Transcript 第二章水分
第二章 水分和冰 本章主要内容 – 食品中的水分含量及其在生物体中的作用 – 水和冰的物理性质 – 水与冰的结构 – 食品中水的类型 – 水分活度与食品腐烂 – 食品的吸湿等温线 – 食品的冻结保藏 第二章 水分和冰 2.1 食品中水分含量及水在生物体中的作用 2.1.1 食品中水分含量 生物体中水分含量随生物生存环境、种类、器官及发育时期而异， 一般为50~80%。食品原料中的含水量与产品的要求密切相关，常见食品 含水量如P8表1-1所示。 2.1.2 水在生物体中的作用 1) 稳定生物大分子的构象，使之表现出特异的生物活性。 2）作为体内各种生化反应介质或反应产物。 3） 作为营养物质或废物的运输载体。 4） 调节体温。 5） 作为机体各种运动的润滑剂。 2.1.2 人体的日需水量 随性别、年龄、运动强度、生理状态等而变化，在正常情况下，成人 每日需水量为2~2.7 L, 摄入的水量有一部分参与体内的各种代谢，有一部 分水则以汗、尿等形式排出。具体情况见P9表1-2 第二章 水分和冰 2.2 水和冰的物理性质 2.2.1 水的三态 注：1）水的三相图由三线(TB、TF、TS)、三面和一点构成。 2）以P1点为例说明水的三态变化规律及冰冻干燥的原理。 3）潜热：用于物质相变的热量称之为潜热。 显热：用于物质体系温度升高的热量称之为显热。 第二章 水分与冰 2.2.2 水的物理性质 Physical Properties of Water and Ice Properties value Molecular weight Phase transition properties 180.0153 0.000 ℃ Melting point at 101.3kPa (1 atm) 100.000 ℃ 373.99 ℃ Boiling point at 101.3kPa (1 atm) Critical temperature Critical pressure Triple point 22.0764 MPa (218.6 atm) 0.01 ℃ and 611.73 Pa (4.589mmHg) Enthalpy of fusion at 0 ℃ 6.012 kJ (1.436 kcal) /mol Enthalpy of vaporization at 100 ℃ Enthalpy of sublimination at 0 ℃ Oth e ir p ro p e r tie s Density (g/m L) Viscosity (Pa.Sec) Surface tension against air (N/m) Vapor pressure (kPa) Heat capacity (J/g.K) Thermal conductivity (liquid) 40.657 kJ (9.711 kcal)/mol 50.91 kJ (12.16kcal)/mol Temperature 20 ℃ 0 ℃ (ice) 0.99821 1.002×10-3 72.75×10 -3 0.99984 1.793×10-3 -3 75.64×10 0 ℃ (ice) 0.9168 — — -20 ℃ 0.9193 — — 2.3388 0.6113 0.6113 0.103 4.1818 2 5.893×10 4.2176 2 5.644×10 2.1009 2 22.4×10 1.9544 2 24.33×10 11.7×10-7 11.8×10 91** — 98** 3.2 (-12℃) (J/m.s.℃) Thermal diffusitity (m2 /s) Permittivity (dielectric constant) (still)* 9 3×10 Hz 1.4×10 -7 80.36 76.7(25℃) 1.3×10 -7 80.00 80.5(1.5℃) -7 第二章 水分与冰 从表中归纳的几条规律： 1. 冰的导热系数与热扩散系数均比水大几倍。所以，在相同温 度差的条件下， （但升降的方向相反），组织材料的冻结速度 要比解冻速度快得多。 2. 水的密度较冰大，所以，水冻结为冰时体积膨胀。水在4℃时 密度最大， 为1，0℃时冰的密度为0.917。 3. 水的沸点和熔点相当高。在一大气压下，100℃时沸腾汽化，但 在减压下， 沸点则降低.应 用：①在浓缩牛奶、肉汤、果汁等 食品时，加高温容易变质， 故必须采用减压低温方法进行浓 缩， 因为水的沸点是随着压力增大而升高 的 .②在100℃下不易煮熟 的食品，如动物的筋和骨、 豆类等，可以使用压力锅，便能迅 速煮熟。如果再增加一个大气压，水的沸点就可升到121~123℃ 。 第二章 水分与冰 4. 水的比热较大。所以，水温不易随气温而变化。 5. 水的介电常数高。20℃时水的介电常数是80.36。而大多数生 物体的干物质的 介电常数为 2.2~4.0。在理论上，任何物质， 其水分含量增加1%，介电常数将增加近0.8。由于水的介电常 数大，故能促进电解质的电离。 6. 水的溶解能力强。a.溶解离子型化合物的能力较强；b.非离 子极性化合物如糖类、醇类、醛类、酮类等有机物质亦均可 与水形成氢键而溶于水中；c.即使不溶于水的物质，如脂肪 和某些蛋白质，也能在适当的条件下分散在水中，形成乳浊 液或胶体溶液。 第二章 水分与冰 为什么水的熔点、沸点、比热容和介电常数均比一般物质大呢？ 2.3 水与冰的结构 2.3.1 水的结构与水分子间的缔合 解释：1. 形成水分子时，氧原子采用的是SP3杂化，为什么水分子中的两个O-H 键之间的夹角不是109o,而是104.50 2. 为什么水的熔点、沸点、比热容和介电常数比HF与NH3大？ 第二章 水分与冰 为什么水的比重较低冰大？（固态冰与液态水结构的差异决定的，其比重取决于水分子之 间的距离和中心水分子周围水分子的配位数） 2.3.2 固态冰与液态水结构的差异 固态冰：0℃时，水分子之间的距离为0.276nm, 中心水分子的配位数为4。 液态水：0 ℃时，结构类似于冰，但有些氢键已经断裂或弯曲。 1.5 ℃时，中心水分子的配位数为4.4, 水分子之间的距离为0.29. 水的比重在0~3.98 ℃, 配位数的增加占优势，大于3.98 ℃后，水分子距 离的增加占优势。 第二章 水分与冰 2.4 食品中水的类型 自由水：存在于食品中但不被食品成分束缚的水称之为自由水。 结合水：存在于食品中，通过氢键与极性组分结合在一起的水 称之为结合水。 水与非水组分之间的作用有三种方式： 第二章 水分与冰 2.4 食品中水的类型 １、结合水的量与食品中有机大分子极性基团的数量有较为固定 的比例关系。 据测定１００g蛋白质可结合水平均为５０g，在动物组织器官中蛋白质 约为２０％，即与蛋白质结合的水平达１０％；对于植物组织来说，１００g淀 粉的平均持水能力为３０~４０。 ２、结合水蒸汽压比自由水低得多，而沸点高于一般水，冰点低 于一般水。 因而，１００℃以下时结合水不会从食品中散失，－２０℃时还不会结冰 这一点可以解释为什么植物的种子和微生物的孢子（几乎没有自由水泄不通在 很低的温度下还能保持生命力，而多汁的组织（如水果、蔬菜、肉等级在冰冻 时其组织结构很容易被破坏。 ３、自由水可被微生物利用，结合水则不能被微生物利用。 ４、结合水对食品的风味有很大影响，尤其是单分子层结合水， 采用强制手段去掉结合水时，食品的风味和质量会发生很大的变 化。 第二章 水分与冰 2.5 水分活度与食品腐烂 2.5.1 水分含量与水分活度的概念 水分含量：食品中水分重量占食品重量的百合比称之为~，一般 用120℃烘干法进行测定。 水分活度：食品上空水蒸汽的分压力与同温下纯水的蒸汽压的比 值称之为~。 Aw=P/P0 也可用水的逸度进行表示： Aw=f/f0 对纯水来说，因P和Po相等，故Ａw为１。而食品中的水分， 由于其中溶有无机盐和有机物，所以P总是小于Po，故Ａw＜１。 溶质与水分子之间的作用力等于水分子之间的凝聚力时，根 据拉乌尔定律，稀溶液的蒸气压下降率等于溶质的摩尔分数： 第二章 水分与冰 Aw=P/Po = n1/n1+n2 因此，如果１摩尔砂糖溶于1000克水，其溶液的Ａw可 这 样 计 算 ， 1000 ／ 18.016=55.5 摩 尔 ， 则 : AW=55.5/(55.5+1)=0.98 它表示了１摩尔砂糖溶液在相对湿度为98％时达到平衡 状态。所以水分活度也可用平衡相对湿度（ERH)这一概念表 示： AW=P/P0=ERH/100 据此，测定食品中的Ａw时，只要将食品放入密闭容器 内至水分达到平衡时，找到容器内的平衡相对湿度，即可算 出食品的Ａw，这就是用用康威氏皿进行测定水分活度的依 据 。水分活度，在一定温度下，也可通过直接测定食品的蒸 气压，再进行计算。 一般情况下，食品中的含水量愈高，水分活度也愈大。水 分活度与水分含量之间的关系如下图 第二章 水分与冰 水分含量与水分活度的关系 第二章 水分与冰 2.5.2 影响水分活度的因素 1) 食品的组成 因为水分活度是食品的内在性质。 2) 温度： 水分活度与温度的关系用Clausius-clapeyron方程表示为： ln Aw= -△H/RT +C 固定水分含量，研究温度与水分活度的关系，马铃薯淀粉的情况如下图 所示。 第二章 水分与冰 根据上述曲线可以算出在定温度与水分活度范围内的温度 系数，以指导食品的贮藏与加工。每一种食品体系均可根据上 述的方法算出其在一定温度与水分条件下的温度系数。 值得注意的是：当温度低于0℃时,一方面水分的活度计算 应按Aw= P(纯水)/P(Po过冷水) ;另一方面此时水分在实际生产上的指 导意义。 2.5.3 水分活度与食品稳定性的关系 1）微生物活动与水分的关系 不同的微生物在食品中繁殖时，都有它最适宜的水分活度 范围，细菌最敏感，其次是酵母和霉菌。在一般情况下，霉菌 生长的最适Aw为0.85，但低于0.8也能生长；Aw大于或等于0.9 时（最适为0.90~0.94），细菌和酵母菌的生长比较低旺盛，直 到Aw低于0.9时，霉菌生长才比较旺盛，这就是糕点、奶酪和坚 果之类水份含量低的食品容易由于霉菌生长而腐败的原因。 第二章 水分与冰 微生物发育与水分活度的关系如下表所示.如果食品水分活 度大于微生物生长发育所需的最低Ａw值时,微生物即可导致食 品变质. 第二章 水分与冰 2）水分活度与酶促反应的关系 食品中自由水是一种良好的溶剂,有助于引起化学反应,从而 引起食品变质。当食品水分活度极低时,酶促反应几乎停止或反 应缓慢；当水分活度增加时，自由水的量开始增加，酶促反应 速度也相应增加。 一般Ａw＜0.3时,食品中淀粉酶、酚氧化酶、过氧化酶等活动 被抑制； Ａw＜0.1时,食品中的脂肪酶被抑制。 3) 水分活度与非酶反应的关系 对于多数食品，过分的干燥会引起食品成分的氧化和脂肪 的酸败，还会引起食品的非酶褐变。因此，要使食品具有良好 的稳定性，则必需将Ａw控制在结合水范围内（即最低Ａw）， 只有这样才能防止氧对活性基团的作用，阻碍蛋白质和碳水化 合物的相互作用，不会使食品丧失吸水和复原性。 第二章 水分与冰 食品体系中的化学反应包括：a.脂肪氧化作用；b.非酶褐变；c.水解反 应；d. 霉菌生长；e.酵母生长；f.细菌生长等。下图表示了其与水分活度的 关系。 第二章 水分与冰 综合上述情况可知，食品中水分活度高，则食 品易受微生物污染，易发生各种化学反应，导致食 品品质不稳定，发生霉烂变质。生产上根据这一原 理常采用如下措施来保证食品的品质。 1）干制 2）腌制 （加糖与盐等） 3）冻结或冷藏 第二章 水分与冰 2.6 吸湿等温线 (Moisture sorption isotherm ) 为了比较不同质构食品对水分活度的影响，我们引 进了吸湿等温线的概念。 2.6.1 等温线的绘制 可采用吸附与解吸两种方法绘制。请注意如下几个 问题： ① 等温线纵坐标是含水量(g/g干物质，或水的%含 量)，横纵标是水分活度； ② 吸附等温线与解吸等温线对于同一食品体系来说 不完全重合。这是由于同一水活度条件下, 食品中的非水 组分对水的吸附还没有充分吸够造成的(这种吸附需要足 够的时间)。 第二章 水分与冰 ③ 吸附与解吸曲线绘制时，温度一定要固定。因为其随温度 的增加，同一食品结构的吸附曲线会朝着右下方形状移动，但 形状基本不变（见P33 图1-12） 第二章 水分与冰 2.6.2 吸湿等温线的分区 (见P34 图1-13) 第二章 水分与冰 第一区: Aw为0~0.25, 主要为食品中极性组分吸附的单 分子层水、水合离子水等。占比例很小(0~0.07g水/干物 质)，-40 ℃以上不结冰, 与食品腐烂无关; 第二区:Aw为0.25~0.8，除保留一区水外,增加了极性组 分周围的多分子层水及直径小于1μm的毛细管水,所占 的比例仍然较小，与一区合计不超过0.45g水/g， -40 ℃以上不结冰, 与食品腐烂也无关; 第三区： Aw为0.8~1.0，直径大于1μm的毛细管水和被 生物膜或大分子截留的水，最多可达20g水/g干物质。 可结冰，与食品贮藏稳定性关系密切。 第二章 水分与冰 2.6.3 吸湿等温线方程式 (见P36) Aw/(1-Aw)V= 1/VmC +Aw(C-1)/VmC 或 P/W(P0-P)=1/W1C + (C-1)P0/W1CP C: 与吸附热有关的常数；P：样品的蒸气压；Po：同温 下纯水的蒸汽压；W：样品的水分含量（g水/g干物质）； W1：单层值(g水/g干物质)。此方程是Brunaer,Emmett和 Teller 三人在Langmuir的基础上总结出来的，故称这为 BET方程。此方程在Aw <0.5时较理想。 2.6.4 吸湿等温线在食品中的应用 （见P38,自学） 第二章 水分与冰 2.7 食品的冻结保藏（Freezing preservation of foods） 2.7.1 水结冰的过程 （根据图解释速冻较缓冻优越的原因） 晶核的形成：在0℃以下形成, 具体温度随水质的纯度、 冷却的速度、搅拌有无等有关。 晶核的生长：与温度有关，可在0℃以上或以下进行。 第二章 2.7.2 水分与冰 食品的冻结 冻结三个阶段解释：第一阶段是食品温度从初温降至冻结点，放出的热量是显热。此热量与 全部放出的热量相比其值较小，故降温快，曲线陡；第二阶段是食品大部分水分冻结成冰。由于 冰的潜热大于显热约50~60倍，整个冻结过程中绝大部分热量在此阶段放出，故降温慢，曲线平 坦。第三阶段是食品温度继续下降，直至终温，此阶段放出的热量，一部分是冰的继续降温，另 一部分是残留水分的冻结。水变成冰后，比热显著减小，但因为还有残留水分冻结，其放出的热 量较大，所以曲线不及第一阶段陡峭。 应用：注意样品的厚度，同时避免温度波动 第二章 水分与冰 2.7.3 冻结保藏食品的原理 1）冻结对微生物的影响 低温抑菌原因：a. 温度降低，抑制其各项代谢活动 b. 减少微生物的可利用水分。 2) 冻结对生物化学反应的影响 有利之处：降低了大多数化学反应的速度，有利于防腐。 不利之处：有一些反应随着冻结其速度反而加快；另一方面 随着冻结的进行，出现一些错位现象，导致了一 些反应加快，这两者对食品的品质均有不良的影 响。