• 【食品化学与营养】第二章 水的化学与营养 笔记

    【食品化学与营养】第二章 水的化学与营养 笔记

    2.1 水分活度

    在这里插入图片描述

    食品中的水分含量

    食品原料中如水果蔬菜含水量在 80% 以上. 面包和馒头含水量在 40% 左右.

    水与食品加工

    水在食品中的存在形式是掌握食品加工和保藏技术原料的基础. 它与食品的属性和保藏期密切相关.

    • 干燥和浓缩
    • 冷冻
    • 凝胶

    水分活度和水分含量

    食品的水分含量和它的腐败性之间存在一定的关系. 食品中的水与非水成分的缔合强度也是影响食品腐败性的一个重要指标.

    水分活度 Aw (Water Activity) 是反映水与各种非水成分缔合的强度. Aw 比水分含量更能可靠 (非完全可靠) 地预示食品的稳定性, 安全和其他性质.

    水分活度的定义

    水分活度 Aw 的定义: 一定温度下样品的溶剂 (水) 的逸度与纯溶剂 (水) 逸度的比值. 公式如下:

    A w = f / f 0 Aw = {f}/{f_0} Aw=f/f0​

    在低压 (如室温) 时水的逸度与纯水逸度的比值 (f/f₀) 和样品的水分蒸气压与纯水蒸气压的比值 (p/p₀), 相对压 RVP (Relative Vapor Pressure) 之间的差别小于 1%.

    水分活度测定方法

    置样品于恒温密闭的小容器中, 用一定种类的饱和盐溶液使容器内的样品的环境空气的相对湿度恒定, 待恒定后测样品含水量的变化, 然后再绘图求 Aw.

    水分活度与温度

    克劳修斯-克拉贝龙方程精确表示了水分活度与绝对温度 (T) 之间的关系:

    d l n A w d ( 1 T ) = − △ H R \frac{dlnAw}{d(\frac{1}{T})}=-\triangle \frac{H}{R} d(T1​)dlnAw​=−△RH​

    整理此式可得:
    l n A w = − k △ H R ( 1 T ) lnAw=-k\triangle \frac{H}{R}(\frac{1}{T}) lnAw=−k△RH​(T1​)

    R: 气体常数, △ H \triangle H △H: 样品中水分的等量净吸附热. 可用纯水的汽化潜热表示, 是常数, 其值为 40.5372kJ/mol.

    k = 样 品 的 绝 对 温 度 − 纯 水 的 蒸 气 压 为 样 品 蒸 气 压 ( p ) 时 的 绝 对 温 度 纯 水 的 蒸 气 压 ( p ) 时 的 绝 对 温 度 k=\frac {样品的绝对温度-纯水的蒸气压为样品蒸气压(p)时的绝对温度}{纯水的蒸气压(p)时的绝对温度} k=纯水的蒸气压(p)时的绝对温度样品的绝对温度−纯水的蒸气压为样品蒸气压(p)时的绝对温度​

    K 的直观意义: 在达到同样水蒸气压时, 食品的温度比纯水温度搞出的比值. k 值反映了食品中非水成分对水活性的影响. 食品中非水成分越多并且与水的结合能力越强, k 值却大, 相同温度时 Aw 值越小.

    在冻结温度以上, Aw 是样品组分和温度的函数, 样品组分是主要的因素. 样品在冰点时, 图中直线陡然不连续并出现断点. 在冻结温度以下时, Aw 与样品中的组分无关, 只取决于温度, 呈线性关系.

    2.1 水分吸着等温线

    定义

    恒温条件下, 以食品的含水量 (用每单位干物质质量中水的质量表示) 对水活性绘图形成的曲线, 称为水分吸着等温线 (Moisture Sorption Isotherms, MSI)

    MSI 分区

    食品中与非水物质结合最不牢固, 最容易流动的水, 也称为体相水. 其蒸发焓基本上与纯水相同, 既可以结冰也可作为溶剂, 并且还有利于化学反应的进行和微生物的生长.

    MSI 上不同区水分特性

    I 区II 区III 区
    Aw0-0.20.2-0.85> 0.85
    含水量 %1-6.56.5-27.5> 27.5
    冷冻能力不能冻结不能冻结正常
    溶剂能力无轻微-适度正常
    水分状态单分子层水多分子层水体相水
    微生物利用不可利用部分可利用可利用

    MSI 的实际意义

    • 反映食品脱水的难易程度
    • 如何避免水分在不同物料时间的转移
    • 可预测含水量对食品稳定性的影响
    • 食品中非水组分与水结合能力的强弱

    滞后现象

    采用向干燥样品中添加水的回吸 (Absorption) 的方法绘制的 MSI 和 按解吸 (Desorption) 的方法绘制的 MSI 并不互相重叠的现象.

    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气压
    • 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

    2.3 水分活度和食品的稳定性

    Aw此范围内的最低 Aw, 一般能抑制的微生物食品
    1.0 - 0.95假单胞菌, 大肠杆菌变形菌, 志贺氏菌属, 克雷伯氏菌属, 芽孢杆菌, 产气荚膜梭状芽孢杆菌, 一些酵母极易腐败的食品, 蔬菜, 肉, 鱼, 牛乳, 罐头水果, 香肠, 面包, 含有约 40% 蔗糖或 7% 食盐的食品
    0.95 - 0.91沙门氏杆菌属, 肉毒梭状芽孢杆菌, 溶副血红蛋白弧菌, 沙雷氏杆菌, 乳酸杆菌属, 一些霉菌, 红酵母, 毕赤氏酵母
    0.91 - 0.87许多酵母 (假丝酵母, 球拟酵母, 汉逊酵母), 小球菌发酵香肠, 干的干酪, 人造奶油, 含有 65% 蔗糖或 15% 食盐的食品
    0.87 - 0.80大多数霉菌 (产毒素的青霉菌), 金黄色葡萄球菌, 大多数酵母菌属, 德巴利氏酵母菌.
    0.80 - 0.75大多数嗜盐细菌, 产真菌毒素的霉菌果酱, 糖渍水果, 杏仁酥糖
    0.75 - 0.65嗜旱霉菌, 二孢酵母含 10% 水分的燕麦片, 果干, 坚果, 粗蔗糖, 棉花糖, 牛轧糖块
    0.65 - 0.60耐渗透压酵母 (鲁酵母), 少数霉菌 (刺孢曲霉, 二孢红曲霉)含有 15-20% 水分的果干, 太妃糖, 焦糖, 蜂蜜
    0.60 - 0.50微生物不繁殖含 12% 水分的酱, 含 10% 水分的调料
    0.40微生物不繁殖含 5% 水分的全蛋粉
    0.30微生物不繁殖含 3-5% 水分的饼干, 曲奇饼, 面包硬皮
    0.20微生物不繁殖含 2-3% 水分的全脂奶粉, 含 5% 水分的脱水蔬菜或玉米片, 家庭自制饼干

    利用水分活度控制食品质量或加工工艺时还要考虑 pH, 营养成分, 氧气等因素对于微生物的影响. 食品中微生物生长速度, 化学反应速度与水分活度 (Aw) 紧密相关.

    脂肪氧化

    I 区

    氧化反应的速度随着水分增加而降低.

    水与脂类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, 从而阻止氧化进行.

    这部分水能与金属离子形成水化合物, 降低其催化性.

    II 区

    氧化反应速度随着水分的增加而加快.

    • 水中溶解氧增加
    • 脂肪分子膨胀, 活性位点暴露加入脂类氧化
    • 催化剂和氧的流动性增加

    III 区

    氧化反应速度随着水分增加又呈下降趋势.

    这是因为大量的水降低了反应物和催化剂的浓度, 导致氧化速度又有所降低.

    美拉德反应

    • Aw = 0.6-0.7: 非酶褐变最为严重
    • Aw < 0.2: 褐变难以发生
    • Aw > 褐变高峰要求的值时: 褐变速度反而下降

    水分活度与食品稳定性

    • Aw < 0.6 (低水分活度食品): 长货架期食品
    • Aw = 0.6-0.9 (中等水分活度食品): 在常温下保存数日至两周
    • Aw > 0.9 (高水分活度食品): 低温保存, 保质期短

    笔记摘自: 福州大学公开课

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