第二章 水分2009年 7月 26日第 二 章水 分
2009年 7月 26日 第二章 水分水在食品中的作用
从食品的理化性质上讲，水在食品中起着溶解分散蛋白质、淀粉等可溶性成分的作用，使它们形成溶液或凝胶。
从食品品质方面讲，对食品的鲜度、硬度、流动性、风味等方面都有重要的影响，水的质量关系到产品的质量。
从食品的安全性方面讲，水是微生物繁殖的必须条件。
从食品工艺角度讲，水起着膨润、浸透、均匀化的功能。
2009年 7月 26日 第二章 水分水和冰的物理性质
高的熔点和沸点，具有很大的表面张力、
热容以及相变热值。
介电常数大。
水的密度很小，水在凝固时具有异常的膨胀性。
水的黏度低，具有流动性。
水的热导率较大,0℃ 时冰的热导率为同温下水的热导率的 4倍。
2009年 7月 26日 第二章 水分第二节 水和冰的结构和性质
2009年 7月 26日 第二章 水分水分子的结构特征
以氧为中心的四面体结构,O-H键间的键角为 104.5度，水分子是极性分子。
O-H具有离子性，水分子可以电离。
氧的另外两对孤对电子有静电力。
2009年 7月 26日 第二章 水分水分子的缔合作用
2009年 7月 26日 第二章 水分水分子缔合的原因,
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,
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,
静电效应,
2009年 7月 26日 第二章 水分结构与性质的关系氢键水分子簇水分子是可移动水分子之间的缔合程度和分子间的距离每个水分子都参与了和其他 4个水分子形成三维空间的多重氢键缔合，因此具有高的沸点、熔点、热容和相变热等。
产生了多分子偶极，有效地提高了水的介电常数，所以具有溶剂性，可以促进电解质电离。
三维氢键网络中的每一个水分子是可移动的，它们快速地切断一个氢键，同时形成新的氢键网，
因此水具有流动性，黏度较低。
水分子之间的缔合程度增加，密度增加，
分子距离增加，密度减小。
0-3.98℃,缔合程度起决定作用，
所以，在这个范围内，随温度升高，
密度增加，在 3.98℃ 时，密度最大；
在 3.98℃ 以上,水分子之间的距离占主导地位，密度又随温度的升高而降低。
2009年 7月 26日 第二章 水分冰的结构和性质
氧核间距离最小为 0.276nm
一个水分子通过氢键与相邻的 4个水分子结合。
O-O-O键角约为 109度。
冰是水分子有序排列形成的晶体。
2009年 7月 26日 第二章 水分
2009年 7月 26日 第二章 水分
2009年 7月 26日 第二章 水分冰的分类按冷冻速度和对称要素分，冰可分为四大类：
六方型冰晶
不规则树枝状结晶
粗糙的球状结晶
易消失的球状结晶及各种中间体六方冰晶形成的条件：
① 在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻。
② 溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移。
2009年 7月 26日 第二章 水分第三节 水在食品中的存在状态一、水与溶质的相互作用类 型 实 例 作用强度（与水 -水氢键比）
偶极 -离子 水 -游离离子水 -有机分子上的带电基团 较大偶极 -偶极水 -蛋白质 NH
水 -蛋白质 CO
水 -侧链 OH
近似相等偶极 -疏水性物质水＋ R→R （水合的）
R（水合的）＋ R（水合的） → R2
（水合的）＋水疏水水合 ΔG>0
疏水相互作用 ΔG<0
2009年 7月 26日 第二章 水分
1、水与离子和离子基团的相互作用
离子水合作用
净结构形成效应,离子是电场强度较强、离子半径小的离子或多价离子，它们有助于水形成网络结构，因此这类离子的水溶液比纯水的流动性小，也就是这种溶液中离子间的结构要比纯水的结构要稳定。
净结构破坏效应,离子一般为低价离子，离子半径较大，这些离子能阻碍水形成网络结构，因此这种溶液比纯水的流动性要大 。
类 型 实 例 作用强度（与水 -水氢键比）
偶极 -离子 水 -游离离子水 -有机分子上的带电基团 较大偶极 -偶极水 -蛋白质 NH
水 -蛋白质 CO
水 -侧链 OH
近似相等偶极 -疏水性物质水＋ R→R （水合的）
R（水合的）＋ R（水合的） → R2
（水合的）＋水疏水水合 ΔG>0
疏水相互作用 ΔG<0
2009年 7月 26日 第二章 水分
2、水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用类 型 实 例 作用强度（与水 -水氢键比）
偶极 -离子 水 -游离离子水 -有机分子上的带电基团 较大偶极 -偶极水 -蛋白质 NH
水 -蛋白质 CO
水 -侧链 OH
近似相等偶极 -疏水性物质水＋ R→R （水合的）
R（水合的）＋ R（水合的）
→ R2（水合的）＋水疏水水合 ΔG>0
疏水相互作用 ΔG<0
2009年 7月 26日 第二章 水分
3、水与非极性物质的相互作用类 型 实 例 作用强度（与水 -水氢键比）
偶极 -离子 水 -游离离子水 -有机分子上的带电基团 较大偶极 -偶极水 -蛋白质 NH
水 -蛋白质 CO
水 -侧链 OH
近似相等偶极 -疏水性物质水＋ R→R （水合的）
R（水合的）＋ R（水合的）
→ R2（水合的）＋水疏水水合 ΔG>0
疏水相互作用 ΔG<0
2009年 7月 26日 第二章 水分
3、水与非极性物质的相互作用
笼形水合物,指水通过氢键形成笼状结构，
将非极性小分子包在里面，通常由 20-74个水分子组成笼形结构。
水与蛋白质分子中的疏水基团的缔合,大多数蛋白质分子中，大约有 40％的氨基酸含有非极性基团，这些疏水基团就会缔合产生疏水相互作用。
2009年 7月 26日 第二章 水分二、水的存在状态化合水结合水 邻近水多层水滞化水体相水 毛细管水自由流动水
2009年 7月 26日 第二章 水分第四节 水分活度
引言
食品的水分含量～食品的腐败性
存在相关性
但发现水分含量相同，腐败性显著不同
水分含量不是一个腐败性的可靠指标
水分活度 Aw
水与非水成分缔合强度上的差别
比水分含量更可靠，也并非完全可靠
与微生物生长和许多降解反应具有相关性
2009年 7月 26日 第二章 水分第四节 水分活度
f —— 溶剂（水）的逸度
f0—— 纯溶剂（水）的逸度逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势0f
f
Aw?
op
p
Aw?
op
p
f
f
0 op
p
Aw?
严格差别 1% 仅适合理想溶液 RVP,相对蒸汽
2009年 7月 26日 第二章 水分第四节 水分活度定义,
指食品中水的蒸汽压和该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值
aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
2009年 7月 26日 第二章 水分
aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
水分活度值介于 0～ l之间 。
ERH（ equilibrium relative humidity）
是样品周围的空气平衡相对湿度，它是与样品平衡的大气的性质。
拉乌尔定律 。
水分活度的 意义,水分活度表示生物组织与食品中能参与生物活动和化学反应的水分含量。
2009年 7月 26日 第二章 水分
水分活度的几种测量方法：
冰点测定法
相对湿度传感器测定法
恒定相对湿度平衡室法
2009年 7月 26日 第二章 水分
水分活度与温度的关系
lnaw＝ ―kΔH／ R（ 1／ T）
时的绝对温度纯水的蒸汽压为时的绝对温度纯水的蒸汽压为样品的绝对温度
p
pk -?
k是样品中非水物质的本质和浓度的函数，也是温度的函数
2009年 7月 26日 第二章 水分
意义,一定样品,在恒定的 水分含量 下，水分活度的对数在不太宽的温度 范围内随绝对温度升高而正比例升高。
lnaw和 1／ T两者间有良好的线性关系但它们的线性关系是以含水量为参数的，当水分含量越大时，水分活度受温度的影响越大。
2009年 7月 26日 第二章 水分冰点以上和冰点以下水分活度的区别：
)(0
)(0
)(0
)(
s c w
i c e
s c w
ff
w p
p
p
p
a
比较高于和低于冻结温度下的 aw时应注意两个重要差别,
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对食品稳定性的影响是不同的,
2009年 7月 26日 第二章 水分第五节 吸湿等温线
定义,（ MSI）是指在恒定温度下，食品的水分含量与它的水分活度之间的关系图。
2009年 7月 26日 第二章 水分
吸湿等温线 的区域
2009年 7月 26日 第二章 水分
Ⅰ 区的水的性质
最强烈地吸附
最少流动
水－离子或水－偶极相互作用
在 -40℃ 不结冰
不能作为溶剂
看作固体的一部分
化合水和邻近水
占总水量极小部分
2009年 7月 26日 第二章 水分
BET单层
区 Ⅰ 和 Ⅱ 接界
0.07g H2O/ g干物质
Aw =0.2
相当于一个干制品能呈现最高的稳定性时含有的最大水分含量
2009年 7月 26日 第二章 水分食品的单分子层水值的计算
w
w
w a
cm
c
cmam
a
11
11
)1(
2009年 7月 26日 第二章 水分
Ⅱ 区的水的性质
通过氢键与相邻的水分子和溶质分子缔合
流动性比体相水稍差
大部分在 -40℃ 不结冰
导致固体基质的初步肿胀
多层水
区 Ⅰ 和区 Ⅱ 的水占总水分的 5%以下
2009年 7月 26日 第二章 水分
Ⅲ 区的水的性质
体相水
被物理截留或自由的
宏观运动受阻
性质与稀盐溶液中的水类似 占总水分的 95%
以上
2009年 7月 26日 第二章 水分各区特性
2009年 7月 26日 第二章 水分滞后现象
通常吸湿等温线的绘制是通过向干燥样品中添加水而得到的，因此我们也常把这个过程叫 回吸作用 。
如果把这个吸满水的样品再进行干燥，同样又可以得到一条曲线，我们把这条线叫解吸曲线 。
滞后现象 就是样品的吸湿等温线和解吸等温线不完全重叠的现象。
2009年 7月 26日 第二章 水分
一般来说，当 Aw一定时，解吸过程中食品的水分含量大于回吸过程中水分含量。
解吸线在上方
滞后环形状取决于
食品品种
解吸速度
脱水程度
温度
2009年 7月 26日 第二章 水分空气干燥的苹果片 冷冻干燥的熟猪肉
2009年 7月 26日 第二章 水分
2009年 7月 26日 第二章 水分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。,
2009年 7月 26日 第二章 水分滞后现象的现实意义
鸡肉和猪肉 Aw=0.75～ 0.84，解吸时脂肪氧化速度高于回吸
Aw一定，解吸样品的水分高于回吸
高水分样品粘度低，催化剂流动性好，基质的肿胀使催化部位暴露
控制微生物生长，解吸方法比回吸方法制备样品时要达到更低的 Aw
2009年 7月 26日 第二章 水分第六节 水分活度与食品的稳定性
水分活度与微生物的关系不同微生物的生长对水分活度的要求不同：
大多数的细菌 0.99-0.94，
大多数霉菌 0.94-0.8之间；
大多数耐盐细菌 0.75；
耐干燥霉菌和耐高渗透压酵母 0.65-0.6；
低于 0.6时，绝大多数的微生物是无法生长的。
2009年 7月 26日 第二章 水分不同阶段对水分活度的阈值的要求不同
细菌，它在形成芽孢时的水分活度比繁殖生长时所需的水分活度值要高。
霉菌孢子发芽的 aw阈值则低于孢子发芽后菌丝生长所需的 aw值，
微生物产生毒素时所需的 aw阈值则高于生长时所需的 aw数值，
2009年 7月 26日 第二章 水分食品中水分活度与微生物生长
2009年 7月 26日 第二章 水分水分活度与食品化学变化的关系
对脂肪氧化酸败的影响? 水能与脂肪氧化的自由基反应中的氢过氧化物形成氢键
水能与金属离子形成水合物
水增加了氧的溶解度
脂肪分子肿胀
催化剂和氧的流动性增加
催化剂和反应物的浓度被稀释
2009年 7月 26日 第二章 水分水分活度对非酶褐变的影响在一定的水分活度范围内，反应速度随水分活度的值增大而增大，在水分活度在 0.2以下，反应通常不会发生，而当水分活度过大时（大于 0.7）
反应速度下降。
2009年 7月 26日 第二章 水分
对淀粉老化的影响：
30％～ 60％ 老化的速度最快
10％～ 15％ 淀粉不会发生老化
对蛋白质变性的影响：
水分活度增大会加速蛋白质的氧化作用
对酶促褐变的影响：
当 aw值降低到 0.25～ 0.30的范围，就能有效地减慢或阻止酶促揭变的进行。
2009年 7月 26日 第二章 水分
降低水分活度可以降低食品的化学反应速度，提高食品的稳定性。
大多数化学反应只有在水中才能进行，所以食品中自由水的含量决定了化学反应的进行，因此降低水分活度，减少自由水的含量，也就抑制了反应的进行。
一些离子反应在没有自由水存在时是无法进行离子化或水化作用的。
在一些反应中，水不仅作为反应介质，还是反应的参与者，没有了自由水的参加，反应速度变慢。
在酶促反应中，水作为输送介质，促使底物向酶扩散，而且大多数酶在水分活度低于 0.2和大于 0.8
时受到抑制。
2009年 7月 26日 第二章 水分冰在食品稳定性中的作用
冷冻法：降温的目的
水结冰会产生两个不良的后果体积增大，细胞结构被破坏。
浓度变大，产生浓缩效应。
冰冻对反应速度具有两个相反方向的影响降低温度导致反应速度变缓。
可能导致反应速度的加快。
2009年 7月 26日 第二章 水分
2009年 7月 26日 第二章 水分第八节 含水食品的水分转移
食品吸水或失水以及水分在同一食品的不同部位的移动的现象叫 水分的转移 。
水分转移可分为两种情况：
不同食品位转移同一食品不同部位相转移 三态之间的变化
2009年 7月 26日 第二章 水分水分的位转移动力 化学势 由高到低温度、水分活度
从高温部位会向低温部位移动
从水分活度高的部位向水分活度低的地方转移
2009年 7月 26日 第二章 水分水分的相转移
空气湿度的表示法：
① 绝对湿度。 是指空气中实际所含有的水蒸气的数量，即单位体积空气中所含水蒸气的质量或水蒸气所具有的压力。
② 饱和湿度。 是指在一定温度下，单位体积空气所能容纳的最大水蒸气量或水蒸气所能具有的最大压力。
③ 相对湿度。 指空气绝对湿度与同温度下饱和湿度的比值，以％表示。
2009年 7月 26日 第二章 水分水分的相转移水分蒸发,与空气湿度与饱和湿度差有关饱和湿度差大，则食品水分蒸发量就大蒸汽凝结,空气中的水蒸气在食品的表面凝结成液体水的现象。
单位体积的空气所能容纳水蒸气的最大数量随着温度的下降而减少食品水分蒸发的热力学过程：
Δμ=μs-μH=R(TS?lnpS-TH?lnpH)
μ s是食品中水蒸气的化学势
μ H是空气中水蒸气的化学势
2009年 7月 26日 第二章 水分第九节 分子流动性对食品稳定性的影响玻璃态,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，类于玻璃。
玻璃化温度 (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 玻璃化温度 。
无定形,是物质的一种非平衡，非结晶态。
2009年 7月 26日 第二章 水分
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。
完全而完整的结晶 Mm为 零,
完全的玻璃态 Mm值也几乎为 零,
但绝大多数食品的 Mm值 不等于零 。
2009年 7月 26日 第二章 水分状态图
2009年 7月 26日 第二章 水分
Mm与食品稳定性关系
大多数物理变化和一部分化学变化由分子流动性（ Mm）控制扩散因子 D
碰撞频率因子 A 决定化学反应速度活化能因子 Ea
如果 D对反应的限制性大于 A和 Ea，那么该反应就是 扩散限制反应 。
2009年 7月 26日 第二章 水分
Mm与食品稳定性关系
Tg与食品的扩散限制性质的稳定性有着密切的关系在食品保藏温度低于 Tg时,Mm和所有扩散限制的变化，包括许多变质反应，都会受到很好的限制。
在 Tm～ Tg范围内 Mm和扩散限制性的食品性质与温度的关系随着温度下降,Mm减小而黏度提高。稳定性与 T— Tg成反比。
2009年 7月 26日 第二章 水分
Mm与食品稳定性关系
水含量强烈影响 Tg
溶质种类强烈地影响 Tg和 Tg’
Tg’是特定溶质的最大冷冻浓缩溶液的玻璃化温度，是 Tg值的一个特定值。
2009年 7月 26日 第二章 水分
Mm预测食品稳定性的方法与 aw方法比较二者相互补充，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和化学组分的扩散能力。
2009年 7月 26日第二章 小 结一、水和冰的物理性质二、结构
1、水分子 结构 2、水分子的 缔合三、水在食品中的存在状态
1、水与溶质的 相互作用 2、水的 存在状态四、水分活度
1,定义 2、与 温度的关系
2009年 7月 26日第二章 小 结五、吸湿等温线
1、各区 特点 2,滞后现象六、水分活度与食品稳定性的关系七、冰在食品稳定性中的作用八、含水食品的水分转移九、分子流动性
2009年 7月 26日 第二章 水分水在食品中的作用
从食品的理化性质上讲，水在食品中起着溶解分散蛋白质、淀粉等可溶性成分的作用，使它们形成溶液或凝胶。
从食品品质方面讲，对食品的鲜度、硬度、流动性、风味等方面都有重要的影响，水的质量关系到产品的质量。
从食品的安全性方面讲，水是微生物繁殖的必须条件。
从食品工艺角度讲，水起着膨润、浸透、均匀化的功能。
2009年 7月 26日 第二章 水分水和冰的物理性质
高的熔点和沸点，具有很大的表面张力、
热容以及相变热值。
介电常数大。
水的密度很小，水在凝固时具有异常的膨胀性。
水的黏度低，具有流动性。
水的热导率较大,0℃ 时冰的热导率为同温下水的热导率的 4倍。
2009年 7月 26日 第二章 水分第二节 水和冰的结构和性质
2009年 7月 26日 第二章 水分水分子的结构特征
以氧为中心的四面体结构,O-H键间的键角为 104.5度，水分子是极性分子。
O-H具有离子性，水分子可以电离。
氧的另外两对孤对电子有静电力。
2009年 7月 26日 第二章 水分水分子的缔合作用
2009年 7月 26日 第二章 水分水分子缔合的原因,
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,
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,
静电效应,
2009年 7月 26日 第二章 水分结构与性质的关系氢键水分子簇水分子是可移动水分子之间的缔合程度和分子间的距离每个水分子都参与了和其他 4个水分子形成三维空间的多重氢键缔合，因此具有高的沸点、熔点、热容和相变热等。
产生了多分子偶极，有效地提高了水的介电常数，所以具有溶剂性，可以促进电解质电离。
三维氢键网络中的每一个水分子是可移动的，它们快速地切断一个氢键，同时形成新的氢键网，
因此水具有流动性，黏度较低。
水分子之间的缔合程度增加，密度增加，
分子距离增加，密度减小。
0-3.98℃,缔合程度起决定作用，
所以，在这个范围内，随温度升高，
密度增加，在 3.98℃ 时，密度最大；
在 3.98℃ 以上,水分子之间的距离占主导地位，密度又随温度的升高而降低。
2009年 7月 26日 第二章 水分冰的结构和性质
氧核间距离最小为 0.276nm
一个水分子通过氢键与相邻的 4个水分子结合。
O-O-O键角约为 109度。
冰是水分子有序排列形成的晶体。
2009年 7月 26日 第二章 水分
2009年 7月 26日 第二章 水分
2009年 7月 26日 第二章 水分冰的分类按冷冻速度和对称要素分，冰可分为四大类：
六方型冰晶
不规则树枝状结晶
粗糙的球状结晶
易消失的球状结晶及各种中间体六方冰晶形成的条件：
① 在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻。
② 溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移。
2009年 7月 26日 第二章 水分第三节 水在食品中的存在状态一、水与溶质的相互作用类 型 实 例 作用强度（与水 -水氢键比）
偶极 -离子 水 -游离离子水 -有机分子上的带电基团 较大偶极 -偶极水 -蛋白质 NH
水 -蛋白质 CO
水 -侧链 OH
近似相等偶极 -疏水性物质水＋ R→R （水合的）
R（水合的）＋ R（水合的） → R2
（水合的）＋水疏水水合 ΔG>0
疏水相互作用 ΔG<0
2009年 7月 26日 第二章 水分
1、水与离子和离子基团的相互作用
离子水合作用
净结构形成效应,离子是电场强度较强、离子半径小的离子或多价离子，它们有助于水形成网络结构，因此这类离子的水溶液比纯水的流动性小，也就是这种溶液中离子间的结构要比纯水的结构要稳定。
净结构破坏效应,离子一般为低价离子，离子半径较大，这些离子能阻碍水形成网络结构，因此这种溶液比纯水的流动性要大 。
类 型 实 例 作用强度（与水 -水氢键比）
偶极 -离子 水 -游离离子水 -有机分子上的带电基团 较大偶极 -偶极水 -蛋白质 NH
水 -蛋白质 CO
水 -侧链 OH
近似相等偶极 -疏水性物质水＋ R→R （水合的）
R（水合的）＋ R（水合的） → R2
（水合的）＋水疏水水合 ΔG>0
疏水相互作用 ΔG<0
2009年 7月 26日 第二章 水分
2、水与具有氢键键合能力的中性基团的相互作用类 型 实 例 作用强度（与水 -水氢键比）
偶极 -离子 水 -游离离子水 -有机分子上的带电基团 较大偶极 -偶极水 -蛋白质 NH
水 -蛋白质 CO
水 -侧链 OH
近似相等偶极 -疏水性物质水＋ R→R （水合的）
R（水合的）＋ R（水合的）
→ R2（水合的）＋水疏水水合 ΔG>0
疏水相互作用 ΔG<0
2009年 7月 26日 第二章 水分
3、水与非极性物质的相互作用类 型 实 例 作用强度（与水 -水氢键比）
偶极 -离子 水 -游离离子水 -有机分子上的带电基团 较大偶极 -偶极水 -蛋白质 NH
水 -蛋白质 CO
水 -侧链 OH
近似相等偶极 -疏水性物质水＋ R→R （水合的）
R（水合的）＋ R（水合的）
→ R2（水合的）＋水疏水水合 ΔG>0
疏水相互作用 ΔG<0
2009年 7月 26日 第二章 水分
3、水与非极性物质的相互作用
笼形水合物,指水通过氢键形成笼状结构，
将非极性小分子包在里面，通常由 20-74个水分子组成笼形结构。
水与蛋白质分子中的疏水基团的缔合,大多数蛋白质分子中，大约有 40％的氨基酸含有非极性基团，这些疏水基团就会缔合产生疏水相互作用。
2009年 7月 26日 第二章 水分二、水的存在状态化合水结合水 邻近水多层水滞化水体相水 毛细管水自由流动水
2009年 7月 26日 第二章 水分第四节 水分活度
引言
食品的水分含量～食品的腐败性
存在相关性
但发现水分含量相同，腐败性显著不同
水分含量不是一个腐败性的可靠指标
水分活度 Aw
水与非水成分缔合强度上的差别
比水分含量更可靠，也并非完全可靠
与微生物生长和许多降解反应具有相关性
2009年 7月 26日 第二章 水分第四节 水分活度
f —— 溶剂（水）的逸度
f0—— 纯溶剂（水）的逸度逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势0f
f
Aw?
op
p
Aw?
op
p
f
f
0 op
p
Aw?
严格差别 1% 仅适合理想溶液 RVP,相对蒸汽
2009年 7月 26日 第二章 水分第四节 水分活度定义,
指食品中水的蒸汽压和该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值
aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
2009年 7月 26日 第二章 水分
aw=P/P0=ERH/100=N=n1/(n1+n2)
水分活度值介于 0～ l之间 。
ERH（ equilibrium relative humidity）
是样品周围的空气平衡相对湿度，它是与样品平衡的大气的性质。
拉乌尔定律 。
水分活度的 意义,水分活度表示生物组织与食品中能参与生物活动和化学反应的水分含量。
2009年 7月 26日 第二章 水分
水分活度的几种测量方法：
冰点测定法
相对湿度传感器测定法
恒定相对湿度平衡室法
2009年 7月 26日 第二章 水分
水分活度与温度的关系
lnaw＝ ―kΔH／ R（ 1／ T）
时的绝对温度纯水的蒸汽压为时的绝对温度纯水的蒸汽压为样品的绝对温度
p
pk -?
k是样品中非水物质的本质和浓度的函数，也是温度的函数
2009年 7月 26日 第二章 水分
意义,一定样品,在恒定的 水分含量 下，水分活度的对数在不太宽的温度 范围内随绝对温度升高而正比例升高。
lnaw和 1／ T两者间有良好的线性关系但它们的线性关系是以含水量为参数的，当水分含量越大时，水分活度受温度的影响越大。
2009年 7月 26日 第二章 水分冰点以上和冰点以下水分活度的区别：
)(0
)(0
)(0
)(
s c w
i c e
s c w
ff
w p
p
p
p
a
比较高于和低于冻结温度下的 aw时应注意两个重要差别,
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对食品稳定性的影响是不同的,
2009年 7月 26日 第二章 水分第五节 吸湿等温线
定义,（ MSI）是指在恒定温度下，食品的水分含量与它的水分活度之间的关系图。
2009年 7月 26日 第二章 水分
吸湿等温线 的区域
2009年 7月 26日 第二章 水分
Ⅰ 区的水的性质
最强烈地吸附
最少流动
水－离子或水－偶极相互作用
在 -40℃ 不结冰
不能作为溶剂
看作固体的一部分
化合水和邻近水
占总水量极小部分
2009年 7月 26日 第二章 水分
BET单层
区 Ⅰ 和 Ⅱ 接界
0.07g H2O/ g干物质
Aw =0.2
相当于一个干制品能呈现最高的稳定性时含有的最大水分含量
2009年 7月 26日 第二章 水分食品的单分子层水值的计算
w
w
w a
cm
c
cmam
a
11
11
)1(
2009年 7月 26日 第二章 水分
Ⅱ 区的水的性质
通过氢键与相邻的水分子和溶质分子缔合
流动性比体相水稍差
大部分在 -40℃ 不结冰
导致固体基质的初步肿胀
多层水
区 Ⅰ 和区 Ⅱ 的水占总水分的 5%以下
2009年 7月 26日 第二章 水分
Ⅲ 区的水的性质
体相水
被物理截留或自由的
宏观运动受阻
性质与稀盐溶液中的水类似 占总水分的 95%
以上
2009年 7月 26日 第二章 水分各区特性
2009年 7月 26日 第二章 水分滞后现象
通常吸湿等温线的绘制是通过向干燥样品中添加水而得到的，因此我们也常把这个过程叫 回吸作用 。
如果把这个吸满水的样品再进行干燥，同样又可以得到一条曲线，我们把这条线叫解吸曲线 。
滞后现象 就是样品的吸湿等温线和解吸等温线不完全重叠的现象。
2009年 7月 26日 第二章 水分
一般来说，当 Aw一定时，解吸过程中食品的水分含量大于回吸过程中水分含量。
解吸线在上方
滞后环形状取决于
食品品种
解吸速度
脱水程度
温度
2009年 7月 26日 第二章 水分空气干燥的苹果片 冷冻干燥的熟猪肉
2009年 7月 26日 第二章 水分
2009年 7月 26日 第二章 水分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。,
2009年 7月 26日 第二章 水分滞后现象的现实意义
鸡肉和猪肉 Aw=0.75～ 0.84，解吸时脂肪氧化速度高于回吸
Aw一定，解吸样品的水分高于回吸
高水分样品粘度低，催化剂流动性好，基质的肿胀使催化部位暴露
控制微生物生长，解吸方法比回吸方法制备样品时要达到更低的 Aw
2009年 7月 26日 第二章 水分第六节 水分活度与食品的稳定性
水分活度与微生物的关系不同微生物的生长对水分活度的要求不同：
大多数的细菌 0.99-0.94，
大多数霉菌 0.94-0.8之间；
大多数耐盐细菌 0.75；
耐干燥霉菌和耐高渗透压酵母 0.65-0.6；
低于 0.6时，绝大多数的微生物是无法生长的。
2009年 7月 26日 第二章 水分不同阶段对水分活度的阈值的要求不同
细菌，它在形成芽孢时的水分活度比繁殖生长时所需的水分活度值要高。
霉菌孢子发芽的 aw阈值则低于孢子发芽后菌丝生长所需的 aw值，
微生物产生毒素时所需的 aw阈值则高于生长时所需的 aw数值，
2009年 7月 26日 第二章 水分食品中水分活度与微生物生长
2009年 7月 26日 第二章 水分水分活度与食品化学变化的关系
对脂肪氧化酸败的影响? 水能与脂肪氧化的自由基反应中的氢过氧化物形成氢键
水能与金属离子形成水合物
水增加了氧的溶解度
脂肪分子肿胀
催化剂和氧的流动性增加
催化剂和反应物的浓度被稀释
2009年 7月 26日 第二章 水分水分活度对非酶褐变的影响在一定的水分活度范围内，反应速度随水分活度的值增大而增大，在水分活度在 0.2以下，反应通常不会发生，而当水分活度过大时（大于 0.7）
反应速度下降。
2009年 7月 26日 第二章 水分
对淀粉老化的影响：
30％～ 60％ 老化的速度最快
10％～ 15％ 淀粉不会发生老化
对蛋白质变性的影响：
水分活度增大会加速蛋白质的氧化作用
对酶促褐变的影响：
当 aw值降低到 0.25～ 0.30的范围，就能有效地减慢或阻止酶促揭变的进行。
2009年 7月 26日 第二章 水分
降低水分活度可以降低食品的化学反应速度，提高食品的稳定性。
大多数化学反应只有在水中才能进行，所以食品中自由水的含量决定了化学反应的进行，因此降低水分活度，减少自由水的含量，也就抑制了反应的进行。
一些离子反应在没有自由水存在时是无法进行离子化或水化作用的。
在一些反应中，水不仅作为反应介质，还是反应的参与者，没有了自由水的参加，反应速度变慢。
在酶促反应中，水作为输送介质，促使底物向酶扩散，而且大多数酶在水分活度低于 0.2和大于 0.8
时受到抑制。
2009年 7月 26日 第二章 水分冰在食品稳定性中的作用
冷冻法：降温的目的
水结冰会产生两个不良的后果体积增大，细胞结构被破坏。
浓度变大，产生浓缩效应。
冰冻对反应速度具有两个相反方向的影响降低温度导致反应速度变缓。
可能导致反应速度的加快。
2009年 7月 26日 第二章 水分
2009年 7月 26日 第二章 水分第八节 含水食品的水分转移
食品吸水或失水以及水分在同一食品的不同部位的移动的现象叫 水分的转移 。
水分转移可分为两种情况：
不同食品位转移同一食品不同部位相转移 三态之间的变化
2009年 7月 26日 第二章 水分水分的位转移动力 化学势 由高到低温度、水分活度
从高温部位会向低温部位移动
从水分活度高的部位向水分活度低的地方转移
2009年 7月 26日 第二章 水分水分的相转移
空气湿度的表示法：
① 绝对湿度。 是指空气中实际所含有的水蒸气的数量，即单位体积空气中所含水蒸气的质量或水蒸气所具有的压力。
② 饱和湿度。 是指在一定温度下，单位体积空气所能容纳的最大水蒸气量或水蒸气所能具有的最大压力。
③ 相对湿度。 指空气绝对湿度与同温度下饱和湿度的比值，以％表示。
2009年 7月 26日 第二章 水分水分的相转移水分蒸发,与空气湿度与饱和湿度差有关饱和湿度差大，则食品水分蒸发量就大蒸汽凝结,空气中的水蒸气在食品的表面凝结成液体水的现象。
单位体积的空气所能容纳水蒸气的最大数量随着温度的下降而减少食品水分蒸发的热力学过程：
Δμ=μs-μH=R(TS?lnpS-TH?lnpH)
μ s是食品中水蒸气的化学势
μ H是空气中水蒸气的化学势
2009年 7月 26日 第二章 水分第九节 分子流动性对食品稳定性的影响玻璃态,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，类于玻璃。
玻璃化温度 (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 玻璃化温度 。
无定形,是物质的一种非平衡，非结晶态。
2009年 7月 26日 第二章 水分
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。
完全而完整的结晶 Mm为 零,
完全的玻璃态 Mm值也几乎为 零,
但绝大多数食品的 Mm值 不等于零 。
2009年 7月 26日 第二章 水分状态图
2009年 7月 26日 第二章 水分
Mm与食品稳定性关系
大多数物理变化和一部分化学变化由分子流动性（ Mm）控制扩散因子 D
碰撞频率因子 A 决定化学反应速度活化能因子 Ea
如果 D对反应的限制性大于 A和 Ea，那么该反应就是 扩散限制反应 。
2009年 7月 26日 第二章 水分
Mm与食品稳定性关系
Tg与食品的扩散限制性质的稳定性有着密切的关系在食品保藏温度低于 Tg时,Mm和所有扩散限制的变化，包括许多变质反应，都会受到很好的限制。
在 Tm～ Tg范围内 Mm和扩散限制性的食品性质与温度的关系随着温度下降,Mm减小而黏度提高。稳定性与 T— Tg成反比。
2009年 7月 26日 第二章 水分
Mm与食品稳定性关系
水含量强烈影响 Tg
溶质种类强烈地影响 Tg和 Tg’
Tg’是特定溶质的最大冷冻浓缩溶液的玻璃化温度，是 Tg值的一个特定值。
2009年 7月 26日 第二章 水分
Mm预测食品稳定性的方法与 aw方法比较二者相互补充，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和化学组分的扩散能力。
2009年 7月 26日第二章 小 结一、水和冰的物理性质二、结构
1、水分子 结构 2、水分子的 缔合三、水在食品中的存在状态
1、水与溶质的 相互作用 2、水的 存在状态四、水分活度
1,定义 2、与 温度的关系
2009年 7月 26日第二章 小 结五、吸湿等温线
1、各区 特点 2,滞后现象六、水分活度与食品稳定性的关系七、冰在食品稳定性中的作用八、含水食品的水分转移九、分子流动性
