《食品中的水》PPT课件.ppt
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1、,第二章 食品中的水,概述水和冰的结构及性质食品中水的存在状态水分活度吸湿等温线水分活度与食品稳定性冰在食品稳定性中的作用含水食品的水分转移分子流动性对食品稳定性的影响,主要内容,2.1 概述,是食品的主要组成成分,因而食品中水的含量、分布和状态对食品的结构、外观、质地、风味、新鲜度产生极大的影响。食品中水分是引起食品化学性或微生物性变质的重要原因,直接关系到食品的储藏特性。,2.1.1 水在食品中的作用,1 水在食品工艺学方面的功能及作用a 从食品理化性质上讲,水在食品中起着溶解、分散蛋白质、淀粉等说溶性成分的作用,使它们形成溶液或凝胶。b 从食品质地方面讲,水对食品的鲜度、硬度、流动性、呈
2、味、耐贮性和加工适应性都具有重要的影响。c 从食品安全性讲,水是微生物繁殖的必需条件,但水能去除食品加工过程中的有害物质。d 从食品工艺的角度讲,水起着膨润、浸透、均匀化等功能。,2 水在食品生物学方面的功能和作用a 水是食品中的介质,亦是化学反应的反应物和产物,是组织或细胞所需养分和代谢物质以及排泄物质转运的载体。b 稳定生物大分子的构象,使之表现出特异的生物学活性。c水的比热大,可用来调节温度、平衡温度。d水是构成机体的重要成分。e水可对体内的机械摩擦产生润滑,减少损伤。,2.1.2水和冰的物理性质,1 水的三态 水是地球上唯一的以三种物理状态同时存在的物质。,潜热:在冰融化为水和水汽化为
3、水蒸汽的过程中,热量的加入,只使水的相态发生了变化,没有温度的升高,在食品工程上,此类热量均称为潜热。显热:与潜热相对应,无相变时,使冰、水、汽温度升高的热量则称为显热。,2 水和冰的物理性质,水和冰的物理常数,a.水的熔点、沸点、介电常数、表面张力、热容和相变热均比质 量和组成相近的分子高得多,这些特性将对食品加工中的冷冻和干燥过程产生很大的影响;b.水的密度较低,水在冻结时体积增加,表现出异常的膨胀行为,这会使得含水的食品在冻结的过程中其组织结构遭到破坏;c.水的热导率较大,然而冰的热导率却是水同温度下的4倍。这说明冰的热传导速度比非流动水(如动、植物组织内的水)快得多;因此水的冻结速度比
4、熔化速度要快得多;d.冰的热扩散速度是水的9倍,因此在一定的环境条件下,冰的温度变化速度比水大得多。,2.2水和冰的结构及性质2.2.1水分子的结构,单个水分子的结构特征,a 水分子的四面体结构有对称性。b HO共价键有离子性。C 氧的另外两对孤对电子有静电力。d HO键具有电负性。,2.2.2 水分子的缔合,由于水分子的极性及两种组成原子的电负性差别,导致水分子之间可以通过形成氢键而呈现缔合状态。,由于每个水分子上有四个形成氢键的位点,因此每个水分子的可以通过氢键结合4个水分子。,由于水分子之间可以以不同数目和不同形式结合,因此缔合态的水在空间有不同的存在形式,如:,由于水分子之间除了通过氢
5、键结合外,还有极性的作用力,因此水分子之间的缔合数可能大于4。,2.2.3 冰的结构,1 纯冰 冰是水分子通过氢键相互结合、有序排列形成的低密度、具有一定刚性的六方形晶体结构。2 冰的分类(按冷冻速度和对称要素分)a六方形冰晶;b不规则树枝状冰晶;C粗糙的球状冰晶;d易消失的球状冰晶及各种中间体。,2.2.4 液态水的结构,a水是呈四面体的网络结构;b水分子之间的氢键网络是动态的;C水分子氢键键合程度取决于温度.,水部分地保留了冰的敞开、氢键和四面体排列 例证:冰的融化热是6.02可kJ/mol,而水分子间氢键的键能为13-25 kJ/mol,因此即使融化热全部用来打断冰中的氢键,至多也只有0
6、.5 mol氢键被打断,因此冰融化为水后,原存在与于冰内的大量氢键依然保存在液态水中。水和冰的结构分析,可解释水和冰物理性质上的众多异常(水与结构相似的化合物相比,具有较高的熔点、沸点、热容、相变热)和差异(水的密度比冰大,冰的热传导系数比同温度下的水大)。这些与打破分子间氢键所需的额外能量及冰与水的结构有关。,2.3食品中水的存在状态,2.3.1 水与溶质的相互作用1 食品中水与离子和离子基团的相互作用 即离子水合作用,是结合最紧密的水,水与离子和离子基团的相互作用,许多食品成分,如蛋白质、多糖(淀粉或纤维素)、果胶等,其结构中含有大量的极性基团,如羟基、羧基、氨基、羰基等,这些极性基团均可
7、与水分子通过氢键相互结合。因此通常在这些物质的表面总有一定数量的被结合、被相对固定的水。,2 与具有氢键键合能力的中性分子或基团的相互作用,水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用,3 与非极性物质的相互作用,非极性的分子通常包括烃类、脂类、甾萜类等,通过化学的手段也可在一些含极性基团的分子(如蛋白质等)中引入非极性部分(基团)。当水中存在非极性物质,即疏水性物质时,由于它们与水分子产生斥力,可以导致疏水分子附近的水分子之间的氢键键合增强。,2.3.2食品中水的存在状态及性质,结合水:包括化合水、邻近水和多层水;自由水:包括滞化水、毛细管水和自由流动水。,2.4 水分活度,水分活度是食品中水的
8、蒸汽压和该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值,其计算:aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)aw:水分活度 P:某种食品在密闭容器中达到平衡时的水蒸气分压,P0:相同温度下的纯水蒸汽压 ERH:样品周围的空气平衡相对湿度 N:水的摩尔分数 n1:水的摩尔数 n2:溶质的摩尔数,水分活度的定义与测定方法,n2 可通过测定样品的冰点,计算得到 n2=G.Tt/1000Kt G:样品中溶剂克数 Tt:冰点降低 Kt:水的摩尔冰点降低常数(1.86),水分活度的测定方法,冰点测定法 测定样品的冰点降低和含水量,计算水分活度。精确度好。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
9、小容器中,使其达到平衡,测得密闭容器中空气的平衡相对湿度即可计算水分活度。恒定相对湿度平衡室法 样品置于恒温密闭的小容器内,用饱和盐溶液使容器内样品的环境空气的相对湿度恒定,待平衡后测样品的含水量变化,即可计算得样品的水分活度。水分活度仪测定样品的Aw,2.4.2水分活度和温度的关系上边对于水分活度定义及测定方法的叙述中,均强调了在一定的温度下。也就是说温度对于水分活度的值有较大的影响。物理化学中的克劳修斯-克拉贝龙方程精确表示了水分活度与绝对温度(T)之间的关系:dlnaw/d(1/T)=-H/R.(1)其中R为气体常数,H为样品中水分的等量净吸附热。整理此式可得:lnaw=-kH/R(1/
10、T)(2)其中:此处的H 可用纯水的汽化潜热表示,是常数,其值为40537.2J/mol;,K的直观意义是在达到同样水蒸气压时,食品的温度比纯水温度高出的比值,本质反映了食品中非水成分对水活性的影响。食品中非水成分越多并且与水的结合能力越强,k值越大,相同温度时aw值越小;反之亦然。讨论:a.由公式(2)可知,lnaw-1/T之间为一直线关系,其意义在于:一,水分活度与温度的关系实例,定样品水分活度的对数在不太宽的温度范围内随绝对温度的升高而正比例升高。b.但在较大的温度范围内,lnaw-1/T之间并非始终为一直线关系;当冰开始形成时,lnaw-1/T曲线中出现明显的折点,冰点以下lnaw-1
11、/T的变化率明显加大了,并且不再受样品中非水物质的影响;这是因为此时水的汽化潜热应由冰的升华热代替,也就是说前述的aw与温度的关系方程中的H值大大增加了。要解释冰点以下aw与样品的组成无关,现在的观点认为,在冰点以下样品的蒸气分压等于相同温度下冰的蒸气压,并且水分活度的定义式中的p0此时应采用过冷纯水的蒸气压。由b可以得出结论:在比较冰点以上或冰点以下的水分活度值时应该注意到以下两个重要的区别。第一,在冰点以上,水分活度是样品组成和温度的函数,并且样品组成对于水分活度值有明显的影响;而在冰点以下时,水分活度与样品的组成无关,仅与温度有关。因此不能根据冰点以上水分活度值来预测体系中溶质种类和含量
12、对冰点以下体系发生变化的影响。第二,冰点以上和以下时,就食品而言,水分活度的意义是不一样的。例如:在水分活度为0.86的-15的食品中,微生物不再生长,其它化学反应的速度也很慢;但在同样的水分活度而温度是20情况下,一些化学反应将快速进行,一些微生物也将中等速度生长。,2.5 吸湿等温曲线2.5.1定义及测定方法1定义:在恒定温度下,食品的水含量(以g水/g干物质表示)对其活度形成的曲线称为等温吸湿曲线(MSI)。大多数食品或食品原料的吸湿等温线为S型,而水果、糖制品、含有大量糖和其他可溶性小分子的咖啡提取物等食品的吸湿等温线为J型。如图:,2 测定方法:,在恒定温度下,改变食品中的水分含量,
13、测定相应的活度,以水分含量为纵轴、Aw为横轴画出曲线。,2.5.2 MSI中的分区一般的MSI均可分为三个区,如下图所示:,区:为构成水和邻近水区,即与食品成分中的羧基、氨基等基团通过水-离子或氢键、静电引力相互结合的那部分水。由于这部分水比较牢固的与非水成分结合,因此aw较低,一般在00.25之间,相当于物料含水量00.07g/g干物质。这种水不能作为溶剂而且在-40不结冰,对固体没有显著的增塑作用,可以简单的看作固体的一部分。值得注意的是,一般把区和区交界处的水分含量称为食品的“单分子层”水含量,这部分水可看成是在干物质可接近的强极性基团周围形成一个单分子层所需水量的近似值。,食品单分子层
14、水含量的意义及计算:意义:由于一般食品当其含水量接近单层值时,有最大的稳定性,因而根据具体对象确定其单层值,对于食品的有效保存是非常重要的。计算:a.公式法:BET(Brunaer,Emmett,Teller)方程式:,其中:m:水分含量(g水/g干物质)m1:单层值 C:常数b.作图法:以Aw/m(1-Aw)Aw作BET图,在一定范围内有较好的 线性关系。由图上可以直接测量出Y轴截距及斜率;通过下式求出M1值。,区:,多层水区,即占据固形物表面第一层的剩余位置和亲水基团的另外几层位置,主要以水溶质、水水以氢键和缔合作用与邻近的分子结合,也包括直径小于1m的毛细管的水;这部分水的aw一般在0.
15、250.8之间,相当于物料含水量在0.07g/g干物质至0.140.33g/g干物质。当食品中的水分含量相当于区和区的边界时,水将引起溶解过程,它还起了增塑剂的作用并且促使固体骨架开始溶胀。溶解过程的开始将促使反应物质流动,因此加速了大多数的食品化学反应。,区:自由水区,aw在0.80.99之间,物料最低含水量在0.140.33 g/g干物质。这部分水是食品中与非水物质结合最不牢固、最容易流动的水,也称为体相水。其蒸发焓基本上与纯水相同,既可以结冰也可作为溶剂,并且还有利于化学反应的进行和微生物的生长。在凝胶和细胞体系中,体相水以物理的方式被截留,其宏观流动性受到影响,但它与稀盐溶液中水的性质
16、相似。,按照吸湿等温线将食品中所含的水分作三个区,对于食品中水的应用及防腐保鲜具有重要的意义。分区是相对的。因为除化学吸附结合水外,等温线每一个区间内和区间与区间之间的水都可以发生交换。另外,向干燥物质中增加水虽然能够稍微改变原来所含水的性质,即基质的溶胀和溶解过程,但是当等温线的区间增加水时,区间水的性质几乎保持不变;同样在区间内增加水,区间的性质也几乎保持不变。食品中结合得最不牢固的那部分水对食品的稳定起着重要的作用。,2.5.3滞后现象,回吸等温线:在恒定条件下,把水逐步渗透到干燥的食品中,在测定了不同吸湿阶段的水分活度后绘制出来的等温线,滞后现象即向干燥的样品中添加水(回吸作用)后绘制
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