水和冰的结构

null第二章　水第二章　水水和冰的结构 水与非水组分的相互作用 水分活度 水分活度与食品稳定性 降低食品水分含量的方法水水食品的含水量直接影响到食品的贮藏性能和消费者接受程度。 食品的含水量和水在食品中的存在形式，是直接引起食品化学和微生物变质的原因之一。 食品的含水量直接影响食品的加工和贮藏性能。 水分含量的检测是食品的重要指标之一。nullnull　　结合水不易结冰，由于这种性质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； 　结合水不能作为可溶性成分的溶剂，也就是说丧失了溶剂能力； 　体相水可被微生物所利用，结合水则不能。 水和冰的结构水和冰的结构水分子由2个氢原子与 　1个氧原子所组成。 水分子的结构见右图null冰的结构和性质　　 冰是水分子通过氢键相互结合、有序排列形成的低密度、具有一定刚性的六方形晶体结构。普通冰的晶胞和基础平面可如下图所示：null水分子的缔合水分子的缔合由于水分子的极性及两种组成原子的电负性差别，导致水分子之间可以通过形成氢键而呈现缔合状态。 水分子的缔合水分子的缔合由于水分子之间除了通过氢键结合外，还有极 性的作用力，因此水分子之间的缔合数可能大 于4。 水分子的缔合水分子的缔合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。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。 水分活度水分活度水分活度：指一个食物样品中水蒸汽分压p与同一温度下纯水的饱和蒸气分压p0之比。或一个物质所含有的自由状态的水分子数与如果是纯水在此同等条件下同等条件下同等温度与有限空间内的自由状态的水分子数的比值。 水分活度的数值在0~1，纯水的水分活度Aw＝1，因溶液的蒸气压降低，所以溶液的Aw＜1。null吸湿等温曲线 　　定义：在恒定温度下，食品的水含量（以g水/g干物质表示）对其活度形成的曲线称为吸湿等温曲线（MSI）。 　　大多数食品或食品原料的吸湿等温线为S型，而水果、糖制品、含有大量糖和其他可溶性小分子的咖啡提取物等食品的吸湿等温线为J型。如图：null　　　　吸湿等温线的分区 　　Ⅰ区：为构成水和邻近水区，即与食品成分中的羧基、氨基等基团通过氢键或静电引力相互结合的那部分水。由于这部分水比较牢固的与非水成分结合，因此aw较低，一般在0～0.25之间，相当于物料含水量0～0.07g/g干物质。这种水不能作为溶剂而且在-40℃不结冰，对固体没有显著的增塑作用，可以简单的看作固体的一部分。吸湿等温线的分区 吸湿等温线的分区 Ⅱ区：多层水区，即食品中与酰胺基、羧基等基团和结合水、邻近水以水－溶质、水－水以氢键和缔合作用被相对固定的水，也包括直径小于1μm的毛细管的水；这部分水的aw一般在0.25～0.8之间，相当于物料含水量在0.07g/g干物质至0.14～0.33g/g干物质。当食品中的水分含量相当于Ⅱ区和Ⅲ区的边界时，水将引起溶解过程，它还起了增塑剂的作用并且促使固体骨架开始溶胀。溶解过程的开始将促使反应物质流动，因此加速了大多数的食品化学反应。吸湿等温线的分区 吸湿等温线的分区 要注意的是: 一般把Ⅰ区和Ⅱ区交界处的水分含量称为食品的“单分子层”水含量，这部分水可看成是在干物质可接近的强极性基团周围形成一个单分子层所需水量的近似值。 Ⅲ区：自由水区，aw在0.8～0.99之间，物料最低含水量在0.14～0.33 g/g干物质，最高为20g/g干物质。这部分水是食品中与非水物质结合最不牢固、最容易流动的水，也称为体相水。其蒸发焓基本上与纯水相同，既可以结冰也可作为溶剂，并且还有利于化学反应的进行和微生物的生长。在凝胶和细胞体系中，体相水以物理的方式被截留，其宏观流动性受到影响，但它与稀盐溶液中水的性质相似。 吸湿等温线的分区 吸湿等温线的分区 　　按照吸湿等温线将食品中所含的水分作三个区，对于食品中水的应用及防腐保鲜具有重要的意义。但也要理解，这种分区是相对的。因为除化学吸附结合水外，等温线每一个区间内和区间与区间之间的水都可以发生交换。另外，向干燥物质中增加水虽然能够稍微改变原来所含水的性质，即基质的溶胀和溶解过程，但是当等温线的区间Ⅱ增加水时，区间Ⅰ水的性质几乎保持不变；同样在区间Ⅲ内增加水，区间Ⅱ的性质也几乎保持不变。从而说明，食品中结合得最不牢固的那部分水对食品的稳定起着重要的作用。 　　水分吸湿等温线在食品加工中的作用水分吸湿等温线在食品加工中的作用看出食品的浓缩与脱水何时较难，何时较易． 预测食品保持多大的含水量时方才稳定， 直接看出不同食品中非水成分与水结合能力的强弱．吸湿等温线的测定方法吸湿等温线的测定方法测定方法：在恒定温度下，改变食品中的水分含量，测定相应的活度，以水分含量为纵轴、Aw为横轴画出曲线。 滞后现象滞后现象对于食品体系，吸湿曲线与解吸曲线并不重合，两条等温线不完全一致，这种现象称滞后现象. 图中显示的具有一狭长细孔的环叫滞后环。 在任何指定的Aw，解吸过程中试样的水分含量大于吸湿过程中的水分含量。滞后现象滞后现象　　引起食品解吸和回吸出现滞后现象的主要原因有：a.解吸过程中一些水分与非水物质相互作用导致释放速度减缓；b.物料不形状产生毛细管现象的部位，欲填满或抽空水分需要不同的蒸气压；c.解吸作用时，因组织改变，当再吸水时无法紧密结合水分，由此可导致回吸相同水量时处于较高的水分活度。由于滞后现象的存在，有解吸制得的食品必需保持更低的水分活度才能与由回吸制得的食品保持相同的稳定性。　　滞后现象的研究对于食品脱水和复水过程有重要的指导意义，然而滞后现象的本质和应用中还有许多不清楚的地方。null 水分活度与食品的稳定性 　　下面几张图说明了食品中的化学反应及微生物的活性与水分活度有密切的关系，因此食品的水分活度对食品的稳定性产生着巨大的影响。水分活度对微生物的影响水分活度对微生物的影响当食品的水分活度降低到一定的限度以下时，就会抑制要求水分活度阈值高于此值的微生物的生长、繁殖或产生毒素，使食品加工和贮藏得以顺利进行。当然发酵技术中要求所用微生物能正常快速增殖，此时则要给予合适的、必要高的水分活度；另外，利用水分活度控制食品质量或加工工艺时还要考虑pH、营养成分、氧气等因素对于微生物的影响。 水分活度对酶促反应的影响水分活度对酶促反应的影响Aw<0.85时,食品原料腐败的大部分酶会失去活性。 脂肪氧化速度随水分含量的增加而下降。 需要指出的是：同一微生物在不同溶质的水溶液中生长所需的Aw是不同的。 水分活度与食品化学变化的关系水分活度与食品化学变化的关系食品中的水分活度与食品中所发生的化学变化的种类和速度有密切的关系；而食品中的化学变化是依赖于各类食品成分而发生的。以各类食品成分为线索，其化学变化与水分活度关系的一般规律如下：水分活度与食品化学变化的关系水分活度与食品化学变化的关系淀粉：淀粉的食品学特性主要体现在老化和糊化上。老化是淀粉颗粒结构、淀粉链空间结构发生变化而导致溶解性能、糊化及成面团作用变差的过程。在含水量大30～60%时，淀粉的老化速度最快；降低含水量老化速度变慢；当含水量降至10～15%时，淀粉中的水主要为结合水，不会发生老化。 脂肪：影响脂肪品质的化学反应主要为酸败，而酸败过程的化学本质是空气氧的自动氧化。脂类的氧化反应与水分含量之间的关系为：在Ⅰ区，氧化反应的速度随着水分增加而降低；在Ⅱ区，氧化反应速度随着水分的增加而加快；在Ⅲ区，氧化反应速度随着水分增加又呈下降趋势。 水分活度对食品质构的影响水分活度对食品质构的影响水分活度对干燥和半干燥食品的质构有较大的影响。通过各种各样的食品包装来创造适宜的小环境，尽可能达到不同食品对水分活度的要求。 肉制品韧性的增加与交联作用及高水分活度下发生的化学反应有关，水分活度为0.4~0.5时，肉干的硬度及耐嚼性都降低。总结总结降低食品中的水分活度，可以延缓酶促褐变和非酶褐变的进行，减少营养成分的破坏，防止水溶性色素的分解。但水分活度太低，反而会加速脂肪的氧化酸败。要使食品具有最高的稳定性，最好将水分活度保持在结合水范围内。这样，既可使化学变化难以发生，同时又不会使食品丧失吸水性和持水性。降低食品水分含量的方法降低食品水分含量的方法自然干燥: 热风干燥：在人为的控制下除去食品中的水分。 真空干燥：调节适当温度和真空度，使食品中的水极易转化为气态逸出，能达到在较低温度下迅速干燥食品的目的，并能获得品质优良的食品。 喷雾干燥：将稀的液态食品经预先浓缩后，经加压喷头将其 喷成微细的雾状与热风同时进入干燥室，在向下降落的过程中，迅速得以干燥。 冷冻升华干燥：将湿物料先冻结到冰点以下，使水分变成固体冰，然后在较高的真空度将冰直接转化为蒸汽而除去，物料即被干燥。