СВЯЗЫВАНИЕ ВЛАГИ В СИСТЕМАХ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ЕГО РЕГУЛИРОВАНИЕ В ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ
Этот раздел курса посвящен описанию форм связи влаги с пищевыми биополимерами. Широкое использование синтетических красителей, эмульгаторов, стабилизаторов, консервантов предприятиями пищевой промышленности создает угрозу здоровью потребителей. В то же время существенного улучшения органолептических и функционально-технологических свойств можно добиться, используя добавки натурального происхождения и новые физические методы обработки сырья. Однако заметим, что для управления развивающимися при этом процессами с целью достижения высоких функционально-технологических свойств требуется применение теоретических представлений о взаимодействии веществ с водой. Получение новых продуктов предполагает разработку технологических процессов, не использующихся при традиционной переработке пищевого сырья. Эти процессы должны быть основаны на знании поведения основных биополимеров пищевых систем — белков и полисахаридов в различных условиях. Конформационные превращения молекул белка и межмолекулярные взаимодействия во многом определяются гидратацией протеинов. В данном разделе показано применение к изучению гидратации биополимеров экспериментальных методов.
Тема 1
Виды связывания влаги
Активность воды
Активность воды — понятие, характеризующее обмен молекулами воды между воздухом и влажным материалом. Поэтому для его описания необходимо рассмотреть как свойства влажного воздуха, так и способность материалов связывать влагу. Понятие активности воды можно представить, рассмотрев следующий эксперимент.
В закрытом сосуде устанавливается равновесие между водой и водяным паром (рис. 1.1). Число молекул воды, покидающих ее поверхность, приблизительно равно числу молекул, осаждающихся на воду. Соответствующее давление пара называется равновесным, а пар — насыщенным.
Рис. 1.1. Опыт для измерения влажности воздуха
При повышении температуры число молекул, покидающих воду, увеличивается и давление насыщенного пара возрастает. При снижении температуры давление пара падает, т. е. уменьшается число молекул пара. Однако если в сосуде уже имеется большое количество молекул воды, испарившихся при более высокой температуре, то излишние молекулы конденсируются на поверхности воды и стенках сосуда. Если его открыть, то часть молекул покидает сосуд и давление водяного пара в ней станет ниже давления насыщенного пара. Отношение давления оставшегося пара к давлению насыщенного пара при данной температуре называют относительной влажностью воздуха.
Необходимо отметить, что, когда сосуд открыт, конденсация наступает при более низкой температуре, чем в случае закрытого сосуда. Температуру, при которой пар определенного давления становится насыщенным, или (что, по сути, то же самое) относительная влажность воздуха становится равной 100 %, называют точкой росы. Чем ниже влажность воздуха, т. е. чем больше молекул покидают сосуд, тем ниже температура точки росы. В равновесном состоянии давление пара под колпаком, т. е. равновесное давление пара, не зависит от площади поверхности воды, определяющей лишь время установления данного состояния. Равновесное содержание влаги в воздухе определяется числом молекул, покидающих материал, поэтому для свободной воды это число максимально.
Если под колпаком имеется какое-то увлажненное тело, то часть молекул уже не может оторваться от материала, так как они связаны с ним. Поэтому равновесное содержание влаги в воздухе будет меньше.
Активностью воды (Дг) называется величина, характеризующая гигроскопические свойства продукта, т. е. способность испарять или поглощать влагу из воздуха. Численно активность воды выражается как отношение равновесного давления паров воды над продуктом (рп) к давлению паров над дистиллированной водой (р0):
Рассмотрим основные механизмы связывания влаги, приводящие к понижению активности воды в системах биологического происхождения.
