第二章水分和冰

第二章水分和冰第二章水分和冰

本章主要内容– 食品中的水分含量及其在生物体中的作用– 水和冰的物理性质– 水与冰的结构– 食品中水的类型– 水分活度与食品腐烂– 食品的吸湿等温线– 食品的冻结保藏

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2.1 食品中水分含量及水在生物体中的作用2.1.1 食品中水分含量生物体中水分含量随生物生存环境、种类、器官及发育时期而异，一般为 50~80% 。食品原料中的含水量与产品的要求密切相关，常见食品含水量如 P8 表 1-1 所示。2.1.2 水在生物体中的作用 1) 稳定生物大分子的构象，使之表现出特异的生物活性。 2 ）作为体内各种生化反应介质或反应产物。 3 ）作为营养物质或废物的运输载体。 4 ）调节体温。 5 ）作为机体各种运动的润滑剂。2.1.2 人体的日需水量随性别、年龄、运动强度、生理状态等而变化，在正常情况下，成人每日需水量为 2~2.7 L, 摄入的水量有一部分参与体内的各种代谢，有一部分水则以汗、尿等形式排出。具体情况见 P9 表 1-2

第二章水分和冰第二章水分和冰2.2 水和冰的物理性质2.2.1 水的三态

注： 1 ）水的三相图由三线 (TB 、 TF 、 TS) 、三面和一点构成。 2 ）以 P1 点为例说明水的三态变化规律及冰冻干燥的原理。 3 ）潜热：用于物质相变的热量称之为潜热。显热：用于物质体系温度升高的热量称之为显热。

第二章水分与冰第二章水分与冰 2.2.2 水的物理性质

Physical Properties of Water and Ice

Properties value

Molecular weight 180.0153

Phase transition properties Melting point at 101.3kPa (1 atm) 0.000 ℃

Boiling point at 101.3kPa (1 atm) 100.000 ℃

Critical temperature 373.99 ℃

Critical pressure 22.0764 MPa (218.6 atm)

Triple point 0.01 ℃ and 611.73 Pa (4.589mmHg)

Enthalpy of fusion at 0 ℃ 6.012 kJ (1.436 kcal) /mol

Enthalpy of vaporization at 100 ℃ 40.657 kJ (9.711 kcal)/mol

Enthalpy of sublimination at 0 ℃ 50.91 kJ (12.16kcal)/mol

Temperature

Otheir properties 20 ℃ 0 ℃ 0 ℃ (ice) -20 ℃

(ice)

Density (g/m L) 0.99821 0.99984 0.9168 0.9193

Viscosity (Pa.Sec) 1.002× 10-3

1.793× 10-3

— —

Surface tension against air (N/m) 72.75× 10-3

75.64× 10-3

— —

Vapor pressure (kPa) 2.3388 0.6113 0.6113 0.103

Heat capacity (J/g.K) 4.1818 4.2176 2.1009 1.9544

Thermal conductivity (liquid)

(J/m.s.℃)

5.893× 102 5.644× 10

2 22.4× 10

2 24.33× 10

2

Thermal diffusitity (m2/s) 1.4× 10

-7 1.3× 10

-7 11.7× 10-7 11.8× 10

-7

Permittivity (dielectric constant)

(still)* 80.36 80.00 91** 98** 3× 10

9 Hz 76.7(25℃) 80.5(1.5℃) — 3.2 (-12℃)

第二章水分与冰第二章水分与冰从表中归纳的几条规律： 1. 冰的导热系数与热扩散系数均比水大几倍。所以，在相同温度差的条件下，（但升降的方向相反），组织材料的冻结速度要比解冻速度快得多。 2. 水的密度较冰大，所以，水冻结为冰时体积膨胀。水在 4℃时密度最大，为 1 ， 0℃时冰的密度为 0.917 。 3. 水的沸点和熔点相当高。在一大气压下， 100℃时沸腾汽化，但在减压下，沸点则降低 . 应用：①在浓缩牛奶、肉汤、果汁等食品时，加高温容易变质，故必须采用减压低温方法进行浓缩，因为水的沸点是随着压力增大而升高的 .②在 100℃下不易煮熟的食品，如动物的筋和骨、豆类等，可以使用压力锅，便能迅速煮熟。如果再增加一个大气压，水的沸点就可升到 121~123 ℃。

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4. 水的比热较大。所以，水温不易随气温而变化。 5. 水的介电常数高。 20℃时水的介电常数是 80.36 。而大多数

生物体的干物质的介电常数为 2.2~4.0 。在理论上，任何物质，其水分含量增加 1% ，介电常数将增加近 0.8 。由于水的介电

常数大，故能促进电解质的电离。 6. 水的溶解能力强。 a. 溶解离子型化合物的能力较强； b. 非离子极性化合物如糖类、醇类、醛类、酮类等有机物质亦均可与水形成氢键而溶于水中； c. 即使不溶于水的物质，如脂肪和某些蛋白质，也能在适当的条件下分散在水中，形成乳浊液或胶体溶液。

第二章水分与冰第二章水分与冰为什么水的熔点、沸点、比热容和介电常数均比一般物质大呢？2.3 水与冰的结构2.3.1 水的结构与水分子间的缔合

解释： 1. 形成水分子时，氧原子采用的是 SP3杂化，为什么水分子中的两个O-H 键之间的夹角不是 109o,而是 104.50 2. 为什么水的熔点、沸点、比热容和介电常数比 HF 与 NH3 大？

第二章水分与冰第二章水分与冰为什么水的比重较低冰大？（固态冰与液态水结构的差异决定的，其比重取决于水分子之间的距离和中心水分子周围水分子的配位数） 2.3.2 固态冰与液态水结构的差异固态冰： 0℃时，水分子之间的距离为 0.276nm, 中心水分子的配位数为 4 。液态水： 0 ℃时，结构类似于冰，但有些氢键已经断裂或弯曲。 1.5 ℃时，中心水分子的配位数为 4.4, 水分子之间的距离为 0.29.

水的比重在 0~3.98 , ℃ 配位数的增加占优势，大于 3.98 ℃后，水分子距离的增加占优势。

第二章水分与冰第二章水分与冰 2.4 食品中水的类型自由水：存在于食品中但不被食品成分束缚的水称之为自由水。结合水：存在于食品中，通过氢键与极性组分结合在一起的水称之为结合水。水与非水组分之间的作用有三种方式：

第二章水分与冰第二章水分与冰2.4 食品中水的类型１、结合水的量与食品中有机大分子极性基团的数量有较为固定的比例关系。据测定１００ g 蛋白质可结合水平均为５０ g ，在动物组织器官中蛋白质约为２０％，即与蛋白质结合的水平达１０％；对于植物组织来说，１００g淀粉的平均持水能力为３０ ~４０。２、结合水蒸汽压比自由水低得多，而沸点高于一般水，冰点低于一般水。因而，１００℃以下时结合水不会从食品中散失，－２０℃时还不会结冰，这一点可以解释为什么植物的种子和微生物的孢子（几乎没有自由水泄不通在很低的温度下还能保持生命力，而多汁的组织（如水果、蔬菜、肉等级在冰冻时其组织结构很容易被破坏。３、自由水可被微生物利用，结合水则不能被微生物利用。４、结合水对食品的风味有很大影响，尤其是单分子层结合水，采用强制手段去掉结合水时，食品的风味和质量会发生很大的变化。


2.5 水分活度与食品腐烂 2.5.1 水分含量与水分活度的概念水分含量：食品中水分重量占食品重量的百合比称之为 ~ ，一般

用 120℃烘干法进行测定。水分活度：食品上空水蒸汽的分压力与同温下纯水的蒸汽压的比值称之为 ~ 。

Aw=P/P0 也可用水的逸度进行表示： Aw=f/f0

对纯水来说，因 P 和 Po 相等，故Ａ w 为１。而食品中的水分，由于其中溶有无机盐和有机物，所以 P总是小于 Po ，故Ａw＜１。

溶质与水分子之间的作用力等于水分子之间的凝聚力时，根据拉乌尔定律，稀溶液的蒸气压下降率等于溶质的摩尔分数：


Aw=P/Po = n1/n1+n2

因此，如果１摩尔砂糖溶于 1000克水，其溶液的Ａ w 可这样计算， 1000／ 18.016=55.5摩尔，则 : AW=55.5/(55.5+1)=0.98

它表示了１摩尔砂糖溶液在相对湿度为 98％时达到平衡状态。所以水分活度也可用平衡相对湿度（ ERH)这一概念表示：

AW=P/P0=ERH/100

据此，测定食品中的Ａ w 时，只要将食品放入密闭容器内至水分达到平衡时，找到容器内的平衡相对湿度，即可算出食品的Ａ w ，这就是用用康威氏皿进行测定水分活度的依据。水分活度，在一定温度下，也可通过直接测定食品的蒸气压，再进行计算。

一般情况下，食品中的含水量愈高，水分活度也愈大。水分活度与水分含量之间的关系如下图


水分含量与水分活度的关系

第二章水分与冰第二章水分与冰 2.5.2 影响水分活度的因素 1) 食品的组成因为水分活度是食品的内在性质。 2) 温度：水分活度与温度的关系用 Clausius-clapeyron 方程表示为： ln Aw= - H/RT +C △ 固定水分含量，研究温度与水分活度的关系，马铃薯淀粉的情况如下图

所示。

第二章水分与冰第二章水分与冰根据上述曲线可以算出在定温度与水分活度范围内的温度

系数，以指导食品的贮藏与加工。每一种食品体系均可根据上述的方法算出其在一定温度与水分条件下的温度系数。

值得注意的是：当温度低于 0℃时 ,一方面水分的活度计算应按Aw= P(纯水 )/P(Po过冷水 ) ; 另一方面此时水分在实际生产上的指导意义。

2.5.3 水分活度与食品稳定性的关系 1 ）微生物活动与水分的关系不同的微生物在食品中繁殖时，都有它最适宜的水分活度范围，细菌最敏感，其次是酵母和霉菌。在一般情况下，霉菌生长的最适 Aw为 0.85，但低于 0.8也能生长； Aw大于或等于 0.9时（最适为 0.90~0.94），细菌和酵母菌的生长比较低旺盛，直到 Aw低于 0.9时，霉菌生长才比较旺盛，这就是糕点、奶酪和坚果之类水份含量低的食品容易由于霉菌生长而腐败的原因。

第二章水分与冰第二章水分与冰微生物发育与水分活度的关系如下表所示 .如果食品水分活度

大于微生物生长发育所需的最低Ａw值时 , 微生物即可导致食品变质 .

第二章水分与冰第二章水分与冰 2 ）水分活度与酶促反应的关系食品中自由水是一种良好的溶剂 , 有助于引起化学反应 ,从而引起食品变质。当食品水分活度极低时 ,酶促反应几乎停止或反应缓慢；当水分活度增加时，自由水的量开始增加，酶促反应速度也相应增加。

一般Ａ w＜ 0.3 时 , 食品中淀粉酶、酚氧化酶、过氧化酶等活动被抑制；

Ａ w＜ 0.1 时 , 食品中的脂肪酶被抑制。 3) 水分活度与非酶反应的关系对于多数食品，过分的干燥会引起食品成分的氧化和脂肪的酸败，还会引起食品的非酶褐变。因此，要使食品具有良好的稳定性，则必需将Ａ w控制在结合水范围内（即最低Ａ w ），只有这样才能防止氧对活性基团的作用，阻碍蛋白质和碳水化合物的相互作用，不会使食品丧失吸水和复原性。

第二章水分与冰第二章水分与冰食品体系中的化学反应包括： a. 脂肪氧化作用； b. 非酶褐变； c. 水解

反应； d. 霉菌生长； e.酵母生长； f.细菌生长等。下图表示了其与水分活度的关系。


综合上述情况可知，食品中水分活度高，则食品易受微生物污染，易发生各种化学反应，导致食品品质不稳定，发生霉烂变质。生产上根据这一原理常采用如下措施来保证食品的品质。

1 ）干制 2 ）腌制（加糖与盐等） 3 ）冻结或冷藏


2.6 吸湿等温线 (Moisture sorption isotherm )

为了比较不同质构食品对水分活度的影响，我们引进了吸湿等温线的概念。

2.6.1 等温线的绘制可采用吸附与解吸两种方法绘制。请注意如下几个

问题： ① 等温线纵坐标是含水量 (g/g 干物质，或水的 % 含

量 ) ，横纵标是水分活度； ② 吸附等温线与解吸等温线对于同一食品体系来说

不完全重合。这是由于同一水活度条件下 , 食品中的非水组分对水的吸附还没有充分吸够造成的 (这种吸附需要足够的时间 ) 。


③ 吸附与解吸曲线绘制时，温度一定要固定。因为其随温度的增加，同一食品结构的吸附曲线会朝着右下方形状移动，但形状基本不变（见 P33 图 1-12 ）


2.6.2 吸湿等温线的分区 ( 见 P34 图 1-13)


第一区 : Aw 为 0~0.25, 主要为食品中极性组分吸附的单分子层水、水合离子水等。占比例很小 (0~0.07g 水 / 干物质 ) ， -40 ℃以上不结冰 , 与食品腐烂无关 ;

第二区 :Aw 为 0.25~0.8 ，除保留一区水外 ,增加了极性组分周围的多分子层水及直径小于 1μm的毛细管水 ,所占的比例仍然较小，与一区合计不超过 0.45g 水 /g， -40 ℃以上不结冰 , 与食品腐烂也无关 ;

第三区： Aw 为 0.8~1.0 ，直径大于 1μm的毛细管水和被生物膜或大分子截留的水，最多可达 20g水 /g干物质。可结冰，与食品贮藏稳定性关系密切。


2.6.3 吸湿等温线方程式 ( 见 P36)

Aw/(1-Aw)V= 1/VmC +Aw(C-1)/VmC

或 P/W(P0-P)=1/W1C + (C-1)P0/W1CP

C: 与吸附热有关的常数； P ：样品的蒸气压； Po ：同温下纯水的蒸汽压； W ：样品的水分含量（ g水 /g干物质）；W1 ：单层值 (g水 /g干物质 ) 。此方程是 Brunaer,Emmett

和 Teller 三人在 Langmuir的基础上总结出来的，故称这为 BET 方程。此方程在 Aw <0.5 时较理想。

2.6.4 吸湿等温线在食品中的应用

（见 P38, 自学）

第二章水分与冰第二章水分与冰 2.7 食品的冻结保藏（ Freezing preservation of foods ） 2.7.1 水结冰的过程（根据图解释速冻较缓冻优越的原因）晶核的形成：在 0℃以下形成 , 具体温度随水质的纯度、冷却的速度、搅拌有无等有关。晶核的生长：与温度有关，可在 0℃以上或以下进行。

第二章水分与冰第二章水分与冰 2.7.2 食品的冻结

冻结三个阶段解释：第一阶段是食品温度从初温降至冻结点，放出的热量是显热。此热量与全部放出的热量相比其值较小，故降温快，曲线陡；第二阶段是食品大部分水分冻结成冰。由于冰的潜热大于显热约 50~60倍，整个冻结过程中绝大部分热量在此阶段放出，故降温慢，曲线平坦。第三阶段是食品温度继续下降，直至终温，此阶段放出的热量，一部分是冰的继续降温，另一部分是残留水分的冻结。水变成冰后，比热显著减小，但因为还有残留水分冻结，其放出的热量较大，所以曲线不及第一阶段陡峭。

应用：注意样品的厚度，同时避免温度波动


2.7.3 冻结保藏食品的原理 1 ）冻结对微生物的影响低温抑菌原因： a. 温度降低，抑制其各项代谢活动 b. 减少微生物的可利用水分。 2) 冻结对生物化学反应的影响有利之处：降低了大多数化学反应的速度，有利于防腐。不利之处：有一些反应随着冻结其速度反而加快；另一方面随着冻结的进行，出现一些错位现象，导致了一些反应加快，这两者对食品的品质均有不良的影响。

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