食品化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、食品化学食品化学Food Chemistry贺贺 江江Tel:15115667084Tel:15115667084E-mail:E-mail:QQ:15881481QQ:15881481第1页第二章第二章 水水Chapter 2 WaterChapter 2 Water第2页内容提要内容提要n2.1 2.1 概述概述n2.2 2.2 水和冰结构与性质水和冰结构与性质n2.3 2.3 食品中水存在状态食品中水存在状态n2.4 2.4 水分活度水分活度n2.5 2.5 水与食品稳定性水与食品稳定性n2.6 2.6 分子流动性和食品稳定性(自学)分子流动性和食品稳定性(自学)第3页目与要求n(1 1
2、)了解水和非水组分相互作用;)了解水和非水组分相互作用;n(2 2)了解结合水概念;)了解结合水概念;n(3 3)掌握水分活度定义和测定方法;)掌握水分活度定义和测定方法;n(4 4)掌握水分活度与温度关系;)掌握水分活度与温度关系;n(5 5)熟悉食品材料吸湿等温线;)熟悉食品材料吸湿等温线;n(6 6)掌握水分活度与食品稳定性关系。)掌握水分活度与食品稳定性关系。第4页2.1 2.1 概述概述2.1.1 水作用水作用 生命之源生命之源 组成机体组成机体 调整代谢调整代谢 战争之源战争之源“下一场世界大战将下一场世界大战将是对水资源争夺是对水资源争夺”第5页2.1 2.1 概述概述2.1.1
3、 水作用水作用水对人体主要作用水对人体主要作用 水使人体体温保持稳定(热容量大)水使人体体温保持稳定(热容量大)能够作为体内营养素运输、吸收和代谢物运转载体能够作为体内营养素运输、吸收和代谢物运转载体 作为体内化学和生物化学反应反应物或者反应介质作为体内化学和生物化学反应反应物或者反应介质 作为润滑剂,使摩擦面润滑,降低损伤作为润滑剂,使摩擦面润滑,降低损伤 优良增塑剂优良增塑剂 生物大分子聚合物构象稳定剂生物大分子聚合物构象稳定剂 包含酶催化剂在内大分子动力学行为促进剂包含酶催化剂在内大分子动力学行为促进剂第6页2.1 2.1 概述概述2.1.1 水作用水作用 水是食品中非常主要一个成份,也
4、是组成大多数食品主要水是食品中非常主要一个成份,也是组成大多数食品主要组分。组分。水对食品结构、外观、外表、质地、风味、色泽、流动性、水对食品结构、外观、外表、质地、风味、色泽、流动性、新鲜程度和腐败变质敏感性都有着很大影响。新鲜程度和腐败变质敏感性都有着很大影响。各种食品都有显示其品质特征含水量各种食品都有显示其品质特征含水量,假如蔬假如蔬:75%-95%,:75%-95%,肉类肉类:50%-80%,:50%-80%,面面:35%-45%,:35%-45%,谷物谷物:10%-15%:10%-15%。食品中水食品中水第7页表表2-1 一些代表性食品中经典水分含量一些代表性食品中经典水分含量第8
5、页续表续表2-1第9页2.1 2.1 概述概述2.1.1 水作用水作用水在食品中主要作用水在食品中主要作用 水在食品贮藏加工过程中作为化学和生物化学反应介水在食品贮藏加工过程中作为化学和生物化学反应介质,又是水解过程反应物质,又是水解过程反应物 水是微生物生长繁殖主要原因,影响食品货架期水是微生物生长繁殖主要原因,影响食品货架期 水与蛋白质、多糖和脂类经过物理相互作用而影响食水与蛋白质、多糖和脂类经过物理相互作用而影响食品质构,如新鲜度、硬度、流动性等品质构,如新鲜度、硬度、流动性等 水还能发挥膨润、浸湿作用,影响食品加工性水还能发挥膨润、浸湿作用,影响食品加工性第10页2.1 2.1 概述概
6、述2.1.2 水和冰物理性质水和冰物理性质 水与元素周期表中邻近氧一些元素氢化物(水与元素周期表中邻近氧一些元素氢化物(CHCH4 4、NHNH3 3、HFHF、H H2 2S S)相比较,)相比较,除了粘度以外都有显著差异除了粘度以外都有显著差异。熔点、沸点、表面张力、介电常数、热容及相变热(溶熔点、沸点、表面张力、介电常数、热容及相变热(溶解、蒸发、升华)等都显著偏高。解、蒸发、升华)等都显著偏高。水密度偏低,水结冰时体积异常膨大,水导热值大于其水密度偏低,水结冰时体积异常膨大,水导热值大于其它液体,冰导热值略大于非金属固体。它液体,冰导热值略大于非金属固体。水与冰比较:水与冰比较:水密度
7、高于冰;冰导热值、热扩散率等显著大于水。水密度高于冰;冰导热值、热扩散率等显著大于水。第11页表表2-2 水和冰物理常数水和冰物理常数 第12页2.2 2.2 水和冰结构与性质水和冰结构与性质 水异常性质能够推测水分子间存在强烈吸水异常性质能够推测水分子间存在强烈吸引力,以及水和冰含有不寻常结构。引力,以及水和冰含有不寻常结构。第13页2.2 2.2 水和冰结构与性质水和冰结构与性质2.2.1 水水 氧原子和氢原子成键时,氧原子和氢原子成键时,氧原子发生氧原子发生spsp3 3杂化杂化,形成,形成4 4个个spsp3 3杂化轨道;杂化轨道;单个水分子为单个水分子为四面体结构四面体结构,氧原子位
8、于中心,氧原子位于中心,4 4个顶点个顶点中有中有2 2个被氢原子占据,其个被氢原子占据,其余余2 2个被氧原子孤对电子所个被氧原子孤对电子所占据;占据;水分子结构特征水分子结构特征第14页2.2 2.2 水和冰结构与性质水和冰结构与性质2.2.1 水水 因为该两对孤对电子将对成键因为该两对孤对电子将对成键电子形成挤压作用,所以电子形成挤压作用,所以2 2个个O-HO-H键间夹角为键间夹角为104.5104.5,与经典四,与经典四面体夹角面体夹角1092810928有所差异;有所差异;每个每个O-HO-H键离解能为键离解能为4.614104.614102 2 kJ/molkJ/mol,O-HO
9、-H核间距离为核间距离为0.096 0.096 nmnm,氧和氢范德华半径分别为,氧和氢范德华半径分别为0.14 nm0.14 nm和和0.12 nm0.12 nm。O-HO-H含有极性含有极性,即电荷不对称分,即电荷不对称分布,(氢原子几乎成为一个裸露布,(氢原子几乎成为一个裸露质子而带正电荷)。质子而带正电荷)。水分子结构特征水分子结构特征第15页2.2 2.2 水和冰结构与性质水和冰结构与性质2.2.1 水水水分子缔合作用水分子缔合作用 水分子在三维空间形成多重氢键键合每个水分子具有相等数目氢键给体和受体,能够在三维空间形成氢键网络结构。第16页水分子缔合机理水分子缔合机理H-OH-O键
10、间电荷非对称分布使键间电荷非对称分布使H-OH-O键含有极性键含有极性,这这种极性使分子之间产生引力;种极性使分子之间产生引力;因为每个水分子含有因为每个水分子含有数目相等氢键供体和受体数目相等氢键供体和受体,所以能够在三维空间形成多重氢键,(主要机所以能够在三维空间形成多重氢键,(主要机理)理)。第17页水分子三维氢键缔合对水异常物水分子三维氢键缔合对水异常物理性质解释理性质解释大热溶值、高熔点、高沸点、高表面张大热溶值、高熔点、高沸点、高表面张力和高相变热力和高相变热:这些热力学现象都关系:这些热力学现象都关系到打破水分子间氢键,因而所需能量增到打破水分子间氢键,因而所需能量增大。大。高介
11、电常数高介电常数:水氢键缔合产生了庞大水:水氢键缔合产生了庞大水分子簇,产生了多分子偶极子,从而使分子簇,产生了多分子偶极子,从而使水介电常数显著增大;水介电常数显著增大;第18页2.2 2.2 水和冰结构与性质水和冰结构与性质2.2.1 水水水结构水结构 纯水是含有一定结构液体,纯水是含有一定结构液体,即使它没有刚性,但它比气即使它没有刚性,但它比气态分子排列有规则得多。态分子排列有规则得多。在液态水中,水分子并不在液态水中,水分子并不是以单个分子形式存在,而是以单个分子形式存在,而是由若干个分子以氢键缔合是由若干个分子以氢键缔合形成水分子簇(形成水分子簇(H H2 2O)O)n n。第19
12、页水结构模型水结构模型混合模型混合模型:混合模型强调了分子间氢键概念混合模型强调了分子间氢键概念,认为分子间氢键短暂地浓集于成簇水分子之认为分子间氢键短暂地浓集于成簇水分子之间间,成簇水分子与其它更密集水分子处于成簇水分子与其它更密集水分子处于动态动态平衡平衡。连续模型连续模型:分子间氢键均匀地分布于整个水样分子间氢键均匀地分布于整个水样,水分子连续网络结组成水分子连续网络结组成动态平衡动态平衡。填隙式模型填隙式模型:水保留在似冰状或笼状结构中水保留在似冰状或笼状结构中,个别水分子填充在笼状结构缝隙中。个别水分子填充在笼状结构缝隙中。第20页水结构特征水结构特征水是呈四面体网状结构。水是呈四面
13、体网状结构。水分子之间氢键网络是水分子之间氢键网络是动态动态。水分子氢键键合程度水分子氢键键合程度取决于温度取决于温度。第21页2.2 2.2 水和冰结构与性质水和冰结构与性质2.2.2 冰冰 冰是由水分子有序排列形成结晶,水冰是由水分子有序排列形成结晶,水分子间靠氢键链接在一起,形成非常分子间靠氢键链接在一起,形成非常“疏松疏松”(低密度)刚性结构;(低密度)刚性结构;最邻近水分子最邻近水分子O-OO-O核间距为核间距为0.276 nm0.276 nm,O-O-OO-O-O键角约为键角约为109109十分靠近理想四面十分靠近理想四面体键角;体键角;每个水分子都能缔合另外每个水分子都能缔合另外
14、4 4个水分子,个水分子,形成四面体结构,所以水分子配位数为形成四面体结构,所以水分子配位数为4 4。0下冰晶格单元下冰晶格单元第22页2.2 2.2 水和冰结构与性质水和冰结构与性质2.2.2 冰冰 当多个晶格结合在一起时,冰结构中当多个晶格结合在一起时,冰结构中存在水分子两个平面,这两个平面平行存在水分子两个平面,这两个平面平行而且很紧密结合在一起;而且很紧密结合在一起;当冰受到压力当冰受到压力“滑动滑动”或或“流动流动”时,时,它们作为一个单元(整体)滑动,像冰它们作为一个单元(整体)滑动,像冰河中冰在压力下所产生河中冰在压力下所产生“流动流动”;这类成对平面这类成对平面组成冰组成冰“基
15、础平面基础平面”;几个几个“基础平面基础平面”堆积起来便得到冰堆积起来便得到冰扩展结构扩展结构。冰基础平面和扩展结构冰基础平面和扩展结构第23页冰基础平面冰基础平面(a a)沿)沿c c轴方向观察到六方形结构轴方向观察到六方形结构(b b)基础平面立体图)基础平面立体图第24页冰扩展结构冰扩展结构由三个基本平面结合形成扩展结构由三个基本平面结合形成扩展结构第25页2.2 2.2 水和冰结构与性质水和冰结构与性质2.2.2 冰冰 冰有冰有1111种结晶类型,普通冰结晶属于六方晶系双六种结晶类型,普通冰结晶属于六方晶系双六方双锥体,且在常压和温度方双锥体,且在常压和温度00时只有时只有六方形冰晶六
16、方形冰晶才才是最稳定形式;是最稳定形式;冰并不完全是由准确排列水分子组成静态体系,实冰并不完全是由准确排列水分子组成静态体系,实际上冰晶中水分子以及由它形成氢键都处于际上冰晶中水分子以及由它形成氢键都处于不停运不停运动状态动状态(水分子振动,氢键瞬间断裂或有重新生成;(水分子振动,氢键瞬间断裂或有重新生成;溶质种类和数量能够影响冰晶数量、大小、结构、溶质种类和数量能够影响冰晶数量、大小、结构、位置和趋向。位置和趋向。冰结构特征冰结构特征第26页在不一样溶质影响下,冰结构主要有在不一样溶质影响下,冰结构主要有4 4种类型种类型 六方形冰晶六方形冰晶 不规则树枝状结晶不规则树枝状结晶 粗糙球状结晶
17、粗糙球状结晶 易消失球状结晶及各种中间体易消失球状结晶及各种中间体 样品在最适低温冷却剂中迟缓冷却,而且溶质性质及浓样品在最适低温冷却剂中迟缓冷却,而且溶质性质及浓度均不严重干扰水分子迁移时,才有可能形成六方形冰度均不严重干扰水分子迁移时,才有可能形成六方形冰结晶;结晶;像明胶这类大而复杂亲水性分子,不但能限制水分子运像明胶这类大而复杂亲水性分子,不但能限制水分子运动,而且妨碍水形成高度有序六方形结晶。动,而且妨碍水形成高度有序六方形结晶。第27页2.2 2.2 水和冰结构与性质水和冰结构与性质2.2.2 冰冰 当温度降低到当温度降低到“过冷状态过冷状态”,开始出现稳定性晶核,开始出现稳定性晶
18、核,或在振动促进下向冰晶转化;或在振动促进下向冰晶转化;水向冰晶转化时放出潜热,促进温度回升到水向冰晶转化时放出潜热,促进温度回升到00。冰形成普通过程冰形成普通过程水冰点为水冰点为0,但,但纯水并不在纯水并不在0时时就冻结。就冻结。开始出现稳定晶核时温度叫开始出现稳定晶核时温度叫“过冷温度过冷温度”;假如外加晶核,则无须到达过冷温度时就能结冰,但假如外加晶核,则无须到达过冷温度时就能结冰,但此时生成冰晶粗大。此时生成冰晶粗大。第28页第29页为何提倡使用速冻工为何提倡使用速冻工艺?艺?当代冻藏工艺提出速冻,因为当代冻藏工艺提出速冻,因为(1)(1)该工艺下形成冰晶该工艺下形成冰晶体颗粒细小(
19、呈针状),在食品组织中分布比较均匀;体颗粒细小(呈针状),在食品组织中分布比较均匀;又又(2)(2)因为小冰晶膨胀力小,对食品组织破坏很小,解冻因为小冰晶膨胀力小,对食品组织破坏很小,解冻融化后水能够重新渗透到食品组织中,使其基本保持原融化后水能够重新渗透到食品组织中,使其基本保持原有风味和营养价值;另外,有风味和营养价值;另外,(3)(3)冻结时间缩短使微生物活冻结时间缩短使微生物活动受到更大限制。动受到更大限制。第30页2.2 2.2 水和冰结构与性质水和冰结构与性质 单个水分子呈四面体结构,水分子中单个水分子呈四面体结构,水分子中O-HO-H含有极含有极性。性。水三维氢键缔合机理,及其对
20、水异常物理常数水三维氢键缔合机理,及其对水异常物理常数进行解释。进行解释。水三维氢键是动态,其配位数与温度相关。水三维氢键是动态,其配位数与温度相关。六方形冰结晶最为稳定。六方形冰结晶最为稳定。冰基础平面和冰形成过程。冰基础平面和冰形成过程。本节关键点本节关键点第31页2.3 2.3 食品中水存在状态食品中水存在状态2.3.1 水与溶质相互作用水与溶质相互作用水与离子和离子基团相互作用水与离子和离子基团相互作用 在水中添加可解离溶质,会在水中添加可解离溶质,会使纯水靠氢键键合形成四面体排使纯水靠氢键键合形成四面体排列正常结构遭到破坏。对于既不列正常结构遭到破坏。对于既不含有氢键受体又没有给体简
21、单无含有氢键受体又没有给体简单无机离子,它们与水相互作用时仅机离子,它们与水相互作用时仅仅是离子仅是离子-偶极极性结合。这种偶极极性结合。这种作用通常被称为作用通常被称为离子水合作用离子水合作用。第32页在稀盐溶液中,不一样离子对水在稀盐溶液中,不一样离子对水结构影响是不一样结构影响是不一样 K K+,RbRb+,CsCs+,NHNH4 4+,ClCl-,BrBr-,I I-,NONO3 3-,BrOBrO3 3-,IOIO3 3-,ClOClO4 4-等,含有等,含有破坏水网状结构效应破坏水网状结构效应,这些离子大多这些离子大多为电场强度较弱负离子和离子半径大正离子;为电场强度较弱负离子和离
22、子半径大正离子;Li Li+,NaNa+,CaCa2+2+,BaBa2+2+,MgMg2+2+,AlAl3+3+,F F-,OHOH-等,等,有利有利于水形成网状结构于水形成网状结构,这些离子大多是电场强度大、离,这些离子大多是电场强度大、离子半径小离子,或多价离子;子半径小离子,或多价离子;从水正常结构来看,全部离子对水结构都起破坏作用,从水正常结构来看,全部离子对水结构都起破坏作用,因为它们能阻止水在因为它们能阻止水在00下结冰。下结冰。第33页2.3 2.3 食品中水存在状态食品中水存在状态2.3.1 水与溶质相互作用水与溶质相互作用水与含有氢键键合能力中性基团相互作用水与含有氢键键合能
23、力中性基团相互作用 食品中蛋白质、淀粉、果胶等成份含有大量含有氢食品中蛋白质、淀粉、果胶等成份含有大量含有氢键键合能力中性基团,键键合能力中性基团,它们可与水分子经过氢键键它们可与水分子经过氢键键合合;水与溶质之间氢键键合比水与离子之间相互作用弱,水与溶质之间氢键键合比水与离子之间相互作用弱,这些氢键作用强度与水分子之间氢键相近;这些氢键作用强度与水分子之间氢键相近;各种有机成份上极性基团不一样,与水形成氢键键各种有机成份上极性基团不一样,与水形成氢键键合作用强弱也有区分。合作用强弱也有区分。第34页不一样基团与水形成氢键强度比较不一样基团与水形成氢键强度比较 蛋白质多肽链中赖氨酸和精氨酸侧链
24、上氨基,天冬氨蛋白质多肽链中赖氨酸和精氨酸侧链上氨基,天冬氨酸和谷氨酸侧链上羧基,肽链两端羧基和氨基,以及酸和谷氨酸侧链上羧基,肽链两端羧基和氨基,以及果胶中未酯化羧基,它们与水形成氢键,键能大,结果胶中未酯化羧基,它们与水形成氢键,键能大,结合牢靠;合牢靠;蛋白质中酰胺基,淀粉、果胶、纤维素等分子中羟基蛋白质中酰胺基,淀粉、果胶、纤维素等分子中羟基与水形成氢键,键能小,结合得不牢靠。与水形成氢键,键能小,结合得不牢靠。第35页含有氢键键合能力溶质对水结含有氢键键合能力溶质对水结构影响构影响 凡能够长生氢键键合溶质都能够凡能够长生氢键键合溶质都能够强化纯水结构强化纯水结构,最少,最少不会破坏这
25、种结构;不会破坏这种结构;但在一些情况下,溶质氢键键合但在一些情况下,溶质氢键键合部位和取向在几何构部位和取向在几何构型上与正常水不一样型上与正常水不一样,所以这些溶质通常对水正常结构,所以这些溶质通常对水正常结构也会产生破坏;也会产生破坏;能够预测,大多数能形成氢键溶质能够预测,大多数能形成氢键溶质会妨碍水结冰会妨碍水结冰;当体系中加入一个含有形成氢键能力溶质时,每摩尔当体系中加入一个含有形成氢键能力溶质时,每摩尔溶液中氢键总数不会显著改变。溶液中氢键总数不会显著改变。第36页水桥水桥 在生物大分子在生物大分子2 2个部个部位或位或2 2个大分子之间可形个大分子之间可形成由几个水分子所组成成
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