1、第三讲 水分和水分活度的测定 主要内容 概述 水的结构及其状态变化 食品中水分子的存在状态 食品中水物质的相互作用 水含量、水活度定义及其测定 水分子的重要性 图 1 通过细胞壁的分子通道 许多这样的通道专门为特殊的离子或分子所使用而且不允许其它类型的物 质通过。图左为水通道，图右是离子通道 自然界中的水 食品中的水 1.主要组成成分 2.水分子的含量和分布直接 影响到食品的外观、色泽、 风味、质量、状态、贮藏时 间及其对腐败的敏感性等。 3.不同的食品有其特征性的 水分含量。如 :面包 35 45 ；奶粉 4；肉 80；谷 物， 10 15等 水分子：唯一的以三种状态广泛存在的物质 Wate
2、r vapor Water Ice 水分子的结构 结构特征 水分子的四面体结构有对称性 H O共价键有离子性 氧的另外两对孤对电子有静电力 H O 键具有电负性 分子的缔合 1）水分子在三维空间形成多重氢键的缔 合。 2）每个水分子具有相等数目的氢键给体 与受体，能够在三维空间形成氢键网络结 构。 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，这种极性使分子间产生引力 。 2）由于每个水分子具有数目相等的氢键 受体和供体，因此可以在三维空间形成多 重氢键。 3）静电效应 食品中水分子的存在状态 结构水 : 水和其它食品成分，如蛋白等， 紧密结合在一起。 40 以下不
3、结冰 不能做为其它添加溶质的溶剂 与纯水比较分子平均运动为 0 不能被微生物利用 邻近水 : water that strongly interacts with specific hydrophilic sites of nonaquous constituents.不是其物质结构组成部分 40 以下不结冰 无溶解溶质的能力 与纯水比较分子平均运动大大减少 不能被微生物利用 此种水很稳定，不易引起食品的腐败变质 多层水 : water that occupies remaining first layer sites and forms several additional layers a
4、round hydrophilic groups of nonaqueous constituents; water water and water-solute hydrogen bonds predominate. 大多数多层水在 40 以下不结冰；有的可结冰，但冰 点大大降低。 有一定溶解溶质的能力， 与纯水比较分子平均运动大大减少 不能被微生物利用 Free water: water that occupies positions furthest removed from nonaquous constituents; water-water hydrogen bonds predo
5、minate. has properties similar to water in a dilute salt solution; macroscopic flow is unimpeded 能结冰，但冰点有所下降 溶解溶质的能力强，干燥时易被除去 与纯水分子平均运动接近 适合微生物生长和大多数的化学反应，易引起 食品的腐败变质，但与食品的风味和功能性紧 密相关。 Entrapped water that occupies positions furthest removed from nonaqueous constituents; waterwater hydrogen bonds pr
6、edominate; has properties similar to water in a dilute salt solution, except macroscopic flow is impeded by matrix of gel or tissue. 能结冰，但冰点有所下降 溶解溶质的能力强，干燥时易被除去，冷冻时易结冰 与纯水分子平均运动接近 适合微生物生长和大多数的化学反应，易引起食品的腐败变质，但 与食品的风味和功能性紧密相关。 如：当组织状食品被切割或跺碎时水分不会流出，这部分水的整体流 动收到严格限制，但各个分子分子运动基本与在稀盐溶液中的水分 子运动相同。 截留水的损
7、害对食品质量会有很大影响：凝胶脱水收缩、冷冻食品 的解冻渗出等 水和溶质间的相互作用 -物质结构变化 水与离子基团的相互作用 离子效应影响水分子的存在结构状态，从而影响其它非水溶质或悬浮在介质 中的物质的 “相容状态 ”，从而影响物质整体的稳定性、存在状态等。 水与有氢键键合能力的中性基团的相互作用，如羟基、氨基、羧基等 （ 作用力小于水和离子间的力） 1） 曾发现在生物大分子之间的有几个水分子构成的桥结构， (木瓜蛋白酶中存 在三分子水桥 )。 2）水分子与蛋白质二级结构的结合，不仅决定蛋白质的结构，而且还决定分子 的振动。 水与疏水基团的相互作用 1）疏水集团相互聚集，减少与水的接触面积，
8、结果导致自由水分子增多； 水分含量测定 定义 物质中的水含量百分比 检测方法 1） 干燥法 2） 蒸馏法 3）卡尔费休法 (化学方法） 4）物理检测法 干燥法： 直接干燥法 减压干燥法（可低温，低于 70 ） 特点：简单、操作简便、快速、粗略 使用范围： 1）水分为唯一挥发物； 2）自由水含量高，易去除； 3）高温导致的物质间反应引起的质量变化可忽视。 蒸馏法 1 蒸馏瓶； 2 加热装置； 3 升降台； 4 冷凝管； 5 连接接收装置 采用与水互不相容的高沸点有机溶剂与样品中的水共沸蒸馏，收集水馏分，计算容量 ，从而得知食品中水分含量。如香料中水分测定。 注意事项： 1）溶剂的选择 物质的性质
9、、可燃性、热传导等。 如：热不稳定的食品，要选择低沸点的溶 剂 化学法 卡尔 费休法 简称费休法，是 1935年卡尔 费休 (KarlFj scher) 提出的测定水分的容量分拆方法。费休法是测定物质水分 的 各类化学方法中，对水最为专一、最为准确的方法。虽属 经 典方法但经过近年改进，提高了准确度，扩大了测量范围 ， 已被列为许多物质中水分测定的标准方法。费休法属 碘量 法 ，其基本原理是利用碘氧化二氧化硫时，需要一定量的 水参加反应： 12十 S02十 2H2 =2HI十 H2SO4 (1) 上述反应是可逆的。为了使反应向正方向移动并定量进行 ，须加入碱性物质。实验证明，吡啶是最适宜的试剂
10、， 同时吡啶还具有可与碘和二氧化硫结合以降低二者蒸气 压的作用。因此，试剂必须加进甲醇或另一种含活泼 OH基的溶剂，使硫酸酐吡啶转变成稳定的甲基硫酸氢 吡啶。 物理法 折光法 红外吸收光谱法 电导率法 介电容量法 Aw与温度的关系 可用克劳修斯 -克拉伯龙方程来表示。 In Aw = - H /RT + C T-绝对温度， R-气体常数 H-样品中水分的吸湿热 食品在冻结点上下水分活度的比较： （）冰点以上，食物的水分活度是 食物组成和食品温 度的函数 ，并且主要与 食品的组成 有关；而在冰点以下 ，水分活度与食物的组成没有关系，而仅与食物的温度 有关。 （）冰点上下食物的水分活度的大小与食物
11、的理化特 性的关系不同。如在 -15 时，水分活度为 0.80，微生物 不会生长，化学反应缓慢，在 20 时，水分活度为 0.80 时，化学反应快速进行，且微生物能较快的生长。 C 不能用食物冰点以下的水分活度来预测食物在冰点以 上的水分活度，同样，也不能用食物冰点以上的水分活 度来预测食物冰点以下的水分活度。 水分活度对食品品质的影响 对食品保鲜的影响 Aw 0.6 ， 嗜干旱的的霉菌和酵母都会生长 . Aw0.7 ，易于霉菌生 长 Aw0.75，易于嗜 盐 的微生物生 长 Aw0.8 ，易于胶木生 长 Aw0.86， 易于病原微生物的生 长 ，如金黄 色 葡萄球菌 对食品中易氧化性物质的影
12、响 Aw = 0-0.35范围内，随着 Aw增加，反应速度 降低，原因： 水与脂类物质氧化生成的 氢过氧化物 以氢键 结合，保护氢过氧化物的分解，从而阻止氧 化的进一步进行。 这部分水能与金属离子形成水合物，降低了 其催化性。 当 Aw在 0.35 0.8范围内，随着 Aw增加，反应速度增加 ，原因： 水中溶解氧增加 大分子物质肿胀，活性位点暴露，加速脂类物质氧化 催化剂和氧的流动性增加 当 Aw大于 0.8，随着水活度增加，反应速度增加 的原因 ： 催化剂和反应物被稀释 对食品质地的影响 食品在超过临界 Aw，食品的结构和质地发生变化 影响干燥和半干燥食品的质地，如欲保持饼干、油 炸薯片、玉
13、米花、防止砂糖、奶粉的结块，糖果的 粘结等，要保持适当低的 Aw 水活度的测定 溶剂萃取法 扩散法 相对湿度传感器测定法 溶剂萃取法 原理：在一定温度下，苯所萃取出的水量与 样品中水相的水分活度成正比。用卡尔 费休法分别测定苯从食品和纯水中萃取出 的水量并求出两者之比，即为样品的水分 活度。 扩散法（恒定相对湿度平衡法） 原理：样品在微量扩散皿中，在恒温条件 下，根据样品在不同的标准饱和溶液中平衡 后，质量的增加或者减少，作图，横坐标为 水活度，纵坐标为质量变化。从而计算水分 活度。 相对湿度传感器测定法 将已知含水量的样品置于恒温密度的容器 中，使其达到平衡，然后用电子或者湿度 测定仪测样品和环境空气的平衡相对湿度 ，即可得到 Aw。
