食物中的水为什么如此奇妙？| 吃喝的科学
（图：Yoppy/ Flickr cc by-sa 2.0）
撰文 盖伊·克罗斯比
翻译 颜磊
编辑 刘小鸥 韩琨
浓汤版
水在食物中扮演着重要角色。
食物中的水有三类：自由水、吸附水和结合水。水活度可以用来表示食物中自由水和吸附水的含量，反映食物的一些特点。
氢键赋予了水奇妙的性质，水分子与蛋白质和多糖间形成氢键，决定了食物的质感。
水在食物中扮演着重要角色。它影响着食物的质感，使食物干燥酥脆或湿润绵软。水作为溶剂，维持着酶的活性，使化学反应发生。水也是微生物生长的必要条件，帮助多糖和蛋白质这类大分子移动并相互作用。
许多食物含水量大于75%，比如肉类、禽类、海鲜、水果和蔬菜。因此水是新鲜食材中含量最丰富的物质。乳制品和新鲜的烘焙类食品也含有较多的水分，大约35%。但水分多的食物遭受细菌、真菌等微生物污染的风险也较高，而意大利面等干燥食物则通常保质期较长。
食物中的“活”水
食物中的水并不是一样的。大多数食品科学家将水分为三类：自由水（free water）、吸附水（absorbed water）和结合水（bound water）。
自由水是可以从食物中挤出的水，像橙子里榨出的橙汁、酸奶油或酸奶酪中析出的水。
吸附水（“d”表示）是指附着在多糖和蛋白质等分子表面的水。它没那么容易从食物中挤出来。当食品学家提到水合蛋白（如谷蛋白）或水合糖分子（如淀粉）时，通常指的就是吸附水。
结合水则指固定在晶体中的水分子，如结晶淀粉或食物中的其他成分（有些食品学家习惯只区分自由水和结合水）。重点在于，自由水和吸附水有助于微生物的生长，而结合水则不行。
食品学家用水活度（water activity，aW）来表示食物中自由水和吸附水的含量，这些“活”水对微生物生长、酶活性及化学反应很关键。水活度的数值在0到1之间，它由食物水蒸气压与纯水蒸气压相除得到（纯水的水活度为1.0）。另一个计算方法是，测量食物与大气平衡的相对湿度（relative humidity，RH）：RH (%) = 100 x aW。换句话说，水活度代表食物中能够转化成水蒸气的水分。下表给出了食物含水量和水活度的一般相关性。
食物 | 含水量% | 水活度 |
鲜肉 | 70 | 0.98 |
面包 | 40 | 0.95 |
面粉 | 14 | 0.7 |
意大利面 | 10 | 0.45 |
薯片 | 2 | 0.1 |
表1. 食物含水量与水活度的一般关系
水活度低于0.85的食物不容易长细菌，因为这种环境中细菌无法得到足够的水分。不过酵母可以在水活度低至0.70的环境生长，而一些霉菌在水活度0.60的环境中也照样生长！
因此，人们通常需要在很多食物中添加防腐剂，以防止酵母和霉菌的生长。pH低于4.6的酸性食物，如番茄酱，可以延缓微生物的生长，所以水活度低于0.85的酸性食物易于储藏，特别是存放在冰箱中——低pH值、低水活度和低温为抵抗有害病原体提供了三重保障。
（图：MichaelBernath/ Flickr cc by-sa 2.0）
水活度也影响着食物的质感。食物的含水量决定了其中的分子迁移率，尤其是需要水才能移动的蛋白质、多糖等大分子。蛋白质和多糖塑造了食物的结构。如果它们坚硬，食物也会坚硬；它们柔软，食物也会柔软。
这种情况下，水作为塑化剂（一种软化剂），可以降低食物的玻璃态转化温度（Tg）。它和物质的熔点“异曲同工”——当温度低于玻璃态转化温度时，分子表现出坚硬的玻璃状结构，随着温度升高超过转化温度，分子转变成柔性结构。
在很大数值范围内，水活度与玻璃态转化温度呈现稳定的线性关系。也就是说，一种含水量低的食物水活度通常较低，而转化温度较高。这种食物在室温下往往坚硬酥脆。当被放在潮湿环境中，食物的含水量与水活度提高，转化温度降低。当它低于室温时，食物就会变得更软更润。这反过来也解释了食物在冰箱中变硬的现象。
氢键的魔力
但是，为什么水这样简单的分子（H2O）对食物如此重要呢？这一切要从“氢键”说起。
水分子之间或水与蛋白质、糖类等含氧氮原子的分子间会形成氢键。一个水分子由两个氢原子与一个氧原子连接构成。由于氧原子中非键电子间的斥力，这三个原子会形成104.5°的角，而不是直线型。而更重要的是，氧原子是非常“负电”的原子，它对电子有很强的吸引力，氢原子则相对“弱势”。因此在氢氧键中，两个电子围绕在氧原子周围的时间更多，赋予了氧原子部分负电荷，同时氢原子带有部分正电荷。这使得一个水分子的氢原子与另一个水分子的氧原子之间产生强大的“静电力”，这就是两个水分子间的氢键。一个水分子有两个氢原子，它就能与另外两个水分子形成氢键，容器中的水分子就会形成一张无限的氢键网络。
水分子间的氢键是一种较弱的键，强度大约只有氢氧键的5%。不过当把水分子“海洋”中所有氢键都考虑在内时，我们就会很清楚为什么需要如此多能量才能将水分子彼此分开，让它们更快速地移动。将水温提高20度所需要的能量是等量橄榄油所需的两倍。这也解释了为什么将水变成水蒸气需要五倍的能量。
当水分子以蒸汽形式“挣脱”出来时，它们可以带走这些多余的能量。在一个标准大气压下，水的沸点不会超过100 ° C。如果继续加热沸水，只会使水沸腾得更厉害，而不会升高温度。
不过当水结冰时，水分子无处可去，因此冰可以降温至0° C以下的几乎任何温度。冰箱中的冰块温度与冰箱温度相同。
（图片来源：Paola Sucato / Flickr cc by 2.0）
最后，让我们看看水是如何影响蛋白质和多糖的性质的。就像刚刚说的，含水量低的食物（10%-20%甚至更低）往往硬而脆，含水量高的食物（35%或更高）则软而韧。蛋白质含有氮原子，多糖含有氧原子。这两种原子都是带负电的，可以和水中氢原子形成氢键，于是水分子可以被吸附在蛋白质和多糖的表面。
吸附水降低了蛋白质和多糖的玻璃态转化温度，使其在室温或更高温度下更柔韧。干面粉中面筋的主要蛋白——醇溶蛋白和麦谷蛋白——在室温下很坚硬。加了水后，它们变得柔软，能够展开和移动，彼此连接形成面筋。揉面团可以使蛋白质更多移动，使它们充分地形成连接（术语是交联），以形成强力的“面筋网络”。
直链淀粉和支链淀粉也是如此。加入的水分子会和淀粉形成氢键。在这种情况下（含水量通常大于35%），淀粉分子的玻璃态转化温度高于室温。它需要吸热达到一定温度，从而能够吸水膨胀。这个温度被称为淀粉的糊化温度。煮意大利面时，面筋与水结合，淀粉颗粒会吸水，面条的玻璃态转化温度降低，变得粘软好味道！
作者简介：
盖伊·克罗斯比：
盖伊·克罗斯比博士是美国认证食品科学家、哈佛大学陈曾煕公共卫生学院兼职副教授，也是《美味厨房大考验》的科学编辑。
本文来自于“GUY CROSBY: The Cooking Science Guy”，《赛先生》经授权翻译转载。
原文链接：
http://www.cookingscienceguy.com/pages/wp-content/uploads/2012/07/What-Is-So-Special-About-Water-In-Food.pdf
延伸阅读
本页刊发内容未经书面许可禁止转载及使用。
投稿、授权等请联系：saixiansheng2016@163.com
您可回复"年份+月份"（如201701），获取指定年月文章，或返回主页点击子菜单获取或搜索往期文章。
国际著名科学家文小刚、刘克峰担任《赛先生》主编。我们相信，每个人都可以成为“赛先生”。
微信号：iscientists
▲长按图片识别二维码，关注我们