《食品化学》第1章+水-本科.ppt

水,WATER,引 言,水的重要功能水是最普遍存在的组分，占50%90%；为生物化学反应提供一个物理环境；代谢所需营养成分和反应产物的载体；是其它食品组分的溶剂。,水与食品加工,了解水在食品中的存在形式是掌握食品加工和保藏技术原理的基础。决定食品的市场品质，是食品的法定标准。大多数食品加工的单元操作都与水有关：干燥、浓缩、冷冻、水的固定复水、解冻,第一节 水和冰的物理性质,食品的含水量,基本物理性质,高熔点（0）、高沸点（100）介电常数高表面张力高热容和相转变热焓高 熔化焓、蒸发焓、升华焓密度低（1 g/cm3）凝固时的异常膨胀率粘度正常（1 cPas）,水和冰的物理常数（一）,水和冰的物理常数（二）,第二节 水分子,从分子结构来看，水分子中氧的6个价电子参与杂化，形成4个SP3杂化轨道，两个氢原子接近氧的两个SP3成键轨道(3，4)结合成两个共价键(具有40%离子特性)，即形成一个水分子，每个键的离解能为4.614102KJ/mol(110.2kcal/mol)，氧的两个定域分子轨道对称地定向在原来轨道轴的周围，因此，它保持近似四面体的结构。,水分子结构,水分子的结构特征,单个水分子(气态)的键角由于受到了氧的未成键电子对的排斥作用，压缩为104.5，O-H 核间距0.96，氢和氧的范德华半径分别为1.2 和1.4。在纯净的水中除含普通的水分子外，还存在许多其他微量成分，如由16O和1H的同位素17O、18O、2H和3H所构成的水分子，共有18 种水分子的同位素变体；水中还有离子微粒如氢离子(以H3O+存在)和氢氧根离子，以及它们的同位素变体，因此，实际上水中总共有33 种以上HOH的化学变体。,水分子中氧原子的电负性大，O-H键的共用电子对强烈地偏向于氧原子一方，使每个氢原子带有部分正电荷且电子屏蔽最小，表现出裸质子的特征。氢-氧成键轨道在水分子正四面体的两个轴上，这两个轴代表正力线(氢键给体部)，氧原子的两个孤对电子轨道位于正四面体的另外两个轴上，它们代表负力线(氢键受体部位)，每个水分子最多能够与另外4 个水分子通过氢键结合。,水分子的结构特征,冰的结构,冰是由水分子有序排列形成的结晶。水分子之间靠氢键连接在一起形成非常稀疏(低密度)的刚性结构，这一点已通过X-射线、中子衍射、电子衍射、红外和拉曼光谱分析研究得到阐明。,最邻近的水分子的O-O 核间距为2.76，O-O-O 键角约为109，十分接近理想四面体的键角10928。可以看出，每个水分子能够缔合另外4 个水分子即1，2，3 和W，形成四面体结构，所以配位数等于4。,冰的结构,冰晶胞,立体结构,俯视结构,第三节 水与溶质间的作用,几个名词,水结合(water binding)和水合作用(hydration)是说明水和亲水性物质缔合程度的强弱。水结合或水合作用的强弱，取决于体系中非水成分的性质、盐的组成、pH和温度等许多因素。结合水(bound water)结合水通常是指存在于溶质或其他非水组分附近的那部分水，它与同一体系中的体相水比较，分子的运动减小，并且使水的其他性质明显地发生改变，例如在-40时不能结冰是其主要的特征。持水容量(waterholding capacity)指基质分子(一般是指大分子化合物)截留大量水的能力。例如，含果胶和淀粉凝胶的食品以及动植物组织中少量的有机物质能以物理方式截留大量的水。,食品中的结合水,化合水：水在复杂体系中，结合得最牢固的，是构成非水物质组成的这部分水，它只占高水分食品中总水分含量的一小部分，例如，位于蛋白质空隙中或者作为化学水合物中的水。-40不结冰。邻近水：它是处在非水组分亲水性最强的基团周围的第一层位置，与离子或离子基团缔合的水是结合最紧密的邻近水。是指水-离子和水-偶极的缔合作用，与非水组分的特定亲水位置发生强烈相互作用的那部分水。当这类水达到最大含量时，可以在非水组分的强亲水性基团周围形成单层水膜。这类水还包括直径0.1m 的小毛细管中的水。,多层水：是指位于以上所说的第一层的剩余位置的水和邻近水的外层形成的几个水层。尽管多层水不像邻近水那样牢固地结合，但仍然与非水组分结合得非常紧密，且性质也发生明显的变化，所以与纯水的性质也不相同。主要是水-水和水-溶质形成氢键。,食品中的结合水,水与离子和离子基团的相互作用,与离子或有机分子的 离子基团相互作用的水是食品中结合得最紧密的一部分水。由于水中添加可解离的溶质，使纯水靠氢键键合形成的四面体排列的正常结构遭到破坏。对于既不具有氢键受体又没有给体的简单无机离子，它们与水相互作用时仅仅是离子-偶极的极性结合。,在稀盐溶液中，离子对水结构的影响是不同的：K+、Rb+、Cs+、NH4+、Cl-、Br-、I-、NO3-、BrO3-、IO3-和ClO4-等，具有破坏水的网状结构效应，（电场强度较弱的负离子和离子半径大的正离子）它们阻碍水形成网状结构，这类盐溶液的流动性比纯水的更大。Li+、Na+、H3O+、Ca2+、Ba2+、Mg2+、Al 3+、F-和OH-等（电场强度较强、离子半径小的离子，或多价离子），它们有助于水形成网状结构，因此这类离子的水溶液比纯水的流动性小。从水的正常结构来看，所有的离子对水的结构都起破坏作用，因为它们能阻止水在0下结冰。,不同离子基团对水的作用,水与溶质之间的氢键键合比水与离子之间的相互作用弱。氢键作用的强度与水分子之间的氢键相近。与溶质氢键键合的水，按其所在的特定位置可分为化合 水或邻近水（第一层水），与体相水比较，它们的流动性极小。凡能够产生氢键键合的溶质可以强化纯水的结构，至少不会破坏这种结构。,水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用,水还能与某些基团，例如羟基、氨基、羰基、酰氨基和亚氨基等极性基团，发生氢键键合。另外，在生物大分子的两个部位或两个大分子之间可形成由几个水分子所构成的“水桥”。,向水中加入疏水性物质，例如烃、稀有气体及引入脂肪酸、氨基酸、蛋白质的非极性基团，显然在热力学上是不利的（G0）。由于它们与水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强。处于这种状态的水与纯水的结构相似，甚至比纯水的结构更为有序，这是熵减小引起的热力学上不利的变化。疏水相互作用（hydrophobic interaction）非极性物质能和水形成笼形水合物（clathrate hydrates）。,水与非极性物质的相互作用,笼形水合物,笼形水合物是像冰一样的包含化合物，水是这类化合物的“宿主”，它们靠氢键键合形成像笼一样的结构，通过物理作用方式将非极性物质截留在笼中，被截留的物质称为“客体”。笼形水合物的“宿主”一般由2074 个水分子组成，“客体”是低分子量化合物，只有它们的形状和大小适合于笼的“宿主”才能被截留。“客体”包括：低分子量烃、稀有气体、短链的一级、二级和三级胺、烷基铵盐、卤烃、二氧化碳、二氧化硫、环氧乙烷、乙醇、锍、磷盐等。“宿主”水分子与“客体”分子的相互作用一般是弱的范德华力，在某些情况下，也存在静电相互作用。,蛋白质的非极性基团包括丙氨酸的甲基、苯丙氨酸的苄基、缬氨酸的异丙基、半胱氨酸的巯基、亮氨酸的仲丁基和异丁基。其他化合物例如醇类、脂肪酸和游离氨基酸的非极性基团也参与疏水相互作用。蛋白质在水溶液环境中尽管产生疏水相互作用，但球状蛋白质的非极性基团大约有40%50%仍然占据在蛋白质的表面，暴露在水中，暴露的疏水基团与邻近的水除了产生微弱的范德华力外，它们相互之间并无吸引力。,疏水相互作用,第四节 水分活度,食物的易腐败性与含水量之间有着密切的联系，人们日常生活中保藏食品的重要依据之一。食品加工中无论是浓缩或脱水过程，目的都是为了降低食品含水量，提高溶质的浓度，以降低食品易腐败的敏感性。人们也知道不同种类的食品即使水分含量相同，其腐败变质的难易程度也存在明显的差异。这说明以含水量作为判断食品稳定性的指标是不完全可靠的。食品中各种非水组分与水合的能力不相同。与非水组分牢固结合的水不可能被食品的微生物生长和化学水解反应所利用。因此，用水活性作为食品易腐败性的指标比用含水量更为恰当。,金黄色葡萄球菌（Staphylococus aureus）生长的最低p/p0与溶质的类型有关。,特例,水分活度,p 为某种食品在密闭容器中达到平衡状态时的水蒸汽分压;p0为在同一温度下纯水的饱和蒸汽压。这种表示方法与根据路易斯(Lewis)热力学平衡最早表示水分活度的方法近似。即w=f/f0，f为溶剂逸度（溶剂从溶液中逸出的趋势）；f0为纯溶剂逸度。在低温时（例如室温下），f/f0和p/p0之间差值很小（低于1%）。显然，用p和p0表示水分活度是合理的。,【概念】,由上式可以看出，溶剂的蒸汽压与溶剂的摩尔数成比例，由于p0大于p，所以w值在0-1之间。,水分活度与环境平衡相对湿度（%）和拉乌尔（Raoult）定律的关系如下：,水分活度,ERH(equilibrium relative humidity）即样 品周围环境的平衡相对湿度（%）；N为溶剂（水）摩尔分数；n1为溶剂摩尔数；n2为溶质摩尔数。,n2可通过测定样品的冰点降低，然后按下式计算求得：,水分活度测定,G 样品中溶剂的克数；Tf 冰点降低（）；Kf 水的摩尔冰点降低常数（1.86）,（1）冰点测定法：先测定样品的冰点降低和含水量。然后按式（1）和（2）式计算水分活度（w），其误差（包括冰点测定和w的计算）很小(0.01 w/)（2）相对湿度传感器测定方法：将已知含水量的样品置于恒温密闭的小容器中，使其达到平衡，然后用电子或湿度测量仪测定样品和环境空气平衡的相对湿度，即可得到w。（3）恒定相对湿度平衡室法：置样品于恒温密闭的小容器中，用一定种类的饱和盐溶液使容器内样品的环境空气的相对湿度恒定，待平衡后测定样品的含水量。,水分活度测定方法,水分活度与温度的相依性,测定样品水分活度时，必须标明温度，因为w值随温度而改变。经修改的克劳修斯克拉伯龙(Clausius-Clapeyron)方程，精确地表示了w对温度的相依性。,T 绝对温度；R 气体常数；H 样品中水分的等量净吸着热,ln w=-kH/R(1/T),w,以lnw对1/T作图（当水分含量一定时）应该是一条直线。下图表示不同含水量的马铃薯淀粉的水分活度与温度之间的关系，从下图可以说明两者间有良好的线性关系，且水分活度对温度的相依性是含水量的函数。水分活度起始值为0.5 时，在2-40范围内，湿度系数为0.0034-1。根据另外一些研究报道，富含糖类或蛋白质的食品，在5-50和起始w 0.5时，湿度系数为0.003-0.02-1，这表明水分活度与产品的种类有关。一般说来，温度每变化10，w变化。因此，温度变化对水分活度产生的效应会影响密封袋装或罐装食品的稳定性。,水分吸着等温线,在恒定温度下，食品水分含量（每单位质量干物质中水的质量）对P/P0作图得到的水分吸着等温线（moisture sorption isotherms,MSI）,在浓缩和干燥过程中除去水分的难易度与RVP相关；配制食品混和物时应避免水分在配料间的转移；必须确定包装材料的阻湿性质；必须确定怎样的水分含量能抑制微生物生长；需要预测食品的化学和物理性质的稳定性与水分含量 的关系。,食品低水分部分MSI（20）,对应上图,我们试图采用一种理想化的模式,依据水分子与食品中化学分子的亲和状态,将水分成三个类别:邻近水-单分子层水(结合水中结合力最大的);多层水-位于以上所说的第一层的剩余位置的水和邻近水 的外层形成的几个水层。自由水可以自由流动。为了更好地解说这些概念，我们来分析一下下面的图：,右图是某产品的MSI。,C1为产品最初水分，因其中水分含量高（含自由水），水分活度几近1.0,空气的平衡相对湿度100%；随着干燥过程进行，当产品水分降至Ce时，产品水分活度不变，平衡相对湿度也不变，水分快速蒸发；如产品中水分降至C0，则空气中相对湿度已经是e（100%），继续干燥，产品水分活度将继续下降，此时出去的将是结合水，即产品中结合水数值上等于C0，称临界水分。,不同水分含量与水分活度之间的关系不仅与温度有关，而且与产品性质有关。,第五节 水分活度与食品稳定性,水分活度对食品稳定性的影响主要表现在两个方面：对微生物生长的影响 见后表。对化学反应的影响 对食品质地的影响 饼干、膨化玉米花和油炸马铃薯片的脆性，防止砂糖、奶粉和速溶咖啡结块，以及硬糖果、蜜饯等粘结，均应保持适当低的aw值。,水分活度对化学反应的影响,对淀粉老化的影响 水分含量60%，或15%不会发生老化；对脂肪氧化酸败的影响对蛋白变性的影响 加速蛋白氧化，导致变性。对酶促褐变的影响 w降低到0.250.30，可以减缓或阻止酶促褐变。,冷冻是保藏大多数食品最理想的方法，其作用主要在于低温，而不是因为形成冰。具有细胞结构的食品和食品凝胶中的水结冰时，将出现两个非常不利的后果，即水结冰后，食品中非水组分的浓度将比冷冻前变大；同时水结冰后其体积比结冰前增加9。食品冻结出现的浓缩效应，使非结冰相的pH、可滴定酸度、离子强度、粘度、冰点、表面和界面张力、氧化-还原电位等都将发生明显的变化。,冰在食品稳定性中的作用,冰冻过程中，溶液中有氧和二氧化碳逸出，水的结构和水与溶质间的相互作用也剧烈地改变，同时大分子更紧密地聚集在一起，使之相互作用的可能性增大。上述所发生的这些变化常常有利于提高反应的速率。由此可见，冷冻对反应速率有两个相反的影响，即降低温度使反应变得非常缓慢，而冷冻所产生的浓缩效应有时却又导致反应速率的增大。所以，在低于结冰温度时的反应速率与Arhenius 方程存在很大的偏离。,冰在食品稳定性中的作用,食品冷冻时加速非褐变反应的实例,食品冷冻时加速非褐变反应的实例,贮藏温度,不溶性蛋白质占总蛋白的%,牛肉贮藏30d 温度对蛋白质不溶解性的影响,第一章习题,一、名词解释结合水：结合水通常是指存在于溶质或其他非水组分附近的那部分水，它与同一体系中的体相水比较，分子的运动减小，并且使水的其他性质明显地发生改变。化合水：水在复杂体系中，结合得最牢固的，是构成非水物质组成的这部分水，它只占高水分食品中总水分含量的一小部分。邻近水：它是处在非水组分亲水性最强的基团周围的第一层位置，与离子或离子基团缔合的水是结合最紧密的邻近水。是指水-离子和水-偶极的缔合作用，与非水组分的特定亲水位置发生强烈相互作用的那部分水。,多层水：是指位于以上所说的第一层的剩余位置的水和邻近水的外层形成的几个水层。尽管多层水不像邻近水那样牢固地结合，但仍然与非水组分结合得非常紧密，且性质也发生明显的变化。水分活度：可用下式表示 p 为某种食品在密闭容器中达到平衡状态时的水蒸汽 分压;p0为在同一温度下纯水的饱和蒸汽压。,第一章习题,试描述水分子的结构特征。试分析两类不同的离子对水作用的区别。试描述笼形水合物的构成。试简单介绍三种水分活度测定方法。试分析水分活度与温度的关系。水分活度对食品稳定性有哪些影响？试分析冷冻对反应速率有哪些影响？,第一章习题,简答题,