第二章水分思维导图

这是一个关于第二章思维导图，主要包含概述、水和冰的结构与性质、食品中水与非水组分之间的相互作用、水与食品的稳定性等。

水分

概述

水在食品中的作用

食品理化性质：水在食品中起着溶解、分散蛋白质、淀粉等成分的作用，使它们形成溶液或凝胶。

食品质地方面：水对食品的鲜度、硬度、流动性、呈味、耐贮性和加工适应性都具有重要的影响。

食品的安全性：水是微生物繁殖的必需条件。

食品工艺角度：水起着膨润、浸透、均匀化等功能；大多数食品加工的单元操作都与水有关(干燥、浓缩、冷冻等)。

水在生物体内的功能

1.水是体内物质运输的载体

2.体内各类生物化学反应的反应物和反应介质

3. 生物大分子构象的稳定剂

4. 体温良好的稳定剂

5.体内摩擦的润滑剂

水和冰的物理性质

水在4℃时密度最大为1，0℃时冰的密度为0.917。

水的熔点和沸点相当高。

水的比热比较大水的导热率高。

水的导热率高，冰的热扩散率比水大，约为水的9倍。

水的溶解能力强。

水结冰时体积增大。

水和冰的结构与性质

水分子的结构

偶极子；两个0-H键间夹角104.5°；H带部分正电荷；O带部分负电荷；四面体结构，O位于四面体中心，四个顶点中两个被氡原子占据，另两个被O原子的两对孤对电子占据。

水分子的缔合

水分子能与周围的水分子间形成氢键，氢健与共价键(355kJ/mol)相比是弱碱(2~40kJ/mol)

每个水分子最多与4个水分子通过氢键缔合。

每个水分子具有数量相等的氢键给予体和氢键接受体的部位，因此，存在于水分子间的吸引力仍然是特别大的。

水合氢离子带正电荷，比非离子化水具有更大的氢键给予能力，羟基离子带负电荷，比非离子化水具有更大的氢键接受能力。

氢键网络处于动态变化：水分子间可移动。

水的密度在3.98C最大 （水密度与温和配位数有关）

水的结构

混合结构模型

连续结构模型

填障式模型

冰的结构

纯水并不在0℃时结冰。

三维氢键缔合，水分子的有序排列，低密度的刚性结构。

主要的4种结构：六方形、不规则树状、粗储球状、易消失的球晶。

无定形或玻璃态结构。

常压下，只有普通六方晶型冰在0℃时是稳定的。

食品中水与非水组分之间的相互作用

食品中水与非水组分之间的相互作用

水与离子及离子基团的相互作用

离子水合作用：偶极离子键（偶极-离子键的强度大于水-水氢键的强度，但是远小于共价键的强度）。

离子/离子基团对水结构和性质的影响（与电场强度有关

小离子或多价离子产生强电场，流动性减小、粘度增加。

离子和单价负离子产生较弱的电场，流动性增加、粘度减小。

加入可解离的溶质会破坏纯水的正常结构，改变水的流动性。

水与具有形成氢键能力的中性基团的相互作用

氢键

一般具有形成氢犍能力的溶质可强化纯水结构。

特例：尿素--氢键的位置和取向不相容与纯水氢键。

水桥：生物大分子的两个部位或两个生物大分子被水分子通过氢键连接起来。

水与非极性物质的相互作用

疏水水合

定义:向水中加入疏水性物质，如烃类、稀有气体、以及脂肪酸、氨基酸和蛋白质的非极性基团，由于极性的差异造成体系熵的减少，在热力学上是不利的，此过程称为疏水水合。

疏水相互作用:当水与非极性基团接触时，为减少水与非极性实体的界面面积，疏水基团之间进行缔合，这种作用称为疏水相互作用，是疏水水合的部分逆转，也称“疏水缔合”。

笼状水合物:也称为“冰状包合物”，水为“主体”物质，通过氢键形成了笼状结构，后者物理截留了被称为“客体”的非极性小分子化合物。

主体：一般由20 ~70个水分子构成。

客体：低分子量的烃和卤代烃，稀有气体，CO，、SO，、乙醇、磷酸、环氧己烷丶烷基铵盐等。

食品中水的存在形式

结合水

分类

化合水

邻近水

多层水

特点

低温下不能结冰；

不能被微生物所利用；

不能作为外加溶质的溶剂；

低流动性。

自由水

分类

滞化水

毛细管水

自由流动水

特点

易结冰；

利用加热的方法可以从食品中分离；

可以作为溶剂；

可被微生物利用。

水分活度

水分活度及其测定

含义：反映水与非水组分的缔合程度；食品中水的可利用/自由程度。

定义:是指食品中水的蒸气压与同温度下纯水的饱和蒸气压的比值。

测定方法

冰点测定法

相对湿度传感器测定法

恒定相对湿度平衡室法（扩散法）

水分活度仪测定法

水分活度不是腐败性的可靠指标。

水分活度与温度的关系

测定水分活度时必需标明温度。

克劳修斯-克拉佩龙方程。

冰点上下水分活度的特点

温度对Aw的影响在冰点以下远大于在冰点以上；

在冰点以上，Aw可作为预测食品腐败程度的可靠指标；

在冰点以上，Aw是样品组成和温度的函数，前者是主要的影响因素；

在冰点以下，Aw与样品组成无关，仅与温度有关；

不能根据冰点以下温度的Aw预测冰点以上温度的Aw；

在冰点以上和以下温度时，Aw对食品稳定性的意义是不同的。

水分活度与水分含量的关系

水分的吸附等温线

定义:在恒定温度下，以食品的水分含量(每单位质量干物质中水的质量)对它的水分活度绘图形成的曲线，称为水分吸附等温线(MSI)。

绘制方式

解吸等温线:

回吸等温线:

区域划分

I区:aw=0~0.25，水分含量为0~7%，是被牢固地吸附着，是食品中最难流动的水。通过水-离子或水-偶极相互作用与可接近的极性部位缔合。在-40℃不能结冰，不具有溶解溶质的能力，不对食品的固形物产生可塑作用。可看做固体的一部分，它代表了构成水与邻近水。

Ⅱ区：aw=0.25~0.85，水分含量为7~27.5%，主要是非水组分第一层剩余的位置和亲水基团周围另外几层的位置，实际上就是多层水，主要靠水-水氢键和水-溶质氢键缔合，流动性比自由水差一些，大部分在-40℃不能结冰。从2区的低水分端开始，他们将起到膨润和部分溶解的作用，会加速化学反应的速度。

Ⅲ区：aw>0.85，水分含量>27.5%，是游离水，最易流动的水，既可以结冰，也可以作为溶剂，有利于化学反应的进行和微生物的生长。

形状:大多数食品的MSI呈S形，而水果、糖制品、含大量糖、可溶性小分子咖啡提取物以及多聚物含量不高的食品的MSI呈J形。

等温线的滞后现象

定义:采用向干燥样品中添加水的方法绘制的水分吸附等温线和按解吸过程绘制的等温线并不相互重叠这种不重叠性称为滞后现象。

造成的主要原因

解吸过程中的一些吸水部位与非水组分作用而无法释放出来；

食品不规则形状产生的毛细管现象，欲填满或抽空水分需要不同的蒸气压；

解吸过程，因组织改变，当再次吸水时无法紧密结合，还未充分被食品组分束缚，不能使食品完全复原，导致回吸相同水分含量时，处于较高的Aw。

滞后环

定义:

类型

高糖-高果胶食品

高蛋白食品

淀粉质食品

水与食品的稳定性

水分活度与食品的稳定性

Aw与微生物生命活动的关系

Aw与食品化学反应的关系

Aw对脂肪氧化的影响

Aw对美拉德反应的影响

Aw对色素稳定性的影响

Aw与酶促反应的关系

Aw与食品质构的关系

冷冻与食品的稳定性

冷冻保藏食品的原理

冻结对微生物活动的影响:“低温抑菌”，在-18℃微生物生长在很大程度上受到抑制，甚至死亡食品冻结后，可被微生物利用的液态水大量减少，溶液浓度增大，渗透压也会增大，对微生物的活动产生抑制；

冻结对生物化学反应的影响酶活性降低大分子物质（糖、脂类、蛋白质等）的降解与合成变慢。

冰的形成对食品品质的影响

膨胀反应（食品的体积增大）:体积相应增加9%，细胞状食品受到机械损伤，造成食品解冻后汁液的流失；酶与底物接触，发生良反应。

冷冻浓缩效应:在非冻结相中非水组分的浓度增加，最终引起食品体系的理化性质改变。

冻藏食品的方法

快速冻结:冰晶数量多，颗粒小，在肌肉组织中分布比较均匀，破坏性很小，解冻融化后的水可以渗透到肌肉组织的内部，基本上保持原有的风味和营养价值。

缓慢冻结:冰晶数量少、颗粒大，破坏性强，汁液流失严重，风味和营养价值的损失比较严重。

速冻的肉，解冻时一定要采用缓慢解冻的方法。

在商业上，尽量采用速冻和缓慢解冻的方法。