食品化學(xué)課件 水

食品化學(xué)

FoodChemistry

Tel-mail:hejiang1119@163.comQQ:158814812021/5/91第二章水

Chapter2Water2021/5/92內(nèi)容提要2.1概述2.2水和冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.3食品中水的存在狀態(tài)2.4水分活度2.5水與食品的穩(wěn)定性2.6分子流動(dòng)性和食品穩(wěn)定性（自學(xué)）

2021/5/93目的與要求（1）理解水和非水組分的相互作用；（2）理解結(jié)合水的概念；（3）掌握水分活度的定義和測(cè)定方法；（4）掌握水分活度與溫度的關(guān)系；（5）熟悉食品材料的吸濕等溫線；（6）掌握水分活度與食品穩(wěn)定性的關(guān)系。2021/5/942.1概述2.1.1水的作用

生命之源組成機(jī)體調(diào)節(jié)代謝

戰(zhàn)爭(zhēng)之源“下一場(chǎng)世界大戰(zhàn)將是對(duì)水資源的爭(zhēng)奪”2021/5/952.1概述2.1.1水的作用水對(duì)人體的重要作用

水使人體體溫保持穩(wěn)定（熱容量大）能夠作為體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)素運(yùn)輸、吸收和代謝物運(yùn)轉(zhuǎn)的載體作為體內(nèi)化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物或者反應(yīng)介質(zhì)作為潤(rùn)滑劑，使摩擦面潤(rùn)滑，減少損傷優(yōu)良的增塑劑生物大分子聚合物構(gòu)象的穩(wěn)定劑包括酶催化劑在內(nèi)的大分子動(dòng)力學(xué)行為的促進(jìn)劑2021/5/962.1概述2.1.1水的作用

水是食品中非常重要的一種成分，也是構(gòu)成大多數(shù)食品的主要組分。水對(duì)食品的結(jié)構(gòu)、外觀、外表、質(zhì)地、風(fēng)味、色澤、流動(dòng)性、新鮮程度和腐敗變質(zhì)的敏感性都有著很大的影響。各種食品都有顯示其品質(zhì)的特征含水量,如果蔬:75%-95%,肉類:50%-80%,面:35%-45%,谷物:10%-15%。食品中的水2021/5/97表2-1某些代表性食品中的典型水分含量2021/5/98續(xù)表2-12021/5/992.1概述2.1.1水的作用水在食品中的重要作用

水在食品貯藏加工過程中作為化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)，又是水解過程的反應(yīng)物水是微生物生長(zhǎng)繁殖的重要因素，影響食品的貨架期水與蛋白質(zhì)、多糖和脂類通過物理相互作用而影響食品的質(zhì)構(gòu)，如新鮮度、硬度、流動(dòng)性等水還能發(fā)揮膨潤(rùn)、浸濕的作用，影響食品的加工性2021/5/9102.1概述2.1.2水和冰的物理性質(zhì)

水與元素周期表中鄰近氧的某些元素的氫化物（CH4、NH3、HF、H2S）相比較，除了粘度以外都有顯著差異。熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、表面張力、介電常數(shù)、熱容及相變熱（溶解、蒸發(fā)、升華）等都明顯偏高。水的密度偏低，水結(jié)冰時(shí)體積異常膨大，水的導(dǎo)熱值大于其他液體，冰的導(dǎo)熱值略大于非金屬固體。水與冰比較：水的密度高于冰；冰的導(dǎo)熱值、熱擴(kuò)散率等明顯大于水。2021/5/911表2-2水和冰的物理常數(shù)

2021/5/9122.2水和冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

水的異常性質(zhì)可以推測(cè)水分子間存在強(qiáng)烈的吸引力，以及水和冰具有不尋常結(jié)構(gòu)。2021/5/9132.2水和冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.2.1水

氧原子和氫原子成鍵時(shí)，氧原子發(fā)生sp3雜化，形成4個(gè)sp3雜化軌道；

單個(gè)水分子為四面體結(jié)構(gòu)，氧原子位于中心，4個(gè)頂點(diǎn)中有2個(gè)被氫原子占據(jù)，其余2個(gè)被氧原子的孤對(duì)電子所占據(jù)；水分子的結(jié)構(gòu)特征2021/5/9142.2水和冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.2.1水

由于該兩對(duì)孤對(duì)電子將對(duì)成鍵電子形成擠壓作用，所以2個(gè)O-H鍵間夾角為104.5°，與典型四面體的夾角109°28’有所差別；每個(gè)O-H鍵的離解能為4.614×102kJ/mol，O-H核間距離為0.096nm，氧和氫的范德華半徑分別為0.14nm和0.12nm。

O-H具有極性，即電荷不對(duì)稱分布，（氫原子幾乎成為一個(gè)裸露的質(zhì)子而帶正電荷）。水分子的結(jié)構(gòu)特征2021/5/9152.2水和冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.2.1水水分子的締合作用

水分子在三維空間形成多重氫鍵鍵合——每個(gè)水分子具有相等數(shù)目的氫鍵給體和受體，能夠在三維空間形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。2021/5/916水分子的締合機(jī)理H-O鍵間電荷的非對(duì)稱分布使H-O鍵具有極性,這種極性使分子之間產(chǎn)生引力；由于每個(gè)水分子具有數(shù)目相等的氫鍵供體和受體,因此可以在三維空間形成多重氫鍵，（主要機(jī)理）。2021/5/917水分子三維氫鍵締合對(duì)水的異常物理性質(zhì)的解釋大熱溶值、高熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)、高表面張力和高相變熱：這些熱力學(xué)現(xiàn)象都關(guān)系到打破水分子間的氫鍵，因而所需的能量增大。高介電常數(shù)：水的氫鍵締合產(chǎn)生了龐大的水分子簇，產(chǎn)生了多分子偶極子，從而使水的介電常數(shù)顯著增大；2021/5/9182.2水和冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.2.1水水的結(jié)構(gòu)

純水是具有一定結(jié)構(gòu)的液體，雖然它沒有剛性，但它比氣態(tài)分子的排列有規(guī)則得多。在液態(tài)水中，水的分子并不是以單個(gè)分子形式存在，而是由若干個(gè)分子以氫鍵締合形成水分子簇（H2O)n。2021/5/919水的結(jié)構(gòu)模型混合模型:混合模型強(qiáng)調(diào)了分子間氫鍵的概念,認(rèn)為分子間氫鍵短暫地濃集于成簇的水分子之間,成簇的水分子與其它更密集的水分子處于動(dòng)態(tài)平衡。連續(xù)模型:分子間氫鍵均勻地分布于整個(gè)水樣,水分子的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成動(dòng)態(tài)平衡。填隙式模型:水保留在似冰狀或籠狀結(jié)構(gòu)中,個(gè)別的水分子填充在籠狀結(jié)構(gòu)的縫隙中。2021/5/920水的結(jié)構(gòu)特征水是呈四面體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的。水分子氫鍵鍵合程度取決于溫度。2021/5/9212.2水和冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.2.2冰

冰是由水分子有序排列形成的結(jié)晶，水分子間靠氫鍵鏈接在一起，形成非?！笆杷伞保ǖ兔芏龋┑膭傂越Y(jié)構(gòu)；最鄰近水分子的O-O核間距為0.276nm，O-O-O鍵角約為109°十分接近理想四面體的鍵角；每個(gè)水分子都能締合另外4個(gè)水分子，形成四面體結(jié)構(gòu)，所以水分子的配位數(shù)為4。0℃下冰的晶格單元2021/5/9222.2水和冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.2.2冰

當(dāng)多個(gè)晶格結(jié)合在一起時(shí)，冰結(jié)構(gòu)中存在水分子的兩個(gè)平面，這兩個(gè)平面平行而且很緊密的結(jié)合在一起；當(dāng)冰受到壓力“滑動(dòng)”或“流動(dòng)”時(shí)，它們作為一個(gè)單元（整體）滑動(dòng)，像冰河中的冰在壓力下所產(chǎn)生的“流動(dòng)”；

這類成對(duì)平面構(gòu)成冰的“基礎(chǔ)平面”；幾個(gè)“基礎(chǔ)平面”堆積起來便得到冰的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。冰的基礎(chǔ)平面和擴(kuò)展結(jié)構(gòu)2021/5/923冰的基礎(chǔ)平面（a）沿c軸方向觀察到的六方形結(jié)構(gòu)（b）基礎(chǔ)平面的立體圖2021/5/924冰的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)由三個(gè)基本平面結(jié)合形成的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)2021/5/9252.2水和冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.2.2冰

冰有11種結(jié)晶類型，普通冰的結(jié)晶屬于六方晶系的雙六方雙錐體，且在常壓和溫度0℃時(shí)只有六方形冰晶才是最穩(wěn)定的形式；冰并不完全是由精確排列的水分子組成的靜態(tài)體系，實(shí)際上冰晶中的水分子以及由它形成的氫鍵都處于不斷運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)（水分子振動(dòng)，氫鍵瞬間斷裂或有重新生成；溶質(zhì)的種類和數(shù)量可以影響冰晶的數(shù)量、大小、結(jié)構(gòu)、位置和趨向。冰的結(jié)構(gòu)特征2021/5/926在不同溶質(zhì)影響下，冰的結(jié)構(gòu)主要有4種類型

六方形冰晶不規(guī)則樹枝狀結(jié)晶粗糙的球狀結(jié)晶易消失的球狀結(jié)晶及各種中間體

樣品在最適的低溫冷卻劑中緩慢冷卻，并且溶質(zhì)的性質(zhì)及濃度均不嚴(yán)重干擾水分子的遷移時(shí)，才有可能形成六方形冰結(jié)晶；像明膠這類大而復(fù)雜的親水性分子，不僅能限制水分子的運(yùn)動(dòng)，而且阻礙水形成高度有序的六方形結(jié)晶。2021/5/9272.2水和冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.2.2冰

當(dāng)溫度降低到“過冷狀態(tài)”，開始出現(xiàn)穩(wěn)定性晶核，或在振動(dòng)的促進(jìn)下向冰晶轉(zhuǎn)化；水向冰晶轉(zhuǎn)化時(shí)放出潛熱，促進(jìn)溫度回升到0℃。冰形成的一般過程水的冰點(diǎn)為0℃，但純水并不在0℃時(shí)就凍結(jié)。

開始出現(xiàn)穩(wěn)定晶核時(shí)的溫度叫“過冷溫度”；如果外加晶核，則不必達(dá)到過冷溫度時(shí)就能結(jié)冰，但此時(shí)生成的冰晶粗大。2021/5/9282021/5/929為什么提倡使用速凍工藝？

現(xiàn)代凍藏工藝提出速凍，因?yàn)?1)該工藝下形成的冰晶體顆粒細(xì)?。ǔ梳槧睿谑称方M織中分布比較均勻；又(2)由于小冰晶的膨脹力小，對(duì)食品組織的破壞很小，解凍融化后的水可以重新滲透到食品組織中，使其基本保持原有的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值；另外，(3)凍結(jié)時(shí)間縮短使微生物活動(dòng)受到更大限制。2021/5/9302.2水和冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

單個(gè)水分子呈四面體結(jié)構(gòu)，水分子中O-H具有極性。水的三維氫鍵締合機(jī)理，及其對(duì)水的異常物理常數(shù)進(jìn)行的解釋。水的三維氫鍵是動(dòng)態(tài)的，其配位數(shù)與溫度相關(guān)。六方形冰結(jié)晶最為穩(wěn)定。冰的基礎(chǔ)平面和冰的形成過程。本節(jié)要點(diǎn)2021/5/9312.3食品中水的存在狀態(tài)2.3.1水與溶質(zhì)的相互作用水與離子和離子基團(tuán)的相互作用

在水中添加可解離的溶質(zhì)，會(huì)使純水靠氫鍵鍵合形成的四面體排列的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞。對(duì)于既不具有氫鍵受體又沒有給體的簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)離子，它們與水相互作用時(shí)僅僅是離子-偶極的極性結(jié)合。這種作用通常被稱為離子水合作用。2021/5/932在稀鹽溶液中，不同的離子對(duì)水結(jié)構(gòu)的影響是不同的K+，Rb+，Cs+，NH4+，Cl-，Br-，I-，NO3-，BrO3-，IO3-，ClO4-等，具有破壞水的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)效應(yīng),這些離子大多為電場(chǎng)強(qiáng)度較弱的負(fù)離子和離子半徑大的正離子；

Li+，Na+，Ca2+，Ba2+，Mg2+，Al3+，F(xiàn)-，OH-等，有助于水形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些離子大多是電場(chǎng)強(qiáng)度大、離子半徑小的離子，或多價(jià)離子；從水的正常結(jié)構(gòu)來看，所有離子對(duì)水的結(jié)構(gòu)都起破壞作用，因?yàn)樗鼈兡茏柚顾?℃下結(jié)冰。2021/5/9332.3食品中水的存在狀態(tài)2.3.1水與溶質(zhì)的相互作用水與具有氫鍵鍵合能力的中性基團(tuán)的相互作用

食品中蛋白質(zhì)、淀粉、果膠等成分含有大量的具有氫鍵鍵合能力的中性基團(tuán)，它們可與水分子通過氫鍵鍵合；水與溶質(zhì)之間的氫鍵鍵合比水與離子之間的相互作用弱，這些氫鍵的作用強(qiáng)度與水分子之間的氫鍵相近；各種有機(jī)成分上極性基團(tuán)不同，與水形成氫鍵鍵合作用的強(qiáng)弱也有區(qū)別。2021/5/934不同基團(tuán)與水形成氫鍵的強(qiáng)度比較

蛋白質(zhì)多肽鏈中賴氨酸和精氨酸側(cè)鏈上的氨基，天冬氨酸和谷氨酸側(cè)鏈上的羧基，肽鏈兩端的羧基和氨基，以及果膠中未酯化的羧基，它們與水形成的氫鍵，鍵能大，結(jié)合牢固；蛋白質(zhì)中的酰胺基，淀粉、果膠、纖維素等分子中的羥基與水形成的氫鍵，鍵能小，結(jié)合得不牢固。2021/5/935具有氫鍵鍵合能力的溶質(zhì)對(duì)水結(jié)構(gòu)的影響

凡能夠長(zhǎng)生氫鍵鍵合的溶質(zhì)都可以強(qiáng)化純水的結(jié)構(gòu)，至少不會(huì)破壞這種結(jié)構(gòu)；但在某些情況下，溶質(zhì)氫鍵鍵合的部位和取向在幾何構(gòu)型上與正常水不同，因此這些溶質(zhì)通常對(duì)水的正常結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生破壞；可以預(yù)測(cè)，大多數(shù)能形成氫鍵的溶質(zhì)會(huì)阻礙水結(jié)冰；當(dāng)體系中加入一種具有形成氫鍵能力的溶質(zhì)時(shí)，每摩爾溶液中的氫鍵總數(shù)不會(huì)明顯的改變。2021/5/936水橋

在生物大分子的2個(gè)部位或2個(gè)大分子之間可形成由幾個(gè)水分子所構(gòu)成的“水橋”。木瓜蛋白酶中的三分子水橋2021/5/9372.3食品中水的存在狀態(tài)2.3.1水與溶質(zhì)的相互作用水與非極性物質(zhì)的相互作用（1）把疏水性物質(zhì)加入到水中，疏水基團(tuán)對(duì)水分子產(chǎn)生斥力，從而使疏水基團(tuán)附近的水分子之間的氫鍵鍵合增強(qiáng),結(jié)構(gòu)更為有序（熵的減少），這一在熱力學(xué)上不利的過程，稱為“疏水水合”；2021/5/9382.3食品中水的存在狀態(tài)2.3.1水與溶質(zhì)的相互作用水與非極性物質(zhì)的相互作用（2）水對(duì)于非極性物質(zhì)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)形成響應(yīng)，其中有2個(gè)重要的結(jié)果：

籠形水合物的形成；

蛋白質(zhì)中的疏水相互作用。2021/5/939籠形水合物

籠形水合物是象冰一樣的包含化合物，其中水為“主體”物質(zhì)，它們靠氫鍵鍵合形成像籠狀結(jié)構(gòu)，并通過物理方式將非極性物質(zhì)截留在籠內(nèi)，被截留的物質(zhì)稱為“客體”；一般“主體”由20-74個(gè)水分子組成，“客體”是低分子量化合物，較典型的有低分子量烴，稀有氣體，鹵代烴等；

“主體”水分子與“客體”分子之間的相互作用一般是弱的范德華力，但在有些情況下為靜電相互作用。2021/5/940疏水相互作用

當(dāng)水與非極性基團(tuán)接觸時(shí)，為減少水與非極性實(shí)體的界面面積，疏水基團(tuán)之間進(jìn)行締合，這種作用稱為疏水相互作用；這是一個(gè)熱力學(xué)上有利的過程，是疏水水合的部分逆轉(zhuǎn)；疏水相互作用是維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的重要因素。2021/5/941水與溶質(zhì)相互作用總結(jié)2021/5/9422.3食品中水的存在狀態(tài)2.3.2食品中水的存在形式

如上所述，食品中的水分子將與非水物質(zhì)發(fā)生相互作用，根據(jù)其相互作用的性質(zhì)和程度可將食品中的水進(jìn)行如下分類：2021/5/943結(jié)合水

結(jié)合水（boundwater）又稱為束縛水或固定水(immobilizedwater)；通常是指存在于溶質(zhì)或其它非水組分附近的、與溶質(zhì)分子之間通過化學(xué)鍵的力結(jié)合的那部分水；具有與同一體系中體相水顯著不同的性質(zhì)，如呈現(xiàn)低的流動(dòng)性、在-40℃下不結(jié)冰、不能作為所加入溶質(zhì)的溶劑等；根據(jù)結(jié)合水被結(jié)合的牢固程度不同，又可分為化合水(compoundwater)、鄰近水（vicinalwater）和多層水(multilayerwater)三種類型。2021/5/944化合水:或稱組成水，是指與非水物質(zhì)結(jié)合最牢固的、構(gòu)成非水物質(zhì)的組成的那部分水，如化學(xué)水合物中的水?；纤男再|(zhì)：?在-40℃下不結(jié)冰；無(wú)溶解溶質(zhì)的能力；與純水比較分子平均運(yùn)動(dòng)為0；不能被微生物利用。結(jié)合水2021/5/945鄰近水:是指在非水組分中親水性基團(tuán)周圍結(jié)合的第一層水，與離子或離子基團(tuán)締合的水是結(jié)合最緊密的鄰近水。主要結(jié)合力是水-離子和水-偶極締合作用，其次是水和溶質(zhì)之間的氫鍵。鄰近水的性質(zhì)：?在-40℃下不結(jié)冰；無(wú)溶解溶質(zhì)的能力；與純水比較分子平均運(yùn)動(dòng)大大減少；不能被微生物利用；很穩(wěn)定，不易引起食品的腐敗、變質(zhì)。結(jié)合水2021/5/946多層水:是指位于以上所說的第一層的剩余位置的水和鄰近水的形成的幾個(gè)水層，其形成主要靠水-水和水-溶質(zhì)間氫鍵而形成。多層水的性質(zhì)：?大多數(shù)多層水在-40℃下不結(jié)冰，其余可結(jié)冰，但冰點(diǎn)大大降低；有一定溶解溶質(zhì)的能力；與純水比較分子平均運(yùn)動(dòng)大大降低；不能被微生物利用。結(jié)合水2021/5/947體相水

體相水（bulkwater）又稱為自由水（freewater)；是指食品中除了結(jié)合水以外的那部分水；能結(jié)冰，但冰點(diǎn)有所下降；溶解溶質(zhì)的能力強(qiáng)，干燥時(shí)易被除去與純水分子平均運(yùn)動(dòng)接近；很適于微生物生長(zhǎng)和大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)，易引起食品的腐敗變質(zhì)，但也與食品的風(fēng)味及功能性緊密相關(guān)；2021/5/948體相水

滯化水（或不流動(dòng)水）是指被組織中的顯微和亞顯微結(jié)構(gòu)及膜所阻留住的水，食品中通常有凝膠或有細(xì)胞結(jié)構(gòu)時(shí)就可能有滯化水；

毛細(xì)管水是指在生物組織的細(xì)胞間隙和食品結(jié)構(gòu)組織中，由毛細(xì)管力所截留的水，在生物組織中又稱為細(xì)胞間水，其物理和化學(xué)性質(zhì)與滯化水相同；

自由流動(dòng)水是指動(dòng)物的血漿、淋巴和尿液，植物的導(dǎo)管和細(xì)胞內(nèi)液泡中的水以及食品中肉眼可見的水。

體相水又可分為：滯化水（entrappedwater）、毛細(xì)管水（capillarywater）和自由流動(dòng)水（freeflowwater）三種類型。2021/5/949結(jié)合水和體相水性質(zhì)比較項(xiàng)目結(jié)合水體相水一般描述存在于溶質(zhì)或其它非水組分附近的那部分水，包括化合水和鄰近水以及幾乎全部多層水。位置上遠(yuǎn)離非水組分，以水-水氫鍵存在冰點(diǎn)（與純水比較）冰點(diǎn)大大降低，甚至在-40℃下不結(jié)冰能結(jié)冰，冰點(diǎn)略微降低溶劑能力無(wú)大平均分子水平運(yùn)動(dòng)大大降低，甚至無(wú)變化很小蒸發(fā)焓（與純水相比）增大基本無(wú)變化在高水分食品中占總水分含量%<0.03~3約96%2021/5/9502.3食品中水的存在狀態(tài)

水與溶質(zhì)相互作用包括：離子-偶極的極性結(jié)合（與游離離子或帶電基團(tuán)）、偶極-偶極（即水與溶質(zhì)之間相互形成氫鍵）、疏水水合和疏水相互作用。食品中水的存在形式包括：體相水和結(jié)合水，分別具有不同的性質(zhì)。本節(jié)要點(diǎn)2021/5/9512.4水分活度2.4.1水份活度及其測(cè)定水分活度概念的提出

食品水分含量與食品腐敗變質(zhì)之間存在著一定的關(guān)系，但不同種類的食品，即使水分含量相同，其腐敗變質(zhì)的難易程度也存在明顯的差異；食品中的水與其非水分組分結(jié)合的強(qiáng)度是不同的，處于不同的存在狀態(tài)，強(qiáng)烈結(jié)合的那一部分水是不能有效地被微生物和生物化學(xué)所利用；將水分含量作為判斷食品穩(wěn)定性的指標(biāo)不是很恰當(dāng)。

水分活度能反映水與各種非水成分締合的強(qiáng)度，比水分含量能更可靠地預(yù)示食品的穩(wěn)定性、安全和其它性質(zhì)。2021/5/9522.4水分活度2.4.1水份活度及其測(cè)定水分活度的定義

水分活度（wateractivity,Aw）是指食品中水的蒸汽壓與同溫度下純水的飽和蒸汽壓的比值。Aw=p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)Aw：水分活度p：食品在密閉容器中達(dá)到平衡時(shí)的水蒸氣分壓p0：在相同溫度下純水的飽和蒸氣壓ERH：樣品周圍的空氣平衡相對(duì)濕度N：溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)n1：溶劑的摩爾數(shù)；n2：溶質(zhì)的摩爾數(shù)2021/5/953注意：

水分活度的物理意義是表征生物組織和食品中能參與各種生理作用的水分含量與總含水量的定量關(guān)系。應(yīng)用Aw=ERH/100時(shí)必須注意：Aw是樣品的內(nèi)在品質(zhì)，而ERH是與樣品相平衡時(shí)的大氣性質(zhì)，它們只是在數(shù)值上相等。只有當(dāng)溶質(zhì)是非電解質(zhì)且濃度小于1mol/L的稀溶液時(shí)，其水分活度才可以按Aw=n1/(n1+n2)計(jì)算。2021/5/9542.4水分活度2.4.1水份活度及其測(cè)定水分活度的測(cè)定冰點(diǎn)測(cè)定法先測(cè)樣品的冰點(diǎn)降低和含水量，據(jù)下兩式計(jì)算Aw，其誤差很?。ǎ?.001Aw/℃）。

Aw=n1/(n1+n2)n2=G△Tf/(1000·Kf)G：樣品中溶劑的重量(g)；△Tf：冰點(diǎn)降低(℃)；Kf：水的摩爾冰點(diǎn)降低常數(shù)(1.86)。相對(duì)濕度傳感器測(cè)定法在恒定溫度下，把已知水分含量的樣品放在一個(gè)小的密閉室內(nèi)，使其達(dá)到平衡，然后使用任何一種電子技術(shù)或濕度技術(shù)測(cè)量樣品和環(huán)境大氣平衡的平衡相對(duì)濕度(ERH)，即可得到Aw。Aw=ERH/1002021/5/9552.4水分活度2.4.1水份活度及其測(cè)定水分活度的測(cè)定恒定相對(duì)濕度平衡室法在恒定溫度下，把樣品放在一個(gè)小的密閉室內(nèi)，使用適當(dāng)?shù)娘柡望}溶液，使密閉室內(nèi)樣品的環(huán)境空氣保持在恒定的相對(duì)濕度下，讓樣品達(dá)到平衡，然后測(cè)定樣品的水分含量。

通常溫度恒定在25℃，擴(kuò)散時(shí)間為20min，樣品量為1g，并且是在一種水分活度較低（A）和另一種水分活度較高(B)的飽和鹽溶液下分別測(cè)定樣品的吸收(x)或散失水分(y)的重量，然后安下式計(jì)算：Aw=(Ax+By)/(x+y)2021/5/9562.4水分活度2.4.1水份活度及其測(cè)定水分活度的測(cè)定水分活度儀測(cè)定法

2021/5/9572.4水分活度2.4.1水份活度及其測(cè)定對(duì)水分活度的幾種通俗理解

水分活度是指樣品中水分被微生物利用或參與各種生物化學(xué)反應(yīng)的難易程度。水分活度是指樣品中水分與非水組分結(jié)合的緊密程度。水分活度是指水分從樣品中“逃離”的趨勢(shì)大小。2021/5/9582.4水分活度2.4.2水份活度與溫度的關(guān)系

測(cè)定樣品水分活度時(shí)，必須標(biāo)明溫度，因?yàn)锳w值隨溫度而改變。經(jīng)修改的克勞修斯-科拉伯龍（Clausius-Clapeyron）方程，精確地表示了Aw對(duì)溫度的相依性。d(lnAw)/d(1/T)=-ΔH/R或lnAw=-kΔH/R(1/T)

式中：T為絕對(duì)溫度；R為氣體常熟；ΔH為在食品某一水分含量下的等量?jī)粑鵁?；k為樣品中非水物質(zhì)的本質(zhì)和其濃度的函數(shù)，也是溫度的函數(shù)，但在樣品一定和溫度變化范圍較窄的情況下，其可看為常數(shù)。由該公式可見，以lnAw對(duì)1/T作圖（當(dāng)水分含量一定時(shí)），可得一條直線。

2021/5/959馬鈴薯淀粉的水分活度與溫度的關(guān)系

從圖中可以看出：在含水量一定的情況下，水分活度的對(duì)數(shù)與絕對(duì)溫度的倒數(shù)呈良好的線性關(guān)系，而且水分活度對(duì)溫度的相依性是含水量的函數(shù)。2021/5/960溫度系數(shù)

溫度系數(shù)：指溫度每改變一個(gè)單位時(shí)相應(yīng)水分活度的變化數(shù)值；初始的水分活度為0.5時(shí)，在2~40℃的溫度范圍內(nèi)，溫度系數(shù)是0.0034℃-1；研究結(jié)果表明，高碳水化合物食品或高蛋白質(zhì)食品的Aw的溫度系數(shù)(溫度范圍5~50℃，起始的Aw為0.5)范圍為0.003~0.02℃-1；一般說來，對(duì)于不同的產(chǎn)品，溫度每變化10℃，其Aw變化0.03~0.2；因此，溫度變化對(duì)水分活度的影響能改變密封在袋內(nèi)或罐內(nèi)的食品的穩(wěn)定性。2021/5/961冰點(diǎn)以下水份活度與溫度的關(guān)系

在較大溫度范圍的lnAw—1/T圖，并非始終是一條直線；當(dāng)冰開始形成時(shí)，直線將在結(jié)冰的溫度時(shí)出現(xiàn)明顯的折點(diǎn)；在冰點(diǎn)以下lnAw隨1/T的變化率明顯變大，并且不再受食品中非水組分的影響。2021/5/962冰點(diǎn)以下水份活度的計(jì)算pff：未完全冷凍食品中水的蒸汽分壓；p0(scw)：純過冷水的蒸汽壓pice：純冰的蒸汽壓。

基于冷凍食品中水的分壓等于相同溫度下冰的蒸汽壓。由于過冷水的蒸汽壓已能測(cè)到-15℃，而冰的蒸汽壓可測(cè)到更低的溫度，因此，精確地計(jì)算冷凍食品的Aw值是可能的。Aw=pff/p0(scw)=pice/p0(scw)2021/5/963①在冰點(diǎn)以上時(shí)，Aw隨樣品的組分和溫度的變化而變化，且前者是主要因素，在冰點(diǎn)以下，Aw與樣品組分無(wú)關(guān)，只取決于溫度。②在冰點(diǎn)以上和以下溫度時(shí)，Aw對(duì)食品穩(wěn)定性的影響是不同的。在-15℃的產(chǎn)品中(Aw為0.86)，微生物不再生長(zhǎng)，而且化學(xué)反應(yīng)緩慢進(jìn)行；但是在20℃與Aw為0.86時(shí)，一些化學(xué)反應(yīng)將快速進(jìn)行，一些微生物將以中等速度生長(zhǎng)。③不能根據(jù)冰點(diǎn)以下溫度的Aw預(yù)測(cè)冰點(diǎn)以上溫度的Aw。高于和低于冰點(diǎn)溫度時(shí)Aw的重要差別2021/5/9642.4水分活度2.4.3水份活度與水分含量的關(guān)系水分的吸附等溫線

在恒定的溫度下，以食品的水分含量(用單位干物質(zhì)質(zhì)量中水的質(zhì)量表示，g水／g干物質(zhì))對(duì)它的水分活度繪圖形成的曲線稱為吸附等溫線（簡(jiǎn)稱MSI）。2021/5/965水分的吸附等溫線（MSI）的意義MSI對(duì)于了解以下信息是十分有意義的：分析在濃縮和干燥過程中樣品的脫水難易程度與Aw的關(guān)系；合理設(shè)計(jì)組合食品，以防止水分在組合食品的各配料之間轉(zhuǎn)移；測(cè)定包裝材料的阻濕性；預(yù)測(cè)多大的水分含量才能抑制微生物的生長(zhǎng)；預(yù)測(cè)食品的化學(xué)和物理穩(wěn)定性與水分含量的關(guān)系；分析不同食品中非水組分與水結(jié)合能力的強(qiáng)弱。2021/5/966低水分含量范圍內(nèi)食品的水份吸附等溫線（20℃）化合水

把水分含量低的區(qū)域擴(kuò)大和略去高水分區(qū)，可得到一張更有價(jià)值的MSI。2021/5/9672021/5/968不同食品的典型MSI

大多數(shù)食品的吸濕等溫線為S形；而水果、糖制品、含有大量糖和其它可溶性小分子的咖啡提取物、以及多聚物含量不高的食品的吸濕等溫線為J形。1.糖果（主要成分為蔗糖粉）；2.噴霧干燥的菊苣提取物；3.焙烤后的咖啡；4.豬胰臟提取粉；5.天然大米淀粉2021/5/969MSI與溫度的關(guān)系

水分活度依賴于溫度，因此水分吸濕等溫線也與溫度有關(guān)；含水量一定時(shí)，水分活度隨溫度升高而升高；水分活度一定時(shí)，含水量隨溫度上升而降低。馬鈴薯在不同溫度下的水分吸附等溫線2021/5/9702.4水分活度2.4.3水份活度與水分含量的關(guān)系吸附等溫線的滯后現(xiàn)象

采用回吸(resorption)的方法繪制的MSI和按解吸(desorption)的方法繪制的MSI并不互相重疊的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。

一般來說，Aw值一定時(shí)，解吸過程中食品的水分含量大于回吸過程中的水分含量。2021/5/971吸附等溫線滯后現(xiàn)象的機(jī)理

食品解吸過程中的一些吸水部位與非水組分作用而無(wú)法釋放出水分；食品不規(guī)則形狀而產(chǎn)生的毛細(xì)管現(xiàn)象，欲填滿或抽空水分需不同的蒸汽壓（要抽出需P內(nèi)＞P外,要填滿則需P外＞P內(nèi)）；解吸時(shí)將使食品組織發(fā)生改變，當(dāng)再回吸時(shí)就無(wú)法緊密結(jié)合水，由此可導(dǎo)致回吸相同水分含量時(shí)處于較高的Aw。2021/5/9722.5水與食品的穩(wěn)定性2.5.1水份活度與食品的穩(wěn)定性水分活度與微生物生命活動(dòng)的關(guān)系

食品的水分活度決定了微生物在食品中萌發(fā)的時(shí)間、生長(zhǎng)速率及死亡率；不同微生物在食品中繁殖時(shí)對(duì)水分活度的要求不同；一般來說，細(xì)菌對(duì)低水分活度最敏感，酵母菌次之，霉菌的敏感性最差；當(dāng)水分活度低于某種微生物生長(zhǎng)所需的最低水分活度時(shí)，這種微生物就不能生長(zhǎng)。2021/5/973水分活度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響2021/5/9742.5水與食品的穩(wěn)定性2.5.1水份活度與食品的穩(wěn)定性水分活度與食品劣變化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系對(duì)脂肪氧化酸敗的影響

從極低的Aw值開始,氧化速度隨著水分的增加而降低,直到Aw值接近等溫線的區(qū)域I和區(qū)域Ⅱ的邊界;而進(jìn)一步加水就使氧化速度增加，直到Aw值接近區(qū)域Ⅱ與區(qū)域Ⅲ的邊界,再進(jìn)一步加水又引起氧化速度降低。2021/5/975

在Aw=0~0.35范圍內(nèi)，隨Aw的增加，反應(yīng)速度降低的原因：(1)水與脂類氧化生成的氫過氧化物以氫鍵結(jié)合，保護(hù)氫過氧化物的分解，阻止氧化進(jìn)行；(2)這部分水能與金屬離子形成水合物，降低了其催化性。在Aw=0.35~0.8范圍內(nèi)，隨Aw增加，反應(yīng)速度增加的原因：(1)水中溶解氧增加；(2)大分子物質(zhì)溶脹，活性位點(diǎn)暴露加速脂類氧化；(3)催化劑和氧的流動(dòng)性增加。當(dāng)Aw＞0.8時(shí)，隨Aw增加，反應(yīng)速度增加很緩慢的原因：催化劑和反應(yīng)物被稀釋。水分活度對(duì)脂肪氧化酸敗的影響機(jī)理2021/5/9762.5水與食品的穩(wěn)定性2.5.1水份活度與食品的穩(wěn)定性水分活度與食品劣變化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系對(duì)非酶褐變的影響

當(dāng)食品的水分活度在一定的范圍內(nèi)時(shí)，非酶褐變隨著水分活度的增大而加速，Aw值在0.6-0.7之間時(shí)，褐變最為嚴(yán)重；隨著Aw的下降,非酶褐變就會(huì)受到抑制而減弱；當(dāng)Aw降低到0.2以下時(shí)，褐變就難以發(fā)生。但如果水分活度大于褐變高峰的Aw值，則由于溶質(zhì)的濃度下降而導(dǎo)致褐變速度減慢。2021/5/977水分活度對(duì)食品劣變反應(yīng)的影響小結(jié)

降低食品的Aw，可以延緩酶促褐變和非酶褐變的進(jìn)行，減少食品營(yíng)養(yǎng)成分的破壞，防止水溶性色素的分解。但Aw過低，則會(huì)加速脂肪的氧化酸敗，還能引起非酶褐變。食品化學(xué)反應(yīng)的最大反應(yīng)速度一般發(fā)生在具有中等水分含量的食品中(Aw0.7-0.9)。要使食品具有最高的穩(wěn)定性，最好將Aw保持在結(jié)合水范圍內(nèi)。這樣，既使化學(xué)變化難以發(fā)生，同時(shí)又不會(huì)使食品喪失吸水性和復(fù)原性。2021/5/978降低Aw提高食品穩(wěn)定性的機(jī)理①

大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)都必須在水溶液中才能進(jìn)行，降低食品的水分活度,則食品中結(jié)合水的比例增加,自由水的比例減少，而結(jié)合水是不能作為反應(yīng)物的溶劑的，所以降低水分活度，能使食品中許多可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、酶促反應(yīng)受到抑制。②很多化學(xué)反應(yīng)是屬于離子反應(yīng),該反應(yīng)發(fā)生的條件是反應(yīng)物首先必須進(jìn)行離子化或水化作用，而發(fā)生離子化或水化作用的條件必須有足夠的自由水才能進(jìn)行。③

很多化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)反應(yīng)都必須有水分子參加才能進(jìn)行(如水解反應(yīng)）；若降低水分活度，就減少了參加反應(yīng)的自由水的數(shù)量，反應(yīng)物(水)的濃度下降,化學(xué)反應(yīng)的速度也就變慢。④

許多以酶為催化劑的酶促反應(yīng)，水除了起著一種反應(yīng)物的作用外，還能作為底物向酶擴(kuò)散的輸送介質(zhì)，并且通過水化促使酶和底物活化。⑤食品中微生物的生長(zhǎng)繁殖都要求有一定最低限度的Aw，當(dāng)Aw低于0.6時(shí)，絕大多數(shù)微生物就無(wú)法生長(zhǎng)。2021/5/9792.5水與食品的穩(wěn)定性2.5.2冷凍與食品的穩(wěn)定性凍藏時(shí)冰對(duì)食品穩(wěn)定性的影響正面影響：低溫情況下微生物的繁殖被抑制、一些化學(xué)反應(yīng)的速度常數(shù)降低。不利影響：①水轉(zhuǎn)化成冰后，其體積膨脹產(chǎn)生局部壓力，進(jìn)而使具有細(xì)胞組織接哦股的食品受到機(jī)械損傷，造成解凍后汁液的流失，或者使得細(xì)胞內(nèi)的酶與細(xì)胞外的底物接觸，導(dǎo)致不良反應(yīng)的發(fā)生；②冷凍濃縮效應(yīng)，導(dǎo)致非凍結(jié)相中非水組分的濃度提高，進(jìn)而引起食品體系的理化性質(zhì)，如非凍結(jié)相的pH值、可滴定酸度、例子強(qiáng)度等發(fā)生變化。2021/5/980食品凍藏過程中，為什么要盡量保持溫度恒定？

由于凍藏過程中溫度出現(xiàn)波動(dòng)，溫度升高時(shí)，已凍結(jié)的小冰晶融合；溫度再次降低時(shí)，