《食品化学与营养学》教案 食品化学部分
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第二章 水分
一、水的功能
1 水在食品工艺学方面的功能
a 从食品理化性质上讲，水在食品中起着溶解、分散蛋白质、淀粉等说溶性成分的作用，
使它们形成溶液或凝胶。
b 从食品质地方面讲，水对食品的鲜度、硬度、流动性、呈味、耐贮性和加工适应性都具有重要的影响。
c 从食品安全性讲，水是微生物繁殖的必需条件。
d 从食品工艺的角度讲，水起着膨润、浸透、均匀化等功能。
2 水在食品生物学方面的功能
a水是体内化学作用的介质，亦是化学反应的反应物和产物，是组织或细胞所需养分和代谢物质以及排泄物质转运的载体。
b水的比热大，是体温良好的稳定剂。
c水是构成集体的重要成分。
d水可对体内的机械摩擦产生润滑，减少损伤。
二、水的状态
冰的导热系数在0℃时近似为同温度下水的导热系数的4倍，冰的热扩散系数约为水的
5倍，说明在同一环境中，冰比水能更快的改变自身的温度。水和冰的导热系数和热扩散系数上较大的差异，就导致了在相同温度下组织材料冻结的速度比解冻的速度快很多。
一般的食物在冻结后解冻往往有大量的汁液流出，其主要原因是冻结后冰的体积比相同质量的水的体积增大9%，因而破坏了组织结构。
三、食品中水的组成
食品中的水不是单独存在的，它会与食品中的其他成分发生化学或物理作用，因而改变了水的性质。按照食品中的水与其他成分之间相互作用强弱可将食品中的水分成结合水、毛细管水和自由水。
结合水：又称为束缚水，是指存在于食品中的与非水成分通过氢键结合的水，是食品中与非水成分结合的最牢固的水。
自由水：是指食品中与非水成分有较弱作用或基本没有作用的水。
毛细管水：指食品中由于天然形成的毛细管而保留的水分，是存在于生物体细胞间隙的水。毛细管的直径越小，持水能力越强，当毛细管直径小于0.1μm时，毛细管水实际上已经成为结合水，而当毛细管直径大于0.1μm则为自由水，大部分毛细管水为自由水。
结合水与自由水的区别：结合水在食品中不能作为溶剂，在-40℃时不结冰，而自由水可以作为溶剂，在-40℃会结冰。
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食品中的结合水的产生除毛细管作用外，大多数结合水是由于食品中的水分与食品中的蛋白质、淀粉、果胶等物质的羧基、羰基、氨基、亚氨基、羟基、巯基等亲水性基团或水中的无机离子的键合或偶极作用产生的。根据与食品中非水组分之间的作用力的强弱可将结合水分成单分子层水和多分子层水。
单分子层水：指与食品中非水成分的强极性基团如：羧基
-
、氨基
+
、羟基等直接以氢键结合的第一个水分子层。在食品中的水分中它与非水成分之间的结合能力最强，很难蒸发，
与纯水相比其蒸发焓大为增加，它不能被微生物所利用。一般说来，食品干燥后安全贮藏的水分含量要求即为该食品的单分子层水。若得到干燥后食品的水分含量就可以计算食品的单分子层水含量,
aw/m(1-aw)=1/m1c+(c-1)aw/m1c
式中：aw -水分活度，m-水分含量，m1-单分子层水含量，c-常数。(Later)
多分子层水：是指单分子层水之外的几个水分子层包含的水。
四、食品中水与非水组分之间的相互作用
1水与离子基团之间的相互作用——构成水或结合水。
离子电荷与水分子的偶极子之间的相互作用，是食品中结合最紧密的水。
H2O-Na
+
83.68kJ/moL H2O-H2O 20.9kJ/moL
影响这种作用力的因素有：基团的解离程度以及食品的酸度。
这种作用对食品体系的影响表现在：a改变水的结构，b改变是批哦内的介电常数，c
影响食品体系的稳定性和生物活性大分子的稳定性。
2水与氢键型基团的作用——结合水
3水与非极性基团的作用——疏水相互作用
五、水分活度
1 水分活度的定义
水分活度表示食品中十分可以被微生物所利用的程度，在物理化学上水分活度是指食品的水分蒸汽压与相同温度下纯水的蒸汽压的比值，可以用公式aw=P/P0,也可以用相对平衡湿度表示aw=ERH/100。
相对平衡湿度：大气水汽分压与相同温度下纯水的饱和蒸汽压之比。
食品的平衡相对湿度是指食品中的水分蒸汽压达到平衡后，食品周围的水汽分压与同温度下水的饱和蒸汽压之比。
2 水分活度与温度的关系
由于蒸汽压和平衡相对湿度都是温度的函数，所以水分活度也是温度的函数。水分活度与温度的函数可用克劳修斯-克拉伯龙方程来表示。
dlnaw/d(1/T)=-ΔH/R
lnaw=-ΔH/RT+c T-绝对温度，R-气体常数。ΔH-样品中水分的等量净吸着热。
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T ↑则aw↑，Logaw-1/T为一直线。
马铃薯淀粉的Logaw-1/T关系图
但是当食品的温度低于0℃时，直线发生转折，也就是说在计算冻结食物的水分活度时
aw=P/P0中P0的应该是冰的蒸汽压还是是过冷水的蒸汽压？因为这时样品中水的蒸汽压就是冰的蒸汽压，如果P0再用冰的蒸汽压，这样水分活度的就算就失去意义，因此，冻结食物的水分活度的就算式为aw=P（纯水）/P0（过冷水）。
食品在冻结点上下水分活度的比较,
a冰点以上，食物的水分活度是食物组成和食品温度的函数，并且主要与食品的组成有关；而在冰点以下，水分活度与食物的组成没有关系，而仅与食物的温度有关。
b冰点上下食物的水分活度的大小与食物的理化特性的关系不同。如在-15℃时，水分活度为0.80，微生物不会生长，化学反应缓慢，在20℃时，水分活度为0.80时，化学反应快速进行，且微生物能较快的生长。
c不能用食物冰点以下的水分活度来预测食物在冰点以上的水分活度，同样，也不能用食物冰点以上的水分活度来预测食物冰点以下的水分活度。
六、水分活度与食品的安全性
虽然在食物冻结后不能用水分活度来预测食物的安全性，但在未冻结时，食物的安全性确实与食物的水分活度有着密切的关系。总的趋势是，水分活度越小的食物越稳定，较少出现腐败变质现象。具体来说水分活度与食物的安全性的关系可从以下按个方面进行阐述,
a从微生物活动与食物水分活度的关系来看：各类微生物生长都需要一定的水分活度，
换句话说，只有食物的水分活度大于某一临界值时，特定的微生物才能生长。一般说来，细菌为aw>0.9，酵母为aw>0.87，霉菌为aw>0.8。一些耐渗透压微生物除外。
b从酶促反应与食物水分活度的关系来看：水分活度对酶促反应的影响是两个方面的综合，一方面影响酶促反应的底物的可移动性，另一方面影响酶的构象。食品体系中大多数的酶类物质在水分活度小于0.85时，活性大幅度降低，如淀粉酶、酚氧化酶和多酚氧化酶等。
但也有一些酶例外，如酯酶在水分活度为0.3甚至0.1时也能引起甘油三酯或甘油二酯的水解。
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c从水分活度与非酶反应的关系来看：脂质氧化作用：在水分活度较低时食品中的水与氢过氧化物结合而使其不容易产生氧自由基而导致链氧化的结束，当水分活度大于0.4水分活度的增加增大了食物中氧气的溶解。加速了氧化，而当水分活度大于0.8反应物被稀释，
氧化作用降低。Maillard反应：水分活度大于0.7时底物被稀释。水解反应：水分是水解反应的反应物，所以随着水分活度的增大，水解反应的速度不断增大。
水分活度与食品安全性的关系总结于图
1
3
4 5 6 7
2
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
1-脂质氧化作用，2-Maillard反应，3-水解反应，4-酶活力，5-霉菌生长，6-酵母生长，
7-细菌生长。
七、食品的等温吸湿线
1 等温吸湿线：是指在恒定温度下表示食品水分活度与含水量关系的曲线。在等温吸湿线中低水分含量范围内含水量稍增加就会导致水分活度的大幅度增加，把低水分含量区域内的曲线放大，呈一反S形曲线。根据水分活度与含水量的关系可将次曲线分成三个区域。
A区：aw=0~0.25，水分含量为0~0.07g/g干物质，这部分水是食品中与非水物质结合最为紧密的水，吸湿时最先吸入，干燥时最后排除，不能使干物质膨润，更不能起到溶解的作用。A区最高水分活度对应的含水量就是食物的单分子层水。
B区：aw=0.25~0.80，水分含量为0.07~0.32g/g干物质，该部分水实际上是多层水，他们将起到膨润和部分溶解的作用，会加速化学反应的速度。
C区：aw=0.80~0.99，水分含量大于0.40g/g干物质，起到溶解和稀释作用，冻结时可以结冰。
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一般说来，大多数食品的等温吸湿线都成S形，而含有大量糖及可溶性小分子但不富含高聚物的水果、糖果以及咖啡提取物的等温吸湿线呈J形。
一种食物一般有两条等温吸湿线，一条是吸附等温吸湿线，是食品在吸湿时的等温吸湿线，另一条是解吸等温吸湿线，是食品在干燥时的等温吸湿线，往往这两条曲线是不重合的，
把这种现象称为“滞后”现象。这种现象产生的原因是高燥时食品中水分子与非水物质的基团之间的作用部分地被非水物质的基团之间的相互作用所代替，而吸湿时不能完全恢复这种代替作用。
食品的等温吸湿线与温度有关，由于水分活度随温度的升高而增大，所以同一食品在不同温度下具有不同的等温吸湿线。如图。
2 食品的等温吸湿线方程
现在一般将食品的等温吸湿线方程表示如下,
aw/(m(1-aw))=1/(m1c)+(c-1)aw/(m1c)
利用aw/(1-aw)对aw作图，可得一直线，此直线的截距为1/(m1c)，斜率为(c-1)/(m1c)。
例如某一食品在某一温度下当水分活度为0.04，含水量为0.0405；当水分活度为0.32，含水量为0.117；求该食品的单分子层水含量。(m1=0.0889g/g)。
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第二章 水分
一、水的功能
1 水在食品工艺学方面的功能
a 从食品理化性质上讲，水在食品中起着溶解、分散蛋白质、淀粉等说溶性成分的作用，
使它们形成溶液或凝胶。
b 从食品质地方面讲，水对食品的鲜度、硬度、流动性、呈味、耐贮性和加工适应性都具有重要的影响。
c 从食品安全性讲，水是微生物繁殖的必需条件。
d 从食品工艺的角度讲，水起着膨润、浸透、均匀化等功能。
2 水在食品生物学方面的功能
a水是体内化学作用的介质，亦是化学反应的反应物和产物，是组织或细胞所需养分和代谢物质以及排泄物质转运的载体。
b水的比热大，是体温良好的稳定剂。
c水是构成集体的重要成分。
d水可对体内的机械摩擦产生润滑，减少损伤。
二、水的状态
冰的导热系数在0℃时近似为同温度下水的导热系数的4倍，冰的热扩散系数约为水的
5倍，说明在同一环境中，冰比水能更快的改变自身的温度。水和冰的导热系数和热扩散系数上较大的差异，就导致了在相同温度下组织材料冻结的速度比解冻的速度快很多。
一般的食物在冻结后解冻往往有大量的汁液流出，其主要原因是冻结后冰的体积比相同质量的水的体积增大9%，因而破坏了组织结构。
三、食品中水的组成
食品中的水不是单独存在的，它会与食品中的其他成分发生化学或物理作用，因而改变了水的性质。按照食品中的水与其他成分之间相互作用强弱可将食品中的水分成结合水、毛细管水和自由水。
结合水：又称为束缚水，是指存在于食品中的与非水成分通过氢键结合的水，是食品中与非水成分结合的最牢固的水。
自由水：是指食品中与非水成分有较弱作用或基本没有作用的水。
毛细管水：指食品中由于天然形成的毛细管而保留的水分，是存在于生物体细胞间隙的水。毛细管的直径越小，持水能力越强，当毛细管直径小于0.1μm时，毛细管水实际上已经成为结合水，而当毛细管直径大于0.1μm则为自由水，大部分毛细管水为自由水。
结合水与自由水的区别：结合水在食品中不能作为溶剂，在-40℃时不结冰，而自由水可以作为溶剂，在-40℃会结冰。
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食品中的结合水的产生除毛细管作用外，大多数结合水是由于食品中的水分与食品中的蛋白质、淀粉、果胶等物质的羧基、羰基、氨基、亚氨基、羟基、巯基等亲水性基团或水中的无机离子的键合或偶极作用产生的。根据与食品中非水组分之间的作用力的强弱可将结合水分成单分子层水和多分子层水。
单分子层水：指与食品中非水成分的强极性基团如：羧基
-
、氨基
+
、羟基等直接以氢键结合的第一个水分子层。在食品中的水分中它与非水成分之间的结合能力最强，很难蒸发，
与纯水相比其蒸发焓大为增加，它不能被微生物所利用。一般说来，食品干燥后安全贮藏的水分含量要求即为该食品的单分子层水。若得到干燥后食品的水分含量就可以计算食品的单分子层水含量,
aw/m(1-aw)=1/m1c+(c-1)aw/m1c
式中：aw -水分活度，m-水分含量，m1-单分子层水含量，c-常数。(Later)
多分子层水：是指单分子层水之外的几个水分子层包含的水。
四、食品中水与非水组分之间的相互作用
1水与离子基团之间的相互作用——构成水或结合水。
离子电荷与水分子的偶极子之间的相互作用，是食品中结合最紧密的水。
H2O-Na
+
83.68kJ/moL H2O-H2O 20.9kJ/moL
影响这种作用力的因素有：基团的解离程度以及食品的酸度。
这种作用对食品体系的影响表现在：a改变水的结构，b改变是批哦内的介电常数，c
影响食品体系的稳定性和生物活性大分子的稳定性。
2水与氢键型基团的作用——结合水
3水与非极性基团的作用——疏水相互作用
五、水分活度
1 水分活度的定义
水分活度表示食品中十分可以被微生物所利用的程度，在物理化学上水分活度是指食品的水分蒸汽压与相同温度下纯水的蒸汽压的比值，可以用公式aw=P/P0,也可以用相对平衡湿度表示aw=ERH/100。
相对平衡湿度：大气水汽分压与相同温度下纯水的饱和蒸汽压之比。
食品的平衡相对湿度是指食品中的水分蒸汽压达到平衡后，食品周围的水汽分压与同温度下水的饱和蒸汽压之比。
2 水分活度与温度的关系
由于蒸汽压和平衡相对湿度都是温度的函数，所以水分活度也是温度的函数。水分活度与温度的函数可用克劳修斯-克拉伯龙方程来表示。
dlnaw/d(1/T)=-ΔH/R
lnaw=-ΔH/RT+c T-绝对温度，R-气体常数。ΔH-样品中水分的等量净吸着热。
《食品化学与营养学》教案 食品化学部分
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T ↑则aw↑，Logaw-1/T为一直线。
马铃薯淀粉的Logaw-1/T关系图
但是当食品的温度低于0℃时，直线发生转折，也就是说在计算冻结食物的水分活度时
aw=P/P0中P0的应该是冰的蒸汽压还是是过冷水的蒸汽压？因为这时样品中水的蒸汽压就是冰的蒸汽压，如果P0再用冰的蒸汽压，这样水分活度的就算就失去意义，因此，冻结食物的水分活度的就算式为aw=P（纯水）/P0（过冷水）。
食品在冻结点上下水分活度的比较,
a冰点以上，食物的水分活度是食物组成和食品温度的函数，并且主要与食品的组成有关；而在冰点以下，水分活度与食物的组成没有关系，而仅与食物的温度有关。
b冰点上下食物的水分活度的大小与食物的理化特性的关系不同。如在-15℃时，水分活度为0.80，微生物不会生长，化学反应缓慢，在20℃时，水分活度为0.80时，化学反应快速进行，且微生物能较快的生长。
c不能用食物冰点以下的水分活度来预测食物在冰点以上的水分活度，同样，也不能用食物冰点以上的水分活度来预测食物冰点以下的水分活度。
六、水分活度与食品的安全性
虽然在食物冻结后不能用水分活度来预测食物的安全性，但在未冻结时，食物的安全性确实与食物的水分活度有着密切的关系。总的趋势是，水分活度越小的食物越稳定，较少出现腐败变质现象。具体来说水分活度与食物的安全性的关系可从以下按个方面进行阐述,
a从微生物活动与食物水分活度的关系来看：各类微生物生长都需要一定的水分活度，
换句话说，只有食物的水分活度大于某一临界值时，特定的微生物才能生长。一般说来，细菌为aw>0.9，酵母为aw>0.87，霉菌为aw>0.8。一些耐渗透压微生物除外。
b从酶促反应与食物水分活度的关系来看：水分活度对酶促反应的影响是两个方面的综合，一方面影响酶促反应的底物的可移动性，另一方面影响酶的构象。食品体系中大多数的酶类物质在水分活度小于0.85时，活性大幅度降低，如淀粉酶、酚氧化酶和多酚氧化酶等。
但也有一些酶例外，如酯酶在水分活度为0.3甚至0.1时也能引起甘油三酯或甘油二酯的水解。
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5
c从水分活度与非酶反应的关系来看：脂质氧化作用：在水分活度较低时食品中的水与氢过氧化物结合而使其不容易产生氧自由基而导致链氧化的结束，当水分活度大于0.4水分活度的增加增大了食物中氧气的溶解。加速了氧化，而当水分活度大于0.8反应物被稀释，
氧化作用降低。Maillard反应：水分活度大于0.7时底物被稀释。水解反应：水分是水解反应的反应物，所以随着水分活度的增大，水解反应的速度不断增大。
水分活度与食品安全性的关系总结于图
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4 5 6 7
2
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
1-脂质氧化作用，2-Maillard反应，3-水解反应，4-酶活力，5-霉菌生长，6-酵母生长，
7-细菌生长。
七、食品的等温吸湿线
1 等温吸湿线：是指在恒定温度下表示食品水分活度与含水量关系的曲线。在等温吸湿线中低水分含量范围内含水量稍增加就会导致水分活度的大幅度增加，把低水分含量区域内的曲线放大，呈一反S形曲线。根据水分活度与含水量的关系可将次曲线分成三个区域。
A区：aw=0~0.25，水分含量为0~0.07g/g干物质，这部分水是食品中与非水物质结合最为紧密的水，吸湿时最先吸入，干燥时最后排除，不能使干物质膨润，更不能起到溶解的作用。A区最高水分活度对应的含水量就是食物的单分子层水。
B区：aw=0.25~0.80，水分含量为0.07~0.32g/g干物质，该部分水实际上是多层水，他们将起到膨润和部分溶解的作用，会加速化学反应的速度。
C区：aw=0.80~0.99，水分含量大于0.40g/g干物质，起到溶解和稀释作用，冻结时可以结冰。
《食品化学与营养学》教案 食品化学部分
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一般说来，大多数食品的等温吸湿线都成S形，而含有大量糖及可溶性小分子但不富含高聚物的水果、糖果以及咖啡提取物的等温吸湿线呈J形。
一种食物一般有两条等温吸湿线，一条是吸附等温吸湿线，是食品在吸湿时的等温吸湿线，另一条是解吸等温吸湿线，是食品在干燥时的等温吸湿线，往往这两条曲线是不重合的，
把这种现象称为“滞后”现象。这种现象产生的原因是高燥时食品中水分子与非水物质的基团之间的作用部分地被非水物质的基团之间的相互作用所代替，而吸湿时不能完全恢复这种代替作用。
食品的等温吸湿线与温度有关，由于水分活度随温度的升高而增大，所以同一食品在不同温度下具有不同的等温吸湿线。如图。
2 食品的等温吸湿线方程
现在一般将食品的等温吸湿线方程表示如下,
aw/(m(1-aw))=1/(m1c)+(c-1)aw/(m1c)
利用aw/(1-aw)对aw作图，可得一直线，此直线的截距为1/(m1c)，斜率为(c-1)/(m1c)。
例如某一食品在某一温度下当水分活度为0.04，含水量为0.0405；当水分活度为0.32，含水量为0.117；求该食品的单分子层水含量。(m1=0.0889g/g)。
