Файл: Лекция Влияние воды, содержащиеся в продуктах на их свойства и сохраняемость.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 77
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Лекция 4.Влияние воды, содержащиеся в продуктах на их свойства и сохраняемость.
Пищевые продукты сильно различаются по содержанию воды. Так, в зерне и муке ее содержится 12—15 %, в хлебе печеном - 23-48, в крахмале - 13-20, в сахаре - 0,15-0,40, в плодах сушеных - 12-25, в плодах свежих - 75-90, в овощах свежих - 65-95, в говядине - 58-74, в рыбе — 62 84, и молоке
87-90, в пиве — 86-91 %. Из приведенных данных следует, что содержание воды в составе некоторых продуктов превышает 50 %.
Вода является основным компонентом многих пищевых продуктов и оказывает преобладающее влияние на многие показатели качества.
Продукты с высоким содержанием воды нестойки при хранении, так как в них быстро развиваются микроорганизмы. Вода способствует ускорению химических, биохимических и других процессов в пищевых продуктах. Сырые мясо и рыба легко поражаются бактериями, а плоды и овощи плесневыми грибами.
Продукты с малым содержанием воды лучше сохраняются. Так, зерно с повышенной влажностью при хранении может самосогреваться, прорастать, плесневеть, тогда как сухое черно хорошо сохраняется в сухом помещении годами. П»кже долго сохраняются мука, крупа, сушеные плоды и овощи и другие продукты.
Свежие плоды и овощи при потере воды свыше известных пределов увядают, сморщиваются, перезревают, и качество их резко снижается.
В продуктах растительного и животного происхождения имеются соединения с резко выраженными коллоидными свойствами, способные при набухании воспринимать огромное количество воды. Примером таких соединений являются неденатурированные белки. В коллоидном состоянии в пищевых продуктах могут находиться некоторые жироподобные вещества, например лецитины или высокомолекулярные углеводы — крахмал, пектиновые и другие вещества, которые также могут связать воду. Скорость набухания и максимум поглощения воды зависят от многих причин - характера коллоидов, их индивидуальной гидрофилъности, концентрации, присутствия различных солей.
3. Группы пищевых продуктов в зависимости от влагосодержания.
На сохраняемость пищевых продуктов влияют их химический состав и интенсивность протекающих в них процессов: физических, биохимических и микробиологических. В зависимости от этих факторов пищевые продукты можно разделить на три группы.
В первую группу входят скоропортящиеся продукты, содержащие большое количество воды, - плоды, овощи, мясо, молоко и др. Кроме воды, они содержат белки, углеводы, жиры, минеральные соли и витамины, что создает благоприятные условия для развития микроорганизмов. В них также активно протекают биохимические и химические процессы.
Ко второй группе относят продукты с низким содержанием воды - зерно, муку, крупу, сухари, сахар, растительное масло и др. Для этой группы типичны физические, физико-химические и химические процессы. Эта группа товаров отличается хорошей сохраняемостью.
К третьей группе относят продукты, содержащие консервирующие вещества, например соль в сельди, сахар в варенье, спирт в ликероводочных изделиях и др. В эту группу входят также консервы, сохраняемость которых обусловлена термической обработкой. Для них характерны физические и химические процессы.
Процессы, протекающие в хранящихся пищевых продуктах, взаимосвязаны. Качество и потери отдельного продукта зависят от совместного воздействия различных процессов, их направленности и интенсивности. Качество некоторых продуктов при хранении в течение определенного времени может улучшаться, что наблюдается при дозревании осенних и зимних сортов яблок и груш, помидоров, бананов, при созревании мяса, выдержке марочных коньяков и вин. Для других товаров (крупа, сахар, картофель, свекла и др.) можно сохранить первоначальное качество, создав оптимальные условия хранения. Однако практически невозможно полностью исключить снижение качества и потери продукта при хранении.
Важной задачей, стоящей перед товароведом, является создание таких условий хранения, при которых изменения качества, пищевой ценности и потери были бы минимальными.
-
Формы связи влаги в пищевых продуктах и их характеристика.
Пищевые продукты являются системами, в которых влага имеет различные формы связи с твердым скелетом. Ряд исследователей упрощает классификацию форм связи воды к предлагает различать две основные группы: свободную и связанную воду. Свободная вода — это вода, обладающая теми же свойствами, что и чистая вода. В коллоидных системах свободная вода соответствует первой фазе механизма взаимодействия воды с коллоидом и представляет собой «межмицеллярную» жидкость, обладающую известными свойствами воды.
Связанная вода, особо прочно адсорбированная на поверхности «мицелл» отличается рядом особенностей: она труднее испаряется, является плохим растворителем и может находиться под повышенным давлением, обусловленным молекулярным силовым полем; поэтому плотность адсорбционно связанной воды может несколько увеличиться. Прочное связывание воды иногда увязывают с теорией образования «твердого раствора» при «внутримицеллярном» взаимодействии.
Указанная выше упрощенная классификация исходит главным образом из физико-химических свойств различных форм связи воды, но не отражает природы их образования.
Большой интерес представляет связанная вода, настолько прочно соединенная с другими компонентами пищевых продуктов, что проявляет свойства, отличные от свойств свободной воды. Почти вся вода пищевых продуктов находится в связанном состоянии, но удерживается тканями с различной силой. Академик П.А.Ребиндер предложил классификацию форм связи воды с материалом. В основу этой классификации он доложил природу образования различных форм связи и энергию связи. Связь воды с материалом, по академику П.А.Ребиндеру, определяется энергией, которую надо затратить на нарушение этой связи при удалении влаги из материала.
По классификации П.А.Ребиндера, формы связи влаги с материалом в порядке убывающей энергии делятся на три группы: химическую, физико-химическую и физико-механическую.
Химически связанная вода может быть связана в виде гидроксильных ионов или заключена в кристаллогидраты.
Такая связь является самой прочной, и вода может быть удалена из продукта только путем химического взаимодействия или при прокаливании.
2. Физико-химическая связь — удержание влаги в различных, не строго определенных соотношениях. Этой форме соответствуют различные виды связи влаги:
а) адсорбционно связанная влага —- жидкость, удерживаемая силовым полем на внешней и внутренней поверхности «мицелл» — коллоидных частиц с сольватным слоем, а иногда и с двойным слоем ионов, строение которого определяет заряд «мицеллы». Коллоидные материалы (тела) характеризуются весьма значительной дисперсностью частиц, условный радиус которых составляет 0,1—0,001 мкм.
Вследствие такой дисперсности коллоидные тела обладают огромной внутренней поверхностью, а следовательно, и значительной свободной поверхностной энергией, благодаря которой происходит адсорбционное связывание воды. Мерой этой свободной поверхностной энергии является поверхностное натяжение: чтобы из молекул объема тела образовать 1 см2 поверхности, необходимо затратить работу; вся эта работа превращается в избыток свободной поверхностной энергии, которая характеризуется поверхностным натяжением Θ
На рис. показана упрощенная схема взаимодействия двух фаз на границе раздела (например, жидкость — пар).
Рис. I. Упрощенная схема взаимодействия двух фаз (жидкость — пар) на границе раздела
Молекулы, находящиеся внутри тела, испытывают одинаковое притяжение со стороны всех окружающих молекул, и равнодействующая сил притяжения равна нулю. В то же время молекулы, находящиеся на поверхности тела, в большей или меньшей мере не уравновешены и обладают свободной энергией: за счет этой энергии притягиваются молекулы другой фазы (граничной среды), у которой связь между молекулами меньше, чем у рассматриваемого тела.
При поглощении воды коллоидным телом выделяется теплота набухания (гидратации) и происходит сжатие системы коллоидное тело — вода. Наибольшее количество тепла выделяется при присоединении первого мономолекулярного слоя, который связан с материалом наиболее прочно. С. М. Липатов доказал термическую аналогию процессов набухания и растворения. Удаление прочно связанной с телом адсорбционной влаги связано с соответствующей затратой энергии. А. В. Лыков нашел, что для удаления адсорбционной влаги она должна быть превращена в пар, после чего начинается перемещение ее к наружной поверхности тела;
б) осмотически удержанная влага (влага набухания и структурная влага) — влага, находящаяся в замкнутых ячейках, как поглощенная осмотически сложно построенной мицеллой (теория С М. Липатова), так и иммобилизационная — структурная влага (теория П. А. Ребиндера), захваченная при формировании геля (застудневании). Эта влага является свободной в том смысле, что ей соответствует весьма малая энергия связи, однако для некоторых материалов (например, биополимеров) величину ее следует учитывать.
В изложенной выше упрощенной классификации влага набухания, как и адсорбционная влага, называется коллоидно-связанной влагой. Между тем осмотически удержанная влага по своим свойствам не отличается от обычной воды. Причиной того, что осмотически удержанная вода не растворяет легкорастворимые вещества (например, сахар), является невозможность диффузии вещества внутрь замкнутой клетки, в которой находится вода.
Физико-механически связанная вода удерживается в неопределенных соотношениях и обычно свободно выделяется из продуктов высушиванием или даже прессованием. Физико-механически связанную воду делят на связанную макрокапиллярами и микрокапиллярами. 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.
а) влага макрокапилляров — находится в капиллярах (порах), средний радиус которых больше 10
5 см. Давление водяного пара над мениском макрокапилляра почти (с точностью до ,1%) не отличается от давления насыщенного пара над свободной поверхностью воды. Вода заполняет сквозные макрокапилляры только при непосредственном соприкосновении с ними;
б) влага микрокапилляров — заполняет узкие поры, средний радиус которых меньше 10
5
Лекция 4.Влияние воды, содержащиеся в продуктах на их свойства и сохраняемость.
Пищевые продукты сильно различаются по содержанию воды. Так, в зерне и муке ее содержится 12—15 %, в хлебе печеном - 23-48, в крахмале - 13-20, в сахаре - 0,15-0,40, в плодах сушеных - 12-25, в плодах свежих - 75-90, в овощах свежих - 65-95, в говядине - 58-74, в рыбе — 62 84, и молоке
87-90, в пиве — 86-91 %. Из приведенных данных следует, что содержание воды в составе некоторых продуктов превышает 50 %.
Вода является основным компонентом многих пищевых продуктов и оказывает преобладающее влияние на многие показатели качества.
Продукты с высоким содержанием воды нестойки при хранении, так как в них быстро развиваются микроорганизмы. Вода способствует ускорению химических, биохимических и других процессов в пищевых продуктах. Сырые мясо и рыба легко поражаются бактериями, а плоды и овощи плесневыми грибами.
Продукты с малым содержанием воды лучше сохраняются. Так, зерно с повышенной влажностью при хранении может самосогреваться, прорастать, плесневеть, тогда как сухое черно хорошо сохраняется в сухом помещении годами. П»кже долго сохраняются мука, крупа, сушеные плоды и овощи и другие продукты.
Свежие плоды и овощи при потере воды свыше известных пределов увядают, сморщиваются, перезревают, и качество их резко снижается.
В продуктах растительного и животного происхождения имеются соединения с резко выраженными коллоидными свойствами, способные при набухании воспринимать огромное количество воды. Примером таких соединений являются неденатурированные белки. В коллоидном состоянии в пищевых продуктах могут находиться некоторые жироподобные вещества, например лецитины или высокомолекулярные углеводы — крахмал, пектиновые и другие вещества, которые также могут связать воду. Скорость набухания и максимум поглощения воды зависят от многих причин - характера коллоидов, их индивидуальной гидрофилъности, концентрации, присутствия различных солей.
3. Группы пищевых продуктов в зависимости от влагосодержания.
На сохраняемость пищевых продуктов влияют их химический состав и интенсивность протекающих в них процессов: физических, биохимических и микробиологических. В зависимости от этих факторов пищевые продукты можно разделить на три группы.
В первую группу входят скоропортящиеся продукты, содержащие большое количество воды, - плоды, овощи, мясо, молоко и др. Кроме воды, они содержат белки, углеводы, жиры, минеральные соли и витамины, что создает благоприятные условия для развития микроорганизмов. В них также активно протекают биохимические и химические процессы.
Ко второй группе относят продукты с низким содержанием воды - зерно, муку, крупу, сухари, сахар, растительное масло и др. Для этой группы типичны физические, физико-химические и химические процессы. Эта группа товаров отличается хорошей сохраняемостью.
К третьей группе относят продукты, содержащие консервирующие вещества, например соль в сельди, сахар в варенье, спирт в ликероводочных изделиях и др. В эту группу входят также консервы, сохраняемость которых обусловлена термической обработкой. Для них характерны физические и химические процессы.
Процессы, протекающие в хранящихся пищевых продуктах, взаимосвязаны. Качество и потери отдельного продукта зависят от совместного воздействия различных процессов, их направленности и интенсивности. Качество некоторых продуктов при хранении в течение определенного времени может улучшаться, что наблюдается при дозревании осенних и зимних сортов яблок и груш, помидоров, бананов, при созревании мяса, выдержке марочных коньяков и вин. Для других товаров (крупа, сахар, картофель, свекла и др.) можно сохранить первоначальное качество, создав оптимальные условия хранения. Однако практически невозможно полностью исключить снижение качества и потери продукта при хранении.
Важной задачей, стоящей перед товароведом, является создание таких условий хранения, при которых изменения качества, пищевой ценности и потери были бы минимальными.
-
Формы связи влаги в пищевых продуктах и их характеристика.
Пищевые продукты являются системами, в которых влага имеет различные формы связи с твердым скелетом. Ряд исследователей упрощает классификацию форм связи воды к предлагает различать две основные группы: свободную и связанную воду. Свободная вода — это вода, обладающая теми же свойствами, что и чистая вода. В коллоидных системах свободная вода соответствует первой фазе механизма взаимодействия воды с коллоидом и представляет собой «межмицеллярную» жидкость, обладающую известными свойствами воды.
Связанная вода, особо прочно адсорбированная на поверхности «мицелл» отличается рядом особенностей: она труднее испаряется, является плохим растворителем и может находиться под повышенным давлением, обусловленным молекулярным силовым полем; поэтому плотность адсорбционно связанной воды может несколько увеличиться. Прочное связывание воды иногда увязывают с теорией образования «твердого раствора» при «внутримицеллярном» взаимодействии.
Указанная выше упрощенная классификация исходит главным образом из физико-химических свойств различных форм связи воды, но не отражает природы их образования.
Большой интерес представляет связанная вода, настолько прочно соединенная с другими компонентами пищевых продуктов, что проявляет свойства, отличные от свойств свободной воды. Почти вся вода пищевых продуктов находится в связанном состоянии, но удерживается тканями с различной силой. Академик П.А.Ребиндер предложил классификацию форм связи воды с материалом. В основу этой классификации он доложил природу образования различных форм связи и энергию связи. Связь воды с материалом, по академику П.А.Ребиндеру, определяется энергией, которую надо затратить на нарушение этой связи при удалении влаги из материала.
По классификации П.А.Ребиндера, формы связи влаги с материалом в порядке убывающей энергии делятся на три группы: химическую, физико-химическую и физико-механическую.
Химически связанная вода может быть связана в виде гидроксильных ионов или заключена в кристаллогидраты.
Такая связь является самой прочной, и вода может быть удалена из продукта только путем химического взаимодействия или при прокаливании.
2. Физико-химическая связь — удержание влаги в различных, не строго определенных соотношениях. Этой форме соответствуют различные виды связи влаги:
а) адсорбционно связанная влага —- жидкость, удерживаемая силовым полем на внешней и внутренней поверхности «мицелл» — коллоидных частиц с сольватным слоем, а иногда и с двойным слоем ионов, строение которого определяет заряд «мицеллы». Коллоидные материалы (тела) характеризуются весьма значительной дисперсностью частиц, условный радиус которых составляет 0,1—0,001 мкм.
Вследствие такой дисперсности коллоидные тела обладают огромной внутренней поверхностью, а следовательно, и значительной свободной поверхностной энергией, благодаря которой происходит адсорбционное связывание воды. Мерой этой свободной поверхностной энергии является поверхностное натяжение: чтобы из молекул объема тела образовать 1 см2 поверхности, необходимо затратить работу; вся эта работа превращается в избыток свободной поверхностной энергии, которая характеризуется поверхностным натяжением Θ
На рис. показана упрощенная схема взаимодействия двух фаз на границе раздела (например, жидкость — пар).
Рис. I. Упрощенная схема взаимодействия двух фаз (жидкость — пар) на границе раздела
Молекулы, находящиеся внутри тела, испытывают одинаковое притяжение со стороны всех окружающих молекул, и равнодействующая сил притяжения равна нулю. В то же время молекулы, находящиеся на поверхности тела, в большей или меньшей мере не уравновешены и обладают свободной энергией: за счет этой энергии притягиваются молекулы другой фазы (граничной среды), у которой связь между молекулами меньше, чем у рассматриваемого тела.
При поглощении воды коллоидным телом выделяется теплота набухания (гидратации) и происходит сжатие системы коллоидное тело — вода. Наибольшее количество тепла выделяется при присоединении первого мономолекулярного слоя, который связан с материалом наиболее прочно. С. М. Липатов доказал термическую аналогию процессов набухания и растворения. Удаление прочно связанной с телом адсорбционной влаги связано с соответствующей затратой энергии. А. В. Лыков нашел, что для удаления адсорбционной влаги она должна быть превращена в пар, после чего начинается перемещение ее к наружной поверхности тела;
б) осмотически удержанная влага (влага набухания и структурная влага) — влага, находящаяся в замкнутых ячейках, как поглощенная осмотически сложно построенной мицеллой (теория С М. Липатова), так и иммобилизационная — структурная влага (теория П. А. Ребиндера), захваченная при формировании геля (застудневании). Эта влага является свободной в том смысле, что ей соответствует весьма малая энергия связи, однако для некоторых материалов (например, биополимеров) величину ее следует учитывать.
В изложенной выше упрощенной классификации влага набухания, как и адсорбционная влага, называется коллоидно-связанной влагой. Между тем осмотически удержанная влага по своим свойствам не отличается от обычной воды. Причиной того, что осмотически удержанная вода не растворяет легкорастворимые вещества (например, сахар), является невозможность диффузии вещества внутрь замкнутой клетки, в которой находится вода.
Физико-механически связанная вода удерживается в неопределенных соотношениях и обычно свободно выделяется из продуктов высушиванием или даже прессованием. Физико-механически связанную воду делят на связанную макрокапиллярами и микрокапиллярами. 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.
Лекция 4.Влияние воды, содержащиеся в продуктах на их свойства и сохраняемость.
Пищевые продукты сильно различаются по содержанию воды. Так, в зерне и муке ее содержится 12—15 %, в хлебе печеном - 23-48, в крахмале - 13-20, в сахаре - 0,15-0,40, в плодах сушеных - 12-25, в плодах свежих - 75-90, в овощах свежих - 65-95, в говядине - 58-74, в рыбе — 62 84, и молоке
87-90, в пиве — 86-91 %. Из приведенных данных следует, что содержание воды в составе некоторых продуктов превышает 50 %.Вода является основным компонентом многих пищевых продуктов и оказывает преобладающее влияние на многие показатели качества.
Продукты с высоким содержанием воды нестойки при хранении, так как в них быстро развиваются микроорганизмы. Вода способствует ускорению химических, биохимических и других процессов в пищевых продуктах. Сырые мясо и рыба легко поражаются бактериями, а плоды и овощи плесневыми грибами.
Продукты с малым содержанием воды лучше сохраняются. Так, зерно с повышенной влажностью при хранении может самосогреваться, прорастать, плесневеть, тогда как сухое черно хорошо сохраняется в сухом помещении годами. П»кже долго сохраняются мука, крупа, сушеные плоды и овощи и другие продукты.
Свежие плоды и овощи при потере воды свыше известных пределов увядают, сморщиваются, перезревают, и качество их резко снижается.
В продуктах растительного и животного происхождения имеются соединения с резко выраженными коллоидными свойствами, способные при набухании воспринимать огромное количество воды. Примером таких соединений являются неденатурированные белки. В коллоидном состоянии в пищевых продуктах могут находиться некоторые жироподобные вещества, например лецитины или высокомолекулярные углеводы — крахмал, пектиновые и другие вещества, которые также могут связать воду. Скорость набухания и максимум поглощения воды зависят от многих причин - характера коллоидов, их индивидуальной гидрофилъности, концентрации, присутствия различных солей.
3. Группы пищевых продуктов в зависимости от влагосодержания.
На сохраняемость пищевых продуктов влияют их химический состав и интенсивность протекающих в них процессов: физических, биохимических и микробиологических. В зависимости от этих факторов пищевые продукты можно разделить на три группы.
В первую группу входят скоропортящиеся продукты, содержащие большое количество воды, - плоды, овощи, мясо, молоко и др. Кроме воды, они содержат белки, углеводы, жиры, минеральные соли и витамины, что создает благоприятные условия для развития микроорганизмов. В них также активно протекают биохимические и химические процессы.
Ко второй группе относят продукты с низким содержанием воды - зерно, муку, крупу, сухари, сахар, растительное масло и др. Для этой группы типичны физические, физико-химические и химические процессы. Эта группа товаров отличается хорошей сохраняемостью.
К третьей группе относят продукты, содержащие консервирующие вещества, например соль в сельди, сахар в варенье, спирт в ликероводочных изделиях и др. В эту группу входят также консервы, сохраняемость которых обусловлена термической обработкой. Для них характерны физические и химические процессы.
Процессы, протекающие в хранящихся пищевых продуктах, взаимосвязаны. Качество и потери отдельного продукта зависят от совместного воздействия различных процессов, их направленности и интенсивности. Качество некоторых продуктов при хранении в течение определенного времени может улучшаться, что наблюдается при дозревании осенних и зимних сортов яблок и груш, помидоров, бананов, при созревании мяса, выдержке марочных коньяков и вин. Для других товаров (крупа, сахар, картофель, свекла и др.) можно сохранить первоначальное качество, создав оптимальные условия хранения. Однако практически невозможно полностью исключить снижение качества и потери продукта при хранении.
Важной задачей, стоящей перед товароведом, является создание таких условий хранения, при которых изменения качества, пищевой ценности и потери были бы минимальными.
-
Формы связи влаги в пищевых продуктах и их характеристика.
Пищевые продукты являются системами, в которых влага имеет различные формы связи с твердым скелетом. Ряд исследователей упрощает классификацию форм связи воды к предлагает различать две основные группы: свободную и связанную воду. Свободная вода — это вода, обладающая теми же свойствами, что и чистая вода. В коллоидных системах свободная вода соответствует первой фазе механизма взаимодействия воды с коллоидом и представляет собой «межмицеллярную» жидкость, обладающую известными свойствами воды.
Связанная вода, особо прочно адсорбированная на поверхности «мицелл» отличается рядом особенностей: она труднее испаряется, является плохим растворителем и может находиться под повышенным давлением, обусловленным молекулярным силовым полем; поэтому плотность адсорбционно связанной воды может несколько увеличиться. Прочное связывание воды иногда увязывают с теорией образования «твердого раствора» при «внутримицеллярном» взаимодействии.
Указанная выше упрощенная классификация исходит главным образом из физико-химических свойств различных форм связи воды, но не отражает природы их образования.
Большой интерес представляет связанная вода, настолько прочно соединенная с другими компонентами пищевых продуктов, что проявляет свойства, отличные от свойств свободной воды. Почти вся вода пищевых продуктов находится в связанном состоянии, но удерживается тканями с различной силой. Академик П.А.Ребиндер предложил классификацию форм связи воды с материалом. В основу этой классификации он доложил природу образования различных форм связи и энергию связи. Связь воды с материалом, по академику П.А.Ребиндеру, определяется энергией, которую надо затратить на нарушение этой связи при удалении влаги из материала.
По классификации П.А.Ребиндера, формы связи влаги с материалом в порядке убывающей энергии делятся на три группы: химическую, физико-химическую и физико-механическую.
Химически связанная вода может быть связана в виде гидроксильных ионов или заключена в кристаллогидраты.
Такая связь является самой прочной, и вода может быть удалена из продукта только путем химического взаимодействия или при прокаливании.
2. Физико-химическая связь — удержание влаги в различных, не строго определенных соотношениях. Этой форме соответствуют различные виды связи влаги:
а) адсорбционно связанная влага —- жидкость, удерживаемая силовым полем на внешней и внутренней поверхности «мицелл» — коллоидных частиц с сольватным слоем, а иногда и с двойным слоем ионов, строение которого определяет заряд «мицеллы». Коллоидные материалы (тела) характеризуются весьма значительной дисперсностью частиц, условный радиус которых составляет 0,1—0,001 мкм.
Вследствие такой дисперсности коллоидные тела обладают огромной внутренней поверхностью, а следовательно, и значительной свободной поверхностной энергией, благодаря которой происходит адсорбционное связывание воды. Мерой этой свободной поверхностной энергии является поверхностное натяжение: чтобы из молекул объема тела образовать 1 см2 поверхности, необходимо затратить работу; вся эта работа превращается в избыток свободной поверхностной энергии, которая характеризуется поверхностным натяжением Θ
На рис. показана упрощенная схема взаимодействия двух фаз на границе раздела (например, жидкость — пар).
Рис. I. Упрощенная схема взаимодействия двух фаз (жидкость — пар) на границе раздела
Молекулы, находящиеся внутри тела, испытывают одинаковое притяжение со стороны всех окружающих молекул, и равнодействующая сил притяжения равна нулю. В то же время молекулы, находящиеся на поверхности тела, в большей или меньшей мере не уравновешены и обладают свободной энергией: за счет этой энергии притягиваются молекулы другой фазы (граничной среды), у которой связь между молекулами меньше, чем у рассматриваемого тела.
При поглощении воды коллоидным телом выделяется теплота набухания (гидратации) и происходит сжатие системы коллоидное тело — вода. Наибольшее количество тепла выделяется при присоединении первого мономолекулярного слоя, который связан с материалом наиболее прочно. С. М. Липатов доказал термическую аналогию процессов набухания и растворения. Удаление прочно связанной с телом адсорбционной влаги связано с соответствующей затратой энергии. А. В. Лыков нашел, что для удаления адсорбционной влаги она должна быть превращена в пар, после чего начинается перемещение ее к наружной поверхности тела;
б) осмотически удержанная влага (влага набухания и структурная влага) — влага, находящаяся в замкнутых ячейках, как поглощенная осмотически сложно построенной мицеллой (теория С М. Липатова), так и иммобилизационная — структурная влага (теория П. А. Ребиндера), захваченная при формировании геля (застудневании). Эта влага является свободной в том смысле, что ей соответствует весьма малая энергия связи, однако для некоторых материалов (например, биополимеров) величину ее следует учитывать.
В изложенной выше упрощенной классификации влага набухания, как и адсорбционная влага, называется коллоидно-связанной влагой. Между тем осмотически удержанная влага по своим свойствам не отличается от обычной воды. Причиной того, что осмотически удержанная вода не растворяет легкорастворимые вещества (например, сахар), является невозможность диффузии вещества внутрь замкнутой клетки, в которой находится вода.
Физико-механически связанная вода удерживается в неопределенных соотношениях и обычно свободно выделяется из продуктов высушиванием или даже прессованием. Физико-механически связанную воду делят на связанную макрокапиллярами и микрокапиллярами. Пищевые продукты в большинстве имеют макро- и микрокапиллярное строение. Капилляры, средний радиус которых больше 10
а) влага макрокапилляров — находится в капиллярах (порах), средний радиус которых больше 10
см. Жидкость заполняет любые микро-капилляры не только при непосредственном соприкосновении, но и путем сорбции из влажного воздуха. Капиллярная влага представляет собой свободную влагу в том понятии, как это указано выше. Она перемещается в теле как в виде жидкости (обычно из центральных слоев тела до зоны испарения), так и в виде пара (от зоны испарения через сухой слой наряжу).
Капиллярную влагу можно рассматривать как свободную, она перемещается в капиллярах продукта в виде жидкости и пара.
Различные виды связи воды в пищевых продуктах обусловливают механизм удаления этой воды при их сушке. Так, 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.
6. ХАРАКТЕРИСТИКА ВЛАЖНЫХ ТВЕРДЫХ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Значительная часть пищевых продуктов, подвергаемых технологической обработке, являются влажными дисперсными системами. Решающее влияние на связь влаги с сухим скелетом и его массообменные характеристики оказывает дисперсность материала. Чем больше дисперсность материала (его внешняя и внутренняя удельная поверхность), тем больше в нем прочно связанной влаги. Вместе с тем для пористых материалов большое значение имеет и радиус капилляров: чем он меньше, тем меньше давление пара над мениском жидкости в капилляре и тем больше энергии необходимо затратить на удаление влаги. В связи с изложенным ниже даны характеристики структурно-механических показателей влажных дисперсных материалов и принципы их классификации.
По коллоидно-физическим свойствам А. В. Лыков предложил все твердые влажные материалы разделить на три группы: капиллярно-пористые, коллоидные и капиллярно-пористые коллоидные. Эта классификация влажных материалов для процесса сушки не является абсолютно строгой, но она имеет большое практическое значение при обобщении результатов исследования процесса сушки различных материалов и анализе их массообменных свойств.
К капиллярно-пористым телам относятся материалы, в которых жидкость в основном связана капиллярными силами (например, влажный кварцевый песок, некоторые строительные материалы, древесный уголь и т. п.). При обезвоживании капиллярно-пористые тела становятся хрупкими и в высушенном состоянии могут быть превращены в порошок; они мало сжимаются и впитывают любую смачивающую жидкость. Для таких тел капиллярные силы значительно превышают силы гравитации, поэтому они полностью определяют распределение жидкости в теле. Если гравитационный потенциал соизмерим с капиллярным потенциалом в теле, то такие тела называются пористыми.
К коллоидным телам относятся материалы, в которых преобладает адсорбционно связанная и осмотически удержанная влага, например желатин, агар, прессованное мучное тесто!. Термин «коллоидное тело» носит здесь условный характер и отличается от известного определения «коллоид» в химической науке. По своему смыслу коллоидное состояние характеризует природу материалов (тел), которые образуют коллоидные растворы и отличаются гетерогенностью студней.
При высушивании коллоидные тела значительно сжимаются, сохраняя свою эластичность; при увлажнении они впитывают наиболее близкие по полярности жидкости. Коллоидные тела рассматриваются как квазикапиллярно-пористые, у которых размеры мицелл сравнимы с размерами микрокапилляров.
К капиллярно-пористым коллоидным телам относятся материалы, в которых для жидкости характерны различные формы связи, присущие как капиллярно-пористым, так и коллоидным телам. Примером таких тел являются торф, древесина, кожа, зерно и многие пищевые продукты, которые по структуре являются капиллярно-пористыми телами, а по природе коллоидами. Для этих тел характерны свойства первых двух видов, стенки их капилляров эластичны и при поглощении жидкости набухают, а при высушивании дают усадку. Большинство этих материалов в сухом состоянии становятся хрупкими (хлеб, овощи и пр.).
Из рассмотрения свойств капиллярно-пористых коллоидных материалов следует, что практически трудно провести резкую границу между отдельными видами связи влаги с твердым скелетом тела.
Пищевые продукты представляют собой настолько сложные системы как по своей природе, так и по структуре, что в них имеются различные виды связи влаги. На различных этапах обезвоживания продуктов основную роль играет тот или иной вид связи влаги.
В приведенной классификации не учитываются твердые кристаллические материалы, например сахар-песок, содержащий небольшое количество влаги, которая является только поверхностной, частично связанной с материалом в виде насыщенного раствора. Давление пара над поверхностью раствора ниже, чем над свободной поверхностью воды; поэтому наблюдается температурная депрессия (температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя) и разность парциальных давлений пара над поверхностью материала и в окружающем воздухе меньше, чем соответствующая разность при испарении воды со свободной поверхности.
-
Понятие активности воды и влияние на нее влагосодержания, химического состава и структуры продуктов.
В начале 50-х годов нашего столетия появилось новое понятие "активность воды", обозначаемое аw. Активность воды (аw ) выражается отношением давления паров воды над данным продуктом к давлению паров воды над чистой водой при одной и той же температуре.
Активность воды характеризует состояние воды в пищевых продуктах и определяет доступность ее для химических, физических и биологических реакций. Обычно чем больше воды находится в связанном состоянии, тем меньше ее активность. Но даже связанная вода при некоторых условиях может обладать известной активностью. Прочно связанная вода не является растворителем для других соединений, не вступает в реакцию и не служит катализатором.
По активности воды пищевые продукты делят на три группы:
свежие пищевые продукты, богатые водой, в которых ее активность составляет 0,95 1. К ним относятся свежие овощи, фрукты, соки, молоко, мясо, рыба и др.;
переработанные пищевые продукты с активностью воды 0,90-0,95. К ним относятся хлеб, вареные колбасы, ветчина, творог и др. Такие продукты по содержанию воды занимают среднее положение;
пищевые продукты с активностью воды до 0,90. К ним относятся сыр, сливочное масло, копченые колбасы, сухие фрукты и овощи, крупа, мука, варенье и др. Активность воды в этих продуктах чаще 0,65-0,85, а содержание влаги составляет 15-30%.
Низкая активность воды сдерживает развитие микроорганизмов и физико-химические и биохимические реакции. Для каждого вида микроорганизмов существует нижний порог активности воды, ниже которого их развитие прекращается.
Наиболее распространенными физико-химическими процессами являются сорбция и десорбция паров воды и газов.
При сорбции влаги масса продуктов возрастает, при этом печенье, вафли и сухари размягчаются; соль, сахар-песок, мука теряют сыпучесть и слеживаются; карамельные изделия сначала становятся липкими, а затем теряют форму и текут, и др.
Также неблагоприятно влияет на качество продукта десорбция. При высыхании наряду с потерей массы продукта происходит ухудшение его качества, а испарение воды из продукта часто вызывает физико-химические изменения в его структуре и свойствах (хлеб, печенье; баранки, сухари и т.д.). Этот процесс очень характерен для свежих плодов и овощей и жидких продуктов. Испарение влаги из плодов и овощей приводит к их увяданию, ослаблению тургора клеток, нарушению обмена веществ и порче.
На интенсивность испарения влияют температура и относительная влажность воздуха, скорость его движения, вид тары, способ укладки товара. Обычно способствуют испарению высокая температура, низкая относительная влажность воздуха, активная вентиляция. Наружные слои продукта более интенсивно теряют влагу, чем внутренние. При штабельной укладке товара процесс усушки в верхних и наружных слоях активнее, чем во внутренних.
Ряду пищевых продуктов (например, алкогольным напиткам) свойственны потери за счет испарения летучих веществ.
Некоторые пищевые продукты могут терять при хранении ароматические вещества либо приобретать нежелательные вкус и запах. Это происходит вследствие диффузии ароматических веществ во внешнюю среду либо в результате поглощения продуктом летучих веществ, выделившихся из хранящегося рядом товара. Поэтому при размещении товаров для хранения обязательно соблюдение товарного соседства. Товары, обладающие сильно выраженным запахом и легко отдающим его в окружающую среду (сыры, мясокопчености и др.), нельзя хранить рядом с продуктами, легко поглощающими этот запах (сливочное масло, кондитерские изделия). Продукты, содержащие ароматические вещества (чай, кофе, пряности), должны быть упакованы в газопаронепроницаемую тару. Причинами появления постороннего запаха могут быть также тара, упаковочная бумага, складское помещение.
В процессе хранения пищевых продуктов создается равновесное влагосодержание, при котором не происходит поглощения влаги продуктами из окружающей среды, а из продуктов влага не переходит в окружающую среду. Такое состояние наступает тогда, когда давление водяного пара над продуктами будет равно парциальному давлению водяного пара в окружающем пространстве при одинаковой температуре окружающего воздуха и продукта. Равновесное влагосодержание определяется только экспериментальным путем; при этом продукт выдерживают в воздушной среде с постоянной влажностью и температурой до наступления равновесного влагосодержания.
1. Вода
Вода и продукты ее диссоциации водородные и гидроксильные ионы являются важными факторами, определяющими структуру и биологические свойства белков, нуклеиновых кислот, липидов, а также мембран и других клеточных органелл.
Вода отличается высокой реакционной способностью, обладает необычными свойствами и очень сильно отличается как в химическом, так и в физическом отношении от большинства других жидкостей.