本章学习重点：
了解水分测定法的种类、应用范围及水分活度的概念和测定方法；
掌握常压干燥法的基本原理、水分测定条件和注意事项。
5.1概述
5.1.1水测定的意义
水是维持动物、植物和人体生存必不可少的物质。不同种类的食品，水含量差别很大。除谷物和豆类种子（一般水为12%~16%）以外，作为食品原料或产品的许多动植物含水量为60％~90%，有的可能更高。控制食品的水含量，对于保持食品的品质，维持食品中其他组分的平衡关系，保证食品具有一定的保存期等起着重要的作用。例如，面包的水含量若低于30％，其外观形态干瘪，失去光泽，新鲜度严重下降；粉状食品水含量控制在5％以下，可抑制微生物生长繁殖，延长保存期。食品原料或产品中水含量高低，对加工、运输成本核算等也具有重要意义，是工艺过程设计的重要依据之一。水含量还是进行其他食品化学成分比较的基础。如某种食品蛋白质含量为40 g/100 g，水含量30 g/100 g，另一种食品蛋白质含量25 g/100 g，水含量60 g/100 g，并不能直观地认为前者蛋白质的含量高于后者，应折算成干物质后比较。水含量还是产品品质与价格的决定因素。非加工需要而故意人为“注水”的产品应属伪劣产品范畴。因此，食品中水含量的测定是食品分析的重要项目之一。
2012年5月30日修订GB 18394-2001《畜禽肉水限量》的征求意见稿提出了更严格的要求，即猪肉、牛肉、鸡肉含水量不超过76.5%，羊肉含水量不超过77.5%，鸭肉含水量不超过80%。
5.1.2食品中水的存在形式
食品的形态有固态、半固态和液态，无论是原料，还是半成品或成品，都含有一定量的水。高水含量的物料切开后水并不流出，其原因与水的存在形式有关。食品中水的存在形式分别为游离态和结合态两种形式，即游离水和结合水。
5.1.2.1游离水
游离水（Free water），又称自由水，存在于细胞间隙，具有水的一切物理性质，即100℃时沸腾，0℃以下结冰，并且易汽化。游离水是食品的主要分散剂，可以溶解糖、酸、无机盐等。自由水在烘干食品时容易气化，在冷冻食品时冻结，故可用简单的热力方法除去。游离水促使腐蚀食品的微生物繁殖和酶起作用，并加速非酶褐变或脂肪氧化等化学劣变。游离水可分为不可移动水或滞留水（Occluded water）、毛细管水（Capillary Water）和自由流动水（Fluid Water）三种形式。滞留水是指被组织中的纤维和亚纤维膜所阻留住的水；毛细管水是指在生物组织的细胞间隙和食品的结构组织中通过毛细管力所系留的水；自由流动水主要指动物的血浆、淋巴和尿液以及植物导管和液泡内的水等。
5.1.2.2结合水
结合水（Bound Water），又称束缚水，与食物材料的细胞壁或原生质或蛋白质等通过氢键结合或以配价键的形式存在，如在食品中与蛋白质活性基团（-OH、-NH、-COOH、-CONH2）和碳水化合物的活性基团（-OH）以氢键相结合而不能自由运动。根据结合的方式又可分为物理结合水和化学结合水。加热时结合水难汽化，具有低温（-40℃或更低）下不易结冰和不能作为溶剂的性质。结合水与食品成分之间的结合很牢固，可以稳定食品的活性基团。迄今为止，从食品化学的角度研究食品中水的存在形式的工作仍在继续。水测定时结合水很难去除。
5.1.3水活度
食品中的水随环境条件的变动而变化。如果周围环境的空气干燥（湿度低），则水从食品向空气蒸发，食品水逐渐减少而干燥；反之，如果环境湿度高，则干燥的食品就会吸湿以至水增多，这一动态过程最终趋于平衡，此时的水称为平衡水（Equilibrium Moisture）。从食品保藏的角度出发，食品的含水量不用绝对含量（g/100 g 或g/kg等）表示，而用水活度（Water Activity，AW）表示。水活度定义为“食品所显示的水蒸气压P对在同一湿度下最大水蒸气压P0之比”。即，
AW=PP0=RH100
式中：P——食品中水蒸气分压；
P0——纯水的蒸汽压；
RH——平衡相对湿度。
AW反映食品与水的亲和能力，它表示食品中所含的水作为微生物化学反应和微生物生长的可用价值。食品水活度与水含量无直接定量关系。例如，金黄色葡萄球菌生长要求的最低水活度为0.86，而相当于该水活度的水含量则随食品种类的不同而异，如干肉为23%，乳粉为16%，干燥肉汁为63%，因此，仅仅根据水含量难以判断食品的可保存性，测定和控制食品的水活度才对其保藏性有重要意义。
5.2水含量测定方法
水含量测定法通常分为直接法和间接法两类。
直接法——利用水本身的物理性质和化学性质测定水的方法，如干燥法、蒸馏法和化学反应法（卡尔·费休法）。
间接法——利用食品的密度、折射率、电导、介电常数等物理性质，间接测定水的方法。
测定水含量的方法应根据食品性质和测定目的选择。直接测定法的准确度高于间接测定法。
5.2.1干燥法
利用水受热汽化或在相对湿度很低的情况下，水可以在物料间转移（质传递）的性质，将样品进行干燥以测定水含量的方法称为干燥法。应该注意，冷冻干燥法可以作为样品处理方法，不能作为测定方法。干燥法有加热干燥法和干燥剂干燥法两种。
5.2.1.1加热干燥法
5.2.1.1.1原理
在一定温度和压力条件下，将样品加热干燥，以排除其中水的方法称为加热干燥法。根据操作压力的差别，加热干燥法分为常压干燥法和减压干燥法，加热干燥法是将样品盛放于样品皿中，在干燥箱（或称烘箱）中被加热去除试样中的水，再通过干燥前后的称量数值计算出水的含量。
5.2.1.1.2分析条件
对于性质稳定的样品如谷物，可以选择常压干燥；对于性质不稳定的样品如含果糖或脂肪高的食品，应选择减压（或真空）干燥。压力的差异本质上是加热温度的差异，常压可达高温；减压可用低温。常压干燥法通常选择100℃ ± 5℃，减压（或真空）干燥法在压力40~53 kPa，70℃以下温度进行。为了提高分析速度，性质稳定的谷物样品分析可以在130~140℃进行。干燥时间的确定有使样品烘至恒重和根据经验确定两种方式。前者为标准方法，后者适合快速或常规测定。恒重法为干燥残留物重为2~5 g时，当连续两次干燥放冷称重后，质量相差不超过2 mg时可认为达到恒重状态，此时可结束干燥，样品质量可视为不再变化，称重后即可计算水含量。规定干燥时间法是指在规定的时间内样品内大部分水已被除去，进一步的干燥对测定结果的改变很小，可忽略不计。
5.2.1.1.3分析设备
用于加热干燥测定水的设备为干燥箱或称烘箱，如图5-1所示。常压干燥箱与大气相通，为保证干燥室内的温度均匀，一般采用强制通风的形式，即配有电扇。减压干燥法需配置减压（或真空）系统，且样品室可以密封。常规干燥箱的加热元件都为电阻丝，快速水测定仪采用微波、红外或卤素加热方式。水含量分析用专门干燥箱的形式种类较多，加热功率和内室腔体大小可根据需要选择。
样品皿可以是铝盒，也可以是玻璃或石英称量皿。用于分析的样品质量通常控制其干燥残留物为2~5 g。有的国家，对于番茄制品等蔬菜制品，规定每平方厘米称量皿底面积内，干燥残留物为9~12 mg。
样品皿底部直径选择原则一般为：固体和少量液体样品选4~5 cm；多量液体样品选6.5~9.0 cm；水产品样品选9 cm。
5.2.1.1.4对样品的要求
加热干燥法是最基本的水测定法，适用于多数食品样品，但此法的应用必须符合以下三项条件。
（1）水是唯一的挥发物质。其他挥发性存在非常少，对结果的影响可以忽略不计。
（2）水能完全排除。这一点很难做到，结合水是不能去除的。
（3）食品中其他组分在加热过程中由于发生化学反应而引起的重量变化可忽略不计。果糖和高脂肪样品等很容易发生变化，还原糖和蛋白质或氨基酸也很容易发生反应，此时样品的预处理和干燥条件选择非常关键。
5.2.1.1.5样品预处理
样品必须洁净，根据分析目的确定是总体还是可食部分。
(1)固体样品：必须磨碎过筛。谷类约为18目，其他食品为30~40目。样品颗粒过大，内部水扩散缓慢，不易干燥；样品颗粒过小，可能受空气搅动影响而“飞出”容器。
(2)液态样品：先在水浴上浓缩，然后用烘箱干燥。
(3)浓稠液体：如糖浆、甜炼乳等，需加入经预处理并干燥过的石英砂等分散剂，增加样品表面积，防止结膜等物理栅形成。
(4)高水含量食品（水含量大于16%），采用二步（次）干燥法，即先在低温条件下干燥，再用较高温度干燥的方法测定。以新鲜面包为例：
称重→切片（2~3 mm）→风干（60℃以下，15~20 h）→称重→磨碎→过筛→加热干燥法测定水。
在二步操作法中，测定结果用下式表示：
X=m1－m2(1－x%)m1×100
式中：X——新鲜面包的水含量；
x——风干面包的水百分含量；
m1——新鲜面包的总质量；
m2——风干面包的总质量。
二步操作法的分析结果准确度较高，但费时更长。
5.2.1.1.6操作步骤
(1)样品皿处理：样品皿→清洗→烘干→干燥器中冷却→称重
(2)称取样品：精密称取2 g左右样品。一般精确至0.0001 g，有时有些方法只要求精确至0.001 g。
(3)烘箱烘干：样品皿+样品→烘干→冷却→称重。
(4)再次称重：样品皿+样品→烘干→冷却→称重。
重复（4），直至恒重。
恒重指称重前后两次称重差不超过2 mg。样品的冷却必须在干燥器（图5-4）中完成。普通干燥器一般常用白色玻璃制作，也有棕色玻璃的产品，真空干燥器盖子除玻璃材料外也有用塑料制成的，盖子与底座间涂抹真空脂或凡士林密封。干燥器下层放置变色硅胶等干燥剂，中间由孔板隔开。孔的大小设计兼顾了在灰分测定时坩埚的稳定放置。真空干燥器用于长时间存放样品。
5.2.1.1.7结果计算
样品中的水含量根据下列公式计算。
X=m2－m3m2－m1×100
式中：X——样品中水的含量，g/100 g；
m1——样品皿质量，g；
m2——（干燥前样品皿+样品）质量，g；
m3——（干燥后样品皿+样品）质量，g。
5.2.1.1.8误差原因及解决办法
（1）烘干过程中，样品表面出现物理栅(physical barriers)，可阻碍水从食品内部向外扩散。例如：干燥糖浆，富含糖分的水果、蔬菜等在样品表层结成薄膜，水不能扩散，测定结果出现负偏差。像糖浆、富含糖分的果蔬样品测定时，可加水稀释，或加入干燥助剂（如海砂、石英砂），增加蒸发面积，提高干燥效率，减少误差。
（2）样品水含量高，干燥温度也较高时，样品可能发生化学反应，这些变化会使水损失。例如：淀粉的糊精化，水解作用等。可采用红外线干燥或二步干燥法。
（3）对热不稳定的样品，温度高于70℃会发生分解，产生水及其他挥发物质。如蜂蜜、果浆、富含果糖的水果。可采用真空烘箱法，在较低温度下进行测定。
（4）样品中含有除水以外的其他易挥发物，如乙醇、醋酸等将影响测定。应选择合适的测定方法。
（5）样品中含有双键或其他易于氧化的基团。如不饱和脂肪酸、酚类等会使残留物增重，水含量偏低。应选择合适的测定方法。
（6）样品冷却必须在有效的干燥器中存放。
5.2.1.1.9常压和减压干燥法的比较
常压干燥法使用方便，设备简单，操作时间长，不适用于胶体、高脂肪、高糖食品以及易氧化、易挥发物质的食品且不可能测出食品中的真正水，残留1%的水。
减压干燥法常被用作标准法，测定结果比较接近真正水，重现性好。操作温度低，时间短，可防止样品变化。
减压干燥法需配置减压和空气干燥装置，如图5-5。干燥测定时，关闭二通活塞，使真空泵抽出干燥箱中的水汽和空气，干燥结束后，在保持真空泵继续工作的情况下，将二通活塞通向空气，直至干燥箱回复常压。干燥塔的作用是为了保证在解除干燥箱负压时进入干燥箱的空气为干燥状态，否则已经干燥的样品又会吸收空气中的水。应注意及时更换干燥塔中的填料。
5.2.1.2干燥剂干燥法
在室温常压或减压条件下利用干燥剂吸收样品中扩散出来的水直至达到平衡状态（恒重）。这种方法实用性较差，可用化学测定法替代。
（1）常用干燥剂：浓硫酸、氢氧化钠、硅胶、活性氧化铝、无水氯化钙、五氧化二磷等。最常使用的是变色硅胶，干燥状态时呈蓝色，吸湿后变红至无色，干燥（常用130℃）后又显蓝色，但干燥后的硅胶吸湿速度明显加快。
（2）特点：花费时间较长，数天至数月，但简便，比较实用，多用于样品保存。