脂类和多糖通过物理相互作用影响食品水与蛋白质、脂类和多糖通过物理相互作用影响食品的质构；的质构；水还能发挥膨润、浸湿的作用，影响食品的加工性。水还能发挥膨润、浸湿的作用，影响食品的加工性。2.2 水和冰的结构和性质水和冰的结构和性质2.2.1水分子的结构水分子的结构2.2.2 水分子的缔合作用水分子的缔合作用由于水分子的由于水分子的极性极性及两种组
6、成原子的及两种组成原子的电负性电负性差别，差别，导致水分子之间可以通过形成导致水分子之间可以通过形成氢键氢键而呈现而呈现缔合状态缔合状态。由于每个水分子上有由于每个水分子上有4个个形成氢键的位点，因此每个形成氢键的位点，因此每个水分子的可以通过氢键结合水分子的可以通过氢键结合4个个水分子。水分子。因为每个水分子具有相等的氢键给予体和氢键接受体因为每个水分子具有相等的氢键给予体和氢键接受体的部位，并且这些部位的排列可以形成稳定的的部位，并且这些部位的排列可以形成稳定的三维空三维空间结构间结构，因此，水分子之间的，因此，水分子之间的吸引力吸引力比其他形成氢键比其他形成氢键的小分子（的小分子（NH3
7、或或HF）要大的多。这就是为什么水的）要大的多。这就是为什么水的沸点较高。沸点较高。水的水的反常的介电常数反常的介电常数也与氢键缔合有也与氢键缔合有关，因为水的氢键缔合生成了庞大的水关，因为水的氢键缔合生成了庞大的水分子簇，产生了分子簇，产生了多分子偶极子多分子偶极子，从而使，从而使水的介电常数显著增大。水的介电常数显著增大。水的水的低粘度也与结构低粘度也与结构有关，因为氢键是有关，因为氢键是网络动态网络动态的，的，当分子在纳秒这样短暂的时间内改变他们与邻近分子当分子在纳秒这样短暂的时间内改变他们与邻近分子间的氢键结合关系时，会增大流动性。间的氢键结合关系时，会增大流动性。v水分子不仅水分子不
8、仅相互相互之间可以通过氢键缔合，而之间可以通过氢键缔合，而且可以和其它带有且可以和其它带有极性基团极性基团的有机分子通过的有机分子通过氢键氢键相互结合，所以糖类、氨基酸类、蛋白相互结合，所以糖类、氨基酸类、蛋白质类、黄酮类、多酚类化合物在水中均有一质类、黄酮类、多酚类化合物在水中均有一定的定的溶解度溶解度。2.2.3 冰的结构和性质冰的结构和性质v冰是水分子通过冰是水分子通过氢键氢键相互结合、有序排列形成的具有一定相互结合、有序排列形成的具有一定刚刚性性的的六方形晶体结构六方形晶体结构。冰的结构冰的结构|冰结构中存在两个平行的平面，当冰受压下冰结构中存在两个平行的平面，当冰受压下“滑动滑动”时
9、，时，它们作为个单元滑动，这类成对平面构成冰的它们作为个单元滑动，这类成对平面构成冰的“基础平面基础平面”v尽管水的冰点是尽管水的冰点是0，但常并不在，但常并不在0结冻，而是出结冻，而是出现现过冷状态过冷状态，只有当温度降低到开始出现稳定性，只有当温度降低到开始出现稳定性晶晶核核时，或在时，或在振动振动的促使下才会向冰晶体转化并放出的促使下才会向冰晶体转化并放出潜热，同时温度迅速回升到潜热，同时温度迅速回升到0。开始出现稳定晶。开始出现稳定晶核时的温度叫核时的温度叫过冷温度过冷温度。如果外加。如果外加晶核晶核，不必达到，不必达到过冷温度就能结冰，但此时生产的冰晶粗大。过冷温度就能结冰，但此时生
10、产的冰晶粗大。v食品中的水均是溶解了其中可溶性成分所形成的食品中的水均是溶解了其中可溶性成分所形成的溶液溶液，因此其结冰温度均低于因此其结冰温度均低于0。食品中水完全结晶的温。食品中水完全结晶的温度叫度叫低共熔点低共熔点，大多数食品的低共熔点在，大多数食品的低共熔点在-55-65之间。但冻藏食品一般不需要如此低的温度，如我国之间。但冻藏食品一般不需要如此低的温度，如我国冻藏食品的温度一般定为冻藏食品的温度一般定为-18，大部分已水结冰，大部分已水结冰，且最大程度的降低了其中的化学反应。且最大程度的降低了其中的化学反应。v现代食品冷藏技术中提倡现代食品冷藏技术中提倡速冻速冻，这是因为速冻形成的，
11、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。大限制，从而保证了食品品质。2.3 食品中水与非水组分之间的相互作用食品中水与非水组分之间的相互作用Cl-Na+2.3.1 食品中水与非水组分之间的相互作用食品中水与非水组分之间的相互作用2.3.1.1 与与离子和离子基团离子和离子基团的相互作用（的相互作用（食品中结合最紧密的食品中结合最紧密的一部分水一部分水）通过离子或离子基团的通过离子或离子基团的电荷电荷与与水分子偶极子水分子偶极子发生发生静电相互作静电相互作用用(离子离子-偶极子偶极子)而产生水和作用
12、。而产生水和作用。由于水分子具有大的偶极距，因此能与离子产生强的相互作由于水分子具有大的偶极距，因此能与离子产生强的相互作用，这种极性作用比水分子之间的氢键还要强，如用，这种极性作用比水分子之间的氢键还要强，如Na+与水分与水分子之间的结合能力子之间的结合能力(83.68 kJ/mol)大约是水分子间氢键大约是水分子间氢键(20.9 kJ/mol)的的4倍倍。2.3.1.2 水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用许多食品成分，如蛋白质、多糖（淀粉或纤维素）、许多食品成分，如蛋白质、多糖（淀粉或纤维素）、果胶等，其结构中含有大量的果胶等，其结构中含有大量
13、的极性基团极性基团，如羟基、羧，如羟基、羧基、氨基、羰基等，这些极性基团均可与水分子通过基、氨基、羰基等，这些极性基团均可与水分子通过氢键氢键相互结合。相互结合。这种氢键作用这种氢键作用比水与离子间的静电作用要弱比水与离子间的静电作用要弱，但，但与与水分子间的氢键相近水分子间的氢键相近。水与蛋白质中两类功能基团形成氢键水与蛋白质中两类功能基团形成氢键NHOHHOC水与疏水性物质（如烃类、稀有气体以及脂肪酸、水与疏水性物质（如烃类、稀有气体以及脂肪酸、氨基酸、蛋白质的非极性基团）相混合，由于非极氨基酸、蛋白质的非极性基团）相混合，由于非极性物质与水分子产生斥力，导致疏水分子附近的水性物质与水分子
14、产生斥力，导致疏水分子附近的水分子之间的氢键键合增强，使得熵下降，在热力学分子之间的氢键键合增强，使得熵下降，在热力学上是不利的（上是不利的（G0），此过程称为），此过程称为疏水水合作用疏水水合作用。2.3.1.3 水与非极性物质的相互作用水与非极性物质的相互作用v疏水水合作用的表现形式：疏水水合作用的表现形式：笼形水合物的形成。笼形水合物的形成。v笼形水合物笼形水合物是冰状包合物，其中水为是冰状包合物，其中水为“主体主体”，通过，通过氢氢键键形成了形成了笼状结构笼状结构，物理截留了另一种称为，物理截留了另一种称为“客体客体”的的分子。分子。v“主体主体”水分子与水分子与“客体客体”分子之间的
15、相互作用一般是分子之间的相互作用一般是弱的范德华力弱的范德华力。v笼形水合物一般由笼形水合物一般由2074个水分子形成，具体多少视非个水分子形成，具体多少视非极性物质的几何尺寸而定；只有极性物质的几何尺寸而定；只有“客体客体”的大小和形状的大小和形状适合于适合于“主体主体”的笼才能被截留。的笼才能被截留。“主体主体”“客体客体”笼形水合物笼形水合物如果存在两个分离的非极性实体，那么不相容的水如果存在两个分离的非极性实体，那么不相容的水环境将促使它们环境将促使它们相互靠近并缔合相互靠近并缔合，从而减少水，从而减少水-非极非极性实体接触面积，这是个热力学上有利的过程性实体接触面积，这是个热力学上有
16、利的过程(G0),此过程是疏水水合的部分逆转，被称为此过程是疏水水合的部分逆转，被称为“疏疏水相互作用水相互作用”。v大多数蛋白质分子中，约大多数蛋白质分子中，约40%的氨基酸具有非极性的氨基酸具有非极性侧链，而且约有三分之一的非极性基团暴露在水中，侧链，而且约有三分之一的非极性基团暴露在水中，与水之间产生与水之间产生疏水的相互作用疏水的相互作用，对于保持蛋白质的，对于保持蛋白质的活性构象具有一定的作用。活性构象具有一定的作用。v水与溶质的结合力非常重要，相互作用如下表：水与溶质的结合力非常重要，相互作用如下表：种类种类实例实例相互作用的强度相互作用的强度（与水的氢键比较）（与水的氢键比较）偶
17、极偶极-离子离子水水-游离离子游离离子较强较强水水-有机分子中的带电基团有机分子中的带电基团偶极偶极-偶极偶极水水-氨基氨基接近接近水水-羰基羰基水水-羟基羟基疏水水合疏水水合水水-非极性基团非极性基团远小于远小于疏水相互作用疏水相互作用水水-非极性基团非极性基团+水水-非极性基非极性基团团水水-非极性基团非极性基团-非极性非极性基团基团2.3.2 食品中水的存在形式食品中水的存在形式食品中的食品中的水分子可与非水物质发生作用水分子可与非水物质发生作用，根据作用的，根据作用的性质和程度性质和程度，可将食品中的水分分为，可将食品中的水分分为结合水结合水和和体相水体相水。结合水结合水：也称束缚水、
18、固定水，通常是指存在于溶：也称束缚水、固定水，通常是指存在于溶质或其他非水组分附近的，与溶质分子之间质或其他非水组分附近的，与溶质分子之间通过化学通过化学键结合的那部分水键结合的那部分水。根据结合水被结合的牢固程度不。根据结合水被结合的牢固程度不同，分为同，分为化合水化合水、邻近水邻近水和和多层水多层水。体相水体相水：又称游离水，是指食品中除了结合水以外：又称游离水，是指食品中除了结合水以外的那部分水，是没有被非水物质化学结合的水。它又的那部分水，是没有被非水物质化学结合的水。它又可分为三类，可分为三类，不移动水不移动水或或滞化水滞化水、毛细管水毛细管水和和自由流自由流动水动水。化化合合水水(
19、组组成成水水)定定义义：与与非非水水物物质质结结合合最最牢牢固固并并构构成成非非水水物物质质整整体体的的那那部部分分水水N Na a2 2S SO O4 41 10 0H H2 2O O C Cu uS SO O4 45 5H H2 2O O特特点点：非非水水物物质质必必要要的的组组分分，-4 40 0度度不不结结冰冰，无无溶溶剂剂能能力力，不不能能被被微微生生物物利利用用，量量很很少少；邻邻近近水水定定义义：处处在在非非水水组组分分亲亲水水性性最最强强的的基基团团周周围围的的第第一一层层位位置置，主主要要结结合合力力是是水水 离离子子和和水水 偶偶极极间间的的缔缔合合作作用用，与与离离子子或
20、或离离子子基基团团缔缔合合的的水水是是结结合合最最紧紧密密的的邻邻近近水水。包包括括单单分分子子层层水水和和微微毛毛细细管管中中的的水水。特特点点：-4 40 0度度不不结结冰冰，无无溶溶剂剂能能力力，不不能能被被微微生生物物利利用用；多多层层水水定定义义：位位于于非非水水组组分分亲亲水水性性最最强强的的基基团团周周围围第第一一层层剩剩余余位位置置的的水水和和在在单单分分子子层层水水的的外外层层，靠靠水水-水水和和水水-溶溶质质氢氢键键结结合合的的水水。特特点点：有有一一定定厚厚度度(多多层层)，-4 40 0o oC C基基本本不不结结冰冰，溶溶剂剂能能力力下下降降，可可被被蒸蒸发发；单单分
21、分子子层层水水结结合合水水(束束缚缚水水固固定定水水)木瓜蛋白酶中的三分子水桥木瓜蛋白酶中的三分子水桥（化合水）（化合水）体体相相水水(游游离离水水)定定义义：被被组组织织中中的的显显微微结结构构或或亚亚显显微微结结构构所所膜膜滞滞留留的的水水滞滞化化水水(不不移移动动水水)特特点点：不不能能自自由由流流动动毛毛细细管管水水定定义义：在在生生物物组组织织的的细细胞胞间间隙隙和和食食品品结结构构组组织织中中，由由毛毛细细管管力力所所截截留留的的水水特特点点：物物理理及及化化学学性性质质与与滞滞化化水水相相同同，不不能能自自由由流流动动自自由由流流动动水水定定义义：动动物物的的血血浆浆、淋淋巴巴和
22、和尿尿液液，植植物物的的导导管管和和细细胞胞内内液液泡泡中中的的水水，以以及及食食品品中中肉肉眼眼可可见见的的水水特特点点：可可以以自自由由流流动动，正正常常结结冰冰，具具有有溶溶剂剂能能力力，微微生生物物可可利利用用凝胶（滞化水）凝胶（滞化水）结合水和体相水之间的界限很难定量区分，只能根据其结合水和体相水之间的界限很难定量区分，只能根据其理化性质理化性质作定性作定性区分区分：v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，如比例关系，如100g蛋白质大约可结合蛋白质大约可结合50g 的水，的水，100g淀粉的持淀粉的
23、持水能力在水能力在3040g；v结合水对食品结合水对食品品质和风味品质和风味有较大的影响，当结合水被强行与食品有较大的影响，当结合水被强行与食品分离时，食品质量、风味就会改变；分离时，食品质量、风味就会改变；v结合水的结合水的蒸汽压蒸汽压比自由水低得多，在一定温度（比自由水低得多，在一定温度（100oC）下结合）下结合水不能从食品中分离出来；水不能从食品中分离出来；v结合水结合水不易结冰不易结冰（冰点约（冰点约-40oC），使得植物的种子和微生物的），使得植物的种子和微生物的孢子得以在很低的温度下保持其生命力；而多汁的组织在冰冻后孢子得以在很低的温度下保持其生命力；而多汁的组织在冰冻后细胞结构
24、往往被体相水的冰晶所破坏，解冻后组织不同程度的崩细胞结构往往被体相水的冰晶所破坏，解冻后组织不同程度的崩溃；溃；v结合水结合水不能作为溶剂不能作为溶剂；体相水可体相水可被微生物所利用被微生物所利用，结合水则不能。，结合水则不能。长期以来人们就已认识到食品的长期以来人们就已认识到食品的水分含量水分含量和它的和它的易腐易腐性性之间存在着一定的关系。然而，发现不同类型的食之间存在着一定的关系。然而，发现不同类型的食品虽然水分含量相同，但是它们的易腐性显著不同，品虽然水分含量相同，但是它们的易腐性显著不同，出现这种情况的原因是水与非水成分缔合强度的不同，出现这种情况的原因是水与非水成分缔合强度的不同，
25、参与强缔合的水比弱缔合的水在较低程度上支持降解参与强缔合的水比弱缔合的水在较低程度上支持降解活力，而活力，而水分活度水分活度正说明了水与各种非水成分的缔合正说明了水与各种非水成分的缔合强度，因此，强度，因此，水分活度水分活度比水分含量能更可靠的预示食比水分含量能更可靠的预示食品稳定性。品稳定性。2.4 水分活度水分活度2.4.1 水分活度的定义及测定方法水分活度的定义及测定方法一、定义：水分活度是指食品中水的蒸汽压与同温下一、定义：水分活度是指食品中水的蒸汽压与同温下纯水的饱和蒸汽压的比值，即：纯水的饱和蒸汽压的比值，即：Aw=pp0其中：其中：Aw：水份活度；：水份活度；p：是某种食品在密闭
26、容器中达到平衡状态时的水蒸汽分压，：是某种食品在密闭容器中达到平衡状态时的水蒸汽分压，即食品即食品上空水蒸气的分压力；上空水蒸气的分压力；p0：相同温度下的纯水的蒸气压：相同温度下的纯水的蒸气压若把纯水作为食品来看，其水蒸气压若把纯水作为食品来看，其水蒸气压p和和 p0相等，相等，Aw=1，然而，然而，一般食品不仅含有水分，而且有非水组分，食品的蒸气压比纯一般食品不仅含有水分，而且有非水组分，食品的蒸气压比纯水小，即总是水小，即总是pp0相等，相等，Aw1。注意：注意：水分活度是样品的水分活度是样品的固有性质固有性质，反映了食品中水的存在状态。，反映了食品中水的存在状态。二、测定水分活度的二、
27、测定水分活度的方法方法a.冰点冰点测定法：测定法：通过测定样品冰点的降低值（通过测定样品冰点的降低值（Tt）及水分含量（求出）及水分含量（求出n2）,根据公式：根据公式：G：样品中溶剂的克数；：样品中溶剂的克数；Tt：冰点降低：冰点降低(oC);Kt：水的摩尔冰点降低常数。：水的摩尔冰点降低常数。n2=GTt1000 KtAw=pp0=n1n1+n2=N根据水分活度与拉乌尔定律的关系：根据水分活度与拉乌尔定律的关系：N：溶剂摩尔分数；：溶剂摩尔分数；n1：溶剂摩尔数；：溶剂摩尔数；n2：溶质摩尔数。：溶质摩尔数。b.相对湿度传感器相对湿度传感器测定法：测定法：在恒定温度下，把已知水分含量的样品
28、放在一个在恒定温度下，把已知水分含量的样品放在一个密闭的小容器中，使其蒸气压和环境蒸气压达到平衡；密闭的小容器中，使其蒸气压和环境蒸气压达到平衡；用湿度传感器测定环境的平衡相对湿度，即可得出用湿度传感器测定环境的平衡相对湿度，即可得出ERH，这时可得到样品的水分活度。，这时可得到样品的水分活度。Aw=pp0=ERH100饱和盐溶液样品分隔并相通的两个小室分别放样品和饱和盐溶液；样品量分隔并相通的两个小室分别放样品和饱和盐溶液；样品量一般为一般为1g；恒温温度一般为；恒温温度一般为25，平衡时间为，平衡时间为20min；分别测；分别测定水分活度高的饱和盐溶液和水分活度低的饱和盐溶液和样品定水分活
29、度高的饱和盐溶液和水分活度低的饱和盐溶液和样品达平衡时样品吸收或失去水的质量，利用下式求算样品的水分达平衡时样品吸收或失去水的质量，利用下式求算样品的水分活度：活度：康维氏微量扩散器康维氏微量扩散器Aw=(Ax+By)/(x+y)其中：其中：Ax：水分活度低的饱和盐溶液的标准水分活度；：水分活度低的饱和盐溶液的标准水分活度；By：水分活度高的饱和盐溶液的标准水分活度；水分活度高的饱和盐溶液的标准水分活度；x：使用：使用B液时样品的净增值；液时样品的净增值；y：使用：使用A液液时样品的净减值；时样品的净减值；c.恒定相对湿度平衡室恒定相对湿度平衡室法：法：d.水分活度仪测定样品的水分活度仪测定样
30、品的Aw 2.4.2 水分活度与温度的关系水分活度与温度的关系测定水分活度时，必须测定水分活度时，必须标明温度标明温度。克劳修斯克劳修斯-克拉伯龙克拉伯龙方程精确表示了水分活度与绝对温度（方程精确表示了水分活度与绝对温度（T）之间的关系：）之间的关系：k=样品的绝对温度纯水的蒸气压为样品蒸气压(p)时的绝对温度纯水的蒸气压为样品蒸气压(p)时的绝对温度=-HdlnAwd(1/T)R(1)其中：其中：R为气体为气体常数常数；H为样品中水分的等量净吸附热，可用纯水的汽化潜热表示，是为样品中水分的等量净吸附热，可用纯水的汽化潜热表示，是常数常数，其值为，其值为40537.2J/mol；k是在达到同样
31、水蒸气压时，食品的温度比纯水温度高出的比值，本质反映了食品是在达到同样水蒸气压时，食品的温度比纯水温度高出的比值，本质反映了食品中非水成分对水活性的影响。在样品一定和温度变化范围较窄的情况下，中非水成分对水活性的影响。在样品一定和温度变化范围较窄的情况下，k可看做可看做常数常数。=-kHlnAwR(2)(1/T)当水分含量一定时，在一定温度范围内，当水分含量一定时，在一定温度范围内，lnAw与与1/T之间为一之间为一直直线线关系，其意义在于：关系，其意义在于：一定样品一定样品lnAw在在不太宽的温度范围（如冰点以上）不太宽的温度范围（如冰点以上）内随绝对温内随绝对温度的升高而正比例升高。度的升
32、高而正比例升高。T升高，升高，Aw也升高也升高。水分活度是水分活度是样品组成样品组成(含水量含水量)和和温度温度的函数。的函数。=-kHlnAwR(2)(1/T)v但在但在较大的温度范围内（越过冰点）较大的温度范围内（越过冰点），lnAw与与1/T之间之间并非始终为一条直线并非始终为一条直线；而是当冰开始形成时，；而是当冰开始形成时，曲线中出现明显的曲线中出现明显的折点折点，在冰点以下，在冰点以下lnAw与与1/T的的之间之间仍然呈线性关系仍然呈线性关系，但是，但是变化率（斜率）明显变变化率（斜率）明显变大了大了，并且不再受，并且不再受食品中非水组分食品中非水组分的影响。的影响。v主要因为此时
33、水的主要因为此时水的汽化潜热汽化潜热应由应由冰的升华热冰的升华热代替，致使代替，致使H值值大大大大增加了增加了。v此外，由于此外，由于冷冻食品中水的蒸汽分压等于相同温度下冰的蒸冷冻食品中水的蒸汽分压等于相同温度下冰的蒸汽压汽压，如果选用冰的蒸汽压作为，如果选用冰的蒸汽压作为p0，则，则Aw=1，这是不可能，这是不可能的，因此，水分活度的定义式中的的，因此，水分活度的定义式中的p0应采用应采用过冷纯水的蒸汽过冷纯水的蒸汽压压。而冷冻食品中水的分压等于相同温度下冰的蒸汽压，。而冷冻食品中水的分压等于相同温度下冰的蒸汽压，冰冰的蒸汽压与食品的样品组成无关，的蒸汽压与食品的样品组成无关，因此，因此，在
34、冰点以下，水分在冰点以下，水分活度与样品组成无关。活度与样品组成无关。=-k HlnAwR(1/T)=pwp0picep0H：冰的升华热：冰的升华热常压下，冰的升华热约为常压下，冰的升华热约为2822千焦千焦/千克千克 水的汽化潜热水的汽化潜热2260千焦千焦/千克千克 pw：部分冻结食品中水的分压；：部分冻结食品中水的分压；p0：纯过冷水的蒸汽压；：纯过冷水的蒸汽压；pice：纯冰的蒸汽压：纯冰的蒸汽压v在比较冰点以上或冰点以下的水分活度值时应该注在比较冰点以上或冰点以下的水分活度值时应该注意到以下三个重要的区别意到以下三个重要的区别:v第一第一，在，在冰点以上，冰点以上，水分活度是水分活度
35、是样品组成样品组成和和温度温度的的函数；而在冰点函数；而在冰点以下以下时，水分活度与样品的组成无时，水分活度与样品的组成无关，关，仅与仅与温度温度有关。有关。v第二，第二，冰点以上和以下时，就食品而言，水分活度的冰点以上和以下时，就食品而言，水分活度的意义意义是不一是不一样的。例如：在水分活度为样的。例如：在水分活度为0.86的的-15的食品中，微生物不再的食品中，微生物不再生长，其它化学反应的速度也很慢；但在同样的水分活度而温度生长，其它化学反应的速度也很慢；但在同样的水分活度而温度是是20情况下，一些化学反应将快速进行，一些微生物也将中等情况下，一些化学反应将快速进行，一些微生物也将中等速
36、度生长。速度生长。v第三，冰点以下的第三，冰点以下的Aw数据不能用来预示冰点以上的相同食品的数据不能用来预示冰点以上的相同食品的Aw，因为冰点以下的，因为冰点以下的Aw值与样品组成无关。值与样品组成无关。2.4.3水分活度与水分含量的关系水分活度与水分含量的关系一、水分的吸附等温曲线一、水分的吸附等温曲线定义定义：在恒定温度下，食品的水含量（以：在恒定温度下，食品的水含量（以g水水/g干物质表示）对干物质表示）对其水分活度绘图形成的曲线，称为水分的吸附等温线（其水分活度绘图形成的曲线，称为水分的吸附等温线（MSI）。）。MSI对于了解以下信息意义重大：对于了解以下信息意义重大：在浓缩和干燥过程
37、中样品脱水的难易程度与相对蒸气压在浓缩和干燥过程中样品脱水的难易程度与相对蒸气压RVP的的关系。关系。如何组合食品才能防止水分在组合食品的配料之间转移。如何组合食品才能防止水分在组合食品的配料之间转移。测定包装材料的阻湿性。测定包装材料的阻湿性。预测含水量与微生物生长的关系。预测含水量与微生物生长的关系。预测食品的化学和物理稳定性与水分含量的关系。预测食品的化学和物理稳定性与水分含量的关系。看出不同食品中非水组分与水结合的强弱。看出不同食品中非水组分与水结合的强弱。1在高含水食品中（含水量超过干物质），在高含水食品中（含水量超过干物质），Aw接近接近1.0；当含；当含水量低于干物重时，水量低于
38、干物重时，Aw0.91，水分活度降至，水分活度降至0.91以下时，可以抑制一般细菌的生以下时，可以抑制一般细菌的生长；长；水分活度在水分活度在0.80.9时，食品中时，食品中的微生物腐败主要是由的微生物腐败主要是由酵母菌和霉酵母菌和霉菌菌引起的；研究表明，重要的食品引起的；研究表明，重要的食品中有害微生物生长的最低水分活度中有害微生物生长的最低水分活度是是0.860.97。低于低于0.60时，绝大多数微生物无法生时，绝大多数微生物无法生长。长。b.微生物在不同的生长阶段，所需的微生物在不同的生长阶段，所需的Aw阈值也不同。一般讲，细菌形成阈值也不同。一般讲，细菌形成芽孢时比繁殖时要高；产毒微生
39、物芽孢时比繁殖时要高；产毒微生物在产生毒素时所需的在产生毒素时所需的Aw阈值阈值高于不高于不产毒时所需的产毒时所需的Aw阈值。阈值。据上所述，当食品的水分活度降低到一定的限度据上所述，当食品的水分活度降低到一定的限度以下时，就会抑制要求水分活度阈值高于此值的微以下时，就会抑制要求水分活度阈值高于此值的微生物的生长、繁殖或产生毒素，使食品加工和贮藏生物的生长、繁殖或产生毒素，使食品加工和贮藏得以顺利进行。得以顺利进行。而发酵技术中要求所用微生物能正常快速增殖，而发酵技术中要求所用微生物能正常快速增殖，则要给予微生物合适的、必要高的水分活度。则要给予微生物合适的、必要高的水分活度。2.5.1.2
40、水分活度与食品化学变化的关系水分活度与食品化学变化的关系v食品中的水分活度与食品中所发生的化学变食品中的水分活度与食品中所发生的化学变化的种类和速度有密切的关系；化的种类和速度有密切的关系；v而食品中的化学变化是依赖于各类食品成分而食品中的化学变化是依赖于各类食品成分而发生的。以各类而发生的。以各类食品成分食品成分为线索，其化学为线索，其化学变化与水分活度关系的一般规律总结如下：变化与水分活度关系的一般规律总结如下：v脂类脂类：影响脂肪品质的化学反应主要为：影响脂肪品质的化学反应主要为酸败酸败，而酸败过程的化学本质是，而酸败过程的化学本质是空气氧的空气氧的自动氧化自动氧化。脂类的氧化反应与水分
41、含量之间的关系为：在。脂类的氧化反应与水分含量之间的关系为：在区，区，氧化反应的速度随着水分增加而降低，因为在非常干燥的样品中加入水，氧化反应的速度随着水分增加而降低，因为在非常干燥的样品中加入水，水与脂肪自由基氧化中形成的氢过氧化合物通过氢键结合，降低了氢过水与脂肪自由基氧化中形成的氢过氧化合物通过氢键结合，降低了氢过氧化合物分解的活性，从而降低了脂肪氧化反应的速度，此外，水与金氧化合物分解的活性，从而降低了脂肪氧化反应的速度，此外，水与金属的结合还可使金属离子对脂肪氧化反应的催化作用降低；当含水量超属的结合还可使金属离子对脂肪氧化反应的催化作用降低；当含水量超过过、区交界时，较大量的水通过
42、溶解作用可以有效地增加氧的含量，区交界时，较大量的水通过溶解作用可以有效地增加氧的含量，还可使脂肪分子通过溶胀而更加暴露，因而，氧化速度加快还可使脂肪分子通过溶胀而更加暴露，因而，氧化速度加快；在；在III区，区，此时，大量的水降低了反应物和催化剂的浓度，氧化速度又有所降低。此时，大量的水降低了反应物和催化剂的浓度，氧化速度又有所降低。awv脂类氧化脂类氧化awv褐变反应褐变反应是影响食品质量和外观特性的重要的化学反应，包括是影响食品质量和外观特性的重要的化学反应，包括酶促褐变酶促褐变和和非酶褐变非酶褐变两类。两类。a.酶促褐变是在酶作用下，食品中的酶促褐变是在酶作用下，食品中的酚类酚类化合物
43、发生特殊的氧化合物发生特殊的氧化反应使食品化反应使食品颜色变劣颜色变劣的过程。当食品中的水分活度在的过程。当食品中的水分活度在0.250.30之间时，酶促褐变可被有效防止。之间时，酶促褐变可被有效防止。b.非酶褐变非酶褐变指食品通过一些非酶氧化而导致食品变色的反应。指食品通过一些非酶氧化而导致食品变色的反应。也与水分活度有密切的关系，当食品中的也与水分活度有密切的关系，当食品中的水分活度在水分活度在0.60.7之间时，非酶褐变最为之间时，非酶褐变最为严重；水分活度下降，褐变速度减慢，在严重；水分活度下降，褐变速度减慢，在0.2以下时，褐变难以发生。但当水分活度以下时，褐变难以发生。但当水分活度
44、超过褐变高峰要求的值时，其褐变速度又超过褐变高峰要求的值时，其褐变速度又由于体系中溶质的减少而下降。由于体系中溶质的减少而下降。Awvv水溶性色素水溶性色素：一般而言，当食品中的水分活度增大时，水溶：一般而言，当食品中的水分活度增大时，水溶性色素（如叶绿素）分解的速度就会加快。性色素（如叶绿素）分解的速度就会加快。v总之，降低食品中的水分活度，可以延缓酶促褐变和非酶褐总之，降低食品中的水分活度，可以延缓酶促褐变和非酶褐变的进行，减少营养成分的破坏，防止水溶性色素的分解。变的进行，减少营养成分的破坏，防止水溶性色素的分解。但水分活度太低，反而会加速脂肪的氧化酸败。要使食品具但水分活度太低，反而会
45、加速脂肪的氧化酸败。要使食品具有最高的稳定性，最好将有最高的稳定性，最好将水分活度保持在结合水范围内水分活度保持在结合水范围内。这。这样，既可使化学变化难以发生，同时又不会使食品丧失吸水样，既可使化学变化难以发生，同时又不会使食品丧失吸水性和复原性。性和复原性。Awv降低水分活度能降低水分活度能抑制抑制食品的食品的化学变化化学变化和和微生物微生物的生长的生长繁殖繁殖，稳定食品质量，主要是因为：，稳定食品质量，主要是因为：水分活度降低食品中体相水含量降低以水为介质的反应难以发生离子型反应的速度降低水参加的反应速度降低水影响酶的活性及酶促反应中底物的输送食品中微生物的生长繁殖都要求有一定最低限度的
46、Aw食品化学反应的最大速度一般发生在具有中等水分含量的食品化学反应的最大速度一般发生在具有中等水分含量的食品中（食品中（Aw为为0.70.9），而最小反应速度一般出现在等温线），而最小反应速度一般出现在等温线的区间的区间I与与II之间的边界（之间的边界（Aw为为0.20.3），这时的水分含量是），这时的水分含量是单分子层水分含量。单分子层水分含量。2.5.1.3 降低水分活度提高食品稳定性的机理降低水分活度提高食品稳定性的机理水分活度除影响化学反应和微生物生长外，还影响水分活度除影响化学反应和微生物生长外，还影响干燥干燥和和半干燥半干燥食品的食品的质地质地。如，欲保持饼干、爆米。如，欲保持饼干
47、、爆米花等食品的脆性，防止砂糖、奶粉的结块，以及硬花等食品的脆性，防止砂糖、奶粉的结块，以及硬糖块、蜜饯等粘结，均应保持适当低的水分活度。糖块、蜜饯等粘结，均应保持适当低的水分活度。要保持干燥食品的要保持干燥食品的理想品质理想品质，Aw值不能超过值不能超过0.350.5，但随食品产品的不同而有所变化。，但随食品产品的不同而有所变化。对于对于软质构软质构的食品（含水量高的食品），为了避免的食品（含水量高的食品），为了避免失水变硬，要保持相当高的水分活度。失水变硬，要保持相当高的水分活度。2.5.2 冷冻与食品稳定性冷冻与食品稳定性v冷冻冷冻是保藏是保藏大多数大多数食品的好方法，这是因为在食品的好
48、方法，这是因为在低温低温的条的条件下，微生物的繁殖被抑制、一些化学反应的速度常数件下，微生物的繁殖被抑制、一些化学反应的速度常数降低，提高了大多数食品的稳定性。降低，提高了大多数食品的稳定性。v但对于但对于具有细胞结构具有细胞结构的食品和食品凝胶，将会出现两个的食品和食品凝胶，将会出现两个非常不利的后果：非常不利的后果：水转化成冰后，体积增加水转化成冰后，体积增加9%，于是产生局部压力，使具，于是产生局部压力，使具有细胞组织结构的食品受到有细胞组织结构的食品受到机械性损伤机械性损伤，造成解冻后汁，造成解冻后汁液流失，或使细胞内的酶与细胞外的底物接触，导致不液流失，或使细胞内的酶与细胞外的底物接
49、触，导致不良反应发生。良反应发生。2.5.2.1 冻藏时冰对食品稳定性的影响冻藏时冰对食品稳定性的影响v冷冻浓缩效应冷冻浓缩效应。主要由于在冻藏温度下，食品中仍。主要由于在冻藏温度下，食品中仍然存在非冻结相，其中非水组分的然存在非冻结相，其中非水组分的浓度提高浓度提高，引起，引起食品体系理化性质发生变化，如食品体系理化性质发生变化，如pH值、离子强度、值、离子强度、黏度、表面和界面张力及氧化还原电位等发生明黏度、表面和界面张力及氧化还原电位等发生明显的改变，为一些反应创造了合适的反应条件。此显的改变，为一些反应创造了合适的反应条件。此外，还将形成外，还将形成低共熔混合物低共熔混合物，溶液中有氧
50、和二氧化，溶液中有氧和二氧化碳逸出，水的结构和水与溶质之间的相互作用改变，碳逸出，水的结构和水与溶质之间的相互作用改变，大分子更紧密聚集，相互作用可能性增大。大分子更紧密聚集，相互作用可能性增大。v因此，冷冻给食品体系化学反应带来的影因此，冷冻给食品体系化学反应带来的影响有相反的两方面影响：响有相反的两方面影响：v降低温度，降低温度，减慢减慢了反应了反应速度速度；降低温度，自由水的含量降低，溶质浓度降低温度，自由水的含量降低，溶质浓度增加，增加，加快加快了反应了反应速度速度。v在食品冻藏过程中，冰结晶在食品冻藏过程中，冰结晶大小、数量、形状的大小、数量、形状的改变改变也会引起食品劣变，可能是劣
