2.2 课后习题详解
1如何从理论上解释水的独特理化性质？
答：水分子的三维氢键缔合为说明水的异常物理性质奠定了理论基础。水的异常物理性质与断裂水分子间氢键需要额外能量有关。
（1）水反常的介电常数也与氢键缔合有关，因为水的氢键缔合而生成了庞大的水分子簇，产生了多分子偶极子，从而使水的介电常数显著增大。
（2）水的低黏度也与结构有关，因为氢键网络是动态的，当分子在纳秒（ns）甚至皮秒（ps）这样短暂的时间内改变它们与邻近分子之间的氢键的键合关系时，会增大分子的流动性。
2食品中的离子、亲水性物质、疏水性物质分别以何种方式与水作用？食品中水的存在形式有哪些？各有何特点？
答：（1）食品中的物质与水的相互作用方式
①水与离子及离子基团的相互作用
与离子或离子基团（Na＋、Cl－、-COO－等）相互作用的水是食品中结合得最紧密的一部分水，可通过离子或离子基团的电荷与水分子偶极子发生静电相互作用（离子-偶极子）而产生水合作用。
②水与具有形成氢键能力的中性基团的相互作用
水能够与各种合适的基团，如羟基、氨基、羧基、酰胺或亚氨基等极性基团形成氢键。此外，在生物大分子的2个部位或2个大分子之间可形成由几个水分子所构成的“水桥”。
③水与非极性物质的相互作用
把疏水性物质，如烃类、稀有气体、脂肪酸、氨基酸以及蛋白质的非极性基团等加入水中，由于极性的差异发生了体系熵的减少，在热力学上是不利的（ΔG＞0），此过程称为疏水水合。
（2）食品中水的存在形式及特点
根据食品中水与非水物质发生相互作用的性质和程度，可将食品中的水分为体相水和结合水。
①结合水
结合水又称束缚水或固定水，通常是指存在于溶质或其他非水组分附近的、与溶质分子之间通过化学键结合的那一部分水。结合水呈现低的流动性，在－40℃不结冰，不能作为所加入溶质的溶剂，在氢核磁共振中使氢的谱线变宽。
②体相水
体相水又称游离水，是指食品中除了结合水以外的那一部分水，可分为3类：不移动水或滞化水、毛细管水和自由流动水。
a．不移动水或滞化水是指被组织中的显微和亚显微结构及膜所阻留住的水，食品中通常有凝胶或有细胞结构时就可能有滞化水，这些水不能自由流动。
b．毛细管水是指在生物组织的细胞间隙和食品结构组织中，由毛细管力所截留的水，在生物组织中又称细胞间水，其物理和化学性质与滞化水相同。
c．自由流动水是指动物的血浆、淋巴和尿液，植物的导管和细胞内液泡中的水以及食品中肉眼可见的水，系可以自由流动的水。
3水分含量与水分活度的关系和区别在哪些方面？什么是水分的吸附等温线？其曲线形状受哪些因素的影响？水分活度对食品稳定性有哪些影响？
答：（1）水分含量与水分活度的关系及区别
①关系
在固形物组分一定时，水分含量和水分活度有着直接的关系，当水分含量增加时水分活度也增加。在生产中通过对水分活度的测定可以快速监控水分含量的变化，从而作为水分含量监控的重要手段。
②区别
水分含量是指每单位物质质量中水的质量；而水分活度是指食品中水的蒸汽压与同温下纯水的饱和蒸汽压的比值。
（2）水分的吸附等温线
水分的吸附等温线（MSI）是指在恒定温度下，以食品的水分含量（用每单位干物质质量中水的质量表示）对其水分活度绘图形成的曲线。
（3）影响吸附等温线形状的因素
①食品种类
大多数食品的水分吸附等温线呈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温线为J形。
②温度
水分活度依赖于温度，因此MSI也与温度有关。在一定的水分含量时，水分活度随温度的上升而增大。
（4）水分活度对食品稳定性的影响
①水分活度与微生物生命活动的关系
a．食品的水分活度决定了微生物在食品中萌发的时间、生长速率及死亡率。不同的微生物在食品中繁殖时对水分活度的要求不同，细菌对低水分活度最敏感，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长的最低水分活度是0.86～0.97，所以，真空包装的水产和畜产加工制品，流通标准规定其水分活度要低于0.94。
②水分活度与食品劣变化学反应的关系
降低食品的Aw，可以延缓酶促褐变和非酶褐变的进行，减少食品营养成分的破坏，防止水溶性色素的分解。但Aw过低，则会加速脂肪的氧化酸败。要使食品具有最高的稳定性所必需的水分含量，最好是将Aw保持在结合水范围内。这样，既可使化学变化难于发生，又不会使食品丧失吸水性和复原性。
4冰对食品稳定性有何影响？采取哪些方法可以克服冰冻法保藏食品的不利因素？
答：（1）冰对食品稳定性的影响
①水转化为冰后体积增加，产生局部压力，使具有细胞组织结构的食品受到机械性损伤，造成解冻后汁液的流失，或者使得细胞内的酶与细胞外的底物接触，导致不良反应的发生。
②冷冻浓缩效应。在商业冻藏温度下，食品中仍存在非冻结相，在非冻结相中非水组分的浓度提高，最终引起食品体系的理化性质如非冻结相的pH值、可滴定酸度、离子强度、黏度、冰点、表面和界面张力、氧化-还原电位等发生改变。此外，非冻结相和冻结相还将形成低共熔混合物，溶液中有氧和二氧化碳逸出，水的结构和水与溶质间的相互作用也剧烈地改变，同时大分子更紧密地聚集在一起，使之相互作用的可能性增大。
③由于冻藏过程中温度出现波动，温度升高时，已冻结的小冰晶融化；温度再次降低时，原先未冻结的水或先前小冰晶融化的水将会扩散并附着在较大的冰晶表面，造成再结晶的冰晶体积增大，这样对组织结构的破坏性很大。
（2）克服冰冻法保藏食品不利因素的方法
①速冻
对食品进行速冻处理可以使其快速通过最大冰晶形成区，避免形成较大的冰晶戳破细胞，使营养物质、汁液流失，速冻可形成均匀较小的冰晶，在解冻时可减少水分流失。
②缓慢解冻
缓慢解冻可使水分等有充足的时间被细胞吸收、复位，可减少汁液流失，以保持食品的营养和风味。
③保持冰冻温度恒定
温度波动易形成大冰晶，从而对组织结构造成破坏。因此，在食品冻藏时，要尽量控制温度的恒定。
④与其他保藏方法搭配使用
在商业冻藏温度下，食品中仍存在非冻结相，可能使食品发生劣变。因此搭配如真空包装、气调包装等保藏方法，可降低微生物的活动，从而延长食品保质期。
5如何解释Tg在食品保藏中的作用？
答：Tg是指非晶态的食品体系从玻璃态到橡胶态的转变（即玻璃化转变）时的温度。Tg在食品保藏中的作用的解释如下：
玻璃态下的未冻结的水不是按前述的氢键方式结合的，其分子被束缚在由极高溶质黏度所产生的具有极高黏度的玻璃态下，这种水分不具有反应活性，使整个食品体系以不具有反应活性的非结晶性固体形式存在。
因此，在Tg下，食品具有高度的稳定性。故低温冷冻食品的稳定性可以用该食品的Tg与储藏温度t的差（t－Tg）来决定，差值越大，食品的稳定性就越差。
6什么是分子移动性（Mm）？Mm与食品稳定性有何关系？
答：（1）分子移动性
分子移动性（Mm）又称分子流动性，是分子的旋转移动和平动移动的总度量（不包括分子的振动）。
（2）分子移动性与食品的稳定性的关系
①物质处于完全而完整的结晶状态下其Mm为零，物质处于完全的玻璃态（无定形态）时其Mm值也几乎为零，其他情况下Mm值大于零。
②决定食品Mm值的主要成分是水和食品中占优势的非水组分。水分子体积小，常温下为液态，黏度也很低，所以在食品体系温度处于Tg时，水分子仍然可以转动和移动；而作为食品主要成分的蛋白质、碳水化合物等大分子聚合物，不仅是食品品质的决定因素，还影响食品的黏度、扩散性质，所以它们也决定食品的分子移动性，故绝大多数食品的Mm值不等于零。
③大多数食品都是以亚稳态或非平衡状态存在的，其中大多数物理变化和一部分化学变化由Mm控制。
7水分活度、分子移动性和Tg在预测食品稳定性中的作用有哪些？请对它们进行比较。
答：（1）水分活度、分子移动性和Tg在预测食品稳定性中的作用
①水分活度（Aw）方法主要是研究食品中水的有效性（可利用性），如水作为溶剂的能力。
②分子移动性（Mm）方法主要是研究食品的微观黏度和化学组分的扩散能力，它也取决于水的性质。
③玻璃化转变温度（Tg）是从食品的物理特性的变化来评估食品稳定性的方法。
（2）三种方法的对比
①在估计由扩散限制的性质，如冷冻食品的物理性质、冷冻干燥的最佳条件和包括结晶作用、胶凝作用和淀粉老化等物理变化时，Mm方法明显地更为有效，Aw指标在预测冷冻食品物理或化学性质上是无用的。
②在估计食品保藏在接近室温时导致的结块、黏结和脆性等物理变化时，Mm方法和Aw方法有大致相同的效果。
③在估计不含冰的产品中微生物生长和非扩散限制的化学反应速度（例如高活化能反应和在较低黏度介质中的反应）时，Mm方法的实用性明显的较差和不可靠，而Aw方法更有效。