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水與冰

Water and Ice

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水與冰的物理性質

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水分子• 水分子的形成，由2個H原子接近O的sp3鍵結軌域，形成2個共價鍵()(40%部分離子性特質)，各具解離能4.6 × 102 kJ/mol (110 kcal/mol)。

• 分離水分子(蒸氣態)的鍵角為104.5º 近似正四面體的角度109º28’。

• O-H原子核間距離為0.96 Å及O和H的凡得瓦(van der Waals)半徑各為1.40 Å和1.2 Å。

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水分子• 除16O和1H外，亦存在著17O、18O、2H (氘) 和

3H (氚) 水分子HOH共有18種組合(3 × 2 × 3)。

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水分子

• 水亦含有離子粒子：氫離子H3O+ (水合氫離子，hydronium) (或 H+)和氫氧離子(羥離子) OH-。

• 水分子的解離：水分子的V狀及O-H鍵的極化本質不對稱電荷分佈和偶極距。

• 共價鍵能：~335 kJ/mol；H鍵能：2~40 kJ/mol；O-H鍵的解離能：13~25 kJ/mol。

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水分子

• 水形成三次元H鍵的能力可解釋其不尋常性質：不同相轉移的大數值熱容、mp、bp、表面張力及焓皆與斷裂分子內H鍵所需的外加能量有關。

• 分子的H鍵串多分子偶極↑電容率 (介電常數) 。

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冰的結構

• 冰中O-O分子內最近距離為2.76 Å及O-O-O 鍵()為~109º而正四面體角度為109º28’。

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冰的結構• 當許多晶格單元組合後，從上向下望(沿著c軸)，可見到冰的六邊形對稱性。

• 普通冰屬於六邊形中的複六邊雙錐體類，在 0ºC，常壓下很穩定。

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冰的結構• 溶質的存在會改變冰晶成4種主要類型：1)六邊形；2)不規則樹枝狀；3) 粗球石及4)纖細的球石。

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水和

• 「水結合」和「水和」指水與親水性物質，包括細胞物質聯結的一般趨勢。

• 水結合和水和的程度依多種因子而定，如非水性成分的本質、鹽組成、pH和溫度。

• 「水結合能力」用於描述分子基質，通常是大分子在低溫下，物理性地捕捉大量水的能力，並能抑制其滲出。

• 食品基質的實例有果膠和澱粉的膠體、植物和動物兩者的組織和細胞。

• 自由水(Free water) 為表現像一般純水或容積水的水分子。

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結合水（ Bound water ）1. 在適當溫度和低相對濕度下樣品的平衡水含量。2. 在高頻率下對電容率 (介電常數) 貢獻不大 有其的旋轉流動性，受到其聯結的物質所限制住。

3. 在-40ºC或更低溫度下不冷凍。4. 對附加的溶質不能作為溶劑。5. 在質子核磁共振(NMR)之實驗中產生線寬化現象。6. 在涉及沈降速率、黏度和擴散的實驗中大分子一起移動。

7. 存在於溶質和其他非水性物質的周圍及在相同系統中具有顯著不同於「容積」水的性質。

‧結合水受阻的流動性固定化。‧結合水緊鄰親水性基的第一層水分子。

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水-溶質交互作用

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水-溶質交互作用

1. 水與離子和離子基的交互作用：• 有機分子的離子和離子基較任何其他類型的溶質對水的流動性阻礙更大。

• 強度：水-離子鍵 > 水-水H鍵 < 共價鍵

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水-溶質交互作用

• 在稀釋溶液中一些離子有網狀結構破壞作用(溶液比純水流動性更好)，而一些離子則有網狀結構形成作用(溶液比純水流動性更差) 。

• 網狀結構形成劑：小和/或多價離子如Li+, Na+, H3O+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+, F-和OH-。

• 網狀結構破壞劑：大和/或單價離子(大部分負價和大正離子)如K+ (略微), Rb+, Cs+, NH4+, Cl-, Br-, I-, NO3-, BrO3-, IO3- 和ClO4-。

• 離子對水結構和性質有影響離子的種類和數量影響蛋白質的構形與膠體的安定性 (鹽溶或鹽析)。

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水-溶質交互作用

2. 水與具H鍵能力的中性基(親水性溶質)之交互作用：

• 水與非離子性、疏水性溶質之交互作用 < 水-離子交互作用 ≈ 水-水H 鍵。

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水-溶質交互作用• 水與多種官能基可生成H鍵(如羥基、胺基、羰基、醯胺和亞胺基) 水橋。

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水-溶質交互作用3. 水與非極性物質之交互作用：「疏水性交互作用」為疏水性水和的部分逆轉：

疏水性水和疏水性聯結

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水-溶質交互作用4. 疏水性交互作用提供蛋白質折疊的主要驅動力，導致許多疏水性殘基進入蛋白質內部的位置。

‧溫度降低導致較低的疏水性交互作用，增加H鍵。

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水活性與相對蒸氣壓

• 濃縮和脫水加工的目的在降低食品的水分含量，增加溶質的濃度，及因而降低易腐敗性。

• 水活性(aW)與微生物生長速率和許多降解反應的相關性良好，使得其成為產品安定性和微生物安全性的指標。

水活性：aW = P/Po= %ERH/100 = RVP其中P：在一溫度下溶液的蒸氣壓。

Po：在同溫度下溶劑(水)的飽和蒸氣壓。ERH：百分平衡相對濕度(ERH)。RVP：相對蒸氣壓。

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水活性與相對蒸氣壓• RVP的測定(擴散法)：可由放置樣品至密閉容器內一段時間使其達到視平衡(恆重)及然後測定容器內的壓力或相對濕度。

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水活性與相對蒸氣壓• 測定RVP的儀器法：壓力(壓力計),相對濕度(電濕度計、露點儀器)及冷凍點下降。

• aW的精確度為~±0.02。10ºC的溫度變化可導致 aW 改變0.03-0.2 對包裝食品很重要。

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等溫吸濕圖(MSI)• MSI為在常溫下食品的水分含量(g/g乾重) 對

P/Po 的作圖。• 可用於：a) 濃縮和脫水加工，因為水分移除的難易度與

RVP 有關。b) 調配食品混合物，可避免組份間水分的轉移。c) 測定包材中所需的水分阻隔性質。d) 測定何種水分含量可削弱目標微生物的生長。e) 以水分含量為函數，預測食品的化學和物理安定性。

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等溫吸濕圖(Moisture sorption isotherms, MSI)

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等溫吸濕圖(MSI)• I區(0-0.2)的水相當於單層水分子，即結合水。水分子因水-離子或水-偶極交互作用而被強烈吸附，在-40ºC下不冷凍，無法溶解溶質，及其性狀有如固體。

• II區(0.2-0.8)的水相當於多層吸附水(於單層外又有另一層)。水分子與相鄰的水分子及溶質藉H鍵聯結，較容積水不易移動且大部分在-40ºC下不冷凍。

• I區和II區的水分子在高水分食品中佔有水分的5% 。• III區(>0.8)的水分子在樣品中形成玻璃-橡膠轉換 ↓黏度，↑分子動性，↑許多化學反應速率。

• III區的水分子為容積態的水，即自由水，可被冷凍，可作為溶劑及供微生物生長。

• RVP具溫度依賴性MSI具溫度依賴性。

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等溫吸濕圖(MSI)

• 在任何給定水分下，食品P/Po隨溫度增加而增加。• 由加入水分至乾樣品中所製成的吸附MSI 與強加至脫附MSI不一樣，其差異稱為滯後現象(hysteresis)。

• 在任何給定P/Po下，食品的水分含量在脫附時較吸附時更高。

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相對蒸氣壓與食品安定性的關係

RVP影響：a) 微生物生長b) 酵素性水解c) 氧化作用(非酵素性)

d) 梅納褐變(Maillard browning)

e) 其他反應速率

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食品中反應速率與水活性的關係

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aw= 0.97-1 => 高濕性食品(high moisture food, HMF):容易腐敗，如牛奶、果汁肉

aw< 0.6 => 低濕性食品(low moisture food, LMF):不易腐敗，如奶粉、乾穀類。

aw= 0.6-0.9 =>中濕性食品(IMF):不需加熱或冷藏即可穩定保存，如乾酪、果醬、果凍。

菌 名 生長最低限度αw細 菌 0.91黴 菌 0.80酵 母 菌 0.87耐 鹽 性 箘 0.75以下耐 乾 真 菌 0.65

食品的水活性與抑制微生物生長的關係

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非滅菌食品中控制微生物生長的組合方法

1:控制微生物生長的6道柵欄。

2:無加熱(F)的5道柵欄。RVP和防腐劑是最有效的柵欄。

3:與2同，但含低菌數。4:與2同，但含高菌數。5:與2同，但樣品富含營養物。

6:與2同，但with 儲存經低溫滅菌處理。