食品化學水分

食品化學水分第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1食品中的水食品中水的含量、分布和存在狀態(tài)對食品的外觀、質地、風味和保藏性關系極其密切。水具有高熔點、高沸點、高介電常數(shù)、高熱容量、高相變熱等特點，對于食品加工烹調過程具有重要影響。第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分含量與食品特性1蔬菜含水量在90%以上。第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分含量與食品特性2水果含水量在80%以上。第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分含量與食品特性3肉類含水量在70%左右。第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分含量與食品特性4面包和饅頭含水量在40%左右。第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分含量與食品特性5米和面含水量在12%左右。第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分含量與食品特性6餅干、糖果、奶粉等食品的含水量在8%以下。第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2水和冰的分子結構水分子的電子結構氧原子電子結構：1S22S22Px22Py12Pz1兩個共價鍵和兩個孤對電子四個sp3雜化軌道水分子的結構特點sp3雜化軌道頂點連線呈現(xiàn)假想的四面體結構部分的離子性質可以通過分子間氫鍵形成三維網(wǎng)狀結構第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖：水分子的電子云和共價鍵水分子是一個極性分子，其共價鍵具有部分的離子性質，分子具有較大偶極矩。第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖：水分子的氫鍵水分子四面體氫鍵網(wǎng)絡的形成。氫鍵鍵能為25kJ/mol。第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分子的氫鍵OH鍵中的氫原子帶有部分正電性，而氧原子的孤對電子帶有部分負電性，形成偶極分子，偶極矩為1.84D。每個水分子可以和4個其他水分子形成氫鍵，氫鍵向四面伸展，可以形成立體的連續(xù)氫鍵結構，也就是水分子的締合作用。因此，水分子不是自由的，而是水的動態(tài)連續(xù)結構中受束縛的一員。第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分子的特性與氫鍵與分子量類似的化合物相比，水分子之間的引力要遠遠大于其他小分子。水的熔點、沸點、比熱、氣化熱等異常高水和其他基團以氫鍵相互作用從而有良好的溶劑性質水的介電常數(shù)高水的表面張力大

在0℃時，冰中水分子配位數(shù)為4。溫度上升則配位數(shù)增加；然而水分子間的距離隨著溫度升高而加大。在3.98℃時，密度達到最大值。第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月冰的結構水結冰之后，分子之間以氫鍵連接形成剛性結構。由于分子之間的距離大于液態(tài)水，冰的密度比水低，引而結冰后體積增大。冰有多種晶型，在一般情況下形成正六方形對稱結構冰晶。水首先冷卻成為過冷狀態(tài)，然后圍繞晶核結冰，冰晶不斷長大?？焖賰鼋Y可以形成較多晶核和較小冰晶，有利保持食品品質。第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖：冰的氫鍵結構圖為冰的晶胞。其中配位數(shù)為4，兩個氧原子之間的距離為0.276nm。冰在不同溫度和壓力下有10種晶體結構，此為第一種。第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3水和溶質的相互作用純水以氫鍵結合成連續(xù)結構，而如果在水中加入其他物質，水的原有結構將受到打擾，發(fā)生水-溶質相互作用。其中包括幾種情況：離子與水的相互作用親水極性化合物與水的相互作用疏水物質與水的相互作用第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水與離子和離子基團的相互作用水具有偶極，可以和離子發(fā)生水合作用。由于離子和水分子的結合能力高于氫鍵鍵能，水分子優(yōu)先與離子結合。在所產(chǎn)生的離子水合物當中，水分子被嚴密地控制在離子周圍，失去自由移動的能力。離子水合物當中的水不能結冰，不能蒸發(fā)，不能成為溶劑，表現(xiàn)和固體一樣。第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖：水與離子化合物的相互作用水與離子化合物通過離子-偶極作用結合。第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水與極性基團的相互作用蛋白質、淀粉、膳食纖維等具有極性基團的物質都可以與水通過氫鍵而結合。不同極性基團與水的結合能力不同，其中未解離-NH2和-COOH結合力最強，-OH和-CONH等基團結合力稍遜。這些物質周圍以氫鍵結合的水稱為“臨近水”，對維持大分子構象十分重要。其第一層水分子也失去了自由移動的能力。第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月表：一些單糖和雙糖結合水的能力單糖結合水量一般為0.2~0.4mg/g干重糖種類mol/OHml/g木糖0.580.28阿拉伯糖0.890.42果糖0.760.38葡萄糖0.700.35蔗糖0.480.20麥芽糖0.630.22第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月表：一些氨基酸結合水的能力氨基酸結合水量一般為0.3~0.4mg/g干重氨基酸解離態(tài)mol/殘基氨基酸解離態(tài)mol/殘基AspCOOH2LysNH24.5COO－6NH3＋4.5GluCOOH2Val1COO－7.5Ala1.5TyrOH3Ser2O－7.5Pro3Phe0ProOH4第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水與非極性基團的相互作用脂肪酸、非極性氨基酸等物質中的非極性基團與水分子產(chǎn)生排斥作用，可增強周圍水分子之間的氫鍵結合力，稱為“疏水水合作用”。一些疏水小分子的進入可形成“籠狀水合物”。非極性物質之間傾向于彼此結合以減少與水的接觸表面，稱為“疏水相互作用”。它是維持蛋白質三級結構的重要力量之一。第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4水在食品當中的存在狀態(tài)1化合水或結構水(constitutionalwater)

為結合最牢固的水2吸附水或臨近水(vicinalwater)

包括單層水和多層水，為吸附水3體相水(bulkphasewater)前兩者為束縛水或稱結合水(bondwater)，后者為自由水(freewater)。第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月自由水與束縛水的性質差異束縛水/結合水與自由水的不同：不易蒸發(fā)不易凍結不能作為溶劑不能參與化學反應不能為微生物所利用自由水則具有上述的各種能力。第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月5水分活度水分活度的由來水分活度的定義水分活度的意義水分活度與溫度第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分活度的由來1溶質溶解后，水分子圍在溶質分子周圍，體系的自由能降低。水分子不象以前一樣容易逸失到空氣中，溶液的蒸汽壓降低，冰點降低，沸點升高。溶液濃度和蒸汽壓降低之間的關系如拉烏爾定律(Raoult’sLaw)：

(p0-p)/p0=n1/(n1+n2)(1)1kg水含55.51mole，1mole理想溶質溶在1kg水中將使蒸汽壓降低0.0177，或1.77％。第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分活度的由來2(p0-p)/p0=n1/(n1+n2)(1)1-P/P0=n1/(n1+n2)(2)-P/P0=-n2/(n1+n2)(3)P/P0=n2/(n1+n2)(4)第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分活度的由來3(1)式簡化最終得到p/p0=n2/(n1+n2)其中，n1代表溶劑的摩爾數(shù)，n2代表溶質的摩爾數(shù)。可以看出，對于1mol的溶液，蒸汽壓為純水蒸汽壓的55.51/(1+55.51)＝98.23％。第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分活度的定義水分活度Aw定義為Aw=p/p0那么1mol溶質的蒸氣壓相當于純水蒸氣壓的98.23％；如果處在水分平衡狀態(tài)下，平衡相對濕度也應當是98.23％。水分活度(wateractivity)即某含水體系中的水蒸汽壓和相同溫度下純水蒸氣壓的比值。這個定義反映了水溶液中溶劑和溶質粒子數(shù)與蒸氣壓下降之間的本質關系。它是微生物生長、酶活性和化學反應與水分之間相關性的最佳表達方式。第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分活度的測定由于食品中的水溶液體系多非理想溶液，因而食品中的水分活度并不能通過以上簡單計算而得出，需要進行蒸氣壓的實際測定。測定水分活度可以采用冰點降低法、相對濕度傳感器法和恒定相對濕度平衡室法。通常用水分活度計測定。（詳見課本23頁）第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分活度與溫度1水分活度的數(shù)值隨溫度而改變。Aw與T之間的關系可以用以下方程式表示：dlnAw/d(1/T)=-ΔH/R其中R、ΔH均為常數(shù)，用k代之可導出lnAw=-kΔH/R(1/T)用該式作圖，則冰點以上，lnAw與絕對溫度倒數(shù)呈直線關系。第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分活度與溫度2在冰點以上，水分活度與食品中的化學成分有關，而冰點以下與此無關。因此，用水分活度大小來預測食品的性質，只有在冰點以上有效，在結冰之后則無效。第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月6等溫吸濕曲線等溫吸濕曲線的定義等溫吸濕曲線的分區(qū)等溫吸濕曲線與水的存在形式等溫吸濕曲線的滯后效應第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月等溫吸濕曲線的定義在一定溫度下使食品吸濕或者干燥，測定其含水量與水分活度之間的關系，作出圖形，稱為等溫吸濕曲線，也稱吸濕等溫線(watersorptionisotherm)。含水量Wd：食品中水的重量/完全干燥重水分Ww

：食品中水的重量/食品總重Wd=Ww(1-Ww)第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖：一個典型的等溫吸濕曲線通常低水分食品可以作出倒S形的等溫吸濕曲線。橫軸為水分活度，縱軸為含水量。第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月等溫吸濕曲線的分區(qū)曲線可以劃分為三個區(qū)域：I區(qū)：以化合水為主I、II交界：臨近水或單層吸附水II區(qū)：多層水、少量毛細管水III區(qū)：體相水第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月等溫吸濕曲線與水的存在狀態(tài)1I區(qū)：水分子和食品成分中的離子基團通過離子-偶極相互作用牢固結合。Aw在0~0.25之間，相當于0~0.07g/g干重I、II交界：相當于單分子層吸附水，即水吸附在干物質的親水基團周圍形成單層II區(qū)：Aw在0.2~0.85之間，即水在干物質的親水基團周圍形成多層吸附，相當于0.07~0.33g/g干重第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月等溫吸濕曲線與水的存在狀態(tài)2II區(qū)也包括了小部分毛細管水。右邊部分開始了溶解過程，使得反應物可以相遇發(fā)生作用。因此反應速度提高。III區(qū)：Aw在0.8~0.99之間，所含水分僅僅是因為物理原因被截留于食品當中，但仍然屬于自由水。這部分水可作為溶劑、可蒸發(fā)、可結冰，可被微生物和酶反應利用。第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月表：食品中水的存在狀態(tài)總結請注意各類存在狀態(tài)水的名稱、歸類和束縛力。狀態(tài)歸類束縛力比例%位置化合水結合水離子-偶極<0.03I區(qū)左端臨近水結合水偶極-偶極0.5±0.4I區(qū)右端多層水結合水偶極-偶極3.0±2.0II區(qū)滯化水自由水生物膜--III區(qū)毛細水自由水毛細管--III區(qū)流動水自由水無--III區(qū)第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖：不同食品的等溫吸濕曲線等溫吸濕曲線因食品不同而性狀各異。但只有低水分食品才看得出曲線的形狀。第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖：不同溫度的等溫吸濕曲線因為水分活度隨著溫度而變化，等溫吸濕曲線也隨溫度變化。第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月等溫吸濕曲線中的滯后效應等溫吸濕曲線可以用兩種方法繪制：向絕對干燥的物料中加入水分——回吸把含水分食品逐漸干燥直到水分為零——解吸對于同一種食品，這兩種方法所得到的曲線總是有所差異，稱為“滯后現(xiàn)象”。其中，在同樣含水量下，解吸曲線的水分活度較低應用：由解吸過程制備的食品需要保持更低的Aw值才能維持同樣的穩(wěn)定性。第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7水分活度與食品保藏性和品質水分活度與微生物的繁殖水分活度與酶促反應水分活度與非酶反應水分活度與脂肪氧化水分活度與食品儲藏冰凍對食品保藏性的雙重影響第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分活度與微生物的繁殖細菌繁殖活動所需的Aw一般細菌為0.94－0.99，酵母菌0.88左右，霉菌0.80左右。嗜鹽細菌為0.75左右，耐干燥霉菌和高滲酵母為0.65~0.60。新鮮食品原料中，水分活度高達0.99，故而極易腐敗，包括果蔬、魚肉、奶等。水分活性降到0.75左右后，能生存的微生物種類受到很大限制，產(chǎn)毒能力喪失。0.70以下，總的說來食品可以長期保存。詳細信息見課本31頁表第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖：水分活度與微生物和酶反應微生物在高水分活度下繁殖能力強。酶反應也隨著水分活度上升加快速度。第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月高中低水分活度食品水分活度在0.6以下的食品一般可以長期保存，為長貨架期食品。水分活度在0.6~0.9之間為中等水分活度食品可以在常溫下保存數(shù)日至兩周。水分活度0.9以上的食品通常需要低溫保存。第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月酶促反應與水分活性酶反應需要水提供反應介質，有時水本身就是反應物。因此，酶反應依賴于Aw。食品的水分活性如果在0.3以下，酶活動基本停止,酶促褐變反應也停止；但脂肪氧合酶是例外。第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分活度與非酶反應非酶化學反應在水分活度0.6－0.9之間速率最大。0.3以下和0.9以上速度很低。這是因為水分活度過高使得溶質稀釋，而水分活度過低導致分子移動性下降。重要的非酶反應包括羰氨褐變等。它們在中水分活度食品當中較易發(fā)生。第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月水分活度與脂肪氧化在水分活度低于單層水時，Aw升高使脂肪氧化速度降低。原因是及少量水可以保護過氧化物的分解，并減少與氧氣的接觸。在多層水，水分活性的增加使氧化速度提高。原因是水增加溶氧量和催化劑移動性。在高水分活度下，水分的增加也使脂肪氧化速度降低，主要是由于水的稀釋作用。第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖：各種反應和水分活度的關系脂肪氧化和水分活度的關系是一個凹形曲線，非酶褐變反應則是一個凸形曲線。第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月單層水是最穩(wěn)定的狀態(tài)總的來說，降低Aw可以延緩酶促反應和非酶反應的發(fā)生，減少營養(yǎng)成分降解，保持風味和色澤。但Aw過低也導致氧化酸敗。食品若要長期保存，以單層水狀態(tài)下為最佳。此時酶反應、非酶褐變、營養(yǎng)素分解和脂肪氧化速度都達到最低。第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月降低水分活度保藏食品的原理降低自由水比例，可以減少反應物的溶解和移動，從而降低反應速度。減少離子水合作用，從而減少金屬催化作用?？刂扑鳛榉磻锏姆磻?。抑制酶和底物的活化；降低自由水數(shù)量，還可以抑制微生物的繁殖和產(chǎn)毒。第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月冷凍對食品保藏性的雙重影響在冰凍之后，水分活度不再是預測微生物生長和化學反應發(fā)生的最佳指標。冰點以下儲存時，食品中的自由水分結冰，使剩余溶液的冰點下降、濃度增高?？赡茉斐呻x子強度、pH值、氧化還原電位等改變，從而促進許多化學反應的發(fā)生。第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月淺凍與深凍溫度降低延長食品的保存期間，主要原因是化學反應的速度降低微生物的生長受到抑制淺凍時食品劣變速度可能加快風味損失維生素等營養(yǎng)物質分解脂肪氧化在水活性低時加速－18℃以下冷凍可較好保持食品質量，但脂肪氧化仍然可能發(fā)生。