第五章-水分的测定-课件

第五章 水分的测定2水分的测定水分的测定概述重量法仪器法2313一、概述概述1.水的作用 水是维持动、植物和人类生存必不可少的物质之一。除谷物和豆类等的种子类食品以外，作为食品的许多动植物一般含有6090%水分，有的甚至更高，水是许多食品组成成分中数量最多的组分。如蔬菜含水分8597%、水果8090%、鱼类6781%、蛋类7375%、乳类8789%、猪肉4359%，即使是干态食品，也含有少量水分，如面粉1214%、饼干2.54.5%。4在动、植物体内，水分不仅以纯水状态存在，而且常常是溶解可溶性物质（例如糖类和许多盐类）而构成溶液，以及把淀粉、蛋白质等亲水性高分子分散在水中形成凝胶来保持一定形态的膨胀体的溶剂。另外，即使不溶于水的物质如脂肪和某些蛋白质，也能在适当的条件下分散于水中成为乳浊液或胶体溶液。5水的介电常数很大，能促进电解质的电离。水不但是生物体内化学反应的介质，本身也是生物化学反应的反应物。水还是动物体内各器官、肌肉、骨骼的润滑剂，是体内物质运输的载体，没有水就没有生命。62.水分的存在状态 根据水在食品中所处的状态不同以及与非水组分结合强弱的不同，把食品中的水划分为三类：7大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流8水分水分在食在食品中品中存在存在形式形式以溶液状以溶液状态存在的水分，具存在的水分，具有水的一切特性有水的一切特性自由水自由水存在于存在于细胞壁或原生胞壁或原生质中，中，向外蒸向外蒸发能力能力较弱弱亲和水和水是食品中与非水是食品中与非水组分分结合合最牢固的水，不具有水的特最牢固的水，不具有水的特性，不能性，不能为微生物所利用微生物所利用结合水合水9系着水分子的作用力：分为氢键结合力和毛细管力两类。由氢键结合力系着的水习惯上称为结合水或束缚水。如在食品中与蛋白质活性基（-OH，=NH，-NH2，-COOH，-CONH2）和碳水化合物的活性基（-OH）以氢键相结合而不能自由运动的水即属此类。束缚水有两个特点：不易结冰（冰点-40）；不能作为溶质的溶媒。10 与束缚水相对应的水称为自由水或游离水（Freewater），即指组织、细胞中容易结冰、能溶解溶质的这部分水，它又可细分为三类：不可移动水或滞化水（Immobilizedwater）；毛细管水（Capillary water）；自由流动水（Fluidalwater）。11二、水分二、水分测定的意定的意义12v水分含量是水分含量是产品的一个品的一个质量因素。量因素。v水分含量是一些水分含量是一些产品品标准的一个指准的一个指标。v水分含量是食品保藏的一个关水分含量是食品保藏的一个关键因素。因素。v食品食品营养价养价值的的计算算值要求列出水分含量。要求列出水分含量。v水分含量的高低水分含量的高低对于食品的品于食品的品质保存、成保存、成本本 核算、提高工厂的核算、提高工厂的经济效益具有重要意效益具有重要意义。13三、水分的测定方法利用水分本身的物理性质、化学性质测定水分。如重量法、蒸馏法、卡尔费休法、化学方法。1、直接法2、间接法利用食品的物理常数通过函数关系确定水分含量。如测相对密度、折射率、电导、旋光率等。直接法比间接法准确度高。14一）重量法一）重量法 主要介绍直接干燥法、减压干燥法的原理、适用范围和操作方法。151.干燥法v在一定的温度和压力下，通过加热方式将样品中的水分蒸发完全并根据样品加热前后的质量差来计算水分含量的方法，称为干燥法。v干燥法包括直接干燥法和减压干燥法。原原样重量重量 -干燥后重量干燥后重量 =水分重量水分重量16干燥法的注意事项1)干燥法的前提条件v水分是唯一的挥发的物质。v可以较彻底地去除水分。v食品中其他组分在加热过程中发生化学反应引起的重量变化非常小，可忽略不计，对热稳定的食品。172)操作条件的选择称量瓶的选择（铝制、玻璃）v玻璃称量皿-能耐酸碱，不受样品性质的限制，常用于常压干燥法。v铝制称量盒-质量轻，导热性强，但对酸性食品不适宜，常用于减压干燥法或原粮水分的测定。v选择称量皿的大小要合适，一般样品1/3高度。18v称量皿放入烘箱内，盖子应该打开，斜放在旁边，取出时先盖好盖子，用纸条取，放入干燥器内，冷却后称重。v称量瓶在使用之前应用100烘箱重复干燥，使其达到恒重指两次烘烤后称量的质量一般不超过2mg。19称样量v样品一般控制在干燥后的残留物为1.53克；v固态、浓稠态样品控制在35克；v含水分较高的样品控制在1520克；v在采样时要特别注意防止水分的变化，对有些食品例如奶粉、咖啡等很容易吸水，在称量时要迅速，否则越称越重。20干燥设备对流型烘箱烘箱强力通风型烘箱真空干燥烘箱干燥器(盖沿须涂上凡士林）干燥器内一般用硅胶作干燥剂，硅胶吸湿后效能会减低，故当硅较蓝色减褪或变红时，需及时换出，置135左右烘2-3小时使其再生后再用。21干燥条件v干燥温度：一般95105；对含还原糖较多的食品应先（5060）干燥0.5h，再95105加热。对热稳定的谷物可用120130干燥，对热不稳定的食品可采用70105。对于脂肪高的样品，后一次重量可能高于前一次（由于脂肪氧化），应用前一次的数据计算。22v干燥时间：干燥时间的确定有两种方法，一种是干燥到恒重（最后两次重量之差2mg，基本能保证水分蒸发完全），另一种是规定一定的干燥时间（根据经验，准确度要求不高的样品，如各种饲料中水分含量的测定）。对于易结块或形成硬皮的样品要加入定量的海砂搅拌均匀。加入海砂的作用：第一防止表面硬皮的形成；第二可以使样品分散，减少样品水分蒸发的障碍。231、原理：在一定的温度（95105）和压力（常压）下，将样品在烘箱中加热干燥，除去水分，干燥前后样品的质量之差为样品的水分含量。2、适用范围：适用于在95105下，不含或含其他挥发性物质甚微且对热稳定的食品。3、样品的制备、测定及结果计算1.1 直接干燥法直接干燥法24样品的品的预处理理A A、采集、采集、处理、保存理、保存过程中，要防程中，要防止止组分分发生生变化，特化，特别要防止水分要防止水分的的丢失或受潮。失或受潮。B B、固体、固体样品要磨碎（粉碎）品要磨碎（粉碎）C.C.液液态样品要在水浴上先品要在水浴上先浓缩，然，然 后后进干燥箱高温干燥。干燥箱高温干燥。D D、浓稠液体（糖稠液体（糖浆、炼乳等）乳等）应加入海砂加入海砂或无水硫酸或无水硫酸钠，搅拌均匀，与玻璃棒在水浴拌均匀，与玻璃棒在水浴上干燥后入干燥箱上干燥后入干燥箱E、含水量、含水量16%的谷的谷类食品，采用两步食品，采用两步干燥法。如面包，切成薄片，自然干燥法。如面包，切成薄片，自然风干干1520h，再称量，磨碎，再称量，磨碎，过筛，烘干，烘干。25测定方法定方法结果计算：26结果计算：27结果计算：28结果计算：294、烘箱干燥法产生误差的原因v样品中含有非水分易挥发性物质（酒精、醋酸、香精油、磷脂等）；v样品中的某些成分和水分的结合，使测的结果偏低（如蔗糖水解为二分子单糖），主要是限制水分挥发；v食品中的脂肪与空气中的氧发生氧化，使样品重量增重；30v在高温条件下物质的分解（果糖对热敏感）；果糖C6H12O6大于70C6H6O3+3H2Ov被测样品表面产生硬壳，妨碍水分的扩散；尤其是对于富含糖分和淀粉的样品；v烘干到结束样品重新吸水。31325、说明及注意事项、说明及注意事项水果、蔬菜样品，应先洗去泥沙后，再用蒸馏水冲洗一次，然后用洁净纱布吸干表面的水分。在测定过程中，称量皿从烘箱中取出后，应迅速放入干燥器中进行冷却，否则，不易达到恒重。干燥器内一般用硅胶作干燥剂，硅胶吸湿后效能会减低，故当硅较蓝色减褪或变红时，需及时换出，置135左右烘23小时使其再生后再用。硅胶若吸附油脂等后，去湿能力也会大大减低。33果糖含量较高的样品，如水果制品、蜜蜂等，在高温下（70）长时间加热，其果糖会发生氧化分解作用而导致明显误差。故宜采用减压干燥法测定水分含量。含有较多氨基酸、蛋白质及羰基化合物的样品，长时间加热则会发生羰氨反应析出水分而导致误差：对次类样品宜用其他方法测定水分含量。341.2 减压干燥法减压干燥法(1)原理利用在低压下水的沸点降低的原理，将取样后的称量皿置于真空烘箱内，在选定的真空度与加热温度下干燥到恒重，干燥后样品所失去的质量即为水分含量。(2)适用范围适用于在较高温度下易热分解、变质或不易除去结合水的食品，如糖浆、果糖、味精、麦乳精、高脂肪食品、果蔬及其制品等的水分含量测定。35(3)仪器及装置真空烘箱(带真空泵、干燥瓶、安全瓶）。在用减压干燥法测水分含量时，为了除去烘干过程中样品蒸发出来的水分以及烘箱恢复常压时空气中的水分，整套仪器设备除用一个真空烘箱（带真空泵）外，还连接了几个干燥瓶和一个安全瓶，设备流程如图。36(3)仪器装置及作用v真空烘箱(带真空泵、干燥瓶、安全瓶）v真空泵（抽气用，降低烘箱内压力）；v安全瓶（调节烘箱内外气压平衡起缓冲作用，防止固体颗粒吸入真空泵）；v干燥瓶（内装硅胶起吸收水分的作用，内装苛性钠起吸收酸气的作用）；v真空烘箱（烘干样品）。37(4)操作方法准确称取25g样品于已烘干至恒重的称量皿中，放入真空烘箱内，按图所示流程连接好全套装置后，打开真空泵抽出烘箱内空气至所需压力4053.3KP(300400mmHg)，并同时加热至所需温度(5060）。关闭真空泵上的活塞，停止抽气，使烘箱内保持一定的温度和压力，经一定时间后，打开活塞使空气经干燥瓶缓缓进入烘箱内，待压力恢复正常后，再打开烘箱取出称量皿，放入干燥器中冷却0.5小时后称量。并重复以上操作至恒重。(5)结果计算：同直接干燥法38(6)说明及注意事项说明及注意事项真空烘箱内各部位温度要求均匀一致，若干燥时间短时，更应严格控制。第一次使用的铝质称量盒要反复烘干二次，每次置于调节到规定温度的烘箱内烘12小时，然后移至干燥器内冷却45分钟，称重(精确到0.1mg)，求出恒重。第二次以后使用时，通常采用前一次的恒重值。试样为谷粒时，如小心使用可重复2030次而恒重值不变。39由于直读天平与被测量物之间的温度差会引起明显的误差，故在操作中应力求被称量物与天平的温度相同后再称重，一般冷却时间在0.51小时内。减压干燥时，烘干时间的计算应自烘箱内部压力降至规定真空度时起，一般每次烘干时间为2小时，但有的样品需5小时；恒重一般以减量不超过0.5mg时为标准，但对受热后易分解的样品则可以不超过13mg的减量值为恒重标准。40二）蒸馏法二）蒸馏法(1)原理 基于两种互不相溶的液体二元体系的沸点低于各组分的沸点这一事实，将食品中的水分与甲苯或二甲苯或苯共沸蒸出，冷凝并收集馏出液，由于密度不同，馏出液在接受管中分层，根据馏出液中水的体积，即可计算出样品中水分含量。41(2)特点及适用范围此法由于采用了一种高效的换热方式，水分可迅速移出。此外，测定过程在密闭容器中进行，加热温度比直接干燥法低，故对易氧化、分解、热敏性及含有大量挥发性组分的样品的测定准确度明显优于干燥法。该法设备简单，操作方便广泛用于谷类、果蔬、油类、香料等样品的水分测定。特别对于香料，此法是唯一公认的水分含量的标准分析法。42(3)常用的有机溶剂及选择依据v常用的有机溶剂有比水轻的，也有比水重的。v对热不稳定的食品，一般不采用二甲苯，因为它的沸点高，常选用低沸点的苯、甲苯或甲苯二甲苯的混合液。v对含糖分可分解放出水分的样品，如脱水洋葱、脱水大蒜，宜选用苯。43(4)仪器及试剂蒸馏式水分测定仪如图所示。甲苯或二甲苯：取甲苯或二甲苯，先以水饱和后，分去水层，进行蒸馏，收集馏出液备用。44(5)操作方法准确称取适量样品(估计含水量25ml)，放入水分测定测定仪器的烧瓶中，加入新蒸馏的甲苯(或二甲苯)5075ml使样品浸没，连接冷凝管及接受管，从冷凝管顶端注入甲苯(或二甲苯)，使之充满水分接受刻度管。45加热慢慢蒸馏，使每秒约蒸馏出2滴馏出液，待大部分水分蒸馏出后，加速蒸馏使每秒约蒸出4滴馏出液，当水分全部蒸出后(接收管内的体积不再增加时)，从冷凝管顶端注入少许甲苯(或二甲苯)冲洗。如发现冷凝管壁或接受管上部附有水滴，可用附用小橡皮头的铜丝擦下，再蒸馏片刻，至接受管上部及冷凝管壁无水滴附着为止。读取接受管水层的容积。46(6)结果计算水分(%)=式中：V-接受管内水的体积,mlW-样品的质量,g。47(7)说明及注意事项样品用量：一般谷类、豆类约20g，鱼、肉、蛋、乳制品约510g，蔬菜、水果约5g。有机溶剂：一般用甲苯，其沸点为110.7。对于在高温易分解样品则用苯作蒸馏溶剂(纯苯沸点80.2，水苯沸点则为69.25)，但蒸馏的时间需延长。加热温度不宜太高：温度太高时冷凝管上端水汽难以全部回收。蒸馏时间一般为23hs，样品不同蒸馏时间各异。为了尽量避免接受管和冷凝管壁附着水滴，仪器必须洗涤干净。48三）仪器法三）仪器法3.1卡尔费休法 卡尔费休（KarlFischer）法，简称费休法或K-F法，是在1935年由卡尔费休提出的测定水分的容量方法，属于碘量法，对于测定水分最为专一，也是测定水分最为准确的化学方法。多年来许多分析工作者对此方法进行了较为全面的研究，在反应的化学计量、试剂的稳定性、滴定方法、计量点的指示以及针对各种类型样品的应用和仪器操作的自动化等方面均有显著的改进，使该方法日趋成熟与完善。49原理利用I2氧化SO2时需要有一定的水参加反应。（氧化还原反应）I2+SO2+2H2OH2SO4+2HI此反应具有可逆性，当生成物H2SO4浓度0.05%时，即发生可逆反应，要使反应顺利向右进行，要加入适量的碱性物质以中和生成的酸，吡啶（C5H5N）可以起到这样的效果，因此，上述反应变为：50I2+SO2+2H2O+3C5H5N2C5H5NHI+C5H5NSO3氢碘酸吡啶硫酸吡啶硫酸吡啶很不稳定，与水发生副反应，形成干扰。若有甲醇存在，则可生成稳定的化合物。将I2、SO2、C5H5N、CH3OH配在一起即为费休试剂。51由此可见，滴定操作所用的标准溶液是含有I2、SO2、C5H5N及CH3OH的混合溶液，此溶液称为费休试剂。费休法的滴定总反应式可写为：（I2+SO2+3C5H5N+CH3OH）+H2O2C5H5NHI+C5H5NHSO4CH3从上式可以看到1mol水需要与1mol碘、1mol二氧化硫和3mol吡啶及1mol甲醇反应，而产生2mol氢碘酸吡啶和1mol甲基硫酸氢吡啶（实际操作中各试剂用量摩尔比为I2：SO2：C5H5N=1：3：10）。52滴定操作中可用两种方法确定终点滴定操作中可用两种方法确定终点 一种是当用费休试剂滴定样品达到化学计量点时，再过量1滴费休试剂中的游离碘即会使体系呈现浅黄甚至棕黄色，据此即作为终点而停止滴定，此法适用于含有1%以上水分的样品，由其产生的终点误差不大；53另一方法为双指示电极安培滴定法，也叫永停滴定法，其原理是将两枚相似的微铂电极插在被滴样品溶液中，给两电极间施加1025mV电压，在开始滴定直至化学计量点前，因体系中只存留碘化物而无游离碘，电极间的极化作用使外电路中无电流通过（即微安表指针始终不动），而当过量1滴费休试剂滴入体系后，由于游离碘的出现使体系变为去极化，则溶液开始导电，外路有电流通过，微安表指针偏转至一定刻度并稳定不变，即为终点，此法更适宜于测定深色样品及微量、痕量水分时采用。54(2)适用范围适用于含有1%或更多水分的样品，如面粉、砂糖、人造奶油、可可粉、糖蜜、茶叶、乳粉、炼乳及香料等食品，结果的准确度优于直接干燥法，也是测定脂肪和油品中痕量水分的理想方法。不仅可测样品中的自由水，而且可测结合水，即此法测得结果更客观地反映出样品中总水分含量。55主要仪器KF-l型水分测定仪SDY-84型水分滴定仪根据卡尔费休滴定原理而设计的；具有操作简单、准确、快速的特点。56(4)试剂无水甲醇：要求其含水量在0.05%以下。量取甲醇约200ml置干燥圆底烧瓶中，加光洁镁条15g与碘0.5g，接上冷凝装置，冷凝管的顶端和接受器支管上要装上无水氯化钙干燥管，加热回流至金属镁条溶解，分馏，用干燥的抽滤瓶作接受器，收集6465馏分备用。57无水吡淀：要求其含水量在0.1%以下。碘：将固体碘置硫酸干燥器内干燥48小时以上。无水硫酸钠。硫酸。二氧化硫：采用钢瓶装的二氧化硫或用硫酸分解亚硫酸钠而制得。5A分子筛。58水-甲醇标准溶液：每ml含1mg水。准确吸取1ml水注入预先干燥的1000ml容量瓶中，用无水甲醇稀释至刻度，摇匀备用。卡尔费休试剂：称取85g碘于干燥的1L具塞的棕色玻璃试剂瓶中，加入670ml无水甲醇，盖上瓶塞，摇动至碘全部溶解后，加入270ml吡啶混匀，然后置于冰水浴中冷却，通入干燥的二氧化硫气体6070g，通气完毕后塞上瓶塞，放置暗处至少24小时后使用。59标标 定定预先加入50ml无水甲醇于水分测定仪的反应器中，接通仪器电源，启动电磁搅拌器，先用卡尔费休试剂滴入甲醇中使其残留的痕量水分与试剂作用达到计量点，即为微安表的一定刻度值（45uA或48uA），并保持1分钟内不变，不记录卡尔费休试剂的消耗量。然后滴入10ul蒸馏水（相当于0.01g水，可先用天平称量校正，亦可用减量法滴瓶称取0.01g水于反应器中），此时微安表指针偏向左边接近零点，用卡尔费休试剂滴定至终点，记录卡尔费休试剂消耗量。60卡尔费休试剂对水：式中：G水的质量，g；V滴定消耗卡尔费休试剂的体积，ml。61(5)操作方法操作方法 对于固体样品，如糖果必须事先粉碎均匀，视各种样品含水量不同，一般每份被测样品中含水2040mg为宜。准确称取0.30.5g样品置于称样瓶中。62在水分测定仪的反应器中加入50ml甲醇，接通仪器电源，启动电磁搅拌器，先用卡尔费休试剂滴定至微安表指针的偏转程度与标定卡尔费休试剂操作中的偏转情况相当并保持1分钟不变时（不记录试剂用量），打开加料口迅速将称好的试样加入反应器中，立即塞上橡皮塞，开动电磁搅拌器使试样中的水分完全被甲醇所萃取，用卡尔费休试剂滴定至原设定的终点并保持1分钟不变，记录试剂的用量（ml）。63(6)结果计算结果计算式中：T卡尔费休试剂对水的滴定度，mg/ml；V滴定所消耗的卡尔费休试剂体积，ml；W样品质量，g。64(7)注意事项此法固体样品细度以40目为宜，最好用粉碎机而不要研磨，防止水分损失。样品中含有氧化剂、还原剂、碱性氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硼酸等，都会与KF试剂所含组分反应，干扰测定。如含有强还原性物料（如维生素C）会与KF试剂反应，使测定值偏高；羰基化合物与甲醇发生缩醛反应生成水，测定值偏高，而且这个反应也会使终点消失；不饱和脂肪酸与碘反应使水分测定值偏高。653.2其它仪器法其它仪器法化学干燥法气相色谱法微波法红外吸收光谱法其它：声波和超声波法，直流和交流电导率法，介电容量法，核磁共振波谱法，中子法。66化学干燥法v用化学干燥剂与含水样品同装入干燥器（玻璃或真空干燥器），通过等温扩散及吸附作用而使样品达到干燥恒重，然后根据干燥前后样品的失重即可计算出其水分含量，此法在室温下干燥，需要较长时间，几天、几十天甚至几个月。v干燥剂有五氧化二磷、氧化钡、高氯酸镁、氢氧化钾、氧化铝、硅胶硫酸、氧化镁、氢氧化钠、氧化钙、无水氯化钙、95硫酸等。v该法适用于对热不稳定及含有易挥发组分的样品，如茶叶、香料等。67微波干燥法v原理：当微波(103105MHz的电磁波)通过含水样品时，因水分引起的能量损耗远远大于干物质所引起的损耗，所以测量微波能量的损耗就可以求出样品含水量。v特点：加热速度快；加热均匀性好；加热易于瞬时控制；选择性吸收；加热效率高。微波水分测定仪68红外线干燥法v原理：红外线的辐射直接加热试样，使水分高效蒸发，通过干燥前后失重求出水分含量。v特点及适用范围：适用于快速测定少量样品，干燥时间仅需10-25min，但测定精度较差。红外快速水分测定仪69红外吸收光谱法v原理：根据水分对某一波长的红外光的吸收强度与其在样品中含量存在一定的关系的而建立的水分测定方法。v特点：准确、快速、方便。介电容量法电导率法折光法红外光谱仪70GB/T 5009.32003 食品的水分测定 1.直接干燥 2.减压干燥 3.蒸馏71思考题思考题1.什么是结合水？什么是自由水？2.水分的测定方法有那些？3.各种测定方法的原理、仪器。4.卡尔费休法原理、试剂。5.水分活度的测定方法。72