Вода в продуктах питания (стр. 2 из 4)

Свойства	Органически связанная вода	Монослой	Мультислой
Общее описание	Вода как общая часть неводного компонента	Вода, которая сильно взаимодействует с гидрофильными группами неводных компонентов путемвода-ион, или вода — диполь ассоциации; вода в микрокапиллярах (d < 0,1 &bsol;м)	Вода, которая примыкает к монослою и которая образует несколько слоев вокруг гидрофильных группневодного компонента. Превалируют вода—вода и вода—растворенное вещество—водородные связи
Точка замерзания по сравнению с чистой водой				Не замерзает при -40 °С	Не замерзает при -40 °С	Большая часть не замерзает при -40 "С.Остальная часть замерзает при значительно пониженной температуре
Способность служить растворителем	Нет	Нет	Достаточно слабая
Молекулярная подвижность	Очень малая	Существенно меньше	Меньше
Энтальпия парообразования по сравнению с чистой водой	Сильно увеличена	Значительно увеличена	Несколько увеличена
Зона изотермы сорбции(рис. 10.6)	Органически связанная вода показывает практически нулевую активность и,таким образом, существует в экстремально левом конце зоны	Вода в зоне 1 изотермы состоит изнебольшого количества органической влаги с остатком монослоявлаги. Верхняя граница зоны I неявляется четкой и варьирует в зависимости от продукта и температуры	Вода в зоне 11 состоит из воды, присутствующей в зоне I, + вода добавленная или удаленная внутри зоны II(мультислойная влага). Граница зоны IIне является четкой и варьирует в зависимости от продукта и температуры
Стабильность пищевых продуктов	Самоокисление	Оптимальная стабильность при aw = 0,2-0,3	Если содержание воды увеличивается выше нижней части зоны II, скоростьпочти всех реакций увеличивается

Активность воды. Изотермы сорбции

Давно известно, что существует взаимосвязь (хотя и далеко не совершенная) между влагосодержанием пищевых продуктов и их сохранностью (или порчей). Поэтому основным методом удлинения сроков хранения пищевых продуктов всегда было уменьшение содержания влаги путем концентрирования или дегидратации.

Однако часто различные пищевые продукты с одним и тем же содержанием влаги портятся по-разному. В частности, было установлено, что при этом имеет значение, насколько вода ассоциирована с неводными компонентами: вода, сильнее связанная, меньше способна поддержать процессы, разрушающие (портящие) пищевые продукты, такие как рост микроорганизмов и гидролитические химические реакции.

Чтобы учесть эти факторы, был введен термин «активность воды». Этот термин безусловно лучше характеризует влияние влаги на порчу продукта, чем просто содержание влаги. Естественно, существуют и другие факторы (такие как концентрация 0₂, рН, подвижность воды, тип растворенного вещества), которые в ряде случаев могут сильнее влиять на разрушение продукта. Тем не менее, водная активность хорошо коррелирует со скоростью многих разрушительных реакций, она может быть измерена и использована для оценки состояния воды в пищевых продуктах и ее причастности к химическим и биохимическим изменениям. Активность воды (a_w) - это отношение давления паров воды надданным продуктом к давлению паров над чистой водой при той же температуре. Это отношение входит в основную термодинамическую формулу определения энергии связи влаги с материалом (уравнение Ребиндера):

ΔF = L = RTln

= -RT-lna_w

По величине активности воды (табл. 3) выделяют: продукты с высокой влажностью (a_w= 1,0-0,9); продукты с промежуточной влажностью (a_w= 0,9-0,6); продукты с низкой влажностью (а = 0,6-0,0).

Таблица 3 – Активность воды (a_w) в пищевых продуктах

Продукт	Влажность, %	aw	Продукт	Влажность, %	аw
Фрукты	90-95	0,97	Мука	16-19.	0,80
Яйца	70-80	0,97	Мед	10-15	0,75
Мясо	60-70	0,97	Карамель	7-8	0,65
Сыр	40	0,92-0,96	Печенье	6-9	0,60
Джем	30-35	0,82-0,94	Шоколад	5-7	0,40
Хлеб	40-50	0,95	Сахар	0-0,15	0,10
Кекс	20-28	0,83

Кривые, показывающие связь между содержанием влаги (масса воды, г Н₂0/г СВ) в пищевом продукте с активностью воды в нем при постоянной температуре, называются изотермами сорбции. Информация, которую они дают, полезна для характеристики процессов концентрирования и дегидратации (т.к. простота или трудность удаления воды связана с a_w), а также для оценки стабильности пищевого продукта. На рис. 10.5 изображена изотерма сорбции влаги для продуктов с высокой влажностью (в широкой области влагосодержания).

Рисунок 1. Изотерма сорбции влаги для продуктов с высокой влажностью

Однако, с учетом наличия связанной влаги, больший интерес представляет изотерма сорбции для области низкого содержания влаги в пищевых продуктах (рис. 1)

Рисунок 2.Изотерма сорбции влаги для области низкого содержания влаги в пищевых продуктах.

Для понимания значения изотермы сорбции полезно рассмотреть зоны I—III.

Свойства воды в продукте сильно отличаются по мере перехода от зоны I (низкие влагосодержания) к зоне III (высокая влажность). Зона I изотермы соответствует воде, наиболее сильно адсорбированной и наиболее неподвижной в пищевых продуктах. Эта вода абсорбирована, благодаря полярным вода-ион и вода-диполь взаимодействиям. Энтальпия парообразования этой воды много выше, чем чистой воды, и она не замерзает при — 40°С. Она неспособна быть растворителем, и не присутствует в значительных количествах, чтобы влиять на пластичные свойства твердого вещества; она просто является его частью.

Высоковлажный конец зоны I (граница зон I и II) соответствует монослою влаги. В целом зона I — соответствует чрезвычайно малой части всей влаги в высоковлажном пищевом продукте.

Вода в зоне II состоит из воды зоны I и добавленной воды (ресорбция) для получения воды, заключенной в зону II. Эта влага образует мультислой и взаимодействует с соседними молекулами через вода-вода—водородные связи. Энтальпия парообразования для мультислойной воды несколько больше, чем для чистой воды. Большая часть этой воды не замерзает при — 40°С, как и вода, добавленная к пищевому продукту с содержанием влаги, соответствующим границе зон I и II. Эта вода участвует в процессе растворения, действует как пластифицирующий агент и способствует набуханию твердой матрицы. Вода в зонах IIи I обычно составляет менее 5% от общей влаги в высоковлажных пищевых продуктах.

Вода в зоне III изотермы состоит из воды, которая была в зоне I и II, и добавленной для образования зоны III. В пищевом продукте эта вода наименее связана и наиболее мобильна. В гелях или клеточных системах она является физически связанной, так что ее макроскопическое течение затруднено. Во всех других отношениях эта вода имеет те же свойства, что и вода в разбавленном солевом растворе. Вода, добавленная (или удаленная) для образования зоны III, имеет энтальпию парообразования практически такую же, как чистая вода, она замерзает и является растворителем, что важно для протекания химических реакций и роста микроорганизмов. Обычная влага зоны III (не важно, свободная или удерживаемая в макромолекулярной матрице) составляет более 95% от всей влаги в высоковлажных материалах. Состояние влаги, как будет показано ниже, имеет важное значениедля стабильности пищевых продуктов.

В заключение следует отметить, что изотермы сорбции, полученные добавлением воды (ресорбция) к сухому образцу, не совпадают полностью с изотермами, полученными путем десорбции. Это явление называется гистерезисом. Изотермы сорбции влаги для многих пищевых продуктов имеют гистерезис. Величина гистерезиса, наклон кривых, точки начала и конца петли гистерезиса могут значительно изменяться в зависимости от таких факторов, как природа пищевого продукта, температура, скорость десорбции, уровень воды, удаленной при десорбции.

Как правило, изотерма абсорбции (ресорбции) нужна при исследовании гигроскопичности продуктов, а десорбции — полезна для изучения процессов высушивания.

Активность воды и стабильность пищевых продуктов

С учетом вышесказанного ясно, что стабильность пищевых продуктов и активность воды тесно связаны.

В продуктах с низкой влажностью могут происходить окисление жиров, неферментативное потемнение, потеря водорастворимых веществ (витаминов), порча, вызванная ферментами. Активность микроорганизмов здесь подавлена. В продуктах с промежуточной влажностью могут протекать разные процессы, в том числе с участием микроорганизмов. В процессах, протекающих при высокой влажности, микроорганизмам принадлежит решающая роль.

Окисление липидов начинается при низкой a_w. По мере ее увеличения скорость окисления уменьшается примерно до границы зон I и II на изотерме, а затем снова увеличивается до границы зон II и III. Дальнейшее увеличение a_w снова уменьшает скорость окисления. Эти изменения можно объяснить тем, что при добавлении воды к сухому материалу сначала имеет место столкновение с кислородом. Эта вода (зона I) связывает гидропероксиды, сталкивается с их продуктами распада и, таким образом, препятствует окислению. Кроме того, добавленная вода гидратирует ионы металлов, которые катализируют окисление, уменьшая их действенность.