第一章 水分(water) 第一节 概述(Outline) 一、水分: 物体内所含有的水 二、水在生物体内的功能 1. 稳定生物大分子的构象,使之表现出特异的生物活性 2. 体内化学作用的介质 3. 体内物质运输的载体 4. 维持体温的载体 5. 体内摩擦的润滑剂 三、各种食品的含水量(表 2-1) 四、水的重要性 影响食品的色泽、风味、食品营养素的消化、吸收与利用 为维生物的生长繁殖,促进食品腐败变质的反应创造适宜环境 五、人体对水的需要与平衡 每人每日需要量 2~2.7 L (表 2-2) 第二节 水的物理性质 (physical properties of water) 一、水的三态(图 2-1) 1. 潜热: 只使水的相态发生变化,没有温度升高的热量,包括熔化潜热和汽化潜热 2. 显热: 无相变时,使冰、水、水蒸汽等温度升高的热量 比热容 二、水的物理性质 1. 与在周期表中与氧邻近的各元素的氢化物相比,水的许多物理常数如熔点、沸点、比热 容、熔化热、蒸发热、表面张力和界电常数等都明显偏高 (表 2-3、表 2-4) 2. 冰的导热系数 0℃时为水的 4 倍 (表 2-3) 冰的热扩散系数约为水的 8 倍 水的密度比冰大,在质量相同的条件,冰的体积比水大 水结冰后体积膨大,对食品组织结构造成机械损伤 3. 水高介电常数,良好的极性溶剂 第三节 水的结构(Structure of water) 一、水分子的结构 (图 2-2) 外层电子结构 O: 1s2 2s2 2p6 3s 二、水分子的缔合 理论上讲,每一个水分子可与相邻的 4 个水分子同时形成 4 个氢键 众多的水分子便可通过氢键缔合形成三维取向的立体结构 (图 2-3) 三、冰的结构 1. 冰的晶胞——构成冰晶的最小单位 (图 2-4) 冰的晶体: 分子晶体 1 个晶胞含 4 个水分子 2. 冰的基本平面 (图 2-5) 晶胞上下、前后、左右逐个连接起来,构成三维结构的冰的晶体 (图 2-6) 结构比较开阔、水分子间有较大的空隙 四、液态水的结构
第一章 水分(water) 第一节 概述(Outline) 一、水分: 物体内所含有的水 二、水在生物体内的功能 1. 稳定生物大分子的构象,使之表现出特异的生物活性 2. 体内化学作用的介质 3. 体内物质运输的载体 4. 维持体温的载体 5. 体内摩擦的润滑剂 三、各种食品的含水量(表 2-1) 四、水的重要性 影响食品的色泽、风味、食品营养素的消化、吸收与利用 为维生物的生长繁殖,促进食品腐败变质的反应创造适宜环境 五、人体对水的需要与平衡 每人每日需要量 2~2.7 L (表 2-2) 第二节 水的物理性质 (physical properties of water) 一、水的三态(图 2-1) 1. 潜热: 只使水的相态发生变化,没有温度升高的热量,包括熔化潜热和汽化潜热 2. 显热: 无相变时,使冰、水、水蒸汽等温度升高的热量 比热容 二、水的物理性质 1. 与在周期表中与氧邻近的各元素的氢化物相比,水的许多物理常数如熔点、沸点、比热 容、熔化热、蒸发热、表面张力和界电常数等都明显偏高 (表 2-3、表 2-4) 2. 冰的导热系数 0℃时为水的 4 倍 (表 2-3) 冰的热扩散系数约为水的 8 倍 水的密度比冰大,在质量相同的条件,冰的体积比水大 水结冰后体积膨大,对食品组织结构造成机械损伤 3. 水高介电常数,良好的极性溶剂 第三节 水的结构(Structure of water) 一、水分子的结构 (图 2-2) 外层电子结构 O: 1s2 2s2 2p6 3s 二、水分子的缔合 理论上讲,每一个水分子可与相邻的 4 个水分子同时形成 4 个氢键 众多的水分子便可通过氢键缔合形成三维取向的立体结构 (图 2-3) 三、冰的结构 1. 冰的晶胞——构成冰晶的最小单位 (图 2-4) 冰的晶体: 分子晶体 1 个晶胞含 4 个水分子 2. 冰的基本平面 (图 2-5) 晶胞上下、前后、左右逐个连接起来,构成三维结构的冰的晶体 (图 2-6) 结构比较开阔、水分子间有较大的空隙 四、液态水的结构
水分子簇:有数量不等的水分子(约 90 个左右)通过氢键缔合生成 具有与冰晶类似的结构,但有些氢键已经断裂,有些扭曲 随着温度升高,出现越来越多单个水分子,可进入水分子簇内空隙中 第四节 食品中水的类型 (Types of water in foods) |单分子层水 |束缚水|多分子层水 氢键结合力 固态食品中的水 |毛细管水 |自由水(Freeing water) 液态食品: 自由水 | 截留水 | 毛细管力 一、束缚水(Bound water): 又称结合水 (一)、定义: 是食品中可与各非水组分通过氢键结合的水,是食品中与非水组分结合得最为 牢固的水 (二)、束缚水与自由水两者之间很难有明确的界线 特点: (1) 束缚水食品内部不能作为溶剂,在-40℃以上不能结冰 (2) 自由水在食品中可作溶剂,在-40℃以上可以结冰 (三)、根据与食品中非水组分氢键结合强弱,分为 1. 单分子层水(Monolayer water) 与非水组分中强极性基团(羧基、氨基)直接以氢键结合的第一个水分子层中的水,与 非水组分结合的最为牢固,蒸发的能力很弱,又称 Langmuir 水,不能被微生物利用, 不能用作介质进行生物化学反应 2. 多分子层水(Multilayer water) 强极性基团单分子层外的几个水分子层中所包含的水,以及与非水组分中弱极性基 团以氢键相结合的水,向外蒸发的能力也较弱 干燥的食品吸收了这部分水后,非水组分开始膨胀 二、毛细管水 食品中毛细管保留的水,是存在于细胞间隙中的一部分水 管内的水向外蒸发的能力随着毛细管直径的减小而减弱 (表 2-5) 容易蒸发,可在毛细管内流动,但不能流出体外,可用加压的方法将半径 1μm 以上的 毛细管水压出体外 (表 2-6) 微生物可生长繁殖、各种化学反应都可进行,是发生食品腐败变质的适宜环境 三、截留水 食品中被生物膜或凝胶内大分子交联成的网络所截留的水 主要存在于富水的细胞中或凝胶块内,在被截留的区域内可以流动,能使食品变质的反 应及微生物活动在其中进行,单个水分子可透过生物膜或大分子网络向外蒸发,留下干 瘪的原料或干燥的凝胶 第五节 水分活度与食品腐败 (Water activity and food spoilage) 一、Aw 1. 定义: 食品的蒸汽压与同温下纯水的蒸汽压的比值 Aw=P/P0 (食品上空水蒸气的分压力) P: 随食品中易被蒸发的自由水含量的增多而加大 平衡相对湿度 (Equilibrium Relation Humidity , ERH) Aw=P/P0=ERH/100 物料既不吸湿也不散湿时的大气相对湿度
水分子簇:有数量不等的水分子(约 90 个左右)通过氢键缔合生成 具有与冰晶类似的结构,但有些氢键已经断裂,有些扭曲 随着温度升高,出现越来越多单个水分子,可进入水分子簇内空隙中 第四节 食品中水的类型 (Types of water in foods) |单分子层水 |束缚水|多分子层水 氢键结合力 固态食品中的水 |毛细管水 |自由水(Freeing water) 液态食品: 自由水 | 截留水 | 毛细管力 一、束缚水(Bound water): 又称结合水 (一)、定义: 是食品中可与各非水组分通过氢键结合的水,是食品中与非水组分结合得最为 牢固的水 (二)、束缚水与自由水两者之间很难有明确的界线 特点: (1) 束缚水食品内部不能作为溶剂,在-40℃以上不能结冰 (2) 自由水在食品中可作溶剂,在-40℃以上可以结冰 (三)、根据与食品中非水组分氢键结合强弱,分为 1. 单分子层水(Monolayer water) 与非水组分中强极性基团(羧基、氨基)直接以氢键结合的第一个水分子层中的水,与 非水组分结合的最为牢固,蒸发的能力很弱,又称 Langmuir 水,不能被微生物利用, 不能用作介质进行生物化学反应 2. 多分子层水(Multilayer water) 强极性基团单分子层外的几个水分子层中所包含的水,以及与非水组分中弱极性基 团以氢键相结合的水,向外蒸发的能力也较弱 干燥的食品吸收了这部分水后,非水组分开始膨胀 二、毛细管水 食品中毛细管保留的水,是存在于细胞间隙中的一部分水 管内的水向外蒸发的能力随着毛细管直径的减小而减弱 (表 2-5) 容易蒸发,可在毛细管内流动,但不能流出体外,可用加压的方法将半径 1μm 以上的 毛细管水压出体外 (表 2-6) 微生物可生长繁殖、各种化学反应都可进行,是发生食品腐败变质的适宜环境 三、截留水 食品中被生物膜或凝胶内大分子交联成的网络所截留的水 主要存在于富水的细胞中或凝胶块内,在被截留的区域内可以流动,能使食品变质的反 应及微生物活动在其中进行,单个水分子可透过生物膜或大分子网络向外蒸发,留下干 瘪的原料或干燥的凝胶 第五节 水分活度与食品腐败 (Water activity and food spoilage) 一、Aw 1. 定义: 食品的蒸汽压与同温下纯水的蒸汽压的比值 Aw=P/P0 (食品上空水蒸气的分压力) P: 随食品中易被蒸发的自由水含量的增多而加大 平衡相对湿度 (Equilibrium Relation Humidity , ERH) Aw=P/P0=ERH/100 物料既不吸湿也不散湿时的大气相对湿度
2. 特点 (1). Aw 是食品内在的性质,与食品的组成结构有关 (2). ERH 与食品平衡时大气的性质有关 二、水分活度与温度的关系:水分活度是温度的函数 Clausius-Clapeyron 方程式: LnAw=-ΔH/RT+C R=气体常数 ΔH=在 T 度时食品的吸湿热 T=绝对温度 C=常数 1. 温度升高,Aw 加大 (图 2-7) 2. Aw=P (纯水)/P0 (过冷水) 样品冻结后 (表 2-7) 3. 冻结前,Aw 是食品组成和温度的函数,并以组成为主。冻结后,由于水的存在, Aw 只与 T 有关,不能用 Aw 大小进行预测 三、水分活度与食品的稳定性 (一). 微生物的活动与 Aw 的关系 细菌 Aw>0.9 | 酵母菌 Aw>0.87 |生长繁殖 (表 2-8) 大多数霉菌 Aw>0.8| Aw0.85 ,如果 Aw0.3 甚至 0.1 还有活性 (图 2-8) (三). 非酶反应与 Aw 的关系 Maillard 反应 Aw: 0.6~0.7 反应最大值 (图 2-9) 脂肪非酶氧化反应: 较为复杂 (图 2-10) (四). 实践意义 1. 低温保藏 2. 干制 3. 加糖或盐腌制 第六节 吸湿等温线(Moisture sorption isotherm) 一.吸湿等温线的绘制 1. 定义:在温度不变的条件下,以食品中的水分含量为纵坐标,以 Aw 为横坐标作图, 所得曲线 2. 特点 (1) 食品间组成结构不同,不同的食品,吸湿等温线的形状互不相同 (2) 等温线中,较平坦的部分是对水不敏感的,食品的吸湿性很差; 较陡的部 分吸湿性很强,相对湿度轻微改变,食品吸进大量的水 (图 2-11) (3) 吸湿等温线为“S”形,吸湿与解吸等温线存在滞后现象,并不完全重合, 任何食品在同一 Aw 时,所对应的水分含量都是解吸>吸湿 (图 2-12) (4) 随温度的升高,吸湿等温线形状近似不变,位置顺序向右下方移动 (图 2-13) 二.吸湿等温线分区:分成三个区段 (图 2-14)
2. 特点 (1). Aw 是食品内在的性质,与食品的组成结构有关 (2). ERH 与食品平衡时大气的性质有关 二、水分活度与温度的关系:水分活度是温度的函数 Clausius-Clapeyron 方程式: LnAw=-ΔH/RT+C R=气体常数 ΔH=在 T 度时食品的吸湿热 T=绝对温度 C=常数 1. 温度升高,Aw 加大 (图 2-7) 2. Aw=P (纯水)/P0 (过冷水) 样品冻结后 (表 2-7) 3. 冻结前,Aw 是食品组成和温度的函数,并以组成为主。冻结后,由于水的存在, Aw 只与 T 有关,不能用 Aw 大小进行预测 三、水分活度与食品的稳定性 (一). 微生物的活动与 Aw 的关系 细菌 Aw>0.9 | 酵母菌 Aw>0.87 |生长繁殖 (表 2-8) 大多数霉菌 Aw>0.8| Aw0.85 ,如果 Aw0.3 甚至 0.1 还有活性 (图 2-8) (三). 非酶反应与 Aw 的关系 Maillard 反应 Aw: 0.6~0.7 反应最大值 (图 2-9) 脂肪非酶氧化反应: 较为复杂 (图 2-10) (四). 实践意义 1. 低温保藏 2. 干制 3. 加糖或盐腌制 第六节 吸湿等温线(Moisture sorption isotherm) 一.吸湿等温线的绘制 1. 定义:在温度不变的条件下,以食品中的水分含量为纵坐标,以 Aw 为横坐标作图, 所得曲线 2. 特点 (1) 食品间组成结构不同,不同的食品,吸湿等温线的形状互不相同 (2) 等温线中,较平坦的部分是对水不敏感的,食品的吸湿性很差; 较陡的部 分吸湿性很强,相对湿度轻微改变,食品吸进大量的水 (图 2-11) (3) 吸湿等温线为“S”形,吸湿与解吸等温线存在滞后现象,并不完全重合, 任何食品在同一 Aw 时,所对应的水分含量都是解吸>吸湿 (图 2-12) (4) 随温度的升高,吸湿等温线形状近似不变,位置顺序向右下方移动 (图 2-13) 二.吸湿等温线分区:分成三个区段 (图 2-14)
区段Ⅰ:开始时稍陡的一段,Aw 0~0.25 之间,单分子层水、水合离子的内层水、直 径小于 0.1µm 毛细管中凝结的水 不能作溶剂,-40℃以上不结冰,与食品腐败无关,0~0.07 g 水/g 干物质 区段Ⅱ:较为平坦的一段,对水不太敏感,多分子层水,直径小于 1µm 的毛细管水 Aw 0.25~0.8,不能作溶剂,-40℃前不结冰,0℃,食品冻结温度-18℃,微生物活动 受到极大抑制,有些甚至死亡
区段Ⅰ:开始时稍陡的一段,Aw 0~0.25 之间,单分子层水、水合离子的内层水、直 径小于 0.1µm 毛细管中凝结的水 不能作溶剂,-40℃以上不结冰,与食品腐败无关,0~0.07 g 水/g 干物质 区段Ⅱ:较为平坦的一段,对水不太敏感,多分子层水,直径小于 1µm 的毛细管水 Aw 0.25~0.8,不能作溶剂,-40℃前不结冰,0℃,食品冻结温度-18℃,微生物活动 受到极大抑制,有些甚至死亡
ii. 可被微生物利用的液态水大量减少,溶液浓度急剧增大,渗透压随之变大,抑 制微生物活动。 (二)、冻结对生物化学反应的影响 1. 常温下出现引起食品腐败的生物化学反应,随着酶活性或反应速度常数的降低,受 到极大的抑制。 2. 食品冻结后,也有不利的反应发生 (1)。原来分散在自由水中的溶质被浓缩,PH 值,离子浓度,氧化还原电位及某些胶 体性质等发生变化,加速一些化学反应 (2)。自由水结冰后体积膨胀,食品组织结构遭受机械损伤,导致酶、底物、激活剂在 细胞内位置发生变化,产生“错位”,引起某些酶促反应进行
ii. 可被微生物利用的液态水大量减少,溶液浓度急剧增大,渗透压随之变大,抑 制微生物活动。 (二)、冻结对生物化学反应的影响 1. 常温下出现引起食品腐败的生物化学反应,随着酶活性或反应速度常数的降低,受 到极大的抑制。 2. 食品冻结后,也有不利的反应发生 (1)。原来分散在自由水中的溶质被浓缩,PH 值,离子浓度,氧化还原电位及某些胶 体性质等发生变化,加速一些化学反应 (2)。自由水结冰后体积膨胀,食品组织结构遭受机械损伤,导致酶、底物、激活剂在 细胞内位置发生变化,产生“错位”,引起某些酶促反应进行