第一章 食用化学
Chemistry of Components in Food 第一节人体营养与食品化学 1-4 水(Water)
? 教学目的：了解各种食品的含水量、水分活性的概念；了解水的存在状态 。 ? 教学重点: 水分活度、水的存在状态、冷冻对食品组织的影响、水分的生理意义 ? 教学难点：水分活度、水的存在状态 ，结合水的性质
水分在各种食品中均含有，而且往往是含量最高的成分(如储藏的干燥谷物和豆类等种子中也达到13?15％，水果蔬菜中可高达90%以上）。也是人体中需要量最大的食品成分(人体中有机物和水分占总重90%，无机质灰分占10%)，故列为人体不可缺少的六大营养成分之一，发挥着极其重要的生理作用。 1.4.1 水分的生理意义
1.水是食品组成的重要部分(P26表1-15)，各种食品都有其特定的水分含量，因此才显示出其各自的色、香、味、形特征。不同食品中水分含量的高低，存在形态的不同对食品的鲜度、硬度、流动性、呈味性、保藏性和加工性等方面均有明显影响。
2.水分是体内化学作用的介质，也是生物化学反应的反应物，同时也是组织和细胞所需的养分和代谢物在体内运转的载体。如水除了溶解水溶性的糖类和盐类外，还起着分散蛋白质、脂类和淀粉、使其形成溶胶的作用。水分也是微生物繁殖的重要因素
3.水的热容量大，蒸发潜热大，可通过血液流动和蒸发汗水散热，平衡和调节体温，保持体温恒定。
1-4.2水的性质 1-4.2.1 水的结构
? 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，为四面体结构，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。
气态水分子两个O—H键的夹角即(H—O—H)的键角为104.5°，O—H核间距0.96?，氢和氧的范德瓦尔斯半径分别为1.2和1.4?。
在液态水中，若干个水分子会缔合成(H2O)n大分子，这是由于水分子偶极分子之间的静电吸引力及产生氢键键合作用形成的。氧原子的两个孤对电子与邻近的两个水分子的氢原子产生氢
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键键合，形成如图所示的四面体结构。
? 固态水（冰），是水分子有序排列成的大且长的晶体，是水分子靠氢键连接构成非常“疏松”
的刚性结构。
? 冰比液态水的结构更为“疏松”,比容较大。
? 冰有11种结构，但六方型是大多数冷冻食品中重要的冰结晶形式。
冷冻对食品组织的影响
? 食品冷冻时，由于水转变成冰可产生“浓度效应”，非水组分几乎全部浓集到未结冰的水中，效
果类似食品的脱水
? 水结冰时膨胀会产生局部压力，使细胞受到损伤，从而使冷冻食品质地发生物理变化，特别
是会使食品在解冻时发生软疡
? 同时还会引起乳化液失去稳定性，蛋白质絮凝，使食品质地变硬等 ? 缓慢冷冻，会使大冰晶全部分布在细胞外部 ? 快速冻结，可在细胞内外都形成冰晶
1-4.2.2 水的性质
? 1. 水的比热、汽化热、熔化热大：这是由于水分子间强烈的氢键缔合作用产生的，当发生相转变时，必须供给额外能量破坏分子间的氢键。这对食品冷冻、干燥和加工都是非常重要的因素。这也是生物体温维持恒定的重要原因。
? 2. 水的介电常数大、溶解力强：因此水溶解离子型化合物的能力较强；非离子极性化合物如
糖类、醇类、醛类等可与水形成氢键而溶于水中；不溶于水的物质如脂肪和某些蛋白质，也能在适当的条件下分散在水中形成乳浊液或胶体溶液。所以说，水是体内各种物质运输的载体。
? 1-4. 2.3 水的存在状态
? 水在食品中以游离水和结合水两种状态存在
? 游离水（free water） ：不与食品中任何成分化合或吸附的水，具有纯水的性质，有流动性，
也称自由水或体相水（ bulk water)
? 结合水(bound water) ：与蛋白质、碳水化合物等以氢键结合着而不能自由运动的水 与游离
水相比，结合水呈现低的流动性和其它显著不同的性质 1、 它的冰点为－40 ?C
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2、 它没有溶剂作用
3、 食物中的微生物孢子不能利用结合水进行发芽和繁殖，因而，只要从食品中除去自由水，就可使食品安全地保藏。
? 水分活度----是指食品在密闭容器内测得的水蒸气压力（P）与同温
度下测得的纯水蒸气压力(P0)之比.
? 即 Aw = P/ P0
? 根据拉乌尔定律水分活度的计算：Aw = P/ P0 = N/ N+n ? P27例题
水活度与食品保存性的关系
? 当aw小于0.2时，除了氧化反应外，其它反应处于最小值
? 当aw=0.7～0.9时，美拉德褐变反应、脂类氧化、维生素Bl降解、叶绿素损失、微生物繁殖和
酶反应均显示出最大速率。
本章思考题
解释纯净水、矿泉水、直饮水、磁化水、多维水、活性水及富氧水等新型饮用水
水是食品中的重要成分，也是大多数食品的主要组分。水的含量、分布和取向不仅对食品的结构、外观、质地、风味、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也起着至关重要的作用。
一、水的部分性质及生理作用
水结冰时体积增大，表现出膨胀特性。水的热导值大于其它液态物质，冰的热导值略大于非金属固体。0℃时冰的热导值约为同一温度下水的4倍，这说明冰的热能传导速率比生物组织中非流动的水快得多。从水和冰的热扩散值可看出水的固态和液态的温度变化速率，冰的热扩散速率为水的9倍；在一定的环境条件下，冰的温度变化速率比水大得多。水和冰无论是热传导或热扩散值都存在着相当大的差异，因而可以解释在温差相等的情况下，为什么生物组织的冷冻速度比解冻速度更快。
冰是由水分子有序排列形成的结晶。冰有11种结晶类型，如六方型；不规则树枝状；粗糙球状；易消失的球晶等，六方型是大多数冷冻食品中重要的冰结晶形式，它是一种高度有序的普通结构。样品在最适度的低温冷却剂中缓慢冷冻，并且溶质的性质及浓度均不严重干扰水分子的迁移时，才有可能形成六方型冰结晶。然而高浓度明胶水溶液冷冻时则形成具有较大无序性的冰结构。显然，像明胶这类大而复杂的亲水性分子，不仅能限制水分子的运动，而且阻碍水形成高度有序的六方型结晶。左图为冰的扩展结构(O和● 分别表示基础平面的上层和下层氧原子)。
具有细胞结构的食品和食品凝胶中的水结冰时，将出现两个非常不利的后果，即水结冰后，食品中非水组分的浓度将比冷冻前变大；同时水结冰后其体积比结冰前增加9％。
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水溶液、细胞悬浮液或生物组织在冻结过程中，溶液中的水可以转变为高纯度的冰晶，因此，非水组分几乎全部都浓集到未结冰的水中，其最终效果类似食品的普通脱水。
食品冻结出现的浓缩效应，使非结冰相的pH、可滴定酸度、离子强度、粘度、冰点、表面和界面张力、氧化-还原电位等都将发生明显的变化。此外，还将形成低共熔混合物，溶液中有氧和二氧化碳逸出，水的结构和水与溶质间的相互作用也剧烈地改变，同时大分子更紧密地聚集在一起，使之相互作用的可能性增大,如氧化反应加快、蛋白质溶解度降低等，这都会对食品质量产生重要的影响。 水是维持动、植物和人类生存必不可少的物质之一。水的生理功用如下：
1、水的溶解力很强，食物中各种无机及有机物质都很容易溶于水中，即使不溶于水的物质如脂肪和某些蛋白质，也能在适当条件下分散于水中，成为乳浊液或胶体溶液。 2、水是体内各种物质运输的载体。
3、水的比热及蒸发潜热大，能使生物体温维持恒定。
4、水是体内关节、肌肉等摩擦的润滑剂，食物吞咽需水的帮助。 二、食物的含水量
食品的含水量除谷物和豆类等种子外（123/416％），一般都比较高（603/490％），水是食物各种组分中数量最多的组分。
表1-1 部分食品的含水量
食 品 肉类 猪肉 牛肉(碎块) 鸡(无皮肉) 鱼(肌肉蛋白) 水果 香蕉 浆果、樱桃、梨、葡萄、猕猴桃、柿子、榅桲、菠萝 苹果、桃、桔、葡萄柚、甜橙、李子、无花果 草莓、杏、椰子 蔬菜 青豌豆、甜玉米 甜菜、硬花甘蓝、胡萝卜、马铃薯 芦笋、青大豆、大白菜、红辣椒、花菜、莴苣、西红柿、西瓜 谷物 全粒谷物 面粉、粗燕麦粉、粗面粉 乳制品 奶油 山羊奶
含水量(%) 53-60 50-70 74 65-81 75 80-85 85-90 90-95 74-80 80-90 90-95 10-12 10-13 15 87 4
奶酪(含水量与品种有关) 奶粉 冰淇淋 人造奶油 焙烤食品 面包 饼干 馅饼 糖及其制品 蜂蜜 果冻、果酱 蔗糖、硬糖、纯巧克力 40-75 4 65 15 35-45 5-8 43-59 20 ≤35 ≤1 食品的含水量与其风味及腐败和发霉等现象有极大关系，如香肠的口味就与其吸水、持水情况关系很大，而含水多的食物都容易发霉、腐败。此外，食品中水分含量的变化也常引起食品的物理性质发生变化，如面包和饼类烘烤后变硬就不仅是失水干燥；而且也是水分含量的变化，使得淀粉结构发生变化的结果。 三、水分子的缔合作用
水分子中的氢、氢原子呈V字形排序，O—H键具有极性，所以分子中的电荷是非对称分布的，这种极性使水分子间产生吸引力，因此，水分子能在三维空间形成多重氢键键合。氢键(键能2-40KJ/mol)与共价键(平均键能约355KJ/mol)相比较，其键能很小，键较长，易发生变化，氧和氢之间的氢键离解能约为13-25KJ/mol。根据水在三维空间形成氢键键合的能力，可以从理论上解释水的许多性质。例如，水的热容量、熔点、沸点、表面张力和相变热都很大，这些都是因为破坏水分子间的氢键需要供给足够的能量。水的介电常数也同样受到氢键键合的影响。虽然水分子是一个偶极子，但单凭这一点还不能满意地解释水的介电常数的大小。水分子之间靠氢键键合而形成的水分子簇显然会产生多分子偶极子，这将会使水的介电常数明显增大。水分子的这种排列是动态的，它们之间的氢键可迅速断裂，同时通过彼此交换又可形成新的氢键，因此能很快地改变各个分子氢键键合的排列方式。但在恒温时整个体系可以保持氢键键合程度不变的完整网络。
关于水的结构目前提出了三种结构模型：即混合型结构、填隙结构和连续结构(或均匀结构)模型。混合型结构体现了分子之间氢键的概念，由于水分子间的氢键相互作用，它们短暂聚集成由3、4、5或8聚体等构成的庞大水分子簇。这些水分子簇与其他更紧密的分子处于动态平衡（水分子簇的瞬间寿命约为10-11秒）。
连续结构模型的概念是分子间的氢键均匀地分布在整个水体系中，当冰熔化时，许多氢键发
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1-4 水(Water)
