Формы связи влаги с сухими веществами продуктов

Различают две формы существования воды в набухших полимерах: связанную, или гидратационную, и свободную, или капиллярную. Количество связанной воды зависит от степени гидрофильности полимера: чем выше его гидрофильные свойства, тем больше содержится связанной воды. Так, например, для желатина содержание связанной воды в два раза, а для агар-агара в четыре раза превышает массу сухого вещества. Связанная вода имеет ограниченную подвижность, что объясняет полутвердый характер пищевых студней. Свободная и связанная вода имеет большое значение при выпечке хлеба и технологической обработке мясных изделий.

Набухание играет большую роль в природе, в жизнедеятельности человека, а также во многих производствах, в том числе и в технологии приготовления пищи. Например, прорастанию зерна всегда предшествует его набухание. Кулинарная обработка круп, зерен бобовых, макаронных изделий, овощей, мяса и т. п. для лучшего усвоения этих продуктов сводится в основном к процессу набухания. Кроме того, начальный этап самого акта пищеварения - это в известной мере процесс набухания, сопровождающийся действием механических и химических факторов, усиливающих степень и скорость набухания.

Пищевые продукты представляют собой многокомпонентные системы и в тех или иных количествах содержат воду. Свойства продуктов зависят не только от количества содержащейся в них воды, но и от формы связи ее с другими веществами.

Воду можно условно разделить на два типа: свободную и связанную. Свободная вода - это вода пищевых продуктов, обладающая теми же свойствами, что и чистая вода. Связанная вода настолько прочно соединена с другими компонентами пищевых продуктов, что проявляет свойства, отличные от свойств свободной воды.

Вода в пищевых продуктах связывается с ними, но удерживается тканями с различной силой. Ученые выделяют три основные формы связи воды с веществами и структурными элементами пищевых продуктов в порядке убывающей энергии:

1. химическую (ионная и молекулярная связи);

2. физико-химическую (осмотическая и адсорбционная влага);

3. физико-механическую (влага смачивания, влага в макро- и микрокапиллярах).

В пищевых продуктах преобладают вторая и третья формы связи, на долю химической связи приходится незначительное количество влаги.

Химически связная вода удерживается ионными или молекулярными взаимодействиями.Эта вода прочно связана с материалом химическими связями, она может быть связана в виде гидроксильных ионов или заключена в кристаллогидраты и обладает максимальной энергией связи. Химически связанная вода утрачивает обычные свойства, то есть не растворяет химические вещества, имеет более низкую температуру замерзания и более высокую температуру кипения, не может использоваться для обменных процессов микроорганизмами и может быть удалена из продукта только путем химического взаимодействия или при прокаливании.

Физико-химическая связь обусловлена адсорбцией влаги в гидратных оболочках или осмотическим удерживанием в клетках и делится на адсорбционно-связанную и осмотически поглощенную.

Адсорбционно-связанная вода удерживается на внешней и внутренней поверхностях мицелл коллоидного тела. Она прочно удерживается молекулярным силовым полем и входит в состав мицелл различных гидрофильных коллоидов, из которых наибольшее значение имеют водорастворимые белки. Молекулы воды, расположенные ближе к мицелле, удерживаются электростатическими силами притяжения очень прочно. Чем дальше удалены молекулы воды от коллоидной частицы, чем слабее связь. Молекулы воды крайнего слоя обладают минимальной энергией связи с мицеллами. В зависимости от энергии связи изменяются и свойства адсорбционно-связанной воды. Наиболее прочно связанная вода не растворяет органические вещества и минеральные соли, не усваивается микроорганизмами и т.д. Менее прочно связанная вода обладает всеми свойствами свободной воды.

Осмотически поглощенная вода находится в микропространствах, образованных мембранами и волокнистыми структурами клеток. При образовании гелей часть воды захватывается внутрь скелета геля, находится там в полупроницаемом мешочке и удерживается осмотическими силами. Другая часть осмотически поглощенной воды проникает внутрь клеток из окружающей среды через стенки в результате осмоса, так как внутри клеток концентрация растворимой фракции веществ больше, чем в наружной.

Осмотически поглощенная влага связана с сухими веществами продуктов непрочно и обладает свойствами свободной воды.

Физико-механическая связь обусловлена удержанием влаги в микро- и макрокапиллярах (имобилизованная влага) и прилипанием ее к поверхности тела (влага смачивания). Физико-механически связанная вода удерживается в неопределенных соотношениях.

Пищевые продукты в большинстве имеют макро- и микрокапиллярное строение. Капилляры, средний радиус которых больше 10^{-5 см, называют макрокапиллярами, а меньше 10-5}см - микрокапиллярами. Макро- микрокапиллярная влага представляет собой растворы, содержащие минеральные и органические вещества продукта. Микрокапиллярная влага из продукта удаляется труднее, чем макрокапиллярная. Капиллярную влагу можно рассматривать как свободную, она связана с продуктом в неопределенном количестве и перемещается в капиллярах в виде жидкости и пара.

Влага смачивания - влага в виде мельчайших капель на поверхности разреза тканей продуктов. Она удерживается силами поверхностного натяжения. Влага смачивания довольно легко удаляется из продукта, она не прочно связана с субстратом.

По преобладанию формы связи влаги продукты можно разделить на: коллоидные (физико-химически связанная влага - золи и гели, целые ткани мяса, рыбы и пр.); капиллярно-пористые (физико-механически связанная влага); коллоидные капиллярно-пористые ( имеющие качества, присущие первым и вторым, например мясной фарш, творожно-сырковая масса и пр.).

В растительных и животных тканях пищевых продуктов преобладает свободная вода. Так, в мышцах животных и рыб основная часть воды связана с гидрофильными белками за счет осмотических (45-55 %), капиллярных (40-45 %) сил, воды смачивания (0,8—2,5 %), а на долю связанной воды приходится только 6,5—7,5 %. В плодах и овощах находится до 95 % свободной воды.

Вода в пищевых продуктах при переработке и хранении может переходить из свободной в связанную, и наоборот, что вызывает изменение свойств продуктов. Свободная вода удаляется при высушивании и замораживании продуктов, является активным растворителем, активизирует биохимические процессы, развитие микроорганизмов. За счет нее главным образом происходит естественная убыль массы - усушка продуктов при хранении и транспортировании. Свободную воду называют также активной водой.

Влагу при необходимости удаляют из продуктов сушкой или механическими способами (отжатием, центрифугированием и т.д.). Различные виды связи воды в пищевых продуктах обусловливают механизм удаления этой воды при их сушке. Адсорбционно-связанная вода, прежде чем будет удалена из продукта, должна быть превращена в пар. Осмотически связанная вода большей частью перемещается внутри материала в виде жидкости. Капиллярная влага перемещается при сушке в материале как в виде пара, так и в виде жидкости.

Во время сушки вначале удаляется слабо связанная вода, удерживаемая физико-механическими и физико-химическими связями, то есть влага смачивания, капиллярная и осмотическая, а затем более или менее сильно удерживаемая адсорбционная. Осмотическая влага удаляется во время сушки раньше, чем удаляется микрокапиллярная влага.