水和冰 - 細胞生物學在線

1、水 分,,生物體內的水分含量,通常占生物體重量的50～90％成年人體內水分含量：58～67％； 人體中水分含量隨年齡增大而減少；在體內分布亦不均衡。植物體內水分含量與分布也因植物種類、部位、發(fā)育狀況而異，變化很大,人體內水的分布,含水量：隨年齡、性別不同而有差異 新生兒：75～80％ ；成年男子：60％； 成年女子：50～55％；老年人：40～50％各組織器官的含水量（％）,飲料中所含成分（

2、100g可食部計）,蔬菜、水果中的含水量（100g可食部計）,本章主要內容,水和冰的物理特性及其在食品中的應用水和冰的結構水與溶質的相互作用及水分的存在狀態(tài)水分活度與水分的吸著等溫線水分活度與食品穩(wěn)定性冰在食品穩(wěn)定中的作用,水與冰的物理特性,水的熔點、沸點較高介電常數、表面張力、熱容和相變熱高黏度低、密度與溫度密切相關：水結冰時體積增加，表現出異常的膨脹特性導熱性：通常用導熱率和熱擴散系數表示；冰的導熱性優(yōu)于水,水的物理

3、性質在食品加工中的作用,水分子極性大，分子小，能使許多食品成分分子表面帶有水膜水是食品加工中優(yōu)良的熱介質 水的沸點高，且沸點隨壓力而變 水的熱容大，載熱能力強（尤其水蒸氣）水的溶解能力強,水分子的結構,,水分子的締合,水分子的締合,,水分子的締合,水締合體的氫鍵結合程度受多重因素影響： 其中重要的是溫度和其它溶質的影響。 溫度決定：

4、 分子間距離 配位數,水和冰的結構,,冰的結構,,水和冰的結構,液態(tài)水的結構和冰的結構的區(qū)別 在于它們的配位數和兩個水分子間的距離。水與冰結構中水分子之間的配位數和距離,水與溶質的相互作用,水與溶質的相互作用 *水與離子和離子基團的相互作用 *水與具有氫鍵鍵合能力的中性基團的相互作用 *水與非極性物質的相互作用 食品中水分的存在狀態(tài),,水與離子和離子基團的相互作用,

5、離子或離子基團通過自身的電荷與水分子偶極產生相互作用，稱為離子的水合作用。水合使離子轉變?yōu)樗想x子，離子的性質就發(fā)生了一定變化。,水與離子和離子基團的相互作用,水分子同Na+的水和作用能約83.68kJ.mol-1，是水分子之間氫鍵結合能的4倍。,水與離子和離子基團的相互作用,離子結構：半徑大、電場強度弱的離子→與水作用力較弱→水化膜較薄半徑小、電場強度強的離子→與水作用力較強→水化膜較厚,水分子結構：半徑大、電場強度弱的離子→

6、與水作用力較弱→破壞水的網狀結構半徑小、電場強度強的離子→與水作用力較強→使水的網狀結構更趨緊密,水與具有氫鍵鍵合能力的基團的相互作用,水與溶質之間的氫鍵鍵合比水與離子之間的相互作用弱，與水分子間的氫鍵相近。當體系中添加具有氫鍵鍵合能力的溶質時，每摩爾溶液中的氫鍵總數不會明顯的改變。如果與溶質形成的氫鍵部位的分布和定向在幾何上與正常水的氫鍵部位是不相容的，具有結構破壞效應。,水與具有氫鍵鍵合能力的基團的相互作用,生物大分子中有許多

7、可與水分子形成氫鍵的基團，水分子介入形成的氫鍵對生物大分子的結構與功能及食品功能性都有重要的影響。在生物大分子的兩個部位或兩個大分子之間可形成有幾個水分子所構成的“水橋” 。,大分子中存在的“水橋”,,水與非極性基團的相互作用,非極性基團的物質——疏水物質疏水基團與鄰近的水分子僅產生微弱的相互作用——相互排斥，鄰近疏水基團的水比純水的結構更為有序——疏水水合作用。疏水水合產生兩個結果：籠形水合物蛋白質中的疏水相互作用,水與非極

8、性物質的相互作用,非極性物質能和水形成籠形水合物：水是這類化合物的“宿主”，它們靠氫鍵鍵合形成象籠一樣的結構，通過物理方式將非極性物質截留在籠中，被截留的物質稱為“客體”。為使疏水水合這種作用的熱力學不利變化降到最小，疏水基團盡可能相互聚集，使其同水分子接觸的機會降至最低限度——疏水相互作用。,疏水水合作用的結果是促進了非極性物質之間的締合，從而減少水與非極物質的界面面積，這是一個熱力學上有利的過程（△G<0），此過程稱為疏水相

9、互作用,,疏水相互作用示意圖,（A）,（B）,,B,A,疏水水合,疏水相互作用,疏水相互作用是蛋白質折疊的主要驅動力,,水與溶質的相互作用,水—溶質的相互作用分類,食品中不同狀態(tài)水的性質比較,食品中水分的存在狀態(tài),,,食品中水分的存在狀態(tài),,食品中水的存在形式,結合水：一般包括化合水、鄰近水及幾乎全部多層水。化合水（組成水、構成水）：與非水物質結合最強的，并作為非水組份整體部分的水。鄰近水：與非水組分的特異親水位置通過水－離子和水－

10、偶極間的締合產生強烈的相互作用的水。多層水：在鄰近水外層通過水－水和水－溶質間的氫鍵與非水組份緊密結合的水。,食品中水的存在形式,游離水（體相水）：占據著與非水組份相距很遠位置的水；它們具有與稀溶液中的水相似的性質。持水力（持水容量）： 通常用來描述分子（一般是指低濃度存在的大分子化合物）構成的基體通過物理方式截留大量水，阻止水滲出的能力。持水力的變化對食品品質影響極大,食品中水的存在形式,水分活度,水分活

11、度的定義： aw ＝ f／f o ≈ p / po ≈ERH/100 水分活度是樣品固有的一種性質；平衡相對濕度（ERH）是空氣與樣品中的水蒸汽達到平衡時大氣所具有的一種特性。水分活度隨溫度而變。一般：溫度每變化10℃， aw 變化0.03～0.2 。水分活度與產品的種類（食品中的組分）有關。,水分活度與食品水分含量的關系,食品中水分活度與食品水分含量是兩個不同的概念。,aw=0.7時

12、若干食品中的含水量（g水/g干物質）,水分活度,高于和低于凍結溫度的水活性的三個重要區(qū)別：凍結溫度以上， aw 是樣品組分和溫度的函數，前者是主要的因素；但在凍結溫度以下時， aw 與樣品中的組分無關，只取決于溫度。凍結溫度以上和凍結溫度以下水分活度對食品穩(wěn)定性的影響是不同的。低于凍結溫度時的aw不能用來預測凍結溫度以上的同一食品的aw 。,水分活度,水分活度的測定方法：水分活度儀測定恒定相對濕度平衡室法化學法相對濕度傳感

13、器測定法冰點測定法,水分吸著等溫線,水分吸著等溫線： 又稱水分吸附等溫線，指在恒定溫度下，食品水分含量（用每單位干物質質量中水的質量表示）與水分活度的關系曲線圖，簡稱MSI。,水分吸著等溫線,吸附等溫線的分區(qū),等溫線區(qū)Ⅰ中的水： 食品中吸附最牢固和最不容易移動的水，靠水－離子或水－偶極相互作用吸附在極性部位。 在區(qū)間Ⅰ的高水分末端位置的水相當于食品的“BET單分子層”水含

14、量，它相當于與干物質牢固結合的最大數量的水。,等溫線區(qū)Ⅱ中的水： 多分子層水，主要靠水－水和水－溶質的氫鍵鍵合作用與鄰近的分子締合。 向含有相當于區(qū)間Ⅰ和區(qū)間Ⅱ邊界位置水含量的食品中增加水，所增加的水將會使溶解過程開始，并且具有增塑劑和促進基質溶脹的作用。由于溶解作用的開始，引起體系中反應物移動，使大多數反應的速率加快。,吸附等溫線的分區(qū),吸附等溫線的分區(qū),等溫線區(qū)Ⅲ中的水：

15、 是食品中結合最不牢固和最容易流動的水，即游離水。 在凝膠和細胞體系中，因為體相水以物理方式被截留，所以宏觀流動性受到阻礙，但它與稀鹽溶液中水的性質相似；這部分水既可以結冰也可以作為溶劑，并且還有利于化學反應的進行和微生物的生長。,,水分吸著等溫線與溫度的關系： 一定的水分含量時，水活性隨溫度的上升而增大。,,滯后現象： 采用向干燥樣品中添加水（回吸作用）的方法

16、繪制水分吸著等溫線和按除去水（解吸）過程繪制的等溫線并不重疊，這種不重疊性稱為滯后現象。,,滯后作用的大小、曲線的形狀和滯后回線的起始點和終止點都不相同，它們取決于食品的性質和食品除去或添加水份時所發(fā)生的物理變化，以及溫度、解吸速率和解吸時的脫水程度等多種因素。,水分活度與食品的穩(wěn)定性,,低于結冰溫度時冰對食品穩(wěn)定性的影響,食品中的水結冰時出現的兩個不利后果：水結冰后，食品中非水組份的濃度將比冷凍前變大——冷凍濃縮效應水結冰后，體積

17、比結冰前增加9％,冷凍對食品穩(wěn)定性的有利方面：低溫下微生物的繁殖被抑制溫度降低，大部分化學反應的反應速率降低,冰的凍結規(guī)律,純水的凍結曲線,蔗糖溶液的凍結曲線,不同凍結速率的食品物料的凍結曲線,冰的凍結規(guī)律,過冷狀態(tài)、晶核食品中含有一定水溶性成分，使食品的結冰溫度（凍結點）降低；隨著凍結量的增加，凍結點持續(xù)下降到更低，直到食品內溶液濃度增加到一定濃度后不再改變。低共熔點：水和其溶解物開始共同向固體轉化的溫度。約：－55℃～－65

18、℃ －18 ℃：食品中絕大部分水已凍結 －1 ℃ ～－4 ℃：完成大部分冰的形成過程,冰的凍結規(guī)律,冰有11種結構，在常壓和0℃時，只有普通正六方晶系是穩(wěn)定的；冷凍食品中存在六方型、不規(guī)則樹枝狀、粗糙的球形和易消失的球晶四種主要冰晶體結構。水凍結時，冰晶體的大小和結晶速度受溶質、溫度、溫度降低速度等因素的影響：冰晶的大小與晶核數目有關，形成的晶核越多則晶體越小。結晶溫度和結晶熱傳遞速度直接

19、 影響晶核數目的多少。溶質的種類和數量也會影響冰晶體的 數量、大小、結構、位置和取向。,冷凍過程中溫度降低和溶質濃縮對化學反應速度的最終影響,,,,,冷凍過程中酶促反應被加速的例子,討論題（速凍食品）,速凍加工過程中：凍結前需進行的處理凍結條件的要求及控制速凍食品的貯藏、運輸及保存對貯藏、運輸的要求（冷鏈的溫度控制）家庭中選擇和保存速凍食品的注意事項凍干食品——工藝原理及食品特點,提出做法闡明原理、依據