食品化学水ppt课件

食品化学 Food Chemistry,1,第二章 水 Chapter 2 Water,2,内容提要,2.1 概述 2.2 水和冰的结构与性质 2.3 食品中水的存在状态 2.4 水分活度 2.5 水与食品的稳定性 2.6 分子流动性和食品稳定性（自学）,3,目的与要求,（1）理解水和非水组分的相互作用； （2）理解结合水的概念； （3）掌握水分活度的定义和测定方法； （4）掌握水分活度与温度的关系； （5）熟悉食品材料的吸湿等温线； （6）掌握水分活度与食品稳定性的关系。,4,2.1 概述,2.1.1 水的作用,生命之源 组成机体 调节代谢,战争之源 “下一场世界大战将 是对水资源的争夺”,5,2.1 概述,2.1.1 水的作用,水对人体的重要作用,水使人体体温保持稳定（热容量大） 能够作为体内营养素运输、吸收和代谢物运转的载体 作为体内化学和生物化学反应的反应物或者反应介质 作为润滑剂，使摩擦面润滑，减少损伤 优良的增塑剂 生物大分子聚合物构象的稳定剂 包括酶催化剂在内的大分子动力学行为的促进剂,6,2.1 概述,2.1.1 水的作用,水是食品中非常重要的一种成分，也是构成大多数食品的主要组分。 水对食品的结构、外观、外表、质地、风味、色泽、流动性、新鲜程度和腐败变质的敏感性都有着很大的影响。 各种食品都有显示其品质的特征含水量, 如果蔬: 75%-95%,肉类:50%-80%,面:35%-45%,谷物:10%-15%。,食品中的水,7,表2-1 某些代表性食品中的典型水分含量,8,续表2-1,9,2.1 概述,2.1.1 水的作用,水在食品中的重要作用,水在食品贮藏加工过程中作为化学和生物化学反应的介质，又是水解过程的反应物 水是微生物生长繁殖的重要因素，影响食品的货架期 水与蛋白质、多糖和脂类通过物理相互作用而影响食品的质构，如新鲜度、硬度、流动性等 水还能发挥膨润、浸湿的作用，影响食品的加工性,10,2.1 概述,2.1.2 水和冰的物理性质,水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，除了粘度以外都有显著差异。 熔点、沸点、表面张力、介电常数、热容及相变热（溶解、蒸发、升华）等都明显偏高。 水的密度偏低，水结冰时体积异常膨大，水的导热值大于其他液体，冰的导热值略大于非金属固体。,水与冰比较： 水的密度高于冰；冰的导热值、热扩散率等明显大于水。,11,表2-2 水和冰的物理常数,12,2.2 水和冰的结构与性质,水的异常性质可以推测水分子间存在强烈的吸引力，以及水和冰具有不寻常结构。,13,2.2 水和冰的结构与性质,2.2.1 水,氧原子和氢原子成键时，氧原子发生sp3杂化，形成4个sp3杂化轨道； 单个水分子为四面体结构，氧原子位于中心，4个顶点中有2个被氢原子占据，其余2个被氧原子的孤对电子所占据；,水分子的结构特征,14,2.2 水和冰的结构与性质,2.2.1 水,由于该两对孤对电子将对成键电子形成挤压作用，所以2个O-H键间夹角为104.5，与典型四面体的夹角10928有所差别； 每个O-H键的离解能为4.614102 kJ/mol，O-H核间距离为0.096 nm，氧和氢的范德华半径分别为0.14 nm和0.12 nm。 O-H具有极性，即电荷不对称分布，（氢原子几乎成为一个裸露的质子而带正电荷）。,水分子的结构特征,15,2.2 水和冰的结构与性质,2.2.1 水,水分子的缔合作用,水分子在三维空间形成多重氢键键合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。,16,水分子的缔合机理,H-O键间电荷的非对称分布使H-O键具有极性,这种极性使分子之间产生引力； 由于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，（主要机理） 。,17,水分子三维氢键缔合对水的异常物理性质的解释,大热溶值、高熔点、高沸点、高表面张力和高相变热：这些热力学现象都关系到打破水分子间的氢键，因而所需的能量增大。 高介电常数：水的氢键缔合产生了庞大的水分子簇，产生了多分子偶极子，从而使水的介电常数显著增大；,18,2.2 水和冰的结构与性质,2.2.1 水,水的结构,纯水是具有一定结构的液体，虽然它没有刚性，但它比气态分子的排列有规则得多。 在液态水中，水的分子并不是以单个分子形式存在，而是由若干个分子以氢键缔合形成水分子簇（H2O)n。,19,水的结构模型,混合模型:混合模型强调了分子间氢键的概念,认为分子间氢键短暂地浓集于成簇的水分子之间,成簇的水分子与其它更密集的水分子处于动态平衡。 连续模型:分子间氢键均匀地分布于整个水样, 水分子的连续网络结构成动态平衡。 填隙式模型:水保留在似冰状或笼状结构中,个别的水分子填充在笼状结构的缝隙中。,20,水的结构特征,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。 水分子氢键键合程度取决于温度。,21,2.2 水和冰的结构与性质,2.2.2 冰,冰是由水分子有序排列形成的结晶，水分子间靠氢键链接在一起，形成非常“疏松”（低密度）的刚性结构； 最邻近水分子的O-O核间距为0.276 nm，O-O-O键角约为109十分接近理想四面体的键角； 每个水分子都能缔合另外4个水分子，形成四面体结构，所以水分子的配位数为4。,0下冰的晶格单元,22,2.2 水和冰的结构与性质,2.2.2 冰,当多个晶格结合在一起时，冰结构中存在水分子的两个平面，这两个平面平行而且很紧密的结合在一起； 当冰受到压力“滑动”或“流动”时，它们作为一个单元（整体）滑动，像冰河中的冰在压力下所产生的“流动”； 这类成对平面构成冰的“基础平面”； 几个“基础平面”堆积起来便得到冰的扩展结构。,冰的基础平面和扩展结构,23,冰的基础平面,（a）沿c轴方向观察到的六方形结构 （b）基础平面的立体图,24,冰的扩展结构,由三个基本平面结合形成的扩展结构,25,2.2 水和冰的结构与性质,2.2.2 冰,冰有11种结晶类型，普通冰的结晶属于六方晶系的双六方双锥体，且在常压和温度0时只有六方形冰晶才是最稳定的形式； 冰并不完全是由精确排列的水分子组成的静态体系，实际上冰晶中的水分子以及由它形成的氢键都处于不断运动的状态（水分子振动，氢键瞬间断裂或有重新生成； 溶质的种类和数量可以影响冰晶的数量、大小、结构、位置和趋向。,冰的结构特征,26,在不同溶质影响下，冰的结构主要有4种类型,六方形冰晶 不规则树枝状结晶 粗糙的球状结晶 易消失的球状结晶及各种中间体,样品在最适的低温冷却剂中缓慢冷却，并且溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移时，才有可能形成六方形冰结晶； 像明胶这类大而复杂的亲水性分子，不仅能限制水分子的运动，而且阻碍水形成高度有序的六方形结晶。,27,2.2 水和冰的结构与性质,2.2.2 冰,当温度降低到“过冷状态”，开始出现稳定性晶核，或在振动的促进下向冰晶转化； 水向冰晶转化时放出潜热，促进温度回升到0。,冰形成的一般过程,水的冰点为0，但纯水并不在0时就冻结。,开始出现稳定晶核时的温度叫“过冷温度”； 如果外加晶核，则不必达到过冷温度时就能结冰，但此时生成的冰晶粗大。,28,29,为什么提倡使用速冻工艺？,现代冻藏工艺提出速冻，因为(1)该工艺下形成的冰晶体颗粒细小（呈针状），在食品组织中分布比较均匀；又(2)由于小冰晶的膨胀力小，对食品组织的破坏很小，解冻融化后的水可以重新渗透到食品组织中，使其基本保持原有的风味和营养价值；另外，(3)冻结时间缩短使微生物活动受到更大限制。,30,2.2 水和冰的结构与性质,单个水分子呈四面体结构，水分子中O-H具有极性。 水的三维氢键缔合机理，及其对水的异常物理常数进行的解释。 水的三维氢键是动态的，其配位数与温度相关。 六方形冰结晶最为稳定。 冰的基础平面和冰的形成过程。,本节要点,31,2.3 食品中水的存在状态,2.3.1 水与溶质的相互作用,水与离子和离子基团的相互作用,在水中添加可解离的溶质，会使纯水靠氢键键合形成的四面体排列的正常结构遭到破坏。对于既不具有氢键受体又没有给体的简单无机离子，它们与水相互作用时仅仅是离子-偶极的极性结合。这种作用通常被称为离子水合作用。,32,在稀盐溶液中，不同的离子对水结构的影响是不同的,K+，Rb+，Cs+，NH4+，Cl-，Br-，I-，NO3-，BrO3-，IO3-，ClO4-等，具有破坏水的网状结构效应, 这些离子大多为电场强度较弱的负离子和离子半径大的正离子； Li+，Na+，Ca2+，Ba2+，Mg2+，Al3+，F-，OH-等，有助于水形成网状结构，这些离子大多是电场强度大、离子半径小的离子，或多价离子； 从水的正常结构来看，所有离子对水的结构都起破坏作用，因为它们能阻止水在0下结冰。,33,2.3 食品中水的存在状态,2.3.1 水与溶质的相互作用,水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用,食品中蛋白质、淀粉、果胶等成分含有大量的具有氢键键合能力的中性基团，它们可与水分子通过氢键键合； 水与溶质之间的氢键键合比水与离子之间的相互作用弱，这些氢键的作用强度与水分子之间的氢键相近； 各种有机成分上极性基团不同，与水形成氢键键合作用的强弱也有区别。,34,不同基团与水形成氢键的强度比较,蛋白质多肽链中赖氨酸和精氨酸侧链上的氨基，天冬氨酸和谷氨酸侧链上的羧基，肽链两端的羧基和氨基，以及果胶中未酯化的羧基，它们与水形成的氢键，键能大，结合牢固； 蛋白质中的酰胺基，淀粉、果胶、纤维素等分子中的羟基与水形成的氢键，键能小，结合得不牢固。,35,具有氢键键合能力的溶质对水结构的影响,凡能够长生氢键键合的溶质都可以强化纯水的结构，至少不会破坏这种结构； 但在某些情况下，溶质氢键键合的部位和取向在几何构型上与正常水不同，因此这些溶质通常对水的正常结构也会产生破坏； 可以预测，大多数能形成氢键的溶质会阻碍水结冰； 当体系中加入一种具有形成氢键能力的溶质时，每摩尔溶液中的氢键总数不会明显的改变。,36,水桥,在生物大分子的2个部位或2个大分子之间可形成由几个水分子所构成的“水桥”。,木瓜蛋白酶中的三分子水桥,37,2.3 食品中水的存在状态,2.3.1 水与溶质的相互作用,水与非极性物质的相互作用,（1）把疏水性物质加入到水中，疏水基团对水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强,结构更为有序（熵的减少），这一在热力学上不利的过程，称为“疏水水合”；,38,2.3 食品中水的存在状态,2.3.1 水与溶质的相互作用,水与非极性物质的相互作用,（2）水对于非极性物质产生的结构形成响应，其中有2个重要的结果： 笼形水合物的形成； 蛋白质中的疏水相互作用。,39,笼形水合物,笼形水合物是象冰一样的包含化合物，其中水为“主体”物质，它们靠氢键键合形成像笼状结构，并通过物理方式将非极性物质截留在笼内，被截留的物质称为“客体”； 一般“主体”由20-74个水分子组成，“客体”是低分子量化合物，较典型的有低分子量烃，稀有气体，卤代烃等； “主体”水分子与“客体”分子之间的相互作用一般是弱的范德华力，但在有些情况下为静电相互作用。,40,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； 这是一个热力学上有利的过程，是疏水水合的部分逆转； 疏水相互作用是维持蛋白质三级结构的重要因素。,41,水与溶质相互作用总结,42,2.3 食品中水的存在状态,2.3.2 食品中水的存在形式,如上所述，食品中的水分子将与非水物质发生相互作用，根据其相互作用的性质和程度可将食品中的水进行如下分类：,43,结合水,结合水（bound water）又称为束缚水或固定水(immobilized water)； 通常是指存在于溶质或其它非水组分附近的、与溶质分子之间通过化学键的力结合的那部分水； 具有与同一体系中体相水显著不同的性质，如呈现低的流动性、在-40下不结冰、不能作为所加入溶质的溶剂等； 根据结合水被结合的牢固程度不同，又可分为化合水(compound water)、邻近水（vicinal water）和多层水(multilayer water)三种类型。,44,化合水:或称组成水，是指与非水物质结合最牢固的、构成非水物质的组成的那部分水，如化学水合物中的水。,化合水的性质： 在-40下不结冰； 无溶解溶质的能力； 与纯水比较分子平均运动为0； 不能被微生物利用。,结合水,45,邻近水:是指在非水组分中亲水性基团周围结合的第一层水，与离子或离子基团缔合的水是结合最紧密的邻近水。主要结合力是水-离子和水-偶极缔合作用，其次是水和溶质之间的氢键。,邻近水的性质： 在-40下不结冰； 无溶解溶质的能力； 与纯水比较分子平均运动大大减少； 不能被微生物利用； 很稳定，不易引起食品的腐败、变质。,结合水,46,多层水:是指位于以上所说的第一层的剩余位置的水和邻近水的形成的几个水层，其形成主要靠水-水和水-溶质间氢键而形成。,多层水的性质： 大多数多层水在-40下不结冰，其余可结冰，但冰点大大降低； 有一定溶解溶质的能力； 与纯水比较分子平均运动大大降低； 不能被微生物利用。,结合水,47,体相水,体相水（bulk water）又称为自由水（free water)； 是指食品中除了结合水以外的那部分水； 能结冰，但冰点有所下降； 溶解溶质的能力强，干燥时易被除去与纯水分子平均运动接近； 很适于微生物生长和大多数化学反应，易引起食品的腐败变质，但也与食品的风味及功能性紧密相关；,48,体相水,滞化水（或不流动水）是指被组织中的显微和亚显微结构及膜所阻留住的水，食品中通常有凝胶或有细胞结构时就可能有滞化水； 毛细管水是指在生物组织的细胞间隙和食品结构组织中，由毛细管力所截留的水，在生物组织中又称为细胞间水，其物理和化学性质与滞化水相同； 自由流动水是指动物的血浆、淋巴和尿液，植物的导管和细胞内液泡中的水以及食品中肉眼可见的水。,体相水又可分为：滞化水（entrapped water）、毛细管水（capillary water）和自由流动水（free flow water）三种类型。,49,结合水和体相水性质比较,50,2.3 食品中水的存在状态,水与溶质相互作用包括：离子-偶极的极性结合（与游离离子或带电基团）、偶极-偶极（即水与溶质之间相互形成氢键）、疏水水合和疏水相互作用。 食品中水的存在形式包括：体相水和结合水，分别具有不同的性质。,本节要点,51,2.4 水分活度,2.4.1 水份活度及其测定,水分活度概念的提出,食品水分含量与食品腐败变质之间存在着一定的关系， 但不同种类的食品，即使水分含量相同，其腐败变质的难易程度也存在明显的差异； 食品中的水与其非水分组分结合的强度是不同的，处于不同的存在状态，强烈结合的那一部分水是不能有效地被微生物和生物化学所利用； 将水分含量作为判断食品稳定性的指标不是很恰当。 水分活度能反映水与各种非水成分缔合的强度，比水分含量能更可靠地预示食品的稳定性、安全和其它性质。,52,2.4 水分活度,2.4.1 水份活度及其测定,水分活度的定义,水分活度（water activity, Aw）是指食品中水的蒸汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压的比值。,Aw = p/p0 = ERH/100 = N = n1/(n1+n2),Aw：水分活度 p：食品在密闭容器中达到平衡时的水蒸气分压 p0：在相同温度下纯水的饱和蒸气压 ERH：样品周围的空气平衡相对湿度 N：溶剂的摩尔分数 n1：溶剂的摩尔数；n2：溶质的摩尔数,53,注意：,水分活度的物理意义是表征生物组织和食品中能参与各种生理作用的水分含量与总含水量的定量关系。应用Aw=ERH/100时必须注意：Aw是样品的内在品质，而ERH是与样品相平衡时的大气性质，它们只是在数值上相等。 只有当溶质是非电解质且浓度小于1 mol/L的稀溶液时，其水分活度才可以按Aw=n1/(n1+n2)计算。,54,2.4 水分活度,2.4.1 水份活度及其测定,水分活度的测定,冰点测定法 先测样品的冰点降低和含水量，据下两式计算Aw，其误差很小（0.001 Aw/）。 Aw=n1/(n1+n2) n2=GTf / (1000Kf) G：样品中溶剂的重量(g)； Tf：冰点降低()； Kf：水的摩尔冰点降低常数(1.86)。,相对湿度传感器测定法 在恒定温度下，把已知水分含量的样品放在一个小的密闭室内，使其达到平衡，然后使用任何一种电子技术或湿度技术测量样品和环境大气平衡的平衡相对湿度(ERH)，即可得到Aw。 Aw=ERH/100,55,2.4 水分活度,2.4.1 水份活度及其测定,水分活度的测定,恒定相对湿度平衡室法 在恒定温度下，把样品放在一个小的密闭室内，使用适当的饱和盐溶液，使密闭室内样品的环境空气保持在恒定的相对湿度下，让样品达到平衡，然后测定样品的水分含量。 通常温度恒定在25，扩散时间为20min，样品量为1g，并且是在一种水分活度较低（A）和另一种水分活度较高(B)的饱和盐溶液下分别测定样品的吸收(x)或散失水分(y)的重量，然后安下式计算： Aw = (Ax+By)/(x+y),56,2.4 水分活度,2.4.1 水份活度及其测定,水分活度的测定,水分活度仪测定法,57,2.4 水分活度,2.4.1 水份活度及其测定,对水分活度的几种通俗理解,水分活度是指样品中水分被微生物利用或参与各种生物化学反应的难易程度。 水分活度是指样品中水分与非水组分结合的紧密程度。 水分活度是指水分从样品中“逃离”的趋势大小。,58,2.4 水分活度,2.4.2 水份活度与温度的关系,测定样品水分活度时，必须标明温度，因为Aw值随温度而改变。经修改的克劳修斯-科拉伯龙（Clausius-Clapeyron）方程，精确地表示了Aw对温度的相依性。,d(lnAw)/d(1/T) = -H/R 或 lnAw = -k H/R (1/T),式中：T为绝对温度；R为气体常熟；H为在食品某一水分含量下的等量净吸着热； k为样品中非水物质的本质和其浓度的函数，也是温度的函数，但在样品一定和温度变化范围较窄的情况下，其可看为常数 。由该公式可见，以lnAw对1/T作图（当水分含量一定时），可得一条直线。,59,马铃薯淀粉的水分活度与温度的关系,从图中可以看出：在含水量一定的情况下，水分活度的对数与绝对温度的倒数呈良好的线性关系，而且水分活度对温度的相依性是含水量的函数。,60,温度系数,温度系数：指温度每改变一个单位时相应水分活度的变化数值； 初始的水分活度为0.5时，在240的温度范围内，温度系数是0.0034-1； 研究结果表明，高碳水化合物食品或高蛋白质食品的Aw的温度系数(温度范围550，起始的Aw为0.5)范围为0.0030.02-1； 一般说来，对于不同的产品，温度每变化10，其Aw变化0.030.2； 因此，温度变化对水分活度的影响能改变密封在袋内或罐内的食品的稳定性。,61,冰点以下水份活度与温度的关系,在较大温度范围的lnAw 1/T图，并非始终是一条直线； 当冰开始形成时，直线将在结冰的温度时出现明显的折点； 在冰点以下lnAw随1/T的变化率明显变大，并且不再受食品中非水组分的影响。,62,冰点以下水份活度的计算,pff：未完全冷冻食品中水的蒸汽分压； p0(scw)：纯过冷水的蒸汽压 pice：纯冰的蒸汽压。,基于冷冻食品中水的分压等于相同温度下冰的蒸汽压。由于过冷水的蒸汽压已能测到-15，而冰的蒸汽压可测到更低的温度，因此，精确地计算冷冻食品的Aw值是可能的。,Aw = pff/p0(scw) = pice/p0(scw),63, 在冰点以上时， Aw随样品的组分和温度的变化而变化，且前者是主要因素，在冰点以下，Aw与样品组分无关，只取决于温度。 在冰点以上和以下温度时，Aw对食品稳定性的影响是不同的。在-15的产品中(Aw为0.86)，微生物不再生长，而且化学反应缓慢进行；但是在20与Aw 为0.86时，一些化学反应将快速进行，一些微生物将以中等速度生长。 不能根据冰点以下温度的Aw预测冰点以上温度的Aw。,高于和低于冰点温度时Aw的重要差别,64,2.4 水分活度,2.4.3 水份活度与水分含量的关系,水分的吸附等温线,在恒定的温度下，以食品的水分含量(用单位干物质质量中水的质量表示，g水g干物质)对它的水分活度绘图形成的曲线称为吸附等温线（简称MSI）。,65,水分的吸附等温线（MSI）的意义,MSI对于了解以下信息是十分有意义的： 分析在浓缩和干燥过程中样品的脱水难易程度与Aw的关系； 合理设计组合食品，以防止水分在组合食品的各配料之间转移； 测定包装材料的阻湿性； 预测多大的水分含量才能抑制微生物的生长； 预测食品的化学和物理稳定性与水分含量的关系； 分析不同食品中非水组分与水结合能力的强弱。,66,低水分含量范围内食品的水份吸附等温线（20）,化合水,把水分含量低的区域扩大和略去高水分区，可得到一张更有价值的MSI。,67,68,不同食品的典型MSI,大多数食品的吸湿等温线为S形； 而水果、糖制品、含有大量糖和其它可溶性小分子的咖啡提取物、以及多聚物含量不高的食品的吸湿等温线为J形。,1. 糖果（主要成分为蔗糖粉）；2. 喷雾干燥的菊苣提取物；3. 焙烤后的咖啡；4. 猪胰脏提取粉；5. 天然大米淀粉,69,MSI与温度的关系,水分活度依赖于温度，因此水分吸湿等温线也与温度有关； 含水量一定时，水分活度随温度升高而升高； 水分活度一定时，含水量随温度上升而降低。,马铃薯在不同温度下的水分吸附等温线,70,2.4 水分活度,2.4.3 水份活度与水分含量的关系,吸附等温线的滞后现象,采用回吸(resorption)的方法绘制的MSI和按解吸(desorption)的方法绘制的MSI并不互相重叠的现象称为滞后现象。,一般来说，Aw值一定时，解吸过程中食品的水分含量大于回吸过程中的水分含量。,71,吸附等温线滞后现象的机理,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； 食品不规则形状而产生的毛细管现象，欲填满或抽空水分需不同的蒸汽压（要抽出需P内P外, 要填满则需P外P内）； 解吸时将使食品组织发生改变，当再回吸时就无法紧密结合水，由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的Aw。,72,2.5 水与食品的稳定性,2.5.1 水份活度与食品的稳定性,水分活度与微生物生命活动的关系,食品的水分活度决定了微生物在食品中萌发的时间、生长速率及死亡率； 不同微生物在食品中繁殖时对水分活度的要求不同； 一般来说，细菌对低水分活度最敏感，酵母菌次之，霉菌的敏感性最差； 当水分活度低于某种微生物生长所需的最低水分活度时，这种微生物就不能生长。,73,水分活度对微生物生长的影响,74,2.5 水与食品的稳定性,2.5.1 水份活度与食品的稳定性,水分活度与食品劣变化学反应的关系,对脂肪氧化酸败的影响 从极低的 Aw 值开始, 氧化速度随着水分的增加而降低, 直到 Aw 值接近等温线的区域 I 和区域的边界; 而进一步加水就使氧化速度增加，直到 Aw 值接近区域 与区域 的边界, 再进一步加水又引起氧化速度降低。,75,在Aw = 00.35范围内，随Aw的增加，反应速度降低的原因：(1)水与脂类氧化生成的氢过氧化物以氢键结合，保护氢过氧化物的分解，阻止氧化进行；(2)这部分水能与金属离子形成水合物，降低了其催化性。 在Aw = 0.350.8范围内，随Aw增加，反应速度增加的原因：(1)水中溶解氧增加；(2)大分子物质溶胀，活性位点暴露加速脂类氧化；(3)催化剂和氧的流动性增加。 当Aw0.8时，随Aw增加，反应速度增加很缓慢的原因：催化剂和反应物被稀释。,水分活度对脂肪氧化酸败的影响机理,76,2.5 水与食品的稳定性,2.5.1 水份活度与食品的稳定性,水分活度与食品劣变化学反应的关系,对非酶褐变的影响 当食品的水分活度在一定的范围内时，非酶褐变随着水分活度的增大而加速，Aw值在0.6-0.7之间时，褐变最为严重；随着Aw的下降,非酶褐变就会受到抑制而减弱； 当Aw降低到0.2以下时，褐变就难以发生。但如果水分活度大于褐变高峰的Aw值，则由于溶质的浓度下降而导致褐变速度减慢。,77,水分活度对食品劣变反应的影响小结,降低食品的Aw，可以延缓酶促褐变和非酶褐变的进行，减少食品营养成分的破坏，防止水溶性色素的分解。 但 Aw 过低，则会加速脂肪的氧化酸败，还能引起非酶褐变。 食品化学反应的最大反应速度一般发生在具有中等水分含量的食品中(Aw 0.7-0.9)。 要使食品具有最高的稳定性，最好将 Aw 保持在结合水范围内。这样，既使化学变化难以发生，同时又不会使食品丧失吸水性和复原性。,78,降低Aw提高食品稳定性的机理, 大多数化学反应都必须在水溶液中才能进行，降低食品的水分活度, 则食品中结合水的比例增加, 自由水的比例减少，而结合水是不能作为反应物的溶剂的，所以降低水分活度，能使食品中许多可能发生的化学反应、酶促反应受到抑制。 很多化学反应是属于离子反应, 该反应发生的条件是反应物首先必须进行离子化或水化作用，而发生离子化或水化作用的条件必须有足够的自由水才能进行。 很多化学反应和生物化学反应都必须有水分子参加才能进行( 如水解反应）；若降低水分活度，就减少了参加反应的自由水的数量，反应物( 水 ) 的浓度下降, 化学反应的速度也就变慢。 许多以酶为催化剂的酶促反应，水除了起着一种反应物的作用外，还能作为底物向酶扩散的输送介质，并且通过水化促使酶和底物活化。 食品中微生物的生长繁殖都要求有一定最低限度的Aw，当Aw低于0.6时，绝大多数微生物就无法生长。,79,2.5 水与食品的稳定性,2.5.2 冷冻与食品的稳定性,冻藏时冰对食品稳定性的影响,正面影响：低温情况下微生物的繁殖被抑制、一些化学反应的速度常数降低。 不利影响：水转化成冰后，其体积膨胀产生局部压力，进而使具有细胞组织接哦股的食品受到机械损伤，造成解冻后汁液的流失，或者使得细胞内的酶与细胞外的底物接触，导致不良反应的发生；冷冻浓缩效应，导致非冻结相中非水组分的浓度提高，进而引起食品体系的理化性质，如非冻结相的pH值、可滴定酸度、例子强度等发生变化。,80,食品冻藏过程中，为什么要尽量保持温度恒定？,由于冻藏过程中温度出现波动，温度升高时，已冻结的小冰晶融合；温度再次降低时，原先未冻结的水和先前小冰晶融化的水将会扩散并附着在较大的冰晶表面，造成再结晶的冰晶体积增大，这样对组织结构的破坏性很大。因此，在食品冻藏时，要尽量空盒子温度的恒定。,81,本章小结,1.水分子的结构特征： 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 水分子氢键键合程度取决于温度 2.水分子的缔合：由于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。 3.冰：是由水分子有序排列形成的结晶，有11种晶型，其中六方冰晶是最稳定的。,82,4. 水的结构模型： 混合模型；连续结构模型；填隙结构模型 5. 水与溶质的相互作用：与离子基团、极性基团、非极性基团。 6.化合水：与非水组分紧密结合并作为食品组分的那部分水。 特点： 在-40下不结冰。 无溶解溶质的能力。 与纯水比较分子平均运动为0。 不能被微生物利用。,83,7.邻近水：与非水组的特异亲水部位通过水-离子和水-偶极产生强烈相互作用的水。 特点： 在-40下不结冰。 无溶解溶质的能力。 与纯水比较分子平均运动大大减少。 不能被微生物利用。此种水很稳定，不易引起食品的腐败变质。,84,8.多层水：占据第一层邻近水剩余位置和围绕非水组分亲水基团形成的另外几层水。 特点： 大多数多层水在-40下不结冰，其余可结冰，但冰点大大降低。 有一定溶解溶质的能力。 与纯水比较分子平均运动大大降低。 不能被微生物利用。,85,9.体相水：距离非水组分位置最远，水-水氢键最多。它与稀盐水溶液中水的性质相似。 特点： 能结冰，但冰点有所下降。 溶解溶质的能力强，干燥时易被除去。 与纯水分子平均运动接近。 很适于微生物生长和大多数化学反应，易引起食物的腐败变质，但与食品的风味及功能性紧密相关。,86,10.水分活度的定义：指某种食品在密闭容器中达到平衡状态时的水蒸汽分压；与同一温度下纯水的饱和蒸汽压之比。 11.水分活度的测定方法：冰点测定法；相对湿度传感器测定法；恒定相对湿度平衡法。 12.吸附等温线：在恒温条件下，以食品的含水量（用每单位干物质质量中水的质量表示）对水活性绘图形成的曲线，称为水分吸附等温线（moisture sorption isotherms, MSI）。,87,13.滞后现象：采用向干燥样品中添加水（回吸作用）的方法绘制水分吸着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。 14.水分活度对食品稳定性的影响： 水分活度对食品中微生物生长的影响 水分活度对食品化学变化的影响。,88,思考题,1、试述水在食品中的存在状态及各种状态水的特性。 2、试述水与溶质之间的相互作用及其机理。 3、什么是水分活度？什么是吸附等温线？什么是滞后现象？ 4、水分活度对食品中主要的化学变化的影响？ 5、降低水分活度能提高食品稳定性的机理？,89,本章读书报告备选题目,1、水分活度控制技术研究进展 要求：介绍食品加工过程中常用的水分活度控制技术，具体包括其原理，应用状况等方面。 2、水分活度测定仪应用状况调研 要求：介绍35种国内外常见的水分活度测定仪，具体包括其测定原理，操作步骤以及应用范围等方面。,90,