И связанной влаги в пищевых продуктах

Наличие воды, особенности её распределения и связи с другими компонентами продукта особенно важны для характеристики структуры и сроков хранения пищевых продуктов.

В соответствии с существующими ныне классификационными системами различают свободную и связанную воду. Свободная вода является непрерывной средой, в которой растворены другие компоненты пищи: органические кислоты, минеральные вещества, сахара, ароматические вещества. Как растворитель свободная вода участвует во всех биохимических, микробиологических процессах и химических реакциях. Это один из важных факторов активности воды, влияющих на порчу пищевых продуктов. В то же время количество свободной воды можно уменьшить или полностью удалить высушиванием, замораживанием или сгущением. Свободная вода в первую очередь способна к замерзанию, а затем могут замерзать все остальные виды влаги в порядке убывания энергии связи.

В соответствии с классификацией Ребиндера П.А., связанная вода – это вода, имеющая связь с сухим веществом продукта. Она по форме связи с компонентами и по мере убывания её энергии согласно этой же классификации делится на три группы: химической, физико-химической и механической связи. Различия существуют в форме и энергии связи (прочности). Влага, химически связанная, входит в состав сухих веществ. Например, в молочных продуктах это вода кристаллогидратов молочного сахара (С₁₂Н₂₂О₁₁·Н₂О). Она обладает наибольшей энергией связи, очень прочна, разрушается с большим трудом и только при высоких температурах (125…130 °С).

В сущности, когда говорят о связанной воде, то имеют в виду физико-химическую наиболее или наименее прочно удерживаемую влагу. Она образуется в результате притяжения диполей воды полярными группами молекул белков. При адсорбировании воды диполи располагаются слоями вокруг гидрофильных групп молекулы белка, образуя гидратную (водную) оболочку. Первый слой оболочки (мономолекулярный) связан с белком наиболее прочно, последующий (диффузный) слой – с меньшей энергией связи. Связанная вода первого слоя – влага мономолекулярной адсорбции, вода остальных слоев – влага полимолекулярной адсорбции. В результате вокруг белковых частиц образуются гидратные оболочки, препятствующие их соединению. Аналогичные оболочки создаются и вокруг жировых шариков.

Поскольку молоко – это биологическая жидкость, то основным её компонентом является вода (86…89 %). По данным Давидова Р.Б., количество связанной воды в цельном молоке 3,5 %, которая распределена таким образом, что 84 % её связано с белками. Как таковое содержание связанной влаги относительно постоянно в пищевых продуктах, оно пропорционально концентрации растворённых веществ. Особую роль играет связанная вода (мономолекулярная и полимолекулярная адсорбция) в стабильности белковых систем.

Физико-химически связанной воде присущи важные особенности, которыми она отличается от свободной воды: не замерзает при низких температурах (минус 40 °С), не растворяет сахар и соли, не удаляется из продукта при высушивании и, что особенно важно для сохранности продукта, недоступна микроорганизмам, т.е. не служит средой, активизирующей химические процессы. Влажность продукта, равная содержанию влаги моно- и полимолекулярной адсорбции, обеспечивает и должную сохранность продукта.

Для высококонцентрированных белковых продуктов (сыры, творог), обладающих высокими водосвязывающими свойствами, характерно высокое содержание связанной воды и более энергоёмких форм связи – моно- и полимолекулярной адсорбции. Поэтому эти продукты рекомендуют выбирать как объекты замораживания и дальнейшего низкотемпературного хранения. Особенности структуры этих продуктов (макро- и микрозерна, прослойки, микропустоты) обусловливают присутствие другой, малоэнергоёмкой (непрочной) влаги физико-химической связи. Она, как дисперсионная среда, заполняет макро- и микрокапилляры, грубые поры, а также удерживается поверхностью продукта. Наименее прочная вода механической связи обладает свойствами свободной. Эта влага кристаллизуется в первую очередь. Для сыров характерно отсутствие самой малоэнергетической формы связи – поверхностной влаги. Характер связи влаги с компонентами сыра объясняется его весьма сложной структурой. Количество влаги по видам связи (таблица 10) находится в подвижном равновесии, зависящем от рН.

Фазовые превращения воды в лёд являются очень важными явлениями при замораживании продуктов и происходят при достижении ими криоскопической точки (температуре начала кристаллообразования). Криоскопические температуры находятся в прямой связи с концентрацией растворённых веществ (соль, лактоза, минеральные вещества). Для цельного молока криоскопическая температура составляет минус 0,5 °С, а для сыров – от минус 4,5 до минус 10 °C. Вода, превратившаяся в лед, является вымороженной, а её доля увеличивается с понижением температуры.

Таблица 10 – Содержание различных видов влаги и формы связи её

в сырах и твороге (по Табачникову В.П. и Алексееву Н.Г.)

На пищевых предприятиях обычно контролируется только массовая доля влаги в объекте, независимо от формы её связи, то есть влажность. Выражается этот показатель в процентах или в долях единицы.

При определении влажности чаще всего используются термогравиметрические и рефрактометрические методы.

Термогравиметрический метод (метод сушки) основан на удалении влаги из исследуемого материала (навеску взвешивают до сушки и после получения сухого остатка) и определении убыли в массе, которая условно принимается за влагу.

К термогравиметрическим методам относятся: метод высушивания до постоянной массы, ускоренные методы на электроплитках и экспресс-методы высушивания на приборе ВНИИХП-ВЧ (Чижовой).

Рефрактометрическое определение влажности основано на непосредственном определении сухих веществ в самом объекте или его растворе по показателю преломления, измеряемому с помощью рефрактометра. Влажность в этом случае рассчитывается по разности единицы массы анализируемого вещества и доли в ней сухих веществ. Рефрактометрические методы просты и удобны при пользовании ими. Они незаменимы при необходимости быстрого проведения анализа. Например, при выработке сгущённого молока с сахаром готовность смеси перед фасовкой определяется с помощью рефрактометра.

Для определения свободной и связанной воды в пищевых продуктах используют следующие методы:

• метод дифференциальной сканирующей калориметрии;

• термогравиметрический метод измерения скорости высушивания в контролируемых условиях;

• метод ядерно-магнитного резонанса.