第 3章 水分
Water
主要内容一节 水在生物体内的含量、功能与供给量二节 水的结构与性质三节 食品中水分状态四节 水分活度与等温吸湿曲线五节 食品中水分与食品保藏性六节 水分的测定重、难点：水分状态、水分活度与等温吸湿曲线第二节 水的结构与性质一、水的结构二、水与冰的性质一、水的结构
1、水的分子结构
O原子的外层电子构型为 2S22P4，成键时先行杂化而成 4个 SP3杂化轨道，其中两个轨道有未成对的单电子，另两个轨道各有一对成对的电子，四个轨道成正四面体 ;前两个轨道未成对电子分别与 2个 H原子的 1S轨道重叠产生两个 O－ H共价键，结合成两个 σ
共价键 (具有 40%离子特性 )，即形成一个水分子。
水分子 (H2O)中,
单个水分子的结构特征,
1,H2O分子的四面体结构有对称型,
2,H-O共价键有离子性,
3,氧的另外两对孤对电子有静电力,
4,H-O键具有电负性,
2、水分子间的缔合原因：
水分子中的电荷是非对称分布的。由于 O
的高电负性，水分子中 O－ H共用电子对强烈地偏向于 O原子一边，使得 H原子带有部分正电荷（ δ ＋ ），成为强极性分子。
每个水分子上的 H因正电性可以和另一个
H2O分子的负电性 O原子的孤对电子相吸引，而形成氢键，使 2个,3个 …… 水分子缔合起来。
水分子的缔合
如果以 1个 H2O为中心，它可以与另外 4个 H2O
之间同时形成 4个氢键,其中中心分子做了 2次氢供体和 2次氢受体 。 理论上讲，每个 H2O分子都可以成为中心分子，只要不在界面上，与 4个
H2O分子缔合成正四面体。液态水就是由若干水分子以三维氢键缔合而成的高度组织化的整体－
称,水分子簇,。
水分子间的吸引力比同样靠氢键结合在一起的其他小分子要大得多 (例如 NH3和 HF)。
图 3-3 水合氢离子的结构及其和氢键结合的可能结构 (虚线表示氢键 )
图 3-4 氢氧根离子的结构和氢键结合的可能结构 (虚线表示氢键,HX代表溶质或水分子 )
O
H
+
HH
O
H
H
X
XH
3、冰的结构
0℃ 冰中水分子的 配位数等于 4。
冰与水之间存在状态、性质上的差异，
所 15以食品中的水分转变为冰之后，会随之造成食品外观、质量等的改变。
二、水与冰的性质
H2O的熔点、沸点、熔化热、蒸发热、表面张力、介电常数等都明显的高,这些都应功于水分子间的三维氢键缔合。
表 3-2 水和冰的物理常数（ P13）
物 理 量 名 称 物 理 常 数 值相对分子质量相变性质熔点 (101.3kpa)
沸点 (101.3kpa)
临界温度临界压力三相点熔化热 (0℃ )
蒸发热 (100℃ )
升华热 (0℃ )
其他性质密度 (g/cm3)
粘度 (pa ·sec)
界面张力 (相对于空气 )(N/m)
蒸汽压 (kpa)
热容量 (J/g·k)
热传导 (液体 )(W/m·k)
热扩散系数 (m2/S)
介电常数
18.0153
0.000℃
100.000℃
373.99℃
22.14Mpa(218.6atm)
0.01℃ 和 611.73pa(4.589mmHg)
6.012KJ(1.436Kcal)/mol
40.657KJ(9.711Kcal)/mol
50.91KJ(12.06Kcal)/mol
20℃ 0℃ 0℃ (冰 ) -20℃ (冰 )
0.99821 0.99984 0.9168 0.9193
1.002× 10-3 1.793× 10-3 ─ ─
72.75× 10-3 75.64× 10-3 ─ ─
2.3388 0.6113 0.6113 0.103
4.1818 4.2176 2.1009 1.9544
0.5984 0.5610 2.240 2.433
1.4× 10-7 1.3× 10-7 11.7× 10-7 11.8× 10-7
80.20 87.90 ~90 ~98
水和冰相比,与食品有关的性质差异：
1、就密度而言，水 >冰 。
2、冰的导热系数与水存在差异 。
3、水的介电常数高 。
4、水的沸点、熔点高。
5、食品中含有一定的水溶性成分。
第三节 食品中的水分状态一、结合水二、自由水固态食品 中的水单分子层水 Ⅰ 型水结合水（束缚水）多分子层水 Ⅱ 型水少部分毛细管水自由水 大部分的毛细管水 Ⅲ 型水截留水结合水与自由水的性质特点,束缚水在食品内部不能作溶剂，在－ 40℃ 以上不结冰；而相反，自由水在食品中可作溶剂，在－ 40℃ 以上可以结冰。
液态食品 中的水 则主要是可流动的自由水结合水,指食品中那些与非水组分通过氢键结合的水。
1、单分子层水,指与强极性基团（如－ COOH、－ NH2等）
直接以氢键结合的第一个水分子层的水称单分子层水。
单层值
2、多分子层水,指的是在强极性基团单分子层水以外的几个水分子层中的水，以及与非水组分中弱极性基团以氢键相结合的水。
自由水,除开束缚水外，剩余的那部分水都称为自由水 。
1,毛细管水,食品中的组织含有天然的毛细管，其内部保留的水称为毛细管水，实际上主要存在于细胞间隙中。
2、截留水 指食品中被生物膜或凝胶大分子交联成的网络所截留的水，主要存在于富含水分的细胞中或凝胶块中。
第四节 水分活度与等温吸湿曲线一、水分活度（ Water activity,AW,aw ）
1、水分活度的概念水分活度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=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
其中,P－溶液中水蒸汽压 P0－纯水 饱和 蒸汽压
ERH (equilibrium relative humidity)即样品周围环境的平衡相对湿度 (%)。
根据拉乌尔定律，稀溶液的蒸汽压下降率等于溶质
（所占的）的摩尔分数：
（ P0－ P）／ P0＝ n2／（ n1 ＋ n2） 其中,n1,n2分别为水、溶质的摩尔数；
那么,P／ P0＝ n1／（ n1 ＋ n2） ＝ Aw
所以,Aw =P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
例如,1摩尔砂糖溶于 1000克水，该溶液的 Aw是：
1000／ 18.016
Aw＝ (1000／ 18.016)＋ 1
＝ 0.98
Aw代表了食品中水分被蒸发的程度 (主要指自由水 ),
它更能体现食品中水分与食品保藏性的关系。
2,Aw与温度有关
P,P0,ERH等都与温度有关，所以，
Aw也与温度有关。即：不同温度下的
Aw不同 。
3,Aw大小与食品中水分的状态－被非水组分束缚的程度有关
4、冻结食品中的水分活度 Aw的意义
①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,
② 冻结温度以上和以下 aw对食品稳的影响是不同的,
二、吸湿等温曲线（ MSI）
1、吸湿等温曲线的定义,
在恒定的温度下，将食品的 Aw值作横坐标，
此时达到平衡的食品含水量 （用每单位干物质质量中水的质量表示） 为纵坐标所描绘的曲线就称为 等温吸湿曲线 （ moisture sorption
isotherms,MSI）。
广泛范围水分含量的吸湿等温线图低水分含量范围食品的吸湿等温线
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的实际意义回吸 等温线 与 解吸 等温线大多数食品的等温线呈 S形，而水果、
糖制品、含有大量糖和其他可溶性小分子的咖啡提取物以及多聚物含量不高的食品的等温线为 J形。
食品和生物材料的回吸等温线
1表示 40℃ 时的曲线,其余的均为
20℃ 。 1,糖果 （ 主要成分为粉末状蔗糖 ） ； 2,喷雾干燥菊苣根提取物； 3,焙烤后的咖啡； 4,猪胰脏提取物粉末； 5,天然稻米淀粉
2、等温吸湿曲线与温度的关系马铃薯在不同温度下的水分解吸等温线
3、等温吸湿曲线的分区区 I区 II区 III区
Aw 0-0.25 0.25-0.85 ＞ 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 自由水微生物利用 不可利用 部分可利用 可利用
MSI上不同区水分特性
4、吸湿等温曲线的,滞后,现象定义,采用向干燥样品中添加水（回吸作用）的方法绘制水分吸着等温线和按解吸过程绘制的等温线并不相互重叠，这种不重叠性称为滞后现象 (hysteresis)。很多种食品的水分吸着等温线都表现出滞后现象。
水分吸着等温线的滞后现象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.
第五节 食品中水分与食品保藏性一、非冻结食品中水分活度与食品保藏性二、水分与冷冻食品三、水分活度与食品包装
Water
主要内容一节 水在生物体内的含量、功能与供给量二节 水的结构与性质三节 食品中水分状态四节 水分活度与等温吸湿曲线五节 食品中水分与食品保藏性六节 水分的测定重、难点：水分状态、水分活度与等温吸湿曲线第二节 水的结构与性质一、水的结构二、水与冰的性质一、水的结构
1、水的分子结构
O原子的外层电子构型为 2S22P4，成键时先行杂化而成 4个 SP3杂化轨道，其中两个轨道有未成对的单电子，另两个轨道各有一对成对的电子，四个轨道成正四面体 ;前两个轨道未成对电子分别与 2个 H原子的 1S轨道重叠产生两个 O－ H共价键，结合成两个 σ
共价键 (具有 40%离子特性 )，即形成一个水分子。
水分子 (H2O)中,
单个水分子的结构特征,
1,H2O分子的四面体结构有对称型,
2,H-O共价键有离子性,
3,氧的另外两对孤对电子有静电力,
4,H-O键具有电负性,
2、水分子间的缔合原因：
水分子中的电荷是非对称分布的。由于 O
的高电负性，水分子中 O－ H共用电子对强烈地偏向于 O原子一边，使得 H原子带有部分正电荷（ δ ＋ ），成为强极性分子。
每个水分子上的 H因正电性可以和另一个
H2O分子的负电性 O原子的孤对电子相吸引，而形成氢键，使 2个,3个 …… 水分子缔合起来。
水分子的缔合
如果以 1个 H2O为中心，它可以与另外 4个 H2O
之间同时形成 4个氢键,其中中心分子做了 2次氢供体和 2次氢受体 。 理论上讲，每个 H2O分子都可以成为中心分子，只要不在界面上，与 4个
H2O分子缔合成正四面体。液态水就是由若干水分子以三维氢键缔合而成的高度组织化的整体－
称,水分子簇,。
水分子间的吸引力比同样靠氢键结合在一起的其他小分子要大得多 (例如 NH3和 HF)。
图 3-3 水合氢离子的结构及其和氢键结合的可能结构 (虚线表示氢键 )
图 3-4 氢氧根离子的结构和氢键结合的可能结构 (虚线表示氢键,HX代表溶质或水分子 )
O
H
+
HH
O
H
H
X
XH
3、冰的结构
0℃ 冰中水分子的 配位数等于 4。
冰与水之间存在状态、性质上的差异，
所 15以食品中的水分转变为冰之后，会随之造成食品外观、质量等的改变。
二、水与冰的性质
H2O的熔点、沸点、熔化热、蒸发热、表面张力、介电常数等都明显的高,这些都应功于水分子间的三维氢键缔合。
表 3-2 水和冰的物理常数（ P13）
物 理 量 名 称 物 理 常 数 值相对分子质量相变性质熔点 (101.3kpa)
沸点 (101.3kpa)
临界温度临界压力三相点熔化热 (0℃ )
蒸发热 (100℃ )
升华热 (0℃ )
其他性质密度 (g/cm3)
粘度 (pa ·sec)
界面张力 (相对于空气 )(N/m)
蒸汽压 (kpa)
热容量 (J/g·k)
热传导 (液体 )(W/m·k)
热扩散系数 (m2/S)
介电常数
18.0153
0.000℃
100.000℃
373.99℃
22.14Mpa(218.6atm)
0.01℃ 和 611.73pa(4.589mmHg)
6.012KJ(1.436Kcal)/mol
40.657KJ(9.711Kcal)/mol
50.91KJ(12.06Kcal)/mol
20℃ 0℃ 0℃ (冰 ) -20℃ (冰 )
0.99821 0.99984 0.9168 0.9193
1.002× 10-3 1.793× 10-3 ─ ─
72.75× 10-3 75.64× 10-3 ─ ─
2.3388 0.6113 0.6113 0.103
4.1818 4.2176 2.1009 1.9544
0.5984 0.5610 2.240 2.433
1.4× 10-7 1.3× 10-7 11.7× 10-7 11.8× 10-7
80.20 87.90 ~90 ~98
水和冰相比,与食品有关的性质差异：
1、就密度而言，水 >冰 。
2、冰的导热系数与水存在差异 。
3、水的介电常数高 。
4、水的沸点、熔点高。
5、食品中含有一定的水溶性成分。
第三节 食品中的水分状态一、结合水二、自由水固态食品 中的水单分子层水 Ⅰ 型水结合水（束缚水）多分子层水 Ⅱ 型水少部分毛细管水自由水 大部分的毛细管水 Ⅲ 型水截留水结合水与自由水的性质特点,束缚水在食品内部不能作溶剂，在－ 40℃ 以上不结冰；而相反，自由水在食品中可作溶剂，在－ 40℃ 以上可以结冰。
液态食品 中的水 则主要是可流动的自由水结合水,指食品中那些与非水组分通过氢键结合的水。
1、单分子层水,指与强极性基团（如－ COOH、－ NH2等）
直接以氢键结合的第一个水分子层的水称单分子层水。
单层值
2、多分子层水,指的是在强极性基团单分子层水以外的几个水分子层中的水，以及与非水组分中弱极性基团以氢键相结合的水。
自由水,除开束缚水外，剩余的那部分水都称为自由水 。
1,毛细管水,食品中的组织含有天然的毛细管，其内部保留的水称为毛细管水，实际上主要存在于细胞间隙中。
2、截留水 指食品中被生物膜或凝胶大分子交联成的网络所截留的水，主要存在于富含水分的细胞中或凝胶块中。
第四节 水分活度与等温吸湿曲线一、水分活度（ Water activity,AW,aw ）
1、水分活度的概念水分活度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=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
其中,P－溶液中水蒸汽压 P0－纯水 饱和 蒸汽压
ERH (equilibrium relative humidity)即样品周围环境的平衡相对湿度 (%)。
根据拉乌尔定律，稀溶液的蒸汽压下降率等于溶质
（所占的）的摩尔分数：
（ P0－ P）／ P0＝ n2／（ n1 ＋ n2） 其中,n1,n2分别为水、溶质的摩尔数；
那么,P／ P0＝ n1／（ n1 ＋ n2） ＝ Aw
所以,Aw =P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
例如,1摩尔砂糖溶于 1000克水，该溶液的 Aw是：
1000／ 18.016
Aw＝ (1000／ 18.016)＋ 1
＝ 0.98
Aw代表了食品中水分被蒸发的程度 (主要指自由水 ),
它更能体现食品中水分与食品保藏性的关系。
2,Aw与温度有关
P,P0,ERH等都与温度有关，所以，
Aw也与温度有关。即：不同温度下的
Aw不同 。
3,Aw大小与食品中水分的状态－被非水组分束缚的程度有关
4、冻结食品中的水分活度 Aw的意义
①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,
② 冻结温度以上和以下 aw对食品稳的影响是不同的,
二、吸湿等温曲线（ MSI）
1、吸湿等温曲线的定义,
在恒定的温度下，将食品的 Aw值作横坐标，
此时达到平衡的食品含水量 （用每单位干物质质量中水的质量表示） 为纵坐标所描绘的曲线就称为 等温吸湿曲线 （ moisture sorption
isotherms,MSI）。
广泛范围水分含量的吸湿等温线图低水分含量范围食品的吸湿等温线
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的实际意义回吸 等温线 与 解吸 等温线大多数食品的等温线呈 S形，而水果、
糖制品、含有大量糖和其他可溶性小分子的咖啡提取物以及多聚物含量不高的食品的等温线为 J形。
食品和生物材料的回吸等温线
1表示 40℃ 时的曲线,其余的均为
20℃ 。 1,糖果 （ 主要成分为粉末状蔗糖 ） ； 2,喷雾干燥菊苣根提取物； 3,焙烤后的咖啡； 4,猪胰脏提取物粉末； 5,天然稻米淀粉
2、等温吸湿曲线与温度的关系马铃薯在不同温度下的水分解吸等温线
3、等温吸湿曲线的分区区 I区 II区 III区
Aw 0-0.25 0.25-0.85 ＞ 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 自由水微生物利用 不可利用 部分可利用 可利用
MSI上不同区水分特性
4、吸湿等温曲线的,滞后,现象定义,采用向干燥样品中添加水（回吸作用）的方法绘制水分吸着等温线和按解吸过程绘制的等温线并不相互重叠，这种不重叠性称为滞后现象 (hysteresis)。很多种食品的水分吸着等温线都表现出滞后现象。
水分吸着等温线的滞后现象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.
第五节 食品中水分与食品保藏性一、非冻结食品中水分活度与食品保藏性二、水分与冷冻食品三、水分活度与食品包装
