Вода в пищевых продуктах

Основы пищевых технологий

Вода в пищевых продуктах

 

План:

1. Введение

2. Химические названия  воды

3. Физические свойства

4. Агрегатные состояния

5. Изотопные модификации  воды

6. Химические свойства

7. Вода в пищевых продуктах

Список литературы

вода пищевой продукт

 

1. Введение

Водам (оксид водорода) -- химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса (при нормальных условиях).

Химическая формула: Н2O. В  твёрдом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном -- водяным паром. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, льды).

Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни  на Земле, в химическом строении живых  организмов, в формировании климата  и погоды.

Вода на Земле может  существовать в трёх основных состояниях -- жидком, газообразном и твёрдом  и приобретать различные формы, которые могут одновременно соседствовать  друг с другом: водяной пар и  облака в небе, морская вода и  айсберги, ледники и реки на поверхности  земли, водоносные слои в земле. Вода способна растворять в себе много веществ, приобретая тот или иной вкус. Из-за важности воды, «как источника жизни», её нередко подразделяют на типы по различным принципам.[12]

По особенностям происхождения, состава или применения, выделяют, в числе прочего:

Мягкая вода и жёсткая  вода -- по содержанию катионов кальция и магния

По изотопам молекулы:

1.Лёгкая вода (по составу  почти соответствует обычной)

2.Тяжёлая вода (дейтериевая)

3.Сверхтяжёлая вода (тритиевая)

4.Пресная вода

5.Дождевая вода

6.Морская вода

7.Подземные воды

8.Минеральная вода

9.Солоноватая вода (en: Brackish water)

10.Питьевая вода, Водопроводная  вода

11.Дистиллированная вода  и деионизированная вода

12.Сточные воды

13.Ливневая вода или  поверхностные воды

14.Структурированная вода -- термин, применяемый в различных неакадемических теориях.[3]

 

2. Химические названия  воды:

С формальной точки зрения вода имеет несколько различных  корректных химических названий:

-Оксид водорода

-Гидроксид водорода

-Монооксид дигидрогена

-Гидроксильная кислота

-англ. hydroxic acid

-Оксидан

-Дигидромонооксид[15]

3. Физические свойства  воды

Вода в нормальных атмосферных  условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние, тогда как аналогичные  водородные соединения являются газами. Это объясняется особыми характеристиками слагающих молекулы атомов и присутствием связей между ними. Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45°, и эта конфигурация строго сохраняется.

Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода

и кислорода электронные  облака сильно смещены в сторону  кислорода. По этой причине молекула воды является активным диполем, где  кислородная сторона отрицательна, а водородная положительна. В результате молекулы воды притягиваются своими противоположными полюсами, и образуют полярные связи, на разрыв которых требуется  много энергии. В составе каждой молекулы .Ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, в результате чего он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома кислорода соседней молекулы, образуя водородную связь с другой молекулой. Каждая молекула связана с четырьмя другими посредством водородных связей -- две из них образует атом кислорода и две атомы водорода. Комбинация этих связей между молекулами воды -- полярной и водородной и определяет очень высокую температуру её кипения и удельную теплоты парообразования. В результате этих связей в водной среде возникает давление в 15-20 тыс. атмосфер, которое и объясняет причину трудносжимаемости воды, так при увеличении атмосферного давления на 1 Бар (единица измерения), вода сжимается на 0,00005 доли её начального объёма.

Водородная связь

Структуры воды и льда между  собой очень похожи. В воде, как  и во льду, молекулы стараются расположиться  в определённом порядке -- образовать структуру, однако тепловое движение этому препятствует. При температуре перехода в твёрдое состояние тепловое движение молекул более не препятствует образованию структуры, и молекулы воды упорядочиваются, в процессе этого объёмы пустот между молекулами увеличиваются и общая плотность воды падает, что и объясняет причину меньшей плотности воды в фазе льда. При испарении, напротив, рвутся все связи. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель. Однако удельная теплоёмкость воды, в отличие от других веществ непостоянна: при нагреве от 0 до 35 градусов Цельсия её удельная теплоёмкость падает, в то время как у других веществ она постоянна при изменении температуры. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг) и парообразования (2250 кДж/кг).[8]

Таблица 1.-Физические свойства воды

Температура °С	Удельная теплоёмкость воды кДж/(кг*К)
-60 (лёд)	1,64
-20 (лёд)	2,01
-10 (лёд)	2,22
0 (лёд)	2,11
0 (чистая вода)	4,218
10	4,192
20	4,182
40	4,178
60	4,184
80	4,196
100	4,216

Вода обладает также высоким  поверхностным натяжением среди  жидкостей, уступая в этом только ртути. Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться  с разными скоростями.

По сходным причинам вода является хорошим растворителем  полярных веществ. Каждая молекула растворяемого  вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки  молекулы растворяемого вещества притягивают  атомы кислорода, а отрицательно заряженные -- атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных  веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Вода обладает отрицательным  электрическим потенциалом поверхности.[2]

Чистая (не содержащая примесей) вода -- хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H3O+) и гидроксильных ионов HO? составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода -- хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной  пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более  чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря  большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое  излучение, на чём основан принцип  действия микроволновой печи.[9]

 

4. Агрегатные состояния

Агрегатное состояние  воды

Фазовая диаграмма воды: по вертикальной оси -- давление в Па, по горизонтальной -- температура в  Кельвинах. Отмечены критическая(647,3 K; 22,1 МПа) и тройная (273,16 K; 610 Па) точки. Римскими цифрами отмечены различные структурные модификации льда.

По состоянию различают:

1.Твёрдое -- лёд

2.Жидкое -- вода

3.Газообразное -- водяной пар

При нормальном атмосферном  давлении (760 мм рт. ст., 101 325 Па) вода переходит  в твердое состояние при температуре  в 0 °C и кипит (превращается в водяной  пар) при температуре 100 °C (температура 0 °C и 100 °C были специально выбраны как  температура таяния льда и кипения  воды при создании температурной  шкалы «по Цельсию» в системе  СИ). При снижении давления температура таяния (плавления) льда медленно растёт, а температура кипения воды -- падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки (сублимации) льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температурами плавления выше комнатной.

С ростом давления температура  кипения воды растёт:

Таблица 2.-Температура кипения  воды [15]

Давление	Ткип гр. Цельсия
нормальные условия	+98,9°
1	+100°
2	+120°
6	+158°
218,5	+374,1°

При росте давления плотность  водяного пара в точке кипения  тоже растёт, а жидкой воды -- падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.

Так же возможны метастабильные состояния -- пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Чистая вода способна как  переохлаждаться не замерзая до температуры -33°C, так и быть перегрета до +200°C. За это её свойство она получила применение в промышленности (например в паровых турбинах).

Существует тип воды, которая  имеет плотность на 40% выше нормальной и закипает при температуре +300°С. Эта разновидность воды была открыта советским учёным Б. В. Дерягиным на поверхности кристаллов кварца[2].

5. Изотопные модификации  воды

И кислород, и водород имеют  природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов водорода, входящих в молекулу, выделяют следующие  виды воды:

Лёгкая вода (основная составляющая привычной людям воды) .

Тяжёлая вода (дейтериевая) .

Сверхтяжёлая вода (тритиевая) .

тритий-дейтериевая вода

тритий-протиевая вода

дейтерий-протиевая вода

Последние три вида возможны, так как молекула воды содержит два  атома водорода. Протий -- самый легкий изотоп водорода, дейтерий имеет атомную массу 2,0141017778 а.е.м., тритий -- самый тяжелый, атомная масса 3,0160492777 а.е.м.

Известно, что тяжёлая  вода не поддерживает жизни, то есть большинство  живых организмов (за исключением  некоторых микроорганизмов и  грибов) в такой воде умирает.

По стабильным изотопам кислорода 16O, 17O и 18O существуют три разновидности  молекул воды. Таким образом, по изотопному составу существуют 18 различных  молекул воды. В действительности любая вода содержит все разновидности  молекул.[4]

 

6. Химические свойства

Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть  химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит -- и кислоту и основание одновременно (катион H+анион OH?). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa ? 16.

Вода химически довольно активное вещество. Сильно полярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.[2]

Вода реагирует при  комнатной температуре:

с активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)

с галогенами (фтором, хлором) и межгалоидными соединениями

с солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая  их полный гидролиз с ангидридами  и галогенангидридами карбоновых и неорганических кислот с активными металлорганическими соединениями (диэтилцинк, реактивы Гриньяра, метилнатрий и т. д.) 1.с карбидами, нитридами, фосфидами, силицидами, гидридами активных металлов (кальция, натрия, лития и др.)

2.со многими солями, образуя  гидраты

3.с боранами, силанами

4.с кетенами, недоокисью углерода

5.с фторидами благородных  газов

Вода реагирует при  нагревании:

с железом, магнием

с углем, метаном

с некоторыми алкилгалогенидами

Вода реагирует в присутствии  катализатора:

1.с амидами, эфирами  карбоновых кислот

2.с ацетиленом и другими  алкинами

3.с алкенами

4.с нитрилами

7. Вода в пищевых продуктах

Вода -- важная составляющая пищевых продуктов. Она присутствует и разнообразных растительных и животных продуктах как клеточный и внеклеточный компонент, как диспергирующая среда и растворитель, обусловливая их консистенцию и структуру и влияя на внешний вид, вкус и устойчивость продукта при хранении. Благодаря физическому взаимодействию с белками, полисахаридами, липидами и солями, вода вносит значительный вклад.

Количество воды в пищевых  продуктах влияет на их качество и  сохраняемость. Скоропортящиеся продукты с повышенным содержанием влаги без консервирования длительное время не сохраняются. Вода, содержащаяся в продуктах, способствует ускорению в них химических, биохимических и других процессов. Продукты с малым содержанием воды лучше сохраняются.

Многие виды пищевых продуктов  содержат большое количество влаги, что отрицательно сказывается на их стабильности в процессе хранения. Поскольку вода непосредственно  участвует в гидролитических  процессах, ее удаление или связывание за счет увеличения содержания соли или  сахара тормозит многие реакции и  ингибирует рост микроорганизмов, таким  образом удлиняя сроки хранения продуктов. Важно также отметить, что удаление влаги путем высушивания или замораживания существенно влияет на химический состав и природные свойства.