Вода в пищевых продуктах

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

-изучение различных форм  связи воды в пищевых продуктов;

-выяснение взаимосвязи  активности воды пищевых продуктов  с их физико-химическими, реологическими  и технологическими свойствами, а также качественными изменениями  при обработке и хранении.

а) Свободная и связанная  влага в пищевых продуктах

Вода в пищевых продуктах  играет, как уже отмечалось, важную роль, т. к. обусловливает консистенцию и структуру продукта, а ее взаимодействие с присутствующими компонентами определяет устойчивость продукта при  хранении.

Общая влажность продукта указывает на количество влаги в  нем, но не характеризует ее причастность к химическим, биохимическим и  микробиологическим изменениям в продукте. В обеспечении его устойчивости при хранении важную роль играет соотношение  свободной и связанной влаги. Связанная влага -- это ассоциированная вода, прочно связанная с различными компонентами -- белками, липидами и углеводами за счет химических и физических связей. Свободная влага -- это влага, не связанная полимером и доступная для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций. Рассмотрим некоторые примеры.[6]

При влажности зерна 15 -- 20% связанная вода составляет 10 -- 15%. При  большей влажности появляется свободная  влага, способствующая усилению биохимических  процессов (например, прорастанию зерна).

Плоды и овощи имеют  влажность 75 -- 95%. В основном, это  свободная вода, однако примерно 5% влаги  удерживается клеточными коллоидами в  прочно связанном состоянии. Поэтому  овощи и плоды легко высушить до 10 -- 12%, но сушка до более низкой влажности требует применения специальных  методов.

Большая часть воды в продукте может быть превращена в лед при --5°С, а вся -- при -- 50°С и ниже. Однако определенная доля прочно связанной влаги не замерзает даже при температуре --60°С.[6]

«Связывание воды» и «гидратация» -- определения, характеризующие способность воды к ассоциации с различной степенью прочности с гидрофильными веществами. Размер и сила связывания воды или гидратации зависит от таких факторов, как природа неводного компонента, состав соли, рН, температура.

В ряде случаев термин «связанная вода» используется без уточнения  его смысла, однако предлагается и  достаточно много его определений. В соответствии с ними связанная  влага:

--характеризует равновесное  влагосодержание образца при  некоторой температуре и низкой  относительной влажности;

--не замерзает при низких  температурах (--40°С и ниже);

--не может служить растворителем  для добавленных веществ;

--дает полосу в спектрах  протонного магнитного резонанса;

--перемещается вместе  с макромолекулами при определении  скорости седиментации, вязкости, диффузии;

--существует вблизи растворенного  вещества и других неводных  веществ и имеет свойства, значительно  отличающиеся от свойств всей массы воды в системе.

Указанные признаки дают достаточно полное качественное описание связанной  воды. Однако ее количественная оценка по тем или иным признакам не всегда обеспечивает сходимость результатов. Поэтому большинство исследователей склоняются к определению связанной  влаги только по двум из перечисленных  выше признаков. По этому определению, связанная влага -- это вода, которая существует вблизи растворенного вещества и других неводных компонентов, имеет уменьшенную молекулярную подвижность и другие свойства, отличающиеся от свойств всей массы воды в той же системе, и не замерзает при -- 40°С. Такое определение объясняет физическую сущность связанной воды и обеспечивает возможность сравнительно точной ее количественной оценки, т.к. вода, незамерзающая при -- 40°С, может быть измерена с удовлетворительным результатом (например, методом ПМР или калориметрически). При этом действительное содержание связанной влаги изменяется в зависимости от вида продукта.[10]

Причины связывания влаги  в сложных системах различны. Наиболее прочно связанной является так называемая органически связанная вода. Она  представляет собой очень малую  часть воды в высоковлажных пищевых продуктах и находится, например, в щелевых областях белка или в составе химических гидратов. Другой весьма прочно связанной водой является близлежащая влага, представляющая собой монослой при большинстве гидрофильных групп неводного компонента. Вода, ассоциированная таким образом с ионами и ионными группами, является наиболее прочно связанным типом близлежащей воды. К монослою примыкает мультислойная вода (вода полимолекулярной адсорбции), образующая несколько слоев за близлежащей водой. Хотя мультислой -- это менее прочно связанная влага, чем близлежащая влага, она все же еще достаточно тесно связана с неводным компонентом, и потому ее свойства существенно отличаются от чистой воды. Таким образом, связанная влага состоит из «органической», близлежащей и почти всей воды мультислоя.[7]

Кроме того, небольшие количества воды в некоторых клеточных системах могут иметь уменьшенные подвижность  и давление пара из-за нахождения воды в капиллярах. Уменьшение давления пара и активности воды (aw) становится существенным, когда капилляры имеют диаметр меньше, чем 0,1µ м. Большинство же пищевых продуктов имеют капилляры диаметром от 10 до 100 мм, которые, по-видимому, не могут заметно влиять на уменьшение aw в пищевых продуктах.

В пищевых продуктах имеется  также вода, удерживаемая макромолекулярной  матрицей. Например, гели пектина и  крахмала, растительные и животные ткани при небольшом количестве органического материала могут  физически удерживать большие количества воды [3].

Хотя структура этой воды в клетках и макромолекулярной  матрице точно не установлена, ее поведение в пищевых системах и важность для качества пищи очевидна. Эта вода не выделяется из пищевого продукта даже при большом механическом усилии. С другой стороны, в технологических  процессах обработки она ведет  себя почти как чистая вода. Ее, например, можно удалить при высушивании  или превратить в лед при замораживании. Таким образом, свойства этой воды, как свободной, несколько ограничены, но ее молекулы ведут себя подобно  водным молекулам в разбавленных солевых растворах.

Именно эта вода составляет главную часть воды в клетках  и гелях, и изменение ее количества существенно влияет на качество пищевых  продуктов. Например, хранение гелей  часто приводит к потере их качества из-за потери этой воды (так называемого  синерезиса).

Консервирование замораживанием тканей часто приводит к нежелательному уменьшению способности к удерживанию  воды в процессе оттаивания.[7]

 

Свойства различных видов  влаги в пищевых продуктах

Свойства	Органически связанная вода	Монослой	Мультислой
Общее описание	Вода как общая частьневодного компонента	Вода, которая сильно взаимодействует  с гидрофильными группами неводных компонентов путем вода-ион, или  вода -- диполь ассоциации; вода в микрокапиллярах (d < 0,1 \м)	Вода, которая примыкает к монослою и которая образует несколько слоев вокруг гидрофильных групп неводного 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	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 монослоя влаги. Верхняя граница зоны I не является 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 зоныII(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, скорость почти всех реакций

 

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 (aw) - 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):

ДF =L=RTln =-RT-lnaw.

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

 

Таблица 3 - Активность воды (aw) в пищевых продуктах

Продукт	Влажность, %	aw		ПроПродукт	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 aw), 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 3. 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

Рисунок 4.Изотермы 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). ЗонаI 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.

Высоко влажный 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 II и 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 высоко влажных материалах. Состояние  влаги, как будет показано ниже, имеет  важное значение для стабильности пищевых продуктов.