Свойства влаги как основного компонента пищевых продуктов

Вода является самым распространенным, но наименее изучен­ным соединением на Земле. Помимо того, что она входит в состав всех биологических материалов, она образует естественную среду обитания для бесчисленного множества видов животных. Свойства воды меняются в зависимости от происхождения (дождевая, лед­никовая, речная и т. п.), географического места взятия пробы, температуры и давления, наличия растворенных солей и прочих веществ, объекта, в состав которого она входит, и его влагосодержания.

За последние два десятилетия интерес к воде непрерывно рас­тет. Возрастает число исследований, посвященных изучению свойств воды, создаются лаборатории и центры, предназначенные для изучения изменений, которые претерпевает вода под действием физических наложений.

Известно, что вода обладает некоторыми специфическими ано­мальными свойствами. Относясь к ряду, в который входят Н₂О, H₂S, H₂Se и другие соединения, она обладает максималь­ной энергией связи, значительной способностью к деформации, большой вязкостью и сравнительно малой теплопроводностью. Мо­лекула воды легче и меньше других представителей этого ряда. Вода является одним из немногих веществ, которые при замора­живании расширяются, ее плотность максимальная при темпера­туре +4° С.

Применение новейших методов исследования (ядерный магнит­ный резонанс, электронная микроскопия, дифференциальный тер­мический анализ и т. д.) позволило достоверно определить свой­ства и состояние воды в биологических материалах.

Молекулярная структура воды. Известный венгерский биолог Сент-Дьердьи пишет: «Странное вещество — вода. Она обладает свойствами капризно изменять молекулярную структуру».

В настоящее время существует множество моделей структуры воды, но ни одна из них полностью не объясняет всех свойств вещества.

Важнейшим свойством молекулы воды (рис. 1.2) является спо­собность образовывать водородные (межмолекулярные) связи значительно менее прочные, чем ковалентные. Так, энергия ковалентных связей составляет 580·10³ Дж/моль, в то время как во­дородных — 5·10³.., 28·10³ Дж/моль, при этом период жизни каж­дой водородной связи ничтожно мал и составляет 10^-10 с. Таким образом, межмолекулярные связи образуются и мгновенно исче­зают. Благодаря лабильным водородным связям становится воз­можным осуществление различных биомолекулярных процессов, характерных для объектов биологического происхождения.

Интересна модель Самойлова, согласно которой структура во­ды в жидком состоянии во многом похожа на структуру льда (тетраэдрическую), несколько размытую тепловым движением мо­лекул. В структуре воды различают две фракции — решеточно-упорядоченную (ажурный каркас) и плотно упакованную, причем последняя образуется за счет заполнения пустот решеточно-упорядоченной структуры отдельными молекулами воды, слабо взаимодействующими с молекулами, образующими наружный каркас. Этим объясняется максимальная плотность воды при темпе­ратуре + 4°С, когда с ростом температуры после таяния льда количество заполненных полостей увеличивается. Молекула воды в пустотах по своим энергетическим значениям занимает промежу­точное место между молекулами воды и газа.

Агрегатные состояния воды. Агрегатные состояния воды, как и других веществ,- являются функцией температуры и давления.

Агрегатные состояния воды при атмосферном д а в л е н и и. Целесообразно рассмотреть в первую очередь обще­известную фазовую диаграмму (рис. 1.3), на которой представлена кривая, p = f(t), где р — парциальное давление пара над поверх­ностью воды или льда; t - температура, °С.

Диаграмма на рис. 1.3 отражает условия равновесия между различными фазами воды в диапазоне рассматриваемых давле­ний 0... 0,1 МПа. В этой диаграмме также представлена зависи­мость p = f(t) для переохлажденной воды. Равновесное давление пара над переохлажденной водой выше, чем надо льдом (при той же температуре), поэтому переохлажденная вода термодинамиче­ски неустойчива и может перейти в твердое состояние, если в нее поместить кристалл.

При атмосферном давлении и соответствующих температурах могут существовать три фазы воды: твердая при °C, жидкая при 100°C 0°С, газообразная при 100°С. Из трех агрегат­ных состояний наибольший интерес для процессов консервирова­ния имеет твердое, возникающее при понижении температуры системы до уровня, при котором создаются соответствующие условия для фазового перехода жидкость — твердое вещество.

Понижение температуры приводит к замедлению движения частиц, причем у жидкостей первого рода (стекло, глицерин) со­кращаются перемещения центров колебательного движения, а у жидкостей второго рода (вода и др.) — амплитуда и скорость ко­лебательного движения. Жидкости первого рода «сгущаются» (растет вязкость), и в конечном итоге возникает твердая аморф­ная структура —стеклообразное, или верифицированное, состоя­ние. Жидкости второго рода переходят в твердое кристаллическое состояние.

Вода относится к жидкостям второго рода, но при определен­ных скоростях охлаждения наряду с кристаллической структурой может возникнуть аморфная структура вещества. Кристаллы об­разуются при определенном соотношении энергии броуновского движения Э_б и энергии ориентации частиц Э₀. При этом кристал­лизация исключена, если Э_б>Э₀, возможна, если Э_б Э₀ насту­пает обязательно при Э_б<Э₀.

Агрегатное состояние воды при давлении ни­же атмосферного. Изменение внешнего давления приводит к изменению закономерностей, характеризующих фазовые перехо­ды при атмосферных условиях. При общем давлении р в системе более 6,1·10² Па (тройная точка воды) возможно сосуществование фаз вещества - твердого, жидкого и парообразного (газооб­разного).

При р <6,1·10² Па возможно существование только двух фаз — твердой и парообразной.

При вакуумировании функциональная связь p = f(t) четко соблюдается. По мере пониже­ния общего давления парциальное давление пара, являясь частью общего, также снижается, а это со­провождается понижени­ем температуры воды. Когда общее давление становится меньше 6,1·10² Па, температура во­ды достигает 0°С, после чего наступает ее кристал­лизация (или переохлаж­дение). Дальнейшее снижение общего давления приводит к охлаждению льда до температуры, при которой устанавливается равновесие между давле­нием пара над поверхно­стью льда и в окружаю­щем вакуумном простран­стве.

Агрегатное со­стояние воды при давлении выше атмосферного. В усло­виях давлений выше ат­мосферного закономер­ность приобретает сугубо специфический характер, особенно когда давление превышает критическое
(р_кр =22,5 МПа). Область высоких давлений (для во­ды) до настоящего време­ни мало изучена.

Начнем рассмотрение закономерностей с диа­граммы p=f(t) для интервала температур 100...500°С (рис.1.4). При атмосферном давлении температура кипения воды составляет 100°С. С повышением давления температура кипения возрастает, однако за пределом критических параметров (р_кр =22,5 МПа, t = 374°C) исчезает различие между жидким состоянием и паром (закритический фазовый переход).

Возникает область наименьшей термодинамической ус­тойчивости, в которой вода становится веществом непрозрачным, с губчатой структурой (четвертое состояние, т. е. «плазма»). Левее и правее области закритического фазового перехода на фазовой диаграмме находятся области обычного жидкого или газообразного состояния вещества.

Рассмотрим теперь диаграмму (рис. 1.5), на которой представ­лены фазовые состояния воды при давлении свыше 1·10³ МПа. В этих условиях наибольший интерес представляют две области: первая лежит в интервале давлений до 600МПа и температур до —20° С. В этой области (I) вода не кристаллизуется и сохра­няет жидкое состояние при отрицательных температурах. Таким образом, открывается возможность консервации биологических ма­териалов при низких температурах без возникновения необратимых явлений (разрушений), вызываемых кристаллизацией.

Вторая область (II) охватывает интервал давлений, превышаю­щих 600 МПа и температур, ограниченных кривой фазовых пере­ходов. В этих условиях образуется твердая кристаллическая фаза с температурой выше 0°С. Так, при давлении 1·10³ МПа «лед» имеет температуру +20° С, а при давлении 1,6·10³ МПа — темпе­ратуру +55° С. Естественно, что создание столь высоких давлений представляется исключительно серьезной технической задачей, поэ­тому сегодня трудно ответить на вопрос о перспективах использования «горячего льда». Вместе с тем нет сомнений, что создание соответствующих технических средств явится толчком для разра­ботки новых высокоэффективных способов и процессов обработки продуктов и материалов.