第二章 水 在人体内，水不仅是构成机体的主要成分，而且是维持生命活动、调节代谢过程不可缺 少的重要物质。例如，水使人体体温保持稳定，因为水的热容量大，一旦人体内热量增多或 减少也不致引起体温出现大的波动。水的蒸发潜热大，蒸发少量汗水即可散发大量热能，通 过血液流动使全身体温平衡。水是一种溶剂，能够作为体内营养素运输、吸收和废弃物排泄 的载体，可作为化学和生物化学反应物或反应介质，也可作为一种天然的润滑剂和增塑剂， 同时又是生物大分子化合物构象的稳定剂，以及包括酶催化在内的大分子动力学行为的促进 剂。此外，水也是植物进行光合作用过程中合成碳水化合物所必需的物质。可以清楚地看到， 生物体的生存是如此显著的依赖于水这个无机小分子。 水是食品中非常重要的一种成分，也是构成大多数食品的主要组分，各种食品都有能显 示其品质特性的含水量(表 2-1)。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。水在食品贮藏加工过程中作为化学和生物化学反应的介质，又是水解过程的 反应物。通过干燥或增加食盐、糖的浓度，可使食品中的水分除去或被结合，从而有效地抑 制很多反应的发生和微生物的生长，以延长食品的货架期。水与蛋白质、多糖和脂类通过物 理相互作用影响食品的质构，在大多数新鲜食品中，水是最主要的成分，若希望长期贮藏这 类食品，只要采取有效的贮藏方法 控制水分就能够延长保藏期，无论采用普通方法脱水或 是低温冷冻干燥脱水，食品和生物材料的固有特性都会发生很大的变化，然而任何企图使脱 水食品恢复到它原来的状态(复水和解冻)的尝试都未获得成功。下面我们将讨论水和冰的一 些特性，以控制水在食品加工贮藏过程中的变化和影响。 第一节 水和冰的物理特性 水与元素周期表中邻近氧的某些元素的氢化物，例如 CH4、NH3、HF、H2S、H2Se 和 H2Te 等的物理性质比较，除了粘度外，其他性质均有显著差异。水的熔点、沸点比这些氢 化物要高得多，介电常数、表面张力、热容和相变热(熔融热、蒸发热和升华热)等物理常数 也都异常高，但密度较低。此外，水结冰时体积增大，表现出异常的膨胀特性。水的热导值 大于其他液态物质，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，这说明冰的热能传导速率比生物组织中非流动的水快得多。从水和冰的热扩散值可看出 水的固态和液态的温度变化速率，冰的热扩散速率为水的 9 倍；在一定的环境条件下，冰 的温度变化速率比水大得多。水和冰无论是热传导或热扩散值都存在着相当大的差异，因而
第二章 水 在人体内，水不仅是构成机体的主要成分，而且是维持生命活动、调节代谢过程不可缺 少的重要物质。例如，水使人体体温保持稳定，因为水的热容量大，一旦人体内热量增多或 减少也不致引起体温出现大的波动。水的蒸发潜热大，蒸发少量汗水即可散发大量热能，通 过血液流动使全身体温平衡。水是一种溶剂，能够作为体内营养素运输、吸收和废弃物排泄 的载体，可作为化学和生物化学反应物或反应介质，也可作为一种天然的润滑剂和增塑剂， 同时又是生物大分子化合物构象的稳定剂，以及包括酶催化在内的大分子动力学行为的促进 剂。此外，水也是植物进行光合作用过程中合成碳水化合物所必需的物质。可以清楚地看到， 生物体的生存是如此显著的依赖于水这个无机小分子。 水是食品中非常重要的一种成分，也是构成大多数食品的主要组分，各种食品都有能显 示其品质特性的含水量(表 2-1)。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。水在食品贮藏加工过程中作为化学和生物化学反应的介质，又是水解过程的 反应物。通过干燥或增加食盐、糖的浓度，可使食品中的水分除去或被结合，从而有效地抑 制很多反应的发生和微生物的生长，以延长食品的货架期。水与蛋白质、多糖和脂类通过物 理相互作用影响食品的质构，在大多数新鲜食品中，水是最主要的成分，若希望长期贮藏这 类食品，只要采取有效的贮藏方法 控制水分就能够延长保藏期，无论采用普通方法脱水或 是低温冷冻干燥脱水，食品和生物材料的固有特性都会发生很大的变化，然而任何企图使脱 水食品恢复到它原来的状态(复水和解冻)的尝试都未获得成功。下面我们将讨论水和冰的一 些特性，以控制水在食品加工贮藏过程中的变化和影响。 第一节 水和冰的物理特性 水与元素周期表中邻近氧的某些元素的氢化物，例如 CH4、NH3、HF、H2S、H2Se 和 H2Te 等的物理性质比较，除了粘度外，其他性质均有显著差异。水的熔点、沸点比这些氢 化物要高得多，介电常数、表面张力、热容和相变热(熔融热、蒸发热和升华热)等物理常数 也都异常高，但密度较低。此外，水结冰时体积增大，表现出异常的膨胀特性。水的热导值 大于其他液态物质，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，这说明冰的热能传导速率比生物组织中非流动的水快得多。从水和冰的热扩散值可看出 水的固态和液态的温度变化速率，冰的热扩散速率为水的 9 倍；在一定的环境条件下，冰 的温度变化速率比水大得多。水和冰无论是热传导或热扩散值都存在着相当大的差异，因而
可以解释在温差相等的情况下，为什么生物组织的冷冻速度比解冻速度更快。 第二节 水和冰的结构
可以解释在温差相等的情况下，为什么生物组织的冷冻速度比解冻速度更快。 第二节 水和冰的结构
一、 水分子 1. 水分子的结构 水的物理性质表明，水分子之间存在着很强的吸引力，水和冰在三维空间中通过强氢键 缔合形成网络结构。为了解释这些特性，首先从研究单个水分子的性质开始，然后再讨论一 小簇水分子。从分子结构来看，水分子中氧的 6 个价电子参与杂化，形成 4 个 SP3 杂化 轨道，两个氢原子接近氧的两个 SP3 成键轨道 (ф8′，ф4′)结合成两个σ共价键(具有 40%离子特性)，即形成一个水分子，每个键的离解能为 4.614×102KJ/mol(110.2kcal/mol)， 氧的两个定域分子轨道对称地定向在原来轨道轴的周围，因此，它保持近似四面体的结构。 图 2-1(a)和(b)分别表示水分子的轨道模型和范德华半径。 单个水分子(气态)的键角由于受到了氧的未成键电子对的排斥作用，压缩为 104.5°，接 近正四面体的角度 109°28′，O-H 核间距 0.96Å，氢和氧的范德华半径分别为 1.2 Å 和 1.4 Å。 以上对水的一些描述显得过于简单化，主要是为了便于理解。在纯净的水中除含普通的 水分子外，还存在许多其他微量成分，如由 16O 和 1H 的同位素 17O、18O、2H 和 3H 所构成 的水分子，共有 18 种水分子的同位素变体；此外，水中还有离子微粒如氢离子(以 H3O+ 存在)和氢氧根离子，以及它们的同位素变体，因此，实际上水中总共有 33 种以上 HOH 的 化学变体。同位素变体仅少量存在于水中，因此，在大多数情况下可以忽略不计。 2. 水分子的缔合作用 水分子中的氢、氢原子呈 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 1.84D（德拜），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。但是只根据水分子有大的偶极矩还不能充分解 释分子间为什么存在着非常大的吸引力，因为偶极矩并不能表示电荷暴露的程度和分子的几
一、 水分子 1. 水分子的结构 水的物理性质表明，水分子之间存在着很强的吸引力，水和冰在三维空间中通过强氢键 缔合形成网络结构。为了解释这些特性，首先从研究单个水分子的性质开始，然后再讨论一 小簇水分子。从分子结构来看，水分子中氧的 6 个价电子参与杂化，形成 4 个 SP3 杂化 轨道，两个氢原子接近氧的两个 SP3 成键轨道 (ф8′，ф4′)结合成两个σ共价键(具有 40%离子特性)，即形成一个水分子，每个键的离解能为 4.614×102KJ/mol(110.2kcal/mol)， 氧的两个定域分子轨道对称地定向在原来轨道轴的周围，因此，它保持近似四面体的结构。 图 2-1(a)和(b)分别表示水分子的轨道模型和范德华半径。 单个水分子(气态)的键角由于受到了氧的未成键电子对的排斥作用，压缩为 104.5°，接 近正四面体的角度 109°28′，O-H 核间距 0.96Å，氢和氧的范德华半径分别为 1.2 Å 和 1.4 Å。 以上对水的一些描述显得过于简单化，主要是为了便于理解。在纯净的水中除含普通的 水分子外，还存在许多其他微量成分，如由 16O 和 1H 的同位素 17O、18O、2H 和 3H 所构成 的水分子，共有 18 种水分子的同位素变体；此外，水中还有离子微粒如氢离子(以 H3O+ 存在)和氢氧根离子，以及它们的同位素变体，因此，实际上水中总共有 33 种以上 HOH 的 化学变体。同位素变体仅少量存在于水中，因此，在大多数情况下可以忽略不计。 2. 水分子的缔合作用 水分子中的氢、氢原子呈 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 1.84D（德拜），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。但是只根据水分子有大的偶极矩还不能充分解 释分子间为什么存在着非常大的吸引力，因为偶极矩并不能表示电荷暴露的程度和分子的几
何形状。 由于水分子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。氢键(键 能 2~40KJ/mol)与共价键(平均键能约 355KJ/mol)相比较，其键能很小，键较长，易发生变 化，氧和氢之间的氢键离解能约为 13~25KJ/mol。 水分子中氧原子的电负性大，O—H 键的共用电子对强烈地偏向于氧原子一方，使每个 氢原子带有部分正电荷且电子屏蔽最小，表现出裸质子的特征。氢-氧成键轨道在水分子正 四面体的两个轴上(见图 2-1a)，这两个轴代表正力线(氢键给体部位)，氧原子的两个孤对电 子轨道位于正四面体的另外两个轴上，它们代表负力线(氢键受体部位)，每个水分子最多能 够与另外 4 个水分子通过氢键结合，得到如图 2-2 中表示的四面体排列。由于每个水分子 具有相等数目的氢键给体和受体，能够在三维空间形成氢键网络结构。因此，水分子间的吸 引力比同样靠氢键结合在一起的其他小分子要大得多(例如 NH3 和 HF)。氨分子由 3 个氢 给体和 1 个氢受体形成四面体排列，氟化氢的四面体排列只有 1 个氢给体和 3 个氢受体， 说明它们没有相同数目的氢给体和受体。因此，它们只能在二维空间形成氢键网络结构，并 且每个分子都比水分子含有较少的氢键。 图 2-2 四面体构型中水分子的氢键结合 (虚线表示氢键，大圈和小圈分别表示氧原子和氢原子) 如果还考虑同位素变体、水合氢离子和氢氧根离子，那么水分子间的缔合机理就更加复 杂了。水合氢离子因为带正电荷，它比非离子化的水有更大的氢键给体潜力，氢氧根离子带 负 电 荷 ， 比 非 离 子 化 的 水 有 更 大 的 氢 键 受 体 潜 力 ( 图 2-3 和 2-4)
何形状。 由于水分子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。氢键(键 能 2~40KJ/mol)与共价键(平均键能约 355KJ/mol)相比较，其键能很小，键较长，易发生变 化，氧和氢之间的氢键离解能约为 13~25KJ/mol。 水分子中氧原子的电负性大，O—H 键的共用电子对强烈地偏向于氧原子一方，使每个 氢原子带有部分正电荷且电子屏蔽最小，表现出裸质子的特征。氢-氧成键轨道在水分子正 四面体的两个轴上(见图 2-1a)，这两个轴代表正力线(氢键给体部位)，氧原子的两个孤对电 子轨道位于正四面体的另外两个轴上，它们代表负力线(氢键受体部位)，每个水分子最多能 够与另外 4 个水分子通过氢键结合，得到如图 2-2 中表示的四面体排列。由于每个水分子 具有相等数目的氢键给体和受体，能够在三维空间形成氢键网络结构。因此，水分子间的吸 引力比同样靠氢键结合在一起的其他小分子要大得多(例如 NH3 和 HF)。氨分子由 3 个氢 给体和 1 个氢受体形成四面体排列，氟化氢的四面体排列只有 1 个氢给体和 3 个氢受体， 说明它们没有相同数目的氢给体和受体。因此，它们只能在二维空间形成氢键网络结构，并 且每个分子都比水分子含有较少的氢键。 图 2-2 四面体构型中水分子的氢键结合 (虚线表示氢键，大圈和小圈分别表示氧原子和氢原子) 如果还考虑同位素变体、水合氢离子和氢氧根离子，那么水分子间的缔合机理就更加复 杂了。水合氢离子因为带正电荷，它比非离子化的水有更大的氢键给体潜力，氢氧根离子带 负 电 荷 ， 比 非 离 子 化 的 水 有 更 大 的 氢 键 受 体 潜 力 ( 图 2-3 和 2-4)
根据水在三维空间形成氢键键合的能力，可以从理论上解释水的许多性质。例如，水的 热容量、熔点、沸点、表面张力和相变热都很大，这些都是因为破坏水分子间的氢键需要供 给足够的能量。水的介电常数也同样受到氢键键合的影响。虽然水分子是一个偶极子，但单 凭这一点还不能满意地解释水的介电常数的大小。水分子之间靠氢键键合而形成的水分子簇 显然会产生多分子偶极子，这将会使水的介电常数明显增大。 二、 冰的结构 事实上，我们对冰的结构比对水的结构了解得更透彻，因此我们首先讨论冰的结构，然 后再介绍水的结构。 1. 纯冰 冰是由水分子有序排列形成的结晶。水分子之间靠氢键连接在一起形成非常稀疏(低密 度)的刚性结构，这一点已通过 X-射线、中子衍射、电子衍射、红外和拉曼光谱分析研究得 到阐明(图 2-5)。最邻近的水分子的 O—O 核间距为 2.76Å，O—O—O 键角约为 109°， 十分接近理想四面体的键角 109°28'。从图 2-5 可以看出，每个水分子能够缔合另外 4 个 水分子即 1，2，3 和 W'，形成四面体结构，所以配位数等于 4。 图 2-5 0℃时普通冰的晶胞(圆圈表示水分子中的氧原子) 当我们从顶部沿着 C 轴观察几个晶胞结合在一起的晶胞群时，便可看出冰的正六方形 对称结构，如图 2-6a 所示。图中 W 和最邻近的另外 4 个水分子显示出冰的四面体亚结 构，其中 W、1、2、3 四个水分子可以清楚地看见，第四个水分子正好位于 W 分子所在
根据水在三维空间形成氢键键合的能力，可以从理论上解释水的许多性质。例如，水的 热容量、熔点、沸点、表面张力和相变热都很大，这些都是因为破坏水分子间的氢键需要供 给足够的能量。水的介电常数也同样受到氢键键合的影响。虽然水分子是一个偶极子，但单 凭这一点还不能满意地解释水的介电常数的大小。水分子之间靠氢键键合而形成的水分子簇 显然会产生多分子偶极子，这将会使水的介电常数明显增大。 二、 冰的结构 事实上，我们对冰的结构比对水的结构了解得更透彻，因此我们首先讨论冰的结构，然 后再介绍水的结构。 1. 纯冰 冰是由水分子有序排列形成的结晶。水分子之间靠氢键连接在一起形成非常稀疏(低密 度)的刚性结构，这一点已通过 X-射线、中子衍射、电子衍射、红外和拉曼光谱分析研究得 到阐明(图 2-5)。最邻近的水分子的 O—O 核间距为 2.76Å，O—O—O 键角约为 109°， 十分接近理想四面体的键角 109°28'。从图 2-5 可以看出，每个水分子能够缔合另外 4 个 水分子即 1，2，3 和 W'，形成四面体结构，所以配位数等于 4。 图 2-5 0℃时普通冰的晶胞(圆圈表示水分子中的氧原子) 当我们从顶部沿着 C 轴观察几个晶胞结合在一起的晶胞群时，便可看出冰的正六方形 对称结构，如图 2-6a 所示。图中 W 和最邻近的另外 4 个水分子显示出冰的四面体亚结 构，其中 W、1、2、3 四个水分子可以清楚地看见，第四个水分子正好位于 W 分子所在