食品化学水本科公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx
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1、水水WATER1 1第1页第1页引 言水主要功效水是最普遍存在组分,占50%90%;为生物化学反应提供一个物理环境;代谢所需营养成份和反应产物载体;是其它食品组分溶剂。第2页第2页水与食品加工水与食品加工理解水在食品中存在形式是掌握食品加工和保藏技术原理基础。决定食品市场品质,是食品法定原则。大多数食品加工单元操作都与水相关:干燥、浓缩、冷冻、水固定复水、解冻第3页第3页第一节 水和冰物理性质 第4页第4页食品含水量食品含水量%食品含水量%肉类肉类 猪肉猪肉 牛肉(碎块)牛肉(碎块)鸡肉鸡肉 鱼(肌肉)鱼(肌肉)水果水果 香蕉香蕉 梨、葡萄、樱桃梨、葡萄、樱桃 苹果、桃、橘苹果、桃、橘 草莓、
2、椰子、杏草莓、椰子、杏蔬菜蔬菜 青豌豆、甜玉米青豌豆、甜玉米 甘蓝、马铃薯甘蓝、马铃薯 芦笋、白菜、辣椒芦笋、白菜、辣椒53-6053-6050-7050-70747465-8165-81757580-8580-8585-9085-9090-9590-9574-8074-8080-9080-9090-9590-95谷物谷物 全粒谷物全粒谷物 面粉面粉乳制品乳制品 奶油奶油 羊奶羊奶 奶酪奶酪焙烤食品焙烤食品 面包面包 饼干饼干糖制品糖制品 蜂蜜蜂蜜 果冻、果酱果冻、果酱 砂、硬糖、巧克力砂、硬糖、巧克力10-1210-1210-1310-131515878740-7540-7535-4535-
3、455-85-820203535 1 1第5页第5页基本物理性质高熔点(0)、高沸点(100)介电常数高表面张力高热容和相转变热焓高 熔化焓、蒸发焓、升华焓密度低(1 g/cm3)凝固时异常膨胀率粘度正常(1 cPas)第6页第6页水和冰物理常数(一)水和冰物理常数(一)第7页第7页水和冰物理常数(二)水和冰物理常数(二)第8页第8页第二节第二节 水分子第9页第9页 从分子结构来看,水分子中氧从分子结构来看,水分子中氧6 6个价电子参与杂化,个价电子参与杂化,形成形成4 4个个SPSP3 3杂化轨道,两个氢原子靠近氧两个杂化轨道,两个氢原子靠近氧两个SPSP3 3成键成键轨道轨道 (3(3,4
4、)4)结合成两个结合成两个 共价键共价键(含有含有40%40%离子离子特性特性),即形成一个水分子,每个键离解能为,即形成一个水分子,每个键离解能为4.614102KJ/mol(110.2kcal/mol)4.614102KJ/mol(110.2kcal/mol),氧两个定域分子轨,氧两个定域分子轨道对称地定向在本来轨道轴周围,因此,它保持近似道对称地定向在本来轨道轴周围,因此,它保持近似四周体结构。四周体结构。水分子结构第10页第10页水分子结构特性 单个水分子单个水分子(气态气态)键角由于受到了氧未成键电子正确排键角由于受到了氧未成键电子正确排斥作用,压缩为斥作用,压缩为104.5,O-H
5、 核间距核间距0.96,氢和氧范德华,氢和氧范德华半径分别为半径分别为1.2 和和1.4。在纯净水中除含普通水分子外,还存在许多其它微量成在纯净水中除含普通水分子外,还存在许多其它微量成份,如由份,如由16O和和1H同位素同位素17O、18O、2H和和3H所构成水分子,所构成水分子,共有共有18 种水分子同位素变体;种水分子同位素变体;水中尚有离子微粒如氢离子水中尚有离子微粒如氢离子(以以H3O+存在存在)和氢氧根离子,和氢氧根离子,以及它们同位素变体,因此,事实上水中总共有以及它们同位素变体,因此,事实上水中总共有33 种以上种以上HOH化学变体。化学变体。第11页第11页 水分子中氧原子电
6、负性大,水分子中氧原子电负性大,O-H键共用电子对强烈地偏向于氧原键共用电子对强烈地偏向于氧原子一方,使每个氢原子带有部分子一方,使每个氢原子带有部分正电荷且电子屏蔽最小,表现出正电荷且电子屏蔽最小,表现出裸质子特性。氢裸质子特性。氢-氧成键轨道在水氧成键轨道在水分子正四周体两个轴上,这两个分子正四周体两个轴上,这两个轴代表正力线轴代表正力线(氢键给体部氢键给体部),氧,氧原子两个孤对电子轨道位于正四原子两个孤对电子轨道位于正四周体另外两个轴上,它们代表负周体另外两个轴上,它们代表负力线力线(氢键受体部位氢键受体部位),每个水分,每个水分子最多能够与另外子最多能够与另外4 个水分子通个水分子通
7、过氢键结合。过氢键结合。水分子结构特性第12页第12页冰结构冰是由水分子有序排列形成结晶。水分子之间靠氢键连接在一起形成非常稀疏(低密度)刚性结构,这一点已通过X-射线、中子衍射、电子衍射、红外和拉曼光谱分析研究得到阐明。第13页第13页 最邻近水分子O-O 核间距为2.76,O-O-O 键角约为109,十分靠近抱负四周体键角10928。能够看出,每个水分子能够缔合另外4 个水分子即1,2,3 和W,形成四周体结构,因此配位数等于4。冰结构冰晶胞冰晶胞立体结构立体结构俯视结构俯视结构第14页第14页第三节第三节 水与溶质间作用第15页第15页几种名词 水结合(water binding)和水合
8、作用(hydration)是阐明水和亲水性物质缔合程度强弱。水结合或水合作用强弱,取决于体系中非水成份性质、盐构成、pH和温度等许多原因。结合水(bound water)结合水通常是指存在于溶质或其它非水组分附近那部分水,它与同一体系中体相水比较,分子运动减小,并且使水其它性质明显地发生改变,比如在-40时不能结冰是其主要特性。持水容量(waterholding capacity)指基质分子(普通是指大分子化合物)截留大量水能力。比如,含果胶和淀粉凝胶食品以及动植物组织中少许有机物质能以物理方式截留大量水。第16页第16页食品中结合水化合水:水在复杂体系中,结合得最牢固,是构成非水物质构成这部
9、分水,它只占高水分食品中总水分含量一小部分,比如,位于蛋白质空隙中或者作为化学水合物中水。-40不结冰。邻近水:它是处于非水组分亲水性最强基团周围第一层位置,与离子或离子基团缔合水是结合最紧密邻近水。是指水-离子和水-偶极缔合作用,与非水组分特定亲水位置发生强烈互相作用那部分水。当这类水达到最大含量时,能够在非水组分强亲水性基团周围形成单层水膜。这类水还包括直径0.1m 小毛细管中水。第17页第17页多层水:是指位于以上所说第一层剩余位置水和邻近水外层形成几种水层。尽管多层水不像邻近水那样牢固地结合,但仍然与非水组分结合得非常紧密,且性质也发生明显改变,因此与纯水性质也不相同。主要是水-水和水
10、-溶质形成氢键。食品中结合水第18页第18页水与离子和离子基团互相作用 与离子或有机分子 离子基团互相作用水是食品中结合得最紧密一部分水。由于水中添加可解离溶质,使纯水靠氢键键合形成四周体排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朴无机离子,它们与水互相作用时仅仅是离子-偶极极性结合。第19页第19页 在稀盐溶液中,离子对水结构影响是不同:K+、Rb+、Cs+、NH4+、Cl-、Br-、I-、NO3-、BrO3-、IO3-和ClO4-等,含有破坏水网状结构效应,(电场强度较弱负离子和离子半径大正离子)它们妨碍水形成网状结构,这类盐溶液流动性比纯水更大。Li+、Na+、H3O+、Ca
11、2+、Ba2+、Mg2+、Al 3+、F-和OH-等(电场强度较强、离子半径小离子,或多价离子),它们有利于水形成网状结构,因此这类离子水溶液比纯水流动性小。从水正常结构来看,全部离子对水结构都起破坏作用,因为它们能制止水在0下结冰。不同离子基团对水作用第20页第20页 水与溶质之间氢键键合比水与离子之间互相作用弱。氢键作用强度与水分子之间氢键相近。与溶质氢键键合水,按其所在特定位置可分为化合 水或邻近水(第一层水),与体相水比较,它们流动性极小。凡能够产生氢键键合溶质能够强化纯水结构,至少不会破坏这种结构。水与含有氢键键合能力中性基团互相作用第21页第21页 水还能与一些基团,比如羟基、氨基
12、、羰基、酰氨基水还能与一些基团,比如羟基、氨基、羰基、酰氨基和亚氨基等极性基团,发生氢键键合。另外,在生物大分和亚氨基等极性基团,发生氢键键合。另外,在生物大分子两个部位或两个大分子之间可形成由几种水分子所构成子两个部位或两个大分子之间可形成由几种水分子所构成“水桥水桥”。第22页第22页 向水中加入疏水性物质,比如烃、稀有气体及引入脂向水中加入疏水性物质,比如烃、稀有气体及引入脂肪酸、氨基酸、蛋白质非极性基团,显然在热力学上是不肪酸、氨基酸、蛋白质非极性基团,显然在热力学上是不利(利(G0)。由于它们与水分子产生斥力,从而使疏水)。由于它们与水分子产生斥力,从而使疏水基团附近水分子之间氢键键
13、合增强。处于这种状态水与纯基团附近水分子之间氢键键合增强。处于这种状态水与纯水结构相同,甚至比纯水结构更为有序,这是熵减小引起水结构相同,甚至比纯水结构更为有序,这是熵减小引起热力学上不利改变。热力学上不利改变。疏水互相作用疏水互相作用(hydrophobic interactionhydrophobic interaction)非极性物质能和水形成非极性物质能和水形成笼形水合物笼形水合物 (clathrate hydratesclathrate hydrates)。)。水与非极性物质互相作用水与非极性物质互相作用第23页第23页笼形水合物笼形水合物 笼形水合物是像冰同样包括化合物,水是这类化
14、合物笼形水合物是像冰同样包括化合物,水是这类化合物“宿主宿主”,它们靠氢键键合形成像笼同样结构,通过物理作,它们靠氢键键合形成像笼同样结构,通过物理作用方式将非极性物质截留在笼中,被截留物质称为用方式将非极性物质截留在笼中,被截留物质称为“客体客体”。笼形水合物笼形水合物“宿主宿主”普通由普通由2074 个水分子构成,个水分子构成,“客客体体”是低分子量化合物,只有它们形状和大小适合于笼是低分子量化合物,只有它们形状和大小适合于笼“宿主宿主”才干被截留。才干被截留。“客体客体”包括:低分子量烃、稀有气体、短链一级、二级包括:低分子量烃、稀有气体、短链一级、二级和三级胺、烷基铵盐、卤烃、二氧化碳
15、、二氧化硫、环氧和三级胺、烷基铵盐、卤烃、二氧化碳、二氧化硫、环氧乙烷、乙醇、锍、磷盐等。乙烷、乙醇、锍、磷盐等。“宿主宿主”水分子与水分子与“客体客体”分子互相作用普通是弱范德华分子互相作用普通是弱范德华力,在一些情况下,也存在静电互相作用。力,在一些情况下,也存在静电互相作用。第24页第24页 蛋白质非极性基团包括丙氨酸甲基、苯丙氨酸苄基、蛋白质非极性基团包括丙氨酸甲基、苯丙氨酸苄基、缬氨酸异丙基、半胱氨酸巯基、亮氨酸仲丁基和异丁基。缬氨酸异丙基、半胱氨酸巯基、亮氨酸仲丁基和异丁基。其它化合物比如醇类、脂肪酸和游离氨基酸非极性基团其它化合物比如醇类、脂肪酸和游离氨基酸非极性基团也参与疏水互
16、相作用。也参与疏水互相作用。蛋白质在水溶液环境中尽管产生疏水互相作用,但球状蛋白质在水溶液环境中尽管产生疏水互相作用,但球状蛋白质非极性基团大约有蛋白质非极性基团大约有40%50%仍然占据在蛋白质仍然占据在蛋白质表面,暴露在水中,暴露疏水基团与邻近水除了产生微表面,暴露在水中,暴露疏水基团与邻近水除了产生微弱范德华力外,它们互相之间并无吸引力。弱范德华力外,它们互相之间并无吸引力。疏水互相作用疏水互相作用第25页第25页第四节第四节 水分活度水分活度 食物易腐败性与含水量之间有着密切联络,人们日常生活中保藏食品主要依据之一。食品加工中不论是浓缩或脱水过程,目标都是为了降低食品含水量,提升溶质浓
17、度,以降低食品易腐败敏感性。人们也知道不同种类食品即使水分含量相同,其腐败变质难易程度也存在显著差异。这说明以含水量作为判断食品稳定性指标是不完全可靠。食品中各种非水组分与水合能力不相同。与非水组分牢固结合水不可能被食品微生物生长和化学水解反应所利用。因此,用水活性作为食品易腐败性指标比用含水量更为恰当。第26页第26页金黄色葡萄球菌(Staphylococus aureus)生长最低p/p0与溶质类型相关。特例第27页第27页水分活度水分活度 p 为某种食品在密闭容器中达到平衡状态时水蒸汽分压;p0为在同一温度下纯水饱和蒸汽压。这种表示办法与依据路易斯(Lewis)热力学平衡最早表示水分活度
18、办法近似。即w=f/f0,f为溶剂逸度(溶剂从溶液中逸出趋势);f0为纯溶剂逸度。在低温时(比如室温下),f/f0和p/p0之间差值很小(低于1%)。显然,用p和p0表示水分活度是合理。【概念概念】由上式能够看出,溶剂蒸汽压与溶剂摩尔数成百分比,由于p0不小于p,因此w值在0-1之间。第28页第28页 水分活度与环境平衡相对湿度(%)和拉乌尔(Raoult)定律关系下列:水分活度水分活度ERH(equilibrium relative humidity)即样 品周围环境平衡相对湿度(%);N为溶剂(水)摩尔分数;n1为溶剂摩尔数;n2为溶质摩尔数。第29页第29页 n2可通过测定样品冰点减少,
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