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 aw. 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):
F=RT
ln
,
где F – уменьшение свободной энергии (при постоянной температуре);
R – универсальная газовая постоянная;
p0 – давление пара чистой воды;
pw – давление водяного пара в системе пищевого продукта.
aw
=
=
,
где РОВ – относительная влажность в состоянии равновесия, при которой продукт не впитывается и не теряет влагу в атмосферу, %.
Таблица. Активность воды (aw) в пищевых продуктах
-
Продукт
Влажность, %
aw
Фрукты
90-95
0,97
Яйца
70-80
0,97
Мясо
60-70
0,97
Сыр
40
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 aw различают:
1. продукты с высокой влажностью (aw = 1,0-0,9);
2. продукты с промежуточной влажностью (aw = 0,9-0,6);
3. продукты с низкой влажностью (aw = 0,6-0,0).