食品化学 第二章 水分
食品化学第二章水知识点总结
食品化学第二章水知识点总结第二章水分2.1食品中的水分含量和功能2.1.1水分含量？普通生物和食物中的水分含量为3 ~ 97%？生物体中水的含量约为70-80%。
动物体内的水分含量为256±199，随着动物年龄的增长而减少，而成年动物体内的水分含量为58-67%不同部位水分含量不同:皮肤60 ~ 70%；肌肉和器官脏70 ~ 80%；骨骼12-15%植物中水分的含量特征？营养器官组织(根、茎和叶的薄壁组织)的含量高达70-90%？生殖器官和组织(种子、微生物孢子)的含量至少为12-15%表2-1某些食物的含水量食物的含水量(%)卷心菜，菠菜90-95猪肉53-60新鲜鸡蛋74牛奶88冰淇淋65大米12面包35饼干3-8奶油15-20 2.2水的功能2.2.1水在生物体中的功能1。
稳定生物大分子的构象，使它们表现出特定的生物活性2。
体内化学介质使生化反应顺利进行。
营养物质，代谢载体4。
热容量大，体温调节5。
润滑。
此外，水还具有镇静和强有力的作用。
护眼、降血脂、减肥、美容2.2.2水的食物功能1。
食品成分2。
展示颜色、香气、味道、形状和质地特征3。
分散蛋白质、淀粉并形成溶胶4。
影响新鲜度和硬度5。
影响加工。
它起着饱和和膨胀的作用。
它影响2.3水的物理性质2.3.1水的三态1，具有水-蒸汽(100℃/1个大气压)2、水-冰(0℃/1个大气压)3、蒸汽-冰(> 0℃/611帕以下)的特征:水、蒸汽、冰三相共存(0.0098℃/611帕)* * 2.3.2水的重要物理性质256水的许多物理性质，如熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热、表面张力和束缚常数数，都明显较高。
*原因:水分子具有三维氢键缔合，1水的密度在4℃时最高，为1；水结冰时，0℃时冰密度为0.917，体积膨胀约为9%(1.62毫升/升)。
实际应用:是一种容易对冷冻食品的结构造成机械损伤的性质，是冷冻食品工业中应注意的问题。
水的沸点与气压成正比。
食品化学：水分
第二节 水和冰的性质和结构
一、水和冰的物理性质
部分氢化物的物理性质 氢化物 CH4 NH3 H2S H2O HF 熔点（℃） -184 -78 -86 0 -92 沸点（℃） -161 -33 -61 100 19 蒸发热（ J/mol） 9210960 23027400 18673128 40821300 30144960
92
90 87 87
香蕉
鸡 肉 面包
75
70 65 35
奶油
稻米、面 粉 奶粉 酥油
16
12 4 0
表1 食 奶油 乳酪 鲜奶油 乳粉 液体乳制品 冰淇淋和冰糕 鳄梨 豆（青刀豆） 浆果 柑橘 黄瓜 干水果 新鲜水果（可食部分） 豆类（干） 马铃薯 红薯 芹菜、萝卜 品 水分含量 (%) 15 40~75 60~70 4 87~91 65 65 67 81~90 86~89 96 ≤ 25 90 10~12 78 69 79
在大多数新鲜食品中，水是最重要的成分，若希望 长期贮藏这类食品，只要采取有效的贮藏方法控制 水分就能够延长保藏期。 无论采用普通方法脱水或是低温冷冻干燥脱水，食 品和生物材料的固有特性都会发生很大的变化， 都无法使脱水食品恢复到它原来状态（复水或解 冻）。 因此研究水和食品的关系是食品科学的重要内容之 一，对食品的储藏有重要的意义。
三、水的缔合作用
水分子中的氧原子电负性大， O—H键的 电子对强烈的偏向氧原子一边，使氢原子 带有部分正电荷。 氢原子无内层电子，几乎是一个裸露的质 子，极易与另一个水分子中的氧原子的孤 对电子通过静电引力形成氢键。
温 0℃ 0.99984 1.793×10-3 75.64×10-3 0.6113 4.2176 0.5610 1.3×10-7 87.90
食品化学第2章 水分
食品化学第2章水分一、名词解释（1）、食品化学（2）、水分活度二、判断题（1）、在温差相等的情况下，生物组织的冷冻速率比解冻速率更快的原因是冰的热扩散速率比水的大。
（）（2）、当水含量一定是，水分活度与温度呈反比的关系。
（）（3）、因为降低食品的水分活度可以延缓酶促褐变和非酶褐变的进行，减少食品营养成分的破坏，防止水溶性色素的分解，因此在食品保鲜过程中要尽可能将食品的水分活度降到最低。
（）三、填空题（1）、在水与非极性物质的相互作用中，水对于非极性物质产生的结构形成响应，其中重要的两个结果是和。
（2）、在水的滞后现象中，一般来说，当水分活度的值一定时，解吸过程中食品的水分含量回吸过程中的水分含量。
（3）、不同的食品具有不同的水分吸附等温线，但吸附等温线主要有两种形态。
其中大多数食品的水分吸附等温线呈，而水果、糖制品、含有大量糖和其他可溶性小分子的咖啡提取物以及多聚物含量不高的食品的水分吸附等温线为。
四、解答题（1）、简述现代冻藏工艺中提倡速冻的原因。
（2）、许多食品的水分吸附等温线都表现出滞后现象，而对于吸附滞后现象的确切解释却还未形成，但请简述滞后现象产生的大致原因。
参考答案一、（1）P2食品化学是利用化学的理论和方法研究食品本质的一门科学，即从化学角度和分子水平上研究食品的化学组成、结构、理化性质、营养素和安全性质以及它们在生产、加工、储藏和运销过程中的变化以及其对食品品质和安全性的影响。
（2）P23水分活度是指食品中水的蒸汽压与同温下纯水的饱和蒸汽压的比值。
二、（1）√ P13（2）× P24 公式（2-4）（3）× P32 注意当食品的水分活度过低时，会加速脂肪的氧化酸败。
因此在食品保质过程中最好是将食品的水分活度保持在结合水范围内。
三、（1）P20 笼形水合物的形成蛋白质中的疏水相互作用（2）P28 大于（3）P27 S形 J形四、（1）P16 因为在该工艺下形成的冰晶颗粒数目多且细小，使食品组织更小程度的受到破坏，此外，冻结时间缩短使微生物活动受到更大限制，因而食品品质更好。
食品化学 2水分
食 品 中 水 分 的 存 在 形 式
1、结合水
化合水，又称组成水
是指与非水物质结合得最牢固并构成非水 物质整体的那些水。
在-40℃下不结冰 无溶解溶质的能力 与纯水比较分子平均运动为0
不能被微生物利用
食 品 中 水 分 的 存 在 形 式
邻近水（单分子层水） 是指处在非水组分亲水性最强的基团周围的 第一层位置，与离子或离子基团缔合的水。
这些离子大多为负离子和大的正离子 如：K+, Rb+, Cs+, NH4+, Cl-, Br-I-,NO3-,BrO3,IO3-，ClO4-等。 结果：粘度变小，流动性增加
离子对水的净结构的影响
水 与 离 子 基 团 的 相 互 作 用
②净结构形成效应：溶液比纯水具有较低的流动性。
一些离子有助于水形成网状结构 这些离子大多是电场强度大，离子半径小的离子。 如：Li+, Na+, Ca2+, Ba2+,Mg2+, Al3+，F,OH-
结晶大分子的亲水基团间的距离是与纯水中最邻近两 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，这将会促进第一 层水和第二层水之间相互形成氢键。
在生物大分子的 两个部位或两个大 分子之间可形成由 几个水分子所构成 的“水桥”。
木瓜蛋白酶中的三分子水桥
水 与 非 极 性 物 质 的 相 互 作 用
结果：粘度增加，流动性变小
水与具有形成氢键能力的中性基团（亲水性溶 质）的相互作用 水能与某些基团， 例如羟基、氨基、 羰基、酰氨基和亚 氨基等极性基团， 发生氢键键合。
共价键 H2O-离子 H2O-H2O H2O-亲水性溶质 键的强度
食品化学-Water
结合水
构造水 邻近水 多层水（<1μm）
体相水
自由流动水 滞化水/截留水 大孔径毛细管水
¤构造水
➢ 在-40℃下不结冰 ➢ 无溶解溶质的能力 ➢ 与纯水比较分子平均运动为0 ➢ 不能被微生物利用
(10-6)
¤邻近水
➢ 在-40℃下不结冰 ➢ 无溶解溶质的能力 ➢ 与纯水比较，分子平动大大减小 (10-3) ➢ 不能被微生物利用
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。 ❖ 水的冰点为0℃ ，但是纯水并不在0℃ 就冻结 ❖ 晶核、最大冰晶生成带、速冻 ❖ 低共熔点
冰的结构复杂性
➢ 氧、氢的同位素变种（非单一组成） ➢ 冰不是静止的或均一的体系，存在于结晶
¤极性基团与水的相互作用
极性基团（氨基、羧基、羰基、酰氨、羟基等） 水桥 一个或多个水分子与一个或多个溶质分子
的2个或多个氢键部位相互作用形成的连接。
¤非极性基团与水的相互作用
疏水水合
疏水性物质与水相互作用产生斥力，使得疏水基团 附近水分子间的氢键键合增强，在不相容的非极性 实体邻近的水形成了特殊的结构，使得熵下降，此 过程被称为hydrophobic hydration
产生几个持续时间异常长的氢键而产生。 ➢ 以临界冰核为核心，冰晶体逐步成长。 ➢ 冰晶体的成长速度越快，冰晶体越小
§2.8含水食品的水分转移
食品的腐败变质，与食品的品质紧密相关。
§教学点滴
o 水做为一种简单的物质，其存在状态受到多 方面的影响；人虽然作为一个能动的主体， 也不会比水分子强许多，同样不可避免受到 环境的影响。
o 水的存在状态并没有明显严格的界限，只不 过是人为划分而已。
食品化学02第二章 水
第二章 水
第一节 引言 第二节 水和溶质的相互作用
一 宏观水平
持水力（water holding capacity）： 由分子（通常是以低浓度存在的大分子）构
成的基体通过物理方式截留大量水而阻止水渗出 的能力。
第二节 水和溶质的相互作用
一 宏观水平 二 分子水平
溶质和水的混合同时改变了溶质和水的性质 亲水溶质会改变邻近水分子的结构和流动性。 水会改变亲水溶质的反应性，甚至改变其结构。
二 分子水平
① 化合水 是与非水物质结合的最牢固的水，这些水是构成非水物
质结构的一部分。 ② 邻近水
处于非水组分亲水性最强的基团周围的第一层位置。是 水与离子或偶极缔合的这部分水。 ③ 多层水
占据邻近水剩余的位置和邻近水外层的几个水层，少量 水在-40℃可结冰，可溶解极少量的溶质。
二 分子水平
1 结合水： 2 体相水：具有类似纯水的性质，易结冰，能作
（P0-P）/ P0=n2/(n1+n2) P：食品在密闭容器中达到平衡时，水的蒸汽压 P0：同温度下纯水的饱和蒸汽压。 n1：溶剂的摩尔数 n2：溶质的摩尔数 上式仅适用理想溶液，电解质溶液误差很大。
第三节 水分活度与食品的稳定性
一 水分活度（Water Activity） 二 水分活度与温度的关系
键，形成四面体结构些不寻常的 性质?例如，高沸点.
由于每个水分子具有相同数目的氢 键供体和受体部位，它们可以形成
三维氢键，因此，每个水分子最多
2 水密度在4℃左右变化的原因?
能与其它4个水分子形成氢键，形成 四面体结构。
3 一些溶质溶于水后，为何水 的流动性会发生变化？
4 在中等至高水分含量食品中反 应速度随Aw提高而下降的原因 可能是?
食品化学 第二章 水分
18种同位素变体 量极少
水分子的缔合作用
一个水分子可以和周围四个水分子缔合， 形成三维空间网络结构。
2015年10月25日
第二章 水分
水分子缔合的原因:
H-O键间电荷的非对称分布使H-O键具
有极性,这种极性使分子之间产生引力. 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 多重氢键. 静电效应.
R（水合的）＋R（水合的）→R2（水合 偶极-疏水性物质 疏水相互作用ΔG<0 的）＋水
2015年10月25日
疏水水合ΔG>0
第二章 水分
1、水与离子和离子基团的相互作用
类 型 实 例 作用强度 （与水-水氢键比）
偶极-离子
水-游离离子 较大 水-有机分子上的带电基团 （离子水合作用）
水-蛋白质NH 水-蛋白质CO 水-侧链OH 水＋R→R（水合的） R（水合的）＋R（水合的）→R2 （水合的）＋水
水分含量不是一个腐败性的可靠指标
水分活度Aw 水与非水成分缔合强度上的差别 比水分含量更可靠，也并非完全可靠
与微生物生长和许多降解反应具有相关性
第二章 水分
2015年10月25日
第四节
f Aw f0 f p f 0 po
差别1%
2015年10月25日
水分活度
f ——溶剂（水）的逸度 f0——纯溶剂（水）的逸度 逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势
p Aw po
严格
p Aw po
第二章 水分
仅适合理想溶液
RVP,相对蒸汽
第四节
水分活度
一、定义: 指食品中水的蒸汽压和该温度下纯水 的饱和蒸汽压的比值
Aw=P/P0
大学课件食品化学第二章水分
n2 =
G• Tt 1000 Kt
其中G为样品中溶剂的克数，
Tt为冰点降低（ ℃） ， Kt为水的摩尔冰点降低
常数。
32
• 拉乌尔定律: 稀溶液中溶剂A的蒸气分压等 于同一温度下纯溶剂的饱和蒸气压pA与溶 液中溶剂的摩尔分数XA的乘积.
33
水分活度的测定方法
1、冰点测定法：先测定样品的冰点降低和 含水量，然后用公式计算。
2、结合水的蒸气压比自由水低得多。 3、结合水不易结冰。 4、结合水不能作为溶质的溶剂。 5、自由水能为微生物所利用，结合水则不能。
28
水分含量的测定
1、直接测定法——一般采用烘干、化学干燥、 蒸馏、提取等其他方法去掉样品中的水分， 再用称量等方法定量。如烘干法、共沸法、 卡尔费休法等。
2、间接测定法——不用将样品中的水分除去， 而是测定湿固体的参数来计算水分含量。如 电导率法、介电容量法等。
胀 • 区Ⅰ和区Ⅱ的水占总水
分的5%以下
51
真实单层：
• 区Ⅱ和Ⅲ接界 • 0.38g H2O/ g干物质 • Aw =0.85 • 完全水合所需的水分含
量，即占据所有的第一 层部位所需的水分含量。
35
• 计算公式如下： Ax+By
Aw = x+y
A—水分活度较低的饱和盐溶液的标准水分活度 B—水分活度较高的饱和盐溶液的标准水分活度 x—使用B液时样品重量的净增值， y—使用A液时样品重量的净减值。
36
水分活度与温度的关系
• 水分含量相同，温度不同，Aw不同 • Clausius-Clapeyron公式
冰点（与纯水比较） 溶剂能力
冰点大为降低，甚至在 能结冰，冰点略微降低 -40 ℃不结冰
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第二章
水分
中国农业大学
食品科学与营养工程学院
几种食物中水分的含量
53~60%
90~95%
少于0.5%
不少于75%
水与食品加工
了解水在食品中的存在形式是掌握食品
加工和保藏技术原理的基础
大多数食品加工的单元操作都与水有关 复水、解冻没有完全成功
水分子的结构
氧原子的4个杂化轨道
2s 2,2p x 2 2p y 1 2p z 1
由于氧的高电负性，O-H 共价键是较强的极性键
水分子的缔合
冰的结构
2.3.1 宏观水平
水结合（Water binding ）
水合（Hydration ）
–水结合和水合常被用来表示水与亲水物质缔合的一般倾向。
影响水结合的程度和强度的因素
–非水成分的本质–盐的组成–pH 值–
温度
持水力（Water holding capacity ）
–描述由分子（通常是以低浓度存在的大分子）构成的基体通过物理方式截留大量水而阻止水渗出的能力。
例如：
–果冻、淀粉凝胶、细胞
不可比（熵驱动）R （水合的）＋R （水合的）
→R 2（水合的）+H 2O 疏水相互作用较小水＋R →R （水合的）疏水水合
水－侧链OH
水－蛋白质CO
近乎相等水－蛋白质NH
偶极－偶极水－有机分子上的带电基团
较大
水－游离离子
偶极－离子与水－水氢键相比的强度实例类型
结合水是存在于非水组分邻近的水，与同一体系中的体相水相比，它们呈现出与同一体系中体相水显著不同的性质。
–熔点、沸点、流动性
占总水量很小的一部分
一个重要的概念：结合水
结合水的分类
构成水(constitutional water)
–结合最强的水，已成为非水物质的一部分 邻近水(vicinal water)
–占据着非水成分大多数亲水基团的第一层位置
多层水(multilayer water)
–占有第一层中剩下的位置以及邻近水外侧的几层
水与离子及离子基团的相互作用
离子对水的净结构的影响 净结构形成效应(forming effect)
–电荷/半径比值较大的离子产生强电场
–具有比纯水较低的流动性和较紧密的堆积
–典型例子：Li +, Na +, H 3O +, Ca 2+, Ba 2+, Mg 2+, Al 3+, F -, OH -
净结构破坏效应(breaking effect)
–电荷/半径比值较小的离子产生较弱电场
–流动性比纯水强
–典型例子：K +, Cs +, NH 4+, Cl -, Br -, I -, NO 3-, BrO 3-, IO 3-, ClO 4-
水桥
水与非极性基团的相互作用
非极性物质指烃类、脂肪酸、氨基酸和蛋白质的非极性基团
疏水水合作用（hydrophobic hydration）
疏水相互作用（hydrophobic interaction）
“
“
（1）疏水水合（2）疏水相互作用
排斥正电荷吸引负电荷
水与双亲分子的相互作用
双亲分子
–一个分子中同时存在亲水和疏水基团
–脂肪酸盐、蛋白脂质、糖脂、极性脂质、核酸 胶团
–双亲分子在水中形成的大分子聚集体
–分子数目从几百到几千
非极性区极性区
1
2
3
4
双亲分子的胶团结构
非极性极性
水分活度Aw
水与非水成分缔合强度上的差别 比水分含量更可靠，也并非完全可靠 与微生物生长和许多降解反应具有相关性
水分活度的定义和测定方法
Aw 测定方法
密闭容器达到表观平衡后测定压力或相对湿度
根据冰点下降测定RVP
根据干、湿球温度计，查表读RVP 测定精确性为±0.02
水分活度与温度的关系
比较冰点以上和冰点以下Aw
在冰点以上，Aw 是样品组成与温度的函数，前者是主要的因素
在冰点以下，Aw 与样品的组成无关，而仅与温度有关，即冰相存在时，Aw 不受所存在的溶质的种类或比例的影响，不能根据Aw 预测受溶质影响的反应过程
不能根据冰点以下温度Aw 预测冰点以上温度的Aw 当温度改变到形成冰或熔化冰时，就食品稳定性而言，水分活度的意义也改变了
水分吸着等温线
（Moisture sorption isotherms,MSI ） 在恒定温度下，使食品吸湿或干燥，所得到的食品水分含量（每克干物质中水的质量）与Aw 的关系曲线。
高水分食品的MSI 从正常至干燥的整个水分含量范围
低水分食品的MSI
回吸等温线
MSI 的分区
与温度的关系
滞后现象
回吸：把水加到干的样品中
解吸：先使样品吸水饱和，再干燥 回吸与解吸所得的等
温线不重叠现象即为
“滞后现象”
（Hysteresis ）
水分活度与食品稳定性0.95-0.91
0.91-0.87
0.87-0.80
0.5。