Методы определения свободной и связанной влаги

1. Дифференциальная сканирующая калориметрия. Если образец охладить до температуры ниже 0°C, то свободная влага замерзает, связанная- нет. При нагревании замороженного образца в калориметрах можно измерить тепло, потребляемое для плавления замерзшей воды. Незамерзающая вода – разница между общей и замерзшей водой.

2. Термогравиметрический метод – основан на определении скорости высушивания. В контролируемых условиях границу между областью постоянной скорости высушивания и областью, где эта скорость снижается, можно принять за характеристику связанной влаги.

3. Диэлектрические измерения. Метод основан на том, что при 0°C значение диэлектрической проницаемости воды и льда примерно равны. Но если часть влаги связана, то ее диэлектрическое поведение должно сильно отличаться от диэлектрического поведения основной массы воды и льда.

4. Измерение теплоемкости. Теплоемкость воды больше, чем льда, т.е. с повышением температуры в воде происходит разрыв водородных связей. Это свойство используют для изучения подвижности молекул воды. Значение теплоемкости воды в зависимости от ее содержания в полимерах дает сведения о количестве связанной воды. Если при низких концентрациях вода специфически связана, то ее вклад в теплоемкость мал. В области высоких содержаний влажности в основном свободная влага, и ее вклад в теплоемкость примерно в 2 раза больше, чем льда.

5. ЯМР – изучение подвижности воды в неподвижной матрице. При наличии свободной и связанной влаги в ЯМР наблюдаются две линии.

Взаимодействие «вода – растворенное вещество». При добавлении различных веществ к воде изменяются свойства как самого вещества, так и воды. Гидрофильные вещества взаимодействуют с водой путем ион-дипольного механизма, вызывая изменения в структуре воды, ее подвижности, а также в структуре и реакционной способности гидрофильных веществ. Гидрофобные группы добавленных веществ взаимодействуют с близлежащей водой слабо, предпочитая неводное окружение. Молекулы около гидрофобных групп становятся более упорядоченными, приводя к уменьшению энтропии. Чтобы уменьшить контакт с водой, гидрофобные группы агрегируются. Этот процесс известен как гидрофобное взаимодействие.

Взаимодействие воды с ионами и ионогенными группами. Вода, взаимодействуя с ионами и ионогенными группами, является наиболее прочно связанной в пищевых продуктах. Нормальная структура чистой воды нарушается при добавлении диссоциирующих веществ. Для простых неорганических ионов, не обладающих способностью образовывать донорно-акцепторные связи, связь просто полярна. Пример – гидратированные ионы Na⁺ и Cl^- при растворении NaCl. Вода в мультислое существует в структурно разрушенном состоянии из-за конкурирующего влияния, с одной стороны, мультислоя, с другой – внешней массы воды.

Способность ионов изменять структуру воды тесно связана с силой электрического поля иона. Такие ионы как Na⁺, H⁺, H₃O⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, F^-, OH^- имеют сильное электрическое поле и образуют сетчатую структуру, от 4 до 6 молекул воды расположены около каждого из ионов.

Большие ионы (или моновалентные), такие как K⁺, Pb²⁺, Cs⁺, NH₄⁺, Cl^-, Br^-, J^-, NO₃^-, ClO₄^-, имеют слабое электрическое поле, сетчатая структура разрушается.

Ионы, благодаря их различной способности гидратироваться и влиять на диэлектрическую константу воды и толщу двойного электрического слоя около коллоидов, оказывают влияние на другие растворенные вещества или на вещества, суспензированные в среде. Поэтому, например, конформации белков и стабильность коллоидов сильно зависит от вида и количества присутствующих ионов.