Формы связи влаги, содержащейся в биологических материалах

Во всех биологических материалах растительного или животно­го происхождения содержится вода (чаще всего говорят «влага») в количестве от нескольких процентов до 99% и более. Она обус­ловливает консистенцию и структуру пищевого продукта, опреде­ляет устойчивость его при хранении. Влага, входящая в состав вещества, связана с его сухим каркасом, причем формы связи этой влаги и ее энергия различны. Существует несколько различных классификаций форм связи влаги, некоторые из них даны в табл. 1.1. Однако общий недостаток этих классификаций — отсутст­вие количественной характеристики каждой формы связи влаги и материала.

П.А.Ребиндер предложил энергию связи характеризовать работой изотермического отрыва 1 моль воды при данных темпе­ратуре и влагосодержании материала и определять по формуле:

E = RTln (p_s/p_П),

где R — универсальная газовая постоянная; Т —.абсолютная тем­пература;

p_s — парциальное давление насыщенного пара свободной воды над плоской поверхностью при данной температуре; р_п — пар­циальное давление равновесного пара воды при той же темпера­туре над материалом.

Таблица 1.1

Группа	Автор классификации
Ребиндер	Ридель	Думанский	Рей	Люйе
I	Физико-механическая связь	Свободная вода	Свободная вода	Свободная вода	Излишняя вода. Метаболическая вода
II	Физико-химическая связь	Диффузный слой воды	Конституционная вода. Адсорбционная вода	Жизненная вода. Вода, способная к замораживанию
III	Химическая связь	Связанная вода	Адсорбционный слой воды	Кристаллизационная вода	Незамерзающая вода

 

Обозначив p_s/p_П = φ, где φ – относительная влажность в состоянии равновесия, при котором продукт не впитывает и не теряет воду, получим E = - RTInφ.

С увеличением прочности связи р_п уменьшается и, следователь­но, уменьшается φ. Для свободной воды p_п= ps, ps/pn=l и Е= 0. По мере уменьшения влажности материала энергия связи Е воз­растает и особенно резко с момента, когда в нем остается прочно связанная влага.

На рис.1.6 показано изменение E=f (φ). Очевидно, что каждому состоянию объекта соответствует определенное значение энер­гии связи. В этих условиях деление связанной влаги на подгруппы становится практически невозмож­ным.

В классификации, предложенной А.В.Думанским, В.В. Дерягиным и другими, за основу принимается час­тица материала, вокруг которой рас­полагаются три слоя — адсорбцион­ный, диффузный и свободный (в по­рядке убывающей энергии связи). По классификации Люйе, влага под­разделяется на основе физиологиче­ских признаков.

Исследуя влияние температуры, на теплоемкость и количество вымо­роженной воды в пищевых продуктах, Ридель пришел к выводу о целесообразности

 

 

деления влаги лишь на две части — свободную и связанную, понимая при этом под связанной влагой «квазихимически связанную», количество которой составляет 0,225 кг на 1 кг сухого вещества.

В материалах растительного и животного происхождения, на­ходящихся при температуре ниже криоскопической но выше эвтектической, концентрируется солевой раствор при определенном осмотическом давлении. Осмотические силы стремятся оторвать от каркаса связанную влагу и перенести ее в раствор, где она за­тем может быть кристаллизована, поэтому количество выморо­женной воды зависит от осмотического давления солевых раство­ров в материале, которое определяется их концентрацией, коли­чеством, вымороженной влаги и в конечном итоге температурой. Работа осмотических сил, затраченных на отрыв 1 кг связан­ной влаги при данной температуре t, равняется энергии связи вла­ги с сухим каркасом вещества при данной температуре.

Д.Г. Рютов предложил энергию связи влаги, находящейся в равновесии с концентрированным раствором продукта и льдом при температуре t, вычислять по формуле

E = r_л (-t/ 273 ),

где t — температура системы, °С; r_л — удельная скрытая теплота плавления льда при температуре t, кДж/кг.

Следует отметить, что r_л=f(t) может быть найдена из выраже­ния r_л=79,82+0,46 t +0,00165 t².

Анализ формулы показывает, что энергия связи Е зависит толь­ко от температуры материала и не зависит от его свойств. В табл. 1.2 приведены результаты расчета энергии связи при раз­личных температурах. Таким образом, можно считать, что при данной температуре кристаллизуется только та связанная влага, энергия связи которой меньше Е.

Таблица 1.2

Температура, °С	Энергия связи, кДж/кг	Температура, °С	Энергия связи, кДж/кг	Температура, °С	Энергия связи, кДж/кг
-1 -10 -20 -30	1,2 11,5 21,8 31,1	-40 -50 -60 -70	39,4 46,7 53,5 59,8	-80 -90 -100	65,7 71,4 77,1

 

Одним из методов определения форм связи влаги с сухим кар­касом вещества является анализ изотерм сорбции. Изотермы сорбции получают при исследовании процесса сушки материала тензометрическим методом. Образец материала определенной влажности помещают в эксикатор с раствором серной кислоты из­вестной концентрации.

 

Процесс обезвоживания, происходящий при этом можно считать аналогичным соответствующему процессу при определенной влажности воздуха. Образец выдерживается в эксикаторе до постоянной массы, что свидетельствует о достижении состояния равновесия. Влажность материала, соответствующая этому состоянию, называется равновесной Wp. Изменение концентрации кислоты пропорционально изменению исходной влажности воздуха φ. Та­ким образом получают для определенной температуры образца зависимость W_p=f(φ), которая и называется изотермой сорбции.

На рис. 1.7 даны типичные кри­вые десорбции и адсорбции для пи­щевых продуктов ¹.Считается, что в области А вода прочно связана и не вступает в реакции, в области В — слабо связанная вода, а область С характеризуется водой, находящейся в капиллярах и вступающей в реак­ции. На рис. 1.7 видно, что кривые десорбции и адсорбции не совпада­ют и образуют петлю гистерезиса. Гистерезис свидетельствует, что при данном значении относительной влажности воздуха φ продукт, под­лежащий высушиванию (десорбции), будет иметь более высокое содержа­ние влаги.

Причиной сорбционного гистерезиса капиллярных пористых тел является наличие в них воздуха, который адсорбируется на по­верхности капилляров при удалении из них влаги. При повторном увлажнении для создания той же равновесной влажности нужно обеспечить более высокое значение φ.

Интересна схема последовательного удаления влаги в процес­се сушки тонких образцов коллоидных капиллярно-пористых тел (пищевых продуктов), представленная по результатам исследова­ний М. Ф. Казанского. На рис. 1.8 приведена термограмма I

t_c – t _пр = f(τ),

где t_c — температура окружающего воздуха; t _пр — температура ма­териала.

Кривая II сушки W = f(τ) на рис. 1.8 показывает изменение влажности данного материала во времени. Выделяя точки переги­ба (1... 5) на термограмме I и совмещая кривые I, IIможно на­глядно представить последовательность удаления из материала влаги, связанной с материалом различными формами и видами связи.

¹ Если парциальное давление пара воды у поверхности материала больше, чем парциальное давление пара в воздухе (p_п>p_в), то будет происходить про­цесс испарения влаги из материала (десорбция). Если p_п<p_в, то материал будет увлажняться за счет поглощения пара из окружающего воздуха (адсорбция).

 

Схема наглядно иллюстрирует наличие многих видов связи влаги с сухим каркасом материала и, как следствие, сложность их четкого разграничения. Каждому значению энергии связи должны четко соответствовать свой вид и своя форма связи.

Наряду с возможностью расчета энергии связи по формуле (1.1) представляет интерес экспериментальное исследование энер­гии связи для конкретных объектов. Энергия связи при удалении влаги из материала, находящегося в замороженном состоянии, исследовалась на установке, показанной на рис. 1.9. Процесс осу­ществлялся при остаточном давлении примерно 40... 50 Па, обра­зец располагался в центре перфорированного полированного экра­на (рис. 1.10). Оба эти фактора сводили к минимуму конвектив­ный и лучистый, т. е. неучитываемый теплообмен. Теплоподвод осуществлялся внутренним источником теплоты. На основе экспе­риментальных данных определялась энергия, расходуемая на удаление влаги в исследуемых объектах.

Удельная теплота сублимации (энергия связи)

где Q_п— теплота, расходуемая на сублимацию льда и испарение остаточной влаги, кДж; ∆G — количество удаленной влаги в виде льда и воды, кг; Q_н— теплота, отдаваемая нагревателем, кДж; ∑Q_i — потери теплоты при сублимации, включающие потери на нагрев образца, нагревателя и внутренней сетчатой оболочки, кДж

На рис.1.11 представлены экспериментальные данные изменения теплоты испарения влаги из исследуемой системы в зависимости от остаточной абсолютной влажности W. Энергия связи (в данном случае выраженная в виде удельной теплоты сублима­ции) практически постоянна до остаточной абсолютной влажности¹ 18...20%. Затем наблюдается снижение за­трачиваемой энергии, после чего она резко возрастает, достигая значения примерно 14·10³кДж/кг при абсолют­ной влажности около 3%. При понижении влажности до 0,5% энергия связи воз­растает почти на порядок.

Если придерживаться классификации, данной Риделем, то можно считать, что в исследуемом объекте со­держится свободная влага, удельная теплота испарения которой практически постоянна, и связанная влага, процентное содержание которой

¹ Абсолютной влажностью вещества называется влажность, рассчитанная по отношению к массе абсолютно сухого материала. Относительной влажностью называется влажность, рассчитанная по отношению к общей массе материала.

 

 

определяется положением точки К, соответствующей началу резко­го возрастания энергии связи.

Экспериментальные исследования различных материалов био­логического происхождения (мясо, эритроцитная масса, картофель и т. п.) показали, что характер кривой r _c = f(W) носит универсаль­ный характер и по существу аналогичен экспоненте, полученной по формуле Ребиндера.

По данным расчетов, в клетке количество связанной влаги не превышает 10,5%, но данным экспериментов — 8... 20%.

Поверхность биомолекулы перестает оказывать влияние на по­движность молекул воды на расстоянии 1·10 ^{- 9}... 1,5·10 ^{- 9} м, что соответствует 4... 5 монослоям. Связанная вода имеет свойства, отличные от свободной. Она замерзает при более низких темпера­турах, обладает меньшей способностью растворения, меньшей теп­лоемкостью, повышенной плотностью. Количество связанной влаги в материале помимо физико-химических свойств во многом опре­деляется его дисперсностью. Чем больше дисперсность материала, тем больше прочно связанной влаги в нем. Для пористых мате­риалов большое значение имеет радиус капилляров. Чем меньше радиус капилляров, тем больше энергия связи воды в материале.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: