食品化学第二章-水-课件.ppt

1、食品化学第二章 水食品化学第二章 水 基本要求：基本要求：理解水与冰的结构及在食品中的性质；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；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；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。藏和加工中的运用。重点难点：重点难点：水分活度的概念及其与食品稳定性的关系、吸湿等温水分活度的概念及其与食品稳定性的关系、吸湿等温线。线

2、。精品资料食品化学第二章 水 第一节 引言生命之源生命之源 组成机体，维持生命活动、调节代谢。人及动物体的机体中：人及动物体的机体中：水的含量水的含量:约占约占6060，有机物有机物:约占约占3030，矿物质矿物质:约占约占 5 5。食品化学第二章 水水在食品中的重要作用a a.水是食品的重要组成成分，是形成食品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；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：果蔬：75%-95%；肉类：肉类：50%-80%；面包：面包：35%-45%；谷物：谷物：10%-15%；鱼类：鱼类：70-80。食品化学第二章 水b.b.天然

3、或加工食品的水分含量、天然或加工食品的水分含量、分布和存在状态决定着食品分布和存在状态决定着食品的结构、特性、新鲜程度、的结构、特性、新鲜程度、品质管理水平和储藏期；品质管理水平和储藏期；c.c.水起着分散蛋白质、脂类和水起着分散蛋白质、脂类和淀粉，使其形成溶胶的作用。淀粉，使其形成溶胶的作用。d.d.水是引起食品化学变化及微水是引起食品化学变化及微生物作用的重要原因，直接生物作用的重要原因，直接关系到食品的贮藏和安全特关系到食品的贮藏和安全特性。性。食品化学第二章 水第二节 水和冰的物理性质 水是一种特殊的水是一种特殊的溶剂溶剂，其，其物理性质物理性质和和热热行为行为有与其它溶剂显著不同的方

4、面：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.pb.p：-162-162，m.pm.p：-183-183，而水在0.1MPa0.1MPa下下b.pb.p：100 100，m.pm.p：0 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；食品化学第二章 水 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%，

5、因而破坏了组织结构。食品化学第二章 水 c.水的热导率较大，然而冰的热导率却是水的热导率较大，然而冰的热导率却是同温度下水的同温度下水的4 4倍，冰的热扩散系数（热倍，冰的热扩散系数（热扩散速度）是水的扩散速度）是水的9 9倍倍，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，就导致了在在相同温度下组织材料冻结的速度比解冻的相同温度下组织材料冻结的速度比解冻的速度快很多。速度快很多。食品化学第二章 水第 3-6 节 水和冰的结构一、水分子的结构一、水分子的结构斯陶特模型食品化学第二章 水2p2s

6、sp3杂化轨道构型食品化学第二章 水单个水分子的结构特征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。引力以及水和冰具有不寻常结构。H H2 2O O分子的四面体结构有对称型分子的四面体结构有对称型H-OH-O共价键有离子性共价键有离子性氧的另外两对孤对电子有静电力氧的另外两对孤对电子有静电力H-OH-O键具有电负性键具有电负性单个水分子的键角为单个水分子的键角为 104.5104.5，接近正四面体接近正四面体的角度的角度 109.28109.28 ，O-HO-H核间距核间距0.096nm0.096nm，氢和

7、，氢和氧的范德华半径分别为氧的范德华半径分别为0.12nm0.12nm和和0.14nm0.14nm。食品化学第二章 水二、水分子的缔合 1 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1.84 D(库.米)。HOH分子极性使水分子之间产生引力。2 2、氢键作用、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2-40kJmol的范围，比化学键弱，但比纯分子间力强，称之为氢键。食品化学第二章 水 每个水分子最多能够与 4 个水分子通过氢键结

8、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食品化学第二章 水 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不同的缔合形式，可导致水分子之间的缔合数大于4 4。食品化学第二章 水 水分子缔合的原因水分子缔合的原因：H-OH-O键间电荷的非对称分布使键间电荷的非对称分布使H-OH-O键具有键具有极性，这种极性使分子之间产生引力。极性，这种极性使分子之间产生引力。由于每个水分子

9、具有数目相等的氢键供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体和受体，因此可以在三维空间形成多重氢键。氢键。静电效应。静电效应。食品化学第二章 水 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(80 cal/g,335 J/g)高蒸发热(539 cal/g,2257 J/g)食品化学第二章 水三、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，OO之间的最小距离为0.276nm，OOO之间的夹角为109。食品化学第二章 水食品化学第二章 水(1)(

10、1)纯冰纯冰 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。食品化学第二章 水（2 2）溶质存在时）溶质存在时六方冰晶形成的条件：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。的性质及浓度均不严重干扰水分子的移动。按冷冻速度和对称要素分，冰可分为四按冷冻速度和对称要素分，冰可分为四大类：大类：六方型冰晶六方型冰晶不规则树枝状结晶不规则树枝状结晶粗糙的球状结晶粗糙的球状结晶易消失的球状

11、结晶及各种中间体易消失的球状结晶及各种中间体食品化学第二章 水食品化学第二章 水食品化学第二章 水过冷温度过冷温度 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，过冷温度，也叫临界温度也叫临界温度。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。食品化学第二章 水低共熔点低共熔点 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

12、完全结晶的温度叫低共熔低共熔点点，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。食品化学第二章 水 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。食品化学第二章 水四、水的结构四、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。混合模型：分子间氢键短暂地浓集在庞大成簇的水

13、分子中，后者与其他更稠密的水分子处在动态平衡中。食品化学第二章 水 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。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。食品化学第二章 水水分子的缔合与温度水分子的缔合与温度n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；n水分子氢键键合程度取决于温度。温度（温度（）配位数配位数分子间距分子间距nmnm040.2761.54.40.290834.90.305食品化学第二章 水 水在3.98 时密度达到最大（？）冰

14、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。食品化学第二章 水 水是流动的，又是固定的。（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。食品化学第二章 水第七节 水-溶质相互作用一、食品中水的存在形式一、食品中水的存在形式 食品中的

15、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：自由水自由水 结合水结合水水水滞化水滞化水毛细管水毛细管水自由流动水自由流动水构成水构成水邻近水邻近水多层水多层水食品化学第二章 水第七节第七节 水水-溶质相互作用溶质相互作用一、持水力一、持水力持水力（持水力（water holding capacity,WHC）：）：以分子以分子构成的基体通过物理方式截留大量水而防止它渗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。出的能力。例：果胶和淀粉凝胶。1.1.物理截留的大部分水在食品

16、干燥时可以被除去；物理截留的大部分水在食品干燥时可以被除去；2.2.在冻结时易于转变成冰；在冻结时易于转变成冰；3.3.可以作为溶剂；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，食品解冻时渗水食品脱水收缩，食品解冻时渗水。食品化学第二章 水二、食品中水的存在形式二、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：自由水自由水 结合水结合水水水滞化水滞化水毛细管水毛细管水自由流动水自由流动水构成水构成水邻近水邻

17、近水多层水多层水单分子层结合水单分子层结合水多分子层结合水多分子层结合水食品化学第二章 水 结合水：结合水：又称为束缚水，是食品中与非水成分结又称为束缚水，是食品中与非水成分结合的最牢固的水。合的最牢固的水。在复杂的体系中存在不同结合在复杂的体系中存在不同结合程度的水，程度的水，即其由构成水或化合水、邻近水和多即其由构成水或化合水、邻近水和多层水所组成。层水所组成。特点特点 在在-40-40下基本不结冰下基本不结冰 无溶解溶质的能力无溶解溶质的能力 与纯水比较分子平均运动大大减少与纯水比较分子平均运动大大减少 不能被微生物利用不能被微生物利用 此种水很稳定，不易引起食品的腐败变质。此种水很稳定

18、，不易引起食品的腐败变质。食品化学第二章 水 构成水：构成水：与非水物质呈紧密结合状态的水，已成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。为非水物质的整体部分。如存在于蛋白质分子的空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。隙区域的水和成为化学水合物的一部分的水。临近水临近水:处于非水物质外围与非水物质呈缔合状处于非水物质外围与非水物质呈缔合状态的水。态的水。如与离子或离子基团相缔合的水。如与离子或离子基团相缔合的水。多层水多层水:处于临近水外围的，与临近水以氢键或处于临近水外围的，与临近水以氢键或偶极力结合的水。偶极力结合的水。虽然结合程度不如邻近水，仍与虽

19、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非水组分靠得足够近，其性质大大不同于纯净水的性质。性质。食品化学第二章 水 自由水自由水:又称体相水，是指食品中与非水成分有较弱作用又称体相水，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。分子可以自由运动，但在宏观上它是被束缚的。特点：特点：能结冰，但冰点有所下降能结冰，但冰点有所下降溶解溶质的能力强

20、，干燥时易被除去溶解溶质的能力强，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，反应，易引起食品的腐败变质，但与食品的风味及功能但与食品的风味及功能性紧密相关。性紧密相关。食品化学第二章 水滞化水：滞化水：被组织中的显微结构或亚显微结构或膜被组织中的显微结构或亚显微结构或膜滞留的水。滞留的水。毛细管水：毛细管水：指食品中由于天然形成的毛细管而保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

21、管的直径越小，持水能力越强，当毛细管直径小于于0.1m 0.1m 时，毛细管水实际上已经成为结合水，时，毛细管水实际上已经成为结合水，而当毛细管直径大于而当毛细管直径大于0.1m 0.1m 则为自由水，大部分则为自由水，大部分毛细管水为自由水。毛细管水为自由水。自由流动水：自由流动水：以游离态存在的水。以游离态存在的水。食品化学第二章 水 一般说来，食品干燥后安全贮藏的水一般说来，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。品的单分子层水含量。单分子层水

22、的意义单分子层水的意义食品化学第二章 水注意注意 结合水结合水不是一种均一的和易于识别的实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。如何理解及定义前很多文献中经常见到它。如何理解及定义见教材见教材14页。页。作者提出，结合水与体相水比较，具有作者提出，结合水与体相水比较，具有“被阻碍的流动性被阻碍的流动性”而不是而不是“被固定化的被固定化的”。食品化学第二章 水三、水-溶质相互作用水水-溶溶 质质 相相 互互 作作 用用 的的 分分

23、类类种种 类类实实 例例相相 互互 作作 用用 的的 强强 度度与与 水水-水水 氢氢 键键 比比 较较偶偶 极极-离离 子子H2O-游游 离离 离离 子子H2O-有有 机机 分分 子子 上上 的的 带带 电电 基基 团团较较 强强偶偶 极极-偶偶 极极H2O-蛋蛋 白白 质质NHH2O-蛋蛋 白白 质质COH2O-侧侧 链链OH近近 乎乎 相相 等等疏疏 水水 水水 合合H2O+R R（水水 合合）远远 低低疏疏 水水 相相 互互 作作 用用 R（水水 合合）+R（水水 合合）R2水水 合合+H2O不不 可可 比比 较较食品化学第二章 水水与离子基团的相互作用水与离子基团的相互作用 食品体系

24、中有电解质，便存在有离子或离食品体系中有电解质，便存在有离子或离子基团子基团,离子电荷与水分子的偶极子之间的相离子电荷与水分子的偶极子之间的相互作用互作用离子水合作用离子水合作用。食品化学第二章 水与离子或离子基团相互作用的水是食品中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。结合最紧密的一部分水。(构成水或化合构成水或化合水水)H H2 2O-NaO-Na83.68kJ/moL H83.68kJ/moL H2 2O-HO-H2 2O O2 20.9kJ/moL0.9kJ/moL影响这种影响这种作用力作用力的因素的因素有：解离程度以及有：解离程度以及食品的酸度。食品的酸度。食品化

25、学第二章 水离子对水结构的影响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一种离子改变水的净结构的能力与它的极化力（电荷除以极化力（电荷除以半径）或电场强度半径）或电场强度紧密相关。紧密相关。净结构破坏效应：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稀盐溶液中一些离子具有破坏水的网状结构效应构效应,这些离子大多为大离子和单价负离子，产生较弱电这些离子大多为大离子和单价负离子，产生较弱电场。如：场。如：K K+,Rb,Rb+,Cs,Cs+,NH,NH4 4+,Cl,Cl-,Br,Br-，I I-,NO,NO3 3-,BrO,BrO3 3-,IO,IO3 3-，ClOClO4

26、4-等。这些离子打破水的正常结构，而新的结构又不足以等。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。补偿这种结构上的损失。结果：粘度变小，流动性增加结果：粘度变小，流动性增加 净结构形成效应：净结构形成效应：另外一些离子有助于水形成网状结构另外一些离子有助于水形成网状结构,这这些离子大多是小离子或多价离子，产生强电场。如：些离子大多是小离子或多价离子，产生强电场。如：LiLi+,NaNa+,Ca,Ca2+2+,Ba,Ba2+2+,Mg,Mg2+2+,Al,Al3+3+，F F-,OH,OH-,等。这些离子强烈地与等。这些离子强烈地与4 4至至6 6个第一层水分子相互作用，

27、导致它们比纯水中的个第一层水分子相互作用，导致它们比纯水中的HOHHOH具具有较低的流动性和包装得更紧密。有较低的流动性和包装得更紧密。结果：粘度增加，流动性变小结果：粘度增加，流动性变小食品化学第二章 水水与有氢键键合能力极性基团的相互作用 H H2 2O-O-溶质之间的氢键强度弱于溶质之间的氢键强度弱于H H2 2O O-离子之间的相离子之间的相互作用，互作用，H H2 2O-HO-H2 2O O之间氢键的强度相近。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极性基团（亲水性溶质）：水能与各种潜在的极性基团如性基团如羟基、羧基、氨基、羰基、酰胺基等羟基、羧基、氨基、羰基、

28、酰胺基等形形成氢键成氢键，这些极性基团存在于蛋白质、多糖（淀这些极性基团存在于蛋白质、多糖（淀粉或纤维素）、果胶的结构中。因此通常在这些粉或纤维素）、果胶的结构中。因此通常在这些物质的表面总有一定数量的被结合、被相对固定物质的表面总有一定数量的被结合、被相对固定的水。的水。食品化学第二章 水 对水的正常结构的影响：对水的正常结构的影响：然而，在某些情况然而，在某些情况下，下，H H2 2O-O-溶质溶质氢键部位的分布和定向在几何上氢键部位的分布和定向在几何上与正常与正常H H2 2O-HO-H2 2O O的氢键部位是不相容的。于是，的氢键部位是不相容的。于是，这些溶质对水的正常结构往往具有一种

29、破坏作用，这些溶质对水的正常结构往往具有一种破坏作用，而且也可降低冰点。而且也可降低冰点。当当H H2 2O-O-溶质氢键取代了被破溶质氢键取代了被破坏的坏的H H2 2O-HO-H2 2O O氢键，具有这种性质的溶质对氢键，具有这种性质的溶质对水的水的净结构没有多大影响净结构没有多大影响。食品化学第二章 水 对生物大分子的影响：对生物大分子的影响：它们常是一些它们常是一些酶保持活性结酶保持活性结构并能发挥作用构并能发挥作用的重要因素，也常是的重要因素，也常是食品保持正常食品保持正常结构结构的重要因素。的重要因素。H H2 2O-O-溶质相互作用在一些情况下，溶质相互作用在一些情况下，结晶大分

30、子的亲结晶大分子的亲水基团间的距离与纯水中最邻近两个氧原子间的距水基团间的距离与纯水中最邻近两个氧原子间的距离相等。如果在水合大分子中这种间隔占优势，这离相等。如果在水合大分子中这种间隔占优势，这将会促进第一层水和第二层水之间相互形成氢键。将会促进第一层水和第二层水之间相互形成氢键。食品化学第二章 水 在生物大分子的两在生物大分子的两个部位或两个大分个部位或两个大分子之间可形成由几子之间可形成由几个水分子所构成的个水分子所构成的“水桥水桥”。食品化学第二章 水水与非极性物质的相互作用水与非极性物质的相互作用 水中加入疏水性物质疏水基团与水分子产生斥力，水中加入疏水性物质疏水基团与水分子产生斥力

31、，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强强，结构更为有序，疏水基团之间相互聚集，从结构更为有序，疏水基团之间相互聚集，从而使它们与水的接触面积减小。而使它们与水的接触面积减小。水与非极性基团对抗的结果是在疏水基团相邻处水与非极性基团对抗的结果是在疏水基团相邻处形成了形成了笼形水合物笼形水合物，水促进蛋白质，水促进蛋白质疏水基团之间疏水基团之间的缔合的缔合。食品化学第二章 水 疏水水合：疏水水合：向水中添加疏水物质时，由于它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

32、合增强，使得熵减小，此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。过程成为疏水水合。食品化学第二章 水 疏水相互作用：疏水相互作用：当水与非极性基团接触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，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，这种作用成为疏疏水基团之间进行缔合，这种作用成为疏水相互作用水相互作用。食品化学第二章 水 笼形水合物笼形水合物 是象冰一样的包合物，水为是象冰一样的包合物，水为“主人主人”，它们靠氢键，它们靠氢键键合形成想笼一样的结构，通过物理方式将非极性键合形成想笼一样的结构，通过物理方式将非极性物质截留在笼内，被截留的物质称为物

33、质截留在笼内，被截留的物质称为“客人客人”。笼状水合物是水力图避免与疏水基团接触而形成的笼状水合物是水力图避免与疏水基团接触而形成的特殊产物。笼状水合物代表了水对非极性物质的最特殊产物。笼状水合物代表了水对非极性物质的最大程度的大程度的结构形成效应结构形成效应。一般一般“宿主宿主”由由20-74个水分子组成个水分子组成，较典型的客体，较典型的客体有低分子量烃，稀有气体，卤代烃，短链第一、第有低分子量烃，稀有气体，卤代烃，短链第一、第二和第三胺等。二和第三胺等。在生物物质中存在类似于结晶笼状水合物的结构，在生物物质中存在类似于结晶笼状水合物的结构，这些结构可能影响如蛋白质这样的分子的构象、反这些

34、结构可能影响如蛋白质这样的分子的构象、反应性和稳定性。应性和稳定性。食品化学第二章 水水在疏水表面的取向食品化学第二章 水 球状蛋白质的疏水相球状蛋白质的疏水相互作用互作用 疏水基团缔合或发生疏水基团缔合或发生“疏水相互作用疏水相互作用”，引起了蛋白质的折叠。引起了蛋白质的折叠。疏水相互作用是蛋白疏水相互作用是蛋白质折叠的主要驱动力。质折叠的主要驱动力。同时也是维持蛋白质同时也是维持蛋白质三级结构的重要因素。三级结构的重要因素。食品化学第二章 水水与双亲分子的相互作用 水也能作为双亲分子的分散介质水也能作为双亲分子的分散介质 双亲分子：双亲分子：一个分子中同时存在亲水和疏一个分子中同时存在亲水

35、和疏水基团。脂肪酸盐、蛋白质、脂质、糖脂、水基团。脂肪酸盐、蛋白质、脂质、糖脂、极性脂类、核酸等。极性脂类、核酸等。胶团：胶团：双亲分子在水中形成大分子聚集体。双亲分子在水中形成大分子聚集体。分子数从几百到几千。分子数从几百到几千。食品化学第二章 水食品化学第二章 水七、水分活度与相对蒸汽压（一）引言一）引言 食品的水分含量和它的腐败性之间存在着一定的关系，食品的水分含量和它的腐败性之间存在着一定的关系，但水分含量不是一个易腐性的可靠指标。但水分含量不是一个易腐性的可靠指标。因为因为水与非水成分缔合强度上存在差别水与非水成分缔合强度上存在差别，参与强缔合的，参与强缔合的水比起弱缔合的水在较低程

36、度上支持降解活力水比起弱缔合的水在较低程度上支持降解活力如微如微生物生长和水解化学反应。生物生长和水解化学反应。水分活度水分活度能反映水与各种非水成分缔合的强度，与微生能反映水与各种非水成分缔合的强度，与微生物生长和许多降解反应的速度具有很好的相关性，成为物生长和许多降解反应的速度具有很好的相关性，成为一个产品稳定性和微生物安全的一个产品稳定性和微生物安全的有用指标有用指标。水分活度的物理意义水分活度的物理意义是表征食品和生物组织中能参与各是表征食品和生物组织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。种生理作用的水分含量与总含水量的定量关系。食品化学第二章 水（二）水分活度的定义和测

37、定方法（二）水分活度的定义和测定方法1、定义：定义：一定温度下样品水分蒸汽压与纯水蒸汽一定温度下样品水分蒸汽压与纯水蒸汽压的比值；用公式表示即为：压的比值；用公式表示即为：Aw=f/f0=p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)其中：其中：Aw：水份活度；：水份活度；f：溶剂（水）的逸度；：溶剂（水）的逸度；f0：纯溶剂的逸度；：纯溶剂的逸度；p：样品中水的蒸汽分压：样品中水的蒸汽分压；p0：同温纯水蒸汽压；：同温纯水蒸汽压；ERH：样品周围空气不与样品换湿时的平恒相对：样品周围空气不与样品换湿时的平恒相对湿度；湿度；N：稀溶液中溶剂的：稀溶液中溶剂的mol分数分数；n1：稀溶液中水

38、的：稀溶液中水的mol数；数；n2：稀溶液中溶质的：稀溶液中溶质的mol数。数。食品化学第二章 水 相对平衡湿度相对平衡湿度：大气水汽分压与相同温度下纯水：大气水汽分压与相同温度下纯水的饱和蒸汽压之比。的饱和蒸汽压之比。食品的平衡相对湿度食品的平衡相对湿度是指食品中的水分蒸汽压达是指食品中的水分蒸汽压达到平衡后，食品周围的水汽分压与同温度下纯水到平衡后，食品周围的水汽分压与同温度下纯水的饱和蒸汽压之比。的饱和蒸汽压之比。注意：注意：逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势,在低压（例如室在低压（例如室温）下，温）下，f/f0和和p/p0之间的差别小于之间的差别小于1%，Aw=p/p

39、0成立的前提是溶液是理想溶液并达到热成立的前提是溶液是理想溶液并达到热力学平衡，食品体系一般不符合这个条件，因此力学平衡，食品体系一般不符合这个条件，因此上式严格讲，只是近似的表达。上式严格讲，只是近似的表达。食品化学第二章 水应用应用Aw=ERH/100时必须注意时必须注意:Aw 是样品的是样品的内在品质，而内在品质，而ERH是与样品中的水蒸汽平衡时的是与样品中的水蒸汽平衡时的大气性质；大气性质；仅当食品与其环境达到平衡时才能仅当食品与其环境达到平衡时才能应用。应用。公式中的前两项，即公式中的前两项，即Aw=p/p0=ERH/100，是根是根据水分活度定义给出的；而后两项是拉乌尔定律据水分活

40、度定义给出的；而后两项是拉乌尔定律所确定的，其前提是稀溶液且溶质是非电解质。所确定的，其前提是稀溶液且溶质是非电解质。所以前两项和后两项之间也应该是近似的关系。所以前两项和后两项之间也应该是近似的关系。由于由于p/p0和和n1/n1+n2，因此，因此，Aw的值在的值在01之间。之间。食品化学第二章 水2 2、Aw测定方法测定方法a.冰点测定法冰点测定法 先测样品的冰点降低和含水量先测样品的冰点降低和含水量,根据以下两式计算根据以下两式计算Aw:Aw=n1/n1+n2，n2=G Tf/1000Kf(G：溶剂克数，溶剂克数，Tf：冰点降低冰点降低（），），Kf：水的摩尔冰点降低常水的摩尔冰点降低常

41、数数1.86)。此法的误差很小，准确度较高。此法的误差很小，准确度较高。b.相对湿度传感器测定法相对湿度传感器测定法 将已知含水量的样品置于恒温密闭的小容器中，将已知含水量的样品置于恒温密闭的小容器中，使其蒸汽压和环境蒸汽充分作用，达到平衡；用湿使其蒸汽压和环境蒸汽充分作用，达到平衡；用湿度传感器测定其空间的湿度，即可得出度传感器测定其空间的湿度，即可得出ERH，这时这时可得到样品的水分活度。可得到样品的水分活度。c.利用水分活度仪测定样品的利用水分活度仪测定样品的Aw食品化学第二章 水d.康维氏微量扩散器测定法康维氏微量扩散器测定法/恒定相对湿度平衡法：恒定相对湿度平衡法：康维氏微量扩散器可

42、如右图示意：康维氏微量扩散器可如右图示意：分隔并相通的两个小室分别放样品和饱和盐溶液；样品分隔并相通的两个小室分别放样品和饱和盐溶液；样品量一般为量一般为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；分别测定水分活度高的饱和盐溶液和水分活度低的饱和盐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达平衡时样品吸收或失去水的质量，利用下式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活度：求算样品的水分活度：Aw=(Ax+By）/(x+y)其中：其中：Ax：活度低的盐溶液活度；：活度低的盐溶液活度；By：活度高的盐溶液活度：活度高的盐溶液活

43、度 x：使用：使用B时的净增值；时的净增值；y：使用：使用A时的净减值；时的净减值；饱和盐溶液样品康维氏微量扩散器食品化学第二章 水（三）水分活度和温度的关系 物理化学中的物理化学中的克劳修斯克劳修斯-克拉贝龙克拉贝龙方程方程精确表示精确表示了水分活度与绝对温度（了水分活度与绝对温度（T）之间的关系：）之间的关系：dlnAw/d(1/T)=-H/R.(1)其中其中R为气体常数，为气体常数，H为样品中水分的等量净为样品中水分的等量净吸附热。吸附热。整理此式可得：整理此式可得：lnAw=-kH/R(1/T)(2)其中：此处的其中：此处的H 可用纯水的汽化潜热表示，是常可用纯水的汽化潜热表示，是常数

44、，其值为数，其值为40537.2J/mol；食品化学第二章 水K值 K的直观意义是在达到同样水蒸汽压时，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。食品中非水成分越多并且与水的结合能力越强，K值越大，相同温度时Aw值越小；反之亦然。食品化学第二章 水图2-15 复杂食品在冰点以上和冰点以下时Aw和温度的关系食品化学第二章 水讨论：讨论：a.由公式由公式(2)可知，可知，lnAw与与-1/T之间为一直线关系，之间为一直线关系，T则则Aw。其意义在于：一定样品水分活其意义在于：一定样品水分活度的对数在不太宽的温度范围度的对数在不太宽的温度范围内随绝对温度的升高而呈比例内

45、随绝对温度的升高而呈比例升高。升高。Aw随温度变化的程度是水随温度变化的程度是水分含量的函数（右图）分含量的函数（右图），水分水分含量增加时，含量增加时，T对对Aw的影响程的影响程度提高。度提高。食品化学第二章 水 b.但在较大的温度但在较大的温度范围内，范围内，lnAw与与-1/T之间并非始终之间并非始终为一直线关系；为一直线关系；当冰开始形成时，当冰开始形成时，lnAw与与-1/T曲线曲线中出现明显的折中出现明显的折点。点。食品化学第二章 水 冰点以下冰点以下lnAw与与-1/T的变化率明显加大了，的变化率明显加大了，并且不再受样品中非水物质的影响（这是因为并且不再受样品中非水物质的影响（

46、这是因为此时水的汽化潜热应由冰的升华热代替，也就此时水的汽化潜热应由冰的升华热代替，也就是说前述的是说前述的Aw与温度的关系方程中的与温度的关系方程中的H值大值大大增加了）。大增加了）。温度对温度对Aw的影响在冰点下远大于在冰点的影响在冰点下远大于在冰点以上（冰冻冷藏的依据），温度下降，导致以上（冰冻冷藏的依据），温度下降，导致Aw下降很快，有利于抵抗食品败坏。下降很快，有利于抵抗食品败坏。食品化学第二章 水 要解释冰点以下Aw与样品的组成无关，现在的观点认为，在冰点以下样品的蒸汽分压等于相同温度下冰的蒸汽压，并且水分活度的定义式中的p0此时应采用过冷纯水的蒸汽压。冰点以下食品水分活度定义：)

47、()(00SCWPPSCWPPAiceffw其中：其中：Pff：部分冷冻食品中水的蒸汽分压：部分冷冻食品中水的蒸汽分压 P0(scw)：纯的过冷水的蒸汽压：纯的过冷水的蒸汽压Pice：纯冰的蒸汽压：纯冰的蒸汽压食品化学第二章 水 在比较冰点以上或冰点以下的水分活度值时应该注意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两个重要的区别：到以下两个重要的区别：第一第一，在冰点以上，水分活度是，在冰点以上，水分活度是样品组成和温度样品组成和温度的函的函数，并且样品组成对于水分活度值有明显的影响；而在冰数，并且样品组成对于水分活度值有明显的影响；而在冰点以下时，水分活度点以下时，水分活度与样品

48、的组成无关，仅与温度有关与样品的组成无关，仅与温度有关。因此不能根据冰点以上水分活度值来预测体系中溶质种类因此不能根据冰点以上水分活度值来预测体系中溶质种类和含量对冰点以下体系发生变化的影响。和含量对冰点以下体系发生变化的影响。第二第二，冰点以上，冰点以上和以下时，就食品而言，水分活度的和以下时，就食品而言，水分活度的意义是不一样意义是不一样的。例的。例如：在水分活度为如：在水分活度为0.86的的-15的食品中，微生物不再生长，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

49、些微生物也情况下，一些化学反应将快速进行，一些微生物也将中等速度生长。将中等速度生长。食品化学第二章 水（四）吸湿等温曲线1 1、定义及测定方法、定义及测定方法定义：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）干物质表示）对其活度形成的曲线称为等温吸湿曲线（对其活度形成的曲线称为等温吸湿曲线（MSI）。）。食品化学第二章 水 大多数食品或食品原料的大多数食品或食品原料的吸湿等温线为吸湿等温线为S型型，而水果、，而水果、糖制品、含有大量糖和其他糖制品、含有大量糖和其他可溶性小分子的咖啡提取物可溶性小分子的咖啡提取物等食品的吸湿等温线为等食品的吸湿等温线

50、为J型型。如图。如图。测定方法：测定方法：在恒定温度在恒定温度下，改变食品中的水分含量，下，改变食品中的水分含量，测定相应的活度，以水分含测定相应的活度，以水分含量为纵轴、量为纵轴、Aw为横轴画出为横轴画出曲线。曲线。食品化学第二章 水2、MSI中的分区中的分区一般的一般的MSI均可分为三个区，如下图所示：均可分为三个区，如下图所示：食品化学第二章 水区区：为：为构成水和邻近水区构成水和邻近水区，一般把，一般把区和区和区交界处的水区交界处的水分含量称为食品的分含量称为食品的“单分子层单分子层”水含量（水含量（BET值值），这部，这部分水可看成是在干物质可接近的强极性基团周围形成一个分水可看成是