ООО «Айсберг»

Формы воды в продукте

Опубликовано 05 Апр 2012. Автор: Научный сотрудник

При исследовании свойств растворов, введены понятия свободной и связанной воды. Под свободной  понимают такую воду, молекулы которой образуют структуру,  близкую к структуре обычной воды. Свободная вода составляет около 95%  от всей воды клетки;  в ней растворены многочисленные пищевые вещества (сахара,  органические кислоты, аминокислоты и др.); эта вода является более подвижной, чем связанная.

Связанная вода, на долю  которой  приходится 4 — 5%  всей  воды клетки, прочно соединена с коллоидами, образующими гетерогенную систему. Вода,  связанная с частицами размером 10^-1-10^-6 мм, образует вокруг них тонкую оболочку,  которая прочно соединена с ними.  Плотность связанной воды выше, чем свободной; удельная теплоемкость ниже (часть  связанной воды в некоторых случаях не  замерзает и при минус 75 ^оС).

В большинстве  случаев связанная вода не является растворителем для кристаллоидов и трудно удаляется при замораживании и сушке.  Содержание в  продуктах  связанной  воды колеблется в довольно широких пределах. В мясе оно составляет 13 — 16%, в плодах и овощах 8 — 11%, в мололке 3,0 — 3,5%. Поэтому из плодов и молока вода удаляется сравнительно легко.

Большая прочность  связей  между молекулами в жидкой воде обусловлена электрической полярностью молекул воды,  связанной со специфическим расположением электронов в атомах кислорода и водорода.

Уменьшение количества связанной воды  может  служить  признаком изменения (старения) коллоидной системы,  поэтому раздельное определение свободной и связанной  воды  представляет  большой  научный  и практический интерес.

Известно, что вода  связана  с  компонентами  пищевых  продуктов энергетически неоднородно. Формы связи воды необходимо учитывать при переработке и хранении пищевого сырья и производства продуктов питания.

В ряде работ предлагаются схемы,  по  которым  классифицируются формы связи  воды  в  различных материалах,  в том числе и в пищевых продуктах.

Академик П.А. Ребиндер предложил  следующую  классификацию  форм связи влаги на основе энергии связи:

— механическая — влага смачивания,  содержащаяся в капиллярах и макрокапиллярах. Эта  форма связи  наименее прочная. Эта влага легко удаляется путем механического воздействия, например, центрифугированием или прессованием;

— физико-химическая — адсорбционная, осмотическая и структурная влага, содержащаяся в клетках и микрокапиллярах. Для разрушения этой формы связи требуется значительно больше энергии. Для удаления такой влаги необходимо предварительно превратить воду в пар,  затратив существенное количество теплоты;

— химическая форма связи наиболее прочная. Это ионнная  связь и вода в кристаллогидратах. Такая связь может быть  разрушена либо путем  химического  воздействия, либо  нагревом до высоких температур, например, прокаливанием, но  не  всегда. Химически  связанная   вода удерживается  продуктом в  точных  количественных  соотношениях и не удаляется при замораживании и сушке.

При взаимодействии молекул воды с молекулами компонентов  пищевых продуктов,  различают водородные,  ионные,  гидрофобные и другие виды связи.  Водородная связь характеризуется взаимодействием  ионов водорода с молекулами воды  в жидкой  воде и  во льду.  Расположение электронов вокруг атома кислорода близко  к  тетраэдрическому,  т.е. каждая молекула воды стремится связаться водородной связью с четырьмя соседними молекулами воды. Важная особенность водородных связей — их меньшая прочность по сравнению с ковалентными.  Энергия  водородных связей в жидкой воде составляет около 18,8 кДж.моль^-1, а энергия ковалентной связи (в молекуле воды, образованной за счет  спаривания электронов) равна 461 кДж.моль^-1.

Другое важное свойство водородных связей — их строго определенное  направление в  пространстве,  что связано с  вполне  конкретным направлением связывающих орбиталей атомов водорода и кислорода.

Скорость образования и разрыва водородных связей в водных  системах значительно  превосходит  скорость образования и разрыва ковалентных связей. Именно  поэтому водородные связи обладают существенным преимуществом по сравнению с ковалентными связями с позиции возможности реализации различного рода биомолекулярных процессов,  протекающих при переработке и хранении пищевого сырья и продуктов питания.

Мерой прочности связи влаги в пищевых продуктах является активность воды, влияющая на ферментативные, химические и  физические изменения в них.

Активность воды а_w представляет  собой  отношение  равновесного давления водяных  паров  над продуктом к равновесному давлению паров чистой воды при одних и тех же температурах. Этот  показатель служит количественной оценкой качественного изменения связи воды в продукте по отношению к чистой (дистиллированной) воде.

Для чистой  воды  а_w = 1 и уменьшается при растворении в воде различных веществ.  Устойчивость пищевых продуктов к микроорганизмам при  их хранении зависит от активности воды окружающей среды и пищевого продукта. Микроорганизмы могут расти на продуктах со значениями а_w между 0,99 и 0,63.  Для многих микроорганизмов эти величины определены, они постоянны для каждого вида и не зависят от природы растворенных веществ. По мере уменьшения а_w среды (начиная с оптимального значения) продолжительность лаг-фазы обычно увеличивается, а скорость роста и количество клеток микроорганизмов уменьшаются. В целом, бактерии  развиваются  в  среде  с  более  высокими  значениями   а_w (0,99 — 0,93), чем  дрожжи и  плесени. Оптимальные  значения  а_w для роста дрожжей также варьируют,  но минимальные величины для этих организмов (0,91 — 0,88) ниже, чем для большинства бактерий.