Образование водородных связей

Водородные связи «вода – растворенное вещество» более слабые, чем «вода – ионное взаимодействие». Тем не менее, подобным образом связанная вода может быть классифицирована как «органически связанная» или «близлежащая», так как она менее подвижна по сравнению с основной водой в растворе.

Вещества, способные к образованию водородных связей, не должны разрушать нормальную структуру воды. Однако в ряде случаев отмечается ориентация водородных связей, отличная от нормальной воды. Вода может образовывать связь с различными потенциально подходящими группами (гидрокси-, амино-, карбонил-, амид- или имино-). Например, вода образовывать связи с двумя видами функциональных групп белков. Эти связи могут быть как в одной макромолекуле между различными группами, так и между разными макромолекулами.

В системе «вода – неполярное вещество» возможно два вида структурных образований за счет взаимодействия «вода – вещество».

1. Образование квадратных гидратов. Это соединения включения по типу «гость – хозяин». «Хозяином» в данном случае является сетка из 20-74 водных молекул, связанных друг с другом за счет водородных связей. «Молекулы-гости» в квадратных гидратах – это различные низкомолекулярные молекулы (углеводороды, галогенуглеводороды, спирты, амины, карбонильные соединения). Взаимодействие между водой и «гостем» часто происходит за счет слабых сил Ван-дер-Ваальса, в некоторых случаях может иметь и электростатический характер. Такого типа соединения могут образовываться в биологических материалах и влиять на биологическую активность таких молекул как белки, углеводы, липиды.

2. Гидрофобные взаимодействия в белках. Около 40% аминокислот в большинстве белков имеют неполярные группы. В гидрофобных взаимодействиях могут участвовать и неполярные группы в спиртах, жирных кислотах. По силе эти взаимодействия приблизительно такие же, как силы Ван-дер-Ваальса. Гидрофобные взаимодействия важны для четвертичной структуры многих белков, поэтому вода играет важную роль в стабилизации определенных конформаций белка.

Активность воды

Известно, что существует взаимосвязь между влагосодержанием пищевых продуктов и его 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 имеют различный срок хранения. Это зависит от того, насколько вода ассоциирована с неводными компонентами. Чем более связанной является вода, тем менее она способна поддерживать процессы порчи продукта, такие как рост микроорганизмов и гидролитические химические реакции.

Чтобы учесть эти факторы, был введен термин «активность воды». Этот термин более адекватно отражает влияние влаги на порчу продукта. Дополнительно следует учитывать pH, содержание кислорода, подвижность воды и многие другие факторы.

Активность воды обозначается a _w. Это отношение давления паров воды над данным продуктом к давлению паров над чистой водой при одной и той же температуре. Это отношение входит в основную термодинамическую формулу определения энергии связи влаги с материалом (уравнение Ребиндера):

DF=RT ln _,

где DF – уменьшение свободной энергии (при постоянной температуре);

R – универсальная газовая постоянная;

p₀ – давление пара чистой воды;

p_w – давление водяного пара в системе пищевого продукта.

a_w = = ,

где РОВ – относительная влажность в состоянии равновесия, при которой продукт не впитывается и не теряет влагу в атмосферу, %.

 

Таблица. Активность воды (a_w) в пищевых продуктах

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

 

Активность воды характеризует состояние воды в пищевых продуктах, ее причастность к химическим и биохимическим превращениям. По величине a_w различают:

1. продукты с высокой влажностью (a_w = 1,0-0,9);

2. продукты с промежуточной влажностью (a_w = 0,9-0,6);

3. продукты с низкой влажностью (a_w = 0,6-0,0).

 

Изотермы сорбции

Графические зависимости, характеризующие связь между содержанием влаги в г(H₂O) / г(сухого вещества) в пищевом продукте с активностью воды в нем при постоянной температуре, называются изотермами сорбции. Информация, которую они дают, полезна с двух точек зрения:

1. для процессов концентрирования и дегидратации, т.к. простота или трудность удаления воды непосредственно связанна с a_w;

2. для оценки стабильности пищевого продукта.

На ниже приведенном рисунке даны изотермы сорбции влаги для продуктов с высокой влажностью (рис.1) и для продуктов с низким содержанием влаги (рис.2).

рис.1

 

рис. 2

 

Свойства воды сильно отличаются по мере перехода от 1 зоны (сухая) к 2 зоне (высокая влажность). Вода, присутствующая в зоне 1 изотермы, наиболее сильно адсорбирована и наиболее неподвижна в пищевых продуктах. Эта вода абсорбирована, благодаря полярным вода-ион и вода-диполь взаимодействиям. Граница зон 1 и 2 (заштрихована) соответствует монослою содержания влаги в пище. Эта зона – чрезвычайно малая часть всей влаги в высоковлажном пищевом продукте.

Зона 2 – это вода, добавленная к пищевому продукту (ресорбция). Эта влага образует мультислой и взаимодействует с соседними молекулами через вода-вода-водородные связи. Она участвует в процессе растворения, действует как пластифицирующий агент, способствует набуханию твердой матрицы. Суммарная вода в зонах 1 и 2 составляет менее 5% от всей воды в высоковлажных продуктах.

В зоне 3 вода состоит из воды, которая была в зоне 1 и 2, и добавленной для образования зоны 3. Эта вода наименее связана и наиболее мобильна. Влага зоны 3 составляет более 95% от всей влаги пищевого продукта. Она может быть как свободной, так и удерживаемой в макромолекулярной матрице.