Food Science Text Series
John M. deMan
John W. Finley
W. Jeffrey Hurst
Chang Yong Lee
Principles of
Food Chemistry
Fourth Edition
Food Science Text Series
Series Editor
Dennis R. Heldman, Professor, Department of Food, Agricultural, and
Biological Engineering, The Ohio State University
Editorial Board
John Coupland, Professor of Food Science, Department of Food Science,
Penn State University
Mario Ferruzzi, Professor of Food Science and Nutrition, Department of
Food Bioprocessing and Nutrition, North Carolina State.
Richard W. Hartel, Professor of Food Engineering, Department of Food
Science, University of Wisconsin
Rubén Morawicki, Assistant Professor of Food Science, Department of Food
Science, Universisty of Arkansas
S. Suzanne Nielsen, Professor and Chair, Department of Food Science, Purdue
University
Juan L. Silva, Professor, Department of Food Science, Nutrition and Health
Promotion, Mississippi State University
The Food Science Text Series provides faculty with the leading teaching tools.
The Editorial Board has outlined the most appropriate and complete content
for each food science course in a typical food science program and has
identified textbooks of the highest quality, written by the leading food science
educators.
More information about this series at />
John M. deMan • John W. Finley
W. Jeffrey Hurst • Chang Yong Lee
Principles of Food
Chemistry
Fourth Edition
John M. deMan (Deceased)
Department of Food Science
University of Guelph
Guelph, ON, Canada
W. Jeffrey Hurst
The Hershey Company Technical Center
Hershey, PA, USA
John W. Finley
Louisiana State University
Lakewood Ranch, FL, USA
Chang Yong Lee
Department of Food Science
Cornell University
Ithaca, NY, USA
ISSN 1572-0330 ISSN 2214-7799 (electronic)
Food Science Text Series
ISBN 978-3-319-63605-4 ISBN 978-3-319-63607-8 (eBook)
/>Library of Congress Control Number: 2017956195
1st edition: © AVI 1980
2nd edition: © AVI 1989
© Springer International Publishing AG 1999, 2018
This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or
part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of
illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way,
and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software,
or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed.
The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this
publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are
exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use.
The publisher, the authors and the editors are safe to assume that the advice and information in
this book are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor
the authors or the editors give a warranty, express or implied, with respect to the material
contained herein or for any errors or omissions that may have been made. The publisher remains
neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Printed on acid-free paper
This Springer imprint is published by Springer Nature
The registered company is Springer International Publishing AG
The registered company address is: Gewerbestrasse 11, 6330 Cham, Switzerland
Preface
This book was designed to serve as an introductory text for courses in food
chemistry as part of food science programs meeting the Institute of Food
Technologists standards. The original concept for the preparation of this book
was to present basic information on the composition of foods and the chemical
and physical characteristics they undergo during processing, storage, and handling. The basic principles of food chemistry remain the same, but much additional research carried out in recent years has expanded and in some cases
refined our knowledge. As with the third edition we have refined and expanded
the material in all chapters. Because of the rapidly growing interest we have
added chapters on transgenic crops as well as a chapter on beer and wine production. We felt the transgenic crop chapter was important so that students
have a basic understanding of the technology and how it has evolved over the
last 10,000 years. The chapter on beer and wine production is included to help
the students appreciate the science behind fermented beverages. This knowledge will be valuable because the opportunities for food scientists in those
areas are growing exponentially. In the area of water as a food component, the
issue of the glass transition has received much attention. This demonstrates the
important role of water in food properties. Carbohydrates and lipids are of
major sources of food energy and are of major interest for their functional and
nutritional properties in obesity and diabetes. Understanding how to the che
mistry of these ingredients will help food scientists better formulate new nutritionally superior foods in the future. Our understanding of the functionality of
proteins expands with increasing knowledge about their composition and
structure. Carbohydrates serve many functions in foods, and the non-caloric
dietary fiber has assumed an important role.
Color, flavor, and texture are important attributes of food quality, and in
these areas, especially those of flavor and texture, great advances have been
made in recent years. There is concern among consumers about the safety of
additives including colors and flavors. We have also included a section on
natural toxicants as well as ingredients that can cause adverse effects. It is
important to realize that many components in foods can be harmful or safe
depending on the concentrations in the foods. Enzymes are playing an ever
increasing part in the production and transformation of foods. Modern methods of biotechnology have produced a gamut of enzymes with new and
improved properties.
In the literature, information is found using different systems of units:
metric, SI, and the English system. Quotations from the literature are
v
Preface
vi
p resented in their original form. It would be difficult to change all these units
in the book to one system. To assist the reader in converting these units, an
appendix is provided with conversion factors for all units found in the text.
It is hoped that this fourth edition will continue to fulfill the need for a
concise and relevant text for the teaching of food chemistry. We hope that this
edition will serve as a memorial to the enormous contributions of John deMan
and continue to provide teaching and reference material of value.
Guelph, ON
Lakewood Ranch, FL
Hershey, PA
Ithaca, NY
John M. deMan
John W. Finley
W. Jeffrey Hurst
Chang Yong Lee
Contents
1Water�������������������������������������������������������������������������������������������� 1
Yrjo H. Roos, John W. Finley, and John M. deMan
Water in Foods ������������������������������������������������������������������������������ 1
Physical Properties of Water and Ice �������������������������������������������� 1
Structure of the Water Molecule���������������������������������������������������� 4
Structure of Ice������������������������������������������������������������������������������ 6
Growth of Ice Crystals ������������������������������������������������������������������ 7
Latent Heat of Fusion�������������������������������������������������������������������� 7
Solidification Without Crystallization�������������������������������������������� 8
Surface Tension of Water �������������������������������������������������������������� 10
Examples of Surface Tension���������������������������������������������������� 11
Colligative Properties of Aqueous Solutions �������������������������������� 11
Freezing Point Depression �������������������������������������������������������� 11
Boiling Point Elevation�������������������������������������������������������������� 12
Osmotic Pressure ���������������������������������������������������������������������� 12
Vapor Pressure Lowering ���������������������������������������������������������� 12
Ionic Interactions Are Attractions Between Oppositely
Charged Ions������������������������������������������������������������������������������ 13
Properties of Hydrogen Bonds������������������������������������������������������ 15
Hydrophobic Interactions�������������������������������������������������������������� 16
Water Activity and Sorption Phenomena �������������������������������������� 17
Types of Water ������������������������������������������������������������������������������ 24
Phase Diagram ������������������������������������������������������������������������������ 26
The Glass Transition���������������������������������������������������������������������� 27
Water Activity and Reaction Rate�������������������������������������������������� 30
Water Activity and Food Spoilage ������������������������������������������������ 30
Water Activity and Packaging�������������������������������������������������������� 33
Water Activity and Food Processing���������������������������������������������� 34
References�������������������������������������������������������������������������������������� 35
2Lipids�������������������������������������������������������������������������������������������� 39
John W. Finley and John M. deMan
Shorthand Description of Fatty Acids and Glycerides������������������ 40
Fatty Acids ������������������������������������������������������������������������������������ 43
Lipid Nomenclature ������������������������������������������������������������������ 43
Cis and trans Fatty Acids ���������������������������������������������������������� 44
vii
Contents
viii
Triglycerides���������������������������������������������������������������������������������� 48
Component Glycerides������������������������������������������������������������������ 53
Waxes ���������������������������������������������������������������������������������������� 58
Phospholipids���������������������������������������������������������������������������� 60
Unsaponifiables������������������������������������������������������������������������������ 63
Terpenes ������������������������������������������������������������������������������������ 63
Steroids������������������������������������������������������������������������������������������ 63
Phytosterols������������������������������������������������������������������������������������ 66
Lipid Reactions������������������������������������������������������������������������������ 68
Fatty Acid Salts�������������������������������������������������������������������������� 68
Hydrolysis���������������������������������������������������������������������������������� 68
Interesterification ���������������������������������������������������������������������� 68
Hydrogenation�������������������������������������������������������������������������������� 72
Lipid Oxidation������������������������������������������������������������������������������ 78
Initiation������������������������������������������������������������������������������������ 79
Propagation�������������������������������������������������������������������������������� 79
Termination�������������������������������������������������������������������������������� 79
Photooxidation ������������������������������������������������������������������������������ 88
Heated Fats: Frying������������������������������������������������������������������������ 90
Flavor Reversion���������������������������������������������������������������������������� 93
Physical Properties������������������������������������������������������������������������ 95
Fractionation���������������������������������������������������������������������������������� 105
Emulsions and Emulsifiers������������������������������������������������������������ 106
Fat Replacers���������������������������������������������������������������������������������� 110
References�������������������������������������������������������������������������������������� 113
3Amino Acids and Proteins ���������������������������������������������������������� 117
Michael Appell, W. Jeffrey Hurst, John W. Finley,
and John M. deMan
Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 117
Amino Acids���������������������������������������������������������������������������������� 117
Peptides and Proteins �������������������������������������������������������������������� 118
Protein Classification �������������������������������������������������������������������� 120
Simple Proteins�������������������������������������������������������������������������� 120
Conjugated Proteins ������������������������������������������������������������������ 123
Derived Proteins������������������������������������������������������������������������ 123
Protein Structure���������������������������������������������������������������������������� 123
Denaturation���������������������������������������������������������������������������������� 125
Non-enzymic Browning���������������������������������������������������������������� 127
Chemical Changes ������������������������������������������������������������������������ 136
Functional Properties �������������������������������������������������������������������� 139
Surface Activity of Proteins ������������������������������������������������������ 140
Gel Formation���������������������������������������������������������������������������� 142
Animal Proteins ���������������������������������������������������������������������������� 142
Milk Proteins������������������������������������������������������������������������������ 142
Meat Proteins �������������������������������������������������������������������������������� 147
Meromysin �������������������������������������������������������������������������������� 147
Contents
ix
Collagen ���������������������������������������������������������������������������������������� 149
Fish Proteins������������������������������������������������������������������������������ 152
Egg Proteins ���������������������������������������������������������������������������������� 153
Plant Proteins �������������������������������������������������������������������������������� 154
Wheat Proteins �������������������������������������������������������������������������� 154
Maize Proteins ������������������������������������������������������������������������������ 156
Rice Proteins���������������������������������������������������������������������������������� 157
Soybean Proteins���������������������������������������������������������������������������� 158
Gluten Sensitivity�������������������������������������������������������������������������� 161
Test Methods������������������������������������������������������������������������������ 161
References�������������������������������������������������������������������������������������� 162
4Carbohydrates������������������������������������������������������������������������������ 165
Gillian Eggleston, John W. Finley, and John M. deMan
Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 165
Monosaccharides���������������������������������������������������������������������������� 166
Related Compounds to Monosaccharides�������������������������������������� 171
Amino Sugars���������������������������������������������������������������������������� 171
Glycosides���������������������������������������������������������������������������������� 172
Sugar Alcohols �������������������������������������������������������������������������� 172
Oligosaccharides���������������������������������������������������������������������������� 175
Disaccharides ���������������������������������������������������������������������������� 175
Chemical Reactions of Sugars �������������������������������������������������� 179
Compounds Related to Sugars �������������������������������������������������� 191
Polysaccharides������������������������������������������������������������������������������ 191
Starch ���������������������������������������������������������������������������������������� 192
Starch Degrading Enzymes�������������������������������������������������������� 200
High Fructose Corn Syrup (HFCS)�������������������������������������������� 201
Starch Hydrolyzates: Corn Sweeteners�������������������������������������� 202
Modified Starches���������������������������������������������������������������������� 202
Glycogen������������������������������������������������������������������������������������ 207
Cellulose������������������������������������������������������������������������������������ 209
Pentosans/Hemicelluloses���������������������������������������������������������� 210
Lignin���������������������������������������������������������������������������������������� 211
Cyclodextrins ���������������������������������������������������������������������������� 212
Polydextrose������������������������������������������������������������������������������ 214
Pectins���������������������������������������������������������������������������������������� 215
Gums������������������������������������������������������������������������������������������ 216
Dietary Fiber������������������������������������������������������������������������������ 222
References�������������������������������������������������������������������������������������� 226
5Minerals���������������������������������������������������������������������������������������� 231
John W. Finley and John M. deMan
Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 231
Interactions with Other Food Components�������������������������������� 236
Major Minerals������������������������������������������������������������������������������ 237
Sodium �������������������������������������������������������������������������������������� 237
Potassium ���������������������������������������������������������������������������������� 237
Magnesium�������������������������������������������������������������������������������� 238
Contents
x
Calcium�������������������������������������������������������������������������������������� 238
Phosphates���������������������������������������������������������������������������������� 238
Minerals in Milk������������������������������������������������������������������������ 239
Minerals in Meat������������������������������������������������������������������������ 241
Minerals in Plant Products �������������������������������������������������������� 242
Chloride�������������������������������������������������������������������������������������� 243
Trace Elements������������������������������������������������������������������������������ 244
Iron�������������������������������������������������������������������������������������������� 244
Cobalt���������������������������������������������������������������������������������������� 245
Copper���������������������������������������������������������������������������������������� 245
Zinc�������������������������������������������������������������������������������������������� 245
Manganese �������������������������������������������������������������������������������� 245
Molybdenum������������������������������������������������������������������������������ 246
Selenium������������������������������������������������������������������������������������ 246
Fluorine�������������������������������������������������������������������������������������� 246
Iodine ���������������������������������������������������������������������������������������� 246
Chromium���������������������������������������������������������������������������������� 246
Additional Information on Trace Elements�������������������������������� 247
Metal Uptake in Canned Foods������������������������������������������������������ 247
References�������������������������������������������������������������������������������������� 250
6Color and Food Colorants���������������������������������������������������������� 253
John W. Finley, John M. deMan, and Chang Yong Lee
Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 253
CIE System������������������������������������������������������������������������������������ 253
Munsell System������������������������������������������������������������������������������ 258
Hunter System�������������������������������������������������������������������������������� 260
Lovibond System �������������������������������������������������������������������������� 261
Gloss���������������������������������������������������������������������������������������������� 262
Food Colorants������������������������������������������������������������������������������ 262
Certified (Synthetic) Color�������������������������������������������������������� 263
Colors Exempt from Certification (Natural)������������������������������ 263
Tetrapyrrole Pigments�������������������������������������������������������������������� 266
Myoglobins�������������������������������������������������������������������������������� 266
Chlorophylls������������������������������������������������������������������������������ 268
Isoprenoid Derivative Pigments ���������������������������������������������������� 270
Carotenoids�������������������������������������������������������������������������������� 270
Benzopyran Derivative Pigments�������������������������������������������������� 276
Anthocyanins and Flavonoids���������������������������������������������������� 276
Other Pigments������������������������������������������������������������������������������ 281
Betalains������������������������������������������������������������������������������������ 281
References�������������������������������������������������������������������������������������� 283
7Flavor�������������������������������������������������������������������������������������������� 285
Han-Seok Seo, John W. Finley, and John M. deMan
Taste Sensations ���������������������������������������������������������������������������� 290
Chemical Structure and Taste�������������������������������������������������������� 290
Sweet Taste������������������������������������������������������������������������������������ 293
Sour Taste�������������������������������������������������������������������������������������� 294
Contents
xi
Salty Taste�������������������������������������������������������������������������������������� 295
Bitter Taste ������������������������������������������������������������������������������������ 298
Other Aspects of Taste ������������������������������������������������������������������ 301
Taste Inhibition and Modification�������������������������������������������������� 303
Flavor Enhancement—Umami������������������������������������������������������ 304
Odor ���������������������������������������������������������������������������������������������� 306
Odor and Molecular Structure ������������������������������������������������������ 310
Description of Food and Beverage Flavors������������������������������������ 314
Astringency������������������������������������������������������������������������������������ 316
Flavor and Off-Flavor�������������������������������������������������������������������� 317
Flavor of Some Foods�������������������������������������������������������������������� 319
Bread������������������������������������������������������������������������������������������ 319
Meat ������������������������������������������������������������������������������������������ 320
Fish�������������������������������������������������������������������������������������������� 320
Milk�������������������������������������������������������������������������������������������� 321
Cheese���������������������������������������������������������������������������������������� 321
Fruits������������������������������������������������������������������������������������������ 322
Vegetables���������������������������������������������������������������������������������� 322
Tea���������������������������������������������������������������������������������������������� 322
Coffee���������������������������������������������������������������������������������������� 323
Alcoholic Beverages������������������������������������������������������������������ 324
References�������������������������������������������������������������������������������������� 325
8Texture������������������������������������������������������������������������������������������ 329
Harry Levine and John W. Finley
Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 329
Fluids��������������������������������������������������������������������������������������������� 330
Texture of Solids���������������������������������������������������������������������������� 333
Texture Profile�������������������������������������������������������������������������������� 334
Measurement of Texture���������������������������������������������������������������� 335
Force and Stress ������������������������������������������������������������������������ 336
Deformation and Strain�������������������������������������������������������������� 336
Principles of Measurement�������������������������������������������������������� 337
Different Types of Bodies�������������������������������������������������������������� 337
The Elastic Body������������������������������������������������������������������������ 337
The Retarded Elastic Body�������������������������������������������������������� 338
The Viscous Body���������������������������������������������������������������������� 338
The Viscoelastic Body���������������������������������������������������������������� 338
The Plastic Body������������������������������������������������������������������������ 339
The Thixotropic Body���������������������������������������������������������������� 341
Dynamic Behavior �������������������������������������������������������������������� 341
Rheology Applications in Foods���������������������������������������������������� 342
Textural Properties of some Foods������������������������������������������������ 348
Meat Texture������������������������������������������������������������������������������ 348
Wheat Flour Dough�������������������������������������������������������������������� 349
Fats�������������������������������������������������������������������������������������������� 350
Fruits and Vegetables ���������������������������������������������������������������� 353
Starch ���������������������������������������������������������������������������������������� 353
Contents
xii
Microstructure�������������������������������������������������������������������������������� 355
Water Activity and Texture������������������������������������������������������������ 359
References�������������������������������������������������������������������������������������� 361
9Vitamins���������������������������������������������������������������������������������������� 365
John W. Finley and John M. deMan
Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 365
Fat-Soluble Vitamins���������������������������������������������������������������������� 367
Vitamin A (Retinol)�������������������������������������������������������������������� 367
Vitamin D���������������������������������������������������������������������������������� 372
Tocopherols (Vitamin E)������������������������������������������������������������ 372
Vitamin K���������������������������������������������������������������������������������� 378
Water-Soluble Vitamins ���������������������������������������������������������������� 378
Vitamin C (L-Ascorbic Acid)���������������������������������������������������� 378
Vitamin B1 (Thiamin)���������������������������������������������������������������� 382
Vitamin B2 (Riboflavin) ������������������������������������������������������������ 383
Vitamin B6 (Pyridoxine)������������������������������������������������������������ 385
Niacin���������������������������������������������������������������������������������������� 386
Vitamin B12 (Cyanocobalamine)������������������������������������������������ 388
Folic Acid (Folacin) ������������������������������������������������������������������ 389
Pantothenic Acid������������������������������������������������������������������������ 391
Biotin����������������������������������������������������������������������������������������� 391
Vitamins as Food Ingredients�������������������������������������������������������� 392
References�������������������������������������������������������������������������������������� 394
10Enzymes���������������������������������������������������������������������������������������� 397
John M. deMan and Chang Yong Lee
Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 397
Nature and Kinetics of Enzymes���������������������������������������������������� 400
Nature of Enzymes�������������������������������������������������������������������� 400
Kinetics of Enzymes������������������������������������������������������������������ 400
Specificity���������������������������������������������������������������������������������� 404
Classification���������������������������������������������������������������������������������� 405
Enzyme Production������������������������������������������������������������������������ 405
Hydrolases�������������������������������������������������������������������������������������� 405
Esterases������������������������������������������������������������������������������������ 405
Amylases������������������������������������������������������������������������������������ 411
Pectic Enzymes�������������������������������������������������������������������������� 413
Proteases������������������������������������������������������������������������������������ 415
Protein Hydrolysates������������������������������������������������������������������ 419
Oxidoreductases���������������������������������������������������������������������������� 421
Phenolases���������������������������������������������������������������������������������� 421
Glucose Oxidase (β-d-Glucose: Oxygen Oxidoreductase)�������� 423
Catalase (Hydrogen Peroxide: Hydrogen Peroxide
Oxidoreductase) �������������������������������������������������������������������� 423
Peroxidase (Donor: Hydrogen Peroxide Oxidoreductase)�������� 424
Contents
xiii
Lipoxygenase (Linoleate: Oxygen Oxidoreductase) ���������������� 426
Xanthine Oxidase (Xanthine: Oxygen Oxidoreductase)������������ 427
Immobilized Enzymes ������������������������������������������������������������������ 429
References�������������������������������������������������������������������������������������� 432
11Fruits and Vegetables������������������������������������������������������������������ 435
Chang Yong Lee
Major and Minor Components������������������������������������������������������ 435
Water���������������������������������������������������������������������������������������������� 435
Carbohydrates�������������������������������������������������������������������������������� 436
Proteins and Nitrogenous Compounds������������������������������������������ 438
Lipids �������������������������������������������������������������������������������������������� 438
Minor Composition������������������������������������������������������������������������ 438
Organic Acids���������������������������������������������������������������������������� 438
Phenolic Compounds ���������������������������������������������������������������� 441
Minerals ������������������������������������������������������������������������������������ 443
Pigments������������������������������������������������������������������������������������ 444
Postharvest Deterioration�������������������������������������������������������������� 445
Cellular Components and Physiology of Fruits
and Vegetables�������������������������������������������������������������������������������� 446
Respiration �������������������������������������������������������������������������������� 447
Environmental Factors that Influence Deterioration������������������ 448
Effects of Processing on Fruits and Vegetables ���������������������������� 448
Carbohydrate Reactions ������������������������������������������������������������ 449
Protein Reactions ���������������������������������������������������������������������� 449
Lipid Reactions�������������������������������������������������������������������������� 450
Color Change ���������������������������������������������������������������������������� 450
Flavor Change���������������������������������������������������������������������������� 451
Texture Change�������������������������������������������������������������������������� 452
Nutrient Loss������������������������������������������������������������������������������ 452
Dehydration of Fruits and Vegetables�������������������������������������������� 453
Canning of Fruits and Vegetables�������������������������������������������������� 454
Freezing of Fruits and Vegetables�������������������������������������������������� 454
Lactic Acid Fermentation�������������������������������������������������������������� 454
References�������������������������������������������������������������������������������������� 455
12Herbs and Spices�������������������������������������������������������������������������� 457
Zhuohong Xie and John W. Finley
Black Pepper���������������������������������������������������������������������������������� 463
Vanilla�������������������������������������������������������������������������������������������� 464
Cardamom�������������������������������������������������������������������������������������� 468
Ginger�������������������������������������������������������������������������������������������� 469
Turmeric���������������������������������������������������������������������������������������� 471
Cinnamon�������������������������������������������������������������������������������������� 473
Ginseng������������������������������������������������������������������������������������������ 477
Ginkgo�������������������������������������������������������������������������������������������� 478
Food Fraud Risks �������������������������������������������������������������������������� 478
References�������������������������������������������������������������������������������������� 478
xiv
13Beer and Wine������������������������������������������������������������������������������ 483
John W. Finley
Alcoholic Fermentation ���������������������������������������������������������������� 484
Beer������������������������������������������������������������������������������������������������ 486
Raw Materials���������������������������������������������������������������������������� 488
Hops ���������������������������������������������������������������������������������������������� 489
Yeast���������������������������������������������������������������������������������������������� 493
Wine ���������������������������������������������������������������������������������������������� 495
Wine Grape Production�������������������������������������������������������������� 496
Wine Production������������������������������������������������������������������������ 498
References�������������������������������������������������������������������������������������� 506
14Genetically Modified Crops�������������������������������������������������������� 511
W. Jeffrey Hurst and John W. Finley
Applications of Genetically Modified Crops �������������������������������� 518
Testing�������������������������������������������������������������������������������������������� 521
Regulation�������������������������������������������������������������������������������������� 522
Future Challenges�������������������������������������������������������������������������� 522
GMO Dictionary������������������������������������������������������������������������ 523
Flour������������������������������������������������������������������������������������������ 525
References�������������������������������������������������������������������������������������� 526
15Additives and Contaminants������������������������������������������������������ 527
W. Jeffrey Hurst, John W. Finley and John M. deMan
Introduction������������������������������������������������������������������������������������ 527
Food Toxins������������������������������������������������������������������������������������ 527
Food Additives ������������������������������������������������������������������������������ 531
Benzoic Acid������������������������������������������������������������������������������ 533
Parabens ������������������������������������������������������������������������������������ 533
Sorbic Acid�������������������������������������������������������������������������������� 536
Sulfites��������������������������������������������������������������������������������������� 536
Nitrates and Nitrites ������������������������������������������������������������������ 538
Hydrogen Peroxide�������������������������������������������������������������������� 539
Sodium Chloride������������������������������������������������������������������������ 539
Bacteriocins�������������������������������������������������������������������������������� 540
Antioxidants������������������������������������������������������������������������������ 540
Emulsifiers �������������������������������������������������������������������������������� 542
Bread Improvers������������������������������������������������������������������������ 543
Incidental Additives or Contaminants�������������������������������������������� 549
Pesticides������������������������������������������������������������������������������������ 549
Dioxin���������������������������������������������������������������������������������������� 551
Polychlorinated Biphenyls (PCBs)�������������������������������������������� 552
Antibiotics���������������������������������������������������������������������������������� 555
Trace Metals������������������������������������������������������������������������������ 556
Mercury�������������������������������������������������������������������������������������� 556
Lead and Tin������������������������������������������������������������������������������ 559
Contents
Contents
xv
Cadmium������������������������������������������������������������������������������������ 560
Arsenic �������������������������������������������������������������������������������������� 560
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs)������������������������������ 560
Caffeine�������������������������������������������������������������������������������������� 562
References�������������������������������������������������������������������������������������� 563
Appendix A: Moisture Analysis���������������������������������������������������������� 567
Appendix B: Units and Conversion Factors�������������������������������������� 573
Appendix C: Greek Alphabet�������������������������������������������������������������� 575
Index������������������������������������������������������������������������������������������������������ 577
About the Editors
John M. deMan (1926–2010) was a University Professor Emeritus in the
Department of Food Science at the University of Guelph, Ontario, Canada.
He was the Chairman of the Department and Past President of the Canadian
Institute of Food Science and Technology. He published over 250 papers and
book chapters on multiple aspects of food science and technology. He
received many professional awards, including the Dairy Research Award of
the American Dairy Science Association, the Institute Award of the Canadian
Institute of Food Science and Technology, the Alton E. Bailey Award of the
American Oil Chemist Society, the Stephen S. Chang Award of the Institute
of Food Technologists, and the Kaufmann Memorial Award of the International
Society of Fat Research. He was a Fellow of the Institute of Food Technologists,
the Canadian Institute of Food Science and Technology, and the Malaysian
Oil Science and Technology Association.
John W. Finley received a B.S. in Chemistry from LeMoyne College and a
Ph.D. from Cornell University. Dr. Finley retired from Louisiana State
University where he was head of the Food Science program from 2007 to
2014. His laboratory studied low calorie ingredients, anti-inflammatory compounds in the diet, modified nutritional lipids, and edible fiber. Previously he
headed Fundamental Science at Nabisco, was a Fellow at Kraft Food, served
as chief technology officer of A.M. Todd Co. and the leader of the Food
Science program at Monsanto, and Research Scientist with the USDA
Regional Research Center.
Dr. Finley is a Fellow of the American Chemical Society, Fellow of
Agricultural and Food Division of the American Chemical Society, Fellow of
the Royal Society of Chemistry, Fellow of the Institute of Food Technologists,
and Certified Food Technologist by Fellow Institute of Food Technologists. He
was recognized as an Outstanding Alumnus of Michigan State University.
Other awards include Harris Distinguished lecturer at the Ohio State University
and a Leadership Award at Nabisco, and his memberships include Sigma Xi at
Michigan State University and Phi Kappa Phi at Cornell University.
Dr. Finley has edited 8 books, holds 70 patents, and 135 publications.
W. Jeffrey Hurst retired from the Hershey Company as Principal Scientist
after being with the corporation for over 39 years. His research focused on
monitoring new developments in measurement technology as they apply to
food systems and the review of new and emerging compounds important to
xvii
xviii
the food industry. He is a member of the American Chemical Society, the
Institute of Food Technologist. He is a member of the American Society of
Mass Spectrometry and Fellow of the American Institute of Chemists (FAIC).
Furthermore, he was named a Fellow of the AOAC, a Pioneer in Laboratory
Robotics, and is a Diplomate of the American Association Integrated
Medicine. Dr. Hurst was a member of the US Air Force and retired as a Major.
He also serves as a member of the External Advisory Board of the University
of Illinois at Chicago NIH bv Botanical Center. This book will be the tenth
one that he has edited or written. He was founding editor of Lab Robotics
Automation and Seminars in Food Analysis. He has numerous patents with
over 300 papers and presentations.
Chang Yong Lee received a B.S. in Chemistry from Chung-Ang University
in Seoul, Korea, and a Ph.D. from Utah State University. He has been working as a faculty member at Cornell University since 1969. Professor Lee has
been teaching food chemistry for a number of years in the Department of
Food Science. His research interests have been on biochemical aspects of
plant foods. Recently his laboratory has been working on the bioactivity of
phytochemicals that is related to health benefits. He served as Chair of the
Department of Food Science and Technology and Co-director of Cornell
Institute of Food Science (2002–2008). Dr. Lee has held visiting professor
appointments at several institutions, including Korea Institute of Science and
Technology; Inter-American Institute of Agricultural Science at EMBRAPA,
Brazil; Institut National de la Recherche Agronomique, Avignon, France;
Beijing Vegetable Research Center, China; Ecole Nationale Superieure
des Industries Agricoles et Alimentaire, France; Graduate School of
Biotechnology, Korea University; and Kyung Hee University, Korea.
Professor Lee has authored more than 300 research articles. He was a
recipient of Platinum Award on his edited books on polyphenols from the
American Chemical Society’s Division of Agricultural and Food Chemistry.
Journal of Agricultural and Food Chemistry and the Institute for Scientific
Information (ISI) acknowledged Professor Lee as one of the Highly Cited
Researchers (HCR) in 2004. Thomson Reuters selected him as one of 112
scientists in the world in the field of Agricultural Science during 2002–2012
who published the greatest number of highly cited papers ranked in the top
1% by citations. Again in 2015, Thomson Reuters listed Lee as one of the
World’s Most Influential Scientific Minds in Agricultural Science. Professor
Lee was awarded USDA Secretary’s Honor Award for Excellence in Research
in 2001 and 2004, and Babcock-Hart Award from the International Life
Science Institute and the Institute of Food Technologists in 2003. He is
elected Fellow of the American Chemical Society’s Division of Agriculture
and Food Chemistry (1991), the Institute of Food Technologists (1996), the
Korean Academy of Science and Technology (1998), and International
Academy of Food Science and Technology (2006). He was appointed as
International Scholar (2011–2014) at Kyung Hee University in Korea and
recently (2014–present) he has been serving as Adjunct Distinguished
Professor at King Abdulaziz University, Saudi Arabia.
About the Editors
1
Water
Yrjo H. Roos, John W. Finley, and John M. deMan
Water in Foods
Water has a chemical formula of H2O which represents two hydrogen atoms covalently bound to
one oxygen atom. Water is an odorless, tasteless
and transparent liquid at room temperature. It
appears colorless in small quantities although in
larger bodies there is an inherent blue hue. Ice
and water vapor are also colorless, although ice
under pressure as in glaciers exerts a range of
blue colors.
Water is the most abundant molecule in food
and is an essential ingredient to support life and
since all foods come from living organisms,
water is an essential component of foods. In
many foods both the intracellular water and interstitial water are essential. The ability of water to
dissolve a wide variety of materials makes it a
nearly universal solvent. Water functions to
determine the physical attributes of meat, vegetable and fruit products. For food polymers, water
serves as a structural component and a plasticizer
contributing to the attributes of proteins, starch
and food fibers. Water also serves as solvent or
dispersing medium in wide variety of foods
including milk, juices and other beverages. Water
can be dispersed in emulsions in products like
butter or margarine or be the continuous phase of
emulsions such as mayonnaise. The water content of foods is extremely variable. Table 1.1
contains the water, energy, protein, lipid, ash,
carbohydrate and fiber contents of a range of
foods.
Water determines the physical, chemical and
microbiological stability of foods. When water
freezes and thaws the nature of the food can
change dramatically. Many food processes
involve the addition or removal of water which
changes the stability or nature of the food.
Frequently the process used to remove water has
a significant effect on the physical nature of the
food and the ability to rehydrate. For example,
drum dried milk powder is much denser and
more difficult to rehydrate than spray dried milk
powder.
Physical Properties of Water and Ice
Some of the physical properties of water and ice
which are considerations in foods are presented
in Tables 1.2, 1.3, and 1.4. Much of this information was obtained from Landolt et al. (1923) and
Perry (1963). The physicochemical properties of
water are important considerations in understanding and showing how water contributes to food
processing. The exceptionally high values of the
thermodynamic parameters (energy to thaw ice
and convert water to steam) of water are of importance for food processes and operations such as
freezing and drying. The considerable expansion
of water during freezing may contribute to structural damages to foods when they are frozen.
© Springer International Publishing AG 2018
J.M. deMan et al., Principles of Food Chemistry, Food Science Text Series,
/>
1
1 Water
2
Table 1.1 Typical water, energy and macronutrient content in 100 g of selected foods
Food
Butter, with salt
Cheese, mozzarella
Cheese, parmesan, hard
Milk, whole, 3.25% milkfat
Yogurt, plain, whole milk
Egg, WHL, RAW, FRSH
Yogurt, greek, plain, nonfat
Oil, soybean, salad or cooking
shortening
Chicken, broilers or fryers
Turkey, whole, meat only, raw
Salami, cooked, beef&pork
Frankfurter
Oatmeal
Cheerios
Apples, raw, with skin
Bananas, raw
Blueberries, raw
Orange juice, raw
Raw ham
Pork chops, bone-in, LN, raw
Cured, ham, raw
Frozen pinton beans
Broccoli, raw
Carrots, raw
Onions, raw
Potatoes, Flesh & SKN, raw
Squash, winter, acorn, raw
Tomatoes, red, ripe, raw
Almonds, dry RSTD, W/salt
Beef brisket
Sirloin, steak, broiled
Beef, ground, 70% lean
Cod, Atlantic, raw
Salmon, Atlantic, wild, raw
Tuna, fresh, Yellowfin, raw
Peanut butter
Beer
Red table wine
Water (g)
15.9
50.0
29.2
88.1
87.9
76.2
85.1
0
0
65.4
75.4
45.2
53.9
83.6
5.1
85.6
74.9
84.2
88.3
62.5
73.62
66.09
55.8
89.3
88.29
89.11
79.34
87.78
94.52
2.41
70.29
60.33
54.3
81.22
68.5
74.03
1.47
92.77
86.49
Energy
(kcal)
717
300
392
61
61
143
59
884
884
237
112
336
302
71
376
52
89
57
45
245
127
173
170
34
41
40
77
40
18
598
155
212
332
82
142
109
591
41
85
Protein (g)
0.9
22.2
35.8
3.2
3.5
12.6
10.2
0
0
16.7
22.6
21.9
10.7
2.5
12.1
0.3
1.1
0.7
0.7
17.43
21.99
22.45
9.8
2.82
0.93
1.1
2.02
0.8
0.88
20.96
20.72
29.33
14.35
17.81
19.84
24.4
25.72
0.36
0.07
Lipids (g)
81.1
22.4
25.8
3.3
3.3
9.5
0.4
100
100
18.3
1.9
25.9
26.4
1.5
6.7
0.2
0.3
0.3
0.2
18.87
3.71
9.17
0.5
0.37
0.24
0.1
0.09
0.1
0.2
52.54
7.37
9.67
30
0.67
6.34
0.49
50.81
0
0
Ash (g)
2.1
3.3
6.0
0.7
0.7
1.1
0.7
0
0.0
0.8
1.0
4.7
3.8
0.3
2.8
0.2
0.8
0.2
0.4
0.88
1.01
2.7
1.4
0.87
0.97
0.35
1.08
0.9
0.5
3.07
1.02
1.26
0.7
1.16
2.54
1.64
3.25
0.11
0.28
Carbo-
hydrates (g)
0.1
2.2
3.2
4.8
4.7
0.7
3.6
0
0
0
0.1
2.4
5.2
12.0
73.2
13.8
22.8
14.5
10.4
0
0
0.21
32.5
6.64
9.58
9.34
17.47
10.42
3.89
21.01
0
0
0
0
0
0
18.75
2.97
2.61
Fiber
(g)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1.7
9.4
2.4
2.6
2.4
0.2
0
0
0
5.7
2.6
2.8
1.7
2.2
1.5
1.2
10.9
0
0
0
0
0
0
5.6
0
0
USDA Nutrient Composition Files: />
Freezing of water in foods occurs over a wide
temperature range, resulting in stresses in frozen
foods. Structural damage may result from fluctuating temperatures, even if the fluctuations remain
below the freezing point as ice crystals grow and
causes stresses to cellular structures. This is an
important quality attribute of frozen foods. An
example is that frozen strawberries loose much of
their texture after a freezing and thawing cycle
because of loss of cellular integrity. Table 1.2
contains the basic physico-chemical properties of
water.
Physical Properties of Water and Ice
Table 1.2 Physical–chemical properties of water
Property
Molar mass (g/mol)
Molar volume (mol/L)
Boiling point (BP, °C at 1 bar)
Freezing point (FP, °C at 1 bar)
Triple point
Surface tension (20 °C)
Vapor pressure (20 °C)
∆H of vaporization
∆H of fusion
Heat capacity (Cp)
Viscosity (Pas, 20 °C)
Density (kg/m3)
Maximum density (kg/m3)
Value
18.015
55.5
100 °C
0 °C
0 °C, 6.1 mbar
73 dynes at 20 °C
0.0212 atm at 20 °C
40.63 kJ/mol
6.013 kJ/mol
4.22 kJ/kg
1.002 centipoise at 20 °C
1 g/mL
4 °C
The physical properties of water and ice are
presented in Tables 1.3 and 1.4 according to data
of Landolt et al. (1923) and Perry and Green
9:2007. There is a significant variation in the properties of liquid water and ice with temperature.
The influence of temperature is presented in Tables
1.3 and 1.4. In comparison to other liquids higher
amounts of heat are required to convert water from
solid ice to liquid water and to water vapor.
Within the three physical states of water (ice,
liquid and steam) the physical properties have
major impacts on food processing. The effects of
heat on water drive processing conditions particularly freezing products, or water removal such as
concentration or drying. Figure 1.1 illustrates
vapor pressure on the surface of water. As external pressure increases it becomes increasingly
difficult for water molecules to escape from a liquid, thus raising the boiling point of the water.
The vapor pressure of water is affected by temperature and therefore, if external pressure is
lower water boils at lower temperatures. Such
phenomenon occurs for example at higher altitudes (Fig. 1.2). It is well known that water boils
at 100 °C at sea level but at 95 °C at 1500 m above
sea level. Therefore, cooking times of foods must
be extended at higher altitudes to achieve equivalent results such as making a hardboiled egg or
hydrating pasta. At very high elevations cooking
times must be adjusted to obtain desired physical
changes such as gelation of starch, and to assure
sufficient heat and time for microbial safety.
3
This allows calculation of the pressure of the
vapor phase at a given temperature when the temperature and pressure at another point, and the
enthalpy of vaporization are known. The boiling
point is the temperature at which the vapor pressure at equilibrium exceeds atmospheric pressure. In other words, Knowing the boiling point
of a substance at 1 bar (the normal boiling point)
with the heat of evaporation, ΔHvap for that substance, the boiling point, T2 at another pressure
with values for P1 and T1 (the normal boiling
point), P2, and ΔHvap, (also called the latent heat)
can be solved. The liquid–vapor transition follows a very specific curve on the pressure–temperature plane of a PVT diagram. This is given by
the Clausius–Clapeyron relation, which at temperatures and pressures that are not close to the
critical point, can be approximated as:
Table 1.3 provides typical physical properties
of water which are important to foods and food
processing. The vapor pressure of water is defined
as the pressure at which air over the water is saturated. If the pressure is increased the water will
condense, if the pressure decreases more water
will evaporate into the atmosphere. It is important
to recognize the changes in vapor pressure with
changes in temperature. This is an equilibrium
where there is no net change although individual
atoms migrate between liquid and vapor phase.
Density refers to the mass of a material divided by
its volume. It can be seen that as the temperature
of water increases the increased molecular motion
from the heat results in a decline in density.
Table 1.4 illustrates vapor pressure of water in
ice as a function of temperature. This becomes
important in frozen foods as protecting the surface from water loss is required and conversely
maximising the rate of water removal during
freeze drying. The changes in the coefficient of
expansion are important in maintaining quality of
frozen foods. If the temperature of a frozen food
stored at −30 °C increased to −5 °C there would
be a large increase in the size of the ice crystals
potentially damaging product quality and texture.
When ice and water are mixed together, then
the temperature of the solution will be 0 °C as
long as both liquid and solid phases coexist.
Thus 0 °C is the freezing point for water or the
1 Water
4
Table 1.3 Physical properties of water at various temperatures
Water
Vapor pressure (mbar)
Density (kg/m3)
Specific heat (kJ/kg °C)
Heat of vaporization (kJ/kg)
Thermal conductance (kcal/m2 h °C)
Surface tension (mN/m)
Viscosity (mPa s)
Refractive index
Dielectric constant
Coefficient of thermal expansion × 10−4
Temperature (°C)
0
20
6.11
23.37
0.9998
0.9982
4.215
4.179
2499
2452
0.565
0.599
75.62
72.75
1.792
1.002
1.3338
1.3330
88.0
80.4
–
2.07
40
73.75
0.9922
4.176
2405
0.628
69.55
0.653
1.3306
73.3
3.87
60
199.18
0.9832
4.181
2357
0.652
66.17
0.466
1.3272
66.7
5.38
80
473.56
0.9718
4.194
2306
0.670
62.60
0.355
1.3230
60.8
6.57
100
1013.25
0.9583
4.213
2255
0.680
58.84
0.282
1.3180
55.3
–
Table 1.4 Physical properties of ice at various temperatures
Ice
Vapor pressure (mbar)
Heat of fusion (kJ/kg)
Heat of sublimation (kJ/kg)
Density (kg/m3)
Specific heat (kJ/kg °C)
Coefficient of thermal expansion × 10−5
Temperature (°C)
0
−5
6.11
4.01
334
–
2836
–
0.9168
0.9171
2.039
–
9.2
7.1
−10
2.60
–
2813
0.9175
1.996
5.5
−15
1.65
–
–
0.9178
–
4.4
−20
1.03
–
2789
0.9182
1944
3.9
−25
0.63
–
–
0.9185
–
3.6
−30
0.37
–
2771
0.9188
1.884
–
The difference is due to the need for nucleation
to occur before an ice crystal growth is initiated.
Nucleation is the process by which a minimum
number of water molecules form an embryo
that can grow to form a crystal, after which ice
crystal growth results in continued expansion of
the crystals.
Structure of the Water Molecule
Fig. 1.1 At the boiling temperature of a liquid: vapor
pressure = atmospheric pressure
melting point for ice. This is called the equilibrium point. If water is cooled to 0 °C it does not
freeze; it must be cooled to below 0 °C before
freezing can occur. Likewise, ice has to be heated
slightly above 0 °C before melting occurs. Unlike
freezing, however, melting will begin as soon as
the temperature rises to above 0 °C. To initiate
ice formation water must be cooled to temperatures substantially below the freezing point.
The unique properties of water are a result of the
structure of the water molecule (Fig. 1.3) and its
dielectric properties which allow it to form
hydrogen bonds. Water molecules consist of two
hydrogen atoms joined to an oxygen atom by
covalent bonds. Oxygen is more electronegative
than hydrogen. That is, the high electronegativity
causes the oxygen atom to pull the shared pairs of
electrons more towards the oxygen atom. As a
result, the O–H bond acquires polarity.
Oxygen atoms have six electrons (1s2 2s2 2p4)
in its outermost shell. The ‘s’ and ‘p’ orbitals of
Structure of the Water Molecule
5
Fig. 1.2 Boiling point
of water at various
altitudes
Fig. 1.3 Angles of H
atoms, dipoles of lone
pairs of electrons
leading to the tetrahedral
arrangement of water
the valence shell are sp3 hybridized to form four
sp3 hybrid orbitals oriented tetrahedrally around
the oxygen atom. Two of the hybrid orbitals are
singly occupied with the half-filled orbital of the
hydrogen atoms. Lone pairs of electrons occupy
the other two. Therefore, oxygen is bonded to the
two hydrogen atoms by two O–H covalent bonds,
and there are two lone-pairs of electrons on the
oxygen atom. The H–O–H bond angle is 104.5°,
which is slightly less than the tetrahedral angle of
109°28′. Therefore, the structure of water molecule is an angular or bent structure. Figure 1.3
illustrates the tetrahedral structure of water. In
the water molecule the atoms are arranged at an
angle of 104.5°, and the distance between the
nuclei of hydrogen and oxygen is 0.0957 nm. The
water molecule can be considered a spherical
quadrupole with a diameter of 0.276 nm, where
the oxygen nucleus forms the center of the quadrupole. The two negative and two positive charges
form the angles of a regular tetrahedron. Because
of the separation of charges in a water molecule,
the attraction between neighboring molecules is
higher than is normal with van der Waals’ forces.
In the frozen state each water molecule accepts
two hydrogen bonds from two other water molecules and donates two hydrogen atoms to form
hydrogen bonds with two more water molecules,
producing an open, cage like structure (Fig. 1.4).
The structure of liquid water is very similar, but
in the liquid, the hydrogen bonds are continually
broken and formed because of rapid molecular
motion.
In the liquid state water molecules are held
together by intermolecular hydrogen bonds. Each
oxygen atom can form two hydrogen bonds utilizing both the lone pairs of electrons the oxygen
atom. Liquid water contains aggregates of varying number of water molecules held together by
hydrogen bonds and ‘free’ water molecules in
1 Water
6
Table 1.5 Physical properties of some hydrides at normal atmospheric conditions
Compound
CH4
NH3
HF
H 2O
Fig. 1.4 Hydrogen bonds in water
equilibrium. These intermolecular aggregates are
continually forming, collapsing at various rate
depending on temperature.
Hydrogen bonding has very major influence
on the properties of water.
In ice crystals a hexagonal matrix is formed
with tetrahedral structure of water molecules surrounding each oxygen atom. One hydrogen atom
exists between each pair of oxygen atoms. Thus,
each and every hydrogen atom is covalently
bonded to one oxygen atom and hydrogen bonded
to another oxygen atom. This packing results in
large open spaces between water molecules in the
ice resulting in the lower density of ice compared
to liquid water.
When ice melts some of the hydrogen bonds
are broken and the water molecules become more
closely packed. This results in an increase in the
density of water above its melting points
0 °C. Density of water attains a maximum value
of 1 g/mL at 4 °C; above 4 °C, the density
decreases due to the normal temperature effects.
In ice, every H2O molecule is bound by four
bridges to each neighbor. The binding energy of
the hydrogen bond in ice amounts to 20.9/mol
(Meryman and Pauling 1960). Similar strong
interactions occur between OH and NH and
between small, strongly electronegative atoms
such as O and N. This is the reason for the strong
association in alcohols, fatty acids, and amines
and their great affinity to water. A comparison of
Melting
point (°C)
−184
−78
−92
0
Boiling
point (°C)
−161
−33
+19
+100
Molar heat of
vaporization (kJ)
8.2
23.3
7.49
40.7
the properties of water with those of the hydrides
of elements near oxygen in the Periodic Table
(CH4, NH3, HF, DH3, H2S, HCl) indicates that
water has unusually high values for various physical constants, such as melting point, boiling
point, heat capacity, latent heat of fusion, latent
heat of vaporization, surface tension, and dielectric constant. Some of these values are listed in
Table 1.5.
Structure of Ice
In ice an individual water molecule connects to
four others in a tetrahedral arrangement. This
arrangement results in the hexagonal crystal lattice in regular ice, as shown in Fig. 1.5. The lattice is loosely built and has relatively large hollow
spaces. These hollow spaces in typical ice structure result in expansion during freezing and cause
the high specific volume of ice. This is why ice
floats on the surface of water. In the hydrogen
bonds, the hydrogen atom is 0.1 nm from one
oxygen atom and 0.176 nm from another hydrogen atom. When ice melts, the hydrogen bonds
are broken and the water molecules pack together
more compactly in a liquid state (http://www1.
lsbu.ac.uk/water/hexagonal_ice.html;
http://
www.uwgb.edu/dutchs/petrology/Ice%20
Structure.HTM; Franks 2000).
Each oxygen atom inside the ice lattice is surrounded by four other oxygen atoms in a tetrahedral arrangement. The distance between oxygen
atoms is approximately 2.75 Å. The hydrogen
atoms in ice are arranged following the Bernal-
Fowler rules: (1) two protons are close (about
0.98 Å) to each oxygen atom, much like in a
free water molecule; (2) each H2O molecule is
oriented so that the two protons point toward
two adjacent oxygen atoms; (3) there is only one
Latent Heat of Fusion
7
Fig. 1.5 Hydrogen
bonding among water
molecules leading to
hexagonal arrangement
of water molecules in
ice
proton between two adjacent oxygen atoms; (4)
under ordinary conditions any of the large number of possible configurations is equally probable
( />When there is a change of state from ice to
water, rigidity is lost, but water still retains a
large number of ice-like clusters. The term ice-
like cluster does not imply an arrangement identical to that of crystalline ice. The HOH bond angle
of water is several degrees less than that of ice,
and the average distance between oxygen atoms
is 0.31 nm in water and 0.276 nm in ice. Research
has not yet determined whether the ice-like clusters of water exist in a tetrahedral arrangement, as
they do in ice. Since the average intermolecular
distance is greater than in ice, it follows that the
greater density of water must be achieved by each
molecule having some neighbors. A cubic structure with each HOH molecule surrounded by six
others has been suggested.
At 0 °C, water contains ice-like clusters averaging 90 molecules per cluster. With increasing
temperature, clusters become smaller and more
numerous. At 0 °C, approximately half of the
hydrogen bonds present remain unbroken, and
even at 100 °C approximately one-third are still
present. All hydrogen bonds are broken when
water changes into vapor at 100 °C. This explains
the large heat of vaporization of water.
Growth of Ice Crystals
The crystal structure of ice is such that it does not
allow the inclusion of impurities, except within
defects in the crystal structure. When an ice
nucleus begins to grow, any solutes which are
present in the liquid will be excluded from this
growing ice front. If the rate of crystal growth is
faster than the rate at which diffusion of the particular solutes can carry them away a concentration gradient will form in the liquid which
surrounds the ice crystal. The concentrated solute
will lower the freezing point of the solution. The
solution at the interface will have a freezing point
equal to the temperature of the interface; at this
point, ice growth will be limited by diffusion of
the solute away from the crystal. When this
occurs solution away from the ice crystal is
supercooled (a temperature below the melting
point). Eventually diffusion will ensure that the
system goes to equilibrium, however a situation
of instability is created when this occurs.
Latent Heat of Fusion
When water freezes, heat is liberated by the process. This latent heat of fusion is due to the
energy released from hydrogen bonds in the crystal. In ice a water molecule is hydrogen bonded to
four other neighboring water molecules, each
bond having an energy between 10 and 40 kJ/
mol. This equals an energy of 80 cal/g (335 J/g).
The energy released in the transformation of 1 g
of water at 0 °C to ice at the same temperature is
enough energy to raise the temperature of 1 g of
the water from 0 to 80 °C!
The speed of crystallization—that is, the progress of the ice front in centimeters per second—is
determined by the removal of the heat of fusion
from the area of crystallization. The speed
of crystallization is low at a high degree of
super-cooling (Meryman 1966). This affects the
size of crystals in the ice. When large water