中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品化學(xué)課件5

水(Water)概述(Introduction)維持人類正常生命活動必需的基本物質(zhì)六大營養(yǎng)物質(zhì)之一水在食品中的主要作用賦予色、香、味、形等特征。分散蛋白質(zhì)和淀粉等，形成凝膠。影響新鮮度、硬度、流動性、呈味性、保藏性和加工等。水與溶質(zhì)的相互作用水的化學(xué)結(jié)構(gòu)汽態(tài)水分子（單分子）的結(jié)構(gòu)存在形式：單分子或汽態(tài)分子化學(xué)式：H2O形狀：折線形H—O結(jié)合方式：共價鍵鍵角：104.5℃分子類型：極性分子液態(tài)水分子（締合水分子）的結(jié)構(gòu)存在形式：若干個水分子締合[（H2O）n]

吸引力：多重氫鍵締合原因：

O-H鍵具有極性→分子中電荷非對稱分布→分子具有較大偶極距締合水分子的特性結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性鍵能的比較：共價鍵（平均鍵能335kJ/mol）氫鍵（2～40kJ/mol）偶極間靜電引力動態(tài)平衡性—水分子的得失每個H2O最多能與另外4個H2O通過氫鍵結(jié)合，形成四面體排列。物理性質(zhì)熔點(diǎn)沸點(diǎn)比熱熔化熱蒸發(fā)熱表面張力介電常數(shù)明顯偏高分子結(jié)構(gòu)決定物理性質(zhì)比熱大原因：溫度↑→分子動能↑→吸入熱量溫度↑→締合分子→簡單分子→吸入熱量應(yīng)用：比熱大水溫不易隨氣溫變化三維氫鍵締合影響物理性質(zhì)的因素壓力對沸點(diǎn)的影響101.32KPa,100℃壓力↑↓→沸點(diǎn)↑↓應(yīng)用：減壓濃縮物理性質(zhì)（續(xù)）粘度小導(dǎo)熱率高：導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)：冰>水溫度變化速率：冰>水凍結(jié)速度>解凍速度密度低：水

冰

應(yīng)用：V冰>V水→冷凍工藝機(jī)械損傷優(yōu)秀的溶劑性質(zhì)溶解能力強(qiáng)，可溶解電解質(zhì)、蛋白質(zhì)等乳濁液膠體溶液固態(tài)食品中水的類型根據(jù)在食品中與非水物的結(jié)合程度劃分：束縛水（結(jié)合水、構(gòu)成水）單分子層水多分子層水（半結(jié)合水、鄰近水）自由水（體相水、游離水）毛細(xì)管水截留水束縛水與各非水組分結(jié)合結(jié)合得最為牢固作為非水組分整體部分—結(jié)構(gòu)成分不能作為溶劑，-40℃以上不能結(jié)冰。單分子層水的結(jié)構(gòu)位置：第一個水分子層中。個別單分子層上的水分子可與多分子層中的水分子交換，脫離開強(qiáng)極性集團(tuán)，進(jìn)入外面多分子層水內(nèi)，結(jié)合基團(tuán)：非水組分中強(qiáng)極性集團(tuán)（如羧基、氨基等）結(jié)合方法：氫鍵鍵能：大結(jié)合強(qiáng)度：最為牢固單分子層水的特性含量：在高水分食品中，占總水量的0.5%；蒸發(fā)、凍結(jié)、轉(zhuǎn)移和溶劑能力均可忽略。不能被微生物利用，不能用做介質(zhì)進(jìn)行生化反應(yīng)。多分子層水位置：單分子層外的幾個水分子層結(jié)合基團(tuán)：非水組分中弱極性集團(tuán)結(jié)合方法：氫鍵鍵能：小，不牢固被束縛強(qiáng)度：稍弱蒸發(fā)能力：較弱自由水定義：除束縛水外剩余部分的水位置：與非水組分相距很遠(yuǎn)的位置結(jié)合力：毛細(xì)作用性質(zhì)：與稀溶液中水相似，在食品中可以作溶劑。-40℃以上可以結(jié)冰含量：在高水分食品中，略低于總水量的5%。毛細(xì)管水動植物體中毛細(xì)管保留的水存在于細(xì)胞間隙中只能在毛細(xì)管內(nèi)流動，加壓可使水壓出體外。截留水食品中被生物膜或凝膠內(nèi)大分子交聯(lián)成的網(wǎng)絡(luò)所截留的水主要存于富水的細(xì)胞中或凝膠塊內(nèi)只能在被截留的區(qū)域內(nèi)流動，單個水分子可通過生物膜或大分子網(wǎng)絡(luò)向外蒸發(fā)。在高水分食品中，占總水量的90%以上，與食品的風(fēng)味、硬度和韌性有關(guān)。結(jié)合水與自由水性質(zhì)的差別結(jié)合水的量與食品中有機(jī)大分子的極性集團(tuán)的數(shù)量有比較固定的比例關(guān)系結(jié)合水的蒸汽壓比自由水的高結(jié)合水不能作為溶劑，自由水可以作溶劑。結(jié)合水在-40℃以上不能結(jié)冰，自由水在-40℃以上可以結(jié)冰。自由水能為微生物所利用，結(jié)合水則不能。結(jié)合水對食品風(fēng)味和質(zhì)感起重要作用水分活度與食品穩(wěn)定性水分含量水分含量水分含量不能作為判斷食品穩(wěn)定性的指標(biāo)（1）水分含量的測定受溫度、濕度等外界條件的影響。（2）各非水組分與水氫鍵鍵合的能力和大小均不相同。水分活度的定義水分活度=食品中水的蒸汽壓與同溫下純水的蒸汽壓的比值，即

Aw=P/P0式中：Aw=水分活度P=食品中水的的蒸汽分壓P0=指定溫度下純水的蒸汽壓純水：P=P0，Aw=1。食品中P總小于P0，故Aw<1。水分活度的定義（續(xù)）Aw=f/f0

式中：f=溶液中水的逸度，

f0=純水的逸度

平衡相對濕度=食品中水分蒸發(fā)達(dá)到平衡時食品上空已恒定的水蒸氣分壓與在此溫度時水的飽和蒸汽壓的比值，既：

Aw=P/P0=ERH/100平衡相對濕度（ERH

）等溫吸濕曲線定義：在恒定溫度下，表示食品的水分含量（水/干物質(zhì)）與它的水分活度之間關(guān)系的曲線稱為等溫吸濕曲線（MSI），即：以食品中的水分含量為縱坐標(biāo)，以水分活度為橫坐標(biāo)作圖，所得的曲線為等溫吸濕曲線。用途確定食品適宜的濃縮脫水時間確定適宜的食品組成以防止水分在各組分間轉(zhuǎn)移預(yù)測食品的適宜含水量，以確保其穩(wěn)定性。反映不同食品中非水成分與水結(jié)合的能力影響等溫吸濕曲線形狀的因素食品的組成結(jié)構(gòu)測繪方法溫度……食品的組成結(jié)構(gòu)S形：大多數(shù)食品的MSIJ形：含有大量糖及其它可溶性小分子但不富有高聚物的水果、糖果及咖啡提取物等的MSI……測繪方法回吸（吸附）等溫線：在恒溫條件下，把水逐步滲透到干燥的食品中，在測定了不同吸濕階段的水分活度后繪制的等溫線。解吸等溫線：把高水分含量的食品逐步脫水，在測定了不同脫水階段的水分活度后繪制出的等溫線。滯后現(xiàn)象（Hysteresis）定義：同一食品的吸附等溫線和解吸等溫線不完全重合，尤其在中低水分含量部分張開一細(xì)長眼孔的現(xiàn)象。影響滯后作用大小的因素：食品的組成結(jié)構(gòu)和性質(zhì)食品除去和添加水所引起的物理變化、溫度變化以及吸濕與解吸速度的變化和脫水程度等。在同一Aw下，所對應(yīng)的水分含量，都是解吸大于吸濕。食品的復(fù)水溫度的影響水分含量一定：t℃↑→Aw↑同一食品在不同溫度下繪制的等溫吸濕曲線在t℃上升是時，曲線形狀基本不變，位置順序向右下方移動。等溫吸濕曲線的分區(qū)目的：深刻理解含義和實際應(yīng)用與食品內(nèi)水的類型緊密聯(lián)系根據(jù)：水分含量和Aw的關(guān)系MSI圖形特點(diǎn)區(qū)段ⅠAw：最低組成：單分子層水性質(zhì)：同單分子層水在食品中占比例：0～0.25g，物料含水量：0～0.07g/g干物質(zhì)不能被微生物利用，不能用做介質(zhì)進(jìn)行生化反應(yīng)。區(qū)段ⅡAw范圍：0.25～0.8組成：區(qū)間I水+區(qū)間II內(nèi)增加的水（多分子層水、毛細(xì)管水d<1μm）；性質(zhì)：同多分子層水物料含水量：0.07至0.33～0.4g水/g干物質(zhì)，最高為20g的干物占總水量：5%以下區(qū)段Ⅱ（續(xù)）Aw=0.8時增加水，溶解作用使多數(shù)反應(yīng)加速，并具有增塑劑和促進(jìn)基質(zhì)溶脹的作用（引發(fā)固態(tài)組織溶脹）。Aw接近0.8時，常溫可能霉?fàn)€變質(zhì)。區(qū)段IIIAw范圍：0.8～0.99g；組成：區(qū)段I水+區(qū)段II水+區(qū)段III增加的水；新增加的水類型：毛細(xì)管水（直徑>1μm）、截留水。性質(zhì)：同自由水區(qū)段III（續(xù)）物料含水量：最低為0.14～0.33g/g干物質(zhì)，增加的水最多20g干物質(zhì)；在高水分食品中一般占總含水量的95%以上。區(qū)段的劃分1）區(qū)段I：靠近II→多分子層水區(qū)段II：靠近I→單分子層水2）除結(jié)合水外，其余水能在區(qū)域內(nèi)/間進(jìn)行交換故用區(qū)帶表示相互的交叉過程區(qū)段的變化區(qū)段II/III水↑→區(qū)段I/II水性質(zhì)幾乎不變食品中結(jié)合得最不牢固的那部分水對食品的穩(wěn)定性起著重要作用。3.3Aw對微生物繁殖

及化學(xué)反應(yīng)的影響

3.3.1 Aw對微生物繁殖的影響

圖2.1-9表明：微生物生長需要的Aw值一般較高：在食品中，微生物賴以生存的水主要是自由水：自由水含量↑→Aw↑，故Aw大的食品易受微生物感染，穩(wěn)定性差。不同微生物在食品中繁殖時，都有它最適宜的Aw范圍；見表（劉2.1-3)。微生物發(fā)育時必需的Aw微生物 發(fā)育所必需的最低AW

普通細(xì)菌0.90普通酵母0.87普通霉菌0.80嗜鹽細(xì)菌≤0.75耐干性酵母（細(xì)菌）0.65耐滲透壓性酵母0.61

3.3.2酶促反應(yīng)與水分活度的關(guān)系

如圖2.1-9（2）所示

酶促褐變：食品中的酚類物在酚氧化酶的作用下，經(jīng)氧化后聚合成黑色素所致。酶的催化活性：酶分子的構(gòu)像—環(huán)境—水介質(zhì)水的作用：1）對酶的作用：維持酶分子活性構(gòu)像的各種作用力，特別是非極性側(cè)鏈間的疏水作用力；2）溶劑作用：有利于酶和底物分子在食品內(nèi)的移動，使之充分靠攏，溶解并增加基質(zhì)流動性等。Aw與酶反應(yīng)速率：Aw極低:反應(yīng)幾乎停止或極慢；Aw增加:毛細(xì)管的凝聚作用開始，毛細(xì)管微孔充滿水，導(dǎo)致基質(zhì)溶解于水，酶反應(yīng)速率增大。Aw與酶活性：Aw<0.85，催化活性明顯減弱；Aw<0.3，淀粉酶、酚氧化酶、過氧化物酶受到極大抑制；Aw=0.3～

0.1，脂肪酶仍能保持活性。如圖2.1-93.3.3 非酶反應(yīng)（Maillard）與Aw的關(guān)系

Aw=0.6～0.7，反應(yīng)達(dá)最大值。/如圖2.1-9（4）（5）（劉）：水是反應(yīng)物：水↓→反應(yīng)↓；水是生成物：水含量↑，阻止反應(yīng)進(jìn)行→抑制水產(chǎn)生，反應(yīng)速度↓水含量不再是限速因素：水含量↑→稀釋效應(yīng)→反應(yīng)速度↓

3.3.4脂類氧化與Aw的關(guān)系

如圖2.1-9（3）（劉）

Aw=0.01～0.4:Aw↑→V↓Aw=0.4:V↓↓Aw>0.4:

Aw↑→V↑Aw=0.7～0.8:V↑↑Aw>0.7～0.8:Aw↑→V↓原因：Aw極低：空氣中O更易進(jìn)入食品與脂類接觸發(fā)生反應(yīng)Aw較低：加入到干燥樣品中的水干擾氧化，與氫過氧化物結(jié)合并阻止其分解，從而阻礙氧化進(jìn)行；催化氧化的金屬離子發(fā)生水化作用，從而顯著降低金屬離子的催化效力；

Aw增高：促使氧溶解度增加和大分子膨脹，暴露出更多催化位點(diǎn)，從而加速脂類氧化；Aw>0.8：

氧化速度緩慢，水對催化劑產(chǎn)生稀釋效應(yīng)而減少了催化效力。由圖2.1-9和（表2.1-3）結(jié)論：絕大多數(shù)不利于食品品質(zhì)穩(wěn)定的反應(yīng)是在區(qū)域II中部和III區(qū)發(fā)生，因而在具有中高水分含量（Aw=0.7～0.9）的食品中發(fā)生最快；Aw=0.2-0.3（I、II邊界，單分子層水，可準(zhǔn)確預(yù)測干燥產(chǎn)品最大穩(wěn)定性時含水量）：化學(xué)反應(yīng)、酶促反應(yīng)速度最小Aw<0.2:反應(yīng)速度保持最?。ㄑ趸磻?yīng)V↑）抑制微生物及酶活性的保藏方法冷凍保藏高滲透壓保藏果蔬干制果蔬糖制蔬菜腌制Aw對干燥和半干燥

食品質(zhì)構(gòu)的影響

保持脆性、避免結(jié)塊、防止變粘：Aw=0.35～0.5防止變硬：Aw↑↑餅干、爆米花、油炸土豆片速溶飲料硬糖軟質(zhì)食品4低溫貯藏對食品品質(zhì)的影響

冷凍法：生鮮食品優(yōu)點(diǎn)：保存新鮮食品原有的風(fēng)味和營養(yǎng)價值凍結(jié)保藏關(guān)鍵因素：低溫作用：微生物活動和化學(xué)反應(yīng)均受到極大的抑制不是因為形成冰。水結(jié)冰后不利后果：1）非水組分的濃度將比冷凍前變大；2）體積比結(jié)冰前增加9%。主要問題：1)水怎樣轉(zhuǎn)變成冰2)由此帶來的后果4.1 水結(jié)冰的過程

結(jié)冰：當(dāng)純水的溫度降低到0℃后，繼續(xù)冷卻，液態(tài)水便轉(zhuǎn)變成固態(tài)的冰，此現(xiàn)象為～，包含2過程：1）晶核的形成：一部分水分子結(jié)合成小的冰的晶核2）冰晶的生長：眾多水分子按冰的晶體結(jié)構(gòu)的要求，順序地結(jié)合到晶核上，使之成長為大的晶體。晶核形成條件：水中有冰：冷卻后，水溫保持0℃不變，冰體不斷地成長，直到液態(tài)水完全轉(zhuǎn)變?yōu)楸螅臏囟炔砰_始下降；水中無冰：冷卻后，水的溫度會降到0℃以下出現(xiàn)過冷的現(xiàn)象，晶核一般是在0℃以下的過冷水中形成。見圖1-17韓

晶核形成與晶體生長的速度：與溫度有關(guān)晶核形成的曲線：很陡，表示在過冷的溫度下一旦出現(xiàn)晶核就有更多的晶核迅速形成；晶體生長曲線：較為平坦，受溫度的影響較小。冷凍速度對晶核形成和晶體增長的影響：速凍：生成大量細(xì)小的冰晶體緩凍：生成數(shù)量少但體積大的冰晶體4.2晶體形成狀況和產(chǎn)品質(zhì)量緩凍：晶核：細(xì)胞與細(xì)胞間，數(shù)量少晶體：體積大晶體增長：細(xì)胞間隙結(jié)果：細(xì)胞機(jī)械損傷、解凍后汁液流失，質(zhì)地、風(fēng)味下降。速凍：晶核：細(xì)胞內(nèi)外，數(shù)量多晶體：細(xì)小晶體增長：細(xì)胞內(nèi)外結(jié)果：不致?lián)p傷細(xì)胞組織，解凍后易恢復(fù)原狀，較好保持色、香、味和質(zhì)地。溫度的波動：改變冰體內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因：溫度上升時，首先融化的是細(xì)小的冰晶，再冷卻時則是大的冰晶的生長。后果：細(xì)小的冰晶消失，較大的冰晶生長。4.3冷凍對微生物及化學(xué)反應(yīng)的影響4.3.1冷凍對化學(xué)反應(yīng)的影響食品結(jié)冰：近似脫水/濃縮濃縮程度：主要受最終溫度的影響濃縮效應(yīng)：1）非結(jié)冰相明顯變化2）大分子相互作用的可能性增大

結(jié)果→利于提高反應(yīng)速度結(jié)論：冷凍對反應(yīng)速度有2個相反的影響：1)降低溫度使反應(yīng)變得非常緩慢2)濃縮效應(yīng)有時卻又導(dǎo)致反應(yīng)速度的增大見表：

食品冷凍過程中

非酶促反應(yīng)被加速

反應(yīng)類型作用物 酸催水解蔗糖氧化抗壞血酸乳脂肪熟牛肉中脂類油炸馬鈴薯食品的生育酚脂肪中β-胡蘿卜素與維生素金槍魚與牛的氧合肌紅蛋白牛乳蛋白質(zhì)溶解性降低牛、兔與魚蛋白質(zhì)形成氧化氮的肌紅蛋白肌紅蛋白或血紅蛋白或血紅蛋白（腌肉顏色） 冷凍有時使反應(yīng)速度加快，如圖2.1-11劉表明