第二十一章 水和冰
? 第一节 水和冰的物理性质与结构
? 第二节 食品中的水分状态
? 第三节 水分活度
主要内容
第一节 水和冰的物理性质与结构
一、水在食品中的重要性质
– (1)水在 4℃ 时密度最大，为 1； 0℃ 时冰的密度为
0.917。水冻结为冰时，体积膨胀是 1.62m1/L。
– (2)水的沸点和熔点相当高。
– (3)水的比热较大。
– (4)水的导热率高，冰的热扩散率比水大。
– (5)水的溶解能力强。
– (6)介电常数高
– (7)表面张力高
二、分子结构
(一 )水的结构
1、水的分子结构
– 4个杂化轨道
2px2 2py1 2pz1
– 由于氧的高负电性，
O-H共价键具有部分离
子特征
– 水分子的四面体结构
有对称型
– 氧的另外两对孤对电
子有静电力
– H-O键具有电负性
二、分子结构
(一 )水的结构
1、水的分子结构
? 4个杂化轨道
2px2 2py1 2pz1
? 由于氧的高负电
性,O-H
共价键具有部分
离子特
征
?
? （二 ）水和冰的结构
? O-H键具有极性
? 不对称的电荷分布
? 偶极距
? 分子间吸引力
? 强烈的缔合倾向
? 形成三维氢键
? 四面体结构
? 解释水的不寻常性
质
2,水分子的缔合作用
氢键供体
氢键受体
(二 ) 冰 的 结 构
?水分子通过四面体之间的作用力结晶
?O-O核间最相邻距离为 0.276nm
?O-O-O键角约 109° (四面体角
109° 28′)
?冰的六面体晶格结构
?在 C轴是单折射，其它方向是双折射
?结晶对称性：六方晶系的六方形双锥
体组
?溶质的种类和数量影响冰结晶的结构
( a ) ( b )
图 2 1 - 1 普 通 冰 的 伸 展 结 构
( a ) 在 四 面 体 构 型 中 水 分 子 的 氢 键 ( 用 虚 线 表 示 )
( b ) 仅 表 明 氧 原 子, 白 圆 圈 与 黑 圆 圈 分 别 代 表 上 层 基 面 与 低 层 基 面 的 氧 原 子
a
1
a
2
a
3
C
三、水与溶质的相互作用
水 -溶质相互作用的分类
种 类 实 例 相互作用的强度
与水 - 水氢键比较
偶极 - 离子
H 2 O - 游离离子
H 2 O - 有机分子上的带电基团
较强
偶极 - 偶极
H 2 O - 蛋白质 NH
H 2 O - 蛋白质 CO
H 2 O - 侧链 OH
近乎相等
疏水水合 H 2 O + R ? R （水合） 远低 ( △ G ＞ 0 )
疏水相互作用 R ( 水合 ) +R ( 水合 ) ? R 2 ( 水合 ) +H 2 O 不可比较 ( △ G ＜ 0 )
焓
热力学不能自发进行 熵
△ G=△ H-T△ S
键的强度 大
共价键
H2O-离子键
H2O- H2O
小
(一 )水与离子基团的相互作用
离子对水的净结构的影响
?净结构形成效应 (forming effect)
? 小离子或多价离子产生强电场
? Li+,Na+,H3O+,Ca2+,Ba2+,Mg2+,Al3+,F-,OH-
? 具有比纯水较低的流动性和较紧密的堆积
?净结构破坏效应 (breaking effect)
? 大离子和单价离子产生较弱电场
? K+,Cs+,NH4+,Cl-,Br-,I-,NO3-,BrO3-,IO3-,
ClO4-
? 流动性比纯水强
键的强度
大
共价键
H2O-离子
H2O- H2O
H2O- 亲水性溶质
小
(二 )水与具有氢键形成能力的中性
基团（亲水性溶质）的相互作用
The above chain of ten water molecules,linking the end of
one a-helix to the middle of another is found from the X-ray
diffraction data of glucoamylase-471(葡萄糖淀粉酶 ),The water
network links secondary structures within the protein
The above centrally-placed water molecule makes strong
hydrogen bonds to residues in three separated parts of the
ribonuclease(核糖核酸酶 ) molecule holding them together,
This water molecule and its binding site are conserved
across the entire family of microbial ribonucleases
Water molecules have also proved integral to the
structure and biological function of a dimeric(二聚 )
hemoglobin(血色素 )
Weak hydrogen bonding,e.g,a-L-arabinofuranose(阿拉伯
呋喃糖 )
Strong hydrogen bonding,e.g,b-1-4-linked D-xylose(D-木糖 )
(三 )水与疏水基团的相互作用
疏水水合 (Hydrophobic hydration)：向水中添加疏水物
质时，由于它们与水分子产生斥力，从而使疏水基团附
近的水分子之间的氢键键合增强，使得熵减小，此过程
成为疏水水合。
? 疏水相互作用 ( Hydrophobic interaction)
? 当水与非极性基团接触时，为减少水与非极性实体的界面
面积，疏水基团之间进行缔合，这种作用成为疏水相互作
用。
? 疏水水合作用
–△ G ＝ △ H－ T△ S ＞ 0 △ S ＜ 0
–H2O＋ R R(水合 )
? 疏水相互作用
–△ G ＜ 0 热力学有利
–R(水合 )＋ R(水合 ) R2(水合 )＋ H2O
与疏水基团相邻的水的结构
排斥正电荷
吸引负电荷
笼状水合物
?,主体”物质 —— 水（ 20～ 74个水分子）
?,客体”物质 —— 低相对分子质量的化合
物
?
?
?
?
(四 )水与双亲分子的相互作用
? 水作为双亲分子的分散介质
? 胶团
– 双亲分子在水中形成大分子聚集体
– 分子数从几百到几千
? 双亲分子
– 一个分子中同时存在亲水和疏水基团
– 脂肪酸盐、蛋白脂质、糖脂、极性脂质、核酸
四、水的生理功能
? 水虽无直接的营养价值，但具有某些特殊
性能，如溶解力强，介电常数大，比热高，
粘度小等，是维持生理活性和进行新陈代
谢不可缺少的物质。
? 水是体内化学作用的介质，同时也是生物
化学反应的反应物及组织和细胞所需的养
分和代谢物在体内运转的载体。
第二节 食品中的水分状态
? 食品中的水，是以自由态、水合态、胶体
吸润态、表面吸附态等状态存在的。
? 水之所以能以各种形态存在于动植物组织
中，是由于水能被两种作用力即氢键结合
力和毛细管力联系着。
? (一 ) 自由水
? 以毛细管力联系着的水
称为自由水 (或游离水 )。
? 存在于植物组织的细胞
质、膜、细胞间隙中和
任何组织的循环液以及
制成食品的结构组织中。
(二 ) 结合水
? 结合水是与食品中蛋白质、淀粉、果胶物
质、纤维素等成分通过氢键而结合着的。
? 根据各种有机分子的不同极性基团与水形
成氢键的牢固程度有所不同。结合水又可
分为单分子层结合水和多分子层结合水
结合水与自由水在性质上的差别
? 结合水的量与食品中有机大分子的极性基团的数量有
比较固定的比例关系。
? 结合水的蒸气压比自由水低得多，所以在一定温度
(100℃ )下结合水不能从食品中分离出来。
? 结合水对食品的可溶性成分不起溶剂的作用。
? 自由水能为微生物所利用，结合水则不能。
? 结合水在低温（ -40C?或更低）下不能冻结。
? 结合水在核磁共振实验中产生宽带。
第三节 水分活度
一,定义,
? 水分活度 (water activity)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
=n1/(n1+n2)
? 表示食品中水分可以被微生物所利用的程度
? 反映了食品中水分的存在状态，即水分与食品中的其它非水成分
的结合程度。
? 水分活度 的物理意义：表征生物组织和食品中能参与各种生理作
用的水分含量与总含水量的定量关系。
二,水分活度与温度的关系
? 水分含量相同，温度不同,Aw不同
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。
In Aw = - ΔH /RT + C
T-绝对温度,
R-气体常数
Δ H-样品中水分的吸湿热
比较冰点以上和冰点以下 Aw
? 在冰点以上,Aw是样品组成与温度的函数，
前者是主要的因素
? 在冰点以下,Aw与样品的组成无关，而仅与
温度有关，即冰相存在时,Aw不受所存在的
溶质的种类或比例的影响，不能根据 Aw 预测
受溶质影响的反应过程
? 不能根据冰点以下温度 Aw预测冰点以上温度
的 Aw
? 当温度改变到形成冰或熔化冰时，就食品稳定
性而言，水分活度的意义也改变了
三,水分活度与食品含水量的关系
水分吸湿等温线 (Moisture Sorption Isotherms )
在一定温度下食品的水分含量和水分活度之间
的相互关系图
MSI的实际意义
? 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上不同区水分特性
区 I区 II区 III区
Aw 0-0.2 0.2-0.85 ＞ 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 体相水
微生物利用 不可利用 部分可利用 可利用
三、水分活度的实际应用
? 各种食品在一定条件下都各有其一定的水
分活度，各种微生物的活动和各种化学与
生物化学反应也都需要有一定的 Aw值。只
要计算出微生物、化学以及生物化学反应
所需要的 Aw值，就可能控制食品加工的条
件和预测食品的耐藏性。
(一 )水分活度与
微生物繁殖的关系
微 生 物 发育所必需
的最低 Aw
微 生 物 发育所必需
的最低 Aw
普通细菌 0.90 嗜盐细菌 ≤0.75
普通酵母 0.87 耐干性酵母、
细菌
0.65
普通霉菌 0.80 耐渗透压性
酵母
0.61
微生物发育时必需的水分活度
(二 )水分活度与酶促反应的关系
? 水分在酶反应中起着溶解基质和增加
基质流动性等的作用，食品中水分活
度极低时，酶反应几乎停止，或者反
应极慢。
(三 )水分活度与生物化学反应的关系
谢
谢
? 第一节 水和冰的物理性质与结构
? 第二节 食品中的水分状态
? 第三节 水分活度
主要内容
第一节 水和冰的物理性质与结构
一、水在食品中的重要性质
– (1)水在 4℃ 时密度最大，为 1； 0℃ 时冰的密度为
0.917。水冻结为冰时，体积膨胀是 1.62m1/L。
– (2)水的沸点和熔点相当高。
– (3)水的比热较大。
– (4)水的导热率高，冰的热扩散率比水大。
– (5)水的溶解能力强。
– (6)介电常数高
– (7)表面张力高
二、分子结构
(一 )水的结构
1、水的分子结构
– 4个杂化轨道
2px2 2py1 2pz1
– 由于氧的高负电性，
O-H共价键具有部分离
子特征
– 水分子的四面体结构
有对称型
– 氧的另外两对孤对电
子有静电力
– H-O键具有电负性
二、分子结构
(一 )水的结构
1、水的分子结构
? 4个杂化轨道
2px2 2py1 2pz1
? 由于氧的高负电
性,O-H
共价键具有部分
离子特
征
?
? （二 ）水和冰的结构
? O-H键具有极性
? 不对称的电荷分布
? 偶极距
? 分子间吸引力
? 强烈的缔合倾向
? 形成三维氢键
? 四面体结构
? 解释水的不寻常性
质
2,水分子的缔合作用
氢键供体
氢键受体
(二 ) 冰 的 结 构
?水分子通过四面体之间的作用力结晶
?O-O核间最相邻距离为 0.276nm
?O-O-O键角约 109° (四面体角
109° 28′)
?冰的六面体晶格结构
?在 C轴是单折射，其它方向是双折射
?结晶对称性：六方晶系的六方形双锥
体组
?溶质的种类和数量影响冰结晶的结构
( a ) ( b )
图 2 1 - 1 普 通 冰 的 伸 展 结 构
( a ) 在 四 面 体 构 型 中 水 分 子 的 氢 键 ( 用 虚 线 表 示 )
( b ) 仅 表 明 氧 原 子, 白 圆 圈 与 黑 圆 圈 分 别 代 表 上 层 基 面 与 低 层 基 面 的 氧 原 子
a
1
a
2
a
3
C
三、水与溶质的相互作用
水 -溶质相互作用的分类
种 类 实 例 相互作用的强度
与水 - 水氢键比较
偶极 - 离子
H 2 O - 游离离子
H 2 O - 有机分子上的带电基团
较强
偶极 - 偶极
H 2 O - 蛋白质 NH
H 2 O - 蛋白质 CO
H 2 O - 侧链 OH
近乎相等
疏水水合 H 2 O + R ? R （水合） 远低 ( △ G ＞ 0 )
疏水相互作用 R ( 水合 ) +R ( 水合 ) ? R 2 ( 水合 ) +H 2 O 不可比较 ( △ G ＜ 0 )
焓
热力学不能自发进行 熵
△ G=△ H-T△ S
键的强度 大
共价键
H2O-离子键
H2O- H2O
小
(一 )水与离子基团的相互作用
离子对水的净结构的影响
?净结构形成效应 (forming effect)
? 小离子或多价离子产生强电场
? Li+,Na+,H3O+,Ca2+,Ba2+,Mg2+,Al3+,F-,OH-
? 具有比纯水较低的流动性和较紧密的堆积
?净结构破坏效应 (breaking effect)
? 大离子和单价离子产生较弱电场
? K+,Cs+,NH4+,Cl-,Br-,I-,NO3-,BrO3-,IO3-,
ClO4-
? 流动性比纯水强
键的强度
大
共价键
H2O-离子
H2O- H2O
H2O- 亲水性溶质
小
(二 )水与具有氢键形成能力的中性
基团（亲水性溶质）的相互作用
The above chain of ten water molecules,linking the end of
one a-helix to the middle of another is found from the X-ray
diffraction data of glucoamylase-471(葡萄糖淀粉酶 ),The water
network links secondary structures within the protein
The above centrally-placed water molecule makes strong
hydrogen bonds to residues in three separated parts of the
ribonuclease(核糖核酸酶 ) molecule holding them together,
This water molecule and its binding site are conserved
across the entire family of microbial ribonucleases
Water molecules have also proved integral to the
structure and biological function of a dimeric(二聚 )
hemoglobin(血色素 )
Weak hydrogen bonding,e.g,a-L-arabinofuranose(阿拉伯
呋喃糖 )
Strong hydrogen bonding,e.g,b-1-4-linked D-xylose(D-木糖 )
(三 )水与疏水基团的相互作用
疏水水合 (Hydrophobic hydration)：向水中添加疏水物
质时，由于它们与水分子产生斥力，从而使疏水基团附
近的水分子之间的氢键键合增强，使得熵减小，此过程
成为疏水水合。
? 疏水相互作用 ( Hydrophobic interaction)
? 当水与非极性基团接触时，为减少水与非极性实体的界面
面积，疏水基团之间进行缔合，这种作用成为疏水相互作
用。
? 疏水水合作用
–△ G ＝ △ H－ T△ S ＞ 0 △ S ＜ 0
–H2O＋ R R(水合 )
? 疏水相互作用
–△ G ＜ 0 热力学有利
–R(水合 )＋ R(水合 ) R2(水合 )＋ H2O
与疏水基团相邻的水的结构
排斥正电荷
吸引负电荷
笼状水合物
?,主体”物质 —— 水（ 20～ 74个水分子）
?,客体”物质 —— 低相对分子质量的化合
物
?
?
?
?
(四 )水与双亲分子的相互作用
? 水作为双亲分子的分散介质
? 胶团
– 双亲分子在水中形成大分子聚集体
– 分子数从几百到几千
? 双亲分子
– 一个分子中同时存在亲水和疏水基团
– 脂肪酸盐、蛋白脂质、糖脂、极性脂质、核酸
四、水的生理功能
? 水虽无直接的营养价值，但具有某些特殊
性能，如溶解力强，介电常数大，比热高，
粘度小等，是维持生理活性和进行新陈代
谢不可缺少的物质。
? 水是体内化学作用的介质，同时也是生物
化学反应的反应物及组织和细胞所需的养
分和代谢物在体内运转的载体。
第二节 食品中的水分状态
? 食品中的水，是以自由态、水合态、胶体
吸润态、表面吸附态等状态存在的。
? 水之所以能以各种形态存在于动植物组织
中，是由于水能被两种作用力即氢键结合
力和毛细管力联系着。
? (一 ) 自由水
? 以毛细管力联系着的水
称为自由水 (或游离水 )。
? 存在于植物组织的细胞
质、膜、细胞间隙中和
任何组织的循环液以及
制成食品的结构组织中。
(二 ) 结合水
? 结合水是与食品中蛋白质、淀粉、果胶物
质、纤维素等成分通过氢键而结合着的。
? 根据各种有机分子的不同极性基团与水形
成氢键的牢固程度有所不同。结合水又可
分为单分子层结合水和多分子层结合水
结合水与自由水在性质上的差别
? 结合水的量与食品中有机大分子的极性基团的数量有
比较固定的比例关系。
? 结合水的蒸气压比自由水低得多，所以在一定温度
(100℃ )下结合水不能从食品中分离出来。
? 结合水对食品的可溶性成分不起溶剂的作用。
? 自由水能为微生物所利用，结合水则不能。
? 结合水在低温（ -40C?或更低）下不能冻结。
? 结合水在核磁共振实验中产生宽带。
第三节 水分活度
一,定义,
? 水分活度 (water activity)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
=n1/(n1+n2)
? 表示食品中水分可以被微生物所利用的程度
? 反映了食品中水分的存在状态，即水分与食品中的其它非水成分
的结合程度。
? 水分活度 的物理意义：表征生物组织和食品中能参与各种生理作
用的水分含量与总含水量的定量关系。
二,水分活度与温度的关系
? 水分含量相同，温度不同,Aw不同
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。
In Aw = - ΔH /RT + C
T-绝对温度,
R-气体常数
Δ H-样品中水分的吸湿热
比较冰点以上和冰点以下 Aw
? 在冰点以上,Aw是样品组成与温度的函数，
前者是主要的因素
? 在冰点以下,Aw与样品的组成无关，而仅与
温度有关，即冰相存在时,Aw不受所存在的
溶质的种类或比例的影响，不能根据 Aw 预测
受溶质影响的反应过程
? 不能根据冰点以下温度 Aw预测冰点以上温度
的 Aw
? 当温度改变到形成冰或熔化冰时，就食品稳定
性而言，水分活度的意义也改变了
三,水分活度与食品含水量的关系
水分吸湿等温线 (Moisture Sorption Isotherms )
在一定温度下食品的水分含量和水分活度之间
的相互关系图
MSI的实际意义
? 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上不同区水分特性
区 I区 II区 III区
Aw 0-0.2 0.2-0.85 ＞ 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 体相水
微生物利用 不可利用 部分可利用 可利用
三、水分活度的实际应用
? 各种食品在一定条件下都各有其一定的水
分活度，各种微生物的活动和各种化学与
生物化学反应也都需要有一定的 Aw值。只
要计算出微生物、化学以及生物化学反应
所需要的 Aw值，就可能控制食品加工的条
件和预测食品的耐藏性。
(一 )水分活度与
微生物繁殖的关系
微 生 物 发育所必需
的最低 Aw
微 生 物 发育所必需
的最低 Aw
普通细菌 0.90 嗜盐细菌 ≤0.75
普通酵母 0.87 耐干性酵母、
细菌
0.65
普通霉菌 0.80 耐渗透压性
酵母
0.61
微生物发育时必需的水分活度
(二 )水分活度与酶促反应的关系
? 水分在酶反应中起着溶解基质和增加
基质流动性等的作用，食品中水分活
度极低时，酶反应几乎停止，或者反
应极慢。
(三 )水分活度与生物化学反应的关系
谢
谢
