食品化学-水.pptx

食品化学食品化学Food Chemistry贺贺 江江Tel:15115667084Tel:[phone]E-mail:E-mail:QQ:15881481QQ:15881481第二章第二章 水水Chapter 2 WaterChapter 2 Water内容提要内容提要n2.1 2.1 概述概述n2.2 2.2 水和冰的结构与性质水和冰的结构与性质n2.3 2.3 食品中水的存在状态食品中水的存在状态n2.4 2.4 水分活度水分活度n2.5 2.5 水与食品的稳定性水与食品的稳定性n2.6 2.6 分子流动性和食品稳定性（自学）分子流动性和食品稳定性（自学）目的与要求目的与要求n（1 1）理解水和非水组分的相互作用；）理解水和非水组分的相互作用；n（2 2）理解结合水的概念；）理解结合水的概念；n（3 3）掌握水分活度的定义和测定方法；）掌握水分活度的定义和测定方法；n（4 4）掌握水分活度与温度的关系；）掌握水分活度与温度的关系；n（5 5）熟悉食品材料的吸湿等温线；）熟悉食品材料的吸湿等温线；n（6 6）掌握水分活度与食品稳定性的关系。）掌握水分活度与食品稳定性的关系。2.1 2.1 概述概述2.1.1 水的作用水的作用 生命之源生命之源 组成机体组成机体 调节代谢调节代谢 战争之源战争之源“下一场世界大战将下一场世界大战将是对水资源的争夺是对水资源的争夺”2.1 2.1 概述概述2.1.1 水的作用水的作用水对人体的重要作用水对人体的重要作用 水使人体体温保持稳定（热容量大）水使人体体温保持稳定（热容量大）能够作为体内营养素运输、吸收和代谢物运转的载体能够作为体内营养素运输、吸收和代谢物运转的载体 作为体内化学和生物化学反应的反应物或者反应介质作为体内化学和生物化学反应的反应物或者反应介质 作为润滑剂，使摩擦面润滑，减少损伤作为润滑剂，使摩擦面润滑，减少损伤 优良的增塑剂优良的增塑剂 生物大分子聚合物构象的稳定剂生物大分子聚合物构象的稳定剂 包括酶催化剂在内的大分子动力学行为的促进剂包括酶催化剂在内的大分子动力学行为的促进剂2.1 2.1 概述概述2.1.1 水的作用水的作用 水是食品中非常重要的一种成分，也是构成大多数食品的水是食品中非常重要的一种成分，也是构成大多数食品的主要组分。主要组分。水对食品的结构、外观、外表、质地、风味、色泽、流动水对食品的结构、外观、外表、质地、风味、色泽、流动性、新鲜程度和腐败变质的敏感性都有着很大的影响。性、新鲜程度和腐败变质的敏感性都有着很大的影响。各种食品都有显示其品质的特征含水量各种食品都有显示其品质的特征含水量,如果蔬如果蔬:75%-:75%-95%,95%,肉类肉类:50%-80%,:50%-80%,面面:35%-45%,:35%-45%,谷物谷物:10%-15%:10%-15%。食品中的水食品中的水表表2-1 某些代表性食品中的典型水分含量某些代表性食品中的典型水分含量续表续表2-12.1 2.1 概述概述2.1.1 水的作用水的作用水在食品中的重要作用水在食品中的重要作用 水在食品贮藏加工过程中作为化学和生物化学反应的水在食品贮藏加工过程中作为化学和生物化学反应的介质，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、多糖和脂类通过物理相互作用而影响食水与蛋白质、多糖和脂类通过物理相互作用而影响食品的质构，如新鲜度、硬度、流动性等品的质构，如新鲜度、硬度、流动性等 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2.1 2.1 概述概述2.1.2 水和冰的物理性质水和冰的物理性质 水与元素周期表中邻近氧的某些元素的氢化物（水与元素周期表中邻近氧的某些元素的氢化物（CHCH4 4、NHNH3 3、HFHF、H H2 2S S）相比较，）相比较，除了粘度以外都有显著差异除了粘度以外都有显著差异。熔点、沸点、表面张力、介电常数、热容及相变热（溶熔点、沸点、表面张力、介电常数、热容及相变热（溶解、蒸发、升华）等都明显偏高。解、蒸发、升华）等都明显偏高。水的密度偏低，水结冰时体积异常膨大，水的导热值大水的密度偏低，水结冰时体积异常膨大，水的导热值大于其他液体，冰的导热值略大于非金属固体。于其他液体，冰的导热值略大于非金属固体。水与冰比较：水与冰比较：水的密度高于冰；冰的导热值、热扩散率等明显大于水。水的密度高于冰；冰的导热值、热扩散率等明显大于水。表表2-2 水和冰的物理常数水和冰的物理常数 2.2 2.2 水和冰的结构与性质水和冰的结构与性质 水的异常性质可以推测水分子间存在强烈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。的吸引力，以及水和冰具有不寻常结构。2.2 2.2 水和冰的结构与性质水和冰的结构与性质2.2.1 水水 氧原子和氢原子成键时，氧原子和氢原子成键时，氧原子发生氧原子发生spsp3 3杂化杂化，形成，形成4 4个个spsp3 3杂化轨道；杂化轨道；单个水分子为单个水分子为四面体结构四面体结构，氧原子位于中心，氧原子位于中心，4 4个顶点个顶点中有中有2 2个被氢原子占据，其个被氢原子占据，其余余2 2个被氧原子的孤对电子个被氧原子的孤对电子所占据；所占据；水分子的结构特征水分子的结构特征2.2 2.2 水和冰的结构与性质水和冰的结构与性质2.2.1 水水 由于该两对孤对电子将对成键由于该两对孤对电子将对成键电子形成挤压作用，所以电子形成挤压作用，所以2 2个个O-HO-H键间夹角为键间夹角为104.5104.5，与典型四，与典型四面体的夹角面体的夹角1092810928有所差别；有所差别；每个每个O-HO-H键的离解能为键的离解能为4.614104.614102 2 kJ/mol kJ/mol，O-HO-H核间距核间距离为离为0.096 nm0.096 nm，氧和氢的范德华，氧和氢的范德华半径分别为半径分别为0.14 nm0.14 nm和和0.12 nm0.12 nm。O-HO-H具有极性具有极性，即电荷不对称分，即电荷不对称分布，（氢原子几乎成为一个裸露布，（氢原子几乎成为一个裸露的质子而带正电荷）。的质子而带正电荷）。水分子的结构特征水分子的结构特征2.2 2.2 水和冰的结构与性质水和冰的结构与性质2.2.1 水水水分子的缔合作用水分子的缔合作用 水分子在三维空间形成多水分子在三维空间形成多重氢键键合重氢键键合每个水分每个水分子具有相等数目的氢键给子具有相等数目的氢键给体和受体，能够在三维空体和受体，能够在三维空间形成氢键网络结构。间形成氢键网络结构。水分子的缔合机理水分子的缔合机理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键具有极性键具有极性,这种极性使分子之间产生引力；这种极性使分子之间产生引力；由于每个水分子具有由于每个水分子具有数目相等的氢键供体和受数目相等的氢键供体和受体体,因此可以在三维空间形成多重氢键，（主因此可以在三维空间形成多重氢键，（主要机理）要机理）。水分子三维氢键缔合对水的异常水分子三维氢键缔合对水的异常物理性质的解释物理性质的解释大热溶值、高熔点、高沸点、高表面张大热溶值、高熔点、高沸点、高表面张力和高相变热力和高相变热：这些热力学现象都关系：这些热力学现象都关系到打破水分子间的氢键，因而所需的能到打破水分子间的氢键，因而所需的能量增大。量增大。高介电常数高介电常数：水的氢键缔合产生了庞大：水的氢键缔合产生了庞大的水分子簇，产生了多分子偶极子，从的水分子簇，产生了多分子偶极子，从而使水的介电常数显著增大；而使水的介电常数显著增大；2.2 2.2 水和冰的结构与性质水和冰的结构与性质2.2.1 水水水的结构水的结构 纯水是具有一定结构的液纯水是具有一定结构的液体，虽然它没有刚性，但它体，虽然它没有刚性，但它比气态分子的排列有规则得比气态分子的排列有规则得多。多。在液态水中，水的分子并在液态水中，水的分子并不是以单个分子形式存在，不是以单个分子形式存在，而是由若干个分子以氢键缔而是由若干个分子以氢键缔合形成水分子簇（合形成水分子簇（H H2 2O)O)n n。水的结构模型水的结构模型混合模型混合模型:混合模型强调了分子间氢键的概念混合模型强调了分子间氢键的概念,认为分子间氢键短暂地浓集于成簇的水分子认为分子间氢键短暂地浓集于成簇的水分子之间之间,成簇的水分子与其它更密集的水分子处成簇的水分子与其它更密集的水分子处于于动态平衡动态平衡。连续模型连续模型:分子间氢键均匀地分布于整个水样分子间氢键均匀地分布于整个水样,水分子的连续网络结构成水分子的连续网络结构成动态平衡动态平衡。填隙式模型填隙式模型:水保留在似冰状或笼状结构中水保留在似冰状或笼状结构中,个别的水分子填充在笼状结构的缝隙中。个别的水分子填充在笼状结构的缝隙中。水的结构特征水的结构特征水是呈四面体的网状结构。水是呈四面体的网状结构。水分子之间的氢键网络是水分子之间的氢键网络是动态动态的。的。水分子氢键键合程度水分子氢键键合程度取决于温度取决于温度。2.2 2.2 水和冰的结构与性质水和冰的结构与性质2.2.2 冰冰 冰是由水分子有序排列形成的结晶，冰是由水分子有序排列形成的结晶，水分子间靠氢键链接在一起，形成非常水分子间靠氢键链接在一起，形成非常“疏松疏松”（低密度）的刚性结构；（低密度）的刚性结构；最邻近水分子的最邻近水分子的O-OO-O核间距为核间距为0.276 nm0.276 nm，O-O-OO-O-O键角约为键角约为109109十分接近理想四十分接近理想四面体的键角；面体的键角；每个水分子都能缔合另外每个水分子都能缔合另外4 4个水分子，个水分子，形成四面体结构，所以水分子的配位数形成四面体结构，所以水分子的配位数为为4 4。0下冰的晶格单元下冰的晶格单元2.2 2.2 水和冰的结构与性质水和冰的结构与性质2.2.2 冰冰 当多个晶格结合在一起时，冰结构中当多个晶格结合在一起时，冰结构中存在水分子的两个平面，这两个平面平存在水分子的两个平面，这两个平面平行而且很紧密的结合在一起；行而且很紧密的结合在一起；当冰受到压力当冰受到压力“滑动滑动”或或“流动流动”时，时，它们作为一个单元（整体）滑动，像冰它们作为一个单元（整体）滑动，像冰河中的冰在压力下所产生的河中的冰在压力下所产生的“流动流动”；这类成对平面这类成对平面构成冰的构成冰的“基础平面基础平面”；几个几个“基础平面基础平面”堆积起来便得到冰堆积起来便得到冰的的扩展结构扩展结构。冰的基础平面和扩展结构冰的基础平面和扩展结构冰的基础平面冰的基础平面（a a）沿）沿c c轴方向观察到的六方形结构轴方向观察到的六方形结构（b b）基础平面的立体图）基础平面的立体图冰的扩展结构冰的扩展结构由三个基本平面结合形成的扩展结构由三个基本平面结合形成的扩展结构2.2 2.2 水和冰的结构与性质水和冰的结构与性质2.2.2 冰冰 冰有冰有1111种结晶类型，普通冰的结晶属于六方晶系的种结晶类型，普通冰的结晶属于六方晶系的双六方双锥体，且在常压和温度双六方双锥体，且在常压和温度00时只有时只有六方形冰六方形冰晶晶才是最稳定的形式；才是最稳定的形式；冰并不完全是由精确排列的水分子组成的静态体系，冰并不完全是由精确排列的水分子组成的静态体系，实际上冰晶中的水分子以及由它形成的氢键都处于实际上冰晶中的水分子以及由它形成的氢键都处于不断运动的状态不断运动的状态（水分子振动，氢键瞬间断裂或有（水分子振动，氢键瞬间断裂或有重新生成；重新生成；溶质的种类和数量可以影响冰晶的数量、大小、结溶质的种类和数量可以影响冰晶的数量、大小、结构、位置和趋向。构、位置和趋向。冰的结构特征冰的结构特征在不同溶质影响下，冰的结构主要有在不同溶质影响下，冰的结构主要有4 4种类型种类型 六方形冰晶六方形冰晶 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 易消失的球状结晶及各种中间体易消失的球状结晶及各种中间体 样品在最适的低温冷却剂中缓慢冷却，并且溶质的性质样品在最适的低温冷却剂中缓慢冷却，并且溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移时，才有可能形成六及浓度均不严重干扰水分子的迁移时，才有可能形成六方形冰结晶；方形冰结晶；像明胶这类大而复杂的亲水性分子，不仅能限制水分子像明胶这类大而复杂的亲水性分子，不仅能限制水分子的运动，而且阻碍水形成高度有序的六方形结晶。的运动，而且阻碍水形成高度有序的六方形结晶。2.2 2.2 水和冰的结构与性质水和冰的结构与性质2.2.2 冰冰 当温度降低到当温度降低到“过冷状态过冷状态”，开始出现稳定性晶核，开始出现稳定性晶核，或在振动的促进下向冰晶转化；或在振动的促进下向冰晶转化；水向冰晶转化时放出潜热，促进温度回升到水向冰晶转化时放出潜热，促进温度回升到00。冰形成的一般过程冰形成的一般过程水的冰点为水的冰点为0，但纯水并不在但纯水并不在0时就冻结。时就冻结。开始出现稳定晶核时的温度叫开始出现稳定晶核时的温度叫“过冷温度过冷温度”；如果外加晶核，则不必达到过冷温度时就能结冰，但如果外加晶核，则不必达到过冷温度时就能结冰，但此时生成的冰晶粗大。此时生成的冰晶粗大。为什么提倡使用速冻为什么提倡使用速冻工艺？工艺？现代冻藏工艺提出速冻，因为现代冻藏工艺提出速冻，因为(1)(1)该工艺下形成的冰该工艺下形成的冰晶体颗粒细小（呈针状），在食品组织中分布比较均匀；晶体颗粒细小（呈针状），在食品组织中分布比较均匀；又又(2)(2)由于小冰晶的膨胀力小，对食品组织的破坏很小，由于小冰晶的膨胀力小，对食品组织的破坏很小，解冻融化后的水可以重新渗透到食品组织中，使其基本解冻融化后的水可以重新渗透到食品组织中，使其基本保持原有的风味和营养价值；另外，保持原有的风味和营养价值；另外，(3)(3)冻结时间缩短使冻结时间缩短使微生物活动受到更大限制。微生物活动受到更大限制。2.2 2.2 水和冰的结构与性质水和冰的结构与性质 单个水分子呈四面体结构，水分子中单个水分子呈四面体结构，水分子中O-HO-H具有极具有极性。性。水的三维氢键缔合机理，及其对水的异常物理水的三维氢键缔合机理，及其对水的异常物理常数进行的解释。常数进行的解释。水的三维氢键是动态的，其配位数与温度相关。水的三维氢键是动态的，其配位数与温度相关。六方形冰结晶最为稳定。六方形冰结晶最为稳定。冰的基础平面和冰的形成过程。冰的基础平面和冰的形成过程。本节要点本节要点2.3 2.3 食品中水的存在状态食品中水的存在状态2.3.1 水与溶质的相互作用水与溶质的相互作用水与离子和离子基团的相互作用水与离子和离子基团的相互作用 在水中添加可解离的溶质，在水中添加可解离的溶质，会使纯水靠氢键键合形成的四面会使纯水靠氢键键合形成的四面体排列的正常结构遭到破坏。对体排列的正常结构遭到破坏。对于既不具有氢键受体又没有给体于既不具有氢键受体又没有给体的简单无机离子，它们与水相互的简单无机离子，它们与水相互作用时仅仅是离子作用时仅仅是离子-偶极的极性偶极的极性结合。这种作用通常被称为结合。这种作用通常被称为离子离子水合作用水合作用。在稀盐溶液中，不同的离子对水在稀盐溶液中，不同的离子对水结构的影响是不同的结构的影响是不同的 K K+，RbRb+，CsCs+，NHNH4 4+，ClCl-，BrBr-，I I-，NONO3 3-，BrOBrO3 3-，IOIO3 3-，ClOClO4 4-等，具有等，具有破坏水的网状结构效应破坏水的网状结构效应,这些离子大这些离子大多为电场强度较弱的负离子和离子半径大的正离子；多为电场强度较弱的负离子和离子半径大的正离子；LiLi+，NaNa+，CaCa2+2+，BaBa2+2+，MgMg2+2+，AlAl3+3+，F F-，OHOH-等，等，有助有助于水形成网状结构于水形成网状结构，这些离子大多是电场强度大、离，这些离子大多是电场强度大、离子半径小的离子，或多价离子；子半径小的离子，或多价离子；从水的正常结构来看，所有离子对水的结构都起破坏从水的正常结构来看，所有离子对水的结构都起破坏作用，因为它们能阻止水在作用，因为它们能阻止水在00下结冰。下结冰。2.3 2.3 食品中水的存在状态食品中水的存在状态2.3.1 水与溶质的相互作用水与溶质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水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用 食品中蛋白质、淀粉、果胶等成分含有大量的具有食品中蛋白质、淀粉、果胶等成分含有大量的具有氢键键合能力的中性基团，氢键键合能力的中性基团，它们可与水分子通过氢它们可与水分子通过氢键键合键键合；水与溶质之间的氢键键合比水与离子之间的相互作水与溶质之间的氢键键合比水与离子之间的相互作用弱，这些氢键的作用强度与水分子之间的氢键相用弱，这些氢键的作用强度与水分子之间的氢键相近；近；各种有机成分上极性基团不同，与水形成氢键键合各种有机成分上极性基团不同，与水形成氢键键合作用的强弱也有区别。作用的强弱也有区别。不同基团与水形成氢键的强度比较不同基团与水形成氢键的强度比较 蛋白质多肽链中赖氨酸和精氨酸侧链上的氨基，天冬蛋白质多肽链中赖氨酸和精氨酸侧链上的氨基，天冬氨酸和谷氨酸侧链上的羧基，肽链两端的羧基和氨基，氨酸和谷氨酸侧链上的羧基，肽链两端的羧基和氨基，以及果胶中未酯化的羧基，它们与水形成的氢键，键以及果胶中未酯化的羧基，它们与水形成的氢键，键能大，结合牢固；能大，结合牢固；蛋白质中的酰胺基，淀粉、果胶、纤维素等分子中的蛋白质中的酰胺基，淀粉、果胶、纤维素等分子中的羟基与水形成的氢键，键能小，结合得不牢固。羟基与水形成的氢键，键能小，结合得不牢固。具有氢键键合能力的溶质对水具有氢键键合能力的溶质对水结构的影响结构的影响 凡能够长生氢键键合的溶质都可以凡能够长生氢键键合的溶质都可以强化纯水的结构强化纯水的结构，至少不会破坏这种结构；至少不会破坏这种结构；但在某些情况下，溶质氢键键合的但在某些情况下，溶质氢键键合的部位和取向在几何部位和取向在几何构型上与正常水不同构型上与正常水不同，因此这些溶质通常对水的正常结，因此这些溶质通常对水的正常结构也会产生破坏；构也会产生破坏；可以预测，大多数能形成氢键的溶质可以预测，大多数能形成氢键的溶质会阻碍水结冰会阻碍水结冰；当体系中加入一种具有形成氢键能力的溶质时，每摩当体系中加入一种具有形成氢键能力的溶质时，每摩尔溶液中的氢键总数不会明显的改变。尔溶液中的氢键总数不会明显的改变。水桥水桥 在生物大分子的在生物大分子的2 2个个部位或部位或2 2个大分子之间可个大分子之间可形成由几个水分子所构形成由几个水分子所构成的成的“水桥水桥”。木瓜蛋白酶中的三分子水桥木瓜蛋白酶中的三分子水桥2.3 2.3 食品中水的存在状态食品中水的存在状态2.3.1 水与溶质的相互作用水与溶质的相互作用水与非极性物质的相互作用水与非极性物质的相互作用（1 1）把疏水性物质加入到水中，疏水基团对水分子）把疏水性物质加入到水中，疏水基团对水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强键键合增强,结构更为有序（熵的减少），这一在热结构更为有序（熵的减少），这一在热力学上不利的过程，称为力学上不利的过程，称为“疏水水合疏水水合”；2.3 2.3 食品中水的存在状态食品中水的存在状态2.3.1 水与溶质的相互作用水与溶质的相互作用水与非极性物质的相互作用水与非极性物质的相互作用（2 2）水对于非极性物质产生的结构形成响应，其中）水对于非极性物质产生的结构形成响应，其中有有2 2个重要的结果：个重要的结果：笼形水合物的形成；笼形水合物的形成；蛋白质中的疏水相互作用蛋白质中的疏水相互作用。笼形水合物笼形水合物 笼形水合物是象冰一样的包含化合物，笼形水合物是象冰一样的包含化合物，其中水为其中水为“主体主体”物质，它们靠氢键键物质，它们靠氢键键合形成像笼状结构，并通过物理方式将合形成像笼状结构，并通过物理方式将非极性物质截留在笼内，被截留的物质非极性物质截留在笼内，被截留的物质称为称为“客体客体”；一般一般“主体主体”由由20-7420-74个水分子组成，个水分子组成，“客体客体”是低分子量化合物，较典型的是低分子量化合物，较典型的有低分子量烃，稀有气体，卤代烃等；有低分子量烃，稀有气体，卤代烃等；“主体主体”水分子与水分子与“客体客体”分子之间分子之间的相互作用一般是弱的范德华力，但在的相互作用一般是弱的范德华力，但在有些情况下为静电相互作用。有些情况下为静电相互作用。疏水相互作用疏水相互作用 当水与非极性基团接触时，为减少水与非极性实体的界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，这种作用称为面面积，疏水基团之间进行缔合，这种作用称为疏水相互疏水相互作用作用；这是一个热力学上有利的过程，是疏水水合的部分逆转；这是一个热力学上有利的过程，是疏水水合的部分逆转；疏水相互作用疏水相互作用是维持蛋白质三级结构的重要因素是维持蛋白质三级结构的重要因素。水与溶质相互作用总结水与溶质相互作用总结2.3 2.3 食品中水的存在状态食品中水的存在状态2.3.2 食品中水的存在形式食品中水的存在形式 如上所述，食品中的水分子将与非水物质发生相互如上所述，食品中的水分子将与非水物质发生相互作用，根据其相互作用的性质和程度可将食品中的水进作用，根据其相互作用的性质和程度可将食品中的水进行如下分类：行如下分类：结合水结合水 结合水（结合水（bound waterbound water）又称为束缚水或固定水）又称为束缚水或固定水(immobilized water)(immobilized water)；通常是指存在于溶质或其它非水组分附近的、与溶质分通常是指存在于溶质或其它非水组分附近的、与溶质分子之间通过化学键的力结合的那部分水；子之间通过化学键的力结合的那部分水；具有与同一体系中体相水显著不同的性质，如呈现具有与同一体系中体相水显著不同的性质，如呈现低的低的流动性、在流动性、在-40-40下不结冰、不能作为所加入溶质的溶剂等下不结冰、不能作为所加入溶质的溶剂等；根据结合水被结合的牢固程度不同，又可分为根据结合水被结合的牢固程度不同，又可分为化合水化合水(compound water)(compound water)、邻近水邻近水（vicinal watervicinal water）和）和多层水多层水(multilayer water)(multilayer water)三种类型。三种类型。化合水化合水:或称组成水，是指与非水物质结合最牢或称组成水，是指与非水物质结合最牢固的、构成非水物质的组成的那部分水，如化固的、构成非水物质的组成的那部分水，如化学水合物中的水。学水合物中的水。化合水的性质：化合水的性质：在在-40-40下不结冰；下不结冰；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为与纯水比较分子平均运动为0 0；不能被微生物利用。不能被微生物利用。结合水结合水邻近水邻近水:是指在非水组分中亲水性基团周围结合是指在非水组分中亲水性基团周围结合的第一层水，与离子或离子基团缔合的水是结合的第一层水，与离子或离子基团缔合的水是结合最紧密的邻近水。最紧密的邻近水。主要结合力是水主要结合力是水-离子和水离子和水-偶偶极缔合作用，其次是水和溶质之间的氢键极缔合作用，其次是水和溶质之间的氢键。邻近水的性质：邻近水的性质：在在-40-40下不结冰；下不结冰；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；很稳定，不易引起食品的腐败、变质。很稳定，不易引起食品的腐败、变质。结合水结合水多层水多层水:是指位于以上所说的第一层的剩余位置是指位于以上所说的第一层的剩余位置的水和邻近水的形成的几个水层，其形成的水和邻近水的形成的几个水层，其形成主要靠主要靠水水-水和水水和水-溶质间氢键而形成溶质间氢键而形成。多层水的性质：多层水的性质：大多数多层水在大多数多层水在-40-40下不结冰，其下不结冰，其余可结冰，但冰点大大降低；余可结冰，但冰点大大降低；有一定溶解溶质的能力；有一定溶解溶质的能力；与纯水比较分子平均运动大大降低；与纯水比较分子平均运动大大降低；不能被微生物利用。不能被微生物利用。结合水结合水体相水体相水 体相水（体相水（bulk waterbulk water）又称为）又称为自由水自由水（free water)free water)；是指食品中除了结合水以外的那部分水；是指食品中除了结合水以外的那部分水；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，干燥时易被除去与纯水分子平均溶解溶质的能力强，干燥时易被除去与纯水分子平均运动接近；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，但也与食品的风味及功能性紧密相关；腐败变质，但也与食品的风味及功能性紧密相关；体相水体相水 滞化水滞化水（或不流动水）是指被组织中的显微和亚显微（或不流动水）是指被组织中的显微和亚显微结构及膜所阻留住的水，食品中通常有凝胶或有细胞结结构及膜所阻留住的水，食品中通常有凝胶或有细胞结构时就可能有滞化水；构时就可能有滞化水；毛细管水毛细管水是指在生物组织的细胞间隙和食品结构组织是指在生物组织的细胞间隙和食品结构组织中，由毛细管力所截留的水，在生物组织中又称为细胞中，由毛细管力所截留的水，在生物组织中又称为细胞间水，其物理和化学性质与滞化水相同；间水，其物理和化学性质与滞化水相同；自由流动水自由流动水是指动物的血浆、淋巴和尿液，植物的导是指动物的血浆、淋巴和尿液，植物的导管和细胞内液泡中的水以及食品中肉眼可见的水。管和细胞内液泡中的水以及食品中肉眼可见的水。体相水又可分为：滞化水（体相水又可分为：滞化水（entrapped waterentrapped water）、）、毛细管水（毛细管水（capillary watercapillary water）和自由流动水（）和自由流动水（free free flow waterflow water）三种类型。）三种类型。结合水和体相水性质比较结合水和体相水性质比较项 目结 合 水 体 相 水一般描述存在于溶质或其它非水组分附近的那部分水，包括化合水和邻近水以及几乎全部多层水。位置上远离非水组分，以水-水氢键存在冰点（与纯水比较）冰点大大降低，甚至在-40下不结冰能结冰，冰点略微降低溶剂能力无大平均分子水平运动大大降低，甚至无变化很小蒸发焓（与纯水相比）增大基本无变化在高水分食品中占总水分含量%0.033约96%2.3 2.3 食品中水的存在状态食品中水的存在状态 水与溶质相互作用包括：离子水与溶质相互作用包括：离子-偶极的极性结合偶极的极性结合（与游离离子或带电基团）、偶极（与游离离子或带电基团）、偶极-偶极（即水偶极（即水与溶质之间相互形成氢键）、疏水水合和疏水相与溶质之间相互形成氢键）、疏水水合和疏水相互作用。互作用。食品中水的存在形式包括：体相水和结合水，食品中水的存在形式包括：体相水和结合水，分别具有不同的性质。分别具有不同的性质。本节要点本节要点2.4 2.4 水分活度水分活度2.4.1 水份活度及其测定水份活度及其测定水分活度概念的提出水分活度概念的提出 食品水分含量与食品腐败变质之间存在着一定的关系，食品水分含量与食品腐败变质之间存在着一定的关系，但不同种类的食品，即使水分含量相同，其腐败变质的难但不同种类的食品，即使水分含量相同，其腐败变质的难易程度也存在明显的差异；易程度也存在明显的差异；食品中的水与其非水分组分结合的强度是不同的，处于食品中的水与其非水分组分结合的强度是不同的，处于不同的存在状态，强烈结合的那一部分水是不能有效地被不同的存在状态，强烈结合的那一部分水是不能有效地被微生物和生物化学所利用；微生物和生物化学所利用；将水分含量作为判断食品稳定性的指标不是很恰当。将水分含量作为判断食品稳定性的指标不是很恰当。水分活度水分活度能反映水与各种非水成分缔合的强度，比水分能反映水与各种非水成分缔合的强度，比水分含量能更可靠地预示食品的稳定性、安全和其它性质。含量能更可靠地预示食品的稳定性、安全和其它性质。2.4 2.4 水分活度水分活度2.4.1 水份活度及其测定水份活度及其测定水分活度的定义水分活度的定义 水分活度（水分活度（water activity,Awater activity,Aw w）是指食品中水的蒸）是指食品中水的蒸汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压的比值。汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压的比值。Aw=Aw=p p/p p0 0=ERH/100=N=n=ERH/100=N=n1 1/(n/(n1 1+n+n2 2)AwAw：水分活度：水分活度p p：食品在密闭容器中达到平衡时的水蒸气分压：食品在密闭容器中达到平衡时的水蒸气分压p p0 0：在相同温度下纯水的饱和蒸气压：在相同温度下纯水的饱和蒸气压ERHERH：样品周围的空气平衡相对湿度：样品周围的空气平衡相对湿度N N：溶剂的摩尔分数：溶剂的摩尔分数n n1 1：溶剂的摩尔数；：溶剂的摩尔数；n n2 2：溶质的摩尔数：溶质的摩尔数注意：注意：水分活度的物理意义是表征生物组织和食品中能参水分活度的物理意义是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。与各种生理作用的水分含量与总含水量的定量关系。应用应用Aw=ERH/100Aw=ERH/100时必须注意：时必须注意：AwAw是样品的内在品质，是样品的内在品质，而而ERHERH是与样品相平衡时的大气性质，它们只是在数值是与样品相平衡时的大气性质，它们只是在数值上相等。上相等。只有当溶质是非电解质且浓度小于只有当溶质是非电解质且浓度小于1 mol/L1 mol/L的稀溶液的稀溶液时，其水分活度才可以按时，其水分活度才可以按Aw=nAw=n1 1/(n/(n1 1+n+n2 2)计算。计算。2.4 2.4 水分活度水分活度2.4.1 水份活度及其测定水份活度及其测定水分活度的测定水分活度的测定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，据下两式计算据下两式计算Aw，其误差很小，其误差很小（0.001 Aw/）。）。Aw=n1/(n1+n2)n2=G Tf/(1000Kf)G：样品中溶剂的重量：样品中溶剂的重量(g)；Tf：冰点降低：冰点降低()；Kf：水的摩尔冰：水的摩尔冰点降低常数点降低常数(1.86)。相对湿度传感器测定法相对湿度传感器测定法 在恒定温度下，把已知水分含在恒定温度下，把已知水分含量的样品放在一个小的密闭室内，量的样品放在一个小的密闭室内，使其达到平衡，然后使用任何一种使其达到平衡，然后使用任何一种电子技术或湿度技术测量样品和环电子技术或湿度技术测量样品和环境大气平衡的平衡相对湿度境大气平衡的平衡相对湿度(ERH)，即可得到，即可得到Aw。Aw=ERH/1002.4 2.4 水分活度水分活度2.4.1 水份活度及其测定水份活度及其测定水分活度的测定水分活度的测定恒定相对湿度平衡室法恒定相对湿度平衡室法 在恒定温度下，把样品放在一个小的密闭室内，使用适当的饱和盐溶在恒定温度下，把样品放在一个小的密闭室内，使用适当的饱和盐溶液，使密闭室内样品的环境空气保持在恒定的相对湿度下，让样品达到平液，使密闭室内样品的环境空气保持在恒定的相对湿度下，让样品达到平衡，然后测定样品的水分含量。衡，然后测定样品的水分含量。通常温度恒定在通常温度恒定在25，扩散时间为，扩散时间为20min，样品量为，样品量为1g，并且是在，并且是在一种水分活度较低（一种水分活度较低（A）和另一种水分活度较高）和另一种水分活度较高(B)的饱和盐溶液下分别测的饱和盐溶液下分别测定样品的吸收定样品的吸收(x)或散失水分或散失水分(y)的重量，然后安下式计算：的重量，然后安下式计算：Aw=(Ax+By)/(x+y)2.4 2.4 水分活度水分活度2.4.1 水份活度及其测定水份活度及其测定水分活度的测定水分活度的测定水分活度仪测定法水分活度仪测定法 2.4 2.4 水分活度水分活度2.4.1 水份活度及其测定水份活度及其测定对水分活度的几种通俗理解对水分活度的几种通俗理解 水分活度是指样品中水分被微生物利用或参与各种生水分活度是指样品中水分被微生物利用或参与各种生物化学反应的难易程度。物化学反应的难易程度。水分活度是指样品中水分与非水组分结合的紧密程度。水分活度是指样品中水分与非水组分结合的紧密程度。水分活度是指水分从样品中水分活度是指水分从样品中“逃离逃离”的趋势大小。的趋势大小。2.4 2.4 水分活度水分活度2.4.2 水份活度与温度的关系水份活度与温度的关系 测定样品水分活度时，必须标明温度，因为测定样品水分活度时，必须标明温度，因为AwAw值随温值随温度而改变。经修改的克劳修斯度而改变。经修改的克劳修斯-科拉伯龙（科拉伯龙（Clausius-Clausius-ClapeyronClapeyron）方程，精确地表示了）方程，精确地表示了AwAw对温度的相依性。对温度的相依性。d(lnAw)/d(1/T)=-H/R 或 lnAw=-k H/R(1/T)式中：式中：T为绝对温度；为绝对温度；R为气体常熟；为气体常熟；H为在食品某一水分含量下的等为在食品某一水分含量下的等量净吸着热；量净吸着热；k为样品中非水物质的本质和其浓度的函数，也是温度的函数，为样品中非水物质的本质和其浓度的函数，也是温度的函数，但在样品一定和温度变化范围较窄的情况下，其可看为常数但在样品一定和温度变化范围较窄的情况下，其可看为常数。由该公式可见，。由该公式可见，以以lnAw对对1/T作图（当水分含量一定时），可得一条直线。作图（当水分含量一定时），可得一条直线。马铃薯淀粉的水分活度与温马铃薯淀粉的水分活度与温度的关系度的关系 从图中可以看出：从图中可以看出：在含水量一定的情况下，在含水量一定的情况下，水分活度的对数与绝对水分活度的对数与绝对温度的倒数呈良好的线温度的倒数呈良好的线性关系，而且水分活度性关系，而且水分活度对温度的相依性是含水对温度的相依性是含水量的函数。量的函数。温度系数温度系数 温度系数：指温度每改变一个单位时相应水分活度的变温度系数：指温度每改变一个单位时相应水分活度的变化数值；化数值；初始的水分活度为初始的水分活度为0.5时，在时，在240的温度范围内，温的温度范围内，温度系数是度系数是0.0034-1；研究结果表明，高碳水化合物食品或高蛋白质食品的研究结果表明，高碳水化合物食品或高蛋白质食品的Aw的温度系数的温度系数(温度范围温度范围550，起始的，起始的Aw为为0.5)范围范围为为0.0030.02-1；一般说来，对于不同的产品，温度每变化一般说来，对于不同的产品，温度每变化10，其，其Aw变化变化0.030.2；因此，温度变化对水分活度的影响能改变密封在袋内或因此，温度变化对水分活度的影响能改变密封在袋内或罐内的食品的稳定性。罐内的食品的稳定性。冰点以下水份活度与温度的关系冰点以下水份活度与温度的关系 在较大温度范围的在较大温度范围的lnAw 1/T图，并非始终是一图，并非始终是一条直线；条直线；当冰开始形成时，直线当冰开始形成时，直线将在结冰的温度时出现明将在结冰的温度时出现明显的折点；显的折点；在冰点以下在冰点以下lnAw随随1/T的的变化率明显变大，并且变化率明显变大，并且不不再受食品中非水组分的影再受食品中非水组分的影响响。冰点以下水份活度的计算冰点以下水份活度的计算pff：未完全冷冻食品中水的蒸汽分压；未完全冷冻食品中水的蒸汽分压；p0(scw)：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。基于冷冻食品中水