《食品化学》教案doc.docx
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《食品化学》教案doc
《食品化学》教案
第2次课2学时
一、授课题目
第二章 水
第一节 概述
第二节 水和冰的物理特性
第三节 水和冰的结构
第四节 水与溶质间的相互作用
二、教学目的和要求
了解水和冰的物理常数及结构、水在食品中的存在形式及功用
掌握水与溶质中的相互作用
三、教学重点和难点
水与溶质中的相互作用
四、主要参考资料
《食品化学》，王璋、许时婴、汤坚编，中国轻工业出版社，2007，4；
《食品化学》，刘邻渭主编，中国农业大学出版社，2003，3；
《食品化学》，谢笔钧主编，科学出版社，2006，6；
五、教学过程
教学方法：
讲授法
辅导手段：
PPT
板书：
板书+多媒体
第一节 概述
一、水在人体内的作用
1、构成机体组织
2、维持生命活动
3、调节代谢过程
二、水在食品中的作用
1、构成大多数食品的主要组分，不同的食品含水量不同
2、食品贮藏加工过程中水起着重要作用。
水的含量、分布和取向不仅对食品的结构、外观、质地、风味、新鲜程度和腐败变质的敏感性产生极大的影响，而且对生物组织的生命过程也起着至关重要的作用。
第二节水和冰的物理性质
同与水具有相似的相对分子质量和原子成分的分子比较（CH4、NH3、HF、H2S、H2Se、H2Te）等比较，水具有正常的黏度
密度较低
冰的熔点、水的沸点、介电常数、表面张力、比热容和相变热等物理常数异常高。
水在结晶时显示异常的膨胀特性（冰密度<水密度）
水的热导值>其他液态物质
冰的热导值略大于非金属固体
0℃时，冰的热导值约为同一温度下水的4倍
→冰的热能传导速率比生物组织中非流动的水快得多 →→→
冰的热扩散速率为水的9倍
→→→生物组织的冷冻速率>解冻速率。
水和冰具有特殊的物理性质原因：
水分子特殊的结构及水分子之间作用特殊性所致。
介电常数
又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米。
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数（permittivity）,又称诱电率.如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。
电介质经常是绝缘体。
其例子包括瓷器（陶器），云母，玻璃，塑料，和各种金属氧化物。
有些液体和气体可以作为好的电介质材料。
干空气是良好的电介质，并被用在可变电容器以及某些类型的传输线。
蒸馏水如果保持没有杂质的话是好的电介质，其相对介电常数约为80。
电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性。
例如，当一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被移远了一样。
当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，有更短的波长。
相对介电常数εr可以用静电场用如下方式测量:
首先在其两块极板之间为空气的时候测试电容器的电容C0。
然后，用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后侧得电容Cx。
然后相对介电常数可以用下式计算
εr=Cx/C0
附常见溶剂的介电常数
H2O（水）78.5 HCOOH（甲酸）58.5
HCON（CH3）2（N,N-二甲基甲酰胺）36.7 CH3OH（甲醇）32.7
C2H5OH（乙醇）24.5 CH3COCH3（丙酮）20.7
n-C6H13OH（正己醇）13.3 CH3COOH（乙酸或醋酸）6.15
C6H6（苯）2.28 CCl4（四氯化碳）2.24
n-C6H14（正己烷）1.88
热导率或称“导热系数”（coefficientofthermalconductivity）是物质导热能力的量度。
符号为λ或K。
其定义为：
在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1m2的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率，其单位为瓦特·米-1·开-1（W·m-1·K-1）。
如没有热能损失，对于一个对边平行的块形材料，则有
E/t=λA（θ2-θ1）/l
式中E是在时间t内所传递的能量，A为截面积，ι为长度，θ2和θ1分别为两个截面的温度。
在一般情况下有：
dE/dt=-λAdθ/dι
热导率λ很大的物体是优良的热导体；而热导率小的是热的不良导体或为热绝缘体。
λ值受温度影响，随温度增高而稍有增加。
若物质各部之间温度差不很大时，在实用上对整个物质可视λ为一常数。
晶体冷却时，它的热导率增加极快。
钻石的热导率在已知矿物中最高
热扩散系数（thermaldiffusioncoefficient;thermaldiffusivity;thermaldegradation）
符号为DT。
定义式：
DT=kTD。
其中kT为热扩散比；D为热扩散系数。
SI单位为：
m2/s，化工中常用：
cm2/s，m2/s。
物体中某一点的温度的扰动传递到另一点的速率的量度。
可由下列关系式表示：
α=λ/（ρ·Cp）。
式中λ为热导率；ρ为物体的密度；Cp为物体的定压比热容，单位为m2/s。
热扩散系数比热导率有更直觉的反应。
就是说，热导率的高并不一定使你感到物体这头热了，那头很快就热；而热扩散系数大的材料就能使你感到“温度”很快从这头传到了那头。
表示气体（或固体）扩散程度的物理量。
在气体中，如果相距1厘米的两部分，其密度相差为1g/cm3，则在1s内通过1cm2面积上的气体质量，规定为气体的扩散系数。
单位：
cm2/s
第三节 水和冰的结构
一、水分子
1、水分子的结构
水分子中具有4个杂化的sp3轨道，两个氢原子靠近氧原子的两个sp3成键轨道，形成了两个σ共价键，每一个键具有离解能460KJ/mol.由于氧具有高负电性，因此，O-H共价键具有部分（40%）离子特征。
水分子的形状、键角和原子半径见图2-1（P12）
蒸汽状态水分子键角为104.5°,此值接近于完美四面体角109°28′。
O-H核间距0.096nm，氧和氢的范德华半径分别为0.14nm和0.12nm。
必须指出：
纯水不仅含有普通的HOH分子，而且还含有许多其他微量成分，除普通的16O和1H外，还存在着17O、18O、2H、3H，形成18种HOH分子的同位素变异体。
水中也含有离子，如：
氢离子（以H3O+存在）和羟基离子等其他同位素变异体。
因此，水含有33种以上的HOH的化学变异体，而这些变异体仅占极微小的数量。
2、水分子的缔合作用
水分子中的氢、氧原子呈V字形排序，O-H键具有极性，所以分子中的电荷是非对称分布的。
纯水在蒸汽状态下，分子的偶极矩为6.14C·m，这种极性使分子间产生吸引力，因此水分子能以相当大的强度缔合。
另外，每个水分子具有相等数目的氢键供体和受体部位，可在三维空间形成多重氢键键合，因而水分子间存在着很大的吸引力。
偶极矩（dipolemoment）
正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的乘积，叫做偶极矩μ＝r×q。
它是一个矢量，方向规定为从负电荷中心指向正电荷中心。
偶极矩的单位是D（德拜）。
根据讨论的对象不同，偶极矩可以指键偶极矩，也可以是分子偶极矩。
分子偶极矩可由键偶极矩经矢量加法后得到。
实验测得的偶极矩可以用来判断分子的空间构型。
例如，同属于AB2型分子，CO2的μ=0，可以判断它是直线型的；H2S的μ≠0，可判断它是折线型的。
可以用偶极矩表示极性大小。
键偶极矩越大，表示键的极性越大；分子的偶极矩越大，表示分子的极性越大。
两个电荷中，一个电荷的电量与这两个电荷间的距离的乘积。
可用以表示一个分子中极性的大小。
如果一个分子中的正电荷与负电荷排列不对称，就会引起电性不对称，因而分子的一部分有较显著的阳性，另一部分有较显著的阴性。
这些分子能互相吸引而成较大的分子。
例如缔合分子的形成，大部分是由于氢键，小部分就是由于偶极矩。
偶极矩用μ表示:
μ=q*d。
单位为D（Debye.德拜）
每个水分子最多能与其他4个水分子形成氢键，形成四面体结构，与同样能形成氢键的分子（NH3、HF）相比，存在于水中的吸引力异常高。
因为存在三维氢键，使水具有大热容值，高熔点，高沸点，高表面张力和高相转变热焓。
（均关系到打破分子间氢键所需热量），水的介电常数也受氢键影响。
由于氢键结合的水分子簇产生多分子偶极，从而提高了水的介电常数。
二、冰的结构
水分子通过四之间的作用力结晶，形成一种低密度的结构――冰。
在冰中O－O核间最相邻的距离为0.276nm。
O-O-O键角约109°,非常接近完美的四面体角109°28′，在此结构中，每一个水分子能同其他4个水分子缔合（配位数4）
沿着平行C轴的方向观察，冰是单折射的，而所有其他方向都是双折射。
因此，C轴是冰的光学轴。
普通冰属于六方晶系的六方形双锥体组。
此外，冰还能以9种其他结晶多晶型结构存在。
也能以无定形或玻璃态结构存在。
所以冰有11种结晶类型。
在正常压力和0℃条件下，只有普通的六方形冰是稳定的。
实际上冰的结构并非像上述的那样简单，除普通水分子外，纯冰中还含有水分子的同位素变种，所幸这些同位素变种数量很少，在大多数情况下，可以忽略。
因此研究冰和水的结构时主要考虑HOH、H+（H3O+）、OH-、由于H3O+和OH-的运动及HOH振动，冰结晶总是有缺陷的。
而且存在冰结晶空隙中的水分子显然能缓慢地扩散通过晶格。
因此，冰远非静止或均一的。
它的特征还取决于温度。
当T≈-180℃或更低时，所有的氢键才是完整的。
当温度升高时，完整的氢键的平均数目还将逐渐降低。
冰中溶质的种类和数量能影响冰晶的结构，然而，只要避免极端快速冻结，并且溶质的性质和浓度不会显著地妨碍水分子的运动，那么食品中冰总是以最有序的六方形冰结晶存在。
反之，如高浓度明胶会导致形成较无序的冰结晶形式。
三、水的结构
液态水的结构，虽然不足以使它在长距离内具有刚性，然而比起蒸汽状态的水分子，结构程度要高得多。
因此，一个水分子的定向和运动受它邻近水分子的影响。
在液态水中，水分子并不是以单个分子形式存在，而是由若干个分子靠氢键缔合形成水分子簇（H2O）n.
在室温或低于室温下，液态水中包含着连续的三维氢键轨道，形成四面体形状的网络结构，其中有很多变形和断裂键。
水分子这种排列是动态的，它们之间的氢键可迅速断裂，同时通过彼此交换形成新的氢键，因此能很快地改变各个分子氢键键合的排列方式。
但在恒温时，整个体系可以保持氢键键合程度不变的完整网络。
目前已提出3类水的结构模型：
混合型，填隙结构和连续结构模型。
1、混合型结构
体现了分子之间氢键概念。
由于分子间氢键相互作用，它们短暂聚集成由3、4、5或8聚体等构成的庞大水分子簇。
这些水分子簇与其他更紧密的分子处于动态平衡（水分子簇的瞬间寿命约10-11S）
2、连续结构模型
其概念是：
分子间氢键均匀地分布在整个水体系中。
当冰融化时，许多氢键发生变形或断裂，这个模型认为水分子的动态连续网络结构是存在的。
3、填隙结构模型
指水保留了一个像冰或是笼形的结构，单个水分子填满整个笼的间隙空间。
以上3种模型主要的结构特征是液态水以短暂的氢键缔合形成扭曲的四面体结构，恒定温度下，从宏观看整个体系的氢键缔合程度和网络结构保持不变。
从微观角度讲，各个氢键处于不停的运动状态，处于动态平衡。
氢键的键合程度取决于温度。
0℃时，冰中水分子的配位数为4，邻近水分子间距离为0.276nm。
冰融化时，部分氢键断裂，邻近水分子间的距离增大。
刚性结构破坏，大量氢键扭曲变形，水分子自身重排为更紧密网络结构。
温度升高时，水分子配位数增多（密度提高），邻近水分子间距离增加（密度降低）。
当冰转变为水时，将密度提高。
当达到3.98℃时，密度达到最大，随着温度继续提高，密度下降。
水的低黏度与结构有关。
因为氢键网络是动态的，在短时间内改变它们与邻近分子之间的氢键键合关系时，会增大分子淌度（流动性提高），降低粘度。
版书设计
第一节概述
一、水的重要作用
1、在人体中的重要作用（10min）
2、在食品中的重要作用（5min）
第一章水
第二节水和冰的物理性质
一、水的物理性质
（10min）
二、冰的物理性质
（10min）
第三节水和冰的结构
一、水分子的结（15min）
二、冰的结构特点（15min）
三、液态水的结构模型（35min）
疑难
字词
画图
六、作业
1、同与水具有相似的相对分子质量和原子成分的分子比较，水与冰具有哪些特殊的物理性质？
2、水的结构模型有哪几种？
七、课后记
《食品化学》教案
第3次课2学时
一、授课题目
第四节 水与溶质间的相互作用
第五节 水活性
第六节 水分的吸附等温线
二、教学目的和要求
掌握水分活度的定义和测定方法
理解水分活度与温度及非水物的关系、水分活度
三、教学重点和难点
重点：
水在食品中的存在形式及功用
难点：
⑴等温吸湿线
⑵水分活度、食品稳定性与吸附等温线之间的关系
四、主要参考资料
《食品化学》，王璋、许时婴、汤坚编，中国轻工业出版社，2007，4；
《食品化学》，刘邻渭主编，中国农业大学出版社，2003，3；
《食品化学》，谢笔钧主编，科学出版社，2006，6；
五、教学进程
第四节 水与溶质间的相互作用
一、宏观水平
在食品中，“水结合”（waterbinding）“水合”（hydration）常被用来表示水与包括细胞物质在内的亲水物质缔合的一般倾向。
此时两个术语与宏观水平相称。
水结合的程度和强度取决于许多因素。
如：
非水成分的性质，盐的组成，pH值和温度等许多因素。
“持水力”：
常用来描述由分子（通常指以低浓度存在的大分子）构成的基体，通过物理方式截留大量水而阻止水渗出的能力。
按此方式截留水的食品基体有人们熟悉的果胶和淀粉凝胶以及动物组织细胞。
物理截留水性质有：
组织化食品切割，剁碎时仍不流出
性质与纯水相同。
如干燥时易除去，冻结时可结冰，可作为溶剂
整体流动严格受到限制，但个别分子运动与低浓度溶液中溶剂水分子运动相同。
存在于组织和凝胶中的绝大部分水可归之为物理截留水，食品截留水的能力（持水力：
waterholdingcapacity）的损害会对食品的质量产生严重的影响。
二、分子水平
1、概述
溶质和水混合时会同时改变这两个成分的性质。
亲水溶质会改变邻近水的结构和流动性，水会改变亲水溶质的反应性，有时甚至改变结构。
溶质的疏水基团仅与邻近水分子微弱地作用，它们优选选择非水环境。
水与各种溶质之间的结合力是重要的，现总结于下表
种类
实例
相互作用的强度（与H2O-H2O1）氢键比较）
偶极－离子
偶极－偶极
疏水水合
疏水相互作用
H2O-游离离子
H2O-有机分子中的带电基团
H2O-蛋白质NH-
H2O-蛋白质CO
H2O-蛋白质侧链OH
H2O+R3）→R（水合）
R（水合）+R（水合）→R2（水合）+H2O
较强2）
接近或相等
远小于（△G>0）
不可比较4）（△G<0）
注：
1）约12-25kJ/mol
2）远弱于单个共价键的强度
3）R是烷基
4）疏水相互作用是熵推动的，而偶极－离子和偶极－偶极相互作用是焓推动的。
2、结合水
理论上可以将结合水看作为存在于溶质和其他非水成分相邻处，并且具有与同一体系中体相水显著不同性质的那部分水。
其中，分子运动减小，水的其他性质明显发生改变，主要特征为-40℃不结冰。
食品中水可根据其性质分类
分类
性质
食品中的水
结合水
化合水：
构成非水物质组成的水，结合得最牢固
-40℃不结冰，无溶解溶质的能力，
无平动运动（与纯水比较），
蒸发焓增大
在高水分食品中占总水分含量的百分数<0.03%
邻近水：
处在非水组分亲水性最强的基团周围的第一层位置
-40℃不结冰，无溶解溶质的能力，
平动运动与纯水比较，大大减小
蒸发焓增大
在高水分食品中占总水分含量的百分数:
0.5%±0.4%
多层水：
占据第一层邻近水的剩余位置和围绕非水组分亲水基团形成的另外的几层水。
-40℃大部分不结冰，溶剂能力（微溶至适度溶解），
平动运动与纯水比较，大大降低
蒸发焓略微至适度增加
在高水分食品中占总水分含量的百分数:
3%±2%
体相水
自由水：
距离非水组分位置最远，水－氢键最多。
与稀盐水溶液中水的性质相似，宏观流动不受阻碍。
能结冰，冰点略微至适度降低
溶解溶质的能力大，
平动运动与纯水比较变化很小
蒸发焓与纯水比较基本上无变化
在高水分食品中占总水分含量的百分数约为96%
截留水：
距离非水组分位置最远，水－氢键最多。
除流动性受食品凝胶或生物组织的阻碍外，其他性质与稀盐溶液中的水相似。
能结冰，冰点略微至适度降低
溶解溶质的能力大，
平动运动与纯水比较变化很小
蒸发焓与纯水比较基本上无变化
在高水分食品中占总水分含量的百分数约为96%
三、水与离子和离子基团的相互作用
H2O-游离离子强度大于H2O-H2O氢键的强度，低于共价键的强度。
在稀溶液中，NaCl离子对的水合，不仅扰乱了第一层水分子，也使第二层水分子在结构上处于被扰乱的状态。
在浓盐溶液中，不存在体相水分子。
水的结构被离子支配。
在稀水溶液中，一些离子具有净结构破坏效应（Netstructure-breakingeffect）此时，溶液具有比纯水较好的流动性。
而一些离子具有净结构形成效应（Netstructureformingeffect），此时溶液具有比纯水较差的流动性。
净结构（Netstructure）涉及所有形式的结构，包括正常的和新形式的水结构。
离子结构改变水的净结构的能力与它的极化力（电荷/半径）或电场强度紧密相关。
小离子/多价离子产生强电场，它们是净结构形成体。
这些离子大多是带正电荷的离子。
如：
Li+、Na+、H3O+、Ca2+、Ba2+、Mg2+、Al3+、F-、OH-，这些离子强烈地与4/6个第一层水分子作用，合它们具有比纯水中水分子较低的流动性和较紧密的堆积，它们加强水的结构＞正常水结构。
大离子/单价离子产生较弱电场，它们是净结构破坏体。
这些离子大多是负离子和大的正离子。
如K+、Rb+、Cs+、NH4+、Cl-、Br-、I-、NO3-、BrO3-、IO3-、ClO4-等，它们破坏了水的正常结构，强加于水的结构＜补偿正常水结构的损失，K+的效应是非常微弱的。
离子效应影响水的结构，通过它们不同程度的水合能力，改变水的结构，影响水的常数，决定胶体粒子周围双的厚度。
离子还显著影响水对其他非水溶质和悬浮物质的相容程度。
离子的种类和数量一般也影响蛋白质的构象和胶体稳定性（盐溶，盐析）
四、水与具有氢键形成能力的中性基团（亲水性溶质）的相互作用
水与非离子，亲水性溶质之间的相互作用弱于H2O--离子相互作用，而与H2O-H2O的强度大致相同。
其作用强度取决于H2O-溶质氢键的强度，第一层水可能呈现，也可能没有呈现比纯水较低的流动性或其他不同的性质。
能形成氢键的溶质可能会增加纯水的正常结构或破坏纯水的正常结构。
这可能是：
溶质氢键部位的分布和定向在几何上与正常水的氢键部位不相容。
如尿素。
加入能形成氢键的溶质之后，虽然破坏了水的正常结构，然而每摩尔溶液总氢键数可能没有发生显著改变。
原因：
H2O-溶质氢键取代了被破坏了的H2O-H2O氢键。
具有这种性质的溶质对于前面所定义的“净结构”没有多大的影响。
水可以与各种潜在的适宜基团（-OH、-NH2、-CHO、酰胺基、亚氨基）形成氢键，在一些情况下产生“水桥”，此时1mol H2O与1个溶质分子或几个溶质分子上的两个氢键部位相互作用。
如
H
－NH……O-H……O＝C
已经发现，许多结晶水分子中的亲水性基团间的距离与纯水中最相邻的氧原子间的距离相同。
如果在水合分子中这种间隔占优势，那么或许会促进第一层和第二层水中协作氢键的形成。
五、水与非极性物质的相互作用
非极性物质包括烃，稀有气体及脂肪酸、氨基酸和蛋白质的非极性基团。
水与其混合是对热力不利的过程（△G>0）。
△G>0原因：
T△S为负，而非△H>0（对于溶解度低的溶质一般如此）。
由于在这些不相容的非极性实体邻近处水形成了特殊的结构，使熵下降。
此过程被称为“疏水水合”（Hydrophobichydration）。
由于疏水水合是不利的，因此水倾向于尽可能地减少与存在的非极性实体的缔合。
如果存在两个分离的非极性基团，那么不相容的水环境将促进它们之间的缔合，从而减少H2O-非极性实体界面面积，这是热力学上有利的过程（△G＜0）。
此过程是疏水水合的部分逆转。
称为“疏水相互作用”（Hydrophobicinteraction）。
可简单描述如下：
R（水合）+R（水合）→R2（水合）+H2O
由于 水和非极性基团存在着对抗关系，为了尽可能减少与非极性基团的接触，邻近非极性基团处水的结构发生变化，水与非极性物质形成笼形水合物（clathratehydrate）。
笼形水合物是像冰一样的包合物。
“宿主”物质（水）通过氢键形成一个笼子状结构。
将“客体”物质即小疏水分子以物理方式截留。
笼形水合物的“宿主”一般由20-74个水分子组成，“客体”是相对分子量低的化合物。
典型的客体分子有烃、卤代烃，稀有气体，短链第一、第二、第三胺、烷基铵盐、硫盐和磷盐等。
水和客体间的相互作用通常是轻微的，小于弱范德华力。
笼形水合物是水分子企图避免与疏水基团接触所产生的离奇的结果。
事实上，笼形水合物是结晶，它们易于生长至可见大小，一些笼形水合物，只要压力够高，在0℃以上仍然稳定。
水分子与蛋白质疏水基团不可避免的缔合对蛋白质的功能有重要影响。
由于蛋白质的非极性基团暴露于水中，在热力学上是不得的，因此促进了疏水基团的“缔合”或疏水相互作用。
疏水相互作用为蛋白质折叠提供了主要的推动力，使疏水残基处于蛋白质分子内部，尽管存在疏水相互作用，非极性基团一般占球蛋白表面面积40%-50%，降低温度，使疏水作用变弱，氢键变强
六、水与双亲分子的相互作用
双亲分子：
指脂肪酸盐、蛋白脂质、糖脂、极性脂类和核酸
特征：
在同一个分子中间同时存在亲水基团和疏水基团。
水与双亲分子亲水部位（-COOH，磷酸基、羟基、羰基或一些含氮基团极性部位）缔合，导致双亲分子的表现“增溶”。
双亲分子在水中形成大分子聚集体，被称为胶团。
双亲分子的非极性部分指向胶团内部，而极性部分定向至水中。
第五节水活性
、引言
食品的腐败性与其水分含量之间存在一定关系。
浓缩和胶水过程的主要目的是降低食品的水分含量。
同时提高溶质的浓度，降低食品腐败性。
然而，已经发现不同类型的食品虽然水分含量相同，但它们的腐败性显著不同。
因此，仅仅水分含量不是一个腐败性的可靠指标。
出现这种情况部分原因是水与非水成分缔合强度上的差别，参与强缔合的水比起弱缔合的水在较低程度上支持降解活力。
如微生物生长和水解化学反应。
水分活度能反映水与各种非水成分缔合的强度。
水分活度比水分含量更可靠的预示食品的稳定性、安全和其他性质。
但是水分活度并不完美。
二、水分活度的定义和测定方法
根据平衡热力学定律，水分活度定义为：
f－溶剂水的逸度 f0－纯水的逸度
p－某种食品在容器中达到平衡状态时的蒸汽分压
p0－在同一温度下纯水的饱和蒸汽压
在低温时（室温），f/f0和p/p0之间的差别小于1%，，因此
。
严格讲，
仅适用于理想溶液
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