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1、食品化学第二章 水分电子课件第二章 水分1.1.了解水在食品中的重要作用。了解水在食品中的重要作用。2.2.理解水分活度的定义及其意义。理解水分活度的定义及其意义。3.3.掌掌握握水水分分活活度度和和水水分分等等温温吸吸湿湿线线的的概概念念及及意意义义、水水分活度与食品的稳定性之间的关系。分活度与食品的稳定性之间的关系。4.4.能能够够依依据据水水分分活活度度和和水水分分等等温温吸吸湿湿线线，设设定定提提高高食食品稳定性的条件。品稳定性的条件。学习目标学习目标第一节 概述第二章第二章 水分水分一、水在生物体中的含量及作用一、水在生物体中的含量及作用r 水是生物体含水是生物体含 量最高的组分量最
2、高的组分r 水母水母 98%r 营养器官：营养器官：7090 繁殖器官：繁殖器官：1215（一）水在生物体中的含量（一）水在生物体中的含量 水是食品的主要组成成分，食品中水的含量、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。某些代表性食品的典型水分含量一、水在生物体中的含量及作用一、水在生物体中的含量及作用（二）水在生物体中的作用（二）水在生物体中的作用水水在在食食品品生生物物学学方方面面的的功功能能水是良好的溶剂；水是良好的溶剂；水为必须的生物化学反应水为必须的生物化学反应提供一个物理环境提供一个物理环境水是体内物质运输的载体；水是体内物质运输的载体；水是维持体温的载温
3、体；水是维持体温的载温体；水是体内摩擦的润滑剂；水是体内摩擦的润滑剂；二、食品中水的功能二、食品中水的功能食品理化性质食品理化性质起着溶解、分散蛋白质、起着溶解、分散蛋白质、淀粉等水溶性成分的作用淀粉等水溶性成分的作用 食品质地方面食品质地方面对食品的新鲜度、硬度、对食品的新鲜度、硬度、风味、流动性、色泽、耐风味、流动性、色泽、耐贮性和加工适应性有影响贮性和加工适应性有影响食品安全性食品安全性水是微生物繁殖的必需条件水是微生物繁殖的必需条件食品工艺角度食品工艺角度水起着膨润、浸透、均匀水起着膨润、浸透、均匀 化等功能；化等功能；大多数食品加工的大多数食品加工的单元操单元操 作作都与水有关，如干
4、燥、都与水有关，如干燥、浓缩、冷冻、水的固定等浓缩、冷冻、水的固定等三、食品中水的存在状态三、食品中水的存在状态（一）水与溶质相互作用的分类（一）水与溶质相互作用的分类1.水与离子和离子基团的相互作用水与离子和离子基团的相互作用n净结构形成效应净结构形成效应 n 净结构破坏效应净结构破坏效应小离子或多价离子产生强电场小离子或多价离子产生强电场Li+,Na+,H3O+,Ca2+,Ba2+,Mg2+,Al3+,F-,OH-具有比纯水较低的流动性和较紧密的堆积具有比纯水较低的流动性和较紧密的堆积大离子和单价离子产生较弱电场大离子和单价离子产生较弱电场K+,Cs+,NH4+,Cl-,Br-,I-,NO
5、3-,BrO3-,IO3-,ClO4-流动性比纯水强流动性比纯水强2.水与具有氢键形成能力的中性基团的相互作用水与具有氢键形成能力的中性基团的相互作用n水与溶质之间的氢键键合比水与离子之间的相互作用弱n能与水形成氢键的基团主要有：羟基、氨基、羰基、酰氨基等n可与一些生物大分子构成“水桥”木木瓜瓜蛋蛋白白酶酶中中的的三三分分子子水水桥桥3.水与非极性物质的相互作用水与非极性物质的相互作用n疏水水合作用（疏水水合作用（hydrophobic hydration）H2OR R(水合水合)n疏水相互作用（疏水相互作用（hydrophobic interaction）向水中添加疏水物质时，由于它们与水分
6、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，此过程称为疏水水合。当水与非极性基团接触时，为减少水与非极性实体的界面面积，疏水基团之间进行缔合，这种作用称为疏水相互作用。R(水合水合)R(水合水合)R2(水合水合)H2O（二）食品中水的存在状态（二）食品中水的存在状态食食品品中中水水的的存存在在状状态态食品中水的存在状态食品中水的存在状态水水体相水体相水构成水构成水自由水自由水截留水截留水邻近水邻近水多层水多层水以毛细管力结合的水；以毛细管力结合的水；结合水结合水以氢键结合力结合的水；以氢键结合力结合的水；在在-40-40下不结冰下不结冰无溶解溶质的能力无溶解溶质的能力
7、与纯水比较分子平均运动为与纯水比较分子平均运动为0 0不能被微生物利用不能被微生物利用食品中水的存在状态食品中水的存在状态构成水n大多数多层水在大多数多层水在-40-40下不结冰，其余可结下不结冰，其余可结冰，但冰点大大降低。冰，但冰点大大降低。n有一定溶解溶质的能力有一定溶解溶质的能力n与纯水比较分子平均运动大大降低与纯水比较分子平均运动大大降低n不能被微生物利用不能被微生物利用四、食品中水的存在状态四、食品中水的存在状态多层水多层水 能结冰，但冰点有所下降能结冰，但冰点有所下降r溶解溶质的能力强，干燥时易被除去溶解溶质的能力强，干燥时易被除去r与纯水分子平均运动接近与纯水分子平均运动接近r
8、很适于微生物生长和大多数化学反应，易引起很适于微生物生长和大多数化学反应，易引起FoodFood的腐败变质，但与食品的风味及功能性紧密相关。的腐败变质，但与食品的风味及功能性紧密相关。体相水体相水食品中水的存在状态食品中水的存在状态第二节 水分活度和等温吸湿曲线第二章第二章 水分水分相关概念一、水分活度一、水分活度(Aw)的定义的定义f 溶剂（水）的逸度溶剂（水）的逸度 f0纯溶剂（水）的逸度纯溶剂（水）的逸度 逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势 严格严格差别差别1%仅适合理想溶液仅适合理想溶液RVP,相对蒸汽压相对蒸汽压水分活度水分活度(water activity)(wa
9、ter activity)是指食品中水的蒸汽压与该温度下纯水的饱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和蒸汽压的比值,可用下式表示可用下式表示:一、水分活度一、水分活度(Aw)的定义的定义Aw与产品环境的百分平衡相对湿度（与产品环境的百分平衡相对湿度（ERH）有关）有关lAw是样品的内在品质，是样品的内在品质，ERH是与样品平衡的大是与样品平衡的大气的性质气的性质 l仅当产品与环境达到平衡时，关系式才能成立仅当产品与环境达到平衡时，关系式才能成立 ERH(Equlibrium Relative Humidity)n水分含量相同，温度不同，水分含量相同，温度不同，AwAw不同不同
10、nClausius-ClapeyronClausius-Clapeyron公式公式T T 绝对温度绝对温度 R R 气体常数气体常数 H H 纯水的汽化潜热纯水的汽化潜热 K K 达到同样水蒸汽压时食品温度比纯水温度高出的比值达到同样水蒸汽压时食品温度比纯水温度高出的比值二、水分活度与温度的关系二、水分活度与温度的关系二、水分活度与温度的关系二、水分活度与温度的关系lnAw1/T在冰点以下也是线性的在冰点以下也是线性的 温度对温度对AwAw的影响的影响 冰点以下冰点以上冰点以下冰点以上 直线出现明显的折断直线出现明显的折断二、水分活度与温度的关系二、水分活度与温度的关系二、水分活度与温度的关系
11、二、水分活度与温度的关系冰点以下食品的冰点以下食品的AwnP Pffff部分冻结食品中水的分压部分冻结食品中水的分压 nP P0 0(scw)(scw)纯的过冷水的蒸汽压纯的过冷水的蒸汽压 nP(ice)P(ice)纯冰的蒸汽压纯冰的蒸汽压二、水分活度与温度的关系二、水分活度与温度的关系比较冰点以上和冰点以下比较冰点以上和冰点以下Aw:n在冰点以上，在冰点以上，AwAw是样品组成与温度的函数，前是样品组成与温度的函数，前者是主要的因素者是主要的因素;n在冰点以下，在冰点以下，AwAw与样品的组成无关，而仅与温与样品的组成无关，而仅与温度有关，即冰相存在时，度有关，即冰相存在时，AwAw不受所存
12、在的溶质不受所存在的溶质的种类或比例的影响，不能根据的种类或比例的影响，不能根据Aw Aw 预测受溶质预测受溶质影响的反应过程影响的反应过程 n不能根据冰点以下温度不能根据冰点以下温度AwAw预测冰点以上温度的预测冰点以上温度的Aw Aw n当温度改变到形成冰或熔化冰时，就食品稳定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性而言，水分活度的意义也改变了三、等温吸湿曲线的定义三、等温吸湿曲线的定义水分吸附等温线水分吸附等温线 (Moisture sorption isotherms,MSI)，在恒定温度下，使食品吸湿或干燥，所得到的食品水在恒定温度下，使食品吸湿或干燥
13、，所得到的食品水分含量（每克干物质中水的质量）与分含量（每克干物质中水的质量）与AwAw的关系曲线。的关系曲线。高水分食品的高水分食品的MSIr从正常至干燥的整个水从正常至干燥的整个水分含量范围分含量范围低水分食品的低水分食品的MSIv加水回吸时，试样的组成加水回吸时，试样的组成从区从区（干）移至区（干）移至区（高水分）（高水分）v各区相关的水的性质存在各区相关的水的性质存在着显著的差别（实际是连着显著的差别（实际是连续变化的）续变化的）四、等温吸湿曲线上不同部分水的特性四、等温吸湿曲线上不同部分水的特性表表2-3 吸湿等温线上不同区水分特性吸湿等温线上不同区水分特性区间及wI区00.25区0
14、.250.8区0.80.99在-40冻结不能大部分不能可以溶解能力无轻微适度正常水分状态单分子水层吸附化学吸附结合水多分子水层凝聚物理吸附毛细管凝聚自由流动水微生物利用不可利用部分可利用可利用区区的水的性质：的水的性质：u构成水和邻近水构成水和邻近水u最强烈地吸附最强烈地吸附 u最少流动最少流动 u水水离离子子或或水水偶偶极极相互作用相互作用 u在在-40-40不结冰不结冰 u不能作为溶剂不能作为溶剂 u看作固体的一部分看作固体的一部分 u占总水量极小部分占总水量极小部分BETBET单层：单层：n区区和和接界接界 n0.07g H0.07g H2 2O/gO/g干物质干物质 nAw=0.2 A
15、w=0.2 n相当于一个干制品能呈现相当于一个干制品能呈现最高的稳定性时含有的最最高的稳定性时含有的最大水分含量大水分含量区区的水的性质：的水的性质：n多层水多层水n通过氢键与相邻的水分子通过氢键与相邻的水分子和溶质分子缔合和溶质分子缔合 n流动性比体相水稍差流动性比体相水稍差 n大部分在大部分在-40-40不结冰不结冰 n导致固体基质的初步肿胀导致固体基质的初步肿胀 n区区和区和区的水占总水分的水占总水分的的5%5%以下以下 n区区和和接界接界 n0.38g H0.38g H2 2O/gO/g干物质干物质 nAw=0.85 Aw=0.85 n完全水合所需的水分含量，完全水合所需的水分含量，即
16、占据所有的第一层部位即占据所有的第一层部位所需的水分含量。所需的水分含量。真实单层：真实单层：区区的水的性质：的水的性质：n体相水体相水 n被物理截留或自由的被物理截留或自由的 n宏观运动受阻宏观运动受阻 n性质与稀盐溶液中的水类性质与稀盐溶液中的水类似似 n占总水分的占总水分的95%95%以上以上五、等温吸湿曲线与食品类型、温度的关系五、等温吸湿曲线与食品类型、温度的关系（一）等温吸湿曲线与食品类型的关系（二）（二）MSI MSI与温度的关系与温度的关系n水分含量一定水分含量一定 TT，Aw Aw nAwAw一定一定 TT，水分含量，水分含量滞后现象（滞后现象（Hysteresis）回吸：回
17、吸：把水加到干的样品中把水加到干的样品中 解吸：解吸：先使样品吸水饱和，再干燥先使样品吸水饱和，再干燥 滞后现象（滞后现象（Hysteresis）：）：回吸与解吸所得的等温线不重叠现象即为回吸与解吸所得的等温线不重叠现象即为“滞后现象滞后现象”（HysteresisHysteresis）。）。滞后现象（滞后现象（Hysteresis）滞后环滞后环n一般来说，当一般来说，当AwAw一定时，一定时，解吸过程中食品的水分解吸过程中食品的水分含量大于回吸过程中水含量大于回吸过程中水分含量。分含量。解吸线在上方解吸线在上方 n滞后环形状取决于滞后环形状取决于 食品品种食品品种 温度温度高糖高糖-高果胶食
18、品高果胶食品空气干燥苹果空气干燥苹果 n总的滞后现象明显总的滞后现象明显 n滞后出现在真实单层水滞后出现在真实单层水区域区域 nAwAw0.650.65时时，不不存存在在滞滞后后滞后环的形状滞后环的形状食品品种食品品种 水分活度与食品稳定性的关系第三节水分活度与食品稳定性和等温吸湿曲线的关系（a）微生物与w的关系（b）酶水解与w的关系（c）氧化反应（非酶）与w的关系（d）美拉得褐变与w的关系（e）各种反应速度与w的关系（f）含水量w的关系水分活度与食品稳定性水分活度与食品稳定性从右图可知：从右图可知：除非酶氧化在除非酶氧化在Aw0.3Aw0.3时有较时有较高反应外，其它反应均是高反应外，其它反
19、应均是AwAw愈小反应速度愈小。愈小反应速度愈小。也就是说，对多数食品而言也就是说，对多数食品而言,低低AwAw有利于食品的稳定性。有利于食品的稳定性。首次出现最低反应速度时水首次出现最低反应速度时水分含量相当于分含量相当于“BET”BET”水分含水分含量量 一、水分活度与微生物生长的关系n首次出现最低反应速度时首次出现最低反应速度时的水分含量相当于的水分含量相当于“BET”BET”水分含量水分含量 n一般情况，一般情况，AwAw，反应速，反应速度度Aw二、水分活度与化学反应的关系(1)Aw：0-0.33范围内范围内n随随Aw,反应速度反应速度n过分干燥，食品稳定性下降过分干燥，食品稳定性下降
20、 （一）水分活度与脂质氧化的关系（一）水分活度与脂质氧化的关系 Aw原因原因 :水与脂类氧化生成的氢过氧化物以水与脂类氧化生成的氢过氧化物以氢键结合氢键结合,保护氢过氧化物的分解保护氢过氧化物的分解,阻止氧化进行阻止氧化进行水与金属离子水合水与金属离子水合,降低了催化性降低了催化性(2)Aw：0.33-0.73范围内范围内n随随Aw,反应速度反应速度Aw 原因原因 :u 水中溶解氧增加水中溶解氧增加u 大分子物质肿胀大分子物质肿胀,活性位活性位 点暴露加速脂类氧化点暴露加速脂类氧化u 催化剂和氧的流动性增加催化剂和氧的流动性增加（一）水分活度与脂质氧化的关系（一）水分活度与脂质氧化的关系 (3
21、)Aw 0.8n随随Aw,反应速度增加很反应速度增加很缓慢缓慢Aw 原因原因 :u 催化剂和反应物被稀释催化剂和反应物被稀释,阻滞氧化阻滞氧化（一）水分活度与脂质氧化的关系（一）水分活度与脂质氧化的关系 （二）水分活度与酶促反应的关系 Awr 非酶褐变反应可发生在非酶褐变反应可发生在中、低水分含量的食品中中、低水分含量的食品中Awr 低低Aw(0.2)，反应速度极，反应速度极低或不反应低或不反应（三）水分活度与非酶促反应（美拉得反应）的关系（三）水分活度与非酶促反应（美拉得反应）的关系 Awr 中等至高中等至高Aw，反应速度最高，反应速度最高r 水是一个产物，水含量继续增水是一个产物，水含量继续增加，会稀释中间产物的浓度，导加，会稀释中间产物的浓度，导致产物抑制作用致产物抑制作用 复习思考题n1.简要概括食品中水分的存在状态。n2.简述食品中结合水和自由水的性质区别。n3.MSI在食品工业上的意义。n4.滞后现象产生的主要原因。n5.简要说明水分含量和水分活度之间的关系如何？n6.不同的物质其吸湿等温线不同，其曲线形状受哪些因素的影响？n7.不同的物质其吸湿等温线不同，其曲线形状受哪些因素的影响？n8.简述食品中W与化学及酶促反应之间的关系。n9.简述食品中W与脂质氧化反应的关系。