第四节 溶液中水-溶质相互作用

一、宏观水平

水结合（Water binding）和水合作用（Hydration）常表示水与亲水物质缔合的一般倾向，包括与细胞物质的缔合。水结合或水合作用的强弱取决于体系中非水成分的性质、盐的组成、pH和温度等许多因素。

“持水力”通常指由分子（通常是以低浓度存在的大分子）构成的基体通过物理方式截留大量水而阻止其在外力（通常是重力）作用下渗出的能力。以此方式截留水的常见食品基体包括果胶、淀粉凝胶以及动物组织细胞。

物理截留的水即使在组织化食品被切割或剁碎时仍然不会流出。然而，在食品加工中，这部分水却表现出几乎与纯水相似的性质，在干燥时易被除去，在冻结时易转变成冰，并可以作为溶剂。虽然这部分水的整体流动受到严格地限制，但是各个分子的运动基本上与稀盐溶液中的水分子相同。

物理截留的水占组织和凝胶中水的绝大部分，因此食品截留水能力（持水力）的降低会显著影响食品的品质。如凝胶食品的脱水收缩，冷冻食品解冻时渗水，动物宰后生理变化使肌肉pH下降导致香肠品质劣变等。

二、分子水平

食品中含有大量的水分，水与食品中的各种复杂成分以不同方式结合，如：水与离子或离子基团易形成双电层结构；水与具有氢键结合能力的中性基团形成氢键；水在大分子之间可形成由几个水分子所构成的“水桥”。所以，即使用刀切开水分含量很高的新鲜水果，水也不会很快地渗出。溶质的存在使得食品中水分的存在状态不同。根据水与食品中非水成分结合力的强弱程度不同，可把食品中的水分成结合水和自由水（表2-3）。

1.结合水

结合水通常指存在于溶质和其他非水成分相邻处，且与同一体系中自由水性质显著不同的那部分水。结合水有以下属性：

①结合水是样品在一定温度和较低相对湿度下的平衡水分含量；

②结合水在高频电场下对介电常数没有显著影响，因此它的转动受到与它缔合的物质的限制；

③结合水在低温（通常为-40℃或更低）下不会冻结；

④结合水不能作为外加溶质的溶剂；

⑤结合水不能为微生物所利用；

⑥结合水在质子核磁共振试验中产生宽带。

因此与自由水相比，结合水具有“被阻碍的流动性”而不是“被固定化的”。在一种典型的高水分含量食品中，结合水仅占总水量很小的一部分，大约相当于邻近亲水基团的第一层水。

根据结合水被结合的牢固程度不同，结合水也有几种不同的形式，包括构成水、邻近水和多层水：

（1）构成水 结合最强的水，已成为非水物质的整体部分。如存在于蛋白质分子空隙区域的水和成为化学水合物一部分的水。

（2）邻近水 占据着非水成分的大多数亲水基团的第一层位置。如与离子或离子基团相缔合的水。

（3）多层水 占有第一层中剩下的位置以及形成了邻近水外的几层。虽然结合程度不如邻近水，仍与非水组分靠得足够近，其性质明显不同于纯水的性质。

结合水另一种分类法包括单分子层水和多分子层水：

（1）单分子层水 氨基、羧基等强极性基团常以离子形式存在，这些离子可以与水通过氢键结合。在他们周围结合的第一层水-单分子层结合水，蒸发能力弱，不易去除，可看作食品的一部分。

（2）多分子层水 与酰胺基、羟基、巯基等极性基团结合的以及离子基团单分子层以外的几层水，其蒸发仍然需要较多能量。

2.自由水

自由水（Free water）或体相水（Bulk water）指没有与非水成分结合的水。自由水具有水的全部性质（表2-4），微生物可利用自由水生长繁殖，各种化学反应也可在其中进行，因此，自由水的含量直接关系着贮藏过程中食品的质量。自由水又可分为三类：滞化水或不移动水、毛细管水和自由流动水。

（1）滞化水（Entrapped water）是指被组织中的显微和亚显微结构与膜所阻留住的水，由于这些水不能自由流动，所以称为不可移动水或滞化水。

（2）毛细管水（Capillary water）是指在生物组织的细胞间隙、制成食品的结构组织中，存在着的一种由毛细管力所截留的水，在生物组织中又称为细胞间水，其物理和化学性质与滞化水相同。

（3）自由流动水（Free flow water）是指动物的血浆、淋巴和尿液、植物导管和细胞内液泡中的水，因为可以自由流动，所以称为自由流动水。

食品中结合水和自由水之间的界限很难定量地划分，只能根据物理、化学性质作定性的区分（表2-4）。

水分含量的定量测定一般是用烘箱在95～105℃温度范围内进行常压干燥直到样品恒重，从此计算的水分含量包括自由水和多分子层结合水。单分子层结合水在通常的干燥条件下很难蒸发逸出，若要测定食品的全部含水量，需进行减压干燥。即在相对真空条件下，食品中的水分可以在较低的温度下较快地逸出，并且自由水和结合水都能全部挥发出来。

三、水与溶质的相互作用

（一）概述

溶质和水混合同时改变了这两个成分的性质。亲水溶质会改变邻近水的结构和流动性，水会改变亲水溶质的反应性甚至结构。溶质的疏水基团优先选择非水环境，仅与邻近水分子微弱作用。

水与各种溶质之间的结合力见表2-5。

（二）水与离子和离子基团的相互作用

与离子或离子基团相互作用的水，是食品中结合最紧密的一部分水。从实际情况来看，所有离子均破坏了水的正常结构，典型特征就是水中加入盐类以后，水的冰点下降。

当水中添加可离解的溶质时，纯水的正常结构，即靠氢键键合形成的四面体排列遭到破坏。由于水分子具有大的偶极矩，因此会与简单的无机离子产生偶极-离子相互作用。图2-7所示为NaCl离子对的水合，图中仅描述了纸平面上由离子的放射状电场定位的第一层水分子。由于Na+与水分子的结合能力约是水分子之间氢键结合能力的4倍，因此离子或离子基团加入到水中后，会破坏水中的氢键，导致水的流动性改变。在稀离子水溶液中，第二层的水分子同时受第一层水分子和处在更远位置的自由水分子的影响，在结构上也处在被扰乱的状态。在浓盐溶液中，不存在自由水分子，离子决定着水的结构。

在稀水溶液中，离子对水结构的影响各不相同。某些离子具有净结构破坏效应（Net structure-breaking effect），此时溶液具有比纯水更高的流动性；而某些离子具有净结构形成效应（Net structure forming effect），此时溶液流动性比纯水低。净结构（Net structure）涉及所有类型的结构，包括正常的水结构和新形式的水结构。

离子改变水的净结构的能力与它的极化力（电荷除以半径）或电场强度紧密相关。小离子和/或多价离子产生强电场，它们有助于水形成网状结构，因此是净结构形成体。这些离子大多是带正电荷的阳离子，例如：Li+、Na+、H₃O+、Ca2+、Ba2+、Mg2+、A13+、F-和OH-。这些离子可与4个或6个第一层水分子强烈作用，使它们比纯水中的水分子具有更低的流动性且堆积更紧密。大离子和/或单价离子产生较弱的电场，它们能破坏水的网状结构，因此是净结构破坏体。上述离子大多数是电场强度较弱的负离子和离子半径大的正离子。例如：K+、Rb+、Cs+、、Cl-、Br-、I-、、、和，这类盐的溶液比纯水的流动性更大，其中K+的作用很小。

除了影响水的结构外，离子还有很多其他的重要效应。通过水合能力（争夺水）的差异，影响水的介电常数，同时改变胶体粒子周围双电层的厚度。此外，离子还显著影响水对其他非水溶质和悬浮物质的相容程度。离子的种类和数量也可能影响蛋白质的构象和胶体的稳定性（盐溶、按照Hofmeister或离子促变序列的盐析）。

（三）水与具有氢键形成能力的中性基团（亲水性溶质）的相互作用

水与食品中的蛋白质、淀粉、果胶、纤维素等成分可通过氢键结合，它与非离子、亲水性溶质之间的相互作用弱于H₂O与离子之间的相互作用，而与H₂O和H₂O间的氢键强度大致相同。

能够形成氢键的溶质通常可以强化纯水的正常结构，或至少不会破坏这种结构。然而，在某些体系中，一些溶质的氢键位点分布和定向在几何构型上与正常水不相容，因此，这些溶质通常对水的正常结构具有破坏效应。如尿素这种与水形成氢键的小分子溶质，由于几何上的原因，它对水的正常结构有明显的破坏作用。

当体系中加入能形成氢键的溶质时，虽然它能破坏水的正常结构，但是每摩尔溶液中的氢键总数没有明显地改变。这是由于H₂O-溶质氢键取代了被破坏了的H₂O-H₂O氢键。具有这种特征的溶质对净结构的影响很小。

氢键结合水和其邻近的水虽然数量有限，但其作用和性质却非常重要。例如，水能与各种潜在的适宜基团（例如羟基、氨基、羰基、酰胺基、亚氨基等）形成氢键。有时还会形成“水桥”，此时一个水分子与一个或多个溶质分子的两个适宜的氢键部位产生相互作用，从而维持大分子的特定构象。图2-8所示为水与蛋白质中两类功能团之间形成的氢键（虚线）的示意图，而图2-9所示为木瓜蛋白酶之间存在一个三分子水构成的“水桥”。

（四）水与非极性物质的相互作用

水与非极性物质相混合是一个在热力学上非自发的过程（ΔG＞0），这些非极性物质包括烃类、稀有气体以及脂肪酸、氨基酸和蛋白质的非极性基团。该过程的自由能增大并非由于ΔH为正（对于低溶解度溶质一般确是如此），而是由于TΔS为负。熵的减少意味着有序性增强，此处是由于水在不相容的非极性物质的附近形成了特殊的结构，该过程被定义为疏水水合（Hydrophobic hydration），见图2-10（1）。

由于疏水水合在热力学上是非自发过程，所以体系会通过自身调整以尽可能地减少与非极性物质的缔合。因此，当有两个分离的非极性基团存在时，不相容的水环境会促使它们缔合，从而减少水-非极性界面面积，这是一个热力学上自发的过程（ΔG＜0）。此过程是疏水水合的部分逆转，被称为“疏水相互作用”（Hydrophobic interaction），可以用下式简单地描述：

式中R是非极性基团，见图2-10（2）。

由于水和非极性基团存在着对抗关系，为了尽可能地减少其与非极性基团的接触，邻近非极性基团处水的结构可能发生变化。图2-11所示为与非极性基团相邻的水的结构。基于食品体系中上述对抗关系的存在，非极性基团还具有两种特殊的性质：笼状水合物的形成和水与蛋白质疏水基团的缔合。

1.笼状水合物

笼状水合物是冰状包合物，它是水分子力图避免与疏水基团接触所产生的特殊产物。笼状水合物的“主体”物质即水通过氢键形成笼状结构，后者通过物理方式将“客体”物质即非极性小分子截留。笼状水合物的主体一般由20～74个水分子构成，客体是低相对分子质量化合物，只有它们的大小和形状与笼子的大小相匹配才能被截留。典型的客体分子包括烃和卤代烃、稀有气体、短链伯胺、仲胺及叔胺、烷基铵盐、锍盐和磷盐等。水和客体之间的直接相互作用很小，通常不超过弱范德华力，因此客体分子在笼内可自由旋转。

笼状水合物代表了水对一种非极性物质的最大程度的结构形成响应，而且在生物物质中可能天然存在着相似类型的超微结构。笼状水合物可以结晶，且其晶体易于生长至可见大小，只要压力足够高，一些笼状水合物在0℃以上仍然是稳定的。在生物物质中存在着类似于结晶笼状水合物的结构，可能会影响蛋白质等分子的构象、反应性和稳定性。例如，在裸露的蛋白质疏水基团周围存在着部分笼状结构。

2.水与蛋白质疏水基团的相互作用

水分子与蛋白质疏水基团不可避免的缔合对蛋白质的功能性质具有重要的影响。蛋白质分子中大约40%的氨基酸侧链含有非极性基团，包括丙氨酸的甲基、苯丙氨酸的苯基、缬氨酸的异丙基、半胱氨酸的巯基甲基、亮氨酸的异丁基和异亮氨酸的仲丁基。因此，水分子与这些非极性氨基酸侧链相互作用的程度可能相当高。

由于蛋白质的非极性基团暴露于水中在热力学上不利，因此促进了疏水基团的缔合或“疏水相互作用”（图2-12）。疏水相互作用为蛋白质的折叠提供了主要的推动力，使疏水残基处在蛋白质分子的内部。尽管存在疏水相互作用，非极性基团一般仍占球蛋白表面积的40%～50%。这些处于表面的疏水性基团的存在，使得疏水相互作用在维持大多数蛋白质的三级结构上发挥着重要作用。降低温度导致疏水相互作用变弱和氢键变强，这对蛋白质的结构复杂性相当重要。

（五）水与双亲分子的相互作用

水也能作为双亲分子的分散介质。在食品体系中这些双亲分子包括脂肪酸盐、蛋白、脂质、糖酯、极性脂类和核酸。双亲分子的特征表现为在一个分子中同时存在亲水和疏水基团[图2-13（1）～（4）]。水与双亲分子亲水部位的羧基、磷酸基、羟基、羰基或一些含氮基团的缔合导致双亲分子的表观“增溶”。双亲分子在水中形成大分子聚集体，被称为胶团，参与形成胶团的分子数从几百到几千不等[图2-13（5）]。双亲分子的非极性部分指向胶团的内部而极性部分定向至水环境[图2-13（5）]，可用于增溶非极性物质，改善其在水相中的分散性。