第1章水（water）

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1、第1章水（Water）水在人类生存的地球上普遍存在，它是食品中的重要组分，各种食品都有其特定的水分含量，并且因此才能显示出它们各自的色、香、味、形等特征。从物理化学方面来看，水在食品中起着分散蛋白质和淀粉等成分的作用，使它们形成溶胶或溶液。从食品化学方面考虑，水对食品的鲜度、硬度、流动性、呈味性、保藏性和加工等方面都具有重要的影响，水也是微生物繁殖的重要因素，影响着食品的可储藏性和货架寿命。在食品加工过程中，水还能发挥膨润、浸透等方面的作用。在许多法定的食品质量标准中，水分是一个重要的指标。天然食品中水分的含量范围一般在50~9

2、2%，常见的一些食品含水见表1-1。表1-1一些食品中水分的含量（%）食品水分含量食品水分含量水果、蔬菜等新鲜水果90谷物及其制品全粒谷物10-12果汁85-93燕麦片等早餐食品<4番石榴81通心粉9甜瓜92-94面粉10-13成熟橄榄72-75饼干等5-8鳄梨65面包35-45浆果81-90馅饼43-59柑橘86-89面包卷28干水果<25高脂肪食品人造奶油15豆类（青）67蛋黄酱15豆类（干）10-12食品用油0黄瓜96沙拉酱40马铃薯78乳制品奶油15红薯69奶酪（切达）40小萝卜78鲜奶油60-70芹菜79奶粉4畜、水产

3、品等动物肉和水产品50-85液体乳制品87-91新鲜蛋74冰淇淋等65干蛋粉4糖类果酱<35鹅肉50白糖及其制品<1鸡肉75蜂蜜及其他糖浆20-40食品的加工过程经常有一些涉及对水的加工处理，如采用一定的方式从食品中除去水分（加热干燥、蒸发浓缩、超滤、反渗透等），或将水分转化为非活性成分（冷冻），或将水分物理固定（凝胶），以达到提高食品稳定性的目的。因此研究水的结构和物理化学特性，食品中水分的分布及其状态，对食品化学和食品保藏技术有重要意义。1.1水的结构和性质1.1.1水的结构（Structure）水分子由两个氢原子的s轨道与

4、一个氧原子的两个sp3杂化轨道形成两个s共价键（具有40%离子性质）。水分子为四面体结构，氧原子位于四面体中心，四面体的四个顶点中有两个被氢原子占据，其余两个为氧原子的非共用电子对所占有（图1-1）。气态水分子两个O-H键的夹角即H-O-H的键角为104.5°，与典型四面体夹角109°28′很接近，键角之所以小了约5°是由于受到氧原子的孤对电子排斥的影响，此外，O-H核间距0.096nm，氢和氧的范德瓦尔斯（vanderWaals）半径分别为0.12nm和0.14nm。图1-1单分子水的立体模式由于自然界中H、O两种元素存在着同

5、位素，所以纯水中除常见的H2O外，实际上还存在其它的一些同位素的微量成分，但它们在自然界的水中所占比例极小。常温下水是一种有结构的液体。在液态水中，若干个水分子缔合成为（H2O）n的水分子簇。这是由于水分子是偶极分子（在气态时为1.84D），它们之间的作用是通过静电吸引力（氢原子的♁端同氧原子的Θ端）及产生氢键（键能约为2~40kJ·mol-1）形成的。氧原子的两个孤对电子与邻近的两个水分子的氢原子产生氢键，形成如图1.2所示的四面体结构。每个水分子在三维空间的氢键给体数目和受体数目相等，因此，水分子间的吸引力比同样靠氢键结合成

6、分子簇的其它小分子（如NH3和HF）要大得多。例如，氨分子是由三个氢给体和一个氢受体构成的四面体；氟化氢的四面体只有一个氢给体和三个氢受体，它们只能在二维空间形成氢键网络结构，因此比水分子包含的氢键数目要少。水分子形成三维氢键的能力可以用于解释水分子的一些特殊物理化学性质，例如它的高熔点、高沸点、高比热和相变焓，这些均与破坏水分子的氢键所需要的额外能量有关；水的高介电常数则是由于氢键所产生的水分子簇，导致多分子偶极，从而有效地提高了水分子的介电常数。图1-2水分子的四面体构型下的氢键模式（以虚线表示）水分子的氢键键合程度与温度有

7、关。在0℃的冰中水分子的配位数为4，随着温度的升高，配位数增加，例如在1.5℃和83℃时，配位数分别为4.4和4.9，配位数增加有增加水的密度的效果；另外，由于温度升高，水分子布朗运动加剧，导致水分子间的距离增加，例如1.5℃和83℃时水分子之间的距离分别为0.29nm、0.305nm，该变化导致体积膨胀，结果是水的密度会降低。一般来说，温度在0~4℃时，配位数的对水的密度影响起主导作用；随着温度的进一步升高，布朗运动起主要作用，温度越高，水的密度越低。两种因素的最终结果是水的密度在3.98℃最大，低于、高于此温度则水的密度均会

8、降低。1.1.2冰的结构冰（ice）是由水分子构成的非常“疏松”的大而长的刚性结构，相比之下液态水则是一种短而有序的结构，因此，冰的比容较大。冰在熔化时，一部分氢键断裂，所以转变成液相后水分子紧密地靠拢在一起，密度增加。图1-3表示的是最普通的冰的晶胞示意图。图