Изучение форм связи влаги в растительном сырье и в продуктах на их основе

Учреждение  образования  «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Министерство  образования Республики Беларусь 
 

Факультет ТОВ______________________________________________________

Кафедра физико-химических методов сертификации продукции_____________

Специальность 1-54 01 03 «Физико-химические методы и приборы контроля качества продукции»                 ________________________________________

Специализация 1-54 01 03 02 "Сертификация продовольственных товаров»___ 
 
 
 
 
 

по дисциплине «Химия пищевых производств»                                              ____   

Тема  «Изучение форм связи влаги в растительном сырье и в продуктах на их основе»                              
 
 
 

Исполнитель

Студент IV курса группы 14 ____________________              Лихтарович Е. С. 
 

Руководитель

Кандидат  технических наук     _____________________           ____Шачек Т. М.        
 

Курсовая работа защищена с оценкой  _____________ 

Руководитель __________________       _________________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 

Минск 2010

     Реферат

    Курсовая  работа содержит 38 страниц, 3 таблиц, 6 рисунков, 13 литератур-ных источников.

    ВОДА, ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДЫ С МАТЕРИАЛОМ, ФОРМЫ СВЯЗИ ВЛАГИ, АКТИВНОСТЬ ВОДЫ, БЕЗОПАСНОСТЬ, КАЧЕСТВО, МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, РАСТИТЕЛЬНОЕ СЫРЬЕ. 

    Целью данной курсовой работы является изучение форм связи влаги, кото-рые нашли  отражение в показателе активности воды, в растительном сырье и про-дуктах на его основе и влияние воды на их безопасность и качество.

    В курсовой работе описано взаимодействие воды с материалом продукта, приведена подробная классификация форм связи влаги, отражена взаимосвязь между активностью воды и качеством и безопасностью продуктов и их сохранностью. Описаны факторы, влияющие на активность воды, и методы ее измерения.

    Объектом  исследования являлись капуста цветная  и яблоки в процессе хранения, яблочные чипсы разных сроков хранения – проводилось измерение  их активность воды. Полученные результаты показывают увеличение активности воды объектов исследования в процессе их хранения, что свидетельствует об ухудшении их качества, активацию или более интенсивном протекании реакций и процессов, влияющих как на качество, так и на безопасность пищевого продукта.

    Активность  воды можно использовать как один из показателей контроля качества растительного сырья и продуктов на их основе. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание 

      Введение………………………………………………………………………....5

      1 Вода в растительном сырье и пищевых продуктах из него, ее роль в формирова-нии их качества и безопасности……………...………………………….6

          1.1 Взаимодействие влаги с твердыми материалами….....…...………….6

          1.2 Формы связи  влаги в продуктах на растительной  основе……...........9

          1.3 Показатель «активность  воды» и его роль в формировании  качества и безопасности продуктов………………………………………………….………...13

      2 Факторы, влияющие на значение активности воды………..……………...18    2.1 Свойства воды как растворителя……….....…………...…………….19

             2.2 Общая характеристика влияния растворенного вещества на активность воды……………………………………………………………………...20

             2.3 Описание влияние вещества химической природы на значение активности воды………………………………………………………………………22

             2.4 Осмотическая обработка………………………………………….......23

      3 Нормирование показателя активности  воды в пищевых продуктах…...…24

      4 Методы определения активности  воды в пищевых продуктах………...…25

      5 Экспериментальная часть…………………………………………………...33 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

    Одной из важнейших современных проблем является производство и доставка безопасных пищевых продуктов. Безопасность пищевых продуктов определяется отсутствием физических, химических и биологических загрязнителей в них и обеспечивается соблюдением технологических режимов обработки, требований санитарии и гигиены, эффективной системой контроля производства продукции. И в каждой стране законодательством установлены требования безопасности не только к готовой продукции, но и к ее производству, хранению, упаковке и транспортировке [1].

    Вода  – составная часть пищевых продуктов. Технологические свойства, интегральный показатель качества и сроки хранения пищевых продуктов во многом определяются свойствами содержащейся в них воды [2]. Благодаря физическому взаимодействию с белками, полисахаридами, липидами и солями, вода вносит значительный вклад в текстуру пищи.

    Существует взаимосвязь (хотя и далеко не совершенная) между влагосодержанием пищевых продуктов и их сохранностью (или порчей). Ещё в 1940 г. микробиологи при работе с пищевыми продуктами установили, что жизнедеятельность микроорганизмов зависит, прежде всего, от количества воды, присутствующей в продукте. Полученные ими результаты показали, что водой, присутствующей в продукте, можно регулировать в нем количество микроорганизмов. Однако часто различные пищевые продукты с одним и тем же содержанием влаги портятся по-разному. Это связано с тем, в какой форме вода находится в этих продуктах. Вода, сильнее связанная, меньше способна поддержать процессы, разрушающие пищевые продукты [3].

    Форма связи воды, для оценки которой используют показатель водной активности, оказывает влияние на интенсивность, происходящих в продукте реакций окисления липидов, меланоидинообразования, ферментативных, микробиологических и других процессов [2]. Естественно, существуют и другие факторы (такие как концентрация кислорода, рН, подвижность воды, тип растворенного вещества), которые в ряде случаев могут сильнее влиять на разрушение продукта. Тем не менее, водная активность хорошо коррелирует со скоростью многих разрушительных реакций, она может быть измерена и использована для оценки состояния воды в пищевых продуктах и ее причастности к химическим и биохимическим изменениям [3].

    Для многих продуктов активность воды является важным свойством. Она предсказывает устойчивость по отношению к многочисленным факторам. Контроль значения активности воды дает информацию о том, какие процессы, приводящие к порче продукта, протекают в большей степени. Следовательно, зная какие факторы влияют на этот показатель, можно избежать или замедлить протекание реакций, которые ухудшают качество продукта и делают его небезопасным для употребления.  
 

1 Вода в растительном сырье и пищевых продуктах из него, ее роль в формировании их качества и безопасности

     Во  всех биологических материалах растительного  происхождения содержится вода (чаще говорят "влага") в количестве от нескольких процентов до 90% и более. Она обусловливает консистенцию и структуру пищевого продукта, а также определяет устойчивость его при хранении. Влага, входящая в состав продукта, связана с его сухим веществом, причем формы связи этой влаги и ее энергия различны, что, помимо общего количества влаги,  имеет большое значение для пищевых продуктов, так как оно отображает общую картину взаимодействия влаги с компонентами продуктов. Являясь их составной частью, вода существенно влияет на такие важные показатели, как органолептические и реологические свойства, микробиологическую порчу, рост патогенных микроорганизмов и снижение качества в результате физических, химических и биохимических реакций [4].

     Воду  часто добавляют на одном из ранних этапов обработки. А затем удаляют  в процессе сушки. Это предполагает своего рода временную функцию, выполняемую водой в некоторой промежуточной точке схемы обработки продукта. Когда выступает в качестве нутриента, она несет с собой гораздо больше, чем просто молекулы Н О, обычно ассоциируемые с водой. В зависимости от состояния вода может быть связанной и свободной. Форма связи определяет энергию связи и состав связанных с ней нутриентов [5].

     Рассмотрим  ниже более подробно взаимодействие влаги с твердыми материалами, что  описывает и те явления, которые происходят в продуктах растительного происхождения. Рассмотрим также формы связи влаги, многие из которых присущи растительному сырью и продуктам на его основе. 

 1.1 Взаимодействие влаги с твердыми материалами

     Характеристика состояния влаги в материале и соответствующих параметров влагопереноса дается на основе анализа явлений, развивающихся на поверхности раздела фаз (жидкость — твердое тело), — поверхностных явлений. В результате этих явлений происходит достаточно прочное – адсорбционное — связывание воды; нарушение этой связи в процессе сушки требует значительных энергетических затрат.

     Различают физическую и химическую адсорбцию. Если адсорбируемая молекула (адсорбат) и решетка адсорбента рассматриваются как независимые системы, т. е. если в процессе адсорбции сохраняется индивидуальность адсорбированной молекулы и атомов, образующих, поверхность адсорбента, протекает физическая адсорбция. Если же при адсорбции молекулы адсорбента отдают или получают от поверхности адсорбента электрон, то они (как указывает Я. де Бур), расщепляются на атомы или радикалы, которые взаимодействуют и связываются с атомами поверхности каждый в отдельности, — имеет место химическая адсорбция.

     При химической адсорбции прочность - связей значительно выше, чем при физической, и обычно в процессе сушки эти связи не нарушаются. Физическая адсорбция происходит неодинаково по толщине слоя воды: более прочно связывается первый мономолекулярный слой воды; прочность связи полимолекулярной адсорбции снижается по мере удаления влаги от поверхности адсорбента.

     Мономолекулярная адсорбция протекает с очень большой скоростью. По данным де Бура, для покрытия 1 см² поверхности адсорбента достаточно около 10¹⁵ молекул воды, что примерно увязывается с представлениями Брунауэра о площади, занимаемой одной молекулой воды (порядка 11· см²).

     Например, при взаимодействии твердого тела с воздухом небольшой влажности (φ=10%) число молекул, ударяющихся об участок поверхности тела площадью 1 см² в 1 с, составит 8,5-10²⁰, что на 5-6 порядков больше указанного выше количества молекул. Однако следует учесть, что проникновение молекул воды внутрь капилляров пористого тела, имеющего развитую внутреннюю поверхность, происходит весьма медленно.

     По представлениям Брунауэра (что принципиально соответствует взглядам Ленгмюра), обычно поверхность адсорбента энергетически неоднородна — различные участки поверхности обладают различными адсорбционными потенциалами; поэтому образование уплотненного мономолекулярного слоя вначале происходит на участках с большими значениями потенциала. Затем при увеличении давления пара (или иначе влагосодержания воздуха) участки мономолекулярного слоя растут наряду с адсорбцией на участках с меньшими значениями потенциала, что приводит к образованию единого мономолекулярного адсорбционного связанного слоя жидкости.

     Ленгмюр получил с некоторыми допущениями уравнения адсорбции мономолекулярного слоя. Наибольшее применение получили результаты исследований, проведенных Брунауэром, Эмметом и Теллером в 1938 г. (метод БЭТ), которые сделали следующие предположения:

 а) адсорбированные молекулы не оказывают влияния одна на другую;       

     б) энергия адсорбции молекул каждого слоя одинакова. С этими допущениями авторы получили уравнения полимолекулярной адсорбции, которые хорошо подтверждаются экспериментальными данными.

     И. М. Куприянов рекомендует установить для каждого продукта количество связанной влаги методом замораживания.

     В молекулярно-кинетической теории строения тел уравнением состояния жидкости (точнее, уравнением состояния жидкой фазы вещества) является уравнение Ван-дер-Ваальса, представленное в виде:

                                     =RT(V–b)                                      (1)

      где V — объем, в котором происходит движение молекул тела (газа, жидкости); R — универсальная газовая постоянная; T — температура, К; V – b — объем, доступный для свободного движения молекул, который меньше объема V на величину b вследствие взаимодействия — отталкивания молекул.

     Для молекул, находящихся в так называемом поверхностном слое толщиной порядка радиуса сферы притяжения молекул (например, в слое, прилегающем к стенке сосуда, в котором рассматривают состояние газа), Ван-дер-Ваальсом введена поправка на уменьшение давления за счет сил притяжения, направленных внутрь газа (жидкости):

                  p =                                                     (2)

       где а — некоторая величина, пропорциональная давлению и обусловленная числом молекул n в единице объема V; число молекул в поверхностном слое пропорционально п, а сила, приходящаяся на единицу площади поверхностного слоя, пропорциональна п² и обратно пропорциональна V².

     Для жидкости, находящейся под давлением собственных паров, при температуре, намного меньше критической, давлением паров можно пренебречь по сравнению с давлением притяжения молекул, т. е р ≈ 0. Тогда из уравнения (2) получим уравнение состояния (1).

     В соответствии со вторым законом термодинамики при приближении к равновесному состоянию потенциальная энергия системы стремится к минимуму, т. е. на поверхности жидкости должна действовать сила, стремящаяся уменьшить ее площадь. Эта сила и является поверхностным натяжением σ, относящимся к единице длины по касательной к поверхности (Н/м).

     Поверхностное натяжение σ численно равно свободной энергии поверхностного слоя, приходящейся на единицу площади (Н·м/м², т. е. Дж/м²); иначе говоря, σ равно плотности свободной энергии поверхностной пленки. Для воды при 0° С σ ≈ 0,075 Н/м, или 0,075 Дж/м² (поверхностное натяжение зависит от температуры).

     Благодаря избытку свободной энергии на внутренней и внешней поверхности твердого скелета коллоидного капиллярно-пористого тела происходит прочное – адсорбционное – связывание влаги при соответствующем уменьшении свободной энергии на поверхности раздела.

     При взаимодействии жидкости с поверхностью твердого тела молекулы поверхности твердого тела действуют с определенной силой на молекулы пограничного слоя жидкости, на который со стороны самой жидкости действует определенная сила.

     На твердой поверхности в воздушной среде капля жидкости может принимает форму, обусловленную соотношением поверхностных натяжений σ на границах раздела газообразной, жидкой и твердой фаз и краевого угла, косинус которого является мерой смачивания жидкостью твердой поверхности. В случае смачивания капля растекается по поверхности твердого тела и такая поверхность называется лиофильной, а взаимодействие жидкости с телом характеризуется слабой адгезией.

     Явление смачивания вызывает искривление поверхности жидкости в капилляре. При смачивании образуется вогнутый мениск. Под действием направленной вверх реакции сил поверхностного натяжения между твердой и жидкой фазами жидкость поднимается вверх на определенную высоту. Вогнутый мениск стремится уменьшить свою поверхность и создает отрицательное давление. Капиллярное давление обуславливает снижение давления насыщенного пара над вогнутой поверхностью по сравнению с давлением над плоской поверхностью. Капиллярная влага испытывает напряжение растяжения по сравнению с адсорбированной водой, которая находится в сжатом состоянии. Если жидкость не смачивает стенки трубки, то ее уровень в капилляре опускается, а мениск будет выпуклым. И над такой поверхностью давление насыщенного пара будет выше [6].

      Взаимодействие воды с твердой поверхностью описывается процессами и поверхностными явлениями, которые могут проявляться в различной степени и с различной силой. Эти явления обуславливают своеобразные состояния влаги в продуктах, каждый из которых отличается особенностями структуры и химического состава. Ниже описаны формы связи воды в продуктах. Объясняется классификация форм связей именно описанными выше поверхностными явлениями и  сочетанием кинетических процессов на молекулярном уровне.

1.2 Формы связи влаги в продуктах на растительной основе

     Общая влажность продукта указывает на количество влаги в нем, но не характеризует  его причастность к химическим, микробиологическим и биохимическим изменениям в продукте [3].

     Как известно, при растворении веществ в воде между водой и молекулами этих веществ происходит реакция взаимодействия, которая характеризуется тем, что определенное количество молекул воды связывается с молекулами растворенного вещества, уменьшая количество несвязанных (свободных) молекул воды. Следовательно, сокращается количество воды, доступной для жизнедеятельности микроорганизмов. Аналогичный процесс наблюдается в любом влагосодержащем пищевом продукте. Чем больше молекул воды связано с растворенными веществами, тем меньше воды остается для размножения и роста микроорганизмов. Поэтому в обеспечении устойчивости продукта при хранении важную роль играет соотношение свободной и связанной влаги [7].

     Связанная влага – это ассоциированная  вода, прочно связанная с различными компонентами – белками, липидами и углеводами за счет химических и физических связей.

     Свободная влага – это влага не связанная  полимером и доступная для  протекания биохимических, химических и микробиологических реакций.

     Например, в зерне при влажности 15-20% связанная вода составляет 10-15%. При большей влажности появляется свободная влага, которая способствует усилению биохимических процессов.

     Плоды и овощи имеют влажность 75-95%. В  основном это свободная вода, однако примерно 5 % влаги удерживается клеточными коллоидами в прочно связанном состоянии.

     В коллоидных системах свободная вода 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 упрошенная классификация исходит главным образом из физико-химических свойств различных форм связи воды, но не отражает природы их образования [6].

     Классификация форм связи влаги в коллоидных капиллярно-пористых материалах учитывает  как природу образования различных форм, так и энергию связи их с материалами. Согласно классификации П. А. Ребиндера все формы связи влаги делятся на три большие группы: химическая связь; физико-химическая связь; физико-механическая связь.

     Химическая  связь влаги – удержание ее материалом в точных количественных соотношениях. Она исключительно прочно связана с материалом и может быть удалена из него при химическом воздействии или при особо интенсивной тепловой обработке. Обычно при сушке химически связанная влага не удаляется.

     Большой энергией связи обладает химически  связанная влага в виде гидроксильных  ионов, в этом случае молекула воды исчезает как таковая.

     Физико-химическая связь – удержание влаги в различных, не строго определенных соотношениях. Этой форме соответствуют различные виды связи влаги: адсорбционно связанная влага – жидкость, удерживаемая силовым полем на внешней  внутренней поверхности «мицелл» - коллоидные частицы с сольватным слоем, строение которого определяет заряд «мицеллы». Коллоидные тела характеризуются значительной дисперсностью, вследствие чего они обладают огромной внутренней поверхностью, а следовательно, и значительной поверхностной энергией, благодаря которой происходит адсорбционное связывание воды.

     При поглощении воды коллоидным телом выделяется теплота гидратации и происходит сжатие  системы коллоидное тело – вода. Наибольшее количество тепла выделяется при присоединении первого мономолекулярного слоя, который связан с материалом наиболее прочно. Удаление такой влаги связано с соответствующей затратой энергии, влага должна быть превращена в пар, после чего начинается ее перемещение к наружной поверхности тела.

     Для адсорбционно связанной воды зависимость давления пара от влажности материала может быть получена по изотерме адсорбции. Эта форма связи характерна для весьма малой влажности материала.

     Осмотически удержанная влага (влага набухания и структурная влага) – влага, находящаяся в замкнутых ячейках, как поглащенная осмотически сложно построенной мицеллой, так и иммоболизованная – структурная влага, захваченная при формировании геля. Эта влага является свободной в том смысле, что ей соответствует весьма малая энергия связи.

     По  С. М. Липатову, высокомолекулярные соединения состоят из смеси фракций различной молекулярной массы, которые по-разному взаимодействуют с водой: высокомолекулярные фракции нерастворимы в воде, низкомолекулярные – растворимы. При формировании геля образуется скелет из замкнутых клеток, стенки которых состоят из нерастворимых фракций. Растворимая фракция при этом частично попадает внутрь клеток, а частично находится на их внешней поверхности. Так как внутри клеток концентрация растворимой фракции больше, чем вне клеток, то вода проникает внутрь скелета путем осмоса. Часть влаги попадает внутрь клеток непосредственно при формовании геля.

     Осмотически удержанная влага по своим свойствам почти не отличается от обычной воды. Причиной того, что осмотически удержанная вода не растворяет легко растворимые вещества (например, сахар), является невозможность диффузии вещества внутрь замкнутой клетки, в которой находится вода.

     Поглощение  влаги набухания происходит без  выделения тепла и без сжатия системы. Эта влага, как и адсорбционная  влага, называется коллоидно-связанной  влагой.

     Физико-механическая связь – удержание воды в неопределенных количествах. Этой связи соответствуют следующие виды влаги: влага макрокапилляров – находится в капиллярах, средний радиус которых меньше см. Давление водяного пара над мениском макрокапилляра почти не отличается от давления насыщенного пара над свободной поверхностью воды. Вода заполняет сквозные макрокапилляры только при непосредственном соприкосновении с ним; влага микрокапилляров – заполняет узкие поры, средний радиус которых меньше см. Жидкость заполняет любые микрокапилляры не только при непосредственном соприкосновении, но и путем сорбции из влажного воздуха. Капиллярная влага представляет собой свободную влагу. Она перемещается в теле как в виде жидкости, так и в виде пара. Давление пара над в микрокапиллярах зависит от их радиуса.

     Данная  классификация с учетом роли воды в биологических и биохимических  процессах существенно дополнена и расширена Е. Д. Козаковым и представлена в таблице 1 [6].