【正文】 水 1 概述 ?六大營養(yǎng)素之一 ， 是維持人類正常生命活動必需的基本物質； ?存在：動植物體內(nèi) 、 食品； ?在食品中的主要作用： ?賦予色 、 香 、 味 、 形等特征； ?分散蛋白質和淀粉等 ， 使形成凝膠； ?新鮮度 、 硬度 、 流動性 、 呈味性 、 保藏性和加工等 。 2 水與溶質的相互作用 水的化學結構 水分子的結構 （單分子水或汽態(tài)水分子） ?水蒸氣中水：多以單分子形式存在 ?化學式： H2O ?組成：一個氧原子和兩個氫原子 ?形狀：折線形 ?H— O結合方式：共價鍵 ?鍵角： ℃ ?分子類型：極性分子 液體水的結構（水分子的締合） ?存在形式：若干個水分子締合 [（ H2O） n] ?吸引力：含有偶極的水分子在三維空間上的靜電引力形成氫鍵的締合作用（多重氫鍵鍵合）， ?締合原因： OH鍵具有極性 → 分子中電荷非對稱分布 → 分子具有較大偶極距； 極性 → 吸引力→ 強度 締合 ?鍵能大?。汗矁r鍵（平均鍵能 335kJ/mol）氫鍵（ 2～ 40 kJ/mol） 偶極間靜電引力， ?結構不穩(wěn)定 ?動態(tài)平衡：水分子得失。 ?氫鍵給體部位：在 H2O正四面體的兩個軸上 OH成鍵軌道（見圖 21A胡）， ?氫鍵受體部位： O的兩個孤對電子軌道，位于正四面體的另外兩個軌道， ?每個 H2O最多能與另外 4個 H2O通過氫鍵結合，得到如圖 （ 1）（劉）的四面體排列。 水的物理性質 ?熔點、沸點、比熱容、熔化熱、蒸發(fā)熱、表面張力和介電常數(shù)等明顯偏高（三維氫鍵締合）：1) 壓力 ↑↓→ 沸點 ↑↓ ； , 100℃。 減壓濃縮； +,121～123 ℃ ?2）比熱大，原因： ? 溫度 ↑→ 分子動能 ↑→ 吸入熱量 ? ↘ 締合分子 → 簡單分子 → 吸入熱量 ?比熱大 → 水溫不易隨氣溫變化 ?水密度低，黏度小 ?導熱率高： ?其中，導熱系數(shù)、擴散系數(shù)：冰 水 → 經(jīng)受溫度變化速率：冰 水 → 凍結速度 解凍速度 ?密度比冰大： ?質量相同： V冰 V水 → 冷凍工藝機械損傷 ?溶解能力強，可溶解電解質、蛋白質等溶液： ?離子型化合物 → 介電常數(shù)大 ?非離子型化合物 → 氫鍵 ?脂肪、蛋白 → 乳濁液 /膠體溶液 固態(tài)食品中水的類型 ?2． 3． 1 根據(jù)在食品中與非水物的結合程度劃分： ?束縛水： ?單分子層水 、 多分子層水 ?自由水： ?毛細管水 、 截留水 束縛水（結合水，構成水） ?構成水：指與非水物質結合最強的并作為非水組分整體部分的結合水。 ?可與各非水組分結合且結合得最為牢固 ?作為非水組分整體部分 ?不能作為溶劑， ?40℃ 以上不能結冰。 單分子層水 ?位置：第一個水分子層中 ?結合集團：非水組分中強極性集團（如羧基、氨基等） ?結合方法：氫鍵 ?鍵能：大，結合牢固，呈單分子層 ?結合強度：最為牢固 ?蒸發(fā)、凍結、轉移和溶劑能力均可忽略。 ?個別單分子層上的水分子可脫離開強極性集團，進入外面多分子層水內(nèi)，與多分子層中的水分子交換。 ?含量：在高水分食品中，占總水量的 %； ?不能被微生物利用，不能用做介質進行生化反應。 多分子層水（半結合水） ?鄰近水：與非水物質結合強度較次的結合水 ?位置：強極性集團單分子層外的幾個水分子層 ?結合基團：非水組分中弱極性集團 ?結合方法：氫鍵 ?鍵能：小，不牢固 ?被束縛強度：稍弱 ?蒸發(fā)能力：較弱 自由水（體相水、游離水） ?除束縛水外剩余的部分水； ?連接力：毛細管力 ?位置：占據(jù)與非水組分相距很遠位置 ?性質：與稀溶液中水相似，宏觀流動不受阻礙或僅受凝膠或組織骨架阻礙；在食品中可以作溶劑； ?在 40℃ 以上可以結冰； ?含量：在高水分食品中，略低于總水量的 5%。 毛細管水 ?動植物體中毛細管保留的水； ?存在于細胞間隙中； ?只能在毛細管內(nèi)流動，加壓可使水壓出體外。 截留水 ?食品中被生物膜或凝膠內(nèi)大分子交聯(lián)成的網(wǎng)絡所截留； ?主要存于富水的細胞中或凝膠塊內(nèi)； ?只能在被截留的區(qū)域內(nèi)流動，單個水分子可通過生物膜或大分子網(wǎng)絡向外蒸發(fā)； ?在高水分食品中，占總水量的 90%以上， ?與食品的風味、硬度和韌性有關，應防止流失。 結合水（束縛水）與自由水性質差別 ?結合水的量與食品中有機大分子的極性集團的數(shù)量有比較固定的比例關系； ?結合水的蒸汽壓比自由水高； ?結合水在食品中不能作為溶劑 ， 在 40℃ 以上不能結冰；自由水在食品中可以作溶劑 ， 在 40℃ 以上可以結冰； ?自由水能為微生物所利用 ， 適于微生物繁殖及進行化學反應 ， 是發(fā)生食品腐敗變質的適宜環(huán)境 。 結合水則不能； ?結合水對食品風味起重要作用 。 結合水（束縛水）與自由水性質差別 ?結合水的量與食品中有機大分子的極性集團的數(shù)量有比較固定的比例關系； ?結合水的蒸汽壓比自由水 ？ ； ?結合水在食品中不能作為溶劑 ， 在 40℃ 以上不能結冰；自由水在食品中可以作溶劑 ， 在 40℃ 以上可以結冰； ?自由水能為微生物所利用 ， 適于微生物繁殖及進行化學反應 ， 是發(fā)生食品腐敗變質的適宜環(huán)境 。 結合水則不能； ?結合水對食品風味起重要作用 。 3 水分活度與食品穩(wěn)定性 3． 1 水分活度定義 ?水含量不能作為判斷食品穩(wěn)定性的指標： ?1） 水分含量的測定受溫度 、 濕度等外界條件的影響； ?2） 各非水組分與水氫鍵鍵合的能力和大小均不相同 ， 與非水組分結合牢固的水不可能被食品中的微生物生長和化學水解反應所利用 。 ?因此 ， 用水活性度作為食品易腐敗性的指標比水含量更為恰當 ， 而且它與食品中許多降解反應的速度有良好的相關性 。 ?水分活度： ?食品的蒸汽壓與同溫下純水的蒸汽壓的比值 ，即 Aw=P/P0,Aw=水分活度 。P=食品中水的的蒸汽分壓 ， P0=指定溫度下純水的蒸汽壓； ?純水 P=P0， Aw=1， 而食品中 P總小于 P0， 故Aw1。 ?活度方程式： Aw=f/f0 ?式中 ， f=溶液中水的逸度 ， f0=純水的逸度 ?平衡相對濕度 （ ERH ） ?食品中水分蒸發(fā)達到平衡時食品上空已恒定的水蒸氣分壓與在此溫度時水的飽和蒸汽壓的比值。 ?Aw=P/P0=ERH/100， 現(xiàn)時大氣中水蒸氣的分壓力與在此溫度下水的飽和蒸汽壓的比值 。用乘 100后的整數(shù)形式表示 。 ?定義：在恒定溫度下 ， 表示食品的水含量（ g水 /g干物質 ） 與它的水分活度之間關系的曲線稱為等溫吸濕曲線 （ MSI） 。 即以食品中的水分含量為縱坐標 ， 以水分活度為橫坐標作圖 ， 所得的曲線為等溫吸濕曲線 。 （ 胡圖 216P2425或韓圖 110P3132） ?大多數(shù)食品的 MSI呈 S形 ， 含有大量糖及其它可溶性小分子但不富有高聚物的水果 、 糖果及咖啡提取物等的 MSI則具有 J形 。 ? 見圖 218胡 ?用途 ?確定食品適宜的濃縮脫水時間 ， 確定適宜的食品組成以防止水分在各組分間轉移； ?預測食品適宜含水量以確保其穩(wěn)定性； ?看出不同食品非水成分與水結合能力的強弱。 ?類型 ?根據(jù)測定方法的不同等溫吸濕曲線可分為： ?回吸 （ 吸附 ） 等溫線：在恒溫條件下 ， 把水逐步滲透到干燥的食品中 ， 在測定了不同吸濕階段的水分活度后繪制的等溫線； ?解吸等溫線：把高水分含量的食品逐步脫水 ，在測定了不同脫水階段的水分活度后繪制出的等溫線 。 ?（ 4）影響等溫吸濕曲線形狀的因素： ?測繪方法 ?食品組成結構 ?溫度 ?… ... 滯后現(xiàn)象 （ hysteresis） 見圖 111韓 ?定義：同一食品等溫吸附線和解吸等溫線不完全重合，在中低水分含量部分張開一細長眼孔 ?影響滯后作用大小的因素：食品組成結構、性質、食品除去和添加水所發(fā)生的物理變化、溫度以及吸濕與解吸速度和脫水程度等。 ?在同一 Aw下，所對應的水分含量，都是解吸大于吸濕，（食品的解吸過程一般比回吸過程時含水量更高）說明吸濕到食品內(nèi)的水，還沒有充分地被非水組分束縛，沒有使食品復原。 ?等溫吸濕曲線與溫度有關： ?水分含量一定， t℃ ↑→ Aw↑ ?同一食品不同溫度下繪制的 等溫吸濕曲線， t℃ ↑ ， 曲線形狀基本不變，位置順序向右下方移動。 見圖 112韓或劉 （ 5）等溫吸濕曲線分區(qū) （胡圖 217） ?目的： ?深刻理解含義和實際應用 ?與食品內(nèi)水的類型緊密聯(lián)系 ?根據(jù)： ?水分含量和 Aw的關系 ?MSI圖形特點 區(qū)段 Ⅰ ?單分子層的結合水：為構成水和鄰近水 ?連接集團：羧基和氨基等離子基團 ?連接方式：水 離子或水 偶極相互作用 ?連接部位：吸附在極性部位 ?結合力：最強，吸附最牢固和最不容易移動， ?Aw： 最低 ?在食品中占比例： 0～ ，相當于物料含水量 0～ ?很難蒸發(fā) ， 蒸發(fā)焓比純水大得多； ?40℃ 時不結冰； ?不能溶解溶質； ?與食品腐敗無關； ?對食品的固形物不產(chǎn)生增塑效應 ， 相當于固形物的組成部分； ?高水分末端 （ 區(qū)間 Ⅰ 和區(qū)間 II的分界線 ） 位置的這部分水相當于食品的單分子層水含量 。 區(qū)段 Ⅱ ?區(qū)間 I的水、區(qū)間 II內(nèi)增加的水（多分子層水、毛細管水）； ?與水結合基團：酰胺基、羥基等； ?鍵型：水 水、水 溶質的氫鍵鍵合作用與鄰近分子締合，形成多分子層結合水或稱為半結合水； ?結合力：稍差； ?蒸發(fā)能力：比水弱，蒸發(fā)焓比純水大，（水與非水組分的締合程度）； ?新增多的這部分水不能做溶劑，在 40℃ 時也不結冰； ?Aw=，溶解作用使多數(shù)反應加速，并具有增塑劑和促進基質溶脹的作用（引發(fā)固態(tài)組織溶脹）； ?Aw： ～ ，相當于物料含水量 至 ～ /g干物質，最高為 20g的干物，占總水量的 5%以下； ?Aw接近 ， 常溫可能霉爛變質 。 區(qū)段 III ?區(qū)段 I、 II及區(qū)段 III邊界內(nèi)增加的水（回吸過程）； ?吸濕性：最強烈； ?新增加的水：屬于自由水中直徑 1μm毛細管凝聚的水和生物大分子凝結成的網(wǎng)狀結構截留水，結合最不牢固和最易流動的水（體相水）； ?Aw： ～ ； ?與非水組分間的結合力極弱； ?蒸發(fā)焓 ；基本與純水相同 ， 既可結冰也可作溶劑 ， 在許多方面與純水相似 ， 因而有利于化學反應及微生物生長； ?物料含水量：最低為 ～ ，增加的水最多 20g干物質； ?在高水分食品中一般占總含水量的 95%以上 。 ?區(qū)段劃分不絕對： ?1） 區(qū)段 I： 靠近 II→ 多分子層水 ? 區(qū)段 II： 靠近 I→ 單分子層水 ?2） 除結合水外 ， 其余水能在區(qū)域內(nèi) /間進行交換 ?故用區(qū)帶表示相互交叉過程 ?區(qū)段 II/III水 ↑→ 區(qū)段 I/II水性質幾乎不變 → 食品中結合得最不牢固的那部分水對食品的穩(wěn)定性起著重要作用 。 Aw對微生物繁殖及化學反應的影響 ?水分活度越小 ， 食品越穩(wěn)定 ， 較少出現(xiàn)腐敗變質的問題； ?毛細管水能溶解反應物質 ， 起溶劑作用 ， 有助于反應物質的移動 ， 從而促進化學變化； ?過分干燥 → 氧化 、 脂肪酸敗 、 非酶褐變 Aw ?最高穩(wěn)定性所必需的水分含量：保持在結合水范圍內(nèi)（ 即最低 Aw） → 防止氧對活性基團的作用 ， 阻礙蛋白質和碳水化合物的相互作用 ， 化學變化難于發(fā)生 ， 不會喪失吸水性和復原性 。 Aw對微生物繁殖的影響 ?微生物生長需要的 Aw值一般較高： ?Aw ↑→ 微生物生長速度 ↑↑→ 生長速度 MAX后 ↓ （ 略有下降 ） ； ?不同微生物在食品中繁殖時 ， 都有它最適宜的 Aw范圍；見表 （ 劉 ， 圖） 。 ?在食品中 ， 微生物賴以生存的水主要是自由水：自由水含量 ↑→ Aw ↑ ， 故 Aw大的食品易受微生物感染 ， 穩(wěn)定性差 。 微生物發(fā)育時必需的 Aw ?微生物 發(fā)育所必需的最低 AW ?普通細菌 ?普通酵母