1、l本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容食品中的水分含量及其在生物體中的作用食品中的水分含量及其在生物體中的作用水和冰的物理性質(zhì)水和冰的物理性質(zhì)水與冰的結(jié)構(gòu)水與冰的結(jié)構(gòu)食品中水的類型食品中水的類型水分活度與食品腐爛水分活度與食品腐爛食品的吸濕等溫線食品的吸濕等溫線食品的凍結(jié)保藏食品的凍結(jié)保藏2.1 2.1 食品中水分含量及水在生物體中的作用食品中水分含量及水在生物體中的作用2.1.1 2.1.1 食品中水分含量食品中水分含量 生物體中水分含量隨生物生存環(huán)境、種類、器官及發(fā)育時(shí)期而異，一般為5080%。食品原料中的含水量與產(chǎn)品的要求密切相關(guān)，常見(jiàn)食品含水量如P8表1-1所示。2.1.2 2.1.2 水在生物體

2、中的作用水在生物體中的作用 1) 穩(wěn)定生物大分子的構(gòu)象，使之表現(xiàn)出特異的生物活性。 2）作為體內(nèi)各種生化反應(yīng)介質(zhì)或反應(yīng)產(chǎn)物。 3） 作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或廢物的運(yùn)輸載體。 4） 調(diào)節(jié)體溫。 5） 作為機(jī)體各種運(yùn)動(dòng)的潤(rùn)滑劑。2.1.2 2.1.2 人體的日需水量人體的日需水量 隨性別、年齡、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、生理狀態(tài)等而變化，在正常情況下，成人每日需水量為22.7 L, 攝入的水量有一部分參與體內(nèi)的各種代謝，有一部分水則以汗、尿等形式排出。具體情況見(jiàn)P9表1-2 2.2 2.2 水和冰的物理性質(zhì)水和冰的物理性質(zhì)2.2.1 2.2.1 水的三態(tài)水的三態(tài)注：注：1 1）水的三相圖由三線(TB、TF、TS)、三面和一

3、點(diǎn)構(gòu)成。 2 2）以P1點(diǎn)為例說(shuō)明水的三態(tài)變化規(guī)律及冰凍干燥的原理。 3 3）潛熱：用于物質(zhì)相變的熱量稱之為潛熱。 顯熱：用于物質(zhì)體系溫度升高的熱量稱之為顯熱。 2.2.2 水的物理性質(zhì)水的物理性質(zhì) P h y s ic a l P ro p e r tie s o f W a te r a n d Ic e P ro p e r tie s v a lu e M o le cula r we ig ht 1 8 0 .0 1 5 3 Pha s e tra ns itio n pro pe rtie s M eltin g p o in t at 1 0 1 .3 k P a (1 atm

4、) 0 .0 0 0 Bo ilin g p o in t at 1 0 1 .3 k P a (1 atm ) 1 0 0 .0 0 0 C ritic al tem p eratu re 3 7 3 .9 9 C ritic al p res s u re 2 2 .0 7 6 4 M P a (2 1 8 .6 atm ) T rip le p o in t 0 .0 1 an d 6 11 .7 3 P a (4 .5 8 9 m m Hg ) E n th alp y o f fu s io n at 0 6 .0 1 2 k J (1 .4 3 6 k c al) /m o l E

5、 n th alp y o f v ap o rizatio n at 1 0 0 4 0 .6 5 7 k J (9 .7 11 k c al)/m o l E n th alp y o f s u b lim in atio n at 0 5 0 .9 1 k J (1 2 .1 6 k c al)/m o l Te m pe ra ture OO t t h h e e i i r r p p r r o o p p e e r r t t i i e e s s 2 0 0 0 (ic e) -2 0 (ic e) D e ns ity (g /m L ) 0 .9 9 8 2 1 0

6、 .9 9 9 8 4 0 .9 1 6 8 0 .9 1 9 3 Vis co s ity (P a.S ec ) 1 .0 0 2 1 0-3 1 .7 9 3 1 0-3 S urfa ce te ns io n a g a ins t a ir (N /m ) 7 2 .7 5 1 0-3 7 5 .6 4 1 0-3 Va po r pre s s ure (k P a) 2 .3 3 8 8 0 .6 11 3 0 .6 11 3 0 .1 0 3 H e a t ca pa city (J /g .K) 4 .1 8 1 8 4 .2 1 7 6 2 .1 0 0 9 1 .9

7、5 4 4 T he rm a l co nd uc tiv ity (liq u id ) (J /m .s . ) 5 .8 9 3 1 02 5 .6 4 4 1 02 2 2 .4 1 02 2 4 .3 3 1 02 T he rm a l diffus itity (m2/s ) 1 .4 1 0-7 1 .3 1 0-7 11 .7 1 0 -7 11 .8 1 0-7 Pe rm ittiv ity (d ielec tric c o n s tan t) (s till)* 8 0 .3 6 8 0 .0 0 9 1 * * 9 8 * * 3 1 09 Hz 7 6 .7

8、(2 5 ) 8 0 .5 (1 .5 ) 3 .2 (-1 2 ) 從表中歸納的幾條規(guī)律從表中歸納的幾條規(guī)律： 1. 冰的導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)均比水大幾倍。冰的導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)均比水大幾倍。所以，在相同溫 度差的條件下， （但升降的方向相反），組織材料的凍結(jié)速度 要比解凍速度快得多。 2. 水的密度較冰大水的密度較冰大，所以，水凍結(jié)為冰時(shí)體積膨脹。水在，所以，水凍結(jié)為冰時(shí)體積膨脹。水在4時(shí)時(shí) 密度最大，密度最大， 為為1，0時(shí)冰的密度為時(shí)冰的密度為0.917。 3. 水的沸點(diǎn)和熔點(diǎn)相當(dāng)高。水的沸點(diǎn)和熔點(diǎn)相當(dāng)高。在一大氣壓下，100時(shí)沸騰汽化，但 在減壓下， 沸點(diǎn)則降低.應(yīng) 用：在濃縮牛奶

9、、肉湯、果汁等 食品時(shí)，加高溫容易變質(zhì)， 故必須采用減壓低溫方法進(jìn)行濃 縮， 因?yàn)樗姆悬c(diǎn)是隨著壓力增大而升高 的 .在100下不易煮熟 的食品，如動(dòng)物的筋和骨、 豆類等，可以使用壓力鍋，便能迅 速煮熟。如果再增加一個(gè)大氣壓，水的沸點(diǎn)就可升到121123 。 4. 水的比熱較大。水的比熱較大。所以，水溫不易隨氣溫而變化。 5. 水的介電常數(shù)高。水的介電常數(shù)高。20時(shí)水的介電常數(shù)是80.36。而大多數(shù)生 物體的干物質(zhì)的 介電常數(shù)為 2.24.0。在理論上，任何物質(zhì)， 其水分含量增加1%，介電常數(shù)將增加近0.8。由于水的介電常 數(shù)大，故能促進(jìn)電解質(zhì)的電離。 6. 水的溶解能力強(qiáng)。水的溶解能力強(qiáng)。a

10、.溶解離子型化合物的能力較強(qiáng)；b.非離 子極性化合物如糖類、醇類、醛類、酮類等有機(jī)物質(zhì)亦均可 與水形成氫鍵而溶于水中；c.即使不溶于水的物質(zhì)，如脂肪 和某些蛋白質(zhì)，也能在適當(dāng)?shù)臈l件下分散在水中，形成乳濁 液或膠體溶液。 為什么水的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容和介電常數(shù)均比一般物質(zhì)大呢？2.3 2.3 水與冰的結(jié)構(gòu)水與冰的結(jié)構(gòu)2.3.1 2.3.1 水的結(jié)構(gòu)與水分子間的締合水的結(jié)構(gòu)與水分子間的締合 解釋：解釋：1. . 形成水分子時(shí)，氧原子采用的是SP3雜化，為什么水分子中的兩個(gè)O-H 鍵之間的夾角不是109o,而是104.50 2. 為什么水的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容和介電常數(shù)比HF與NH3大？ 為什么水的比

11、重較低冰大？（固態(tài)冰與液態(tài)水結(jié)構(gòu)的差異決定的，其比重取決于水分子之 間的距離和中心水分子周圍水分子的配位數(shù)） 2.3.2 2.3.2 固態(tài)冰與液態(tài)水結(jié)構(gòu)的差異固態(tài)冰與液態(tài)水結(jié)構(gòu)的差異 固態(tài)冰：0時(shí)，水分子之間的距離為0.276nm, 中心水分子的配位數(shù)為4。 液態(tài)水：0 時(shí)，結(jié)構(gòu)類似于冰，但有些氫鍵已經(jīng)斷裂或彎曲。 1.5 時(shí)，中心水分子的配位數(shù)為4.4, 水分子之間的距離為0.29. 水的比重在03.98 , 配位數(shù)的增加占優(yōu)勢(shì)，大于3.98 后，水分子距 離的增加占優(yōu)勢(shì)。 2.4 2.4 食品中水的類型食品中水的類型 自由水：自由水：存在于食品中但不被食品成分束縛的水稱之為自由水。 結(jié)合水

12、：結(jié)合水：存在于食品中，通過(guò)氫鍵與極性組分結(jié)合在一起的水 稱之為結(jié)合水。 水與非水組分之間的作用有三種方式：2.4 2.4 食品中水的類型食品中水的類型、結(jié)合水的量與食品中有機(jī)大分子極性基團(tuán)的數(shù)量有較為固定、結(jié)合水的量與食品中有機(jī)大分子極性基團(tuán)的數(shù)量有較為固定的比例關(guān)系的比例關(guān)系。 據(jù)測(cè)定g蛋白質(zhì)可結(jié)合水平均為g，在動(dòng)物組織器官中蛋白質(zhì)約為，即與蛋白質(zhì)結(jié)合的水平達(dá)；對(duì)于植物組織來(lái)說(shuō)，g淀粉的平均持水能力為。、結(jié)合水蒸汽壓比自由水低得多，而沸點(diǎn)高于一般水，冰點(diǎn)低、結(jié)合水蒸汽壓比自由水低得多，而沸點(diǎn)高于一般水，冰點(diǎn)低于一般水。于一般水。 因而，以下時(shí)結(jié)合水不會(huì)從食品中散失，時(shí)還不會(huì)結(jié)冰，這一點(diǎn)可以

13、解釋為什么植物的種子和微生物的孢子（幾乎沒(méi)有自由水泄不通在很低的溫度下還能保持生命力，而多汁的組織（如水果、蔬菜、肉等級(jí)在冰凍時(shí)其組織結(jié)構(gòu)很容易被破壞。、自由水可被微生物利用，結(jié)合水則不能被微生物利用。、自由水可被微生物利用，結(jié)合水則不能被微生物利用。、結(jié)合水對(duì)食品的風(fēng)味有很大影響，尤其是單分子層結(jié)合水，、結(jié)合水對(duì)食品的風(fēng)味有很大影響，尤其是單分子層結(jié)合水，采用強(qiáng)制手段去掉結(jié)合水時(shí)，食品的風(fēng)味和質(zhì)量會(huì)發(fā)生很大的變采用強(qiáng)制手段去掉結(jié)合水時(shí)，食品的風(fēng)味和質(zhì)量會(huì)發(fā)生很大的變化。化。 2.5 水分活度與食品腐爛水分活度與食品腐爛 2.5.1 水分含量與水分活度的概念水分含量與水分活度的概念 水分含量水

14、分含量：食品中水分重量占食品重量的百合比稱之為，一般用120烘干法進(jìn)行測(cè)定。 水分活度：水分活度：食品上空水蒸汽的分壓力與同溫下純水的蒸汽壓的比值稱之為。 Aw=P/P0 也可用水的逸度進(jìn)行表示： Aw=f/f0 對(duì)純水來(lái)說(shuō)，因P和Po相等，故w為。而食品中的水分，由于其中溶有無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)物，所以P總是小于Po，故w。 溶質(zhì)與水分子之間的作用力等于水分子之間的凝聚力時(shí)，根 據(jù)拉烏爾定律，稀溶液的蒸氣壓下降率等于溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)： Aw=P/Po = n1/n1+n2 因此，如果摩爾砂糖溶于1000克水，其溶液的w可這 樣 計(jì) 算 ， 1 0 0 0 1 8 . 0 1 6 = 5 5 . 5 摩

15、 爾 ， 則 : AW=55.5/(55.5+1)=0.98 它表示了摩爾砂糖溶液在相對(duì)濕度為98時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)。所以水分活度也可用平衡相對(duì)濕度（ERH)這一概念表示： AW=P/P0=ERH/100 據(jù)此，測(cè)定食品中的w時(shí)，只要將食品放入密閉容器內(nèi)至水分達(dá)到平衡時(shí)，找到容器內(nèi)的平衡相對(duì)濕度，即可算出食品的w，這就是用用康威氏皿進(jìn)行測(cè)定水分活度的依據(jù) 。水分活度，在一定溫度下，也可通過(guò)直接測(cè)定食品的蒸氣壓，再進(jìn)行計(jì)算。 一般情況下，食品中的含水量愈高，水分活度也愈大。水分活度與水分含量之間的關(guān)系如下圖 水分含量與水分活度的關(guān)系 2.5.2 影響水分活度的因素影響水分活度的因素 1) 食品的組成

16、食品的組成 因?yàn)樗只疃仁鞘称返膬?nèi)在性質(zhì)。 2) 溫度：溫度： 水分活度與溫度的關(guān)系用Clausius-clapeyron方程表示為： ln Aw= -H/RT +C 固定水分含量，研究溫度與水分活度的關(guān)系，馬鈴薯淀粉的情況如下圖所示。 根據(jù)上述曲線可以算出在定溫度與水分活度范圍內(nèi)的溫度系數(shù)，以指導(dǎo)食品的貯藏與加工。每一種食品體系均可根據(jù)上述的方法算出其在一定溫度與水分條件下的溫度系數(shù)。 值得注意的是：當(dāng)溫度低于0時(shí),一方面水分的活度計(jì)算應(yīng)按Aw= P(純水)/P(Po過(guò)冷水) ;另一方面此時(shí)水分在實(shí)際生產(chǎn)上的指導(dǎo)意義。 2.5.3 水分活度與食品穩(wěn)定性的關(guān)系水分活度與食品穩(wěn)定性的關(guān)系 1）微

17、生物活動(dòng)與水分的關(guān)系微生物活動(dòng)與水分的關(guān)系 不同的微生物在食品中繁殖時(shí)，都有它最適宜的水分活度范圍，細(xì)菌最敏感，其次是酵母和霉菌。在一般情況下，霉菌生長(zhǎng)的最適Aw為0.85，但低于0.8也能生長(zhǎng)；Aw大于或等于0.9時(shí)（最適為0.900.94），細(xì)菌和酵母菌的生長(zhǎng)比較低旺盛，直到Aw低于0.9時(shí)，霉菌生長(zhǎng)才比較旺盛，這就是糕點(diǎn)、奶酪和堅(jiān)果之類水份含量低的食品容易由于霉菌生長(zhǎng)而腐敗的原因。 微生物發(fā)育與水分活度的關(guān)系如下表所示.如果食品水分活度大于微生物生長(zhǎng)發(fā)育所需的最低w值時(shí),微生物即可導(dǎo)致食品變質(zhì). 2）水分活度與酶促反應(yīng)的關(guān)系水分活度與酶促反應(yīng)的關(guān)系 食品中自由水是一種良好的溶劑,有助于引

18、起化學(xué)反應(yīng),從而引起食品變質(zhì)。當(dāng)食品水分活度極低時(shí),酶促反應(yīng)幾乎停止或反應(yīng)緩慢；當(dāng)水分活度增加時(shí)，自由水的量開(kāi)始增加，酶促反應(yīng)速度也相應(yīng)增加。 一般w0.3時(shí),食品中淀粉酶、酚氧化酶、過(guò)氧化酶等活動(dòng)被抑制； w0.1時(shí),食品中的脂肪酶被抑制。 3) 水分活度與非酶反應(yīng)的關(guān)系水分活度與非酶反應(yīng)的關(guān)系 對(duì)于多數(shù)食品，過(guò)分的干燥會(huì)引起食品成分的氧化和脂肪的酸敗，還會(huì)引起食品的非酶褐變。因此，要使食品具有良好的穩(wěn)定性，則必需將w控制在結(jié)合水范圍內(nèi)（即最低w），只有這樣才能防止氧對(duì)活性基團(tuán)的作用，阻礙蛋白質(zhì)和碳水化合物的相互作用，不會(huì)使食品喪失吸水和復(fù)原性。 食品體系中的化學(xué)反應(yīng)包括：a.脂肪氧化作用；

19、b.非酶褐變；c.水解反應(yīng)；d. 霉菌生長(zhǎng)；e.酵母生長(zhǎng)；f.細(xì)菌生長(zhǎng)等。下圖表示了其與水分活度的關(guān)系。 綜合上述情況可知，食品中水分活度高，則食品易受微生物污染，易發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致食品品質(zhì)不穩(wěn)定，發(fā)生霉?fàn)€變質(zhì)。生產(chǎn)上根據(jù)這一原理常采用如下措施來(lái)保證食品的品質(zhì)。 1 1）干制）干制 2 2）腌制）腌制 （加糖與鹽等）（加糖與鹽等） 3 3）凍結(jié)或冷藏）凍結(jié)或冷藏 2.6 吸濕等溫線吸濕等溫線 (Moisture sorption isotherm ) 為了比較不同質(zhì)構(gòu)食品對(duì)水分活度的影響，我們引進(jìn)了吸濕等溫線的概念。 2.6.1 等溫線的繪制等溫線的繪制 可采用吸附與解吸兩種方法繪制。請(qǐng)

20、注意如下幾個(gè)請(qǐng)注意如下幾個(gè)問(wèn)題：?jiǎn)栴}： 等溫線縱坐標(biāo)是含水量(g/g干物質(zhì)，或水的%含量)，橫縱標(biāo)是水分活度； 吸附等溫線與解吸等溫線對(duì)于同一食品體系來(lái)說(shuō)不完全重合。這是由于同一水活度條件下, 食品中的非水組分對(duì)水的吸附還沒(méi)有充分吸夠造成的(這種吸附需要足夠的時(shí)間)。 吸附與解吸曲線繪制時(shí)，溫度一定要固定。因?yàn)槠潆S溫度的增加，同一食品結(jié)構(gòu)的吸附曲線會(huì)朝著右下方形狀移動(dòng)，但形狀基本不變（見(jiàn)P33 圖1-12） 2.6.2 吸濕等溫線的分區(qū)吸濕等溫線的分區(qū) (見(jiàn)P34 圖1-13) 第一區(qū)第一區(qū): : Aw為00.25, 主要為食品中極性組分吸附的單分子層水、水合離子水等。占比例很小(00.07g

21、水/干物質(zhì))，-40 以上不結(jié)冰, 與食品腐爛無(wú)關(guān); 第二區(qū)第二區(qū): :Aw為0.250.8，除保留一區(qū)水外,增加了極性組分周圍的多分子層水及直徑小于1m的毛細(xì)管水,所占的比例仍然較小，與一區(qū)合計(jì)不超過(guò)0.45g水/g， -40 以上不結(jié)冰, 與食品腐爛也無(wú)關(guān); 第三區(qū)第三區(qū)： Aw為0.81.0，直徑大于1m的毛細(xì)管水和被生物膜或大分子截留的水，最多可達(dá)20g水/g干物質(zhì)。可結(jié)冰，與食品貯藏穩(wěn)定性關(guān)系密切。 2.6.3 吸濕等溫線方程式吸濕等溫線方程式 (見(jiàn)P36) Aw/(1-Aw)V= 1/VmC +Aw(C-1)/VmC 或或 P/W(P0-P)=1/W1C + (C-1)P0/W1CP C: 與吸附熱有關(guān)的常數(shù)；P：樣品的蒸氣壓；Po：同溫下純水的蒸汽壓；W：樣品的水分含量（g水/g干物質(zhì)）；W1：?jiǎn)螌又?g水/g干物質(zhì))。此方程是Brunaer,Emmett和Teller 三人在Langmuir的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的，故稱這為BET方程。此方程在Aw