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3、 结论
高于冰点时,Aw与食品组成及T有关,其 中食品组成是主要因素,当组成水% 同,T上升,则Aw 上升。 低于冰点时,Aw与食品组成无关,仅与温 度有关。 冰点以上或以下,Aw对食品稳定性影响是 不同的。 例:-15℃, Aw=0.86 微生物不繁殖 20℃, Aw=0.86 微生物繁殖
(二)Aw与温度的关系
1、 Aw随着温度的变化而变化 Clasius-Clapeyron方程 d lnAw/d (1/T)= -Δ H/R 图2-4(P23图2-14)可以看出: 含水量相等时,温度越高,Aw越大。 2、 低于冰点时,Aw与温度的关系 Aw= Pff(部分冻结食品中过冷水蒸气分压)/P 0(scw,纯过冷水蒸气压)=Pice(纯冰蒸气压) /P0(scw) 图2-5(P23图2—15) 复杂食品在冰点以上和 冰点以下时Aw和温度的关系 (1)低于冰点时,Aw与1/T成线性关系 (2)冰点时,出现折断 (3)温度对Aw的影响远大于冰点以上(陡些)
(一) 概念 问题:(1)含水18%的果脯与含水18%的小麦比较,哪 种耐储藏? (2)含水量标准:大豆、油菜籽≤9%,玉米 ≤14% 水分活度—食品中水分逸出的程度 ,可以用食 品中水的蒸汽压与同温度下纯水饱和蒸汽压之比 表示,也可以用平衡相对湿度表示。 Aw = f(溶液中水的逸度)/fo(纯水的逸度) ≈P(食品中水的蒸汽压)/Po(纯水饱和蒸汽 压) 因为纯水的水分活度=1,所以溶液的水分活度<1
5、吸湿等温方程式
因为计算单分子层水值具有实际意义,可准确预测 干燥产品最大稳定性时的含水量。 据热力学、动力学、统计学、经修改的吸湿等温线 方程式如下(BET等温式:P 28,2-7式) 图2-12(P29图2—23)天然马铃薯淀粉的BET图 (回吸数据,20℃) a=3/0.281=10.7 b=0.6 所以,m1=1/(10.7+0.6) = 0.88g H2O/g干物质) m1’ = 0.088/1.088 = 8.09% AW=0.2(相当于)
二、食品中的水分状态及 与溶质间的相互关系
(一) 水分状态 1、 结合水(束缚水,bound water,化学结合水) 可分为单分子层水(monolayer water),多分子层水 (multilayer water) 作用力:配位键,氢键,部分离子键 特点:在-40℃以上不结冰,不能作为外来溶质的溶剂,与纯水 比较分子平均运动大大减少,不能被微生物利用。 2、 自由水( free water)(体相水,游离水,吸湿水) 可分为滞化水、毛细管水、自由流动水(截留水、自由水) 作用力:物理方式截留,生物膜或凝胶内大分子交联成的网络 所截留;毛细管力 特点: 可结冰,溶解溶质;测定水分含量时的减少量;可被 微生物利用。
2、吸湿等温线与温度的关系
因为T升高,Aw升高, 对同一食品,T升高, 形状近似不变,曲线 位臵向下方移动 图2—9不同温度下 马铃薯的吸湿等温线
3、吸湿等温线的滞后现象
测定水加入→干燥食品的吸湿(吸附)等温线; 测定高水分食品→脱水的解吸等温线;二线不完全重 合,显示吸湿等温线滞后环。这一吸湿(吸附)等温 线与解吸等温线不完全重合的现象称为吸湿等温线的 滞后现象。 在Aw同,对应的水分含量,吸湿 < 解吸 说明: 吸湿到食品内的水,还未充分被食品组分束缚,没有 使食品“复原”。 问题:在130℃烘箱中烘烤60分钟,结果如何? 食品品种不同,滞后环不同;同一食品,不同温度, 滞后环不同。
(三) 水对食品质构的影响
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水%、Aw对干、半干、中湿食品质构有影响 低Aw: 饼干 脆性 油炸土豆片 脆性 硬糖 防粘 固体饮料 防结块 中湿: 软糖 防变硬 蛋糕 防变硬 面包 防变硬 冷冻方式对质构的影响 速冻、小晶体破坏小;慢冻,大冰晶破坏大 干燥方法对质构的影响 空气干燥 质构破坏 冷冻干燥 相似质构 如脱水蔬菜 高温脱水 质构破坏
6、吸湿等温线与食品包装
由于水分活度影响食品的质量, 食品在存放过程中,通过包 装创造一个适宜的环境。 吸湿性食品 吸湿等温线较陡, 为保Aw限定值, 需 密封包装,如速溶咖啡,Aw (限)<0.5(防止吸水) 当Aw(限)>ERH/100时,食品失水, 如胶凝食品,(防止失水) 包装应保护防止失水。 无吸湿性食品一般包装,如蔗糖 混成食品,注意Aw的变化。 例如:脱水蔬菜2% 与 淀粉13%混 合,脱水蔬菜升高8%,发生 非酶褐变。
五、分子流动性与食品稳定性
Molecular mobility and food stability
四、水对食品的影响
(一) Aw与食品的稳定性 1、Aw与微生物生长 微生物的生长繁殖需要水,适宜的 Aw一般情况如下, Aw <0.90 大多数细菌 <0.87 大多酵母 <0.80 大多霉菌 0.8~0.6 耐盐、干、渗透 压细菌、酵母、霉菌 <0.50 任何微生物均不生长繁殖
2、Aw与酶促反应
由拉乌尔定理 (理想稀溶液) P = P0 X1 (X1—溶剂摩尔分数) ( P/P0 = X1 ) Aw = P/P0 = n1 /( n1 + n2) (n1 、 n2 -- 溶剂、溶质摩尔分数) 例如:2mol蔗糖溶于1000g H2O中 1000/18.016 = 55.5 (mol) Aw = n1 /( n1+n2 )= 55.5/(55.5+2) =0.9652 = 96.52% 所以,Aw可以用平衡相对湿度ERH表示 (equilibrium relative humidity) 即 Aw = P/P0 = ERH/100
(三)
吸湿等温线(MSI) Moisture Sorption Isotherms
1、概念及意义 在等温条件下,以食品含水量为纵坐标,以Aw为横 坐标作图,所得曲线称为吸湿等温线。 图2-6,2-7(P24图2—16,2-17)吸湿性食品的吸湿等 温线 不同食品,因其化学组成和组织结构不同,对水束 缚能力不一样,有不同的吸湿等温线,但都为S型。 图2—8(P25图2—18)各种食品和生物物质的回 吸等温线 意义:吸湿等温线表示了食品的Aw与含水量对应关 系,除去水(浓缩、干燥)的难易程度与Aw有关,配制 食品混合应注意水在配料间的转移,测定包装材料的阻 湿性质,测定一定水分含量与微生物生长的关系,预测 食品稳定性与水分含量的关系。
(二)水与溶质间的关系
1、 水与离子和离子基团的相互作用 作用力:极性结合,偶极—离子相 互作用 阻碍水分子的流动的能力大于其它 溶质; 水—离子键的强度大于水—水氢键; 破坏水的正常结构,阻止水在0℃时 结冰,对冰的形成造成一种阻力; 改变水的结构的能力与离子的极化力 有关。
2、水与可形成氢键的中性基团的相互作用 水可以与羟基、氨基、羰基、酰基、亚氨 基等形成氢键; 作用力小于水与离子间作用力;流动性小; 对水的网状结构影响小;阻碍水结冰; 大分子内或大分子间产生“水桥”
3、水与非极性物质的相互作用 笼形水合物的形成:由于 非极性基团与水分子产生斥力, 使疏水基团附近的水分子间氢 键键合力↑ 熵值s↓ 20~74个 水分子将“客体”包在其中, 形成“笼形水合物”。 作用力:范德华力、少量 静电力、疏水基团间的缔合作 用
三、 水分活度 Water activity
3、Aw 与脂肪氧化酸败
影响复杂:Aw < 0.4 Aw↑ V ↓( MO2—H2O 阻V) Aw > 0.4 Aw↑ V ↑(H2O溶解O2,溶 胀后催化部位暴露,氧化V↑) Aw > 0.8 Aw↑ V↑ (稀释浓度) 4、Aw与水溶性色素分解,维生素分解 Aw ↑ V分解 ↑
(二)结冰对食品稳定性影响
(二)水的功能
1、 水在生物体内的功能 稳定生物大分子的构象,使表现特异的生物活性 体内化学介质,使生物化学反应顺利进行 营养物质,代谢载体 热容量大,调节体温 润滑作用 2、 食品功能 组成成分 显示色、香、味、形、质构特征 分散蛋白质、淀粉、形成溶胶 影响鲜度、硬度 影响加工,起浸透、膨胀作用 影响储藏性
滞后现象产生的原因
解吸过程中一些水分与非水溶 液成分作用而无法放出水分. 不规则形状产生毛细管现象的 部位,欲填满或抽空水分需不同的蒸 汽压(要抽出需P内>P外,要填满则 需P外> P内). 解吸作用时,因组织改变,当再 吸水时无法紧密结合水,由此可导致 回吸相同水分含量时处于较高的aw.
第二章 水
Chapter 2 Water
一、食品中的水分含量及功能 二、 食品中的水分状态及
与溶质间的相互关系 三、水分活度 四、水对食品的影响 五、分子流动性与食品稳定性
一、食品中的水分含量及功能
(一) 水分含量 一般生物体及食品中水分含量为3~97% 某些食品的水分含量见表2—1。 表2—1 某些食品的水分含量 食品 水分含量 ( % ) 白菜,菠菜 90—95 猪肉 53—60 新鲜蛋 74 奶 88 冰淇淋 65 大米 12 面包 35 饼干 3—8 奶油 15—20 水果 75--95
4、
吸湿等温线分区
为了说明吸湿等温线内在含义,并与水的存在状态 紧密联系,可以将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区。 Ⅰ区: Aw=0~0.25 约0~0.07g水/g干物质 作用力:H2O—离子,H2O—偶极,配位键 属单分子层水(含水合离子内层水) 不能作溶剂,-40℃以上不结冰,与腐败无关 Ⅱ区:Aw=0.25~0.8(加Ⅰ区,<0.45gH2O/g干) 作用力:氢键:H2O—H2O H2O—溶质 属多分子层水,加上Ⅰ区约占高水食品的5%,不 作溶剂,-40℃以上不结冰,但接近0.8(Aw)的食 品,可能有变质现象。 Ⅲ区:新增的水为自由水, (截留+流动)多者可达20g H2O/g干物质 可结冰,可作溶剂 划分区不是绝对的,可有交叉,连续变化
水可作为介质,活化底物和酶 Aw < 0.8 大多数酶活力受到抑制 Aw= 0.25~0.3 淀粉酶、多酚氧化酶、过 氧化物酶抑制或丧失活力 而脂肪酶在Aw=0.1~0.5仍保持其活性,如肉 脂类(因为活性基团未被水覆盖,易与氧作 用) 2.4.1.3 Aw与非酶褐变 Aw < 0.7 Aw 升高,v升高, Aw = 0.6~0.7 v最大 Aw > 0.7 v降低(因为H2O稀释了反应 物浓度。
(四)降低Aw的方法
在食品中添加吸湿剂可在水分含量不变 条件下,降低Aw值。 吸湿剂应该含离子、离子基团或含可形 成氢键的中性基团( 羟基,羰基,氨基, 亚氨基,酰基等),即有可与水形成结合 水的亲水性物质。 如:多元醇:丙三醇、 丙二醇、 糖 无机盐 : 磷酸盐 (水分保持剂)、 食盐 动、植物、微生物胶:明胶、卡拉胶、 黄原胶
只有当溶质是非电解质且浓度小于1mol/L的 稀溶液时,其水分活度才可以按 Aw =n1/(n1+n2) 计算: 溶质B Aw 理想溶液 0.9823=55.51/(55.51+1) 丙三醇 0.9816 蔗糖 0.9806 氯化钠 0.967 氯化钙 0.945 B:1千克水(约55.51mol)溶解1mol溶质
食品结冰时非冻结相中,(未凝固水),溶质变 浓,冰的体积增加9% 由于浓缩效应,未冻结的pH、粘度、离子强度、 氧化还原电位、胶体性质等发生变化。(温度与浓 缩综合效应,V↓ ↑) 加速一些化学反应:蔗糖在酸催化下水解反应, 肌红蛋白褐变 蛋白质变性 S↓ 氧化反应(VC、脂肪、VA、VE、β-胡萝卜素……) 酶催化反应(糖原损失、乳酸↑,高能磷酸盐降 解……)