2.2　課后習(xí)題詳解

1如何從理論上解釋水的獨(dú)特理化性質(zhì)？

答：水分子的三維氫鍵締合為說(shuō)明水的異常物理性質(zhì)奠定了理論基礎(chǔ)。水的異常物理性質(zhì)與斷裂水分子間氫鍵需要額外能量有關(guān)。

（1）水反常的介電常數(shù)也與氫鍵締合有關(guān)，因?yàn)樗臍滏I締合而生成了龐大的水分子簇，產(chǎn)生了多分子偶極子，從而使水的介電常數(shù)顯著增大。

（2）水的低黏度也與結(jié)構(gòu)有關(guān)，因?yàn)闅滏I網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的，當(dāng)分子在納秒（ns）甚至皮秒（ps）這樣短暫的時(shí)間內(nèi)改變它們與鄰近分子之間的氫鍵的鍵合關(guān)系時(shí)，會(huì)增大分子的流動(dòng)性。

2食品中的離子、親水性物質(zhì)、疏水性物質(zhì)分別以何種方式與水作用？食品中水的存在形式有哪些？各有何特點(diǎn)？

答：（1）食品中的物質(zhì)與水的相互作用方式

①水與離子及離子基團(tuán)的相互作用

與離子或離子基團(tuán)（Na^＋、Cl^－、-COO^－等）相互作用的水是食品中結(jié)合得最緊密的一部分水，可通過(guò)離子或離子基團(tuán)的電荷與水分子偶極子發(fā)生靜電相互作用（離子-偶極子）而產(chǎn)生水合作用。

②水與具有形成氫鍵能力的中性基團(tuán)的相互作用

水能夠與各種合適的基團(tuán)，如羥基、氨基、羧基、酰胺或亞氨基等極性基團(tuán)形成氫鍵。此外，在生物大分子的2個(gè)部位或2個(gè)大分子之間可形成由幾個(gè)水分子所構(gòu)成的“水橋”。

③水與非極性物質(zhì)的相互作用

把疏水性物質(zhì)，如烴類、稀有氣體、脂肪酸、氨基酸以及蛋白質(zhì)的非極性基團(tuán)等加入水中，由于極性的差異發(fā)生了體系熵的減少，在熱力學(xué)上是不利的（ΔG＞0），此過(guò)程稱為疏水水合。

（2）食品中水的存在形式及特點(diǎn)

根據(jù)食品中水與非水物質(zhì)發(fā)生相互作用的性質(zhì)和程度，可將食品中的水分為體相水和結(jié)合水。

①結(jié)合水

結(jié)合水又稱束縛水或固定水，通常是指存在于溶質(zhì)或其他非水組分附近的、與溶質(zhì)分子之間通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合的那一部分水。結(jié)合水呈現(xiàn)低的流動(dòng)性，在－40℃不結(jié)冰，不能作為所加入溶質(zhì)的溶劑，在氫核磁共振中使氫的譜線變寬。

②體相水

體相水又稱游離水，是指食品中除了結(jié)合水以外的那一部分水，可分為3類：不移動(dòng)水或滯化水、毛細(xì)管水和自由流動(dòng)水。

a．不移動(dòng)水或滯化水是指被組織中的顯微和亞顯微結(jié)構(gòu)及膜所阻留住的水，食品中通常有凝膠或有細(xì)胞結(jié)構(gòu)時(shí)就可能有滯化水，這些水不能自由流動(dòng)。

b．毛細(xì)管水是指在生物組織的細(xì)胞間隙和食品結(jié)構(gòu)組織中，由毛細(xì)管力所截留的水，在生物組織中又稱細(xì)胞間水，其物理和化學(xué)性質(zhì)與滯化水相同。

c．自由流動(dòng)水是指動(dòng)物的血漿、淋巴和尿液，植物的導(dǎo)管和細(xì)胞內(nèi)液泡中的水以及食品中肉眼可見的水，系可以自由流動(dòng)的水。

3水分含量與水分活度的關(guān)系和區(qū)別在哪些方面？什么是水分的吸附等溫線？其曲線形狀受哪些因素的影響？水分活度對(duì)食品穩(wěn)定性有哪些影響？

答：（1）水分含量與水分活度的關(guān)系及區(qū)別

①關(guān)系

在固形物組分一定時(shí)，水分含量和水分活度有著直接的關(guān)系，當(dāng)水分含量增加時(shí)水分活度也增加。在生產(chǎn)中通過(guò)對(duì)水分活度的測(cè)定可以快速監(jiān)控水分含量的變化，從而作為水分含量監(jiān)控的重要手段。

②區(qū)別

水分含量是指每單位物質(zhì)質(zhì)量中水的質(zhì)量；而水分活度是指食品中水的蒸汽壓與同溫下純水的飽和蒸汽壓的比值。

（2）水分的吸附等溫線

水分的吸附等溫線（MSI）是指在恒定溫度下，以食品的水分含量（用每單位干物質(zhì)質(zhì)量中水的質(zhì)量表示）對(duì)其水分活度繪圖形成的曲線。

（3）影響吸附等溫線形狀的因素

①食品種類

大多數(shù)食品的水分吸附等溫線呈S形，而水果、糖制品、含有大量糖和其他可溶性小分子的咖啡提取物以及多聚物含量不高的食品的等溫線為J形。

②溫度

水分活度依賴于溫度，因此MSI也與溫度有關(guān)。在一定的水分含量時(shí)，水分活度隨溫度的上升而增大。

（4）水分活度對(duì)食品穩(wěn)定性的影響

①水分活度與微生物生命活動(dòng)的關(guān)系

a．食品的水分活度決定了微生物在食品中萌發(fā)的時(shí)間、生長(zhǎng)速率及死亡率。不同的微生物在食品中繁殖時(shí)對(duì)水分活度的要求不同，細(xì)菌對(duì)低水分活度最敏感，酵母菌次之，霉菌的敏感性最差。

b．重要的食品中有害微生物生長(zhǎng)的最低水分活度是0.86～0.97，所以，真空包裝的水產(chǎn)和畜產(chǎn)加工制品，流通標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其水分活度要低于0.94。

②水分活度與食品劣變化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系

降低食品的A_w，可以延緩酶促褐變和非酶褐變的進(jìn)行，減少食品營(yíng)養(yǎng)成分的破壞，防止水溶性色素的分解。但A_w過(guò)低，則會(huì)加速脂肪的氧化酸敗。要使食品具有最高的穩(wěn)定性所必需的水分含量，最好是將A_w保持在結(jié)合水范圍內(nèi)。這樣，既可使化學(xué)變化難于發(fā)生，又不會(huì)使食品喪失吸水性和復(fù)原性。

4冰對(duì)食品穩(wěn)定性有何影響？采取哪些方法可以克服冰凍法保藏食品的不利因素？

答：（1）冰對(duì)食品穩(wěn)定性的影響

①水轉(zhuǎn)化為冰后體積增加，產(chǎn)生局部壓力，使具有細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的食品受到機(jī)械性損傷，造成解凍后汁液的流失，或者使得細(xì)胞內(nèi)的酶與細(xì)胞外的底物接觸，導(dǎo)致不良反應(yīng)的發(fā)生。

②冷凍濃縮效應(yīng)。在商業(yè)凍藏溫度下，食品中仍存在非凍結(jié)相，在非凍結(jié)相中非水組分的濃度提高，最終引起食品體系的理化性質(zhì)如非凍結(jié)相的pH值、可滴定酸度、離子強(qiáng)度、黏度、冰點(diǎn)、表面和界面張力、氧化-還原電位等發(fā)生改變。此外，非凍結(jié)相和凍結(jié)相還將形成低共熔混合物，溶液中有氧和二氧化碳逸出，水的結(jié)構(gòu)和水與溶質(zhì)間的相互作用也劇烈地改變，同時(shí)大分子更緊密地聚集在一起，使之相互作用的可能性增大。

③由于凍藏過(guò)程中溫度出現(xiàn)波動(dòng)，溫度升高時(shí)，已凍結(jié)的小冰晶融化；溫度再次降低時(shí)，原先未凍結(jié)的水或先前小冰晶融化的水將會(huì)擴(kuò)散并附著在較大的冰晶表面，造成再結(jié)晶的冰晶體積增大，這樣對(duì)組織結(jié)構(gòu)的破壞性很大。

（2）克服冰凍法保藏食品不利因素的方法

①速凍

對(duì)食品進(jìn)行速凍處理可以使其快速通過(guò)最大冰晶形成區(qū)，避免形成較大的冰晶戳破細(xì)胞，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)、汁液流失，速凍可形成均勻較小的冰晶，在解凍時(shí)可減少水分流失。

②緩慢解凍

緩慢解凍可使水分等有充足的時(shí)間被細(xì)胞吸收、復(fù)位，可減少汁液流失，以保持食品的營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味。

③保持冰凍溫度恒定

溫度波動(dòng)易形成大冰晶，從而對(duì)組織結(jié)構(gòu)造成破壞。因此，在食品凍藏時(shí)，要盡量控制溫度的恒定。

④與其他保藏方法搭配使用

在商業(yè)凍藏溫度下，食品中仍存在非凍結(jié)相，可能使食品發(fā)生劣變。因此搭配如真空包裝、氣調(diào)包裝等保藏方法，可降低微生物的活動(dòng)，從而延長(zhǎng)食品保質(zhì)期。

5如何解釋T_g在食品保藏中的作用？

答：T_g是指非晶態(tài)的食品體系從玻璃態(tài)到橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)變（即玻璃化轉(zhuǎn)變）時(shí)的溫度。T_g在食品保藏中的作用的解釋如下：

玻璃態(tài)下的未凍結(jié)的水不是按前述的氫鍵方式結(jié)合的，其分子被束縛在由極高溶質(zhì)黏度所產(chǎn)生的具有極高黏度的玻璃態(tài)下，這種水分不具有反應(yīng)活性，使整個(gè)食品體系以不具有反應(yīng)活性的非結(jié)晶性固體形式存在。

因此，在T_g下，食品具有高度的穩(wěn)定性。故低溫冷凍食品的穩(wěn)定性可以用該食品的T_g與儲(chǔ)藏溫度t的差（t－T_g）來(lái)決定，差值越大，食品的穩(wěn)定性就越差。

6什么是分子移動(dòng)性（M_m）？M_m與食品穩(wěn)定性有何關(guān)系？

答：（1）分子移動(dòng)性

分子移動(dòng)性（M_m）又稱分子流動(dòng)性，是分子的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)和平動(dòng)移動(dòng)的總度量（不包括分子的振動(dòng)）。

（2）分子移動(dòng)性與食品的穩(wěn)定性的關(guān)系

①物質(zhì)處于完全而完整的結(jié)晶狀態(tài)下其M_m為零，物質(zhì)處于完全的玻璃態(tài)（無(wú)定形態(tài)）時(shí)其M_m值也幾乎為零，其他情況下M_m值大于零。

②決定食品M_m值的主要成分是水和食品中占優(yōu)勢(shì)的非水組分。水分子體積小，常溫下為液態(tài)，黏度也很低，所以在食品體系溫度處于T_g時(shí)，水分子仍然可以轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)；而作為食品主要成分的蛋白質(zhì)、碳水化合物等大分子聚合物，不僅是食品品質(zhì)的決定因素，還影響食品的黏度、擴(kuò)散性質(zhì)，所以它們也決定食品的分子移動(dòng)性，故絕大多數(shù)食品的M_m值不等于零。

③大多數(shù)食品都是以亞穩(wěn)態(tài)或非平衡狀態(tài)存在的，其中大多數(shù)物理變化和一部分化學(xué)變化由M_m控制。

7水分活度、分子移動(dòng)性和T_g在預(yù)測(cè)食品穩(wěn)定性中的作用有哪些？請(qǐng)對(duì)它們進(jìn)行比較。

答：（1）水分活度、分子移動(dòng)性和T_g在預(yù)測(cè)食品穩(wěn)定性中的作用

①水分活度（A_w）方法主要是研究食品中水的有效性（可利用性），如水作為溶劑的能力。

②分子移動(dòng)性（M_m）方法主要是研究食品的微觀黏度和化學(xué)組分的擴(kuò)散能力，它也取決于水的性質(zhì)。

③玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T_g）是從食品的物理特性的變化來(lái)評(píng)估食品穩(wěn)定性的方法。

（2）三種方法的對(duì)比

①在估計(jì)由擴(kuò)散限制的性質(zhì)，如冷凍食品的物理性質(zhì)、冷凍干燥的最佳條件和包括結(jié)晶作用、膠凝作用和淀粉老化等物理變化時(shí)，M_m方法明顯地更為有效，A_w指標(biāo)在預(yù)測(cè)冷凍食品物理或化學(xué)性質(zhì)上是無(wú)用的。

②在估計(jì)食品保藏在接近室溫時(shí)導(dǎo)致的結(jié)塊、黏結(jié)和脆性等物理變化時(shí)，M_m方法和A_w方法有大致相同的效果。

③在估計(jì)不含冰的產(chǎn)品中微生物生長(zhǎng)和非擴(kuò)散限制的化學(xué)反應(yīng)速度（例如高活化能反應(yīng)和在較低黏度介質(zhì)中的反應(yīng)）時(shí)，M_m方法的實(shí)用性明顯的較差和不可靠，而A_w方法更有效。