第二章 食品中的水

《食品化学》—打开食品科学之门的钥匙主讲人：李红所在单位：食品与生物工程学院日期：2010.9.17掌握水在食品中的重要作用；了解水和冰的结构及性质；掌握水在食品中的存在状态；掌握水分活度和水分等温吸湿线的概念、意义；掌握水分活度与食品的稳定性之间的关系。

2.2.2 水分子的缔合作用水分子不仅相互之间可以通过氢键缔合，而且可以和其它带有极性基团的有机分子通过氢键相互结合，所以糖类、氨基酸类、蛋白质类、黄酮类、多酚类化合物在水中均有一定的溶解度。

冰的结构疏水水合作用的表现形式：笼形水合物的形成。

笼形水合物是冰状包合物，其中水为“主体”，通过氢键形成了笼状结构，物理截留了另一种称为“客体”的分子。

“主体”水分子与“客体”分子之间的相互作用一般是弱的范德华力。

笼形水合物一般由20～74个水分子形成，具体多少视非极性物质的几何尺寸而定；只有“客体”的大小和形状适合于“主体”的笼才能被截留。

大多数蛋白质分子中，约40%的氨基酸具有非极性侧链，而且约有三分之一的非极性基团暴露在水中，与水之间产生疏水的相互作用，对于保持蛋白质的活性构象具有一定的作用。

水与溶质的结合力非常重要，相互作用如下表：结合水和体相水之间的界限很难定量区分，只能根据其理化性质作定性区分：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，如100g蛋白质大约可结合50g 的水，100g淀粉的持水能力在30～40g；结合水对食品品质和风味有较大的影响，当结合水被强行与食品分离时，食品质量、风味就会改变；结合水的蒸汽压比自由水低得多，在一定温度（100o C）下结合水不能从食品中分离出来；结合水不易结冰（冰点约-40o C），使得植物的种子和微生物的孢子得以在很低的温度下保持其生命力；而多汁的组织在冰冻后细胞结构往往被体相水的冰晶所破坏，解冻后组织不同程度的崩溃；结合水不能作为溶剂；体相水可被微生物所利用，结合水则不能。

2.4 水分活度长期以来人们就已认识到食品的水分含量和它的易腐性之间存在着一定的关系。

第二节 水和冰的性质和结构
一、水和冰的物理性质
部分氢化物的物理性质 氢化物 CH4 NH3 H2S H2O HF 熔点（℃） -184 -78 -86 0 -92 沸点（℃） -161 -33 -61 100 19 蒸发热（ J/mol） 9210960 23027400 18673128 40821300 30144960
92
90 87 87
香蕉
鸡 肉 面包
75
70 65 35
奶油
稻米、面 粉 奶粉 酥油
16
12 4 0
表1 食 奶油 乳酪 鲜奶油 乳粉 液体乳制品 冰淇淋和冰糕 鳄梨 豆（青刀豆） 浆果 柑橘 黄瓜 干水果 新鲜水果（可食部分） 豆类（干） 马铃薯 红薯 芹菜、萝卜 品 水分含量 (%) 15 40~75 60~70 4 87~91 65 65 67 81~90 86~89 96 ≤ 25 90 10~12 78 69 79




在大多数新鲜食品中，水是最重要的成分，若希望 长期贮藏这类食品，只要采取有效的贮藏方法控制 水分就能够延长保藏期。 无论采用普通方法脱水或是低温冷冻干燥脱水，食 品和生物材料的固有特性都会发生很大的变化， 都无法使脱水食品恢复到它原来状态（复水或解 冻）。 因此研究水和食品的关系是食品科学的重要内容之 一，对食品的储藏有重要的意义。

三、水的缔合作用

水分子中的氧原子电负性大， O—H键的 电子对强烈的偏向氧原子一边，使氢原子 带有部分正电荷。 氢原子无内层电子，几乎是一个裸露的质 子，极易与另一个水分子中的氧原子的孤 对电子通过静电引力形成氢键。
温 0℃ 0.99984 1.793×10-3 75.64×10-3 0.6113 4.2176 0.5610 1.3×10-7 87.90

而且水分的分布不均，动物体内以血液、脑等器 官最多，其次是皮肤，而骨骼中较少；植物中一 般以叶、茎、根等部位含水量高，种子中含量少。
概述
2.1.1 水在食品中的作用 食品的溶剂 食品中的反应物或反应介质 除去食品加工过程中的有害物质（单宁、秋水仙
碱） 食品的浸胀剂 食品的传热介质 生物大分子化合物构象的稳定剂
氨NH3（三个供体和一个受体部位形成四面体排列 ）和氟化氢HF（一个供体和三个受体部位形成四 面体排列）分子由于没有相等数量的供体和受体 部位，都无法形成和水一样的三维氢键网络，而 是形成二维氢键网络，每个分子参与的氢键数目 小于水分子。
水分子的结构特征
水是呈四面体的网状结构 水分子之间的氢键网络是动态的 水分子氢键键合程度取决于温度
解释水和冰的异常物理性质，最好先从研究单个 水分子的性质开始，进而拓展到水分子束的特性 ，最终考察整体相水的特征。
2.2 水、冰的结构和性质
一、单个水分子的结构
接近完美四面体结构的强极性分子。 水分子由两个氢原子与一个氧原子的两个SP3杂 化轨道结合成两个σ共价键，形成近似四面体结 构，氧原于位于四面体中心，四面体的四个顶点 中有两个被氢原子占据，其余两个为氧原子的非 共用电子对所占有。
水的缔合程度及水分子之间的距离也与温度有密 切的关系；在0℃ 时，水分子的配位数是4，相互 缔合的水分子之间的距离是0.276nm；当冰开始熔 化时，水分子之间的刚性结构遭到破坏，此时水 分子之间的距离增加，如1.5℃ 时为0.29nm，但由 0℃ ~3.8℃ 时，水分子的缔合数增大，如1.5℃ 时 缔合数是4.4，因此冰熔化的开始阶段，密度有一 个提高的过程；随着温度的继续提高，水分子之 间的距离继续增大，缔合数逐步降低，因此密度 逐渐降低。

由于水原有的缔合结构有所改变，不但水
的移动性会变化，它的溶解能力、冰点、 沸点和水介质的介电常数都会改变。 直接与离子结合的水，其迁移、溶剂、结 冰、蒸发能力都会降低。 离子水合后，性质也会发生改变。特别是 带电大分子和带电胶粒的水合对食品有很 重要得作用。如：蛋白质的离子基团越多， 水化越充分，蛋白质的溶解度越高，水化 膜增厚，稳定性相应增强。
晶核的形成：是一部分水分子结合成小的
冰的晶核，放出大量熔化热 。 晶体的生长过程：是众多的水分子按冰的 晶体结构要求，顺序地结合到晶核上，成 长为大的晶体。 晶核的形成较为困难，若水中有冰，0℃时， 温度保持不变，冰不断生长，直到水完全 变成冰后，温度才开始下降；若水中无冰， 水的温度会将到0℃以下，出现过冷现象， 晶核常在过冷水中出现（0—-5℃）。

2、它反映食品中水被微生物利用的程度，食品 中水与非水成分结合越强、溶液中非水成分含 量越高，食品稳定性越强。 3、食品可以认为是稀溶液（浓度小于1mol/L)， 根据拉乌尔定律 P=P0 X1 X1（N）——溶剂的摩尔分数 X1=n1/(n1+n2) P= P0 n1/(n1+n2) AW = P/P0= n1/(n1+n2) n1——溶剂的物质的量 n2——溶质的物质 的量 4、AW大于0且小于1。对纯水来说AW＝1
化合水性质
邻近水的性质
多层水的性质
体相水的性质
单分子层水包括化合水和邻近水，单分子层水
是在非水物质上形成单分子覆盖层为主，其总 量称为单层值，一般含量为总水含量的0.5％。 多层水是指占据单分子覆盖层以外的、受一定 束缚的另几层水它在高水分食品中含量低于总 水量的5％。食品中的大多数结合水是与蛋白 质和糖类等相结合的，而且数量较固定 。 食品中体相水含量最高，容易失去，它的含量 大小与食品安全性直接相关,与食品质地、风 味功能性质等相关。