第一节　水分与水分活度

水是食品中的重要成分，也是大多数食品的主要成分。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。因此，研究水的物理化学特性、水分分布及其状态，对食品的科学加工和食品保藏有重要意义。

一、水在生物体内的含量与作用

1.水在生物体内的含量

大多数生物体内的水分含量通常为70%～80%，超过任何其他成分的含量。水在动物体内分布是不均匀的。脊椎动物体内各器官组织的水分含量为：肌肉、肝、肾、脑、血液等为70%～80%；皮肤中为60%～70%；骨骼中为12%～15%。水在植物体内的含量与分布也因种类、部位、发育状况而异，变动较大。一般说来，植物营养器官组织（叶、茎、根的薄壁组织）的水含量特别高，占器官总重量的70%～90%，而繁殖器官（高等植物的种子、微生物的孢子等）中的水分含量则较低，占总重量的12%～15%。

水是所有新鲜食品的主要成分，一些食品的水分含量，列于表1-1。

2.水的生理作用

水具有一些突出的物理和化学性质，如溶解力强、介电常数高、黏度小和比热容大等，是维持正常生理活动必不可少的重要营养成分，具体表现如下。

水的溶解力很强，多种无机及有机物质都很容易溶于水中，即使不溶于水的物质如脂肪和某些蛋白质，也能在适当条件下分散于水中，成为乳浊液或胶体溶液。水的介电常数大，能促进电解质的电离。水不但是生物体内化学反应的介质，同时也是生物化学反应的反应物、组织和细胞所需的养分和代谢物在体内运转的载体。水的比热容高、热容量大，使人体内产生热量增多或减少时不致引起体温太大的波动，水的蒸发潜热大，因而蒸发少量汗水可散发大量热能，通过血液流动，可平衡全身体温，因此水又能调节体温。水的黏度小，可使摩擦面滑润，减少损伤，因此水是体内摩擦的润滑剂。

二、食品中水分状态与分类

1.食品中水分状态

食品中水分所处的状态会影响食品的风味、腐败和霉变。食品中的水分以游离态、水合态、凝胶态、表面吸附态等状态存在。

（1）游离态　容易结冰，也能溶解溶质的水称之为游离态的水。游离态的水存在于细胞质、细胞膜、细胞间隙、任何组织的循环液以及制成食品的组织结构中。

（2）水合态　水分子和含氧或含氮的活性基（如、、、、）以氢键形式相结合而不能自由移动，处于此状态的水称之为水合态的水。食品中与淀粉、蛋白质和其他有机物结合的水均处于此状态。

（3）凝胶态　吸收于细微的纤维与薄膜中，不能自由流动的水称之为凝胶态。凝胶态中的水是分散质，蛋白质等有机物为分散剂（溶胶中水是分散剂）。此状态的水称不可移动水或滞化水。动物皮肤、植物仙人掌中的水大多处于凝胶态。

（4）表面吸附态　固体表面暴露于含水蒸气的空气中，此时吸附于固体表面的水处于表面吸附态。固体微粒越细，其微粒的表面积越大，吸附水量也越多。

2.食品中水分的分类

水在常温呈液体能流动，但水分含量多的果蔬、肉类等食品被刀切开，水也不会很快地流出来，这是因为水被氢键结合力和毛细管力系着的缘故。根据结合力的种类不同，把食品中的水分为自由水和结合水。

（1）自由水（游离水）　自由水是以毛细管凝聚状态存在于细胞间的水分。食品中通常含有动植物体内天然形成的毛细管，因为毛细管是由亲水物质组成，而且毛细管的内径很小，使毛细管具有较强束缚水的能力，把保留在毛细管中的水称为毛细管水，它属于自由水。这部分水与一般水没什么区别，在食品中会因蒸发而散失、因吸潮而增加，容易发生增减变化。游离态的水、凝胶态的水及表面吸附态的水均可归入此类。

（2）结合水（束缚水）　是指通过氢键与食品中有机成分结合的水。实验证明：蛋白质、淀粉、纤维素、果胶物质中的氨基、羟基、羧基、亚氨基、巯基等都可以通过氢键与水结合。但各种有机成分与水形成氢键的结合能力不同，牢固程度有一定差别，反映在性质上也呈现差异。这类水有些与氨基、羧基等强极性基团形成氢键，氢键键能大，结合牢固，呈单分子层，称为单分子层结合水。有些水与酰氨基、烃基等较弱的极性基团形成氢键，结合较不牢固，且呈多分子层结合，称多层结合水或半结合水。

实际上，自由水与结合水之间的界限很难定量地区分。例如水合态下的结合水，有的束缚度高些，水分子被结合得牢固些，有的束缚度低些，则松弛些；而自由水里除了能自由流动的水以外，其余部分都不同程度被束缚着。所以只能根据物理、化学性质作定性的区分。一般认为自由水是以物理吸附力（毛细管力）与食品结合，而结合水是以化学力（氢键）与食品结合。

自由水和结合水在性质上有很大的差别。首先结合水的量与有机大分子的极性基团的数量有比较固定的比例关系，如在新鲜动植物食品中，每克蛋白质可结合0.3～0.5g水；每克淀粉能结合0.3～0.4g水。其次，结合水的蒸气压比自由水低得多，所以在一般温度（≤100℃）下结合水不能从食品中分离出来。结合水的沸点高于一般水，而冰点却低于一般水，一般在-40℃以上不能结冰，这个性质具有重要实际意义，它可以使植物种子和微生物孢子在冷冻条件下，仍能保持生命力。而多汁的组织（含有大量自由水的新鲜水果、蔬菜、肉等）在冰冻时细胞结构容易被冰晶破坏，解冻时组织容易崩溃。

由于自由水能为微生物所利用而结合水不能，所以自由水也称为可利用水。在一定条件下，食品是否为微生物所感染，并不取决于食品中水分的总含量，而取决于食品中自由水的含量，自由水的含量直接关系着食品的贮存和腐败。因此，从食品中除去自由水或者束缚度低的多层结合水，而仅剩束缚度强的结合水，微生物在食品中难以生长繁殖。

食品中的水分与食品的风味关系密切。尤其是结合水对食品的风味起着重要作用。当强行将结合水与食品分离时，食品的风味、质量会发生改变。例如面包、糕点久置后变硬不仅仅是失水干燥，也因水分变化造成淀粉结构发生改变的结果。干燥的食品吸潮后发生许多物理性质的变化，从而改变风味。如香肠的口味就与吸水、持水的情况关系密切。所以，食品中的水分对食品的鲜度、硬软性、流动性、呈味性、保藏性、加工性等许多方面有着密切的关系。

三、水分活度

1.水分活度的概念

人类很早就认识到食物的易腐败性与含水量之间有着密切的联系，尽管这种认识不够全面，但仍然成为人们日常生活中保藏食品的重要依据之一。食品加工中无论是浓缩或脱水过程，目的都是为了降低食品的含水量，提高溶质的浓度，以降低食品易腐败的敏感性。人们也知道，不同种类的食品即使水分含量相同，其腐败变质的难易程度也存在明显的差异。这说明以含水量作为判断食品稳定性的指标是不够适宜的，用水分活度（Aw）来表示更为确切。水分活度是指食品的水蒸气分压（p）和在同一温度下纯水的蒸气压（p0）之比。

对纯水来说，因p和p0相等，故Aw为1，而食品中的水溶解有食品成分，如糖、氨基酸、无机盐以及一些可溶性的高分子化合物等，因而总会有一部分水分是以结合水的形式存在，而结合水的蒸气压远比纯水的蒸气压低，因此食品的Aw总是小于1。

水分活度也可用平衡相对湿度（ERH）这一概念来表示。平衡相对湿度是指物料吸湿与散湿达到平衡时的大气相对湿度。食品的水分活度在数值上等于平衡相对湿度除以100。

食品中结合水的含量越高，水分活度就越低，可被微生物利用的水分就越少，因而水分活度反映了食品中水分存在形式和被微生物利用的程度。

要测定某一条件下食品的Aw，可通过测定该条件下食品的蒸气压或平衡相对湿度来完成。

2.水分活度与食品含水量的关系

以水分活度为横坐标，以每克干物质的含水量（gH2O/g干物质）为纵坐标，描绘在某温度下的水分活度与含水量的关系，得到图1-1所示的曲线。从图中看出，在高含水量区（水分含量大于1g H2O/g干物质），Aw接近1.0，食品近似理想稀溶液；在低含水量区，含水量极少量变动即可导致水分活度极大的变动，把低水分含量区域内的曲线放大，得到的曲线称为吸湿等温曲线（吸湿等温线），图1-2为吸湿等温曲线的模式。但若进行相反的过程——放湿过程时，其水分变化并非沿原吸湿过程途径返回，而是经历了另一条不同的途径，即图示之放湿曲线过程。吸湿和放湿之间有滞后现象。

等温线上的每一点表示在一定温度下，当食品的水蒸气压与环境水蒸气压达到平衡时，食品水分活度与含水量的对应关系，若食品的水分活度低于环境的相对湿度，食品沿着吸湿等温线吸湿，反之沿着放湿等温线散失水分。对含水量多的食品，如新鲜动植物食品，得到的是放湿曲线；对含水量少的食品如干燥食品，得到的是吸湿曲线。

不同的食品由于其化学组成和结构不同，对水分子的束缚力也不一样，因此，不同食品具有不同的吸湿等温线，吸湿等温线的弯曲程度因不同食品而具有差异。但大多数食品的吸湿等温线呈反S形。吸湿等温线与温度有关，由于温度升高后，水分活度变大，对同一种食品，在不同温度下得到的吸湿等温线，将在曲线形状近似不变的情况下，随温度的升高，在坐标图中的位置逐渐向右移动，图1-3为在不同温度下马铃薯的吸湿等温曲线。

为深入理解吸湿等温线的意义和价值，将吸湿等温线分成三个区域（图1-4）。

Ⅰ区是单分子层结合水区，水分多与食品成分中的羧基和氨基等离子基团结合，且结合力最强，形成单分子层结合水。该区Aw最低，在0～0.25，相当于物料含水量0～0.07g H2O/g干物质。

Ⅱ区是多分子层结合水区，水分多与食品成分中的酰胺基和羟基等极性较弱的基团结合，形成多分子层结合水或称半结合水，Aw在0.25～0.8，相当于物料含水量0.07g H2O/g干物质至0.14～0.33g H2O/g干物质。

Ⅲ区是毛细管凝集的自由水区，Aw在0.8～0.99，物料含水量最低为0.14～0.33g H2O/g的干物质，最高为20g H2O/g干物质。

应该指出的是：各区域的水不是截然分开的，也不是固定在某一个区域内，而是在区域内和区域间快速的交换着。所以，吸湿等温线中各个区域之间有过渡带。

3.水分活度与食品的稳定性

各种食品在一定的条件下都有一定的水分活度，食品中微生物的生长繁殖和生物化学反应也需要在一定的水分活度范围内才能进行。因此，了解微生物、生物化学反应所需要的水分活度值，可预测食品的耐藏性，减少食品的腐败变质。

（1）水分活度与微生物的生长繁殖的关系　不同的微生物在食品中生长繁殖时，对水分活度的要求不同。一般来说，细菌对低水分活度最敏感，酵母菌次之，霉菌的敏感性最差。通常水分活度低于0.90时，细菌不能生长；水分活度低于0.87时，大多数酵母菌受到抑制；水分活度低于0.80时，大多数霉菌不能生长；一些耐渗透压微生物除外，水分活度低于0.60时，任何微生物都不生长。

表1-2为适合各类微生物生长所要求的水分活度范围，表中还列举了按照水分活度分类的一些食品。当水分活度高于微生物生长所需的最低水分活度时，微生物的生长会导致食品腐败变质。根据表中提供的数据，对不同食品选择适宜的贮存条件，以防止或降低微生物对食品品质的不良影响。

需要指出的是，表1-2所列最低水分活度值不是绝对化的，因为食品的pH、温度、微生物的营养状况以及水中特定溶质的性质，对水分活度也有影响。如金黄色葡萄球菌生长的最低Aw，在乳粉中是0.861，在酒精中则是0.973。因此，在具体的食品配方确定时，必须做细菌学试验，以决定实际水分活度。

（2）水分活度与生化反应的关系　图1-5表示在25～45℃温度范围几类重要反应的相对速率与Aw之间的关系。图1-5（f）是吸湿等温线，以便于比较。

从图1-5可见，食品中水分在放湿过程中，水分活度值相当于等温线区间Ⅰ和区间Ⅱ的边界位置（Aw=0.2～0.3）时，许多化学反应和酶催化反应速率最小。进一步降低水分活度，除图1-5（c）的氧化反应外，其余所有的反应仍然保持最小的反应速率。脂类氧化反应速率在此区间随水分活度的增加而降低，是因为十分干燥的样品中，最初添加的那部分水（在区间Ⅰ）能与氢过氧化物结合并阻止其分解，从而阻碍氧化的继续进行。此外，这类水还能与催化氧化反应的金属离子发生水合，使催化效率明显降低。

随水分活度增加，当水的增加量超过区间Ⅰ和区间Ⅱ的边界时，氧化速率增大，因为等温线的这个区间增加的水可促使氧的溶解度增加和大分子溶胀，并暴露出更多催化位点。当Aw大于0.86时，氧化速率缓慢，这是由于水的增加对体系中的催化剂产生稀释效应。

从图1-5（a）、（d）、（e）可见，在中等至高Aw（Aw=0.7～0.9）时，美拉德褐变反应（详见第九章第一节）、维生素B1降解反应以及微生物生长显示最大反应速率。但在有的情况下，中等至高含水量食品，随着水分活度增大，反应速率反而降低。其原因可能有二：一是在这些反应中水是一个产物，水含量的增加导致产物抑制作用；二是当样品中水的含量对溶质的溶解度、可接近性（大分子表面）和流动性不再是限速因素时，进一步加水将会对提高反应速率的组分产生稀释效应，其结果是反应速率降低。

图1-5表示中等至高水分活度（Aw为0.7～0.9）的食品中的化学反应速率，对食品的稳定性显然是不利的。要使食品具有最高稳定性所必需的水分含量，最好将水分活度保持在结合水范围内，即最低的水分活度。因为结合水是水分子与食品中的蛋白质、糖类等的活性基团以氢键结合起来的。将水分活度保持在结合水范围内，既能防止氧对活性基团的作用，又能阻止蛋白质、糖类等物质间的相互作用，从而使褐变难以发生，同时又不会使食品丧失吸水性和复原性。

（3）水分活度与食品质构的关系　水分活度对干燥和半干燥食品的质构有较大的影响。如欲保持饼干、爆玉米花及油炸土豆片的脆性，防止砂糖、奶粉和速溶咖啡结块，以及硬糖果、蜜饯等黏结，均应保持适当低的水分活度。要保持干燥食品的理想性质，水分活度不能超过0.3～0.5。而软质构食品保持较高的水分活度可避免不期望的变硬。