水

食品化学--水，介绍了水和冰的结构和性质、食品中水的存在状态、水分转移与食品稳定性、冷冻与食品的稳定性、水分活度与食品的稳定性、水分的吸湿等温线、水分活度的知识。

水

• 水和冰的结构和性质
  • 水和冰的物理特性
    • 介电常数
      • 熔点、沸点、比热容、熔化热、蒸发热、表面张 力和介电常数都明显较高。
    • 密度
      • ρ水>ρ冰
        • 水的密度较低，水的密度高于冰，水结冰后体积增加9%
      • 为什么食物在解冻后会有大量的汁液流出？
        • 水的密度高于冰，冻结后冰的体积比相同质量的 水的体积增大9%，破坏了食物细胞组织结构 。
    • 导热性
      • 为何冷冻速度比解冻速度快
  • 水和冰的结构
    • 水
      • 单个水分子结构
        • H-O键键角104.5°
        • H-O核间距0.096nm
        • H，O间范德华半径分别为0.14nm和0.12nm
        • 结构特征
          • 水分子的四面体结构有对称性
          • H-O共价键有离子性
          • O的另外两个孤对电子有静电力（范德华力）
          • H-O键具有电负性
      • 水的结构
        • 水的结构特征
          • 水是四面体的网状结构
            • • 每个水分子具有相等数目的氢键给体和受体，水分子间存在着三维氢键缔合网络结构
          • 水的缔合作用
            • H-O键具有极性
              • O原子电负性大于H原子，O-H键的共用电子偏向O原子，O原子成为带有正电荷的裸露质子，水分子偶极化。
          • 水分子之间氢键网络是动态的
          • 水分子氢键键合程度取决于温度
            • 0-4°，水密度增大
            • >4°，水密度降低
        • 结构模型
          • 混合结构模型
          • 连续结构模型
          • 填隙式模型
    • 冰
      • • O-O核间距0.276nm
        • O-O-O键角109°
      • 四种结构类型
        • 六边形
          • 形成条件：在最适低温冷却剂中缓慢解冻，并且溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移
        • 不规则树状
        • 粗糙球状
        • 易变形的球晶
• 食品中水的存在状态
  • 作用力
    • 水和离子和离子基团的相互作用
      • 特点
        • 电场强度较弱的负离子和离子半径大的正离子
          • 阻碍水形成网络结构，流动性大
        • 电场强度就较强、离子半径较小的离子
          • 有助于水形成网络结构，流动性比纯水小
      • 影响
        • 改变水分子的正常结构
        • 改变水的介电常数
        • 影响食品体系的稳定性和生物活性大分子的稳定性
      • 结合对象一般为结合水 水-离子键的相互作用＞水-水间的相互作用。
    • 水和具有氢键键合能力的中性基团的相互作用
      • 特点
        • 比离子水合作用要弱，但水分子之间的氢键相近。
        • 尿素具有破坏作用
        • 与一些生物大分子如蛋白质、酶等或生物大分子的2个氢键部位之间形成“水桥”
        • 增强或维持水分子正常结构
        • 常见的具有氢键键合能力的基团有：氨基、羟基、羧基、酰胺和亚胺基等
    • 水和非极性物质的相互作用
      • 烃类、脂肪酸、氨基酸以及蛋白质 等的非极性基团
      • 作用
        • 疏水水合
          • 疏水相互作用（疏水缔合作用）
          • 笼形水合物
  • 存在形式
    • 分类
      • 自由水（体相水、游离水)
        • 滞化水（不移动水、截留水）
        • 毛细管水
        • 自由流动水
      • 结合水（束缚水、固定水）
        • 化合水、组成水
          • 1.在-40℃下不结冰 2.无溶解溶质的能力，即不能作为溶剂 3.与纯水比较分子平均运动为0 4.不能被微生物利用
          • 最牢固
        • 邻近水
          • 1.在-40℃下不结冰 2.无溶解溶质的能力，即不能作为溶剂 3.与纯水比较，具备微弱的流动性 4.不能被微生物利用
            • 单分子层水
              • 指与食品中非水成分的强极性基团，如食品蛋白质肽链两端的氨基、羧基； 果胶分子中未酯化的羧基等强极性基团， 通常是以离子形式存在，并与水通过氢键结合， 像在非水组织的外层覆盖上一层水膜，按着这种方式结合形成的第一层水称为单分子层水。
            • 微毛细管
          • 结合力为水-离子和水-水偶极间的缔合作用
        • 多层水
          • 1.大多数多层水在-40℃下不结冰，即使结冰，其冰点大大 降低 2.有一定溶解溶质的能力 3.与纯水比较，具备微弱的流动性 4.不能被微生物利用
          • H2O-弱极性键、 H2O- H2O分子间氢键
    • 自由水和结合水的区分
      • 结合水数量和有机大分子的极性基团数量有固定的比例关系
      • 结合水的蒸气压比自由水低
      • 结合水不易结冰（冰点-40℃）
      • 结合水不能作为溶质的溶剂
      • 自由水能为微生物所利用，结合水不能
      • 结合水不易从食品中分离
• 水分转移与食品稳定性
  • 水分的位转移
    • 温度
    • 水分活度
  • 水分的相转移
    • 水分蒸发
    • 水蒸气凝结
• 冷冻与食品的稳定性
  • 冻藏时冰在食品稳定性中的作用
    • 有利的作用
      • 低温情况下，微生物的繁殖被控制、一些化学反应的速度常数降低，但与水从液态转化为固态的冰无关。
    • 不利的结果
      • 体积增大效应
        • 结冰后体积增加9%
      • 冷冻浓缩效应
        • 非水组分浓度增大
  • 玻璃化温度与食品稳定性
    • 玻璃化温度（Tg）
• 水分活度与食品的稳定性
  • 水分活度与微生物
    • 敏感性
      • 细菌>酵母菌>霉菌
    • 水分活度低于0.6，大多数微生物无法生长
  • 水分活度与化学反应
    • 分类
      • Aw与微生物生长关系
        • p29
      • Aw与食品劣变化学反应的关系
        • 微生物生长
        • 酶水解
        • 油脂氧化
          • Aw=0.33为最低点
        • 美拉德反应
          • 赖氨酸损失，褐色产生
        • 其他反应
          • 叶绿素、维生素B1损失
        • p31
• 水分的吸湿等温线
  • 定义
    • 在恒定温度下，以食品的水分含量（用每单位干物质质量中水的质量表示）对它的水分活度绘图形成的曲线
  • 类型
    • 图线
      • J型
        • （含有大量糖及可溶性小分子但不富含高聚物的）水果、糖制品、咖啡提取物
      • S型
        • 大多数食品
    • 水分含量
      • 宽水分含量范围食品的MSI
      • 低水分含量范围食品的MSI
  • 三区域
  • 滞后现象
    • 定义
      • 采用向干燥品中添加水（回吸作用，即物料吸湿）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互相重叠，这种不重叠性称为滞后现象
    • 解吸结合水多于回吸
    • 原因
      • 1、食品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水分； 2、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汽压 （要抽出需要P内>P外，要填满即吸着时需P外>P内）； 3、解吸时将使食品组织发生改变，当再吸水时就无法紧密结合水分，由此可导致较高的水分活度。 4、温度、解吸的速度和程度及食品类型等都影响滞后环的形状。
• 水分活度
  • 定义
    • 指食品中水的蒸汽压与同温下纯水的饱和蒸汽压的比值
  • 水分活度与温度的关系
    • 冰点以上
      • 取决于样品组分和温度
    • 冰点以下
      • 只取决于温度
      • 线性关系存在
    • • 结论： 1、一定温度范围内，lnAW与1/T 呈良好的线性关系，含水量一定 时，T ↑则Aw↑。 2、测定食品的Aw时，必须标明T.
  • 类型
    • 纯水：Aw=1
    • 一般食品：p<p0，Aw<1

水

• 水和冰的结构和性质
  • 水和冰的物理特性
    • 介电常数
      • 熔点、沸点、比热容、熔化热、蒸发热、表面张 力和介电常数都明显较高。
    • 密度
      • ρ水>ρ冰
        • 水的密度较低，水的密度高于冰，水结冰后体积增加9%
      • 为什么食物在解冻后会有大量的汁液流出？
        • 水的密度高于冰，冻结后冰的体积比相同质量的 水的体积增大9%，破坏了食物细胞组织结构 。
    • 导热性
      • 为何冷冻速度比解冻速度快
  • 水和冰的结构
    • 水
      • 单个水分子结构
        • H-O键键角104.5°
        • H-O核间距0.096nm
        • H，O间范德华半径分别为0.14nm和0.12nm
        • 结构特征
          • 水分子的四面体结构有对称性
          • H-O共价键有离子性
          • O的另外两个孤对电子有静电力（范德华力）
          • H-O键具有电负性
      • 水的结构
        • 水的结构特征
          • 水是四面体的网状结构
            • • 每个水分子具有相等数目的氢键给体和受体，水分子间存在着三维氢键缔合网络结构
          • 水的缔合作用
            • H-O键具有极性
              • O原子电负性大于H原子，O-H键的共用电子偏向O原子，O原子成为带有正电荷的裸露质子，水分子偶极化。
          • 水分子之间氢键网络是动态的
          • 水分子氢键键合程度取决于温度
            • 0-4°，水密度增大
            • >4°，水密度降低
        • 结构模型
          • 混合结构模型
          • 连续结构模型
          • 填隙式模型
    • 冰
      • • O-O核间距0.276nm
        • O-O-O键角109°
      • 四种结构类型
        • 六边形
          • 形成条件：在最适低温冷却剂中缓慢解冻，并且溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移
        • 不规则树状
        • 粗糙球状
        • 易变形的球晶
• 食品中水的存在状态
  • 作用力
    • 水和离子和离子基团的相互作用
      • 特点
        • 电场强度较弱的负离子和离子半径大的正离子
          • 阻碍水形成网络结构，流动性大
        • 电场强度就较强、离子半径较小的离子
          • 有助于水形成网络结构，流动性比纯水小
      • 影响
        • 改变水分子的正常结构
        • 改变水的介电常数
        • 影响食品体系的稳定性和生物活性大分子的稳定性
      • 结合对象一般为结合水 水-离子键的相互作用＞水-水间的相互作用。
    • 水和具有氢键键合能力的中性基团的相互作用
      • 特点
        • 比离子水合作用要弱，但水分子之间的氢键相近。
        • 尿素具有破坏作用
        • 与一些生物大分子如蛋白质、酶等或生物大分子的2个氢键部位之间形成“水桥”
        • 增强或维持水分子正常结构
        • 常见的具有氢键键合能力的基团有：氨基、羟基、羧基、酰胺和亚胺基等
    • 水和非极性物质的相互作用
      • 烃类、脂肪酸、氨基酸以及蛋白质 等的非极性基团
      • 作用
        • 疏水水合
          • 疏水相互作用（疏水缔合作用）
          • 笼形水合物
  • 存在形式
    • 分类
      • 自由水（体相水、游离水)
        • 滞化水（不移动水、截留水）
        • 毛细管水
        • 自由流动水
      • 结合水（束缚水、固定水）
        • 化合水、组成水
          • 1.在-40℃下不结冰 2.无溶解溶质的能力，即不能作为溶剂 3.与纯水比较分子平均运动为0 4.不能被微生物利用
          • 最牢固
        • 邻近水
          • 1.在-40℃下不结冰 2.无溶解溶质的能力，即不能作为溶剂 3.与纯水比较，具备微弱的流动性 4.不能被微生物利用
            • 单分子层水
              • 指与食品中非水成分的强极性基团，如食品蛋白质肽链两端的氨基、羧基； 果胶分子中未酯化的羧基等强极性基团， 通常是以离子形式存在，并与水通过氢键结合， 像在非水组织的外层覆盖上一层水膜，按着这种方式结合形成的第一层水称为单分子层水。
            • 微毛细管
          • 结合力为水-离子和水-水偶极间的缔合作用
        • 多层水
          • 1.大多数多层水在-40℃下不结冰，即使结冰，其冰点大大 降低 2.有一定溶解溶质的能力 3.与纯水比较，具备微弱的流动性 4.不能被微生物利用
          • H2O-弱极性键、 H2O- H2O分子间氢键
    • 自由水和结合水的区分
      • 结合水数量和有机大分子的极性基团数量有固定的比例关系
      • 结合水的蒸气压比自由水低
      • 结合水不易结冰（冰点-40℃）
      • 结合水不能作为溶质的溶剂
      • 自由水能为微生物所利用，结合水不能
      • 结合水不易从食品中分离
• 水分转移与食品稳定性
  • 水分的位转移
    • 温度
    • 水分活度
  • 水分的相转移
    • 水分蒸发
    • 水蒸气凝结
• 冷冻与食品的稳定性
  • 冻藏时冰在食品稳定性中的作用
    • 有利的作用
      • 低温情况下，微生物的繁殖被控制、一些化学反应的速度常数降低，但与水从液态转化为固态的冰无关。
    • 不利的结果
      • 体积增大效应
        • 结冰后体积增加9%
      • 冷冻浓缩效应
        • 非水组分浓度增大
  • 玻璃化温度与食品稳定性
    • 玻璃化温度（Tg）
• 水分活度与食品的稳定性
  • 水分活度与微生物
    • 敏感性
      • 细菌>酵母菌>霉菌
    • 水分活度低于0.6，大多数微生物无法生长
  • 水分活度与化学反应
    • 分类
      • Aw与微生物生长关系
        • p29
      • Aw与食品劣变化学反应的关系
        • 微生物生长
        • 酶水解
        • 油脂氧化
          • Aw=0.33为最低点
        • 美拉德反应
          • 赖氨酸损失，褐色产生
        • 其他反应
          • 叶绿素、维生素B1损失
        • p31
• 水分的吸湿等温线
  • 定义
    • 在恒定温度下，以食品的水分含量（用每单位干物质质量中水的质量表示）对它的水分活度绘图形成的曲线
  • 类型
    • 图线
      • J型
        • （含有大量糖及可溶性小分子但不富含高聚物的）水果、糖制品、咖啡提取物
      • S型
        • 大多数食品
    • 水分含量
      • 宽水分含量范围食品的MSI
      • 低水分含量范围食品的MSI
  • 三区域
  • 滞后现象
    • 定义
      • 采用向干燥品中添加水（回吸作用，即物料吸湿）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互相重叠，这种不重叠性称为滞后现象
    • 解吸结合水多于回吸
    • 原因
      • 1、食品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水分； 2、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汽压 （要抽出需要P内>P外，要填满即吸着时需P外>P内）； 3、解吸时将使食品组织发生改变，当再吸水时就无法紧密结合水分，由此可导致较高的水分活度。 4、温度、解吸的速度和程度及食品类型等都影响滞后环的形状。
• 水分活度
  • 定义
    • 指食品中水的蒸汽压与同温下纯水的饱和蒸汽压的比值
  • 水分活度与温度的关系
    • 冰点以上
      • 取决于样品组分和温度
    • 冰点以下
      • 只取决于温度
      • 线性关系存在
    • • 结论： 1、一定温度范围内，lnAW与1/T 呈良好的线性关系，含水量一定 时，T ↑则Aw↑。 2、测定食品的Aw时，必须标明T.
  • 类型
    • 纯水：Aw=1
    • 一般食品：p<p0，Aw<1