Лекции для студентов

Лекционный материал по дисциплине “Пищевая химия” — Роль воды в пищевых системах и организме человека

Роль воды в пищевых системах и организме человека

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.

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.

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.