食品化学讲义(水全章与碳水化合物第一节课内容)

食品化学 第二章 水 主要内容(contents) 2.1 概述 2.2 水和冰的结构 2.3 食品中水的存在形式与特点 2.4 水和溶质的相互作用 2.5 水活性、吸湿等温线与食品稳定性 2.6 分子的流动性和食品的稳定性 2.1 Introduction 水有哪些重要作用？ 1、对于人体机体和生命活动 光合作用： 二氧化碳+水 (光、叶绿体) →有机物(淀粉)+氧 呼吸作用： 有机物+氧(线粒体)→二氧化碳+水+能量 2、对于食品的重要性

1、水是人体机体、生命活动的重要物质 水的比热大（4.2KJ/Kg ℃ ），对稳定体温有利 水的蒸发潜热大(2260KJ/Kg 1大气压，100度），通过水分蒸发有利于迅速带走大量的热 水是溶剂 水是各种生化反应的介质 水是部分生化反应的成分 水是植物光合作用合成碳水化合物的必须物质 水是润滑剂和增塑剂 2、水是重要的营养成分 水是重要的营养成分 各种食品都有显示其品质的特征含水量, 果蔬:75%～95% 肉类:50% ～80%, 面包:35% ～45%, 谷物:10% ～15% 常见食品的含水量1 常见食品的含水量2 3 水对食品品质的影响 水的含量、分布和与其它食品成分的关系和作用影响食品结构、外观、质地、风味、新鲜程度和腐败变质的敏感性 水影响食品加工储藏过程中的化学反应 水影响食品加工储藏过程中微生物的生长 水与蛋白质、脂肪、多糖决定食品质构 水是食品的重要组成成分，是确定食品加工工艺、储藏方法考虑的重要因素 复习一些物理化学知识 2.1.2 水和冰的性质 一些液体力学性质比较 水的密度大 水的粘度适中 一些液体的力学性质比较 水的压缩系数小 水的表面张力大 一些液体的相变性质比较1 水的临界温度和临界压力都较高，即不易出现临界状态 一些液体相变性质比较2 水的熔点适中 水的沸点高 一些液体相变性质比较3 水的熔化热适中 水的蒸发热大 一些液体电学、热学性质比较 水的介电常数大 水的导热率大 一些液体热学性质比较 水的热容大 水的热膨胀系数小 水和冰的物理参数 小结：水和冰的物理特性 物理特性: 1. 熔点,沸点高. 2. 介电常数大 3. 水的表面张力和相变热大 4. 密度低,结冰时体积膨胀. 5. 导热值比非金属固体大,0℃时,冰的导热值为同温度下水的4倍,热扩散速度为水的9倍. 6. 密度等物理参数随温度（状态）而变化. 2.1.3 水、冰的物理特性及与食品加工的影响 水的熔点、沸点、介电常数、表面张力、热容和相变热均比质量和组成相近的分子高得多。这些特性将对食品加工中冷冻和干燥过程产生很大影响： a.水冻结时体积增加，表现出异常的膨胀行为，会使含水食品在冻结过程中破坏其组织结构； b.水热导率较大，然而冰的热导率却是水同温度下的4倍，冰的热扩散速度是水的9倍 。这说明冰的热传导速度比非流动水（如动、植物组织内的水）快得多；因此冰的熔化速度比水的冻结速度要快得多 2.2 水和冰的结构 物质结构决定物质性质 特异性质应该由结构特性决定 水分子间作用力特点决定水的物理性质 2.2.1水分子结构与缔合结构 单个水分子结构 单个水分子的结构特征 The water molecule 1. H2O分子的四面体结构有对称性. 2. H-O键具有电负性，有离子特性， H相当于质子（带正电）. 3. 氧的另外两对孤对电子（带负电）. 水分子结构具有形成氢键的能力 2个电子给与体，2个电子受体

水合离子与氢氧根离子 水分子中的氢、氢原子呈V字形排序，O—H键具有极性，所以分子中电荷是非对称分布。纯水在蒸汽状态下，分子的偶极矩为1.84D，这种极性使分子间产生吸引力，水分子能以相当大的强度缔合。 2、由于水分子在三维空间形成多重氢键键合，因而水分子间存在着很大的吸引力。 小结 水分子缔合的原因: 1. 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. 2. 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. 3. 静电效应 2.2.2 冰的结构Structure of ice

2.2.3 水的结构Structure of water 特 点★ 在液态水中，水分子并不以单个分子形式存在，而是由若干个分子靠氢键缔合形成水分子簇(H2O)n； 虽然纯水具有一定结构，但还不是长程有序的刚性结构（非刚性结构）； 从宏观观点看，整个体系的氢键缔合程度和网络结构是保持不变的（水分子的缔合，使水分子的取向和运动都将受到周围其他水分子的明显影响）； 从微观角度讲，各个氢键是处在一个不停的运动状态，而且氢键的破坏和形成之间建立了一个动态平衡。 水的缔合与物理性质 ——缔合与水的沸点、熔点 水分子之间的缔合程度与水的存在状态有关 在气态下，水分子之间缔合的可能很小，可看作以单个分子的形式存在； 在液态，水分子之间有一定程度的缔合，几乎没有游离的水分子，由此可理解为什么水具有高的沸点；而在固态也就是结冰的状态下，水分子之间的缔合数是4，每个水分子都固定在相应的晶格里，这也是水的熔点高的原因。 水的缔合与物理性质 ——缔合与水的密度  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 温度(℃) 配位数 分子间距nm 0 4 0.276 冰开始融化时水分子间的刚性结构被破坏，水分子自身排列成紧密的网络结构 1.5 4.4 0.290 随着温度升高，水分子缔合数增大，因此冰熔化的开始阶段，密度有一个提高 的过程，到3.98℃ 达到最大值；随后温度的继续提高，水分子之间的距离继续 增大，因此密度逐渐降低。 83 4.9 0.305 水的缔合与物理性质——缔合与水的溶解性、分散性 水分子也可以与其它带有极性基团的分子通过氢键相互结合 带有极性基团的糖类、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。另外，水还可以作为两亲分子的分散介质，通过这种途径使得疏水物质也可在水中均匀分散（乳化作用）。 水分子缔合与流动性 水具有一定的黏度是因为水分子在大多数情况下是缔合的，而水具有流动性是因为水分子之间的缔合是动态的。当水分子在ns或ps这样短的时间内改变与临近水分子之间的氢键键合关系时，会改变水的流动性。

复习 第一节内容

1 水对食品有哪些重要作用？ 2 水与冰的性质差异性？ 3 水分子的结构特征与水氢键关系？ 4 水的结构与冰的结构？ 水对食品有哪些重要作用？ 水影响食品加工储藏过程中的化学反应 水影响食品加工储藏过程中微生物的生长 水与蛋白质、脂肪、多糖决定食品质构 水与冰的性质差异性 a.水冻结时体积增加，表现出异常的膨胀行为，会使含水食品在冻结过程中破坏其组织结构； b.两者热导率与热扩散速度有差别因此冰的熔化速度比水的冻结速度要快得多 水分子的结构特征与氢键 1. H2O分子的四面体结构有对称性. 2. 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. 3. 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. 水的结构与冰的结构 水 ——第二节 2.3 食品中水的存在形式与特点 2.4 水和溶质的相互作用 2.3 食品中水的存在形式和特点★ 现象： 同一食品含水量不同时，化学稳定性不同。说明食品中水存在的状态不同。 实质： 水分子与食品中其他成分间的作用影响了水分子存在形式、结构和水的性质，所以在食品中的水分表现不同的性质。

食品水分的宏观水平认识与分子水平认识 宏观水平（表象） 水结合（水合）和持水力 分子水平（内因） 食品中不同成分对水的存在形式、结构和性质的影响 宏观水平认识 水合(水化,hydration)、水结合（化学变化） 水分子是偶极子,有很强的氢键作用, 电解质溶解时其离子的静电力破坏了水的结构,在离子周围形成水化层,生成水合分子，这是一种溶剂化过程,物质的溶解过程必定伴随溶剂化,其属于化学变化，许多物质能溶于水,与水有很强的水合能力分不开。 水合作用的大小为水合力，其表示水与亲水物质缔合的一般倾向。其程度与强度取决于非水成分的本质、盐组成、温度、pH等诸多因素。 分子水平认识

自由水 体相水 截留水 水 化合水 结合水 邻近水 多层水 体相水Bulk-phase water 体相水包括：被基质物理截留水分（截留水）和未被截留水分（自由水） 自由水：已经成为连续相的水分；距离非水组分最远，水-水氢键最多； 宏观流动不受阻碍

（血液、导管和液泡中的水）。 截留水（滞化水和毛细管水）：为分散相的水分；距离非水组分最远，水-水氢键最多；流动

性受食品凝胶或生物组织的阻碍。 体相水特点 结合水 Constitutional water 结合水是存在于溶质和其他非水组分邻近处的水，呈现出与体相水显著不同的性质。具有被阻碍的流动性，但不是被固定（截留水）。 在一个典型的高水分含量食品中，这类水仅包括总水分中的一个微小部分，大致相当于临近亲水基团的第一层水分子。 当结合水被强行与食品分离时，食品质量、风味就会改变 化合水 水在复杂体系中，结合得最牢固的是构成非水物质组成的那些水，占据大分子溶质内部的特殊位置，这部分水称为化合水。例如：位于蛋白质空隙中或者作为化学水合物中的水。此种水很稳定，不能被微生物利用，很难引起食品的变质。 特点：在-40℃下不结冰 在高水分食品中占总水分的0.03%，含量极低 与纯水比较蒸发焓增大（难以汽化） 无溶解溶质的能力 与纯水比较分子平均运动极少

邻近水Vicinal water 邻近水是处在非水组分亲水性最强的基团周围的第一层位置，与离子或离子集团缔合的水是结合最紧密的邻近水。此类水达到最大含量时，可以在非水组分的强亲水性基团周围形成单层水膜。此种水稳定，也不易引起食品的变质。 在-40℃下不结冰 在高水分食品中占总水分的0.1%～0.9%