课程导航

← 上一篇：水和溶质的相互作用 · 课程目录 · 下一篇：冷冻对食品稳定性的影响 →

BC 2-3 水分活度

#生物化学 #食品 #水 #水分活度 #吸湿等温线 #脂质 #氧化 #非酶褐变 #美拉德反应

1. 水分活度（Aw）的定义

水分活度：食品中水的蒸气压与同温下纯水的饱和蒸气压的比值，数学表达式如下：

Aw = P / P0

水分活度反映了水与各种非水成分的缔合强度

A_{w} = r_{w} \cdot X w

$r_{w}$ : 水分活度指数
$X_{w}$ : 水分含量

2. 水分活度与温度的关系

l n (a_{w}) = - \frac{k Δ H}{R} \cdot \frac{1}{T} + c

冰点以上：Aw 与食品组成和温度有关
冰点以下：Aw 只与温度有关

拉乌尔定律

一定温度下，稀溶液溶剂的蒸气压 = 纯溶剂的蒸气压 * 溶液中溶剂的摩尔分数

3. 水分活度与水分含量的关系

3.1 吸湿（吸附）等温线 MSI

吸湿（吸附）等温线 （MSI） ：恒定温度下，以食品的水分含量对它水分活度绘图形成的曲线

I 区（0 - 0.2）：化合水。属于结合水，不可冻结，不可利用，化学吸附
II 区（0.2 - 0.85）: 多层水。属于结合水，部分可被微生物利用，物理吸附
III 区（0.85 - 1）: 体相水。可作为溶剂，可被微生物利用，可结冰

MSI 曲线的意义

可以看出食品脱水的难易程度，确定如何组合食品才能避免水分在不同物料间的转移
预测含水量对食品稳定性的影响
看出食品中非水组分与水结合能力的强弱
……

3.2 MSI 形状

大部分食品 MSI：S 形
水果、糖制品、咖啡提取物、多聚物含量不高的食品：J 形
- 因为羟基含量高，与水结合紧密
- 潮解点：J 形 MSI 在超过潮解点后，斜率会急剧升高
拮抗剂（如硅胶、盐、CaCl2 等）： r 形

3.3 水分活度与含水量

含水量一定：温度越高，Aw 越大

Aw 一定：温度越高，含水量越低

温度升高的效果

MSI 曲线向右下移动（也即吸水能力减弱）

Aw 一定：解吸过程水分含量大于回吸过程（滞后现象） 回吸时，食品的吸水能力减弱，MSI 曲线向右下移动

滞后现象：解吸过程与回吸过程的 MSI 曲线不重叠

回吸 MSI 在食品加工中的参考价值更大

4. 水分活度与食品稳定性

食品中的 Aw 决定了微生物在食品中萌发的时间、生长速率、死亡率

水分状态	Aw	产品品质
过度干燥	< 0.15	保护性水膜破坏，脂肪自动氧化剧烈（酸败），天然香气逸散
BET 单层水	0.2 ~ 0.35	品质最稳定黄金点，防氧化，阻止褐变，抑菌，保质期最长
受潮稀释	> 0.4 ~ 0.7	基质塑化变软，吸湿板结，美拉德反应剧烈，霉变失稳

中等水分食品：Aw ∈ [0.2, 0.8]

4.1 水分活度对脂肪氧化酸败的影响

4.1.1 Aw ∈ (0, 0.35]

水分活度 Aw 越高，脂质氧化速度越慢

水与脂类氧化产生的氢过氧化物以氢键结合，阻止氧化的进一步进行
水与金属离子结合，降低其催化性

4.1.2 Aw ∈ (0.35, 0.8]

水分活度 Aw 越高，脂质氧化速度越快

水中溶解氧增加
大物质分子溶涨，活性位点暴露，加速脂质氧化
催化剂和氧的流动性增加

4.1.3 Aw ∈ (0.8, 1)

水分活度 Aw 越高，脂质氧化速度越慢

催化物和反应物被稀释

4.2 水分活度对非酶褐变的影响

一定范围内，水分活度 Aw 越高非酶褐变越快 Aw 在 0.6 - 0.7 之间时，非酶褐变反应速率最快

美拉德反应条件之一：有水的存在

4.3 水分活度对食品化学反应的影响

Aw 在 0.7 - 0.9 之间时，食品化学反应速率最快，降低 Aw 可以提高食品稳定性

但是，Aw 也不是越低越好

大多数化学反应必须在水溶液中进行
许多化学反应属于离子反应，其条件是反应物先进行离子化或水化作用，需要自由水
许多化学反应必须有水分子参加才能进行
水能作为底物向酶扩散的输送介质
水分活度 Aw 低于 0.6 时，绝大多数微生物无法生长

5. 食品凝聚态与食品稳定

5.1 食品凝聚态理论基础

传统上，固体分为晶体、非晶体两类
无定形（非晶固体/玻璃体）：物质的一种非平衡的非结晶态，其内部原子或分子的排列无周期性，如同液体那样杂乱无章地分布
聚合物只能形成由称为“微晶”的结晶性区域镶嵌于无定形物料中而构成的固体
高聚物通常不能全部以结晶态存在

无定形状态的三种力学状态

受到 Tg 和增塑剂的影响

玻璃转变温度 Tg

是指非晶态的食品体系从玻璃态到橡胶态转变时的温度

无定形聚合物所处的温度	状态	分子特征	举例
温度较低	玻璃态	分子热运动能量很低，力学性质与玻璃相似，只有侧基才能发生晶体区域内小范围运动	糯米纸
温度升高到某一温度	橡胶态（高弹态）	分子链仍处于冻结状态，但外力可形变，形变可回复，链段的运动	凉粉
温度继续升高	粘流态	整个分子链均可运动，便现出粘性流动的性质	淀粉糊

玻璃态 既像固体一样有一定形状，又像液体一样分子间排列只是近程有序（程度比液体高），是非晶体或无定形态，类似固体，黏度极高。

玻璃态时，化学稳定性好，食品储存稳定性好

5.2 高聚物分子运动的特点

5.2.1 分子运动单元的多重性

整链运动（所需能量最大）
链段的运动：形成高弹性，链段协同运动引起分子质心位移，决定了流动性
链节的运动
侧基、支链的运动
晶区内的运动

5.2.2 分子运动的时间依赖性

小分子运动是瞬变过程
大分子运动是需要时间的速度过程（伴有弹性形变，需要一定的松弛时间回复）

5.2.3 分子运动的温度依赖性

温度升高：

活化运动单元
增加分子间的自由空间

5.3 自由体积理论

5.3.1 基本观点

食品自由体积理论认为，无定形食品体系（如糖玻璃、淀粉、蛋白质等）的总体积或比容 v 可分解为两部分：

v=v0+vf

其中：

v0：占有体积/固有体积
指分子本身（原子、基团、链段）及其热振动所占据的体积，不能用于分子迁移。它由分子组成、构象和堆积方式决定，温度升高时会因热膨胀略有增加。在简化模型中，v0v0 常被看作外推到绝对零度或玻璃态下的分子占有体积，近似为固有体积。
vf：自由体积
指分子间未被分子占据的空隙、空穴，是分子链段运动、扩散和化学反应所需的空间。

5.3.2 理论核心

分子运动性和食品稳定性由自由体积控制。当自由体积低于临界值时，分子运动被冻结，体系进入玻璃态，扩散受限，食品较稳定；当自由体积增大，分子迁移加快，食品易发生塌陷、结晶、褐变、氧化等劣变。水等小分子增塑剂会增大自由体积，降低 Tg

5.4 分子流动性 Mm 与食品稳定性

分子流动性 Mm 是指分子移动和转动的能力

食品品质变化受扩散限制，因此与 Mm 存在直接关系

5.4.1 化学反应速率与分子淌度

扩散 D、碰撞概率 A、活化能 Ea 决定反应速度

阿伦尼乌斯定律

阿伦尼乌斯定律描述反应速率常数 k 随绝对温度 T 的变化：k=Ae^【−Ea/(RT)】，其中 A 为指前因子，Ea 为活化能，R 为气体常数。
其物理含义是温度升高使分子能量分布中超过活化能的分子比例增大，因此反应速率呈指数加快。

其中：

D 与温度、黏度有关
Ea 与温度有关

温度	影响食品稳定性的因素
> Tm	反应速度几乎只与 Ea 有关
Tm 与 Tg 之间	反应速度与 D、A、Ea 均有关
< Tg	几乎不发生反应

5.4.2 Mm 影响食品稳定性

结晶与重结晶：Mm 增大后，晶核生长与晶体重排加快，会导致冷冻食品口感变粗
结块、黏结与塌陷
胶凝与结构重排
淀粉老化
冻干过程

6. 分子流动性 Mm 与水分活度 Aw 的局限

对于扩散限制的性质，Mm 方法往往更高效
在接近室温的干燥/半干食品中，对结块、黏结、脆性等物理变化，Mm 与 Aw 均有一定测定价值
对于不含冰食品中微生物的生长、及非扩散限制的化学反应，Aw 方法更实验用

6.1 两者的联系

Aw 是热力学量，看水有多少可用、够不够活跃；Mm 是动力学量，看分子能不能动、动得多快。一次反应既要水作为溶剂或反应物在场（归 Aw 管），又要分子能扩散、能碰上（归 Mm 管）。

水既是反应物、溶剂，又是增塑剂。含水量升高时，Aw 上升，同时水增大自由体积、使 Tg 下降、Mm 上升，两者往往同向变化，所以不少体系里 Aw 也能大致预测稳定性。

分工和统一

高水分、流体体系看 Aw
低水分、玻璃态和冷冻体系看 Mm
状态图（state diagram）把水分含量（对应 Aw）和 Tg（对应 Mm）画在一起，可一次读出体系的玻璃态/橡胶态和水分活度。

6.2 各自的特色

Aw：物理意义清楚（水的化学势），好测，与微生物生长和多数化学反应直接相关，冰点以上温度影响小，便于比较。
Mm：从动力学入手，对结块、黏结、塌陷、结晶与重结晶、淀粉老化、冻干等扩散限制的物理变化更有效，冰点以下仍适用。

6.3 各自的局限

Aw：看不出扩散和玻璃态，两个 Aw 相同的食品稳定性可能差很远；冰点以下基本失效（只与温度有关）；是平衡量，预测物理变化不准。
Mm：不好直接测；只对扩散限制的过程有效，充分混合的流体体系里由化学动力学（Arrhenius 定律）决定；与微生物生长无直接关系；没有通用的临界值。

7. 影响冷冻食品品质的因素

雪糕的质量要求

组织细腻、柔软、光滑润口，无乳糖及冰的结晶和乳脂粗粒

明胶、多糖等稳定剂能阻止冰晶产生
乳化剂则增稠剂能改善雪糕口感

7.1 冷冻速度的影响

快速冷冻可提高 Tg，体系结晶程度不如慢速冷冻完全，冰晶数量多，尺寸小，分布均匀，口感好，但在贮藏中更容易发生重结晶，口感易恶化

冰晶大小与冷冻速度负相关

7.2 贮藏温度的影响

降低贮藏温度虽不能完全抑制重结晶，但可环节冰晶生成速度，从而提高产品口感与货架期

7.3 多糖的影响

添加多糖可提高未冻结相浓度，按照自由体积理论，多糖的加入减少了溶质分子的自由体积，从而提高体系的 Tg 和低温稳定性

本节重点

分子流动性与食品稳定性
分子流动性与自由体积理论
水对食品品质的影响及研究思路与方法
MSI 的作用

BC 2-3 水分活度 ​

1. 水分活度（Aw）的定义 ​

2. 水分活度与温度的关系 ​

3. 水分活度与水分含量的关系 ​

3.1 吸湿（吸附）等温线 MSI ​

3.2 MSI 形状 ​

3.3 水分活度与含水量 ​

4. 水分活度与食品稳定性 ​

4.1 水分活度对脂肪氧化酸败的影响 ​

4.1.1 Aw ∈ (0, 0.35] ​

4.1.2 Aw ∈ (0.35, 0.8] ​

4.1.3 Aw ∈ (0.8, 1) ​

4.2 水分活度对非酶褐变的影响 ​

4.3 水分活度对食品化学反应的影响 ​

5. 食品凝聚态与食品稳定 ​

5.1 食品凝聚态理论基础 ​

5.2 高聚物分子运动的特点 ​

5.2.1 分子运动单元的多重性 ​

5.2.2 分子运动的时间依赖性 ​

5.2.3 分子运动的温度依赖性 ​

5.3 自由体积理论 ​

5.3.1 基本观点 ​

5.3.2 理论核心 ​

5.4 分子流动性 Mm 与食品稳定性 ​

5.4.1 化学反应速率与分子淌度 ​

5.4.2 Mm 影响食品稳定性 ​

6. 分子流动性 Mm 与水分活度 Aw 的局限 ​

6.1 两者的联系 ​

6.2 各自的特色 ​

6.3 各自的局限 ​

7. 影响冷冻食品品质的因素 ​

7.1 冷冻速度的影响 ​

7.2 贮藏温度的影响 ​

7.3 多糖的影响 ​

BC 2-3 水分活度

1. 水分活度（Aw）的定义

2. 水分活度与温度的关系

3. 水分活度与水分含量的关系

3.1 吸湿（吸附）等温线 MSI

3.2 MSI 形状

3.3 水分活度与含水量

4. 水分活度与食品稳定性

4.1 水分活度对脂肪氧化酸败的影响

4.1.1 Aw ∈ (0, 0.35]

4.1.2 Aw ∈ (0.35, 0.8]

4.1.3 Aw ∈ (0.8, 1)

4.2 水分活度对非酶褐变的影响

4.3 水分活度对食品化学反应的影响

5. 食品凝聚态与食品稳定

5.1 食品凝聚态理论基础

5.2 高聚物分子运动的特点

5.2.1 分子运动单元的多重性

5.2.2 分子运动的时间依赖性

5.2.3 分子运动的温度依赖性

5.3 自由体积理论

5.3.1 基本观点

5.3.2 理论核心

5.4 分子流动性 Mm 与食品稳定性

5.4.1 化学反应速率与分子淌度

5.4.2 Mm 影响食品稳定性

6. 分子流动性 Mm 与水分活度 Aw 的局限

6.1 两者的联系

6.2 各自的特色

6.3 各自的局限

7. 影响冷冻食品品质的因素

7.1 冷冻速度的影响

7.2 贮藏温度的影响

7.3 多糖的影响