Физические и химические свойства воды и льда

Вода плавится и кипит при высоких температурах, она имеет необычайно высокие значения поверхностного натяжения, диэлектрической постоянной, теплоемкости и т.д. Кроме этого для нее характерно невысокое значение для плотности, свойство расширяться при замерзании, нормальная вязкость. Вода имеет высокую теплопроводность по сравнению с другими жидкостями, теплопроводность льда больше по сравнению с другими неметаллическими твердыми телами. Теплопроводность льда при 0C приблизительно в 4 раза больше, чем воды при той же температуре, т.е. лед проводит тепло во много раз быстрее, чем вода при той же температуре (неподвижная вода в тканях). Эти различия в значениях теплопроводности объясняют тот факт, что ткани замерзают быстрее, чем оттаивают.

Структура и свойства молекулы воды

Молекула воды имеет тетраэдрическую координацию, атом кислорода- sp²-гибридизацию. Две гибридные орбитали образуют O-H-ковалентные связи, которые из-за электроотрицательного кислорода на 40% ионизированы. Вода образует водородные связи с другими молекулами воды. Энергия диссоциации водородной связи 25 кДж/моль.

Транспорт протона происходит вдоль водородной связи. Независимо от того, получен протон путем диссоциации воды или от кислоты, он будет взаимодействовать с водой, при этом образуется H₃O⁺ с исключительно сильной водородной связью (100 кДж/моль).

Вода может влиять на конформацию макромолекул за счет образования водородных, ионных связей или за счет сил Ван-дер-Ваальса.

Свободная и связанная влага в пищевых продуктах

Классификация и свойства. В пищевых продуктах вода обеспечивает консистенцию и структуру продукта, ее взаимодействие с присутствующими компонентами определяет устойчивость продукта при хранении. Общая влажность продукта указывает на количество влаги в продукте, но не характеризует ее причастность к химическим и биологическим изменениям. С точки зрения устойчивости продукта при хранении играет роль соотношение свободной и связанной влаги.

Связанная влага – этот термин для ассоциированной воды. Такая влага прочно связана с различными компонентами пищи – белками, липидами, углеводами.

Свободная влага – это влага, не связанная с полимером.

Определенная доля прочно связанной влаги не замерзает даже при 60C. Например, общая влажность зерна – 15-20%. При этом 10-15% в нем – это связанная вода. Если влаги больше, то появляется свободная влага, и усиливаются биохимические процессы, например, начинается прорастание зерна.

Плоды и овощи содержат 75-95% влаги. В основном это свободная влага, только приблизительно 5% удерживается клеточными коллоидами в связанном состоянии. Она очень прочно связана. Поэтому овощи и плоды легко высушить до остаточной влаги 10-12%, для получения более низкой влажности нужны специальные методы. Причем большая часть воды в плодах может быть превращена в лед при 5C, а вся – при 50C и ниже.

Способность воды связываться с другими веществами, в том числе компонентами пищи, зависит от многих факторов, включая природу компонента, с которыми осуществляется связывание, состав соли, pH, температуру. Причины связывания влаги в сложных системах различны.

По степени прочности связывания прочно связанную воду можно классифицировать следующим образом:

1. наиболее прочно связанная вода – это та, которая существует как «органически» связанная вода. В основном это химические гидраты;

2. близлежащая влага – это монослой при большинстве гидрофильных групп неводного компонента;

3. мультислойная вода. Она примыкает к монослою и образует несколько следующих слоев.

Хотя мультислой – это менее прочно связанная влага, чем близлежащая влага, она еще достаточно прочно связана с неводным компонентом, и поэтому ее свойства существенно отличаются от чистой воды. Таким образом, связанная влага состоит из «органической», близлежащей и почти всей воды мультислоя. Кроме того, небольшие количества воды в некоторых клеточных системах могут иметь уменьшенную подвижность и давление пара из-за физического заключения воды в макрокапиллярах. Уменьшение давления пара становится существенным, когда капилляры имеют диаметр меньше, чем 0,1мм. Поскольку большинство пищевых продуктов имеют капилляры размером от 10 до 100мк, это исключает значимость этого механизма для уменьшения активности воды в пищевых продуктах за счет изменения давления пара.

В пищевых продуктах, кроме того, есть вода, удерживаемая макромолекулярной матрицей. Например, гели пектина и крахмала, растительные и животные ткани могут удерживать большое количество воды, при этом небольшое количество органического материала физически удерживает большое количество воды.

Таблица. Органически связанная вода в пищевых продуктах

Общее описание	Характеристика
Точка замерзания по сравнению с чистой водой	Не замерзает при 40C
Способность служить растворителем	Не может
Энтальпия парообразования по сравнению с чистой водой	Сильно увеличена
% от общего содержания воды в продуктах с высокой влажностью (90%)	0,03%

Важность этой воды в пищевых системах очевидна. С одной стороны, эта вода не удаляется из пищевого продукта даже при очень большом механическом усилии. С другой стороны, эта вода ведет себя почти как чистая вода во время технологических процессов обработки. Например, ее можно удалить при высушивании или превратить в лед при замораживании. Эта вода составляет главную часть воды в клетках и гелях, и количественное изменение имеет большое значение для качества пищевых продуктов. Например, хранение гелей часто приводит к потере качества из-за потери этой воды. Это явление известно под названием «синерезис». Консервирование замораживанием тканей часто приводит к нежелательному уменьшению способности к удерживанию воды, когда идет оттаивание.