Вода и ее свойства

Вода является основным компонентом растительного и животного сырья и ее содержание может составлять 75-90%. Она играет важную роль во всех обменных процессах живой природы, так как все биохимические процессы проходят в водной среде.

В пищевых продуктах вода равномерно окружает соединение, имеющее на своей поверхности заряженные частица, образуя сольватную (гидратную) оболочку. Такая оболочка препятствует агрегации отдельных растворенных частиц между собой и стабилизирует водные коллоидные растворы, например, белков в молоке.

Гидратная оболочка состоит из нескольких мономолекулярных слоев воды, которые в равной степени связаны с частицей растворенного вещества. Кроме того, вода в в пищевых продуктах находится в виде гидроксильных групп (ОН), образующихся путем химического взаимодействия.

Вода является структурным компонентом белков, нуклеиновых кислот и некоторых углеводов. Например, на 1 молекулу белка живой клетки в среднем приходится около 20 тыс. молекул воды.

Вода является хорошим растворителем органических и неорганических веществ. В водной среде протекают все биохимические процессы. От содержания воды в сырье во многом зависят их физико-химические, механические, органолептические свойства

Именно в водных средах проходит развитие и питание различных микроорганизмов, вызывая порчу продуктов. (М.о. питаются водными растворами питательных веществ, питаются осмотическим путем).

Среди всех видов жидкости вода имеет особенные свойства, позволяющие характеризовать ее как аномальное вещество.

Свойства воды:

Ø Из всех видов жидкости на земле вода имеет самое большое поверхностное натяжение;

Ø Наибольшая плотность воды достигает при температуре 4⁰С. При увеличении или снижении температуры плотность снижается;

Ø Вода замерзает при температуре 0,38⁰С;

Ø Самая низкая теплоемкость воды при атмосферном давлении и температуре 40⁰С;

Такие свойства объясняются особенностями строения самой молекулы воды.

Строение молекулы воды см. на рис.

Вода состоит из полярных молекул (молекулы, представляющие собой электрические диполи; электрический диполь представляет собой систему из разнесенных в пространстве на некоторое расстояние зарядов, небольших по числу и различных по знаку) с постоянным моментом электрического диполя. Каждая молекула состоит из двух атомов водорода, расположенных на расстоянии 1,52 А (1А=10^-10м, А-Ангстрем) один от другого, и одного атома кислорода, находящегося в центре. Центры атомов водорода соединяются ломаной линией с центром атома кислорода, образуя угол 104⁰31`. Расстояние между ядрами атомов водорода и кислорода постоянно и равно 0,96А. Диаметр молекулы воды в целом равен 2,76А.

 

 

Вследствие большой электроотрицательности кислорода на его атоме концентрируется некоторый избыток электронной плотности. По этой же причине атомы водорода имеют частичный положительный заряд. Таким образом, молекула воды представляет собой диполь с двумя полюсами и этим объясняется образование водородных связей между отдельными молекулами воды, а также электростатическое взаимодействие молекул воды с заряженными участками других молекул (например, белков).

В пищевых продуктах молекулы воды удерживаются за счет соединений, имеющих полярные (заряженные) группировки. Например, одна группировка ОН или NH удерживает две молекулы воды, карбоксильная группировка – четыре молекулы воды.

Установлено, что элементарной структурной единицей воды является тетраэдр. Такую же структуру имеет и элементарно-структурная единица льда, но в ней отдельные молекулы имеют более крепкие связи, чем в жидкости, поэтому в жидкости такие структуры очень легко и создать и разрушить.

 

В пищевых продуктах различают влагу свободную и связанную. Связанная влага несколько отличается от свободной, а именно:

1. Связанная влага очень плохо растворяет вещества;

2. Удельная теплоемкость связанной влаги меньше чем у свободной воды и приближается к теплоемкости льда;

3. Связанная вода практически не пропускает электрический ток;

4. Связанная влага замерзает при температуре ниже 0⁰С;

5. Плотность связанной влаги составляет в зависимости от формы связи 1300-1700 кг/м³.

 

Энергия, необходимая для удаления влаги из продукта может быть рассчитана по формуле

А= -R T ln j R – газовая постоянная (8,31 Дж/моль К)

j - относительная влажность воздуха, которая представляет собой отношение парциального давления насыщенного пара над поверхностью чистого растворителя к парциальному давлению водяного пара при той же температуре над влажным продуктом.

Когда j = 1, тогда работа для удаления свободной влаги = 0. (Это значит, что в продукте содержится практически одна свободная влага). От величины работы по удалению влаги зависит устойчивость связи влаги в продукте, т.е. наибольшую энергию необходимо затратить, чтобы удалить химически связанную влагу. В некоторых случаях для ее удаления необходимо столько энергии, что продукт перестает существовать как таковой. Пример такой влаги в пищевых продуктах является кристаллогидраты, ОН-группировки.

Химически связанная влага – наиболее прочно удерживаемая, подразделяется на воду, связанную в виде гидроксильных группировок, и воду, заключенную в кристаллогидраты.

Первая получается в результате химического взаимодействия воды с материалом. Удалить эту влагу можно только в результате химического взаимодействия, реже при прокаливании.

Кристаллогидратная вода входит в структуру кристалла и удаление ее возможно только при прокаливании.

Энергия связи химически связанной влаги самая большая из всех видов связи (10⁷ Дж/моль).

Физико-химическая связь:

- адсорбционно связання влага;

- осмотически связанная влага

Адсорбционно-связанная влага возникает за счет поглощения водяных паров на поверхности раздела фаз (воздух-пищевой материал, жидкость-пищевой материал). Такое поглощение может происходить физико-химическим путем. В таком случае говорят о хемосорбции. (адсорбция – поглощение молекул воздуха и водяного пара из окружающего пространства; абсорбция – растворение влаги с проникновением внутрь вещества; их химическое взаимодействие – хемосорбция).

Адсорбция водяных паров пищевым материалом происходит в поверхностных слоях на границе раздела фаз благодаря тому, что молекулы влаги обладают повышенной свободной энергией. Эта энергия определяет и поверхностное натяжение жидкости.

Молекулы воды на поверхности жидкости и в ее основном объеме находятся в разных состояниях. В основном объеме все молекулы воды притягиваются друг с другом с одинаковой силой и все эти молекулы находятся в непрерывном хаотичном движении (Брауновское движение).

Молекулы поверхностного слоя притягиваются к молекулам основного объема с большей силой, чем к молекулам воздуха. Таким образом, суммарное взаимодействие молекул воды в поверхностном слое с молекулами воздуха намного меньше, чем с молекулами основного объема, т.к. плотность воздуха намного меньше плотности воды. Это взаимодействие будет зависеть от площади контакта. Благодаря этому молекулы поверхностных слоев, обладая повышенной энергией, притягивают молекулы водяного пара. Поверхность раздела фаз воздуха и пищевого материала огромна, т.к. они представляют собой капиллярно-пористые структуры с размером частиц 10^-7-10^{-9 м.}

Адсорбционное поглощение влаги играет исключительную роль при хранении высушенных продуктов, их хранение в герметичной упаковке.

Осмотически-связанная влага. Осмос представляет собой процесс диффузии растворителя через полунепроницаемую перегородку (имеет размеры пор такие, что позволяет проходить веществам с определенной молекулярной массой) под действием кинетической энергии молекул. Диффузия растворителя идет из области с более высоким парциальным давлением (меньшей концентрацией раствора) в сторону меньшего парциального давления водяного пара (большей концентрации раствора). В результате возникает осмотическое давление (сила, обусловливающая диффузию молекул и выражающая среднюю энергию всех молекул), которое указывает, на сколько давление воды в растворе меньше, чем в чистой воде при той же температуре и общем атмосферном давлении. Процесс называется прямой осмос.

Благодаря такому явлению любая живая клетка в нормальном состоянии характеризуется плотным прилеганием цитоплазменной оболочки к клеточной оболочке. Это состояние называют тургор (тургор – напряженное состояние клетки).

Цитоплазменная оболочка играет роль полупроницаемой мембраны.

Клеточная стенка обладает полной проницаемостью.

Если живую клетку поместить в концентрированный раствор содержание сухих веществ в котором выше, чем внутри клетки, то будет наблюдаться обратный процесс – осмотический отток влаги наружу, при этом цитоплазма уменьшается в объеме – сморщивается. Это явление называют плазмолиз (плазмолиз – съеживания клетки).

Подобный эффект достигается при погружении тканей растительного сырья в концентрированный раствор соли или сахара. Плазмолиз является обратимым явлением (в определенных пределах), т.е. жизнедеятельность клетки возвращается к первоначальному состоянию.

Явления тургора и плазмолиза относятся к микробным клеткам.

Осмотическое давление любого раствора приблизительно можно рассчитать пользуясь уравнением

Р_осм = сRT

С – молярная концентрация раствора.

Эту формулу можно записать так:

Р_осм = (G/M)RT

G – весовая концентрация, кг/м³;

М измеряется в дальтонах (Да)

Для расчета осмотического давления G необходимо выразить в г/л.

Практическое значение осмотическое давление находит в новом технологическом процессе, который называют обратным осмосом.

Если к более концентрированному раствору приложить большее давление, чем осмотическое, то будет наблюдаться обратный эффект, т.е. через мембрану будет удаляться вода, а растворимые вещества (сахар) будут задерживаться.

Данным методом в промышленности концентрируют пищевые жидкости (соки, вина, молочную сыворотку). Данный метод дает значительный выигрыш в энергозатратах на удаление 1 кг воды, кроме того, концентрирование проходит при комнатных температурах, таким образом, большинство термолабильных веществ (витамины) сохраняется. Значительно проще и дешевле аппаратное оформление процесса, т.к. необходимо только повышение давления.

В качестве полупроницаемых мембран в обратном осмосе используют пленки из различных полимеров.

Механически связанная влага. (влага смачивания, влага, которая находится в капиллярах).

Капилляры – рубки малого диаметра, подразделяются на:

- микрокапилляры (r<10^{-7 м)}

- макрокапилляры (r>10^{-7 м)}

 

Смачивание жидкостью поверхности твердого тела происходит в зависимости от соотношения сил поверхностного натяжения, действующих на каплю влаги в месте ее контакта с поверхностью твердого тела.

1- твердое тело

2- капля

3- воздух

 

Угол q, образующийся между касательной к поверхности капли и поверхностью твердого тела, называют краевым углом смачивания. Величина его, точнее cos q, характеризует смачиваемость твердого тела.

В зависимости от соотношений (s_1-2, s_1-3, s_2-3) этих сил различают 3 случая:

1. s_1-3 > s_1-2 + s_2-3× cos q (хорошо смачиваемая поверхность). Притяжение между молекулами воды и твердым телом больше, чем между молекулами воды и воздуха.

2. s_1-3 < s_1-2 + s_2-3× cos q (плохо смачиваемая поверхность). Капля жидкости под действием сил поверхностного натяжения стремится принять форму шара, так как шар имеет минимальную поверхность данного тела.

3. s_1-3 = s_1-2 + s_2-3× cos q (равновесное состояние между шаром и пленкой). Явление смачивания играет значительную роль в пищевых препаратах, которые связаны с мойкой сырья и технологического оборудования. Как правило, вода плохо смачивает поверхности твердых пищевых материалов (плоды и овощи). Это объясняется значительным количеством воска на их поверхности, которое относится к гидрофобным соединениям. Основным растворителем загрязнений сырья и оборудования является вода. Для лучшего растворения загрязнений нужно уменьшить поверхностное натяжение (s). Для уменьшения s используют ПАВ. Эти соединения обладают полярными и неполярными группировками в молекуле (мыло) СН3-(СН2)_n- СООNa

 

При добавлении ПАВ в воду эти соединения ориентируются таким образом, что на поверхности воды создают тончайшую пленку с обращенными к воздуху гидрофобными концами молекул. В результате чего натяжение поверхностного слоя уменьшается.

В пищевой промышленности ПАВы используют крайне редко, только в случаях, когда сырье загрязнено радионуклидами.

Влага в капиллярах поднимается на определенную высоту, которая зависит от смачиваемости жидкости в стенках капилляра и от радиуса этого капилляра.

Все твердые пищевые продукты представляют собой капиллярно-пористые тела. Внутренняя поверхность капилляров смачивается хорошо, поэтому столб характеризуется вогнутым мениском. Радиус кривизны мениска связан с радиусом капилляра следующим соотношением

r=R× cos q

r-радиус капилляра;

R-радиус кривизны мениска

 

При положительном смачивании cos q стремится к 1, r=R, высоту подъема жидкости в капиллярах легко рассчитать по следующей формуле:

h=0,15/r см

 

Подъем жидкости в капиллярах объясняется тем, что давление водяных паров над выгнутой поверхностью мениска меньше, чем давление водяного пара над выгнутой жидкостью поднимается до тех пор, пока капиллярные силы не уравновешиваются силами земного тяготения.