食品生物化学---第1章

三、水分活度
1.水分活度的概念
水分活度(Aw)是指食品的水蒸汽分压（P）和在同一温度下
纯水的蒸汽压（P0）之比:
P Aw P0
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对纯水来说，因P和P0相等，故Aw为l，而食品中的水溶解 有食品成分，如糖、氨基酸、无机盐以及一些可溶性的高分子 化合物等，因而总会有一部分水分是以结合水的形式存在，而 结合水的蒸气压远比纯水的蒸气压低，因此食品的Aw 总是小 于l。
1.食品中水分状态
（1）游离态 容易结冰，也能溶解溶质的水称之为游离态 的水。游离态的水存在于细胞质、细胞膜、细胞间隙、任何组 织的循环液以及制成食品的组织结构中。
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（2）水合态 水分子和含氧或含氮的活性基（如-NH2、 -COOH、-CONH2、=NH、-OH）以氢键形式相结合而不能自由 移动，处于此状态的水称之为水合态的水。食品中与淀粉、蛋白 质和其它的有机物结合的水均处于此状态。
Ⅲ区是毛细管凝集的自由水区，Aw在0.8～0.99之间，物 料含水量最低为0.14～0.33g/g的干物质，最高为20 g/g的干物 质。
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各区域的水不是截然分开的，也不是固定在某一个区域内， 而是在区域内和区域间快速的交换着。所以，等温吸湿线中各个 区域之间有过渡带。
3．水分活度与食品的稳定性
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表1-2 食品中水活性和微生物生长的关系
Aww 范围
1.00 ～ 0.95
0.95 ～ 0.91
0.91 ～ 0.87
0.87 ～ 0.80
0.80 ～ 0.75
在此范围内的最低 Aw 值一般能抑制的 微生物
食品
假单胞菌属、埃希 氏杆菌属、变 形杆
新鲜食品、水果、蔬菜 、肉、
菌属、志贺氏杆菌属、芽孢杆菌属、克雷 鱼和乳制品、罐头、熟香肠和面
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食品
蔬菜 果实 油性种子 蘑菇类 薯类 豆类 谷类
表1-1 常见食品的水分含量
水分含量（％）
85～97 80～90 3～4 88～95 60～80 12～16 12～16
食品
鱼类 贝类 蛋类 牛肉 乳类 鸡肉 猪肉
水分含量（％）
67～81 72～86 67～77 46～76 87～89 73 43～59
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图1-5表示中等至高水分活度（Aw＝0.7～0.9）的食品中的 化学反应速度，对食品的稳定性显然是不利的。要使食品具有最 高稳定性所必需的水分含量，最好将水分活度保持在结合水范围 内，即最低的水分活度。因为结合水是水分子与食品中的蛋白质、 糖类等的活性基团以氢键结合起来的。将水分活度保持在结合水 范围内，既能防止氧对活性基团的作用，又能阻止蛋白质、糖类 等物质间的相互作用，从而使褐变难于发生，同时又不会使食品 丧失吸水性和复原性。
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第一节 水分
一、水在生物体内的含量与作用
1.水在生物体内的含量
大多数生物体内的水分含量通常为70%～80%，超过任何 其它成分的含量。水在动物体内分布是不均匀的。脊椎动物体 内各器官组织的水分含量为：肌肉、肝、肾、脑、血液等约为 70%～80%；皮肤中约为60%～70%；骨骼中约为12%～15%。 水在植物体内的含量与分布也因种类、部位、发育状况而异， 变动较大。一般说来，植物营养器官组织（叶、茎、根的薄壁 组织）的水含量特别高，占器官总重量的70%～90%，而繁殖 器官（高等植物的种子、微生物的孢子等）中的水分含量则较 低，占总重量的12%～15%。
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2.水的生理作用
水的溶解力很强，各种无机及有机物质都很容易溶于水中。 介电常数大，能促进电解质的电离。是生物体内化学反应的介 质，也是生物化学反应的反应物、组织和细胞所需的养分和代 谢物在体内运转的载体。比热高、热容量大,又能调节体温。粘 度小，可使摩擦面滑润，减少损伤。
二、食品中水分状态与分类
自由水与结合水之间的界限很难定量地区分。一般认为自由 水是以物理吸附力（毛细管力）与食品结合，而结合水是以化学 力（氢键）与食品结合。
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自由水和结合水在性质上有很大的差别。首先结合水的量 与有机大分子的极性基团的数量有比较固定的比例关系。其次， 结合水的蒸汽压比自由水低得多，所以在一般温度（≤100℃） 下结合水不能从食品中分离出来。结合水的沸点高于一般水， 而冰点却低于一般水，一般在－40℃以上不能结冰，这个性质 具有重要实际意义，它可以使植物种子和微生物孢子在冷冻条 件下，仍能保持生命力。而多汁的组织（含有大量自由水的新 鲜水果、蔬菜、肉等）在冰冻时细胞结构容易被冰晶破坏，解 冻时组织容易崩溃。
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第一章 水和矿物质
• 第一节 • 第二节
水分与水分活度 矿物质
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学习目标
1.了解水在生物体内的含量和水的生理作用。 2.掌握食品和生物组织中水的状态。 3.理解水分活度的概念，了解水分活度与食品稳定性的关系。 4.掌握成碱食物与成酸食物的概念。 5.掌握影响矿物质生物有效性的因素。
糖蜜、某些干果、坚果
0.65 ～
耐 渗 透 压酵 母、 少 数霉 菌 (二 孢 红 曲
含水 15%～20%的果干，某些
0.60
霉、刺孢曲霉)
太妃糖和焦糖、蜂蜜
0.50
微生物不繁殖
含水分约 12%的酱、水分含量
约 10%的调味品
0.40
微生物不繁殖
水分含量约 5%的全蛋粉
0.30
微生物不繁殖
含水量为 3%～5%的曲奇饼、
由于自由水能为微生物所利用而结合水不能，所以自由水 也称为可利用水。在一定条件下，食品是否为微生物所感染， 取决于食品中自由水的含量，自由水的含量直接关系着食品的 贮存和腐败。
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食品中的水分与食品的风味关系密切。尤其是结合水对食 品的风味起着重要作用。当强行将结合水与食品分离时，食品 的风味、质量会发生改变。干燥的食品吸潮后发生许多物理性 质的变化，从而改变风味。所以，食品中的水分对食品的鲜度、 硬软性、流动性、呈味性、保藏性、加工性等许多方面有着密 切的关系。
水分活度也可用平衡相对湿度（ERH）这一概念来表示：
P ERH Aw P0 100
即食品的水分活度在数值上等于平衡相对湿度除以100。平 衡相对湿度是指物料吸湿与散湿达到平衡时的大气相对湿度。
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2.水分活度与食品含水量的关系
图1-1 含水量与Aw的关系
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图1-2 等温吸湿曲线
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把低水分含量区域内的曲线放大，得到的曲线称为等温吸 湿曲线（等温吸湿线），图1-2为等温吸湿曲线的模式。吸湿和 放湿之间有滞后现象。
等温线上的每一点表示在一定温度下，当食品的水蒸气压 与环境水蒸气压达到平衡时，食品水百度文库活度与含水量的对应关 系，若食品的水分活度低于环境的相对湿度，食品沿着吸湿等 温线吸湿，反之沿着放湿等温线散失水分。对含水量多的食品， 如新鲜动植物食品，得到的是放湿曲线；对含水量少的食品如 干燥食品，得到的是吸湿曲线。
许多酵母菌(假丝酵母、汉逊酵母、球
发酵 香肠 、蛋 糕、 干奶 酪、
拟酵母属)、小球菌
人造黄油及含 65%蔗糖或 15%NaCl
的食品
大多数霉菌(产霉菌 毒素的青霉菌 )金
大多数果汁浓缩物、甜炼乳、
黄色葡萄球菌、德巴利氏酵母
巧克力糖浆、枫糖浆、果汁糖浆、
面粉、大米、含 15%～17%水分的
豆类、水果糕点、火腿、软糖
伯氏菌属、梭菌属、产生荚膜杆菌、一些 包、含约 40%的蔗糖或 7%NaCl 的
酵母菌
食品
沙门氏菌属、副溶血弧菌、肉毒杆菌、
奶酪 、咸 肉和 火腿 、某 些浓
沙雷氏菌属、乳酸杆菌属、足球菌属、一 缩 果 汁 、 蔗 糖含 量 为 55% 或 含
些霉菌、酵母(红酵母属、毕赤酵母属) 12%NaCl 的食品
（3）凝胶态 吸收于细微的纤维与薄膜中，不能自由流动的 水称之为凝胶态。凝胶态中的水是分散质，蛋白质等有机物为分 散剂（溶胶中水是分散剂）。此状态的水称不可移动水或滞化水。 动物皮肤、植物仙人掌中的水大多处于凝胶态。
（4）表面吸附态 固体表面暴露于含水蒸气的空气中，此时 吸附于固体表面的水处于表面吸附态。固体微粒越细，其微粒的 表面积越大，吸附水量也越多。
随水分活度增加，当水的增加量超过区间I和区间Ⅱ的边界 时，氧化速度增大，因为等温线的这个区间增加的水可促使氧 的溶解度增加和大分子溶胀，并暴露出更多催化位点。当Aw大 于0.86时，氧化速度缓慢，这是由于水的增加对体系中的催化 剂产生稀释效应。
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从图1-5a、d、e可见，在中等至高Aw（Aw＝0.7～0.9） 时，美拉德褐变反应（详见第九章第一节）、维生素B1降解反 应以及微生物生长显示最大反应速度。但有的情况下，中等至 高含水量食品，随着水分活度增大，反应速度反而降低。原因 可能有二：一是在这些反应中水是一个产物，水含量的增加导 致产物抑制作用；二是当样品中水的含量对溶质的溶解度、可 接近性（大分子表面）和流动性不再是限速因素时，进一步加 水将会对提高反应速度的组分产生稀释效应，其结果是反应速 度降低。
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（2）结合水（束缚水） 结合水是指通过氢键与食品中有机 成分结合的水。各种有机成分与水形成氢键的结合能力不同，牢 固程度有一定差别，反映在性质上也呈现差异。这类水有些与氨 基、羧基等强极性基团形成氢键，氢键键能大，结合牢固，呈单 分子层，称为单分子层结合水。有些水与酰氨基，烃基等较弱的 极性基团形成氢键，结合较不牢固，且呈多分子层结合，称多层 结合水或半结合水。
（1）水分活度与微生物的生长繁殖的关系 一般来说，细菌 对低水分活度最敏感，酵母菌次之，霉菌的敏感性最差。通常水 分活度低于0.90时，细菌不能生长；水分活度低于0.87时，大多 数酵母菌受到抑制；水分活度低于0.80时，大多数霉菌不能生长； 一些耐渗透压微生物除外，水分活度低于0.60时，任何微生物都 不生长。
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2.食品中水分的分类
（1）自由水（游离水） 是以毛细管凝聚状态存在于细胞 间的水分。食品中通常含有动植物体内天然形成的毛细管，因 为毛细管是由亲水物质组成，而且毛细管的内径很小，使毛细 管具有较强的束缚水的能力，把保留在毛细管中的水称为毛细 管水，它属于自由水。与一般水没什么区别，在食品中会因蒸 发而散失、因吸潮而增加，容易发生增减变化。游离态的水、 凝胶态的水及表面吸附态的水均可归入此类。
大多数嗜盐杆菌、产霉菌毒素的曲霉菌 果酱、马茉兰、桔子果酱、杏
仁软糖、果汁软糖
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续表1-2 食品中水活性和微生物生长的关系
Aww 范围
在此范围内的最低 Aw 值一般能抑制的
微生物
食品
0.75 ～
嗜干霉菌、二孢酵母
含 10%水分的燕麦片、牛轧糖
0.65
块、软 质奶 糖、果 冻、 棉花 糖、
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图1-3 在不同温度下马铃薯的等温吸湿曲线
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图1-4 等温吸湿线的分区
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I区是单分子层结合水区，水分多与食品成分中的羧基和氨 基等离子基团结合，且结合力最强，形成单分子层结合水。该 区Aw最低，在0～0.25之间，相当于物料含水量0～0.07g/g的 干物质。
II区是多分子层结合水区，水分多与食品成分中的酰胺基 和羟基等极性较弱的基团结合，形成多分子层结合水或称半结 合水，Aw在0.25～0.8之间，相当于物料含水量0.07至0.14～ 0.33g/g的干物质。
（2）水分活度与生化反应的关系 图1-5表示在25℃～45℃ 温度范围几类重要反应的反应速度与Aw之间的关系，为便于比 较，在图1-5f中还加上一条等温吸湿线。
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图1-5 食品稳定性和等温吸湿线 的关系（除f外，所有纵坐标代
表相对速度）
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图1-5表示食品中水分在放湿过程中，水分活度值相当于等 温线区间I和区间Ⅱ的边界位置（Aw＝0.2～0.3）时，许多化学 反应和酶催化反应速度最小。进一步降低水分活度，除图1-5c 的氧化反应外，其余所有的反应仍然保持最小的反应速度。脂 类氧化反应速度在此区间随水分活度的增加而降低，是因为十 分干燥的样品中，最初添加的那部分水（在区间I）能与氢过氧 化物结合并阻止其分解，从而阻碍氧化的继续进行。此外，这 类水还能与催化氧化反应的金属离子发生水合，使催化效率明 显降低。
面包硬片
0.20
微生物不繁殖
含 2%～3%水分的全脂奶粉、
含 5%水分的脱水蔬菜、含水约 5%
的玉米片、脆饼干
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表1-2所列最低水分活度值不是绝对化的，因为食品的pH、 温度、微生物的营养状况以及水中特定溶质的性质，对水分活 度 也 有 影 响 。 如 金 黄 色 葡 萄 球 菌 生 长 的 最 低 Aw， 在 乳 粉 中 是 0.861，在酒精中则是0.973。因此，在具体的食品配方确定时， 必须做细菌学试验，以决定实际水分活度。