食品化学水分PPT课件

5 水分活度
水分活度的由来 水分活度的定义 水分活度的意义 水分活度与温度
水分活度的由来 1
溶质溶解后，水分子围在溶质分子周围，体 系的自由能降低。水分子不象以前一样容易 逸失到空气中，溶液的蒸汽压降低，冰点降 低，沸点升高。溶液浓度和蒸汽压降低之间 的关系如拉乌尔定律(Raoult’s Law)：
图：水分子的氢键
水分子四面体氢键网ຫໍສະໝຸດ Baidu的形成。氢键键能为 25kJ/mol。
水分子的氢键
OH键中的氢原子带有部分正电性，而氧原 子的孤对电子带有部分负电性，形成偶极分 子，偶极矩为1.84D。
每个水分子可以和4个其他水分子形成氢键， 氢键向四面伸展，可以形成立体的连续氢键 结构，也就是水分子的缔合作用。
(p0-p)/p0 =n1/(n1+n2)
(1)
1kg水含55.51mole，1mole理想溶质溶在 1kg水中将使蒸汽压降低0.0177，或1.77％。
水分活度的由来 2
(p0-p)/p0 =n1/(n1+n2) 1- P/P0 =n1/(n1+n2) - P/P0 = - n2/(n1+n2) P/P0 = n2/(n1+n2)
图为冰的晶胞。其中 配位数为4，两个氧原 子之间的距离为 0.276nm。
冰在不同温度和压力 下有10种晶体结构， 此为第一种。
3 水和溶质的相互作用
纯水以氢键结合成连续结构，而如果在水中 加入其他物质，水的原有结构将受到打扰， 发生水-溶质相互作用。
其中包括几种情况：
离子与水的相互作用 亲水极性化合物与水的相互作用 疏水物质与水的相互作用
氨基酸 Asp Glu Tyr Phe
解离态 COOH COO－ COOH COO－
OH O－
mol/残基 氨基酸
2
Lys
6
2
Val
7.5
Ala
3
Ser
7.5
Pro
0
ProOH
解离态
NH2 NH3＋
mol/残基 4.5 4.5 1 1.5 2 3 4
水与非极性基团的相互作用
脂肪酸、非极性氨基酸等物质中的非极性基 团与水分子产生排斥作用，可增强周围水分 子之间的氢键结合力，称为“疏水水合作 用”。一些疏水小分子的进入可形成“笼状 水合物”。
3 体相水(bulk phase water)
前两者为束缚水或称结合水(bond water)， 后者为自由水(free water)。
自由水与束缚水的性质差异
束缚水/结合水与自由水的不同：
不易蒸发 不易冻结 不能作为溶剂 不能参与化学反应 不能为微生物所利用
自由水则具有上述的各种能力。
水与离子化 合物通过离 子-偶极作 用结合。
水与极性基团的相互作用
蛋白质、淀粉、膳食纤维等具有极性基团的 物质都可以与水通过氢键而结合。
不同极性基团与水的结合能力不同，其中未 解离-NH2和-COOH结合力最强，-OH和 -CONH等基团结合力稍逊。
这些物质周围以氢键结合的水称为“临近 水”，对维持大分子构象十分重要。其第一 层水分子也失去了自由移动的能力。
水与离子和离子基团的相互作用
水具有偶极，可以和离子发生水合作用。由 于离子和水分子的结合能力高于氢键键能， 水分子优先与离子结合。
在所产生的离子水合物当中，水分子被严密 地控制在离子周围，失去自由移动的能力。
离子水合物当中的水不能结冰，不能蒸发， 不能成为溶剂，表现和固体一样。
图：水与离子化合物的相互作用
水分含量与食品特性 1
蔬菜含水量在 90%以上。
水分含量与食品特性 2
水果含水量在 80%以上。
水分含量与食品特性 3
肉类含水量在 70%左右。
水分含量与食品特性 4
面包和馒头含 水量在40%左 右。
水分含量与食品特性 5
米和面含水量 在12%左右。
水分含量与食品特性 6
饼干、糖果、 奶粉等食品的 含水量在8% 以下。
冰的结构
水结冰之后，分子之间以氢键连接形成刚性 结构。由于分子之间的距离大于液态水，冰 的密度比水低，引而结冰后体积增大。
冰有多种晶型，在一般情况下形成正六方形 对称结构冰晶。
水首先冷却成为过冷状态，然后围绕晶核结 冰，冰晶不断长大。快速冻结可以形成较多 晶核和较小冰晶，有利保持食品品质。
图：冰的氢键结构
食品化学
第一章 水分
水和冰的结构 水和溶质的相互作用 食品中水的存在状态 水分活度与食品稳定性 等温吸湿曲线及其应用
1 食品中的水
食品中水的含量、分布和存在状态对 食品的外观、质地、风味和保藏性关 系极其密切。
水具有高熔点、高沸点、高介电常数、 高热容量、高相变热等特点，对于食 品加工烹调过程具有重要影响。
因此，水分子不是自由的，而是水的动态连 续结构中受束缚的一员。
水分子的特性与氢键
与分子量类似的化合物相比，水分子之间的 引力要远远大于其他小分子。
水的熔点、沸点、比热、气化热等异常高 水和其他基团以氢键相互作用从而有良好的溶剂性质 水的介电常数高 水的表面张力大
在0℃时，冰中水分子配位数为4。温度上升则配 位数增加；然而水分子间的距离随着温度升高而 加大。在3.98 ℃时，密度达到最大值。
2 水和冰的分子结构
水分子的电子结构
氧原子电子结构：1S22S22Px22Py12Pz1 两个共价键和两个孤对电子 四个sp3杂化轨道
水分子的结构特点
sp3杂化轨道顶点连线呈现假想的四面体结构 部分的离子性质 可以通过分子间氢键形成三维网状结构
图：水分子的电子云和共价键
水分子是一个极性分子，其共价键具有部分的离 子性质，分子具有较大偶极矩。
非极性物质之间倾向于彼此结合以减少与水 的接触表面，称为“疏水相互作用”。它是 维持蛋白质三级结构的重要力量之一。
4 水在食品当中的存在状态
1 化合水或结构水(constitutional water) 为结合最牢固的水
2 吸附水或临近水(vicinal water) 包括单 层水和多层水，为吸附水
表：一些单糖和双糖结合水的能力
单糖结合水 量一般为
0.2~0.4m g/g干重
糖种类 木糖
阿拉伯糖 果糖
葡萄糖 蔗糖
麦芽糖
mol/OH 0.58 0.89 0.76 0.70 0.48 0.63
ml/g 0.28 0.42 0.38 0.35 0.20 0.22
表：一些氨基酸结合水的能力
氨基酸结合水量一般为0.3~0.4mg/g干重