食品化学_水分

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
主要内容
食品中水的存在
水和冰的结构与性质 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 冻结与食品稳定性
1.1 食品中的水
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。
1.2 水的特性
水的物理性质和其他小分子有显著差异。

高熔点 高沸点 高热容量 高相变热 高表面张力 高介电常数 结冰时体积增大
毛细水
流动水
自由水
自由水
水分活度和水分含量
图：不同食品的等温吸湿曲线

等温吸湿曲线因食品 不同而性状各异。但 只有低水分食品才看 得出曲线的形状。
图：不同温度的等温吸湿曲线
因为水分活度随着
温度而变化，等温 吸湿曲线也随温度 变化。
等温吸湿曲线中的滞后效应
等温吸湿曲线可以用两种方法绘制：
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。
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
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。故而



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。
II区：多层水、少量 毛细管水 III区：体相水


等温吸湿曲线与水的存在状态 1
I
区：水分子和食品成分中的离子基团通过 离子-偶极相互作用牢固结合。Aw在 0~0.25之间，相当于0~0.07g/g干重
吸附在干物质的亲水基团周围形成单层
I、II交界：相当于单分子层吸附水，即水 II区：Aw在0.2~0.85之间，即水在干物
这些特性对食品加工过程有重大影响。
2 水和冰的分子结构
水分子的电子结构

氢原子电子结构：1S1 氧原子电子结构： 1S22S22Px22Py12Pz1 形成两个O-H共价键 两对孤对电子 共四个sp3杂化轨道
水分子中的氢氧键
水分子中O-H键角
104.5’
水分子的结构特性
吸附水或临近水(vicinal water) 包括单 层水和多层水，为吸附水 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

向绝对干燥的物料中加入水分——回吸 把含水分食品逐渐干燥直到水分为零——解吸
对于同一种食品，这两种方法所得到的曲线
总是有所差异，称为“滞后现象”。其中， 在同样含水量下，解吸曲线的水分活度较低
应用：由解吸过程制备的食品需要保持更低
的Aw值才能维持同样的稳定性。
滞后效应图示
右图示水
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”。
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 2 3
化合水或结构水(constitutional water) 为结合最牢固的水
含水量Wd：食品中水的重量/完全干燥重
水分Ww
：食品中水的重量/食品总重
Wd = Ww(1-Ww)
图：一个典型的等温吸湿曲线

通常低水分食品可 以作出倒S形的等 温吸湿曲线。 横轴为水分活度， 纵轴为含水量。

等温吸湿曲线的分区

曲线可以划分为三个 区域：
I区：以化合水为主


I、II交界：临近水或 单层吸附水
P/P0 = - n2/(n1+n2)
(3)
(4)
P/P0
水分活度的由来 3

(1)式简化最终得到
p/p0 = n2/(n1+n2)
其中，n1代表溶剂的摩尔数，n2代表溶质
的摩尔数。
可以看出，对于1mol的溶液，蒸汽压为纯
水蒸汽压的55.51/(1+55.51)＝98.23％。
水分活度的定义
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。
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
4个sp3杂化轨道顶点
连线呈现假想的近似四 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：水分子的极性
水分子是一个极性分子，
其共价键具有部分的离 子性质
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
水分子电子密度分布图
细菌为0.94－0.99 酵母菌0.88左右 霉菌0.80左右 嗜盐细菌为0.75左右 耐干燥霉菌和高渗酵母为0.65~0.60
图：水分活度与微生物

微生物在高水分活度下繁殖 能力强。 新鲜食品原料中，水分活度 高达0.99，故而极易腐败， 包括果蔬、鱼肉、奶等。 水分活性降到0.75左右后， 能生存的微生物种类受到很 大限制，产毒能力丧失。 0.70以下，总的说来食品可 以长期保存。
表：食品中水的存在状态总结

请注意各类存在状态水的名称、归类和束缚力。
状态 化合水 临近水 多层水 滞化水 归类 结合水 结合水 结合水 自由水 束缚力
离子-偶极
比例%
<0.03
位置
I区左端 I区右端 II区 III区 III区 III区
偶极-偶极 0.5 ±0.4 偶极-偶极 3.0 ±2.0 生物膜 毛细管 无 ----
水分活度的数值随温度而改变。Aw与T之
间的关系可以用以下方程式表示： dlnAw/d(1/T) = -ΔH/R
其中R、ΔH均为常数，用k代之可导出
lnAw = -kΔH/R(1/T)
用该式作图，则冰点以上，lnAw与绝对温
度倒数呈直线关系。
水分活度与温度 2ຫໍສະໝຸດ 在冰点以上，水分活度与食品中的化学成
自由水则具有上述的各种能力。
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)：
的存在状 态和解吸 -吸附曲 线的差异。
7 水分活度与食品保藏性和品质
水分活度与微生物的繁殖 水分活度与酶促反应 水分活度与非酶反应 水分活度与脂肪氧化 水分活度与食品储藏 冰冻对食品保藏性的双重影响
7.1 水分活度与微生物的繁殖
微生物繁殖活动所需的Aw

氧原子的电
子密度更大。
图：水分子的氢键网络形成

水分子的氢键键能约 为25kJ/mol
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。

水分子的氢键
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

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。
质的亲水基团周围形成多层吸附，相当于 0.07~0.33g/g干重
等温吸湿曲线与水的存在状态 2
II区也包括了小部分毛细管水。右边部分
开始了溶解过程，使得反应物可以相遇发生 作用。因此反应速度提高。
III区：Aw在0.8~0.99之间，所含水分
仅仅是因为物理原因被截留于食品当中，但 仍然属于自由水。这部分水可作为溶剂、可 蒸发、可结冰，可被微生物和酶反应利用。
分有关，而冰点以下与此无关。因此，用 水分活度大小来预测食品的性质，只有在 冰点以上有效，在结冰之后则无效。
6 等温吸湿曲线