为什么需要测量水分含量？
绝大多数的产品都含有水分。通常水分含量的多少无关紧要，但对于需要销售的产品以及与含水量会影响产品的一些性质时需要测试水分的含量：
- 产品的保质期
- 粉末产品可能会凝固结块
- 产品的流动性、粘度
- 产品的真实含量
- 浓度或纯度
- 商业化的要求（复合产品的质量特性）
- 产品的营养成分含量
- 合法性（食品方面的法律法规）

一： 产品一般以固体状、半固体状、液体状、粉末状等形式存在。但是它们不论是原料、半成品或者成品，亦时候这种存在形式都含有一定量的水，那么这一定量的水在这些物质中以什么形式存在呢？ 其实物质中 水分总是以两种状态存在的：

⑴ 、自由水 Free Water （即游离水）：（ 水分仪测试的是游离水 ）

游离水主要存在植物细胞间隙，具有水的一切特性，也就是说 100 ℃ 时水要沸腾， 0 ℃ 以下要结冰，并且易汽化。游离水是我们产品的主要分散剂，可以溶解糖、酸、无机盐等，可用简单的热力方法除掉。

束缚水 结晶水 结晶水

⑵、结合水  Bound Water

（ 结晶水 和束缚水是属于物质分子内部的水 ）

①、 束缚水：这种水是与食品中脂肪 Fat 、蛋白质 Protein 、碳水化合物 CHO 等形式结合状态。它是从氢键的形式与有机物的活性基团结合在一起，故称束缚水。束缚水不具有水的特性，所以要除掉这部分水是困难的。

①不易结冰（冰点为－ 40 ℃） ②不能作为溶质的溶剂 结晶水

特点：

②、结晶水：

是以配价键的形式存在，它们之间结合的很牢固，难以用普通方法除这一部分水。

在烘干食品时，自由水就容易气化，而结合水就难于气化。冷冻食品时，自由水冻结，而结合水在－ 30 ℃仍然不冻。结合水和食品的构成成分结合，稳定食品的活性基，自由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。

二、水分测定方法：

⑴、热干燥法：① 常压干燥法（此法用的广泛）；

② 真空干燥法（有的样品加热分解时用）；

③ 红外线干燥法；（物理加热水分仪）

④ 真空器干燥法（干燥剂法）；

⑵、蒸馏法

⑶、卡尔费休法（化学测试方法）

⑷、水分活度 A_W 的测定

下面我们分别讲述测定水分的方法。

①、常压干燥法：特点与原理

特点：此法应用zui广泛，操作以及设备都简单，而且有相当高的度。

原理：食品中水分一般指在大气压下， 100 ℃ 左右加热所失去的物质。但实际上在此温度下所失去的是挥发性物质的总量，而不*是水。

2 、干燥法必须符合下列条件（对食品而言）：

⑴ 水分是*挥发成分

这就是说在加热时只有水分挥发。例如，样品中含酒精、香精油、芳香脂都不能用干燥法，这些都有挥发成分。

⑵ 水分挥发要*

对于一些糖和果胶、明胶所形成冻胶中的结合水。它们结合的很牢固，不宜排除，有时样品被烘焦以后，样品中结合水都不能除掉。因此，采用常压干燥的水分，并不是食品中总的水分含量。

⑶ 食品中其它成分由于受热而引起的化学变化可以忽略不计。

例 ：还原糖 + 氨基化合物 ^△ → 变色（美拉德反应） +H₂O ↑

还有 H₂C₄H₄O₆ （酒石酸） + 2NaHCO₃ →    NaC₄H₄O₆ （酒石酸钠） +2H₂O+2CO₂

发酵糖（ NaHCO₃+KHC₄H₄O₆ ） ^△ → H₂O+CO₂+ NaKC₄H₄O₆

高糖高脂肪食品不适应

只看符合上面三点就可采用烘箱干燥法。烘箱干燥法一般是在 100 ～ 105 ℃下进行干燥。

我们讲的上面三点，应该是具体的具体分析，对于一个分析工作人员，或者是一个技术员，虽然干燥法必须符合三点要求，那么我们在只有烘箱的情况下，而且蓑红样品不见得符合以上讲的三点，难道就不测水分吗？

例如，啤酒厂要经常测啤酒花的水分，啤酒花中含有一部分易挥发的芳香油。这一点不符合我们的*点要求，如果用烘箱法烘，挥发物与水分同时失去，造成分析误差。此外，啤酒花中的α—酸在烘干过程中，部分发生氧化等化学反应，这又造成分析上的误差，但是一般工厂还是用烘干法测定，他们一般采取低温长时间（ 80 ～ 85 ℃烘 4 小时），或者高温短时（ 105 ℃烘 1 小时）

所以应根据我们所在的环境和条件选择合适的操作条件，当然我们应该首先明白有没有挥发物和化学反应等所造成的误差。

3 、烘箱干燥法的测定要点

⑴ 取样（称样）

在采样时要特别注意防止水分的变化，对有些食品例如奶粉、咖啡等很容易吸水，在称量时要迅速，否则越称越重。

⑵ 干燥条件的选择

三个因素：①温度；②压力（常压、真空）干燥；③时间。

一般是温度对热不稳定的食品可采用 70 ～ 105 ℃；温度对热稳定的食品采用 120 ～ 135 ℃。

4 、操作方法

清洗称量皿→烘至恒重→称取样品→放入调好温度的烘箱（ 100 ～ 105 ℃）→烘 1.5 小时→于干燥器冷却→称重→

再烘 0.5 小时→称至恒重（两次重量差不超过 0.002 g 即为恒重）

＊ 油脂或高脂肪样品，由于脂肪氧化，而后面一次重量反而增加，应以前一次重量计算。

＊ 对于易焦化和容易分解的食品，可以选用比较低的温度或缩短干燥时间。

＊ 对于液体与半固体样品，要在称量皿中加入海砂，使样品疏松，扩大蒸发的接触面，并且用一个玻璃棒作为容器。先放到沸水浴中烘，烘的差不多，再放到烘箱烘，否则不加海砂样品容易使表面形成一层膜，造成水分不易出来，另外易沸腾的液体飞沫使重量损失。

计算 水分 =  G₂ －    G_{1 /}   W

固形物（ % ） =100 － 水分 %

G₁ —— 恒重后称量皿重量（g）

G₂ —— 恒重后称量皿和样品重量（g）

W —— 样品重量（g）

固形物 —— 指食品内将水分排除以后的全部残留物。其组分有蛋白质、脂肪、粗纤维、无氮抽出物和灰分等。

5 、烘箱干燥法产生误差的原因

⑴ 样品中含有非水分易挥发性物质（酒精、醋酸、香精油、磷脂等）；

⑵ 样品中的某些成分和水分的结合，使测的结果偏低（如蔗糖水解为二分子单糖），主要是限制水分挥发；

⑶ 食品中的脂肪与空气中的氧发生氧化，使样品重量增重；

⑷ 在高温条件下物质的分解（果糖对热敏感）；

果糖 C₆H₁₂O_{6 大于 70 ℃} ^△ → C₆H₆O₃ + 3H₂O

⑸ 被测样品表面产生硬壳，妨碍水分的扩散；尤其是对于富含糖分和淀粉的样品；

⑹ 烘干到结束样品重新吸水。

二、真空干燥法

1 、原理：利用较低温度，在减压下进行干燥以排除水分，样品中被减少的量为样品的水分含量。

本法适用于在 100 ℃以上加热容易变质及含有不易除去结合水的食品。其测定结果比较接近真正水分。

2 、操作方法

准确称 2.00 ～ 5.00 g 样品→于烘至恒重的称量皿→至真空烘箱→ 70 ℃、真空度 93.3 ～ 98.6 KPa （ 700 ～ 740 mmHg ）→烘 5 小时→于干燥皿冷却→称至恒重

计算： 水分 =  G _/   W

G —— 样品中干燥后的失重（g）

W —— 样品重量（g）

真空干燥法测水分，一般用于 100 ℃以上容易变质、破坏或不易除去结合水的样品，如糖浆、味精、砂糖、糖果、蜂蜜、果酱和脱水蔬菜等样品都可采用真空干燥法测定水分。

⑶、 红外线干燥法 的工作原理：

红外线检测是根据诸如 OH 与 CH 等基因吸收特定波长的红外线，原理工作的，水份检测是根据水份中的 H 与 O 结合物能够吸收几个特定波长来测量被测物中的水份的。

三、蒸馏法测定水分（迪安—斯达克）

蒸馏发出现在二十世纪初，当时它采用沸腾的有机液体，将样品中水分分离出来，此法直到如今仍在适用。

1 、原理：把不溶于水的有机溶剂和样品放入蒸馏式水分测定装置中加热，试样中的水分与溶剂蒸汽一起蒸发，把这样的蒸汽在冷凝管中冷凝，由水分的容量而得到样品的水分含量。

2 、步骤

准确称 2.00 ～ 5.00 g 样品→于 250 ml 水分测定蒸馏瓶中→加入约 50 ～ 75 ml 有机溶剂→接蒸馏装置→徐徐加热蒸馏→至水分大部分蒸出后→在加快蒸馏速度→至刻度管水量不在增加→读数

计算：

水分=V/W

V —— 刻度管中水层的容量 ml

W —— 样品的重量（g）

3 、常用的有机溶剂及选择依据

常用的有机溶剂有比水清的，也有比水重的。

苯 甲苯 二甲苯       CCl₄

密度    0.88      0.86       0.86        1.59

沸点 80 ℃ 80 ℃ 140 ℃ 76.8 ℃

选择依据：对热不稳定的食品，一般不采用二甲苯，因为它的沸点高，常选用低沸点的有机溶剂，如苯。对于一些含有糖分，可分解释放出水分的样品，如脱水洋葱和脱水大蒜可采用苯，要根据样品的性质来选择有机溶剂。

4 、蒸馏法的优缺点

     ⑴ 热交换充分

优点 ⑵ 受热后发生化学反应比重量法少

⑶ 设备简单，管理方便

⑴ 水与有机溶剂易发生乳化现象

缺点 ⑵ 样品中水分可能*没有挥发出来

⑶ 水分有时附在冷凝管壁上，造成读数误差

对分层不理想，造成读数误差，可加少量戊醇或异丁醇防止出现乳浊液。

这种方法用于测定样品中除水分外，还有大量挥发性物质，例如，醚类、芳香油、挥发酸、 CO₂ 等。目前 AOAC 规定蒸馏法用于饲料、啤酒花、调味品的水分测定，特别是香料，蒸馏法是*的、*的水分检验分析方法。

四：水分活度   Water Activity

水分活度定义：

水是食品的主要组分，水分存在的状态直接影响食品自身的生化过程和周围微生物的繁殖状况，研究食品中水存在的状态有助于理解食品的*程度。水分活度指示食品中水的状态和其他组分的结合程度，是食品稳定性和安全性的重要指标。

食品中的水分，上面我们按其存在状态分为两种；自由水、结合水。不论是自由水或是结合水均以加热至 100 ～ 115 ℃时的减重来定量的。实际上，食品中的水分无论是新鲜的或是干燥的都随环境条件的变动而变化。

如果食品周围环境的空气干燥、湿度低，则水分从食品向空气蒸发，水分逐渐少而干燥，反之，如果环境湿度高，则干燥的食品就会吸湿以至水分增多。总之，不管是吸湿或是干燥zui终到两者平衡为止。通常，我们把此时的水分称为平衡水分（ Equilibrum moisture ）

也就是说，食品中的水分并不是静止的，应该视为活动的状态，所以，我们从食品保藏的角度出发，食品的含水量不用含量（ % ）表示，而用活度表示 A_W 。其定义为食品所显示的水蒸气压 P 对在同一湿度下zui大水蒸气压 P_O 之比。

即 A_W= P /P₀₌R_H/100

P ——食品中水蒸气分压

P₀ ——纯水的蒸气压

R_H ——平衡相对湿度

A_W 反映了食品与水的亲和能力程度，它表示了食品中所含的水分作为微生物化学反应和微生物生长的可用价值。食品的水分活度的高低是不能按其水分含量来考虑的。例如，*生长要求的zui低水分活度为 0.86 ，而相当于这个水分活度的水分含量则随不同的食品而异，如干肉为 23% ，乳粉为 16% ，干燥肉汁为 63% ，所以按水分含量多少难以判断食品的保存性，只有测定和控制水分活度才对于食品保藏性具有重要意义。

水分活度是 指食品中水分存在的状态，即水分与食品结合程度（游离程度）。（ 1 ）水分活度值越高，结合程度越低；水分活度值越低，结合程度越高； （2） 水分活度数值：用 Aw 表示，水分活度值等于用百分率表示的相对湿度，其数值在 0-1 之间。溶液中水的蒸气分压 P 与纯水蒸气压 Q 的比值， Aw=P/Q （3） 水分活度的测试意义： Aw 值对食品保藏具有重要的意义。含有水分的食物等由于其水分活度之不同，其储藏期的稳定性也不同。利用水分活度的测试，反映物质的保质期，已逐渐成为食品，医药，生物制品等行业中检验的重要指标。 （4） 测试方法：水分活度的测定方法有传统的扩散法和 ERH 水分活度测试法等。 ERH 水分活度测试法：通过测试含水物品表面与样品周围环境气体达成平衡状态的特性，进而测试水分活度，该方法为近年来关注的新型理化测试原理。 HBD5MS2100 水分活度测试仪就是应用 ERH 法测试水分活度 Aw 值。

　　水分活度与食品安全性的关系：

　　虽然在食物冻结后不能用水分活度来预测食物的安全性，但在未冻结时，食物的安全性确实与食物的水分活度有着密切的关系。水分活度是确定贮藏期限的一个重要因素。当温度、酸碱度和其他几个因素影响产品中的微生物快速生长的时候，水分活度可以说是控制*zui重要的因素。总的趋势是，水分活度越小的食物越稳定，较少出现*变质现象。具体来说水分活度与食物的安全性的关系可从以下按个方面进行阐述：

a 从微生物活动与食物水分活度的关系来看：各类微生物生长都需要一定的水分活度，换句话说，只有食物的水分活度大于某一临界值时，特定的微生物才能生长。一般说来，细菌为 aw>0.9 ，酵母为 aw>0.87 ，霉菌为 aw>0.8 。一些耐渗透压微生物除外。

b 从酶促反应与食物水分活度的关系来看：水分活度对酶促反应的影响是两个方面的综合，一方面影响酶促反应的底物的可移动性，另一方面影响酶的构象。食品体系中大多数的酶类物质在水分活度小于 0.85 时，活性大幅度降低，如*、酚氧化酶和多酚氧化酶等。

　　但也有一些酶例外，如酯酶在水分活度为 0.3 甚至 0.1 时也能引起甘油三酯或甘油二酯的水解。

c 从水分活度与非酶反应的关系来看：脂质氧化作用：在水分活度较低时食品中的水与氢过氧化物结合而使其不容易产生氧自由基而导致链氧化的结束，当水分活度大于 0.4 水分活度的增加增大了食物中氧气的溶解。加速了氧化，而当水分活度大于 0.8 反应物被稀释，

①目测法 ② 电量法

　　氧化作用降低。 Maillard 反应：水分活度大于 0.7 时底物被稀释。水解反应：水分是水解反应的反应物，所以随着水分活度的增大，水解反应的速度不断增大。

①卡氏容量法 ② 卡氏库仑法

二：

卡尔—费休化学方法

1 ．1935年卡尔-费休（KarlFischer）首先提出了利用容量分析测定水分的方法，这种方法即是GB6283《化工产品中水分含量的测定》中的目测法。目测法只能测定无色液体物质的水分。后来，又发展为电量法。随着科技的发展，继而又将库仑计与容量法结合起来推出库仑法。这种方法即是GB7600《运行中变压器油水分含量测定法（库仑法）》中的测试方法。现在的分类目测法和电量法统称为容量法。卡氏方法分为卡氏容量法和卡氏库仑法两大方法。两种方法都被许多国家定为标准分析方法，用来校正其他分析方法和测量仪器。

2 ．卡氏库仑法测定水分是一种电化学方法。其原理是仪器的电解池中的卡氏试剂达到平衡时注入含水的样品，水参与碘、二氧化硫的氧化还原反应，在吡啶和甲醇存在的情况下，生成氢碘酸吡啶和甲基硫酸吡啶，消耗了的碘在阳极电解产生，从而使氧化还原反应不断进行，直至水分全部耗尽为止，依据法拉第电解定律，电解产生碘是同电解时耗用的电量成正比例关系的，其反应如下：

H₂O+I₂+SO₂+3C ₅H₅N→2C ₅H₅N·HI+C₅H₅N·SO₃

C₅H₅N·SO₃+CH₃OH→C₅H₅N·HSO₄CH₃

在电解过程中，电极反应如下：

阳极：2I^--2e→I₂

阴极：I₂+2e→2I^- 2H⁺+2e→H₂↑

从以上反应中可以看出，即1摩尔的碘氧化1摩尔的二氧化硫，需要1摩尔的水。所以是1摩尔碘与1摩尔水的当量反应，即电解碘的电量相当于电解水的电量，电解1摩尔碘需要2×96493库仑电量，电解1毫摩尔水需要电量为96493毫库仑电量。

样品中水分含量按（1）式计算：

，即

式中：W——样品中的水分含量，μg；

*，卡尔费休法是测定各种物质中微量水分的一种方法，这种方法自从 1935 年由卡尔费休提出后，一直采用 I₂ 、 SO₂ 、吡啶、无水 CH₃OH （含水量在 0.05% 以下）配制而成，并且标准化组织把这个方法定为标准测微量水分，我们国家也把这个方法定为国家标准测微量水分。

1 、原理：在水存在时，即样品中的水与卡尔费休试剂中的 SO₂ 与 I₂ 产生氧化还原反应。

   I₂ + SO₂ + 2H₂O →     2HI + H₂SO₄

⑴ 、卡尔费休库仑法类仪器， 常用来测定气体中所含水分。此法操作简便，应答迅速，特别适用于测定气体中的痕量水分。如果用一般的化学方法测定，则是非常因难的 事情。但电解法不宜用于碱性物质或共轭双烯烃的测定。

2 、卡尔费休库仑法类仪器，主要原理：利用化学反应后电导率变化计算，结构复杂，体积较大，测定度zui高，适合水分含量在100PPm以下的测定。它一般用于阴离子聚合等对水分有非常严格要求的化工、医药等行业产品测定，或用于多频次的大型彩印厂使用，价格较贵。

3 、卡尔-费休容量法，结构比较简单，体积和度适中，适合水分含量10PPm～100%的测定，一般用于对水分有严格要求的化工、医药和包装等行业产品测定，价格从数千元到数万元不等。

对于一般软包装行业，在测定乙酸乙酯等溶剂的水分含量时，使用卡尔-费休容量法水分测定仪*可以满足每日2～10次测定的要求，且经济性比较好。

第二步：容量法与库仑法的区别

卡尔-费休容量法水分测定的测定原理：

卡尔-费休容量法测定水分含量时，主要依据电化学反应：I₂ ＋2eó2I^-

在反应池的溶液中同时存在I₂ 和I^- 时，该反应在电极的正负两端同时进行，即在一个电极上I₂ 被还原，而在另一个电极上I^- 被氧化，因此在两个电极之间有电流通过。如果溶液中只有I^- 而无I₂ 同时存在，则两个电极间没有电流通过。

卡尔-费休试剂中含有效成分吡啶和碘等物质，把其计量滴入反应池，能与待测溶液中的水发生如下化学反应：
H₂O＋SO₂ ＋I₂ ＋3C₅H₅N→2C₅H₅N·HI＋C₅H₅N· SO₃
C₅H₅N·SO₃+CH₃OH→C₅H₅N· HSO₄CH₃
C₅H₅N·HI→C₅H₅N·H⁺+ I^-

该反应持续进行，不断消耗水，生成I^- ，一直到反应滴定终点，水分消耗完毕。这时，溶液有微量未发生反应的卡尔费休试剂存在，才能发生I₂ 和I^- 同时存在的情况，两个铂电极之间的溶液开始导电，由电流指示达到终点，停止滴定。从而通过计量已消耗的卡尔费休试剂体积（容量）来标定溶液中的水分含量。

卡尔费休库仑法（电量法）的测定原理

电量法，是基于将试样溶于含有一定碘的特殊溶剂的电解液后，水即消耗碘，但所需的碘不再是用已标定过的含碘试剂去进行滴定，而是通过电解过程，使溶液中的碘离子在阳极氧化为碘：2I^- —2e ─→I₂

所产生的碘又与样品中的水反应。其终点用双铂电极指示。当电解液中碘浓度恢复到原定浓度时，停止电解。然后根据法拉第电解定律：

计算出待测试样的水分含量。