Главная страница
Навигация по странице:

  • Физическая и термодинамическая характеристика воды, связанной биомакромолекулами.

  • Связанная влага

  • Гигроскопическая влага

  • 2. Свободная и связанная вода в пшеничном тесте. Методы определения связанной воды.

  • 3.Взаимодействие воды с углеводами. Гелеобразующие полисахариды.

  • Взаимодействие воды с фосфолипидами

  • Взаимодействие воды с белками. Гидротация.

  • Роль воды в развитии микроорганизмов на сырье и пищевых продуктах.

  • ответы к колл.. Физическая и термодинамическая характеристика воды, связанной биомакромолекулами


    Скачать 0.75 Mb.
    НазваниеФизическая и термодинамическая характеристика воды, связанной биомакромолекулами
    Анкорответы к колл..docx
    Дата18.10.2017
    Размер0.75 Mb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаответы к колл..docx
    ТипДокументы
    #1393
    страница1 из 6

    Подборка по базе: Общая характеристика корыстной преступности.docx, Евстратова, Клавдия Ивановна_ Купина, Нина Александровна_ Малахо.
      1   2   3   4   5   6

    1. Физическая и термодинамическая характеристика воды, связанной биомакромолекулами.

    Вода является необходимым условием жизни и входит в состав всех пищевых продуктов и материалов.

    Содержание влаги может привести к быстрой порче продуктов и поэтому продукты, предназначенные для длительного хранения, подвергаются сушке.

    Вода представляет собой прозрачную бесцветную жидкость, обладающую целым рядом аномальных физических свойств. Например, вода имеет аномально высокие температуры замерзания и кипения, а так же поверхностное натяжение. Её удельные энтальпии испарения (в расчёте на 1 грамм) выше чем почти у всех остальных веществ. Редкой особенностью воды является то, что её плотность в жидком состоянии при 4С больше плотности льда, поэтому лёд плавает на поверхности воды. Эти аномальные свойства воды объясняются существованием водородных связей, которые связывают между собой молекулы как в жидком, так и твёрдом состоянии. Вода плохо проводит электрический ток, но становится хорошим проводником, если в ней растворены даже небольшие количества ионных веществ.

    Вода является универсальным растворителем, необходимым для протекания биохимических реакций. Способность воды хорошо растворять многие вещества обусловлена полярностью её молекул. Молекулы воды обладают сравнительно большим дипольным моментом, поэтому при растворении в ней ионных веществ молекулы воды ориентируются вокруг ионов, то есть сольватируют их. Водные растворы ионных веществ являются электролитами. Исследованию свойств и структуры воды посвящено большое количество исследований. Но до настоящего времени не существует единого мнения о структурной и модели воды, не объяснены закономерности её взаимодействия с другими веществами. Это взаимодействие может быть исследовано при сочетании двух методов: термодинамического объясняющего «конечные» свойства воды и молекулярнокинетического, вскрывающего механизм внутренних взаимодействий в самой молекуле воды и внешних взаимодействий с другими веществами, в частности с адсорбентами.

    Большой заслугой в развитии проблемы взаимодействия воды явилась классификация форм и видов связи влаги в материалах, предложенная академиком Ребиндером. В основу этой классификации положена энергия связи, то есть термодинамический принцип, поэтому она носит универсальный характер, имеет большое практическое и научное значение анализа изотерм сорбций для расчёта затраты энергии и обосновывает оптимальные режимы технологических процессов. Различают следующие формы и виды связи влаги с материалом: связанная влага, свободная влага, равновесная влага, гигроскопическая влага, критическая влага.

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

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

    Равновесная влага - это влага, содержащаяся в материале в таком количестве, которое соответствует данному сочетанию относительной влажности и температуры. Например, если зерно поместить в замкнутое пространство, в котором создана определённая относительная влажность воздуха, то сухое зерно будет поглощать водяные пары и увлажняться. В конце концов, наступит состояние, когда зерно перестанет сорбировать влагу и его влажность будет равновесна влажности окружающего воздуха.

    Гигроскопическая влага - это влага, поглощенная зерном из воздуха.

    Критическая влага - это состояние материи, при котором появляется свободная вода, обеспечивающая интенсификацию ферментативных процессов.

    Критическая влажность - это такая влажность, ниже которой биохимические процессы в материале резко ослабляются, а выше которой начинают бурно нарастать.

    Для характеристики свойств воды в продуктах и материалах широко используется понятие «активность воды». Под активностью воды а понимают отношение парциального давления водяного пара на поверхности продукта Р к парциальному давлению насыщенного пара свободной воды в окружающей среде Р, зависящему от температуры; это отношение называется по существу относительной влажностью пограничного слоя :
    а = а==
    Существует формула, характеризующая химический потенциал воды:
    =+ RT ℓna
    где -стандартное значение химического потенциала воды;

    - химический потенциал воды;

    R - газовая постоянная;

    T - абсолютная температура К;

    A - термодинамическая активность воды;
    Эта формула характеризует термодинамическое состояние воды. В гигроскопической области уменьшение свободной энергии связи равно химическому потенциалу и описывается уравнением Ребиндера:
    -F == RT ℓn=-RT ℓn

    где F – уменьшение свободной энергии (при постоянной температуре).

    2. Свободная и связанная вода в пшеничном тесте. Методы определения связанной воды.

    Для осуществления гидролитических процессов, протекающих в тесте при брожении и выпечке, необходимо присутствие в нём свободной воды.

    Существующие методы определения связанной воды делят на термодинамические, кинетические, спектроскопические и структурные.

    Наиболее важными из них являются следующие:

    1. Определение статического мономолекулярного слоя методом БЭТ.

    2. Определение незамерзающей воды методом дифференцированного термического анализа.

    3. Определение незамерзающей воды методом ядерно-магнитного резонанса (ЯМР)

    Все три метода имеют то преимущество, что показывает какое-то количество воды, которое отличается от остальной, а следовательно является связанной. Метод БЭТ отражает свойства всей системы, а не только воды. Тем не менее он обеспечивает хорошую согласованность величин, полученную при изучении различных систем. Количество незамерзающей воды обычно в 2-4 раза превышает величину мономолекулярного слоя, определённую по методу БЭТ. Типичные значения мономолекулярных слоёв воды в пищевых продуктах и их компонентов, полученных методом БЭТ составляет:

    [гр./ гр. СВ]

    Крахмал-0,11

    Желатин-0,11

    Декстран-0,09

    Сахароза кристаллическая-0,004

    Картофель в виде кубиков-0,06

    Методом ЯРМ установлено.что количество воды, незамерзающей при , то есть находится в связанном состоянии, в пшеничном тесте составляет 0,30 гр./гр. СВ.

    При этом было установлено, что свободная вода, появляющаяся при влажности водомучнистой смеси 24%, с увеличением влажности теста от этой величины до значения 59,5% количество связанной воды остаётся на прежнем уровне. Иначе говоря, с увеличением влажности теста увеличивается содержание свободной воды.

    Способность белковых веществ и углеводов связывать добавляемую в тесто воду практически одинаково в муке разных хлебопекарных свойств.

    Проведённые исследования показывают, что в тесте из пшеничной муки при его нормальной влажности 65% всей добавляемой воды находящейся в свободном состоянии и может принимать участие в биохимических процессах.

    3.Взаимодействие воды с углеводами.

    Гелеобразующие полисахариды.

    Рассмотрим механизм образования гелей с участием полисахаридов. В соответствии с природой контактных зон, которые удерживают вместе полимерные цепи в трёхмерной пространственной структуре идентифицировано три типа механизмов застудневания для случая обратимого образования полисахаридных гелей.

    Первый механизм.

    Существует класс полисахаридов, образующих гели при охлаждении горячих растворов с бифилярными, то есть двойными спиралями. В соответствии рисунку:



    Несколько нерегулярные структуры делают невозможным существование протяжённых областей двойных спиралей и следовательно любая одиночная полимарная цепь взаимодействует более, чем с одним партнёром. Результатом является образование трёхмерной пространственной структуры.

    В некоторых случаях сами двойные спирали проявляют заметную тенденцию агрегироваться в так называемые “сверхструктуры”. К полисахаридам с таким механизмом гелеобразования относятся агары и агароиды.

    Второй механизм.

    Некоторые полисахариды при застудневании образуют слоистые структуры, то есть несколько слоёв, например альгинаты и низкомолекулярные метоксипектины образуют гели при добавлении в раствор ионов .предполагается, что контактные зоны включают специфически связанные двухвалентные катионы Ca, которые связаны главным образом с цепями полигалактуроновой кислоты.

    Модель контактных зон в альгинатных гелях:




    Третий механизм.

    Механизм образования мицеллярных структур( метилцеллобиоза, гидроксипропилцеллюлоза).

    В этом случае гели образуются при нагревании холодных растворов и считается, что механизм их образования включает гидрофобное взаимодействие тех участков цепей целлюлозы, где заместители расположены наиболее часто. А относительно незамещённые(и гидрофильные части цепи) остаются при этом в растворе свободными. Исследования релаксации метода ЯРМ-спектроскопии проводилосьпреимущественно на гелях первого типа, то есть тех, которые включают бифилярные спирали.

    Агароза может образовать гели при концентрации 0,5%. В данном случае роль воды определяет конформационные свойства данного полимера.

    Определяющим фактором гидратационных своцств является относительная пространственная ориентация гидроксильных групп. Для третьего механизма роль воды при образовании геля состоит в осуществлении каталитической функции.

    1. Взаимодействие воды с фосфолипидами.

    Фосфолипиды- сложные липиды в состав которых входит остаток фосфорной кислоты.

    Полярные липиды типа фосфолипидов имеют необходимую молекулярную массу равную 1000, но их химическое строение таково ,что они обладают сильновыраженной тенденцией ассоциироваться в достаточно большие макроскопические структуры: более 1 мкм.

    Следствием такого разделения молекулы на полярные и неполярные части является то , что эти соединения обладают поверхностной активностью, то есть способностью ориентироваться на поверхности раздела фаз и понижать их поверхностное натяжение.

    При добавлении воды полярные липиды набухают, вода проникает между двумя липидными слоями, гидратируя полярные группы молекул.

    Мерой количества поглощенной воды служит увеличение толщины двойного слоя.

    Силы межмолекулярного сцепления различаются в соответствии с полярностью двух фрагментов молекул.

    В углеводных цепях действуют вандер- ваальсовы силы и гидрофобные силы, а в полярных группах преобладают силы дипольного и электростатического взаимодействия и водородные связи.

    Гидротацию фосфолипидов можно сравнить с гидротацией моноглицеридов.

    Оба эти класса липидов имеют большое значение для пищевой промышленности, где используется их свойство, как эмульгирующих агентов( эмульгирование жиров, улучшение свойств мякиша) укрепление теста, увеличение объёма хлеба.

    1. Взаимодействие воды с белками. Гидротация.

    Белки — амфотерные электролиты. При определенном рН среды (изоэлектрическая точка) число положительных и отрицательных зарядов в молекуле белка одинаково. Это одна из основных констант белка. Белки в этой точке электронейтральны, а их вязкость и растворимость наименьшая. Способность белков снижать растворимость при достижении электронейтральности их молекул широко используется для выделения их из растворов, например в технологии получения белковых продуктов.

    Гидратация. Белки связывают воду, т. е. проявляют гидрофильные свойства. При этом они набухают, увеличивается их масса и объем. Набухание белка сопровождается его частичным растворением. Гидрофильность отдельных белков зависит от их строения. Имеющиеся в составе и расположённые на поверхности белковой макромолекулы гидрофильные СО—NН (пептидная связь), аминные NH и карбоксильные СООН группы притягивают к себе молекулы воды, строго ориентируя их на поверхности молекулы.

    Окружающая белковые глобулы гидратная (водная) оболочка препятствует агрегации, а следовательно, способствует устойчивости растворов белка и препятствует его осаждению.

    В изоэлектрической точке белки обладают наименьшей способностью связывать воду, происходит разрушение гидратной оболочки вокруг белковых молекул, поэтому они соединяются, образуя крупные агрегаты. Агрегация белковых молекул происходит и при их обезвоживании с помощью некоторых органических растворителей, например этилового спирта. Это приводит к выпадению их в осадок. При изменении рН среды макромолекула белка становится заряженной, и его гидратационная способность меняется. При ограниченном набухании концентрированные белковые растворы образуют сложные системы, называемые студнями. Студни не обладают текучестью, они упруги, обладают пластичностью, определенной механической прочностью, способны сохранять свою форму. Глобулярные белки могут полностью гидратироваться, растворяясь в воде (например, белки молока, образуя растворы с невысокой концентрацией).

    Гидрофильные свойства белков, т. е. их способность набухать, образовывать студни, стабилизировать суспензии, эмульсии и пены имеют большое значение в биологии и пищевой промышленности. Очень подвижным студнем, построенным в основном из молекул белка, является цитоплазма — полужидкое содержимое клетки. Сильно гидратированный студень — сырая клейковина, выделенная из пшеничного теста, она содержит до 65 % воды. Различная гидрофильность клейковинных белков — один из признаков, характеризующих качество зерна пшеницы и получаемой из него муки (так называемые сильные и слабые пшеницы). Гидрофильность белков зерна и муки играет большую роль при хранении и переработке зерна, в хлебопечении. Тесто, которое получают в хлебопекарном производстве, при изготовлении мучных кондитерских изделий, представляет собой набухший в воде белок, концентрированный студень, содержащий зерна крахмала.

    1. Роль воды в развитии микроорганизмов на сырье и пищевых продуктах.

    Стабильность продуктов питания зависит от активности воды. Показатель активности воды характеризует доступность влаги в продукте для развития микроорганизмов и протекания микробиологических и биохимических процессов. Показатель водной активности варьирует в пределах от 0 до 1: 0 - абсолютно обезвоженное вещество; 1 - показатель для дистиллированной воды.

    По величине активности воды все пищевые продукты делятся на три группы:

    - пищевые продукты с высокой влажностью (ПВВ, а=1÷0,9); к ним относятся молоко, напитки, мясо, рыба, овощи, фрукты и т. д.;

    - пищевые продукты с промежуточной влажностью (ППВ, а=0,9÷0,6); это такие продукты, как сгущённое молоко, джемы, шоколад, конфеты и т. д.;

    - пищевые продукты с пониженной влажностью (ПНВ, а= 0.6÷0,0); это такие продукты, как сухое молоко, растворимый кофе, сахар-песок, крупы и т. д.

    На хранимоспособность продуктов большое влияние оказывает показатель водной активности. При равных условиях хранения максимальную стойкость к порче различного происхождения проявляют ПНВ, затем ППВ и ПВВ.

    Существуют кривые, показывающие связь между содержанием влаги в пищевых продуктах и активностью воды в них при постоянной температуре (масса воды, г НО/г св). Эти кривые называются изотермами адсорбции. Они дают информацию для оценки стабильности пищевых продуктов.


    Рис. 1. Изотерма сорбции влаги для области низкого содержания влаги в пищевых продуктах

    Установлено, что продукты, имеющие показатель активности воды ниже чем 0,7, могут длительное время сохраняться без микробиологической порчи. Микроорганизмы в продуктах могут развиваться при различных значениях активности воды. Самыми влаголюбивыми являются бактерии. Для них показатель активности воды 0,94÷0,90, для дрожжей показатель активности 0,88÷0,85. Это значение показателя характерно для большинства плесневых грибов, т. е. это среднее значение показателя активности воды.

    Наиболее устойчивыми к низкому содержанию влаги являются некоторые плесневые грибы, например рода Aspergillus: показатель активности воды 0,65÷0,8.
    1.   1   2   3   4   5   6


    написать администратору сайта