第1部分水和矿物质水Water

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1、第1章 水和矿物质水Water 一、水和冰的结构二、水在生物体内的含量与功能三、人体与水及食物与人体水的关系四、食品中水分的种类；五、水与溶质的相互作用六、水分活度和吸附等温线七、分子迁移和食品稳定主要内容主要内容(contents)水异常的物理性质:1.熔点,沸点高.2.介电常数大 3.水的表面张力和相变热大.（一）水和冰的物理特性 4.密度低,结冰时体积膨胀.5.导热值比非金属固体大,0时,冰的导热值为同温度下水的4倍,扩散速度为水的9倍.6.密度随温度而变化.（二）水和冰的结构单个水分子的结构特征The water molecule 1.H2O分子的四面体结构有对称型.2.H-O共价键有

2、离子性.3.氧的另外两对孤对电子有静电力.4.H-O键具有电负性.水分子的缔合Association of water molecules Food chemistry and analysis 水分子的缔合 1.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.2.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.3.静电效应.水分子缔合的原因:水分子的缔合Association of water molecules冰的结构Structure of ice 在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻 溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移。六方冰晶形成

3、的条件：按冷冻速度和对称要素分，冰可分为四大类：o 六方型冰晶o 不规则树枝状结晶o 粗糙的球状结晶o 易消失的球状结晶及各种中间体。冰的分类水的结构Structure of water 目前提出的3类水的结构模型:q 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.q 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.q 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.水分子的结构特征v 水是呈四面体的网状结构v 水分子之间的氢键网络是动态的v 水分子氢键键

4、合程度取决于温度 温度()配位数 分子间距nm 0 4 0.276 1.5 4.4 0.290 83 4.9 0.305 西昌学院食品科学系二、水在生物体内的含量与功能 1、水在生物体内的含量 2、水的生理功能西昌学院食品科学系 1、人体对水的需要与平衡（1）人体对水的需要（2）人体内水的来源与排出（3）人体对水的吸收（4）人体内水的代谢失常 2、食物成分与体内水平衡的关系三、人体与水及食物与人体内水的关系四、食品中水分的种类四、食品中水分的种类 Categories of water in foodsCategories of water in foods 束缚水 水 滞化水 自由水 毛细管

5、水 自由流动水西昌学院食品科学系美国O。R。菲尼马的分类 自由水 体相水 截留水 水 化合水 结合水 邻近水 多层水在-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不能被微生物利用化合水化合水Constitutional water 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Food的腐败变质。邻近水邻近水Vicinal water 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 不能被微生物利用多层水多层水Multilayer water 能结冰，但冰点有

6、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Food的腐败变质，但与食品的风味及功能性紧密相关。自由水自由水Bulk-phase water四、水与溶质的相互作用四、水与溶质的相互作用 Water solute interactionsWater solute interactions种类 实例 相互作用强弱 （与H2O-H2O氢键比较）偶极-离子 H2O-游离离子 较强 H2O-有机分子带电基团 偶极-偶极 H2O-PR-NH，H2O-PR-CO 近乎相等 H2O-侧链OH 疏水水合 H2O+RR（水合）G0 疏水相互作用 R（水

7、合）R（水合）R2（水合）+H2O G0 水与溶质相互作用的分类水与离子基团的相互作用Interaction of water with Ionic groups 在稀水溶液中一些离子具有净结构破坏效应（Net structure-breaking effect),这些离子大多为负离子和大的正离子，如：K+,Rb+,Cs+,NH4+,Cl-,Br-，I-,NO3-,BrO3-,IO3-，ClO4-等。净结构破坏效应Net structure-breaking effect 另外一些离子具有净结构形成效应（Net structure-forming effect),这些离子大多是电场强度大，离子

8、半径小的离子。如：Li+,Na+,Ca2+,Ba2+,Mg2+,Al3+，F-,OH-,等。净结构形成效应Net structure-forming effect水与有氢键键合能力中性基团的相互作用Interaction of water with neutral groups possessing hydrogen-bonding capabilitiesThe above chain of ten water molecules,linking the end of one a a-helix to the middle of another is found from the X-ray

9、 diffraction data of glucoamylase-471(葡萄糖淀粉酶葡萄糖淀粉酶),The water network links secondary structures within the protein The above centrally-placed water molecule makes strong hydrogen bonds to residues in three separated parts of the ribonuclease(核糖核酸酶核糖核酸酶)molecule holding them together.This water mole

10、cule and its binding site are conserved across the entire family of microbial ribonucleases Water molecules have also proved integral to the structure and biological function of a dimeric(二聚二聚)hemoglobin(血色素血色素)Weak hydrogen bonding,e.g.a a-L-arabinofuranose(阿拉伯阿拉伯呋喃糖呋喃糖)Strong hydrogen bonding,e.g.

11、b b-1-4-linked D-xylose(D-木糖木糖)水与疏水基团的相互作用Interaction of water with nonpolar substances 疏水水合(Hydrophobic hydration)：向水中添加疏水物质时，由于它们与水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强，使得熵减小，此过程成为疏水水合。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，这种作用成为疏水相互作用。疏水相互作用(Hydrophobic interaction)是象冰一样的包含化合物，水为“宿主”，它们靠氢键键合形成想笼一样的结构，通过

12、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“宿主”由20-74个水分子组成，较典型的客体有低分子量烃，稀有气体，卤代烃等。笼形水合物(Clathrate hydrates)四、水分活度和吸附等温线四、水分活度和吸附等温线 Water activity and Moisture Water activity and Moisture Sorption IsothermsSorption Isotherms（一）Water activity(aw)的定义:水分活度(water activity)是指食品中水的蒸汽压与该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值,可用下式表示:aw=P/P0=

13、ERH/100=N=n1/(n1+n2)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是与样品中的水蒸气平衡是的 大气性质.仅当食品与其环境达到平衡时才能应用.注意事项注意事项 只有当溶质是非电解质且浓度小于1mol/L的稀溶液时,其水分活度才可以按 aw=n1/(n1+n2)计算:溶质 A aw 理想溶液 0.9823=55.51/(55.51+1)丙三醇 0.9816 蔗糖 0.9806 氯化钠 0.967 氯化钙 0.945 A:1千克水(约55.51mol)溶解1mol溶质

14、aw=-KH/RT（二）水分活度与温度的关系 (temperature dependence)比较高于和低于冻结温度下的aw时应注意两个重要差别:在冻结温度以上,aw是样品组分与温度的函数,且前者是主要因素,在冻结温度以下,aw与样品组分无关,只取决于温度,不能根据aw预测受溶质影响的冰点以下发生的过程,如扩散控制 过程,催化反应等.冻结温度以上和以下aw对食品稳的影响是不同的.水分吸湿等温线Moisture Sorption Isotherms Definition:在一定温度下食品的水分含量和水分活度之间的相互关系图（polts interrelating water content of

15、 a food with its water activity at constant temperature.）由于水的转移程度与aw有关,从MSI图可以看出食品脱水的难易程度,也可以看出如何组合食品才能避免水分在不同物料间的转移.据MSI可预测含水量对食品稳定性的影响.从MSI还可看出食品中非水组分与水结合能力的强弱.MSI的实际意义的实际意义 区 I区 II区 III区Aw 0-0.2 0.2-0.85 0.85含水量%1-6.5 6.5-27.5 27.5冷冻能力 不能冻结 不能冻结 正常溶剂能力 无 轻微-适度 正常水分状态 单分子层水 多分子层水 体相水微生物利用 不可利用 部分可

16、利用 可利用 MSI上不同区水分特性上不同区水分特性滞后现象Hysteresis 定义: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.Food chemistry and analysis 滞后现象产生的原因 解吸过程中一些水分与非水溶液成分作用而无法放出水分.不规则形状产生毛细管现象的部位,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).解吸作用时,因组织改变,当再吸水时无法紧密结合水,由此可导致回吸相同水分含量时处于较高的aw.水分活度与食品的稳定性Water activity

17、and food stability 水分活度与食品的稳定性 Stability of low-and intermediate moisture foods (IMF)is dependent on water content and water activity Stability is often maintained below the monolayer water content水分活度和稳定性WATER ACTIVITY AND STABILITY Microorganisms may grow above a given,food material specific water

18、 content Microorganisms do not grow at low water activities Growth of microorganisms may occur inintermediate moisture foods微生物的稳定性微生物的稳定性Microbiological stability There are general water activity limits for growth of molds,yeasts and bacteria-aw 0.6 xerophilic molds and yeasts-aw 0.7 molds-aw 0.75

19、halophilic bacteria-aw 0.8 yeasts-aw 0.86 pathogenic bacteria(S.aureus)微生物的稳定性微生物的稳定性Microbiological stability化学稳定性化学稳定性Chemical Stability 氧化作用Oxidation Most foods contain lipids,colours,vitamins,etc.,which are susceptible to oxidation These compounds may be encapsulated and protected from oxidation

20、 at low water contents Increases in water content may release encapsulatedcompounds or result in enhanced diffusion of oxygen in the material“Free lipids”,i.e.,non encapsulated lipids oxidise rapidly at low water contents-increasing water content often decreases the rateof oxidation:dilution of cata

21、lysts,structuralchanges-at high water activities,the rate of oxidationincreases脂肪氧化脂肪氧化Lipid oxidation 在aw=0-0.33范围内,随aw,反应速度的原因: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.这部分水能与金属离子形成水合物,降低了其催化性 在aw=0.33-0.73范围内,随aw,反应速度的原因:水中溶解氧增加 大分子物质肿胀,活性位点暴露加速脂类氧化.催化剂和氧的流动性增加.当aw0.8时,随aw,反应速度增加很缓慢的原因:催化剂和反应物被稀释.inc

22、reasing water content often increases the rate of oxidation of protein Protein denature Protein denature occur slowly at low water contents(0.4%)Protein denature does not occur when water content below 0.2%蛋白质变性Protein denature淀粉的老化Starch staling Starch staling occur rapidly in water content of 30%-

23、60%.Starch staling does not occur when water content decrease to 10%-15%.Several enzymatic changes do not occur at low aw(0.25-0.3)-diffusional limitations-low molecular mobility does not allow enzyme and substrate rearrangements酶的变化Enzymatic Changes Non-enzymatic browning(Maillard reaction,caramell

24、isation)reactions may occur in most low and intermediate moisture foods Non-enzymatic browning is exremely low or does not occur at low aw(0.2)-slow molecular motions-production of water in the reaction may enhancebrowning非酶褐变Non-Enzymatic Browning The rate of the reaction increases rapidly above a

25、critical water activity-the rate is highest at intermediate aw(0.6-0.7)-at high water contents,reactants are diluted and the rate of the reaction decreases The rate of browning often increases as a result of water released by crystallization of amorphous sugars,e.g.,lactose in dairy powders非酶褐变Non-E

26、nzymatic Browning Retention of flavour and aroma is relatively high at low water activities Volatile compounds must diffuse to the surface.Diffusion is dependent on temperature and water content.Volatile compounds often become ncapsulated in food matrices at low water activities Loss of volatiles,fl

27、avours and aroma may result from structural changes and crystallization of component compounds as encapsulated compounds are released.香味的保持香味的保持Flavour Retention Structural transformations often occur above acritical water activity Typical changes in structure include collapse of physical structure,

28、stickiness and caking of powders,and loss of crispness.结构的组织上的变化结构的组织上的变化Changes in Structure and Texture五、分子迁移和食品稳定五、分子迁移和食品稳定 Molecular mobility and food stabilityMolecular mobility and food stability 玻璃态（glass stste）：是聚合物的一种状态，它既象固体一样有一定的形状，又象液体一样分子间排列只是近视有序，是非晶态或无定形态。处于此状态的聚合物只允许小尺寸的运动，其形变很小，类于玻

29、璃，因此称。几个概念玻璃化温度（glass transition temperature,Tg）：非晶态食品从玻璃态到橡胶态的转变称玻璃化转变，此时的温度称。无定形（Amorphous）：是物质的一种非平衡，非结晶态。分子流动性（Mm）：是分子的旋转移动和平转移动性的总度量。决定食品Mm值的主要因素是水和食品中占支配地位的非水成分。大分子缠结（Macromoleculer entanglement）：指大的聚合物以随机的方式相互作用，没有形成化学键，有或没有氢键。二元体系的状态图状态图（State diagrams）分子淌度与食品性质的相关性 1、化学、物理反应的速率与分子淌度的关系 扩散因子

30、D 碰撞频率因子A 活化能因子Ea 决定化学反应速度 扩散限制反应(Diffusion-limited reaction)：质子转移反应，自由基重新结合反应，酸碱反应，许多酶催化反应，蛋白质折叠反应，聚合物链增长，以及血红蛋白和肌红蛋白的氧合/去氧合作用。非扩散限制反应(Non-Diffusion-limited reaction)：高水分食品中的一些反应，有些非催化的慢反应等。当温度降至Tg时，自由体积（Free volume）显著的变小，以致使聚合物链段的平动停止。自由体积与分子淌度是正相关，减小自由体积在某种意义上有利于食品的稳定性，但不是绝对的，而且自由体积目前还不能作为预测食品稳定性

31、的定量指标。2.自由体积与分子淌度的相关性 分子淌度与状态图的相关性 1、在Tm和Tg温度范围，分子淌度和限制性扩散食品的稳定性与温度的相关性lWLF方程 对于Tm-Tg，T-Tg和Tm/Tg这些有价值的概念的考虑，大多是来自碳水化合物的限制性扩散性质：v Tm-Tg区间的大小一般大约在10100范围，且与食品的组成有关；v 在Tm-Tg区间，食品的稳定性取决于食品的温度T，即反比于T=T-Tg；v Tg确定和固体含量一定时，Tm/Tg的变化相反于Mm。v Tm/Tg高度依赖于溶质的类型。v 在一定温度下的食品，如果Tm/Tg相等，固体含量的增加会导致Mm的降低和产品稳定性提高。2、食品的玻璃

32、化转变温度与稳定性简单的高分子体系 复杂体系Tg=DSCDMA+DMTAW1Tg1+KW2Tg2W1+KW2Gordon and Tayor3、水的增塑作用和对Tg的影响 在高于或低于Tg时，水的增塑作用可以提高Mm。当增加水含量时，引起Tg下降和自由体积增加，这是混合物平均分子质量降低的结果 4、溶质类型和分子量对Tg和Tg的影响5、大分子的缠结对食品性质的影响 EN对于冷冻食品的结晶速度，大分子化合物的溶解度、功能性乃至生物活性都将产生不同程度的影响，同时可以阻滞焙烤食品中水分的迁移，有益于保持饼干的脆性和促进凝胶的形成。分子淌度与干燥 Air Dring and Vacuum Freeze-Drying二元体系冷冻,干燥和冷冻干燥可能途径的状态图 几种不同分子质量的碳水化合物的玻璃化转变温度和或P/P0（25）之间的关系 M 代表麦芽糊精，数字表示相对分子质量食品货架期的预测 显示食品稳定性的二元体系状态图 Aw和Mm方法研究食品稳定性的比较 二者相互补充，非相互竞争 Aw法主要注重食品中水的有效性，如水作为溶剂的能力；Mm法主要注重食品的微观黏度（Microviscosity）和化学组分的扩散能力。