食品化学：水分

主要内容 概述 水和冰的性质和结构 食品中水与非水组分之间的相互作用 水分活度 水与食品的稳定性 分子移动性与食品的稳定性第二章水分一、水的作用水不仅是构成机体的主要成分，而且是维持生命活动、调节代谢过程不可缺少的重要物质。其主要作用有：第一节概述1、调节体温；2、促进代谢；3、润滑作用；4、生物代谢的底物。二、食品中水的含量 水是食品中非常重要的一种成分，也是构成大多数食品的主要组分，各种食品都有能显示其品质特性的含水量（表1）。 某些代表性食品的典型水分含量 食品名称 含量 食品名称 含量 食品名称 含量 番茄 95 牛奶 87 果酱 28 莴苣 95 马铃薯 78 蜂蜜 20 卷心菜 92 香蕉 75 奶油 16 啤酒 90 鸡 70 稻米、面粉 12 柑橘 87 肉 65 奶粉 4 苹果汁 87 面包 35 酥油 0表1部分食品的水分含量 食品 水分含量(%) 食品 水分含量(%) 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 1540~7560~70487~9165656781~9086~8996≤259010~12786979 蛋黄酱纯油和脂肪沙拉酱早餐谷物面粉、粗燕麦粉、粗面粉全粒谷物面包饼干和椒盐卷饼馅饼面包卷成熟生坚果新鲜栗子新鲜蛋家禽肉果冻、果酱和柑皮果冻白糖（蔗糖或甜菜糖）、硬糖、纯巧克力 15040<410~1310~1235~455~843~59283~55350~857420~40≤35≤1 食品中水的含量、分布、状态不仅对食品的结构、外观、质地、风味、色泽、流动性、新鲜程度和腐败变质的敏感性产生极大的影响，而且对生物组织的生命过程起着至关重要的作用。水在食品贮藏加工过程中是化学和生物化学反应的介质，也是水解过程的反应物。水是微生物生长繁殖的重要因素，影响食品的货架期。水与蛋白质、多糖和脂类通过物理相互作用影响食品的质构。水发挥膨润、浸湿的作用，影响食品的加工性。 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。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 熔点（℃） 沸点（℃） 蒸发热（J/mol） CH4 -184 -161 9210960 NH3 -78 -33 23027400 H2S -86 -61 18673128 H2O 0 100 40821300 HF -92 19 30144960水和冰的物理性质 性质 数值 相对分子质量 18.0153 相转变性质 熔点(0.1MPa) 0.000℃ 沸点(0.1MPa) 100.000℃ 临界温度 373.99℃ 临界压力 22.064MPa(218.6atm) 三相点 0.01℃和611.73Pa(4.589mmHg) 熔化焓(0℃) 6.012kJ(1.436kcal)/mol 蒸发焓(100℃) 40.657(9.711kcal)/mol 升华焓(0℃) 50.91kJ(12.16kcal)/mol 其他性质 温度 20℃ 0℃ 0℃(冰) -20℃(冰) 密度/(g/cm3)粘度/(Pa•s)表面张力(空气—水界面)/(N/m)蒸汽压/kPa比热容/[J/(g•K)]热导率(液体)/[W/(m•K)]热扩散/(m2/s)介电常数 0.998211.002×10-372.75×10-32.33884.18180.59841.4×10-780.20 0.999841.793×10-375.64×10-30.61134.21760.56101.3×10-787.90 0.9168——0.61132.10092.24011.7×10-7~90 0.9193——0.1031.95442.43311.8×10-7~98一、水和冰的物理性质 1、水和其他具有相似分子质量和原子组成的分子比较，可以看出：水的熔点(0℃)、沸点(100℃)、热容、相变热、表面张力和界电常数等明显偏高。这是因为由于水分子间存在三维氢键缔合的缘故。 2、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9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，导致了在相同温差下组织材料冻结的速度比解冻的速度快很多。一、水和冰的物理性质 3、水的密度较低，水结冰时体积增加（冻结后冰的体积比相同质量的水的体积增大9%），表现出异常的膨胀特性，这会导致食品冻结时组织结构的破坏。这就是一般的食物在冻结后解冻往往有大量的汁液流出的原因。二、水分子的结构 水的物理性质的特殊性是由水的分子结构所决定的。氧原子外层电子构型为2s22p4，当它与氢形成水时，氧原子的外层电子首先进行杂化，形成4个等同的sp3杂化轨道。氧原子本身的孤对电子杂化轨道与氢原子轨道形成σ共价键其中两个轨道上各有一个电子，另外两个轨道上则被2个已成对的电子占据。2个未成对电子分别与两个氢原子的1s电子形成两个共价σ键，形成水分子。其中O—H核间的距离是0.096nm，氧与氢的范德瓦尔斯半径为0.14nm与0.12nm。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。 水分子间靠氢键产生的作用力叫缔合。水分子两个氢受体两个氢给体 每个水分子在三维空间中具有相等数目的氢受体和氢给体，因此，水分子间的吸引力比同样靠氢键结合在一起的其他小分子要大的多。 NH3中有3个氢给体和1个氢受体，HF有1个氢给体和3个氢受体，说明它们没有相同数目的氢给体和氢受体，因此只能在二维空间形成氢键网络结构，每个分子都比水分子含有较少的氢键。 水的异常物理性质与断裂水分子间氢键需要额外能量有关。 水的氢键缔合生成了庞大的水分子簇，产生了多分子偶极子，使水的介电常数显著增大。 氢键网络是动态的，当分子在纳秒甚至皮秒这样短暂的时间内改变它们与邻近分子之间的氢键缔合关系，增大分子的流动性，因此水具有低黏度。 水分子间氢键的键合程度取决于温度。 在0℃时，冰中水分子的配位数为4，冰熔化时一部分氢键断裂，刚性结构受到破坏，水分子自身重新排列成为更紧密的网络结构。 随着温度上升，水的配位数增多，而邻近水分子之间的距离则随着温度升高而加大。 水的密度随着邻近分子间距离的增大而降低，当邻近水分子平均数增多时密度增大，冰转变为水时，净密度增大，当继续升温和加热至3.98℃时密度达到最大值。 此后随着温度继续上升，由于热膨胀使邻近水分子间的距离增大，密度开始逐渐下降。温度升高，最邻近的水分子平均数目增加（增加密度）温度升高，最邻近水分子距离增加（降低密度） 水具有溶剂性，由于介电常数高，能促进电解质电离。 能溶解非离子有机分子，包括含羟基的糖和醇以及含羰基的醛和酮，这是因为水的偶极性使其能以氢键与极性分子或功能基团相互作用。 能作为两亲分子的分散介质，如脂肪酸和极性脂、蛋白质、糖脂和核酸等。四、冰的结构 冰是水分子有序排列形成的晶体，水结冰时分子之间靠氢键连接在一起形成低密度的刚性结构。 冰中O—O核间最近的距离为0.276nm，O—O—O键约为109°。 每个水分子和四个其他水分子缔合。俯看冰的结构冰的扩展结构 溶质的种类和数量可以影响冰晶的数量、大小、结构、位置和取向。 在不同的溶质影响下，冰的结构主要有4种类型： 六方形、不规则树状、粗糙球形、易消失的球晶。 六方形是大多数冷冻食品中重要的冰结晶形式。 水的冰点是0℃，可纯水并不在0℃就结冰，常常首先被冷却成过冷状态，只是当温度降低到开始出现稳定性晶核时，或在振动的促进下才会立即向冰晶体转化并放出潜热，同时促进温度回升到0℃。 开始出现稳定晶核时的温度叫过冷温度。 如果外加晶核，不必达到过冷温度就能结冰，但此时生成的冰晶粗大，因为冰晶主要围绕有限的晶核长大。 食品中含有一定水溶性成分，这将使食品的结冰温度持续下降到更低，直到食品到了低共熔点。 低共熔点在－55℃～－65℃，而我国的冻藏食品的温度常为－18℃，因此冻藏食品的水分实际并未完全凝结固化。 但在这种温度下绝大部分水已冻结，并且是在－1℃～－4℃之间完成大部分冰的形成过程。 现代冻藏工艺提倡速冻，因为该工艺下形成的冰晶体呈针状，比较细小，冻结时间缩短并且微生物活动受到更大限制，食品品质好。第三节食品中水与非水组分之间的相互作用一、食品中水与非水组分之间的相互作用（一）水与离子及离子基团的相互作用 与离子和离子基团的相互作用的水是食品中结合最紧密的一部分水。 它们是通过离子或离子基团的电荷与水分子偶极子发生静电相互作用而产生水合作用。 对于既不具有氢键受体又没有供体的简单无机离子，它们与水相互作用时仅仅是极性结合，这种作用通常称为离子水合作用（属于静电相互作用）。 Na+对水分子的结合能力大约是水分子间氢键键能的4倍，却低于共价键的键能；pH值改变显著影响溶质分子的离解。 在稀盐溶液中，离子对水结构的影响是不同的。 某些离子，例如K+，能阻碍水形成网状结构，这类盐的溶液比纯水的流动性更大。 电场强度较强、离子半径小的离子或多价离子，如Na+，有助于水形成网状结构，这类离子的水溶液比纯水的流动性小。 但从水的正常结构来看，所有的离子对水的结构都起破坏作用，因为均能阻止水在0℃下结冰。*9（二）水与具有氢键结合能力的中性基团的相互作用在生物材料和食品中，水可以与食品中蛋白质、淀粉、果胶物质、纤维素等成分通过氢键而结合。水与溶质之间的氢键键合比水与离子之间的相互作用弱。水能够与各种合适的基团，如羟基、氨基、羧基、酰胺或亚氨基等极性基团形成氢键 （三）水与非极性物质的相互作用 向水中加入疏水性物质，如烃、稀有气体及引入脂肪酸、氨基酸、蛋白质的非极性基团，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。 水对于非极性物质产生的结构形成响应，其中有2个重要的结果： 蛋白质中疏水相互作用和笼形水合物的形成。 如果存在两个分离的非极性基团，不相容的水环境将促使它们之间的缔合，从而减少水—非极性实体界面面积，此过程称为疏水相互作用。水分子疏水基团极性基团球状蛋白质的疏水相互作用 笼形水合物是冰状包合物，其中水为“主体”物质，通过氢键形成笼状结构，物理截留“客体”分子。 笼形水合物的“主体”一般由20~74个水分子组成，“客体”是低分子量化合物。 “主体”水分子与“客体”之间的相互作用一般是弱的范德华力。 大分子质量的“客体”如蛋白质、糖类、脂类等物质也能与水形成笼形水合物，使水合物的凝固点降低。二、食品中水的存在形式根据食品中的水分子与非水物质发生相互作用的性质和程度，可将食品中的水分为结合水和体相水。（一）结合水 又称束缚水、固定水，通常是指存在于溶质或其他非水组分附近的、与溶质分子之间通过化学键的力结合的那部分水。 根据结合水被结合的牢固程度的不同，结合水分为：化合水、邻近水、多层水。（一）结合水1、化合水：是结合得最牢固、构成非水物质组成的那部分水，如作为化学水合物中的水。2、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，其中与离子或离子基团缔合的水是结合最紧密的邻近水。3、多层水：是在邻近水的外层形成的几个水层，主要是靠水—水和水—溶质之间氢键而形成的。二、水的存在状态（二）体相水 又称游离水，指没有被非水物质化学结合的水，又分为：不移动水(滞化水)、毛细管水、自由流动水。（二）体相水1、不移动水：又称滞化水，指被组织中的显微和亚显微结构与膜所阻留住的水，这些水不能自由流动。2、毛细管水：指在生物组织的细胞间隙和制成食品的结构组织中存在着的一种由毛细管力所系留的水，在生物组织中又称为细胞间水。3、自由流动水：指动物的血浆、淋巴和尿液、植物的导管和细胞内液泡中的水，可以自由流动。三、体相水和结合水的区别1、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。2、结合水的蒸汽压比体相水低得多，所以在一定温度（100℃）下结合水不能从食品中分离出来。3、结合水不易结冰（冰点约–40℃）。4、结合水不能作为溶质的溶剂。5、体相水能为微生物所利用，结合水则不能。食品中水的性质 结合水 体相水 一般描述 存在于溶质或其他非水组分附近的那部分水。包括化合水和邻近水以及几乎全部多层水 位置上远离非水组分，以水—水氢键存在 冰点（与纯水比较） 冰点大为降低，在-40℃不结冰 能结冰，冰点略微降低 溶剂能力 无 大 平均分子水平运动 大大降低甚至无 变化很小 蒸发焓（与纯水比） 增大 基本无变化 在高水分食品中占总水分含量/（%） <0.03~3 约96%第四节水分活度f——溶剂（水）的逸度f0——纯溶剂（水）的逸度逸度：溶剂从溶液逃脱的趋势严格差别1%仅适合理想溶液RVP,相对蒸汽压一、水分活度的定义（Aw） 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=f/f0=p/p0=ERH/100=N=n1/(n1+n2) 式中：Aw是水分活度; f为食品中水的逸度了，f0为相同条件下纯水的逸度； p是某种食品在密闭容器中达到平衡状态时的水蒸气分压，p0是相同温度下纯水的蒸汽压； ERH是样品周围的空气平衡相对湿度； N是溶剂摩尔分数，n1为溶剂摩尔数，n2为溶质摩尔数。 其中n2=G·△Tt/1000·KtG是样品中的溶剂的克数，△Tt是冰点降低(℃)，Kt是水的摩尔冰点降低常数（1.86）。 水分活度是从0~1之间的数值，纯水的Aw=1，因溶液的蒸汽压降低，所以溶液的Aw<1。 食品中结合水的含量越高，则水分活度越小。水分活度反映食品中水分存在形式和可以被微生物利用的程度。 水分含量的定量测定一般是以105℃恒重后的样品重量的减少量作为食品水分的含量。二、水分活度的测定方法 1、冰点测定法 2、相对湿度传感器测定方法 3、恒定相对湿度平衡室法：Aw=Ax+By/(x+y)　式中：A为水分活度较低的饱和盐溶液的水分活度，B为水分活度较高的饱和盐溶液的标准水分活度，x为使用Ｂ液时样品重量的净增值，y为使用Ａ液时样品重量的净减值。 4、水分活度仪测定样品的Aw三、水分活度与温度的关系 Aw与温度有关，且温度对Aw的影响在冰点以下远大于冰点以上，在冰点以上温度，Aw是试样成分和温度的函数，随着温度的升高，Aw也要升高。一般来说，温度每变化10℃，Aw变化0.03～0.2。 温度在冰点以下，Aw与试样成分无关，仅取决于温度，即冰相存在时Aw不受溶质的种类或比例的影响。直线在结冰时出现明显的拐点，在冰点以下，水分活度不再受食品中非水组分种类和数量的影响，只与温度有关。 冰点以上和以下时，就食品而言，Aw的意义是不一样的。 在冰点以下，Aw数值已失去了预见某些与水分活度相关问题的价值。 如在-15℃时，当Aw为0.86时，产品中微生物不再生长，而且化学反应缓慢进行，但是在同样水分活度的20℃时，一些化学反应将快速进行，一些微生物以中等速度生长。四、水分活度与水分含量的关系 （一）水分的吸附等温线 在恒定温度下，食品的水分含量与它的水分活度之间的关系图称为吸附等温线（MSI）。 大多数食品的吸附等温线呈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附等温线为J型。 食品的吸附等温线与温度有关，由于当水分含量一定时，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吸附等温线。水分含量一定时，水分活度随温度的升高而增大（二）吸附等温线的区域根据水分活度与含水量的关系可将此曲线分成三个区域。 Ι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，为化合水和构成水，吸湿时最先吸入，干燥时最后排除；这部分水不能使干物质膨润，不能作为溶剂，在-40℃不结冰。 Ι区最高水分活度对应的含水量就是食物的单分子层水含量。这部分水可作为干燥食品品质稳定所必需的水分含量的最高标准。 П区：Aw=0.25~0.85，水分含量为0.07~0.275g/g干物质。 该部分水实际上是多层水，主要靠水-水和水-溶质的氢键与邻近的分子缔合，这部分的水将起到膨润和部分溶解的作用，加速大多数反应的速率。 Ш区：Aw=0.85~0.99，水分含量大于0.275g/g干物质，起到溶解和稀释作用，冻结时可以结冰，主要为体相水。 在这个区域，绝大多数的化学、生物化学反应速度及微生物的生长繁殖速度都达到最大，这部分水决定了食品的稳定性。吸附等温线上不同区水分特性 区 Ⅰ区 Ⅱ区 Ⅲ区 aW 0~0.25 0.25~0.85 >0.85 含水量/% 0~7 7~27.5 >27.5 冻结能力 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 单分子水层吸附化学吸附结合水 多分子水层凝聚物理吸附 毛细管水或自由流动水 微生物利用 不可利用 部分可利用 可利用（三）等温线的滞后现象 一种食物一般有两条吸附等温线。 一条是吸附等温线，是食品在吸湿时的吸附等温线，一条是解吸等温线，是食品在干燥时的吸附等温线； 往往这两条曲线并不完全重叠，在中低水分含量部分张开了一细长的眼孔，把这种现象称为“滞后”现象。细长的眼孔 很多食品的吸附等温线都表现出滞后现象，且滞后作用的大小、曲线的开头和滞后回线的起始点和终止点都不相同； 它们取决于食品的性质和食品除去和添加水分时所发生的物理变化，以及温度、解吸速度和解吸时的脱水程度等多种因素。 在一定Aw时，食品的解吸过程一般比回吸过程时含水量更高。 滞后现象产生的原因主要有：（1）解吸过程中的一些水分与非水组分作用而无法释放出水分；（2）食品不规则形状产生毛细管现象，填满或抽空水分需不同的蒸汽压；（3）解吸时将使食品组织发生改变，当再吸水时就无法紧密结合水分。第五节水与食品的稳定性一、水分活度与食品稳定性 食品的贮藏稳定性与水分活度之间有着密切的联系。（一）水分活度与微生物生命活动的关系 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， 即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。 在Aw<0.60时，绝大多数微生物就无法生长。表5食品中水分活度与微生物生长 aw范围 在此范围内的最低水分活度一般所能抑制的微生物 在此水分活度范围内的食品 1.00~0.95 假单胞菌、大肠杆菌变形杆菌、志贺氏菌属、克霍伯氏菌属、芽孢杆菌、产气荚膜梭状芽孢杆菌、一些酵母 极易腐败变质（新鲜）食品、罐头水果、蔬菜、肉、鱼以及牛奶，熟香肠和面包，含有约40%蔗糖或7%氯化钠的食品 0.95~0.91 沙门氏杆菌属、溶副血红蛋白弧菌、肉毒梭状芽孢杆菌、沙雷氏杆菌、乳酸杆菌属、足球菌、一些霉菌、酵母 一些干酪、腌制品、一些水果汁浓缩物，含有55%蔗糖或12%氯化钠的食品 0.91~0.87 许多酵母、小球菌 发酵香肠、松蛋糕、干的干酪、人造奶油，含65%蔗糖或15%氯化钠的食品 0.87~0.80 大多数霉菌、金黄色葡萄球菌、大多数酵母菌属 大多数浓缩水果汁、甜炼乳、巧克力糖浆、水果糖浆、面粉、米，含有15%~17%水分的豆类食品、水果蛋糕、家庭自制火腿 0.80~0.75 大多数嗜盐细菌、产真菌毒素的曲霉 果酱、果冻、糖渍水果、酥糖 0.75~0.65 嗜旱霉菌、二孢酵母 一些干果、坚果、棉花糖、糖蜜 0.65~0.6 耐渗透压酵母、少数霉菌 蜂蜜、含15%~20%水分的果干 0.5 微生物不增殖 含约12%水分的酱、含约10%水分的调味料 0.4 微生物不增殖 含约5%水分的全蛋粉 0.3 微生物不增殖 含3%~5%水分的曲奇饼、脆饼干 0.2 微生物不增殖 含3%~5%水分的全脂奶粉、含约5%水分的脱水蔬菜、含约5%水分的玉米片 微生物在不同的生长阶段，所需的Aw阈值也不一样。 有些微生物在繁殖中还会产生毒素，微生物产生毒素时所需的Aw阈值高于生长时所需Aw的数值。 当食品的水分活度降低到一定的限度以下时，就会抑制要求阈值高于此值的微生物生长、繁殖或产生毒素，使食品加工得以顺利进行。 在发酵食品加工时，必须把Aw提高到有利于有益微生物生长、繁殖、分泌代谢产物所需的Aw以上。(二)水分活度与食品化学变化的关系1、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Aw<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Aw为0.3甚至0.1时也能引起甘油三酯或甘油二酯的水解。2、从水分活度与非酶反应的关系来看：脂质氧化作用：当水分活度从0→0.33，随着水分活度增加，氧化速率降低；当Aw>0.33时，随着水分活度的增加，加速了氧化；而当Aw>0.73时，水量增加，氧化作用降低。Maillard反应：Aw>0.7时底物被稀释。水解反应：水分是水解反应的反应物，随着水分活度的增大，水解反应的速度不断增大。 综上所述，降低食品的Aw，可以延缓酶促反应和非酶反应的进行，减少食品营养成分的破坏，防止水溶性色素的分解。 但Aw过低，则会加速脂肪的氧化酸败,还能引起非酶褐变。 要使食品具有最高的稳定性，最好将Aw保持在结合水范围内。(三)水分活度与食品质构的关系 水分活度对干燥和半干燥食品的质构有较大的影响。 当水分活度从0.2～0.3增加到0.65时，大多数半干或干燥食品的硬度及黏着性增加。 水分活度为0.4～0.5时，肉干的硬度及耐嚼性最大。 想保持脆饼干、爆玉米花及油炸土豆片的脆性，避免糖粉以及速溶咖啡结块、变硬发黏，都需要使产品具有相当低的水分活度（不能超过0.3～0.5）。 对含水量较高的食品（蛋糕、面包等），避免失水变硬，需要保持有相当高的水分活度。(四)降低水分活度值，提高食品稳定性的机理 1、大多数化学反应都必须在水溶液中才能进行，如果降低食品的水分活度，则食品中的存在状态发生了变化，结合水的比例增加了，体相水的比例少了，而结合水是不能作为反应物的溶剂的。 所以降低水分活度，能使食品中许多可能发生的化学反应、酶促反应受到抑制。 2、很多化学反应属于离子反应，该反应发生的条件是反应物首先必须进行离子化或水化作用，而发生离子化或水化作用的条件必须有足够的体相水才能进行。 3、很多化学反应和生物化学反应都必须有水分子参加才能进行（如水解反应）。如降低水分活度，就减少了参加反应的体相水的数量，反应物（水）的浓度下降，化学反应的速度就变慢。 4、许多以酶为催化剂的酶促反应，水除了起着一种反应物的作用外，还能作为底物向酶扩散的输送介质，并且通过水化促使酶和底物活化。 当Aw值低于0.8时，大多数酶的活力就受到抑制； 若Aw值降低到0.25～0.30的范围，则食品中的淀粉酶、多酚氧化酶和过氧化物酶就会受到强烈的抑制甚至丧失活力。 但脂肪酶，Aw在0.3时，可阻止脂类氧化，使氧化速率变得最小，当Aw降低至低于0.1时，其活力反而增大，脂类氧化反应很迅速。 因此，绝大多数不利食品品质稳定的反应是在MSI的П区中后部和Ш区发生，因而在具有中高水分活度（Aw=0.7~0.9）的食品中发生最快。 而最小反应速度一般首先出现在MSI的区域Ι区和П区之间的边界（Aw=0.2~0.3），当进一步降低Aw时，除了脂类氧化反应外，其他反应的反应速度全部保持在最小值，此时的水分含量是单层水分含量。 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。 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。式中：Aw-水分活度，m-水分含量，m1-单分子层水含量，C-常数。利用对Aw作图，可得到一直线(BET直线)。BET直线在Aw值约大于0.35时，线性关系开始出现偏差。单分子层水分含量为：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为0.0886g/g干物质）(五)降低水分活度的方法 脱水：干燥、冷冻等 添加亲水性物质：盐（食盐、乳酸盐），糖（果糖、葡萄糖），多元醇（甘油、丙二醇、山梨醇） 通过化学修饰或物理修饰，使食品中原来隐蔽的亲水基团裸露出来，以增加对水分子的约束。二、冷冻与食品稳定性（一）冷藏时冰对食品稳定性的影响 冷冻法是保藏大多数食品最理想的方法，其作用主要在于低温，而不是因为形成冰。 具有细胞结构的食品和食品凝胶中的水结冰，将出现两个非常不利的后果：①水结冰后，食品中非水组分的浓度将比冷冻前变大（浓缩效应）；②水结冰后其体积比结冰前增加9%。 冷冻对反应速度有两个相反的影响，即降低温度使反应变得非常缓慢，而冷冻所产生得浓缩效应却又导致反应速度的增大。 虽然冷冻有时会使某些反应速度加快（在冰点以下较高的温度），但大多数反应在冷冻时是减速的，因此冷冻仍然是一种有效的保藏方法。 随着食品原料的冻结、细胞内冰晶的形成，将破坏细胞的结构，细胞壁被穿透发生机械损伤； 解冻时细胞内的物质就会移至细胞外，致使食品汁液流失；结合的水减少，使一些食物冻结后失去饱满性、膨胀性和脆性，对食品质量造成不利影响。 采取速冻、添加抗冷冻剂等方法可降低食品在冻结的不利影响，更有利于冻结食品保持原有的色、香、味和品质。 在食品冻藏时,要尽量保持温度的恒定。因为在冻藏过程中温度出现波动，温度升高时，已冻结的小冰晶融化；温度再次降低时，原先未冻结的水或先前小冰晶融化的水将会扩散并附着在较大的冰晶表面，造成再结晶的冰晶体积增大，这样对组织的破坏性很大。 解冻时，采用缓慢解冻的方法较好。 （二）玻璃化温度与食品稳定性 无定形态：物质所处的一种非平衡、非结晶状态； 玻璃态：既像固体一样具有一定的形状和体积，又像液体一样分子间排列只是近似有序； 橡胶态：大分子聚合物转变成柔软而具有弹性的固体，分为玻璃态转变区域、橡胶态平台区、橡胶态流动区； 黏流态：大分子聚合物链能自由运动，出现类似一般液体的黏性流动的状态。 玻璃化转变温度（Tg、Tg′）：指非结晶态的食品体系从玻璃态到橡胶态的转变时的温度。 Tg′是特殊的Tg，是指食品体系在冰形成时具有最大冷冻浓缩效应的玻璃化转化温度。 Tm为熔融温度。 随着温度的升高，无定形聚合物可经历3个不同的状态即：玻璃态、橡胶态、黏流态。 当T<Tg时，大分子聚合物的分子链段不能运动，呈玻璃态； 当T=Tg时，链段运动开始激发，处于玻璃态转变区域； 当Tg<T<Tm时，链段可以自由运动，但整个分子链的运动受到很大抑制，聚合物柔软而具有弹性，处于橡胶态平台区； 当T=Tm时，大分子聚合物整链开始滑动，处于橡胶态流动区； 当T>Tm时，大分子聚合物链能自由运动，处于黏流态。 状态图：补充的相图，包含平衡状态和非平衡状态的数据。 由于干燥、部分干燥或冷冻食品不存在热力学平衡状态，因此其状态图非常有用。 在恒压下，以溶质含量为横坐标，以温度为纵坐标做出二元体系状态图。 图中的粗实线和粗曲线均代表亚稳态。共晶温度玻璃化转变温度 玻璃态下未冻结的水分子被束缚在由极高溶质黏度所产生的具有极高黏度的玻璃态下，水分子不具有反应活性，使整个食品体系以不具有反应活性的非结晶固体形式存在。 在Tg下，食品具有高度的稳定性。 低温冷冻食品的稳定性可以用该食品的Tg与贮藏T的差来决定，差值越大，食品的稳定就越差。 食品中的水分含量和溶质种类显著地影响食品的Tg。但Tg′只依赖溶质种类。 （三）水分转移与食品稳定性 水分的位转移：在同一食品的不同部位或在不同食品之间发生，导致原来水分的分布状况的改变。 水分的相转移：特别是气相和液相水的互相转移，导致食品含水量的改变。 食品中水分的相转移主要形式为水分蒸发和蒸汽凝结。第六节分子移动性与食品的稳定性 （一）分子移动性（Mm） 又称分子流动性，是分子的旋转移动和平动移动的总度量。 物质处于完全而完整的结晶状态，或处于完全的玻璃态时，其Mm值为零。 决定食品Mm值的主要成分是水和食品中占优势的非水组分。 绝大多数食品的Mm值不等于零。 大多数食品都是亚稳态或非平衡状态存在的，其中大多数物理化学和一部分化学变化由Mm值控制。 分子移动性关系到许多食品的扩散限制性质，这类食品包括淀粉食品（如面团、糖果和点心）、以蛋白质为基料的食品、中等水分食品、干燥或冷冻干燥的食品。 （二）水分活度、分子移动性和Tg在预测食品稳定性的比较 水分活度方法主要是研究食品中水的有效性（可利用性），如水作为溶剂的能力； 分子移动性主要是研究食品的微观黏度和化学组分的扩散性，它也取决于水的性质； 玻璃化转变温度是从食品的物理特性的变化来评估食品稳定性的方法。 在估计有扩散限制的性质时，Mm方法明显地更为有效，Aw指标在预测冷冻食品物理或化学性质是无用的。 在估计食品保藏在接近室温时导致的结块、黏结和脆性等物理变化时，Mm方法和Aw方法有大致相同的效果。 估计在不含冰的产品中微生物生长和非扩散限制的化学反应速度时，Mm方法的实用性明显的较差和不可靠，而Aw方法更有效。本章小结 水是食品中最丰富的成分，对食品性质是极其重要的，是食品易腐败的原因，是决定食品中各种化学反应速度的因素，是导致在冷冻期间发生不良反应的一个因素。 水分在食品的存在状态直接影响到食品的性质。 水分含量、水分活度、玻璃化转变温度及分子移动性都是预测食品贮藏稳定性的重要参数。思考题 名词解释 结合水体相水水分活度 水分的吸湿等温线等温线的滞后现象 玻璃态玻璃化转变温度分子移动性 问答题 1、水分活度与食品稳定性的关系。 2、水分活度对脂质氧化的影响规律并说明原因。 3、水分的吸附等温线的定义，以及3个区段的水分特性。 4、结合水和体相水的定义及区别。 5、冰对食品稳定性有何影响？采取哪些方法可以克服冷冻法保藏食品的不利因素？ 6、食品中的离子、亲水性物质、疏水性物质分别以何种方式与水作用？食品中水的存在形式有哪些？各有何特点？ 7、水主要具有那些异常的物理性质并简要说明原因？*9