WelcometoJoin!Startshere!有您會更精彩《高級食品化學》主講人：劉延奇所在單位：食品與生物工程學院日期：2016.09.22

研究生課程

第二章食品中的水和冰

2.1概述

2.2水、冰的結構

2.3水分活度與吸濕等溫曲線

2.4與水相關的食品處理技術

第二章水2.1概述水在食品中的重要作用

a.水是食品的重要組成成分，是形成食品加工工藝考慮的重要因素；表3.1某些代表性食品的含水量食品名稱水分%食品名稱水分%食品名稱水分%番茄95萵苣95

卷心菜92

啤酒90

柑橘87

蘋果汁87

牛奶87

馬鈴薯78

香蕉75

雞70

肉65

面包35

果醬28

蜂蜜20

奶油16稻米面粉12

奶粉4

酥油0

b.水分含量、分布和狀態對于食品的結構、外觀、質地、風味、新鮮程度會產生極大的影響；

c.是引起食品化學變化及微生物作用的重要原因，直接關系到食品的貯藏特性。2.2水、冰的結構和性質

2.2.1水分子的結構

2.2.2水分子的締合與水的三態

由于水分子的極性及兩種組成原子的電負性差別，導致水分子之間可以通過形成氫鍵而呈現締合狀態：水與冰的結構與性質

由于每個水分子上有四個形成氫鍵的位點，因此每個水分子的可以通過氫鍵結合4個水分子。

由于水分子之間可以以不同數目和不同形式結合，因此締合態的水在空間有不同的存在形式，如：由于水分子之間除了通過氫鍵結合外，還有極性的作用力，因此水分子之間的締合數可能大于4。水與冰的結構與性質

在通常情況下，水有三種存在狀態，即氣態、液態和固態。水分子之間的締合程度與水的存在狀態有關。在氣態下，水分子之間的締合程度很小，可看作以自由的形式存在；在液態，水分子之間有一定程度的締合，幾乎沒有游離的水分子，由此可理解為什么水具有高的沸點；在固態也就是結冰的狀態下，水分子之間的締合數是4，每個水分子都固定在相應的晶格里，這也是水的熔點高的原因。水具有一定的黏度是因為水分子在大多數情況下是締合的，而水具有流動性是因為水分子之間的締合是動態的。水與冰的結構與性質

水分子不僅相互之間可以通過氫鍵締合，而且可以和其它帶有極性基團的有機分子通過氫鍵相互結合，所以糖類、氨基酸類、蛋白質類、黃酮類、多酚類化合物在水中均有一定的溶解度。另外，水還可以作為兩親分子的分散介質，通過這種途徑使得疏水物質也可在水中均勻分散。水與冰的結構與性質

2.2.3水、冰的物理特性及與食品質量關系水是一種特殊的溶劑，其物理性質和熱行為有與其它溶劑顯著不同的方面：a.水的熔點、沸點、介電常數、表面張力、熱容和相變熱均比質量和組成相近的分子高得多。如甲烷的b.p：-162℃，m.p：-183℃，而水在0.1MPa下b.p：100℃，m.p：0℃；這些特性將對食品加工中的冷凍和干燥過程產生很大的影響；b.水的密度較低，水在凍結時體積增加，表現出異常的膨脹行為，這會使得含水的食品在凍結的過程中其組織結構遭到破壞；水與冰的結構與性質

c.水的熱導率較大，然而冰的熱導率卻是水同溫度下的4倍。這說明冰的熱傳導速度比非流動水（如動、植物組織內的水）快得多；因此水的凍結速度比熔化速度要快得多；d.冰的熱擴散速度是水的9倍，因此在一定的環境條件下，冰的溫度變化速度比水大得多。正是由于水的以上物理特性，導致含水食品在加工貯藏過程中的許多方法及工藝條件必須以水為重點進行考慮和設計；特別是在利用食品低溫加工技術是要充分重視水的熱傳導和熱擴散的特點。水與冰的結構與性質

水與冰的結構與性質

2.2.4冰的結構和性質冰是水分子通過氫鍵相互結合、有序排列形成的低密度、具有一定剛性的六方形晶體結構。普通冰的晶胞和基礎平面可如下圖所示：在冰的晶體結構中，每個水和另外4個水分子相互締合，O－O之間的最小距離為0.276nm，O－O－O之間的夾角為109°。當水溶液結冰時，其所含溶質的種類和數量可以影響冰晶的數量、大小、結構、位置和取向。一般有4種類型，即六方形、不規則樹狀、粗糙球狀、易消失的球晶；六方形是多見的、在大多數冷凍食品中重要的結晶形式。這種晶形形成的條件是在最適的低溫冷卻劑中緩慢冷凍，并且溶質的性質及濃度不嚴重干擾水分子的遷移。水與冰的結構與性質

純水結晶時有下列行為：即盡管冰點是0℃，但常并不在0℃結凍，而是出現過冷狀態，只有當溫度降低到零下某一溫度時才可能出現結晶（加入固體顆粒或振動可促使此現象提前出現）；出現冰晶時溫度迅速回升到0℃。把開始出現穩定晶核時的溫度叫過冷溫度。如果外加晶核，不必達到過冷溫度就能結冰，但此時生產的冰晶粗大，因為冰晶主要圍繞有限數量的晶核成長。水與冰的結構與性質

一般食品中的水均是溶解了其中可溶性成分所形成的溶液，因此其結冰溫度均低于0℃。把食品中水完全結晶的溫度叫低共熔點，大多數食品的低共熔點在-55～-65℃之間。但冷藏食品一般不需要如此低的溫度，如我國冷藏食品的溫度一般定為-18℃,這個溫度離低共熔點相差甚多，但已使大部分水結冰，且最大程度的降低了其中的化學反應。現代食品冷藏技術中提倡速凍，這是因為速凍形成的冰晶細小，呈針狀，凍結時間短且微生物活動受到更大限制，從而保證了食品品質。水與冰的結構與性質

食品中水的存在狀態

2.3食品中水的存在狀態理解食品中水的存在狀態是掌握水在食品中的作用及各種與水相關的加工技術的關鍵。而水在食品中的存在狀態說到底是水在食品中和各類食品物質之間的關系及水的存在量。2.3.1水與溶質的相互作用2.3.1.1與離子或離子基團的相互作用當食品中存在離子或可解離成離子或離子基團的鹽類物質時，這些物質由于在水中可以溶解而且解離出帶電荷的離子，因而可以固定相當數量的水。例如食品中的食鹽和水之間的作用：水與溶質的相互作用

由于離子帶有完整的電荷，因此它們和水分子之間的極性作用比水分子之間的氫鍵連接還要強，如Na+與水分子之間的結合能力大約是水分子間氫鍵連接力的4倍。正是由于自由離子和水分子之間的強的相互作用，導致破壞原先水分子之間的締合關系，使一部分水固定在了離子的表面。水與溶質的相互作用

隨著離子種類的變化及所帶電荷的不同，與水之間的相互作用也有所差別。大致可以分作兩類：能阻礙水分子之間網狀結構的形成，其溶液的流動性比水大，此類離子如：K+、Rb+、Cs+、N+H4、Cl-、Br-、I-、NO-3、BrO-3等；有助于水分子網狀結構的形成，水溶液的流動性小于水，此類離子一般為離子半徑小、電場強度大或多價離子，如：Li+、Na+、H3O+、Ca2+、Ba2+

、Mg2+

、Al3+

、OH-等。水與溶質的相互作用

2.3.1.2與具有氫鍵鍵合能力的中性分子或基團的相互作用許多食品成分，如蛋白質、多糖（淀粉或纖維素）、果膠等，其結構中含有大量的極性基團，如羥基、羧基、氨基、羰基等，這些極性基團均可與水分子通過氫鍵相互結合。因此通常在這些物質的表面總有一定數量的被結合、被相對固定的水。稱為結合水。水與溶質的相互作用

不同的極性基團與水的結合能力有所差別。一般情況下，氨基、羧基等在生理條件下可以呈解離狀態的極性基團均與水有較強的結合，而羥基、酰胺基等非解離基團與水之間的結合較弱。帶有極性基團的有機物質由于和水能夠通過氫鍵相互結合，因此對純水的正常結構都有一定程度的破壞，而且也可降低冰點。帶極性基團的食品分子不但可以通過氫鍵結合并固定水分子在自己的表面，而且通過靜電引力還可吸引一些水分子處于結合水的外圍，這些水稱為臨近水：水與溶質的相互作用

盡管結合或附著在分子上的水分子數量并不多，但其作用和性質常常非常重要。它們常是一些酶保持活性結構并能發揮作用的重要因素；也常是食品保持正常結構的重要因素。水與溶質的相互作用

2.3.1.3與非極性物質的相互作用非極性的分子通常包括烴類、脂類、甾萜類等，通過化學的手段也可在一些含極性基團的分子（如蛋白質等）中引入非極性部分（基團）。當水中存在非極性物質，即疏水性物質時，由于它們與水分子產生斥力，可以導致疏水分子附近的水分子之間的氫鍵鍵合增強。由于在這些不相容的非極性實體鄰近的水形成了特殊的結構，使得熵下降，此過程稱為疏水水合作用。由于疏水水合在熱力學上是不利的，因此水傾向于盡可能地減少與存在的非極性實體靠近。如果存在兩個分離的非極性實體，那么不相容的水環境將促使它們相互靠近并締合，從而減少水-非極性實體界面面積，此過程是疏水水合的部分逆轉，被稱為“疏水相互作用”。水與溶質的相互作用

疏水基團還有兩種特殊的性質，即能和水形成籠形水合物及能和蛋白質產生疏水相互作用。籠形水合物是像冰一樣的包合物，水通過氫鍵形成類似于籠的結構，通過物理方式將非極性物質截留在籠中；水稱為“主人”，而被截留的疏水物質稱為“客人”。籠形水合物一般由20～74個水分子形成，具體多少視客人的幾何尺寸而定；而客人通常是一些低分子量的化合物，如烴類、稀有氣體、短鏈的胺類、鹵代烴、二氧化碳等。水與溶質的相互作用

籠形水合物的結構與冰相似，同樣具有一定的穩定性。已證明生物物質中天然存在的類似晶體的籠形水合物結構，它們很可能對蛋白質等生物大分子的構象、反應性和穩定性有影響。這種結構在海水脫鹽、溶液濃縮和防止氧化等方面可能具有應用前景。盡管將蛋白質劃在了帶極性基團的分子類型中，這是因為大多數蛋白質分子，特別是球形蛋白質分子大多數極性基團處于表面且朝向水，而非極性基團處于內部而形成疏水區域。但實際上仍有一部分非極性基團朝外，這些朝外的非極性基團與水之間產生疏水的相互作用并產生一定的力，對于保持蛋白質的活性構象也具有一定的作用。水與溶質的相互作用

2.3.2食品中水的存在狀態根據食品中水與非水物質之間的相互關系，可以把食品中的水分作不同的類型。食品中水的存在狀態

食品中水的存在狀態

結合水也稱束縛水、固定水，自由水也稱體相水。這二者之間很難作截然的劃分，其主要的區別在于：a.結合水的量與食品中所含極性物質的量有比較固定的關系，如100g蛋白質大約可結合50g的水，100g淀粉的持水能力在30～40g；b.結合水對食品品質和風味有較大的影響，當結合水被強行與食品分離時，食品質量、風味就會改變.食品中水的存在狀態

c.結合水不易結冰，由于這種性質使得植物的種子和微生物的孢子得以在很低的溫度下保持其生命力；而多汁的組織在冰凍后細胞結構往往被體相水的冰晶所破壞，解凍后組織不同程度的崩潰；d.結合水不能作為可溶性成分的溶劑，也就是說喪失了溶劑能力；e.體相水可被微生物所利用，結合水則不能。食品中水的存在狀態

水分活度2.4水分活度新鮮或干燥食品中的含水量，都隨環境條件的變動而變化。如果食品周圍環境的空氣干燥，濕度低，則水分會從食品向空氣中蒸發，水分逐漸減少而干燥，反之，如環境濕度高，則干燥的食品就會吸濕,使得水分增多。當食品所吸收的水量等于從食品中蒸發的水量時，食品的水分含量就不再發生變化，我們把此時的水分稱為平衡水分。但當環境條件發生變化，則這種蒸發與吸濕的平衡就又被打破，直到建立起新的平衡。也就是說，食品中的水分并不是靜止的，而是處于一種活動的狀態，因此，食品的含水量除了用％表示外，還可用水分活度AW來表示。其定義為食品所顯示的水蒸汽壓P對在同一溫度下純水的蒸汽壓P0之比:Aw=P/Po第二章水的作用2.5水的作用水是維持動、植物和人類生存必不可少的物質之一。水的生理功用如下：1、

水的溶解力很強，食物中各種無機及有機物質都很容易溶于水中，即使不溶于水的物質如脂肪和某些蛋白質，也能在適當條件下分散于水中，成為乳濁液或膠體溶液。2、

水是體內各種物質運輸的載體。3、

水的比熱及蒸發潛熱大，能使生物體溫維持恒定。4、

水是體內關節、肌肉等摩擦的潤滑劑，食物吞咽需水的幫助。第二章食品的含水量除谷物和豆類等種子外（1216％），一般都比較高（6090％），水是食物各種組分中數量最多的組分。如：蔬菜85

97％蛋類73

75％水果80

90％乳類87

89％魚類67

81％豬肉43

59％食品的含水量與其風味及腐敗和發霉等現象有極大關系，如香腸的口味就與其吸水、持水情況關系很大，而含水多的食物都容易發霉、腐敗。此外，食品中水分含量的變化也常引起食品的物理性質發生變化，如面包和餅類烘烤后變硬就不僅是失水干燥；而且也是水分含量的變化，使得淀粉結構發生變化的結果。

第二章食品的含水量結合水與自由水

雖然食品中含有大量水分，但在切開它們時一般都不會流出水來，這表明，食品中含的水有二種，一種是與普通水一樣能自由流動的水，稱為自由水或游離水。另一種是與食品中蛋白質、碳水化合物等以氫鍵結合著而不能自由運動的結合水，結合水的性質與普通水的不同：1、

它的冰點為－40C2、

它沒有溶劑作用3、

食物中的微生物孢子不能利用結合水進行發芽和繁殖，因而，只要從食品中除去自由水，就可使食品安全地保藏。食品的含水量，是指其中自由水與結合水的總和。第二章水分活度水分子會從水中蒸發跑到空氣中成為氣體，即水蒸汽，而氣體都有一定壓力，水蒸汽的壓力就稱為水蒸汽壓，一般食品不僅含有水，而且含有蛋白質，淀粉等固形物，所以它的水相對地就比純水少，故其水蒸汽壓也就小，即一般有P＜P0，所以AW值皆小于1。例如，魚和水果等含水量高的食品，其AW值為0.980.99，都比較大，而米和大豆等水分少的干燥食品，其AW值就較小，為0.600.64。各種微生物的活動都有一定的AW閾值（最低值）如：細菌0.90酵母0.88霉菌0.80故在討論食品保藏等問題時，常用活度的概念而不用％來表示水分含量。第二章本章思考及練習題

一、填空題

1.冰的導熱系數在0℃時近似為同溫度下水的導熱系數的（）

倍，冰的熱擴散系數約為水的（）

倍，說明在同一環境中，冰比水能更（）的改變自身的溫度。水和冰的導熱系數和熱擴散系數上較大的差異，就導致了在相同溫度下組織材料凍結的速度比解凍的速度（）。

2.一般的食物在凍結解凍后往往（），其主要原因是（）。

3.按照食品中的水與其他成分之