第二章 水和冰 (1)
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第2章 水
续表2-1
食 乳制品 奶油 山羊奶 奶酪（含水量与品种有关） 奶粉 冰淇淋 人造奶油 焙烤食品 面包 饼干 馅饼 糖及其制品 蜂蜜 果冻、果酱 蔗糖、硬糖、纯巧克力 品 含水量（%） 15 87 40~75 4 65 15 35~45 5~8 43~59 20 <35 <1
2. 水在食品方面的功能
单个水分子的结构特征
• 水分子的四面体结构
有对称性
• H-O共价键具离子性
与电负性
• 氧的另外两对孤对电
子具有静电力
2. 水分子的缔合作用
①H-O键间电荷的非对 称分布(氧电负性大，使 氢原子带有部分正电荷且 电子屏蔽小，表现裸质子 特征)使H-O键具有极性， 这种极性使分子之间产生 引力。 ②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 形成多重氢键网络结构。 ③静电效应。 为什么水分子间存 在强大吸引力能进 行高强度缔合？ 氢键供体
不同的缔合形式，可导致水分子之间的缔合数大于4。
水的结构特征
水是呈四面体的网状结构。 水分子之间的氢键网络是动态的。 水分子氢键键合程度取决于温度。
温度(℃)
0 1.5
配位数
4 4.4
分子间距nm
0.276 0.290
8.3
4.9
0.305
为什么水的密度在3.98℃/4 ℃最大？
水分子之间的氢键网络是动态的； 水的氢键键合程度取决于温度； 0 ℃时，冰中水分子配位数是4，随着温 度上升，配位数增多，密度增大，在0-3.98 ℃时，配位数的影响占主导。但温度升高 密度降低；
第二章
水
Water
本章简介
本章作业
第2章 水
掌握内容 讲授
水
由于水原有的缔合结构有所改变，不但水
的移动性会变化，它的溶解能力、冰点、 沸点和水介质的介电常数都会改变。 直接与离子结合的水，其迁移、溶剂、结 冰、蒸发能力都会降低。 离子水合后，性质也会发生改变。特别是 带电大分子和带电胶粒的水合对食品有很 重要得作用。如：蛋白质的离子基团越多， 水化越充分，蛋白质的溶解度越高，水化 膜增厚，稳定性相应增强。
晶核的形成：是一部分水分子结合成小的
冰的晶核，放出大量熔化热 。 晶体的生长过程：是众多的水分子按冰的 晶体结构要求，顺序地结合到晶核上，成 长为大的晶体。 晶核的形成较为困难，若水中有冰，0℃时， 温度保持不变，冰不断生长，直到水完全 变成冰后，温度才开始下降；若水中无冰， 水的温度会将到0℃以下，出现过冷现象， 晶核常在过冷水中出现（0—-5℃）。
2、它反映食品中水被微生物利用的程度，食品 中水与非水成分结合越强、溶液中非水成分含 量越高，食品稳定性越强。 3、食品可以认为是稀溶液（浓度小于1mol/L)， 根据拉乌尔定律 P=P0 X1 X1（N）——溶剂的摩尔分数 X1=n1/(n1+n2) P= P0 n1/(n1+n2) AW = P/P0= n1/(n1+n2) n1——溶剂的物质的量 n2——溶质的物质 的量 4、AW大于0且小于1。对纯水来说AW＝1
化合水性质
邻近水的性质
多层水的性质
体相水的性质
单分子层水包括化合水和邻近水，单分子层水
是在非水物质上形成单分子覆盖层为主，其总 量称为单层值，一般含量为总水含量的0.5％。 多层水是指占据单分子覆盖层以外的、受一定 束缚的另几层水它在高水分食品中含量低于总 水量的5％。食品中的大多数结合水是与蛋白 质和糖类等相结合的，而且数量较固定 。 食品中体相水含量最高，容易失去，它的含量 大小与食品安全性直接相关,与食品质地、风 味功能性质等相关。
第二章 水和冰
2012-8-12
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。
2012-8-12
冰的扩展结构
2012-8-12
纯水结晶时有下列行为：即尽管冰点是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）；
2012-8-12
出现冰晶时温度迅速回升到0℃。把开始出现稳定晶核时 的温度叫过冷温度。如果外加晶核，不必达到过冷温度 就能结冰，但此时生产的冰晶粗大，因为冰晶主要围绕 有限数量的晶核成长。
视频：过冷水结冰过程
2012-8-12
一般食品中的水均是溶解了其中可溶性成分所形成 的溶液，因此其结冰温度均低于0℃。把食品中水完 全结晶的温度叫低共熔点，大多数食品的低共熔点在 -55～-65℃之间。但冷藏食品一般不需要如此低的温 度，如我国冷藏食品的温度一般定为-18℃,这个温度 离低共熔点相差甚多，但已使大部分水结冰，且最大 程度的降低了其中的化学反应。
冰的热扩散速度是水的9倍，因此在一定的环境 条件下，冰的温度变化速度比水大得多。
2012-8-12
二、冰
冰是水分子通过氢键相互结合、有序排列形成的低密度、具有一定 刚性的六方形晶体结构。普通冰的晶胞和基础平面可如下图所示：
2012-8-12
2012-8-12
2012-8-12
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°。
2012-8-12
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
《水和冰的结构》PPT课件
水分活度与食品化学变化的关系
• 淀粉：淀粉的食品学特性主要体现在老化和糊化上。 老化是淀粉颗粒结构、淀粉链空间结构发生变化而 导致溶解性能、糊化及成面团作用变差的过程。在 含水量大30～60%时，淀粉的老化速度最快；降低 含水量老化速度变慢；当含水量降至10～15%时， 淀粉中的水主要为结合水，不会发生老化。
• 脂肪：影响脂肪品质的化学反应主要为酸败，而酸 败过程的化学本质是空气氧的自动氧化。脂类的氧 化反应与水分含量之间的关系为：在Ⅰ区，氧化反 应的速度随着水分增加而降低；在Ⅱ区，氧化反应 速度随着水分的增加而加快；在Ⅲ区，氧化反应速 度随着水分增加又呈下降趋势。
水分活度对食品质构的影响
• 水分活度对干燥和半干燥食品的质构有较大的影响。通过各种各样的食品包装来 创造适宜的小环境，尽可能达到不同食品对水分活度的要求。
水分活度对酶促反应的影响
• Aw<0.85时,食品原料腐败的大部分酶会失去活性。 • 脂肪氧化速度随水分含量的增加而下降。 • 需要指出的是：同一微生物在不同溶质的水溶液中生长所需的Aw是不同的。
水分活度与食品化学变化的关系
• 食品中的水分活度与食品中所发生的化学变化的种类和速度有密切的关系； 而食品中的化学变化是依赖于各类食品成分而发生的。以各类食品成分为线 索，其化学变化与水分活度关系的一般规律总结如下：
体相水可被微生物所利用，结合水则不能。
水和冰的结构
• 水分子由2个氢原子与 1个氧原子所组成。
• 水分子的结构见右图
冰的结构和性质
冰是水分子通过氢键相互结合、有序排列形成的低密度、具有一定刚 性的六方形晶体结构。普通冰的晶胞和基础平面可如下图所示：
水分子的缔合
• 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。
第二章食品中的水和冰
2.3.1 水与溶质的相互作用
1 水与离子或离子基团的相互作用 当食品中存在简单离子或离子基团时，可以固定相当数量的 当食品中存在简单离子或离子基团时，可以固定相当数量的 水。因为跟这些基团相作用的水是食品中结合得最紧密的一部分 例如食品中的食盐和水之间的作用： 水。例如食品中的食盐和水之间的作用：
2.2.3 冰的结构和性质
冰是水分子通过氢键相互结合、有序排列形成的低密度、 冰是水分子通过氢键相互结合、有序排列形成的低密度、 具有一定刚性的六方形晶体结构。 六方形晶体结构 具有一定刚性的六方形晶体结构。普通冰的晶胞和基础平面 可如下图所示： 可如下图所示：
冰的晶体结构中，每个水和 个水分子相互缔合 个水分子相互缔合， － 之 冰的晶体结构中，每个水和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 °。 之间的夹角为109° 间的最小距离为 ， － － 之间的夹角为 当水溶液结冰时，所含溶质的种类和数量影响冰晶的数量、 当水溶液结冰时，所含溶质的种类和数量影响冰晶的数量、 大小、结构、位置和取向。一般有4种类型 即六方形、 种类型， 大小、结构、位置和取向。一般有 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 是多见的、 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。 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， 这种晶形形成的条件是在最适的低温冷却剂中缓慢冷冻， 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。 溶质的性质及浓度不严重干扰水分子的迁移 并且溶质的性质及浓度不严重干扰水分子的迁移。 亲水性的大分子，如明胶水溶液冷冻时限制水分子的运动， 亲水性的大分子，如明胶水溶液冷冻时限制水分子的运动， 而且阻碍水形成高度有序的六方形结晶。 阻碍水形成高度有序的六方形结晶 而且阻碍水形成高度有序的六方形结晶。形成具有较大无序性 的冰结构。明胶浓度变大时，主要形成立方形和玻璃状冰结品。 的冰结构。明胶浓度变大时，主要形成立方形和玻璃状冰结品。
第二章水分
水分
28 20 16 12
4 0
1. 水分含量、分布和状态不仅对食品的结构、外观、 质地、风味、色泽、流动性、新鲜程度和腐败变质的 敏感性产生极大的影响，而且对生物组织的生命过程 也起着至关重要的作用。如：
① 水在食品储藏加工过程中作为化学和生物化学的反应 介质，又是水解过程的反应物；
② 水是微生物生长繁殖的重要因素，影响食品的货架期；
➢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”。
❖ 水对于非极性物质产生的结构形成响应，即笼形水合物的形 成和蛋白质中的疏水相互作用。
❖ 笼形水合物是冰状包合物，其中水为“主体”，通过氢键形 成了笼状结构，物理截留了另一种称为“客体”的分子。笼 形水合物一般由20～74个水分子形成，具体多少视非极性物 质的几何尺寸而定；而非极性物质通常是一些低分子量的化 合物，如烃类、稀有气体、短链的胺类、卤代烃、二氧化碳 等。
❖ 尽管水的冰点是0℃，但常并不在0℃结冻，而是出 现过冷状态，只有当温度降低到开始出现稳定性晶 核时，或在振动的促使下才会向冰晶体转化并放出 潜热，同时温度迅速回升到0℃。开始出现稳定晶 核时的温度叫过冷温度。如果外加晶核，不必达到 过冷温度就能结冰，但此时生产的冰晶粗大。
❖ 食品中的水均是溶解了其中可溶性成分所形成的溶 液，因此其结冰温度均低于0℃。食品中水完全结 晶的温度叫低共熔点，大多数食品的低共熔点在55～-65℃之间。但冻藏食品一般不需要如此低的 温度，如我国冻藏食品的温度一般定为-18℃，大 部分已水结冰，且最大程度的降低了其中的化学反 应。
单 分
定义：处在非水组分亲水性最强的基团周围的第一 子
水和冰转换公式(一)
水和冰转换公式(一)水和冰转换公式1.水的结构公式及性质•水的化学结构公式为 H2O，表示每个水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。
•水是一种无色、无味、透明的液体。
•水在大气中常见的三态之一，即液态。
在室温下，纯水的沸点为100摄氏度，冰点为0摄氏度。
•水在冷却到0摄氏度以下时，可以转化为固态冰。
•水具有很高的比热容，因此能够在吸收或释放热量时保持相对稳定的温度。
2.冰的结构公式及性质•冰的化学结构公式同样为 H2O，但冰中的水分子以规则的晶格排列形式存在。
•冰是固态水，在0摄氏度以下形成。
•冰的晶格结构使得其密度较液态水低，因此冰比水轻，能够浮在液态水上。
•冰会在升温到0摄氏度以上时，转化为液态水。
•冰具有固定的晶体结构，因此相对于液态水而言，冰的分子比较有序，不具有流动性。
3.水和冰的相互转换公式•水和冰之间的相互转换可以通过以下两个公式表示：冰转化为水的公式冰 + 热量→ 水•当冰受到足够的热量时，其分子之间的键会被打破，冰会逐渐转化为液态水。
水转化为冰的公式水 + 冷却→ 冰•当水的温度降低到0摄氏度以下时，其分子会逐渐变得有序并形成固态结构，水会转化为冰。
4.举例解释•例子1：当你冰箱里的冰块暴露在室温环境中时，冰块开始逐渐融化。
这是因为冰块吸收了室温的热量，热量使冰块分子之间的键被打破，冰块转化为液态水。
•例子2：在寒冷的冬天，当你把一杯温水放置在室外时，水逐渐冷却。
当水的温度降低到0摄氏度以下时，水分子会逐渐有序排列并形成固态结构，水会转化为冰。
通过上述举例，我们可以看出水和冰之间的相互转换取决于温度和热量的变化。
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SP3
O H
104.50
H
1.84D
1. H2O分子的四面体结构有对称性 2. H-O共价键有离子性和电负性 3. 氧的另外两对孤对电子有静电力
氨NH3（三个供体和一个受体部位形成四面体排列 ）和氟化氢HF（一个供体和三个受体部位形成四 面体排列）分子由于没有相等数量的供体和受体 部位，都无法形成和水一样的三维氢键网络，而 是形成二维氢键网络，每个分子参与的氢键数目 小于水分子。
一般食品中的水均是溶解了其中可溶性成分所形 成的溶液，因此其结冰温度均低于0℃。把食品中 水完全结晶的温度叫低共熔点，大多数食品的低 共熔点在 -55 ～ -65℃之间。但冷藏食品一般不需 要如此低的温度，如我国冷藏食品的温度一般定 为 -18℃, 这个温度离低共熔点相差甚多，但已使 大部分水结冰，且最大程度的降低了其中的化学 反应。 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。
正是由于水的以上物理特性，导致含水食品在加
工贮藏过程中的许多方法及工艺条件必须以水为 重点进行考虑和设计；特别是在利用食品低温加
工技术是要充分重视水的热传导和热扩散的特点。
解释水和冰的异常物理性质，最好先从研究单个 水分子的性质开始，进而拓展到水分子束的特性
，最终考察整体相水的特征。
2.2 水、冰的结构和性质
第二章 水和冰
目的和要求：
1.掌握水在食品中的重要作用、存在的状态，水
分活度和水分等温吸湿线的概念及其意义，水分 活度与食品稳定性的关系。
2.了解水和冰的结构及其性质,分子流动性与食品
稳定性的关系。
水和冰
生物体系的基本成分：蛋白质、碳水化合物、脂 肪、核酸、矿物质和水。其中水是最普遍存在的， 它往往占植物、动物质量或食品质量的50%~90%。 而且水分的分布不均，动物体内以血液、脑等器 官最多，其次是皮肤，而骨骼中较少；植物中一 般以叶、茎、根等部位含水量高，种子中含量少。
2.1 概述
2.1.1 水在食品中的作用 食品的溶剂 食品中的反应物或反应介质
除去食品加工过程中的有害物质（单宁、秋水仙 碱） 食品的浸胀剂 食品的传热介质 生物大分子化合物构象的稳定剂
食品中的含水量
水是食品的主要组成成分，食品中的水分含量、 分布和状态对食品的结构、外观、质地、风味、 新鲜程度产生极大的影响；食品中的水分也是引 起食品变质的重要原因；影响食品的品质和加工 工艺。
水是一种特殊的溶剂，其物理性质和热行为有与 其它溶剂显著不同的方面：
水的熔点、沸点、介电常数、表面张力、热容和 相变热均比质量和组成相近的分子高得多。 冰的热导率是同样温度下水的4倍——说明冰对热 的传导速率要比生物材料中非流动水的导热率快 得多。 冰的热扩散系数约为水的9倍——说明在一定的环 境条件下，冰的温度变化速率比水大得多。
纯水结晶时有下列行为：即尽管冰点是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）；出现冰 晶时温度迅速回升到0℃。把开始出现稳定晶核时 的温度叫过冷温度。如果外加晶核，不必达到过 冷温度就能结冰，但此时生产的冰晶粗大，因为 冰晶主要围绕有限数量的晶核成长。
不同基团与水的结合能力
键的强度
共价键 H2O-离子 H2O-H2O H2O-亲水性溶质
大
小
不同的极性基团与水的结合能力有所差别。一般 情况下，氨基、羧基等在生理条件下可以呈解离 状态的极性基团均与水有较强的结合，而羟基、 酰胺基等非解离基团与水之间的结合较弱。 带有极性基团的有机物质由于和水能够通过氢键 相互结合，因此对纯水的正常结构都有一定程度 的破坏，而且也可降低冰点。
2.3 水-溶质相互作用
亲水溶质改变邻近水的结构和流动性
水会改变亲水溶质的反应性和结构 溶质的疏水基团优先选择非水环境
水-溶质相互作用的分类
种 类 实 例 相互作用的强度 与水-水氢键比较 较强
偶极-离子 偶极-偶极
疏水水合 疏水相互作用
H2O-游离离子 H2O-有机分子上的带电基团 H2O-蛋白质 NH H2O-蛋白质 CO H2O-侧链 OH H2O + RR（水合） R(水合)+R(水合)R2(水合)+H2O
O H O H H H O H H
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。
水分子之间还可以以静电力相互结合，因此缔合 态的水在空间有不同的存在形式，如：
H H H H O O O H H H H O H O H H H O H O H H O H O H H
不同的缔合形式，可导致水分子之间的缔合数大于4。
在通常情况下，水有三种存在状态，即气态、液 态和固态。水分子之间的缔合程度与水的存在状 态有关。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；而在固态也就 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。
通过水合能力，改变水的结构，影响水的介电常 数，决定胶体粒子周围双电层的厚度。
显著影响水对其它非水溶质和悬浮物质的相容程 度。 离子的种类和数量也影响蛋白质的构象和胶体的 稳定性。
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。
一、单个水分子的结构
接近完美四面体结构的强极性分子。 水分子由两个氢原子与一个氧原子的两个 SP3 杂 化轨道结合成两个 σ 共价键，形成近似四面体结 构，氧原于位于四面体中心，四面体的四个顶点 中有两个被氢原子占据，其余两个为氧原子的非 共用电子对所占有。
水分子两个O—H键的夹角即(H—O—H)的键角 为104.5°，O—H核间距为0.096 nm，氢和氧的 范德华半径分别为0.12和0.14 nm。
净结构破坏效应 (breaking effect) 、
能阻碍水分子之间网状结构的形成，其溶液的流动性比水大， 离子半径大、电场强度小或单价离子，这些离子主要是负离子 或大的正离子。如： K+ 、 Rb+ 、 Cs+、 N+H4 、 Cl- 、 Br- 、 I- 、 NO-3 、 BrO-3等；
离子效应
离子对水的净结构的影响与极化力或电场强度紧密相 关。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： 净结构形成效应 (forming effect)
有助于水分子网状结构的形成，水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，这些离子主 要是带正电荷的离子。如： Li+ 、 Na+ 、 H3O+ 、 Ca2+ 、 Ba2+ 、 Mg2+ 、 Al3+、F-、OH-等。
近乎相等 较低(△G＞0) 不可比较(△G＜0)
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： 键的强度 共价键 H2O-离子
大
Na+
Cl-
H2O-H2O
表2.1 某些代表性食品的含水量
食品名称
番茄 莴苣 卷心菜 啤酒 柑橘 苹果汁
水分%
95 95 92 90 87 87
食品名称
牛奶 马铃薯 香蕉 鸡 肉 面包
水分%
87 78 75 70 65 35
食品名称
果酱 蜂蜜 奶油 稻米面粉 奶粉 酥油
水分%
28 20 16 12 4 0
2.1.2 水、冰的物理特性
水的缔合程度及水分子之间的距离也与温度有密 切的关系；在0℃ 时，水分子的配位数是4，相互 缔合的水分子之间的距离是0.276nm；当冰开始熔 化时，水分子之间的刚性结构遭到破坏，此时水 分子之间的距离增加，如1.5℃ 时为0.29nm，但由 0℃ ~3.8℃ 时，水分子的缔合数增大，如1.5℃ 时 缔合数是4.4，因此冰熔化的开始阶段，密度有一 个提高的过程；随着温度的继续提高，水分子之 间的距离继续增大，缔合数逐步降低，因此密度 逐渐降低。
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”。
水分子的结构特征
水是呈四面体的网状结构 水分子之间的氢键网络是动态的 水分子氢键键合程度取决于温度
水分子氢键键合程度取决于温度
配位数（coordination number）是中心离子的重 要特征。直接同中心离子（或原子）配位的原子 数目叫中心离子（或原子）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：
小
离子对水的净结构的影响 由于离子带有完整的电荷，因此它们和水分子之 间的极性作用比水分子之间的氢键连接还要强， 如Na+与水分子之间的结合能力大约是水分子间氢 键连接力的4倍。正是由于自由离子和水分子之间 的强的相互作用，导致破坏原先水分子之间的缔 合关系，使一部分水固定在了离子的表面。
O H
104.50
H
1.84D
1. H2O分子的四面体结构有对称性 2. H-O共价键有离子性和电负性 3. 氧的另外两对孤对电子有静电力
氨NH3（三个供体和一个受体部位形成四面体排列 ）和氟化氢HF（一个供体和三个受体部位形成四 面体排列）分子由于没有相等数量的供体和受体 部位，都无法形成和水一样的三维氢键网络，而 是形成二维氢键网络，每个分子参与的氢键数目 小于水分子。
一般食品中的水均是溶解了其中可溶性成分所形 成的溶液，因此其结冰温度均低于0℃。把食品中 水完全结晶的温度叫低共熔点，大多数食品的低 共熔点在 -55 ～ -65℃之间。但冷藏食品一般不需 要如此低的温度，如我国冷藏食品的温度一般定 为 -18℃, 这个温度离低共熔点相差甚多，但已使 大部分水结冰，且最大程度的降低了其中的化学 反应。 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。
正是由于水的以上物理特性，导致含水食品在加
工贮藏过程中的许多方法及工艺条件必须以水为 重点进行考虑和设计；特别是在利用食品低温加
工技术是要充分重视水的热传导和热扩散的特点。
解释水和冰的异常物理性质，最好先从研究单个 水分子的性质开始，进而拓展到水分子束的特性
，最终考察整体相水的特征。
2.2 水、冰的结构和性质
第二章 水和冰
目的和要求：
1.掌握水在食品中的重要作用、存在的状态，水
分活度和水分等温吸湿线的概念及其意义，水分 活度与食品稳定性的关系。
2.了解水和冰的结构及其性质,分子流动性与食品
稳定性的关系。
水和冰
生物体系的基本成分：蛋白质、碳水化合物、脂 肪、核酸、矿物质和水。其中水是最普遍存在的， 它往往占植物、动物质量或食品质量的50%~90%。 而且水分的分布不均，动物体内以血液、脑等器 官最多，其次是皮肤，而骨骼中较少；植物中一 般以叶、茎、根等部位含水量高，种子中含量少。
2.1 概述
2.1.1 水在食品中的作用 食品的溶剂 食品中的反应物或反应介质
除去食品加工过程中的有害物质（单宁、秋水仙 碱） 食品的浸胀剂 食品的传热介质 生物大分子化合物构象的稳定剂
食品中的含水量
水是食品的主要组成成分，食品中的水分含量、 分布和状态对食品的结构、外观、质地、风味、 新鲜程度产生极大的影响；食品中的水分也是引 起食品变质的重要原因；影响食品的品质和加工 工艺。
水是一种特殊的溶剂，其物理性质和热行为有与 其它溶剂显著不同的方面：
水的熔点、沸点、介电常数、表面张力、热容和 相变热均比质量和组成相近的分子高得多。 冰的热导率是同样温度下水的4倍——说明冰对热 的传导速率要比生物材料中非流动水的导热率快 得多。 冰的热扩散系数约为水的9倍——说明在一定的环 境条件下，冰的温度变化速率比水大得多。
纯水结晶时有下列行为：即尽管冰点是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）；出现冰 晶时温度迅速回升到0℃。把开始出现稳定晶核时 的温度叫过冷温度。如果外加晶核，不必达到过 冷温度就能结冰，但此时生产的冰晶粗大，因为 冰晶主要围绕有限数量的晶核成长。
不同基团与水的结合能力
键的强度
共价键 H2O-离子 H2O-H2O H2O-亲水性溶质
大
小
不同的极性基团与水的结合能力有所差别。一般 情况下，氨基、羧基等在生理条件下可以呈解离 状态的极性基团均与水有较强的结合，而羟基、 酰胺基等非解离基团与水之间的结合较弱。 带有极性基团的有机物质由于和水能够通过氢键 相互结合，因此对纯水的正常结构都有一定程度 的破坏，而且也可降低冰点。
2.3 水-溶质相互作用
亲水溶质改变邻近水的结构和流动性
水会改变亲水溶质的反应性和结构 溶质的疏水基团优先选择非水环境
水-溶质相互作用的分类
种 类 实 例 相互作用的强度 与水-水氢键比较 较强
偶极-离子 偶极-偶极
疏水水合 疏水相互作用
H2O-游离离子 H2O-有机分子上的带电基团 H2O-蛋白质 NH H2O-蛋白质 CO H2O-侧链 OH H2O + RR（水合） R(水合)+R(水合)R2(水合)+H2O
O H O H H H O H H
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。
水分子之间还可以以静电力相互结合，因此缔合 态的水在空间有不同的存在形式，如：
H H H H O O O H H H H O H O H H H O H O H H O H O H H
不同的缔合形式，可导致水分子之间的缔合数大于4。
在通常情况下，水有三种存在状态，即气态、液 态和固态。水分子之间的缔合程度与水的存在状 态有关。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；而在固态也就 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。
通过水合能力，改变水的结构，影响水的介电常 数，决定胶体粒子周围双电层的厚度。
显著影响水对其它非水溶质和悬浮物质的相容程 度。 离子的种类和数量也影响蛋白质的构象和胶体的 稳定性。
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。
一、单个水分子的结构
接近完美四面体结构的强极性分子。 水分子由两个氢原子与一个氧原子的两个 SP3 杂 化轨道结合成两个 σ 共价键，形成近似四面体结 构，氧原于位于四面体中心，四面体的四个顶点 中有两个被氢原子占据，其余两个为氧原子的非 共用电子对所占有。
水分子两个O—H键的夹角即(H—O—H)的键角 为104.5°，O—H核间距为0.096 nm，氢和氧的 范德华半径分别为0.12和0.14 nm。
净结构破坏效应 (breaking effect) 、
能阻碍水分子之间网状结构的形成，其溶液的流动性比水大， 离子半径大、电场强度小或单价离子，这些离子主要是负离子 或大的正离子。如： K+ 、 Rb+ 、 Cs+、 N+H4 、 Cl- 、 Br- 、 I- 、 NO-3 、 BrO-3等；
离子效应
离子对水的净结构的影响与极化力或电场强度紧密相 关。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： 净结构形成效应 (forming effect)
有助于水分子网状结构的形成，水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，这些离子主 要是带正电荷的离子。如： Li+ 、 Na+ 、 H3O+ 、 Ca2+ 、 Ba2+ 、 Mg2+ 、 Al3+、F-、OH-等。
近乎相等 较低(△G＞0) 不可比较(△G＜0)
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： 键的强度 共价键 H2O-离子
大
Na+
Cl-
H2O-H2O
表2.1 某些代表性食品的含水量
食品名称
番茄 莴苣 卷心菜 啤酒 柑橘 苹果汁
水分%
95 95 92 90 87 87
食品名称
牛奶 马铃薯 香蕉 鸡 肉 面包
水分%
87 78 75 70 65 35
食品名称
果酱 蜂蜜 奶油 稻米面粉 奶粉 酥油
水分%
28 20 16 12 4 0
2.1.2 水、冰的物理特性
水的缔合程度及水分子之间的距离也与温度有密 切的关系；在0℃ 时，水分子的配位数是4，相互 缔合的水分子之间的距离是0.276nm；当冰开始熔 化时，水分子之间的刚性结构遭到破坏，此时水 分子之间的距离增加，如1.5℃ 时为0.29nm，但由 0℃ ~3.8℃ 时，水分子的缔合数增大，如1.5℃ 时 缔合数是4.4，因此冰熔化的开始阶段，密度有一 个提高的过程；随着温度的继续提高，水分子之 间的距离继续增大，缔合数逐步降低，因此密度 逐渐降低。
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”。
水分子的结构特征
水是呈四面体的网状结构 水分子之间的氢键网络是动态的 水分子氢键键合程度取决于温度
水分子氢键键合程度取决于温度
配位数（coordination number）是中心离子的重 要特征。直接同中心离子（或原子）配位的原子 数目叫中心离子（或原子）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：
小
离子对水的净结构的影响 由于离子带有完整的电荷，因此它们和水分子之 间的极性作用比水分子之间的氢键连接还要强， 如Na+与水分子之间的结合能力大约是水分子间氢 键连接力的4倍。正是由于自由离子和水分子之间 的强的相互作用，导致破坏原先水分子之间的缔 合关系，使一部分水固定在了离子的表面。