张忠版食品生物化学-第1章水和冰

普通霉菌
0.80
耐渗透压性 酵母
0.61
注：
a.不同种类的微生物其正常生长繁殖所需要的水分活度不同， 由此可以推断影响不同含水食品质量的主要微生物； b. 同一种类微生物在不同的生长 阶段也要求不同的水分活度。如： 细菌形成芽孢时比繁殖时所需的 水分活度要高；产毒微生物在产 生毒素时所需的水分活度高于不 产毒时所需的水分活度。
In Aw = - ΔH /RT + C
T-绝对温度， R-气体常数 Δ H-样品中水分的吸湿热
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
• 各种食品在一定条件下都各有其一定的水 分活度，各种微生物的活动和各种化学与 生物化学反应也都需要有一定的Aw值。只 要计算出微生物、化学以及生物化学反应 所需要的Aw值，就可能控制食品加工的条 件和预测食品的耐藏性。
(一)水分活度与 微生物繁殖的关系
微生物发育时必需的水分活度 微 生 物 普通细菌 普通酵母 发育所必需 的最低Aw 0.90 0.87 微 生 物 嗜盐细菌 耐干性酵母、 细菌 发育所必需 的最低Aw ≤0.75 0.65
c.解吸时，因组织改变，当再吸水 时无法紧密结合水分，由此可导致
回吸相同水量时处于较高的Hale Waihona Puke 分活 度。MSI的实际意义
• 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。
• 据MSI可预测含水量对食品稳定性的影响。
• 从MSI还可看出食品中非水组分与水结合能力的 强弱。
样品与它的环境达到平衡时，上式才能成立。
Aw=p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)<1
• 水分活度测定方法：
a.冰点测定法：通过测定样品冰点的降低值（△Tf） 及含水量（求出n1）,根据公式：
Aw=N=n1/(n1+n2)
n2= G △Tf/1000Kf ；
（Kf 水的摩尔冰点下降常数）
即可求出样品的水分活度。
b.相对湿度传感器测定法： 将已知含水量的样品置于
恒温密闭的小容器中，达
到平衡；用湿度传感器测 定其空间的湿度，即可得 出ERH，Aw=ERH/100得 到样品的水分活度。
c.恒定相对湿度平衡室法（康维微量扩散器测定法）
恒温密闭小容器、样品和 饱和盐溶液（两种以上）； 样品量一般为1g；恒温温 度一般为25℃
• (二) 自由水
• 以毛细管力联系着的水 称为自由水(或游离水)。
• 存在于植物组织的细胞 质、膜、细胞间隙中和 任何组织的循环液以及 制成食品的结构组织中。
结合水与自由水在性质上的差别
• 结合水的量与食品中有机大分子的极性基团的数量有 比较固定的比例关系。 • 结合水的蒸气压比自由水低得多，所以在一定温度 (100℃)下结合水不能从食品中分离出来。
焓
近乎相等 远低(△G＞0) 不可比较(△G＜0)
热力学不能自发进行
△G=△H-T△S
熵
(1)水与离子基团的相互作用
键的强度
大
共价键 H2O-离子键 H2O- H2O 小
(2)水与具有氢键形成能力的中性 基团（亲水性溶质）的相互作用 键的强度
大 共价键 H2O-离子 H2O- H2O H2O- 亲水性溶质 小
• 结合水对食品的可溶性成分不起溶剂的作用。
• 自由水能为微生物所利用，结合水则不能。 • 结合水在低温（-40C或更低）下不能冻结。 • 结合水在核磁共振实验中产生宽带。
第三节 水分活度
一、 定义和测定方法
水分活度(water activity)是指食品中水的蒸汽压与 该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值,可用下式表示 Aw =P/P0 =ERH/100（equilibrium relative humidity ） =n1/(n1+n2)
看作固体的一部分。
Ⅰ区和Ⅱ区交界处的水分 含量称为食品的“单分子 层”水含量，这部分水可
看成是在干物质可接近的
强极性基团周围形成一个 单分子层所需水量的近似 值。
Ⅱ区：增加了多层水区，即通过水－溶质、水－水以 氢键被相对固定的水，也包括直径小于1μm的毛细管 的水。
到达边界： 水将引起溶解过程， 大多数的食品化学反 应开始发生。
水分吸附等温线
定义：在恒定温度下，食品的水分含量（以g水/g干物质表示） 与其水分活度之间的关系图，称为水分吸附等温线，或吸湿等
温线（MSI，moisture sorption isotherms）。
• 形状：不同食品的MSI具有不同的形状。
S形是大多数食品的特征。
糖果和咖啡提取物含有大量糖和其它可溶性小 分子，而聚合物含量不高，它们的MSI呈J形。
三、水分活度和食品含水量的关系 一些常见食品的水分活度
高水分食 水分 中等水分 水分 低水分食 水分 品 活度 食品 活度 品 活度
生鱼 苹果 牛奶 熏火腿 面包 0.99 0.76 糖蜜 0.99 重盐渍鱼 0.70 0.98 0.70 面粉 0.87 0.80 果酱 0.95 0.70 果脯 0.80 酱油 干面条 饼干 0.5 0.1
结合水
定义：处于非水物质外围，与非水物质 邻近水 呈缔合状态的水； 特点：-40度不结冰，无溶剂能力，不 能被微生物利用； 定义：处于邻近水外围的，与邻近水以氢 键或偶极力结合的水； 多层水 特点：有一定厚度(多层)，-40度基本不结 冰，溶剂能力下降，可被蒸发；
单分子层 水，0.5%
食品 中水 的存 在形 式
水母 鱼类 80～ 85 蛙 哺乳动物 藻类 高等植物 休眠种 子
97
78
65
90
60～ 80
10以下
水的生理功能
• 水虽无直接的营养价值，但具有某些特殊 性能，如溶解力强，介电常数大，比热高， 粘度小等，是维持生理活性和进行新陈代 谢不可缺少的物质。 • 水是体内化学作用的介质，同时也是生物 化学反应的反应物及组织和细胞所需的养 分和代谢物在体内运转的载体。
构遭到破坏；
水在不同条件下与食物成分的作用 （一）冰冻影响 -5～0℃停留时间为什么不能超过半小时？
这个温度容易形成大冰晶。
-5～-2℃为什么比0℃以上变质速度还快？
开始冻结后，为冻结部分的反应物浓度越来越大，这个温度 是以浓缩为主，加速了多种反应；进一步降温，温度效应 为主导，温度越低，反应速度越慢，综合节能和保质采取 -18 ℃
注意： Aw=p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
1.上述公式成立的前提是溶液是理想溶液并达到热力学平 衡，食品体系一般不符合这个条件，因此上式严格讲，只
是近似的表达。
2.公式中的前两项，即Aw=p/p0，是根据水分活度定义给出 的；而后两项Aw=N=n1/(n1+n2)是拉乌尔定律所推导的， 其前提是稀溶液。所以也是近似的关系。 3.Aw是样品的内在品质，而ERH是样品的环境性质；仅当
(3)水与疏水基团的相互作用
疏水水合(Hydrophobic hydration)：向水中添加疏水物 质时，由于它们与水分子产生斥力，从而使疏水基团附 近的水分子之间的氢键键合增强，使得熵减小，此过程 成为疏水水合。 油脂烃类分层。
(4)水与双亲分子的相互作用
水作为双亲分子的分散介质 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 水中存在同时含有多个亲水性和疏水性侧链基团 的生物大分子，其分子中的疏水基团以色散力相 互吸引，避开与水的接触，疏水基团包埋在分子 内部，亲水基与水以氢键结合，这种现象称疏水 性基相互作用。
（二）水-溶质相互作用的分类
种 类 偶极-离子 偶极-偶极
实
例
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
相互作用的强度 与水-水氢键比较 较强
Aw=p/p0 自由水
其中：Aw：水份活度； p：食品中水的蒸气分压 ；
p0：同温下纯水蒸气压； • 水分活度测定公式： Aw=p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
ERH：样品周围空气不与样品换湿时的平衡相对
湿度； N：稀溶液中溶剂摩尔分数； n1：稀溶 液中溶剂的摩尔数；n2：稀溶液中溶质的摩尔数。
饱和盐 溶液
样品
康维氏微量扩散器
测定达平衡时样品吸收/失去水的质量，用下式求算： Aw=(Ax+By/(x+y) 其中：A：活度低的盐溶液活度； B：活度高的盐溶液活度 x：使用B时的净增值； y：使用A时的净减值；
二、水分活度与温度的关系
水分含量相同，温度不同，Aw不同 水分活度与温度的函数可用克劳修斯-克拉伯龙方程来表示。
第一章
水分
授课主要内容
• 第一节 概述
• 第二节 食品中的水 • 第三节 水分活度
第一节 概述
一、水在生物体内的含量及生理功用
蛋 白 质 15 % 核 酸 7% 糖 脂 无 类 质 机 3 2 盐 % % 1% 水 70 %
陆地生物机体化学物质组成的大致比例
水 蛋白质 核酸 糖类 脂质 无机盐
生物体的含水量（%）
滞后现象
• 滞后现象即向干燥的样品中