Transcript 水和冰
水 分 生物体内的水分含量 通常占生物体重量的50～90％ 成年人体内水分含量：58～67％； 人体中水分含量随年龄增大而减少；在体 内分布亦不均衡。 植物体内水分含量与分布也因植物种类、部位、 发育状况而异，变化很大 人体内水的分布 含水量：随年龄、性别不同而有差异 新生儿：75～80％ ；成年男子：60％； 成年女子：50～55％；老年人：40～50％ 各组织器官的含水量（％） 组织器官 血液 脑 肌肉 脂肪组织 含水量 91～92 70～85 72～80 10.0 饮料中所含成分（100g可食部计） 饮料名称 可口可乐 水分 能量（kcal） 蛋白质 脂肪 碳水化合物 89.1 43 0.1 0 10.8 苹果汁饮料 86.7 54 0.1 0.3 12.8 苹果果肉饮料 87.3 44 0.1 0.4 12.1 橙汁饮料 88.2 46 0.5 0 11.0 牛奶 86.9 69 3.4 3.9 5.1 牛奶（巧克力） 84.4 74 2.3 2.8 9.9 酸乳饮料 87.8 54 1.1 1.3 9.4 杏仁露 90.3 49 0.7 2.1 6.8 蔬菜、水果中的含水量（100g可食部计） 食物名称 白萝卜 胡萝卜 黄豆芽 含水量 94.8 90.0 89.8 食物名称 冬瓜 黄瓜 南瓜 含水量 96.9 96.0 88.8 食物名称 芹菜 生菜 草莓 含水量 95.4 96.7 91.3 绿豆芽 95.3 93.4 丝瓜 94.1 93.4 鸭梨 苹果 88.3 85.9 94.6 95.0 95.6 95.6 葡萄 香蕉 冬枣 西瓜 88.7 75.8 69.5 92.1 茄子（紫、 长） 番茄 樱桃番茄 西兰花 花菜 95.2 92.5 91.6 93.2 辣椒（青、 尖） 甜椒 娃娃菜 油菜 大白菜 本章主要内容 水和冰的物理特性及其在食品中的应用 水和冰的结构 水与溶质的相互作用及水分的存在状态 水分活度与水分的吸着等温线 水分活度与食品稳定性 冰在食品稳定中的作用 水与冰的物理特性 水的熔点、沸点较高 介电常数、表面张力、热容和相变热高 黏度低、密度与温度密切相关：水结冰时体积 增加，表现出异常的膨胀特性 导热性：通常用导热率和热扩散系数表示；冰 的导热性优于水 水的物理性质在食品加工中的作 用 水分子极性大，分子小，能使许多食品成分分 子表面带有水膜 水是食品加工中优良的热介质 水的沸点高，且沸点随压力而变 水的热容大，载热能力强（尤其水蒸气） 水的溶解能力强 水分子的结构 水分子的缔合 水分子的缔合 水分子的缔合 水缔合体的氢 键结合程度受多重因 素影响： 其中重要的是温 度和其它溶质的影响。 温度决定： 分子间距离 配位数 水和冰的结构 冰的结构 水和冰的结构 液态水的结构和冰的结构的区别 在于它们的配位数和两个水分子间的距离。 水与冰结构中水分子之间的配位数和距离 0℃（冰） 1.5℃ 83℃ 配位数 4 4.4 4.9 H—O…H 距离 0.276nm 0.29nm 0.305nm 水与溶质的相互作用 水与溶质的相互作用 *水与离子和离子基团的相互作用 *水与具有氢键键合能力的中性基团的相互 作用 *水与非极性物质的相互作用 食品中水分的存在状态 水与离子和离子基团的相互作用 离子或离子基团通过自 身的电荷与水分子偶极 产生相互作用，称为离 子的水合作用。 水合使离子转变为水合 离子，离子的性质就发 生了一定变化。 水与离子和离子基团的相互作用 水分子同Na+的水和作用能约83.68kJ.mol-1，是水 分子之间氢键结合能的4倍。 水与离子和离子基团的相互作用 离子结构： 水分子结构： 半径大、电场强度弱的 半径大、电场强度弱的离 离子→与水作用力较弱 子→与水作用力较弱→破 →水化膜较薄 坏水的网状结构 半径小、电场强度强的 半径小、电场强度强的离 离子→与水作用力较强 子→与水作用力较强→使 →水化膜较厚 水的网状结构更趋紧密 水与具有氢键键合能力 的基团的相互作用 水与溶质之间的氢键键合比水与离子之间的相互 作用弱，与水分子间的氢键相近。 当体系中添加具有氢键键合能力的溶质时，每摩 尔溶液中的氢键总数不会明显的改变。 如果与溶质形成的氢键部位的分布和定向在几何 上与正常水的氢键部位是不相容的，具有结构破 坏效应。 水与具有氢键键合能力的基团的 相互作用 生物大分子中有许多可与水分子形成氢键的基 团，水分子介入形成的氢键对生物大分子的结 构与功能及食品功能性都有重要的影响。 在生物大分子的两个部位或两个大分子之间可 形成有几个水分子所构成的“水桥” 。 大分子中存 在的“水桥” 水与非极性基团的相互作用 非极性基团的物质——疏水物质 疏水基团与邻近的水分子仅产生微弱的相互作 用——相互排斥，邻近疏水基团的水比纯水的 结构更为有序——疏水水合作用。 疏水水合产生两个结果： 笼形水合物 蛋白质中的疏水相互作用 水与非极性物质的相互作用 非极性物质能和水形成笼形水合物：水是 这类化合物的“宿主”，它们靠氢键键合 形成象笼一样的结构，通过物理方式将非 极性物质截留在笼中，被截留的物质称为 “客体”。 为使疏水水合这种作用的热力学不利变化 降到最小，疏水基团尽可能相互聚集，使 其同水分子接触的机会降至最低限度—— 疏水相互作用。 疏水相互作用示意图 疏水水合作用的结果是促进了非极性物质之间的缔 合，从而减少水与非极物质的界面面积，这是一个热力 学上有利的过程（△G<0），此过程称为疏水相互作用 疏水水合 （A） A （B） B 疏水相互 作用 疏水相互作用是蛋白质折叠的主要驱动力 水与溶质的相互作用 水—溶质的相互作用分类 种类 实例 相互作用的强度（与 H2O—H2O氢键比较） 偶极—离 H2O—游离离子 较强 子 H2O—有机分子中的带电 基团 偶极—偶 H2O—蛋白质NH 极/氢键 H2O—蛋白质CO 蛋白质侧链OH 接近或相等 疏水水合 H2O＋R→R（水合） 疏水相互 R(水合)＋R（水合） 作用 →R2（水合）＋ H2O 远小于（ΔG＞0） 不可比较（ΔG＜0） 食品中水分的存在状态 食品中不同状态水的性质比较 结 合 水 一般描述 游离水（体相水） 存在于溶质或其他非水成分附 距离非水成分位置最远， 近的那部分水，它包括化合水、 主要以水-水氢键存在。 邻近水及几乎全部的多层水。 冰点（与纯水比较） 冰点下降至-40℃都不结冰 能结冰，冰点略有下降 溶解溶质的能力 无 有 平动运动（分子水平）与 纯水比较 大大降低，甚至无 变化较小 蒸发焓（与纯水比较） 增大 基本无变化 在高水分食品（90%H2O 或9gH2O /g干物质）中占 总水分含量的% ＜0.03~3 约96 食品中水分的存在状态 水分 结合水 游离水（体相水） 化合水 滞化水 邻近水 毛细管水 多层水 自由流动水 食品中水的存在形式 结合水：一般包括化合水、邻近水及几乎全部 多层水。 化合水（组成水、构成水）：与非水物质结合 最强的，并作为非水组份整体部分的水。 邻近水：与非水组分的特异亲水位置通过水－ 离子和水－偶极间的缔合产生强烈的相互作用 的水。 多层水：在邻近水外层通过水－水和水－溶质 间的氢键与非水组份紧密结合的水。 食品中水的存在形式 游离水（体相水）：占据着与非水组份相距很远 位置的水；它们具有与稀溶液中的水相似的性质。 持水力（持水容量）： 通常用来描述分子（一般是指低浓度存在的 大分子化合物）构成的基体通过物理方式截留大 量水，阻止水渗出的能力。 持水力的变化对食品品质影响极大 食品中水的存在形式 分 类 结 合 水 游 离 水 化合水 单层水 特 征 食品非水成分的组成部分 典型食品中比例 ＜0.03% 与非水成分的亲水基团强烈作 0.1~0.9% 用形成单分子层；水-离子以及 水-偶极结合 多层水 在亲水基团外形成另外的分子 1~5% 层；水-水及水-溶质结合 自由流动 自由流动，性质同稀的盐溶液 5~96% 水 ；水-水结合为主 滞化水、 容纳于凝胶或基质中，水不能 5~96% 毛细管水 流动，性质同自由流动水 水分活度 水分活度的定义： aw ＝ f／f o ≈ p / po ≈ERH/100 水分活度是样品固有的一种性质；平衡相 对湿度（ERH）是空气与样品中的水蒸汽达到 平衡时大气所具有的一种特性。 水分活度随温度而变。一般：温度每变化10℃， aw 变化0.03～0.2 。 水分活度与产品的种类（食品中的组分）有关。 水分活度与食品水分含量的关系 食品中水分活度与食品水分含量 是两个不同的概念。 aw=0.7时若干食品中的含水量（g水/g干物质） 食品 含水量 食品 含水量 食品 含水量 菠萝 0.28 干淀粉 0.13 鱼肉 0.21 苹果 0.34 干马铃薯 0.15 鸡肉 0.18 香蕉 0.25 大豆 0.10 水分活度 高于和低于冻结温度的水活性的三个重要区别： 冻结温度以上， aw 是样品组分和温度的函数，前者是 主要的因素；但在冻结温度以下时， aw 与样品中的组 分无关，只取决于温度。 冻结温度以上和冻结温度以下水分活度对食品稳定性 的影响是不同的。 低于冻结温度时的aw不能用来预测冻结温度以上的同 一食品的aw 。 水分活度 水分活度的测定方法： 水分活度仪测定 恒定相对湿度平衡室法 化学法 相对湿度传感器测定法 冰点测定法 水分吸着等温线 水分吸着等温线： 又称水分吸附等 温线，指在恒定温 度下，食品水分含 量（用每单位干物 质质量中水的质量 表示）与水分活度 的关系曲线图，简 称MSI。 水分吸着等温线 吸附等温线的分区 等温线区Ⅰ中的水： 食品中吸附最牢固和最不容易移动的水， 靠水－离子或水－偶极相互作用吸附在极性部 位。 在区间Ⅰ的高水分末端位置的水相当于食 品的“BET单分子层”水含量，它相当于与干 物质牢固结合的最大数量的水。 吸附等温线的分区 等温线区Ⅱ中的水： 多分子层水，主要靠水－水和水－溶质的 氢键键合作用与邻近的分子缔合。 向含有相当于区间Ⅰ和区间Ⅱ边界位置水 含量的食品中增加水，所增加的水将会使溶解 过程开始，并且具有增塑剂和促进基质溶胀的 作用。由于溶解作用的开始，引起体系中反应 物移动，使大多数反应的速率加快。 吸附等温线的分区 等温线区Ⅲ中的水： 是食品中结合最不牢固和最容易流动的水， 即游离水。 在凝胶和细胞体系中，因为体相水以物理 方式被截留，所以宏观流动性受到阻碍，但它 与稀盐溶液中水的性质相似；这部分水既可以 结冰也可以作为溶剂，并且还有利于化学反应 的进行和微生物的生长。 水分吸着等温线 与温度的关系： 一定的水分 含量时，水活性 随温度的上升而 增大。 滞后现象： 采用向干燥 样品中添加水 （回吸作用）的 方法绘制水分吸 着等温线和按除 去水（解吸）过 程绘制的等温线 并不重叠，这种 不重叠性称为滞 后现象。 滞后作用的 大小、曲线的形状 和滞后回线的起始 点和终止点都不相 同，它们取决于食 品的性质和食品除 去或添加水份时所 发生的物理变化， 以及温度、解吸速 率和解吸时的脱水 程度等多种因素。 水分活度与食品的稳定性 低于结冰温度时冰对食品稳定 性的影响 冷冻对食品稳定性的有 食品中的水结冰时出现的两 利方面： 个不利后果： 低温下微生物的繁殖被 的浓度将比冷冻前变大—— 抑制 冷冻浓缩效应 温度降低，大部分化学 反应的反应速率降低 水结冰后，食品中非水组份 水结冰后，体积比结冰前增 加9％ 冰的冻结规律 蔗糖溶液的冻结曲线 纯水的冻结曲线 不同冻结速率的食品物料的 冻结曲线 冰的冻结规律 过冷状态、晶核 食品中含有一定水溶性成分，使食品的结冰温 度（冻结点）降低；随着冻结量的增加，冻结 点持续下降到更低，直到食品内溶液浓度增加 到一定浓度后不再改变。 低共熔点：水和其溶解物开始共同向固体转化 的温度。约：－55℃～－65℃ －18 ℃：食品中绝大部分水已冻结 －1 ℃ ～－4 ℃：完成大部分冰的形成过程 冰的冻结规律 冰有11种结构，在常压和0℃时，只有普通正六方晶系是 稳定的；冷冻食品中存在六方型、不规则树枝状、粗糙的 球形和易消失的球晶四种主要冰晶体结构。 水冻结时，冰晶体的大小和结晶速度受溶质、温度、温度 降低速度等因素的影响： 冰晶的大小与晶核数目有关，形成的晶核越多则晶体越小。 结晶温度和结晶热传递速度直接 影响晶核数目的多少。 溶质的种类和数量也会影响冰晶体的 数量、大小、结构、位置和取向。 冷冻过程中温度降低和溶质浓缩 对化学反应速度的最终影响 序 号 化学反应速率变化 温度降低 （T） 两种作用的 相对影响程 溶质浓缩的影 度 响（S） 冻结对反应 速度的最终 影响 1 降低 降低 协同 降低 2 降低 略有增加 T＞S 略有降低 3 降低 中等程度增加 T＝S 无影响 4 降低 极大增加 T＜S 增加 冷冻过程中酶促反应被加速的例子 反应类型 食品样品 糖原损失和乳 酸蓄积 动物肌肉组织 反应加速的 温度/℃ －2.5～－3 磷脂的水解 鳕鱼 －4 过氧化物的分 解 快速冷冻马铃薯与慢速冷 冻豌豆中的过氧化物酶 －0.8～－5 维生素C的氧化 草莓 －6 讨论题（速冻食品） 速冻加工过程中： 提出 冻结前需进行的处理 做法 冻结条件的要求及控制 速冻食品的贮藏、运输及保存 对贮藏、运输的要求（冷链的温度控制） 原理、 家庭中选择和保存速冻食品的注意事项 冻干食品——工艺原理及食品特点 阐明 依据