食品化学第二章 水

第二节
水、冰的结构和性质
一、水分子的结构
SP3
O H
104.50
H
1.84D
二、水分子的缔合与水的三态
由于水分子的极性及两种组成原子的电负性差 别，导致水分子之间可以通过形成氢键而呈现缔合 状态：
由于每个水分子上有四个形成氢键的位点，因此 每个水分子的可以通过氢键结合4个水分子。
由于水分子之间可以以不同数目和不同形式结 合，因此缔合态的水在空间有不同的存在形式， 如：
尽管结合或附着在分子上的水分子数量并不多，但其作 用和性质常常非常重要。它们常是一些酶保持活性结构并 能发挥作用的重要因素；也常是食品保持正常结构的重要 因素。
3、与非极性物质的相互作用
非极性的分子通常包括烃类、脂类、甾萜类等，通 过化学的手段也可在一些含极性基团的分子（如蛋白质 等）中引入非极性部分（基团）。 疏水水合作用
Aw 测定方法
• • • • 冰点测定法 相对湿度传感器测定法 恒定相对湿度平衡法 水分活度测定仪测定
水分活度与温度的关系
冰点以上与冰点以下的Aw的比较：
1、冰点以上温度时，水分活度与食品组成和温度有 关；冰点以下温度时，水分活度仅与温度有关。 2、Aw的意义不同。 3、冰点以下的Aw不能预测相同食品冰点以上的Aw。
1、与离子或离子基团的相互作用 当食品中存在离子或可解离成离子或离子基团 的盐类物质时，这些物质由于在水中可以溶解而且 解离出带电荷的离子，因而可以固定相当数量的水。 例如食品中的食盐和水之间的作用。
Na+
Cl-
随着离子种类的变化及所带电荷的不同，与水之 间的相互作用也有所差别。大致可以分作两类： 阻碍水分子之间网状结构的形成 其溶液的流动性比水大，此类离子如：K+、Rb+、 Cs+、NH+4、Cl-、Br-、I-、NO-3、BrO-3等。
区Ⅱ的水的性质
• 通过氢键与相邻的水 分子和溶质分子缔合 • 流动性比体相水稍差 • 大部分在-40℃不结冰 • 导致固体基质的初步 肿胀 • 多层水 • 区Ⅰ和区Ⅱ的水占总 水分的5%以下
真实单层
• 区Ⅱ和Ⅲ接界 • 0.38g H2O/ g干物质
第四节 食品中水的存在状态
理解食品中水的存在状态是掌握水在食品中的 作用及各种与水相关的加工技术的关键。而水在食 品中的存在状态说到底是水在食品中和各类食品物 质之间的关系及水的存在量。
根据食品中水与非水物质之间的相互关系，可 以把食品中的水分作体相水和结合水。
结合水也称束缚水、固定水。结合水又分为化 合水、临近水、多层水。
水在食品中的重要作用
a.水是食品的重要组成成分，是形成食品加工工艺考虑的 重要因素；
某些代表性食品的含水量
食品名称 水分% 食品名称 水分% 食品名称 水分%
番茄 莴苣 卷心菜 啤酒 柑橘 苹果汁
95 95 92 90 87 87
牛奶 马铃薯 香蕉 鸡 肉 面包
87 78 75 70 65 35
果酱 蜂蜜 奶油 稻米面粉 奶粉 酥油
当水中存在非极性物质，即疏水性物质时，由于它 们与水分子产生斥力，可以导致疏水分子附近的水分子 之间的氢键键合增强。由于在这些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，此过程称为 疏水水合作用。
疏水相互作用 由于疏水水合在热力学上是不利的，因此水倾向 于尽可能地减少与存在的非极性实体靠近。如果存在 两个分离的非极性实体，那么不相容的水环境将促使 它们相互靠近并缔合，从而减少水-非极性实体界面 面积，此过程是疏水水合的部分逆转，被称为“疏水 相互作用”。
• 食品的水分含量～食品的腐败性 – 存在相关性 – 但发现水分含量相同，腐败性显著不同 – 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 – 与微生物生长和许多降解反应具有相关性
二、水分活度的定义和测定方法
f Aw f0 f p f 0 po
有助于水分子网状结构的形成
其溶液的流动性小于水，此类离子一般为离子 半径小、电场强度大或多价离子，如：Li+、Na+、 H3O+、Ca2+、Ba2+、Mg2+、Al3+、OH-等。
2、与具有氢键键合能力的中性分子或基团的相互作用
许多食品成分，如蛋白质、多糖（淀粉或纤维 素）、果胶等，其结构中含有大量的极性基团，如羟 基、羧基、氨基、羰基等，这些极性基团均可与水分 子通过氢键相互结合。因此通常在这些物质的表面总 有一定数量的被结合、被相对固定的水。
最强烈地吸附 最少流动 水－离子或水－偶 极相互作用 在-40℃不结冰 不能作为溶剂 看作固体的一部分 构成水和邻近水 占总水量极小部分
BET单层
• 区Ⅰ和Ⅱ接界 • 0.07g H2O/ g干物质 • Aw =0.2 • 相当于一个干制品能 呈现最高的稳定性时 含有的最大水分含量
H H H H O O O H H H H O H O H H H O H O H H O
H H O H
由于水分子之间除了通过氢键结合外，还有极 性的作用力，因此水分子之间的缔合数可能大于 4。
• 水分子缔合的原因有哪些？
• 氢键 • 静电效应 • H-O键的极性
在通常情况下，水有三种存在状态，即气态、液态和固 态。 水的存在状态与水分子之间的缔合程度的关系： 在气态下，水分子之间的缔合程度很小，可看作以自由 的形式存在。 在液态，水分子之间有一定程度的缔合，几乎没有游离 的水分子，由此可理解为什么水具有高的沸点。 在固态也就是结冰的状态下，水分子之间的缔合数是4， 每个水分子都固定在相应的晶格里，这也是水的熔点高的原 因。
食品所含溶质的种类和数量可以影响冰晶的数 量、大小、结构、位置和取向。一般有4种类型，即 六方形、不规则树状、粗糙球状、易消失的球晶。 六方形是多见的、在大多数冷冻食品中重要的 结晶形式。这种晶形形成的条件是在最适的低温冷 却剂中缓慢冷冻，并且溶质的性质及浓度不严重干 扰水分子的迁移。 现代食品冷藏技术中提倡速冻，这是因为速冻 形成的冰晶细小，呈针状，冻结时间短且微生物活 动受到更大限制，从而保证了食品品质。
四、水、冰的物理特性与食品质量关系 a.水的熔点、沸点比质量和组成相近的分子高
如甲烷的b.p：-162℃ ，m.p：-183℃ ，而水在 0.1MPa下b.p：100℃ ，m.p：0℃ ，这些特性将对食 品加工中的冷冻和干燥过程产生很大的影响。
b.水在冻结时体积增加 水的密度较低，水在冻结时体积增加，表现出异 常的膨胀行为，这会使得含水的食品在冻结的过程中 其组织结构遭到破坏。
差别1%
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
仅适合理想溶液
RVP,相对蒸汽压
Aw =P/P0=ERH/100
• ERH 食品上空已经恒定了的水蒸气的分压与同 温下水的饱和蒸汽压的比值（用乘以100后的整 数表示） • Aw 是食品内在的品质，与食品的组成结构有关， 而ERH则与食品平衡时大气的性质有关。 • 应用aw =ERH/100时必须注意: • ① aw 是样品的内在品质,而ERH是与样品中的水 蒸气平衡是的大气性质。 ②仅当食品与其环境 达到平衡时才能应用。
28 20 16 12 4 0
b.水分含量、分布和状态对于食品的结构、外观、 质地、风味、新鲜程度会产生极大的影响； c.是引起食品化学变化及微生物作用的重要原因， 直接关系到食品的贮藏特性。
水与食品加工的关系
• 大多数食品加工的单元操作都与水有关。
干燥、浓缩、冷冻、水的固定。
• 复水、解冻没有完全成功。 • 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。
结合水与自由水主要的区别在于：
a.结合水的量与食品中所含极性物质的量有比较固定的关系 如100g蛋白质大约可结合50g 的水，100g淀粉的持水能力 在30～40g；结合水对食品品质和风味有较大的影响，当结合 水被强行与食品分离时，食品质量、风味就会改变。 b.结合水的蒸气压比体相水低得多 在一定温度（100℃）下结合水不能从食品中分离出来。
1、食品中非水物质可以分为哪几种类型？ 2、食品中水的存在形式有哪几种？主要 区别在哪里？ 3、水分活度的定义？
三、 水分吸着等温线
（一）定义
在恒定温度下，食品水分含量（每克干物质中水的质量） 与Aw的关系曲线。 MSI的实际意义: 1、由于水的转移程度与Aw有关， 从MSI图可以看出食品脱水的难易程 度，也可以看出如何组合食品才能 避免水分在不同物料间的转移。 2、据MSI可预测含水量对食品稳 定性的影响。 3、从MSI还可看出食品中非水组 分与水结合能力的强弱。
在冰的晶体结 构中，每个水 和另外4个水 分子相互缔合， O－O之间的最 小距离为 0.276nm，O－ O－O之间的夹 角为109°。
纯水的结晶 过冷温度结晶
尽管冰点是0℃，但常并不在0℃结冻，而是出 现过冷状态，只有当温度降低到零下某一温度时才 可能出现结晶（加入固体颗粒或振动可促使此现象 提前出现），把开始出现稳定晶核时的温度叫过冷 温度。
MSI上不同区水分特性
区 Aw 含水量% 冷冻能力 溶剂能力 水分状态 I区 0-0.2 1-6.5 不能冻结 无 II区 0.2-0.85 6.5-27.5 不能冻结 轻微-适度 III区 ＞0.85 ＞27.5 正常 正常
单分子层水 多分子层水 体相水 部分可利用 可利用
微生物利用 不可利用
区Ⅰ的水的性质
水的黏度与水分子之间缔合的关系：
水的流动性与水分子之间缔合的关系： 水具有流动性是因为水分子之间的缔合是动态的。当水 分子在很短的时间内改变它们与临近水分子之间的氢键键合 关系时，会改变水的流动性。