1、營養(yǎng)素化學(xué)第一章第一章 水分水分n冰和水冰和水的物理性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)及結(jié)構(gòu)n食品中水分存在狀態(tài)食品中水分存在狀態(tài)n水分活度與食品的安定性水分活度與食品的安定性n分子流動性與食品穩(wěn)定性分子流動性與食品穩(wěn)定性第一節(jié)第一節(jié) 引言引言n水是最普遍存在的組分，占水是最普遍存在的組分，占50%90%n是其它食品成分的溶劑是其它食品成分的溶劑n食品的水分含量決定了食品的感官品質(zhì)食品的水分含量決定了食品的感官品質(zhì) 結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、外表、外觀、風(fēng)味結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、外表、外觀、風(fēng)味n食品的水分決定了食品的穩(wěn)定性食品的水分決定了食品的穩(wěn)定性n各種食品都具有特征含水量各種食品都具有特征含水量主要食品的水份含量食食 品品

2、水水分分含含量量% % 肉肉 豬豬肉肉、生生的的分分割割瘦瘦肉肉 牛牛肉肉、生生的的零零售售部部分分 雞雞肉肉、各各種種級級別別的的去去皮皮生生肉肉 魚魚、肌肌肉肉蛋蛋白白質(zhì)質(zhì) 水水果果 漿漿果果、櫻櫻桃桃、梨梨 蘋蘋果果、桃桃子子、桔桔子子、葡葡萄萄柚柚 大大黃黃、草草莓莓、蕃蕃茄茄 蔬蔬菜菜 鱷鱷梨梨、香香蕉蕉、豌豌豆豆（綠綠） 甜甜菜菜、莖莖椰椰菜菜、胡胡蘿蘿卜卜、馬馬鈴鈴薯薯 蘆蘆筍筍、菜菜豆豆（綠綠） 、卷卷心心菜菜、花花菜菜、萵萵苣苣 5 53 3- -6 60 0 5 50 0- -7 70 0 7 74 4 6 65 5- -8 81 1 8 80 0- -8 85 5 8 8

3、5 5- -9 90 0 9 90 0- -9 95 5 7 74 4- -8 80 0 8 80 0- -9 90 0 9 90 0- -9 95 5 第二節(jié)第二節(jié) 冰和水的冰和水的 物理性質(zhì)及結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)及結(jié)構(gòu)n冰和水的冰和水的物理性質(zhì)物理性質(zhì)n冰和水的物性特異性表現(xiàn)為冰和水的物性特異性表現(xiàn)為:異常高的熔點(diǎn)異常高的熔點(diǎn)（0） 、沸點(diǎn)、沸點(diǎn)（100）特別大的熱容、相變熱（特別大的熱容、相變熱（熔化、蒸發(fā)、升華焓）水具有較大的熱傳導(dǎo)值水具有較大的熱傳導(dǎo)值密度較低密度較低（1 g/cm3） ，凍結(jié)時異常膨脹，凍結(jié)時異常膨脹特別大的表面張力、介電常數(shù)特別大的表面張力、介電常數(shù)一、冰和水的物理性質(zhì)一

4、、冰和水的物理性質(zhì)（一）水分子及水分子間的締合作用1.單個水分子的結(jié)構(gòu)H2O：O原子核外8個電子的排布 1S2 2S22P4二、冰和水的結(jié)構(gòu)二、冰和水的結(jié)構(gòu)水的異常性質(zhì)可以推測水分子間存水的異常性質(zhì)可以推測水分子間存在強(qiáng)烈的吸引力以及水和冰具有不在強(qiáng)烈的吸引力以及水和冰具有不尋常的結(jié)構(gòu)尋常的結(jié)構(gòu)1S2 2SP3（2）2SP3（2）2SP3（1）2SP3（1）(1)單個水分子的結(jié)構(gòu)特征n水分子的四面體結(jié)構(gòu)有非對稱性nO的孤對電子端電子云密度大n氧的兩對孤對電子有靜電排斥作用nH原子具有部分裸質(zhì)子特性為不對稱分子，存在偶極矩存在廣泛的氫鍵締合氫鍵受體氫鍵受體氫鍵供體氫鍵供體（二）冰的結(jié)構(gòu)（二）冰的

5、結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代分析技術(shù)現(xiàn)代分析技術(shù)已證實(shí)：完整已證實(shí)：完整冰結(jié)冰結(jié)晶晶是水分子按照正四面體排列方式，靠是水分子按照正四面體排列方式，靠氫鍵連接在一起的（低密度）開放結(jié)構(gòu)。氫鍵連接在一起的（低密度）開放結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代分析技術(shù)現(xiàn)代分析技術(shù)X-射線衍射射線衍射中子衍射中子衍射電子衍射電子衍射紅外拉曼光譜紅外拉曼光譜影響冰結(jié)晶的因素n共存成分種類、數(shù)量n凍結(jié)溫度、凍結(jié)速度n冰晶的成長（三）水的結(jié)構(gòu)（三）水的結(jié)構(gòu)2.2.水的水的“分子團(tuán)分子團(tuán)”結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)3.影響水結(jié)構(gòu)的因素（1）溫度）溫度水與冰結(jié)構(gòu)中水分子之間的配位數(shù)和距離水與冰結(jié)構(gòu)中水分子之間的配位數(shù)和距離配位數(shù)配位數(shù)OHO距離距離冰（冰（0）4.00.276

6、 nm水（水（1.5）4.40.290 nm水（水（83.）4.9 0.305 nmnn（2）非水物質(zhì)）非水物質(zhì)n水與離子及離子基團(tuán)的相互作用水與離子及離子基團(tuán)的相互作用n水與具有氫鍵能力的中性基團(tuán)的相互水與具有氫鍵能力的中性基團(tuán)的相互作用作用n水與非極性物質(zhì)的相互作用水與非極性物質(zhì)的相互作用 疏水疏水性水合性水合n（3）電場、磁場、紅外線、壓力場）電場、磁場、紅外線、壓力場 水與離子及離子基團(tuán)的相互作用離子-偶極相互作用對純水結(jié)構(gòu)的破壞對膠體穩(wěn)定性的影響偶極偶極對水的束縛作用對水正常結(jié)構(gòu)的破壞作用水與具有氫鍵能力的中性基團(tuán)的相互作用水與具有氫鍵能力的中性基團(tuán)的相互作用水與非極性物質(zhì)的相互作用

7、 疏水性水合n原因原因n形式形式疏水相互作用疏水相互作用籠狀包接水合物籠狀包接水合物 將甲烷、乙烷、異丁烷低溫高壓下壓入將甲烷、乙烷、異丁烷低溫高壓下壓入水中，會形成籠狀包接水合物結(jié)晶（肉眼可水中，會形成籠狀包接水合物結(jié)晶（肉眼可見），其中構(gòu)造化純度程度更高的水分子形見），其中構(gòu)造化純度程度更高的水分子形成籠子的主體，小分子的甲烷等作為客體被成籠子的主體，小分子的甲烷等作為客體被包圍在籠子的內(nèi)部。包圍在籠子的內(nèi)部。 3.功能性水Water design 又稱活性水、離子水，是由又稱活性水、離子水，是由56個水分個水分子組成的環(huán)狀小分子團(tuán)，具有良好的口子組成的環(huán)狀小分子團(tuán)，具有良好的口感及生物學(xué)

8、活性。感及生物學(xué)活性。 活性水具有以下特征活性水具有以下特征：npH改變（弱堿性）改變（弱堿性）n表面張力降低，表面活性改變（滲透能力提表面張力降低，表面活性改變（滲透能力提高）高）n粘度改變粘度改變n氧化還原電位改變（負(fù)電位），氧的溶解氧化還原電位改變（負(fù)電位），氧的溶解度改變度改變(提高）提高）第二節(jié)第二節(jié) 食品水分存在狀態(tài)食品水分存在狀態(tài)一、結(jié)合水的種類及性質(zhì)一、結(jié)合水的種類及性質(zhì)二、體相水的種類及性質(zhì)二、體相水的種類及性質(zhì)（一）種類（一）種類1、構(gòu)成水構(gòu)成水：是指與食品中其它親水物質(zhì)或親：是指與食品中其它親水物質(zhì)或親水基團(tuán)結(jié)合最緊密的水，并與非水物質(zhì)構(gòu)成水基團(tuán)結(jié)合最緊密的水，并與非水物

9、質(zhì)構(gòu)成一個整體。一個整體。2、鄰近水：指親水物質(zhì)的強(qiáng)親水基團(tuán)周圍締、鄰近水：指親水物質(zhì)的強(qiáng)親水基團(tuán)周圍締合的單層水分子膜。合的單層水分子膜。3、多層水：指單分子水化膜外圍繞親水基團(tuán)、多層水：指單分子水化膜外圍繞親水基團(tuán)形成的另外幾層水。形成的另外幾層水。4、微毛細(xì)管水：由于受到細(xì)胞體系中微毛細(xì)、微毛細(xì)管水：由于受到細(xì)胞體系中微毛細(xì)管（管（0.1）物理限制作用，而使水分被）物理限制作用，而使水分被強(qiáng)烈的束縛。強(qiáng)烈的束縛。（二）性質(zhì)（二）性質(zhì)食品結(jié)合水量與食品的非水成分的極性基食品結(jié)合水量與食品的非水成分的極性基 團(tuán)的數(shù)量間有比較固定的比例關(guān)系。團(tuán)的數(shù)量間有比較固定的比例關(guān)系。 1g Pr 1gS

10、tarch在在-40不結(jié)冰，不能作為溶劑，也不宜蒸發(fā)不結(jié)冰，不能作為溶劑，也不宜蒸發(fā)除去。除去。不參與化學(xué)、生物化學(xué)反應(yīng)，不能被不參與化學(xué)、生物化學(xué)反應(yīng)，不能被M利用。利用。單分子層水與食品的質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味有關(guān)。單分子層水與食品的質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味有關(guān)。0.30.4g水水0.30.5g水（一）種類（一）種類截留水：指被物理截留在細(xì)胞、大分子凝膠骨架中截留水：指被物理截留在細(xì)胞、大分子凝膠骨架中的水（的水（d10100 ）。）。游離水：指食品中可以自由流動的那部分水。游離水：指食品中可以自由流動的那部分水。（二）性質(zhì)（二）性質(zhì)與稀鹽溶液或純水相似與稀鹽溶液或純水相似r（ ）0.11101001000p（Kg

11、/cm2） 14.84 1.484 0.148 0.014 0.0015二、體相水二、體相水n水分活度水分活度(Aw)(Aw)的含義的含義n影響影響Aw的因素的因素nAw與食品含水量的關(guān)系吸附與食品含水量的關(guān)系吸附等溫線等溫線nAw與食品的安定性與食品的安定性第三節(jié)第三節(jié) 水分活度與水分活度與 食品的安定性食品的安定性一、水分活度一、水分活度(Aw)(Aw)的含義的含義n定義：指在一定條件下，在密閉容器中，食品的水蒸氣壓（P）與同條件下純水的蒸汽壓（P0）之比。 在一定的條件下NPP010PPAw211nnnNAw211nnnNAw 對公式說明：對公式說明：AwAw與食品組成有關(guān)與食品組成有關(guān)

12、對理想溶液及非電解質(zhì)稀溶液（對理想溶液及非電解質(zhì)稀溶液（M M1 1）通過測量食品的冰點(diǎn)下降，可直接導(dǎo)出食品中通過測量食品的冰點(diǎn)下降，可直接導(dǎo)出食品中起作用的溶質(zhì)的量起作用的溶質(zhì)的量n n2 2fkfTGn10002其中，其中，G：樣品中溶劑的克數(shù)：樣品中溶劑的克數(shù) Tf:冰點(diǎn)下降冰點(diǎn)下降數(shù)數(shù) Kf:水的摩爾冰點(diǎn)降低常數(shù)水的摩爾冰點(diǎn)降低常數(shù) （1.86） 另一個表達(dá)式另一個表達(dá)式：100(%)ERHAw 說明：說明：當(dāng)食品水分與周圍環(huán)境相平衡時，水當(dāng)食品水分與周圍環(huán)境相平衡時，水分活度也可用環(huán)分活度也可用環(huán) 境相對濕度來表示（境相對濕度來表示（ERH），），但要注意，但要注意，Aw是樣品的固有

13、性質(zhì)，反映樣品是樣品的固有性質(zhì)，反映樣品的水分存在狀態(tài)，而的水分存在狀態(tài)，而 ERH 是與樣品相平衡的是與樣品相平衡的大氣性質(zhì)，少量樣品與環(huán)境之間達(dá)到平衡要大氣性質(zhì)，少量樣品與環(huán)境之間達(dá)到平衡要化費(fèi)時間，而大量樣品不可能達(dá)到平衡。化費(fèi)時間，而大量樣品不可能達(dá)到平衡。二、影響二、影響AwAw的因素溫度的因素溫度Clausius-Clapeyron方程方程：RHTdadw)1(ln其中，其中，T：絕對溫度：絕對溫度 R：氣體常數(shù)：氣體常數(shù) H：在樣品的水分含量下等：在樣品的水分含量下等量凈吸附熱。量凈吸附熱。 當(dāng)含水量一定時，當(dāng)含水量一定時，lnAw1/T為一條直線。為一條直線。 天然馬鈴薯的天然

14、馬鈴薯的Clausius-Clapeyron方程關(guān)系曲線方程關(guān)系曲線如下：如下： 在在0以上以上，溫度對水分活度的影響存在，溫度對水分活度的影響存在關(guān)系，關(guān)系，Q100.030.2 在在0以下以下，上述曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。，上述曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。 0PPAw)(0SCWicePP過冷純水的蒸汽壓部分凍結(jié)食品的蒸汽分壓 此時此時Aw與樣品組成無關(guān)，僅與與樣品組成無關(guān)，僅與T有關(guān)。有關(guān)。 （一）食品含水量與Aw的關(guān)系三、 Aw與食品含水量的關(guān)系（二）吸附等溫線的概念（二）吸附等溫線的概念 在恒定溫度下，食品的含水量（在恒定溫度下，食品的含水量（g水水/g干物質(zhì)）與它的水分活度間的關(guān)系圖干物質(zhì)）與它的水分活度

15、間的關(guān)系圖稱為稱為吸附等溫線吸附等溫線。（三）吸附等溫線特點(diǎn) 一般呈S型，通常可將其分為三個部分。吸附等溫線是溫度的函數(shù)。解吸線（脫水干燥獲得）和回吸線（干燥樣品吸濕）不重疊，有滯后現(xiàn)象。MSI與溫度的關(guān)系n水分含量一定 T，AwnAw一定 T，水分含量（四）吸附等溫線用途（四）吸附等溫線用途 1、用回吸曲線判斷食品吸濕性用回吸曲線判斷食品吸濕性 2、用解吸曲線研究食品的干燥過程、用解吸曲線研究食品的干燥過程 3、判斷食品的穩(wěn)定性、判斷食品的穩(wěn)定性回吸等溫線n繪制方法將水加到預(yù)先干燥的試樣中n形狀nS形nJ形n決定形狀和位置的因素n試樣的成分n試樣的物理結(jié)構(gòu)n試樣的預(yù)處理n溫度n等溫線繪制方法

16、（一）（一）Aw與微生物與微生物1、發(fā)育所必需的最低水分活度、發(fā)育所必需的最低水分活度細(xì)菌：細(xì)菌：0.901.0酵母菌：酵母菌：0.870.90霉菌：霉菌：0.80 2、所有微生物均不能生長、所有微生物均不能生長Aw0.6四、水分活度與食品的穩(wěn)定性四、水分活度與食品的穩(wěn)定性（二）（二）Aw與酶作用與酶作用n 大部分酶失活：大部分酶失活：Aw0.85n脂肪氧化酶：脂肪氧化酶：Aw=0.10.3，仍有活力，仍有活力（三）（三）Aw與化學(xué)反應(yīng)速度與化學(xué)反應(yīng)速度水分單層值水分單層值n 概念：在單分子層水分活度時，食品具概念：在單分子層水分活度時，食品具有最大的穩(wěn)定性，這時對應(yīng)的水分含量有最大的穩(wěn)定性，

17、這時對應(yīng)的水分含量稱為水分單層值。稱為水分單層值。n計算水分單層值依據(jù)計算水分單層值依據(jù)Brunauer Emmett Teller（1938）提出的多分子層吸附理論，提出的多分子層吸附理論，常用的一個常用的一個BET方程是：方程是： wwwacmccmama1111)1 (其中：其中：m:食品的水分含量（以食品的水分含量（以g水水/g干物質(zhì)計）。干物質(zhì)計）。 m1:水分單層值。水分單層值。 C：在某一溫度下，與吸附熱相關(guān)的常數(shù)：在某一溫度下，與吸附熱相關(guān)的常數(shù)。BET圖：)1(wwama對對 aw 作圖為一直線作圖為一直線則：則：斜率截距Ym11（四）（四）AwAw與食品質(zhì)構(gòu)與食品質(zhì)構(gòu)n干燥

18、食品理想性質(zhì)不損失：干燥食品理想性質(zhì)不損失： Aw0.350.50n干燥食品性質(zhì)完全喪失：干燥食品性質(zhì)完全喪失： Aw0.6n防止高含水量食品失水變硬防止高含水量食品失水變硬（五）水分活度的控制及應(yīng)用（五）水分活度的控制及應(yīng)用1 1、控制、控制降低降低Aw以延長貯藏期的方法以延長貯藏期的方法脫水處理脫水處理水分活度調(diào)節(jié)劑水分活度調(diào)節(jié)劑選擇包裝材料選擇包裝材料阻止水分遷移阻止水分遷移2 2、應(yīng)用中等水分食品、應(yīng)用中等水分食品概念概念：指：指AwAw在在0.9，水分含量約，水分含量約202050 50 的食品。的食品。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：具有良好質(zhì)構(gòu)；不易被細(xì)菌敗壞；貨：具有良好質(zhì)構(gòu)；不易

19、被細(xì)菌敗壞；貨架期較長。架期較長。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：易被霉菌敗壞；易被酶降解；許多成：易被霉菌敗壞；易被酶降解；許多成分易被化學(xué)變化破壞。分易被化學(xué)變化破壞。生產(chǎn)工藝調(diào)控生產(chǎn)工藝調(diào)控：加熱滅酶；添加防腐劑及抗：加熱滅酶；添加防腐劑及抗氧化劑；惰性氣體包裝；采用水分活度調(diào)節(jié)氧化劑；惰性氣體包裝；采用水分活度調(diào)節(jié)劑。劑。產(chǎn)品產(chǎn)品：貓狗食品、軍需食品。：貓狗食品、軍需食品。第五節(jié)第五節(jié) 分子流動性與食品穩(wěn)定性分子流動性與食品穩(wěn)定性一、概念一、概念 無定形：這是一種物質(zhì)的非平無定形：這是一種物質(zhì)的非平衡、非結(jié)晶狀態(tài)，當(dāng)飽和條件占優(yōu)衡、非結(jié)晶狀態(tài)，當(dāng)飽和條件占優(yōu)勢并且溶質(zhì)保持非結(jié)晶時，過飽和勢并且溶質(zhì)保持非結(jié)晶時，過飽