Роль воды в пищевых системах и организме человека
Лекция №10
Тема: Роль воды в пищевых системах и организме человека
1 Физические и химические свойства воды
2 Свободная и связанная влага в пищевых продуктах
3 Активность воды
4 Структура и свойства льда. Роль льда в обеспечении стабильности пищевых продуктов
1 Физические и химические свойства воды
Вода, не является питательным веществом, но она жизненно необходима, как стабилизатор температуры тела, переносчик нутриентов (питательных веществ) и пищеварительных отходов, реагент и реакционная среда в ряде химических превращений. Кроме того, вода формирует органолептические показатели продукта.
Содержание влаги (%) в пищевых продуктах изменяется в широких пределах: от 5-15% в муке, сухом молоке, масле, маргарине до 85-95% в молоке, фруктах, овощах, пиве, соке.
Рекомендуемые материалы
В отличие от других веществ вода характеризуется рядом аномалий. Для неё характерны высокая температура кипения 100ºC и плавления 0ºC, высокие значения теплоты фазовых переходов (плавления 6,01 кДж/моль, парообразования 40,63 кДж/моль, сублимации 50,91 кДж/моль). Кроме того, вода обладает аномально высокой теплоемкостью и, таким образом, является регулятором температуры в живых организмах и в целом на земном шаре. Вода расширяется при замерзании, вследствие чего плотность льда ниже, чем воды.
Вода при атмосферном давлении может существовать в состояниях жидкости, пара и льда.
Аномальные свойства воды определяются её структурой. Так в молекуле воды шесть валентных электронов кислорода гибридизированы в четырех 5р3-орбиталях, которые вытянуты к углам, образуя тетраэдр. Две гибридные орбитали образуют О–Н ковалентные связи, тогда как другие две орбитали имеют неподеленные электронные пары. Ковалентные О–Н связи, благодаря высокой электроотрицательности кислорода, частично имеют ионный характер. Таким образом, молекула воды имеет два отрицательных и два положительных заряда по углам тетраэдра, то есть имеет диплольную структуру. Вследствие этого, каждая молекула воды координирована с четырьмя другими молекулами воды благодаря водородным связям, что обеспечивает большую силу взаимодействия между молекулами и объясняет особые физические свойства воды.
С химической точки зрения вода является весьма реакционноспособным веществом. Она соединяется со многими оксидами металлов и неметаллов, взаимодействует с активными металлами, участвует в реакциях превращения белков, липидов, углеводов.
При добавлении различных веществ к воде изменяются свойства как самого вещества, так и воды. С заряженными ионами металлов и кислот вода прочно связывается ионными связями. С нейтральными, но полярными молекулами (спирты, амины, альдегиды, кетоны) вода связывается водородными связями (более слабые, чем ионные связи). С неполярными веществами (углеводороды) вода химически не взаимодействует, но образует вокруг них сетку из молекул воды.
2 Свободная и связанная влага в пищевых продуктах
В обеспечении устойчивости продукта при хранении важную роль играет соотношение свободной и связанной влаги.
Свободная влага – это влага, не связанная полимером и доступная для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций.
Связанная влага – это ассоциированная вода, прочно связанная с различными компонентами – белками, липидами и углеводами за счет химических и физических связей.
Для связанной воды характерны следующие свойства:
—существует вблизи растворенного вещества и других неводных веществ и имеет свойства, отличные от свойств свободной воды;
—не может служить растворителем для добавленных веществ;
—не замерзает при низких температурах (–40°С и ниже).
«Связывание воды» и «гидратация» – это способность воды к ассоциации с различной степенью прочности с гидрофильными веществами. Размер и сила связывания воды или гидратации зависит от таких факторов, как природа неводного компонента, его солевой состав, рН, температура.
Наиболее прочно связанной является так называемая органически связанная вода. Она представляет собой очень малую часть воды в высоковлажных пищевых продуктах и находится, например, в щелевых областях белка или в составе химических гидратов. Другой весьма прочно связанной водой является близлежащая влага, представляющая собой монослой при большинстве гидрофильных групп неводного компонента. К монослою примыкает мультислойная вода (вода полимолекулярной адсорбции), образующая несколько слоев за близлежащей водой. Мультислой – это менее прочно связанная влага.
В пищевых продуктах имеется также вода, удерживаемая макромоле-кулярной матрицей. Например, гели пектина и крахмала, растительные и животные ткани при небольшом количестве органического материала могут физически удерживать большие количества воды. Эта вода не выделяется из пищевого продукта даже при большом механическом усилии. С другой стороны, в технологических процессах обработки она ведет себя почти как чистая вода. Ее, например, можно удалить при высушивании или превратить в лед при замораживании.
3 Активность воды
Из мировой практики известно, что существует взаимосвязь (между влагосодержанием пищевых продуктов и их сохранностью (или порчей). Однако часто различные пищевые продукты с одним и тем же содержанием влаги портятся по-разному, что можно объяснить различным соотношением «свободной» и «связанной» влаги.
Чтобы учесть эти факторы, был введен термин «активность воды». Этот показатель хорошо коррелирует со скоростью многих разрушительных реакций.
Активность воды (aw) – это отношение давления паров воды над данным продуктом к давлению паров над чистой водой при той же температуре.
По величине активности воды выделяют: продукты с высокой влажностью (aw= 0,9–1,0) (фрукты, овощи, молоко и жидкие молочные продукты, варёные колбасы); продукты с промежуточной влажностью (aw= 0,6-0,9) (сыры, хлебобулочные изделия, вяленые мясные изделия); продукты с низкой влажностью (aw= 0,0-0,6) (молоко сухое, мука, злаковые и крупяные).
Зависимость между содержанием влаги (масса воды, г Н2О/г СВ) в пищевом продукте и активностью воды в нем при постоянной температуре, называется изотермой сорбции. Очевидно, что в продуктах с высоким содержанием влаги «активность воды» выше, чем в продуктах с низким содержанием влаги.
Установлено, что в продуктах с низкой влажностью при хранении могут происходить окисление жиров, неферментативное потемнение, потеря водорастворимых веществ (витаминов), порча, вызванная ферментами. Роль микроорганизмов здесь минимальна. В продуктах с промежуточной влажностью могут протекать разные процессы, в том числе значительно возрастает роль микроорганизмов порчи. В процессах, протекающих при высокой влажности, микроорганизмам принадлежит решающая роль.
При этом дрожи и плесени менее чувствительны к низкому содержанию влаги. Для них благоприятна среда, если в ней активность воды выше 0,6. Для бактерий и плесеней предельное значение активности воды не должно быть ниже 0,9. В целом процессы порчи значительно замедляются при значениях аw= 0,2–0,4.
Для снижения активности воды используют такие технологические приемы, как сушка, вяление, добавление различных веществ (сахар, соль и др.), замораживание.
4 Структура и свойства льда. Роль льда в обеспечении стабильности пищевых продуктов
2.1. Понятие цифрового шрифта - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
Молекула воды, кристаллизуясь, образует лед, который имеет гексагональную кристаллическую решетку. Однако лед при определённых условиях может существовать в девяти других кристаллических полиморфных конфигурациях.
Замораживание является наиболее распространенным способом консервирования (сохранения) многих пищевых продуктов. Необходимый эффект при этом достигается в большей степени от воздействия низкой температуры, но также и от образования кристаллов льда.
Образование льда в клеточных структурах пищевых продуктов и гелях имеет два важных следствия:
1) Во время замораживания вода переходит в кристаллы льда различной, но достаточно высокой степени чистоты. Все неводные компоненты приэтом концентрируются в уменьшенном количестве незамерзшей воды. Эти изменения могут увеличить скорости химических реакций. Таким образом, замораживание имеет два противоположных влияния на скорость реакций: низкая температура как таковая будет ее уменьшать, а концентрирование компонентов в незамерзшей воде – иногда увеличивать. Однако в целом скорость химических реакций в при замораживании пищевых продуктов замедляется.
2) вся вода, превращаемая в лед, увеличивается ~ на 9% в объеме. При этом происходит значительная деформация или даже разрушение клеточных структур, в том числе и микробиальных клеток. При этом может происходить гибель микробиальной клетки, или существенно снижается её активность. Наиболее стойкими при замораживании оказываются споры микроорганизмов, содержащие достаточно низкое количество влаги.
Следует отметить, что структура льда не идеальна. Он содержит микротрещины, в которых возможна диффузия молекул воды незамёрзшей воды. Этот факт имеет определенное отношение к скорости порчи пищевых продуктов и биологических веществ в условиях хранения при низких температурах.
