上海海洋大学（上海水产大学）：《食品化学》课程教学资源（教案讲义）第一章 水分

第一章 水分(water) 第一节 概述(Outline) 一、水分: 物体内所含有的水 二、水在生物体内的功能 1. 稳定生物大分子的构象，使之表现出特异的生物活性 2. 体内化学作用的介质 3. 体内物质运输的载体 4. 维持体温的载体 5. 体内摩擦的润滑剂 三、各种食品的含水量（表 2－1） 四、水的重要性 影响食品的色泽、风味、食品营养素的消化、吸收与利用 为维生物的生长繁殖，促进食品腐败变质的反应创造适宜环境 五、人体对水的需要与平衡 每人每日需要量 2～2.7 L （表 2－2） 第二节 水的物理性质 (physical properties of water) 一、水的三态（图 2－1） 1. 潜热: 只使水的相态发生变化，没有温度升高的热量，包括熔化潜热和汽化潜热 2. 显热: 无相变时，使冰、水、水蒸汽等温度升高的热量 比热容 二、水的物理性质 1. 与在周期表中与氧邻近的各元素的氢化物相比，水的许多物理常数如熔点、沸点、比热 容、熔化热、蒸发热、表面张力和界电常数等都明显偏高 （表 2－3、表 2－4） 2. 冰的导热系数 0℃时为水的 4 倍 （表 2－3） 冰的热扩散系数约为水的 8 倍 水的密度比冰大，在质量相同的条件，冰的体积比水大 水结冰后体积膨大，对食品组织结构造成机械损伤 3. 水高介电常数，良好的极性溶剂 第三节 水的结构(Structure of water) 一、水分子的结构 （图 2－2） 外层电子结构 O: 1s2 2s2 2p6 3s 二、水分子的缔合 理论上讲，每一个水分子可与相邻的 4 个水分子同时形成 4 个氢键 众多的水分子便可通过氢键缔合形成三维取向的立体结构 （图 2－3） 三、冰的结构 1. 冰的晶胞——构成冰晶的最小单位 （图 2－4） 冰的晶体: 分子晶体 1 个晶胞含 4 个水分子 2． 冰的基本平面 （图 2－5） 晶胞上下、前后、左右逐个连接起来，构成三维结构的冰的晶体 （图 2－6） 结构比较开阔、水分子间有较大的空隙 四、液态水的结构

第一章 水分(water) 第一节 概述(Outline) 一、水分: 物体内所含有的水 二、水在生物体内的功能 1. 稳定生物大分子的构象，使之表现出特异的生物活性 2. 体内化学作用的介质 3. 体内物质运输的载体 4. 维持体温的载体 5. 体内摩擦的润滑剂 三、各种食品的含水量（表 2－1） 四、水的重要性 影响食品的色泽、风味、食品营养素的消化、吸收与利用 为维生物的生长繁殖，促进食品腐败变质的反应创造适宜环境 五、人体对水的需要与平衡 每人每日需要量 2～2.7 L （表 2－2） 第二节 水的物理性质 (physical properties of water) 一、水的三态（图 2－1） 1. 潜热: 只使水的相态发生变化，没有温度升高的热量，包括熔化潜热和汽化潜热 2. 显热: 无相变时，使冰、水、水蒸汽等温度升高的热量 比热容 二、水的物理性质 1. 与在周期表中与氧邻近的各元素的氢化物相比，水的许多物理常数如熔点、沸点、比热 容、熔化热、蒸发热、表面张力和界电常数等都明显偏高 （表 2－3、表 2－4） 2. 冰的导热系数 0℃时为水的 4 倍 （表 2－3） 冰的热扩散系数约为水的 8 倍 水的密度比冰大，在质量相同的条件，冰的体积比水大 水结冰后体积膨大，对食品组织结构造成机械损伤 3. 水高介电常数，良好的极性溶剂 第三节 水的结构(Structure of water) 一、水分子的结构 （图 2－2） 外层电子结构 O: 1s2 2s2 2p6 3s 二、水分子的缔合 理论上讲，每一个水分子可与相邻的 4 个水分子同时形成 4 个氢键 众多的水分子便可通过氢键缔合形成三维取向的立体结构 （图 2－3） 三、冰的结构 1. 冰的晶胞——构成冰晶的最小单位 （图 2－4） 冰的晶体: 分子晶体 1 个晶胞含 4 个水分子 2． 冰的基本平面 （图 2－5） 晶胞上下、前后、左右逐个连接起来，构成三维结构的冰的晶体 （图 2－6） 结构比较开阔、水分子间有较大的空隙 四、液态水的结构

水分子簇：有数量不等的水分子(约 90 个左右)通过氢键缔合生成 具有与冰晶类似的结构，但有些氢键已经断裂，有些扭曲 随着温度升高，出现越来越多单个水分子，可进入水分子簇内空隙中 第四节 食品中水的类型 (Types of water in foods) |单分子层水 |束缚水|多分子层水 氢键结合力 固态食品中的水 |毛细管水 |自由水(Freeing water) 液态食品: 自由水 | 截留水 | 毛细管力 一、束缚水(Bound water): 又称结合水 (一)、定义: 是食品中可与各非水组分通过氢键结合的水，是食品中与非水组分结合得最为 牢固的水 (二)、束缚水与自由水两者之间很难有明确的界线 特点: (1) 束缚水食品内部不能作为溶剂，在-40℃以上不能结冰 (2) 自由水在食品中可作溶剂，在-40℃以上可以结冰 (三)、根据与食品中非水组分氢键结合强弱，分为 1. 单分子层水(Monolayer water) 与非水组分中强极性基团(羧基、氨基)直接以氢键结合的第一个水分子层中的水，与 非水组分结合的最为牢固，蒸发的能力很弱，又称 Langmuir 水，不能被微生物利用, 不能用作介质进行生物化学反应 2. 多分子层水(Multilayer water) 强极性基团单分子层外的几个水分子层中所包含的水，以及与非水组分中弱极性基 团以氢键相结合的水，向外蒸发的能力也较弱 干燥的食品吸收了这部分水后，非水组分开始膨胀 二、毛细管水 食品中毛细管保留的水，是存在于细胞间隙中的一部分水 管内的水向外蒸发的能力随着毛细管直径的减小而减弱 （表 2－5） 容易蒸发，可在毛细管内流动，但不能流出体外，可用加压的方法将半径 1μm 以上的 毛细管水压出体外 （表 2－6） 微生物可生长繁殖、各种化学反应都可进行，是发生食品腐败变质的适宜环境 三、截留水 食品中被生物膜或凝胶内大分子交联成的网络所截留的水 主要存在于富水的细胞中或凝胶块内，在被截留的区域内可以流动，能使食品变质的反 应及微生物活动在其中进行，单个水分子可透过生物膜或大分子网络向外蒸发，留下干 瘪的原料或干燥的凝胶 第五节 水分活度与食品腐败 (Water activity and food spoilage) 一、Aw 1. 定义: 食品的蒸汽压与同温下纯水的蒸汽压的比值 Aw=P/P0 (食品上空水蒸气的分压力) P: 随食品中易被蒸发的自由水含量的增多而加大 平衡相对湿度 (Equilibrium Relation Humidity , ERH) Aw=P/P0=ERH/100 物料既不吸湿也不散湿时的大气相对湿度

水分子簇：有数量不等的水分子(约 90 个左右)通过氢键缔合生成 具有与冰晶类似的结构，但有些氢键已经断裂，有些扭曲 随着温度升高，出现越来越多单个水分子，可进入水分子簇内空隙中 第四节 食品中水的类型 (Types of water in foods) |单分子层水 |束缚水|多分子层水 氢键结合力 固态食品中的水 |毛细管水 |自由水(Freeing water) 液态食品: 自由水 | 截留水 | 毛细管力 一、束缚水(Bound water): 又称结合水 (一)、定义: 是食品中可与各非水组分通过氢键结合的水，是食品中与非水组分结合得最为 牢固的水 (二)、束缚水与自由水两者之间很难有明确的界线 特点: (1) 束缚水食品内部不能作为溶剂，在-40℃以上不能结冰 (2) 自由水在食品中可作溶剂，在-40℃以上可以结冰 (三)、根据与食品中非水组分氢键结合强弱，分为 1. 单分子层水(Monolayer water) 与非水组分中强极性基团(羧基、氨基)直接以氢键结合的第一个水分子层中的水，与 非水组分结合的最为牢固，蒸发的能力很弱，又称 Langmuir 水，不能被微生物利用, 不能用作介质进行生物化学反应 2. 多分子层水(Multilayer water) 强极性基团单分子层外的几个水分子层中所包含的水，以及与非水组分中弱极性基 团以氢键相结合的水，向外蒸发的能力也较弱 干燥的食品吸收了这部分水后，非水组分开始膨胀 二、毛细管水 食品中毛细管保留的水，是存在于细胞间隙中的一部分水 管内的水向外蒸发的能力随着毛细管直径的减小而减弱 （表 2－5） 容易蒸发，可在毛细管内流动，但不能流出体外，可用加压的方法将半径 1μm 以上的 毛细管水压出体外 （表 2－6） 微生物可生长繁殖、各种化学反应都可进行，是发生食品腐败变质的适宜环境 三、截留水 食品中被生物膜或凝胶内大分子交联成的网络所截留的水 主要存在于富水的细胞中或凝胶块内，在被截留的区域内可以流动，能使食品变质的反 应及微生物活动在其中进行，单个水分子可透过生物膜或大分子网络向外蒸发，留下干 瘪的原料或干燥的凝胶 第五节 水分活度与食品腐败 (Water activity and food spoilage) 一、Aw 1. 定义: 食品的蒸汽压与同温下纯水的蒸汽压的比值 Aw=P/P0 (食品上空水蒸气的分压力) P: 随食品中易被蒸发的自由水含量的增多而加大 平衡相对湿度 (Equilibrium Relation Humidity , ERH) Aw=P/P0=ERH/100 物料既不吸湿也不散湿时的大气相对湿度

2. 特点 (1). Aw 是食品内在的性质，与食品的组成结构有关 (2). ERH 与食品平衡时大气的性质有关 二、水分活度与温度的关系：水分活度是温度的函数 Clausius－Clapeyron 方程式： LnAw=－ΔH/RT+C R=气体常数 ΔH＝在 T 度时食品的吸湿热 T＝绝对温度 C＝常数 1. 温度升高，Aw 加大 （图 2－7） 2. Aw=P (纯水)/P0 (过冷水) 样品冻结后 （表 2－7） 3. 冻结前，Aw 是食品组成和温度的函数，并以组成为主。冻结后，由于水的存在, Aw 只与 T 有关，不能用 Aw 大小进行预测 三、水分活度与食品的稳定性 (一). 微生物的活动与 Aw 的关系 细菌 Aw>0.9 | 酵母菌 Aw>0.87 |生长繁殖 （表 2－8） 大多数霉菌 Aw>0.8| Aw0.85 ，如果 Aw0.3 甚至 0.1 还有活性 （图 2－8） (三). 非酶反应与 Aw 的关系 Maillard 反应 Aw: 0.6~0.7 反应最大值 (图 2-9) 脂肪非酶氧化反应: 较为复杂 (图 2-10) (四). 实践意义 1. 低温保藏 2. 干制 3. 加糖或盐腌制 第六节 吸湿等温线（Moisture sorption isotherm） 一．吸湿等温线的绘制 1． 定义：在温度不变的条件下，以食品中的水分含量为纵坐标，以 Aw 为横坐标作图， 所得曲线 2． 特点 （1） 食品间组成结构不同，不同的食品，吸湿等温线的形状互不相同 （2） 等温线中，较平坦的部分是对水不敏感的，食品的吸湿性很差; 较陡的部 分吸湿性很强，相对湿度轻微改变，食品吸进大量的水 (图 2-11) （3） 吸湿等温线为“S”形，吸湿与解吸等温线存在滞后现象，并不完全重合, 任何食品在同一 Aw 时，所对应的水分含量都是解吸>吸湿 (图 2-12) （4） 随温度的升高，吸湿等温线形状近似不变，位置顺序向右下方移动 (图 2-13) 二．吸湿等温线分区：分成三个区段 (图 2-14)

2. 特点 (1). Aw 是食品内在的性质，与食品的组成结构有关 (2). ERH 与食品平衡时大气的性质有关 二、水分活度与温度的关系：水分活度是温度的函数 Clausius－Clapeyron 方程式： LnAw=－ΔH/RT+C R=气体常数 ΔH＝在 T 度时食品的吸湿热 T＝绝对温度 C＝常数 1. 温度升高，Aw 加大 （图 2－7） 2. Aw=P (纯水)/P0 (过冷水) 样品冻结后 （表 2－7） 3. 冻结前，Aw 是食品组成和温度的函数，并以组成为主。冻结后，由于水的存在, Aw 只与 T 有关，不能用 Aw 大小进行预测 三、水分活度与食品的稳定性 (一). 微生物的活动与 Aw 的关系 细菌 Aw>0.9 | 酵母菌 Aw>0.87 |生长繁殖 （表 2－8） 大多数霉菌 Aw>0.8| Aw0.85 ，如果 Aw0.3 甚至 0.1 还有活性 （图 2－8） (三). 非酶反应与 Aw 的关系 Maillard 反应 Aw: 0.6~0.7 反应最大值 (图 2-9) 脂肪非酶氧化反应: 较为复杂 (图 2-10) (四). 实践意义 1. 低温保藏 2. 干制 3. 加糖或盐腌制 第六节 吸湿等温线（Moisture sorption isotherm） 一．吸湿等温线的绘制 1． 定义：在温度不变的条件下，以食品中的水分含量为纵坐标，以 Aw 为横坐标作图， 所得曲线 2． 特点 （1） 食品间组成结构不同，不同的食品，吸湿等温线的形状互不相同 （2） 等温线中，较平坦的部分是对水不敏感的，食品的吸湿性很差; 较陡的部 分吸湿性很强，相对湿度轻微改变，食品吸进大量的水 (图 2-11) （3） 吸湿等温线为“S”形，吸湿与解吸等温线存在滞后现象，并不完全重合, 任何食品在同一 Aw 时，所对应的水分含量都是解吸>吸湿 (图 2-12) （4） 随温度的升高，吸湿等温线形状近似不变，位置顺序向右下方移动 (图 2-13) 二．吸湿等温线分区：分成三个区段 (图 2-14)

区段Ⅰ：开始时稍陡的一段，Aw 0～0.25 之间，单分子层水、水合离子的内层水、直 径小于 0.1µm 毛细管中凝结的水 不能作溶剂，－40℃以上不结冰，与食品腐败无关，0~0.07 g 水/g 干物质 区段Ⅱ：较为平坦的一段，对水不太敏感，多分子层水，直径小于 1µm 的毛细管水 Aw 0.25～0.8，不能作溶剂，－40℃前不结冰，0℃，食品冻结温度－18℃，微生物活动 受到极大抑制，有些甚至死亡

区段Ⅰ：开始时稍陡的一段，Aw 0～0.25 之间，单分子层水、水合离子的内层水、直 径小于 0.1µm 毛细管中凝结的水 不能作溶剂，－40℃以上不结冰，与食品腐败无关，0~0.07 g 水/g 干物质 区段Ⅱ：较为平坦的一段，对水不太敏感，多分子层水，直径小于 1µm 的毛细管水 Aw 0.25～0.8，不能作溶剂，－40℃前不结冰，0℃，食品冻结温度－18℃，微生物活动 受到极大抑制，有些甚至死亡

ii. 可被微生物利用的液态水大量减少，溶液浓度急剧增大，渗透压随之变大，抑 制微生物活动。 （二）、冻结对生物化学反应的影响 1． 常温下出现引起食品腐败的生物化学反应，随着酶活性或反应速度常数的降低，受 到极大的抑制。 2． 食品冻结后，也有不利的反应发生 （1）。原来分散在自由水中的溶质被浓缩，PH 值，离子浓度，氧化还原电位及某些胶 体性质等发生变化，加速一些化学反应 （2）。自由水结冰后体积膨胀，食品组织结构遭受机械损伤，导致酶、底物、激活剂在 细胞内位置发生变化，产生“错位”，引起某些酶促反应进行

ii. 可被微生物利用的液态水大量减少，溶液浓度急剧增大，渗透压随之变大，抑 制微生物活动。 （二）、冻结对生物化学反应的影响 1． 常温下出现引起食品腐败的生物化学反应，随着酶活性或反应速度常数的降低，受 到极大的抑制。 2． 食品冻结后，也有不利的反应发生 （1）。原来分散在自由水中的溶质被浓缩，PH 值，离子浓度，氧化还原电位及某些胶 体性质等发生变化，加速一些化学反应 （2）。自由水结冰后体积膨胀，食品组织结构遭受机械损伤，导致酶、底物、激活剂在 细胞内位置发生变化，产生“错位”，引起某些酶促反应进行