《食品中的水分》PPT课件.ppt
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1、第二章食品中的水分,主要内容,一、水在食品中的作用二、食品中水和冰的结构及其物理性质三、食品中水的存在状态四、食品中水的含量及其表示方法五、水分活度与食品稳定性的关系六、冰在食品稳定性中的作用七、食品中水分的转移及其对食品品质的影响,一、水在食品中的作用,水是唯一以三种物理状态广泛存在的物质,战争之源“下一场世界大战将是对水资源的争夺”,水对于生命是必需的。,一、水在食品中的作用,溶剂反应物或反应介质浸涨剂传热介质去除食品加工过程中的有害物质生物大分子化合物构象的稳定剂,补充知识点1:化合物的构象,在顺构象中,两个碳上连接的氯原子和氢原子之间的距离最近,产生强排斥作用,内能最高,是该分子最不稳
2、定的构象;在反叠构象中,氯原子和氢原子之间相距最远,相互间的排斥力最小,内能最低是该分子最稳定的构象。,构象是指在一个分子中不改变共价键的结构,仅靠单键周围原子位置的不同所产生的空间排布的形象。,一种构象改变为另一种构象时,共价键是不断裂的。,二、水和冰的结构及其物理性质,单个水分子的结构示意图,1、水的结构,(1)单个水分子的结构,H-O键为104.5,比正四面体(109 28)要小。O-H核间距为0.096nm氧和氢原子的范德华半径分别为0.14nm和0.12nm。,(2)单个水分子的结构特征,H2O分子的四面体结构具有对称性H-O共价键有离子性氧的另外两对孤对电子有静电力H-O键具有电负
3、性典型的极性分子,补充知识点2:极性分子,从整个分子来看,分子中正负电荷的中心不重合,电荷的分布不均匀、不对称,这样的分子为极性分子。,思考题:水、乙醇、煤油都是极性分子,它们能相溶吗?,原因:水和乙醇分子间能形成氢键;乙醇和煤油分子中含有烷基;水与煤油的分子结构没有相似的地方。,注意在考虑物质溶解性的时候,不能将相似相溶这一规律简单的理解为溶质和溶剂的极性,还应考虑它们的分子结构和分子间作用力等问题。,(3)水分子的缔合,在水分子中,由于两种原子电负性的差别,氢、氧之间的共用电子对强烈偏向氧原子,使氢原子成为带有部分正电荷,表现出裸质子的特征;而氧原子则带有部分负电荷,具有吸引质子的能力。,
4、这个半径很小并带有部分正电荷的质子,能与另外一个水分子中带有部分负电荷的氧原子之间产生的静电引力,这种作用力比共价键弱,比纯水之间的作用力强,称之为“氢键”。,(3)水分子的缔合,在三维空间上水分子通过形成多重氢键发生缔合作用;每个水分子具有相等数目的氢键给体和受体,能够在三维空间形成氢键网络结构。,(4)水分子缔合的原因,H-O键间的电荷非对称分布使H-O键具有极性,这种极性使分子之间产生引力;每个水分子具有数目相等的氢键供体和受体,因此可以在三维空间形成多重氢键;静电效应。水在三维空间形成氢键键合的能力,可以从理论上解释水的许多性质。,在通常情况下,水有气、液、固态三种存在状态,水的存在状
5、态与水分子之间的缔合程度有关。在气态下,水分子之间的缔合程度很小,可看作水分子是以自由的形式存在;在液态,水分子之间有一定程度的缔合,可看作没有游离的水分子,由此可理解为什么水具有高的沸点;在固态,就是结冰的状态下,水分子之间的缔合数是4,每个水分子都固定在相应的晶格里,这也是水的熔点高的原因。,(5)缔合程度与水的存在状态之间的关系:,(6)水分子间的缔合程度取决于温度。,T在0-4范围内,配位数对水的密度的影响占主导,T,配位数,冰融化成水,密度;,T4,水分子的布朗运动对水的密度的影响占主导,T,热膨胀作用使邻近水分子之间的距离,密度;,综合两种影响的结果:3.98时,水的密度最大。,水
6、具有一定的黏度,也具有流动性。水具有一定的黏度是因为水分子在大多数情况下是缔合的,而水具有流动性是因为水分子之间的缔合是动态的。水分子不仅相互之间可以通过氢键缔合,而且可以和其它带有极性基团的有机分子通过氢键相互结合,所以糖类、氨基酸类、蛋白质类、黄酮类、多酚类化合物在水中均有一定的溶解度。,(7)水分子的缔合与水的其它性质,水是呈四面体的网状结构;水分子之间的氢键网络是动态的;水分子的氢键键合程度取决于温度。,(8)水分子的结构特征,2、冰的结构,冰是水分子通过氢键相互结合、有序排列形成的低密度、具有一定刚性的晶体结构。在冰的晶体结构中,每个水和另外4个水分子相互缔合,O-O之间的最小距离为
7、0.276nm,O-O-O之间的夹角为109。,冰的基础平面图,冰是由两个高度略微不同的平面构成的结合体,(a)是沿c轴方向观察到的六方形结构(b)是基础平面的立体图(圆圈代表水分子的氧原子,空心和实心圆圈分别表示上层和下层的氧原子),冰的扩展结构图,显微镜下的冰,按冷冻速度和对称要素,冰可分为四大类:六方形冰晶不规则树枝状结晶粗糙球状结晶易消失的球状结晶及各种中间体,冰的分类,在冷冻食品中冰总是以最有序的六方形冰晶存在。,六方型冰晶,六方形冰晶形成的条件,冰晶的晶形、数量、大小、结构、位置和取向等,受食品中溶质的种类、数量以及冻结速度的影响。,在最合适的低温冷却剂中缓慢冷冻;溶质的性质及浓度
8、均不严重干扰水分子的迁移。,3、水和冰的物理性质(P15表2-2),9倍,3、水和冰的物理性质,水具有较低的密度,在结冰是显示出异常的膨胀特性。水(H2O)与元素周期表中邻近氧的某些元素的氢化物(CH4、NH3、HF、H2S)相比较,除了黏度以外,其他性质显著差异。水的熔、沸点、表面张力、介电常数、热容、相变热等物理常数均较高。,补充知识点3:表面张力,表面张力:促使液体表面收缩的力,以水为例:在水内部的水分子受到周围水分子的作用力的合力为0,但在表面的水分子因外部气相分子对它的吸引力小于内部水分子对它的吸引力,所以该分子所受合力不为零,其合力的方向垂直指向液体内部,结果导致液体表面具有自动缩
9、小的趋势。表面张力是物质的特性,其大小与温度和界面两相物质的性质有关。,补充知识点4:介电常数,介电常数:溶剂对两个带相反电荷离子间引力的抗力的度量,是溶剂一个重要的性质。,0水与0冰的物理性质与食品质量关系,冰的密度比水小,表现出异常的膨胀行为结果:含水食品在冻结过程中组织结构遭到破坏损伤冰的热扩散率是水的9倍结果:在一定环境条件下,冰的温度变化速度比水大得多,思考题:为什么在温差相等的情况下,生物组织的冷冻速率比解冻速率更快?,水和冰的性质对食品加工的影响,食品中的水均是溶解了一定水溶性成分的溶液,因此食品结冰的温度均低于0。把食品中水完全结晶的温度叫低共熔点,大多数食品的低共熔点在-55
10、-65之间。冷藏食品一般不需要如此低的温度。如我国冷藏食品的温度为-18,离低共熔点相差甚多,但是大部分水已经结冰,且在-1-4之间就已经完成了大部冰的形成过程。现代食品冷藏技术中提倡速冻,这是因为速冻形成的冰晶细小,呈针状,冻结时间短且微生物活动受到更大限制,因而食品品质好。,三、食品中水的存在状态,1、水与溶质的相互作用,溶质和水混合时,亲水溶质会改变邻近水的结构和流动性,水会改变亲水溶质的反应性。,(1)水与离子和离子基团的相互作用,离子或离子基团(Na+,CI-,NH3+等)通过自身的电荷与水分子相互作用;Na+与水分子的结合能力约是水分子氢键的4倍;与离子或离子基团相互作用的水,是食
11、品中结合最紧密的一部水;离子对水的结构起破坏作用。,(2)水与中性基团的相互作用,水能与某些基团,如羟基、氨基、羰基、酰胺基和亚氨基等极性基团,发生氢键键合。水与亲水性溶质之间的氢键键合比水与离子之间的相互作用弱,这种氢键作用的强度与水分子之间的氢键相近。,在生物大分子的两个部位或两个大分子之间可以由几个水分子构成“水桥”。“水桥”可维持大分子的特定构象,(3)水与非极性物质的相互作用,在食品中加入疏水性物质(烃、稀有气体、含非极性基团的有机物等),疏水基团与水分子之间产生斥力,从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强,结构更为有序;疏水基团之间相互聚集,从而使它们与水的接触面积减小疏水基
12、团具有两种特殊的性质:蛋白质分子产生的疏水相互作用,形成笼形水合物。,疏水水合,向水中添加疏水物质时,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,此过程成为疏水水合。,当水与疏水物质接触时,为减少水与疏水基团界面接触的面积,疏水基团之间进行缔合,这种作用称为疏水相互作用。,疏水相互作用,疏水基团缔合或发生“疏水相互作用”,引起了蛋白质的折叠。疏水相互作用是蛋白质折叠的主要驱动力。同时也是维持蛋白质三级结构的重要因素,球状蛋白质的疏水相互作用,象冰一样包含着非极性化合物;水是“宿主”,一般由20-74个水分子组成,它们靠氢键键合形成象笼一样的结构,通过物理方式将非极性
13、物质截留在笼内;被截留的物质称为“客体”,较典型的客体有低分子量烃,稀有气体,卤代烃等。,笼形水合物,2、水的存在状态,又称自由水,指不与食品中任何成分化合或吸附的水,体相水,又称束缚水,通常指存在于溶质和其他非水成分附近,并通过化学键与它们结合的那部分水。,结合水,水,结合水与体相水之间难以作定量的划分,但可定性的区别:,结合水的量与食品中所含极性物质的量估有比较固定的关系,如100g蛋白质大约可结合50g 的水,100g淀粉的持水能力在3040g;结合水的蒸气压比自由水低得多,所以在一定温度下(100)下结合水不能从食品中分离出来;结合水不易结冰,由于这种性质使得植物的种子和微生物的孢子得
14、以在很低的温度下保持其生命力;而多汁的组织在冰冻后细胞结构往往被体相水的冰晶所破坏,解冻后组织立即崩溃;,结合水不能作为可溶性成分的溶剂,即丧失了溶剂能力;结合水对食品品质和风味有较大的影响,当结合水被强行与食品分离时,食品质量、风味就会改变;体相水可被微生物所利用,结合水则不能。,结合水与体相水之间难以作定量的划分,但可定性的区别:,四、食品中水的含量及其表示方法,1、食品含水量(水分含量),在温度、湿度一定时,与外界环境处于平衡状态时食品的总含水量。,2、部分食品的含水量(P12,表2-1),水是食品的主要组成成分;不同种类的食品都有显示其品质特性的含水量;水分含量、分布和状态对食品的结构
15、、外观、质地、风味和新鲜程度都会产生极大的影响;水是引起食品化学变化及微生物作用的重要原因,直接关系到食品的储藏特性。,思考题:面包和果酱的含水量都约为35%,哪种更耐储藏?为什么?,面包中含的体相水比较多,所以质地柔软,口感好;果酱通过加糖浓缩,体相水减少,结合水比例增大,提高了溶质的浓度,从而降低食品的腐败性。,食品中水分含量的数值不能反映食品中水分的存在状态,不是食品腐败性的可靠指标。,3、水分活度,(1)水分活度的定义,在室温低压时,/0和p/p0(PVP)之间的差别小于 1%,所以也可以用p/p0来表示水分活度。Aw=p/p0注意上述公式成立的前提是理想溶液并达到热力学平衡,但食品体
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