В каких состояниях находится вода в пищевых продуктах

Вода входит в состав всех пищевых продуктов. Наиболее высокое содержание воды характерно для плодов и овощей (72—95%), молока (87—90%), мяса (58—74), рыбы (62— 84%). Значительно меньше воды находится в зерне, муке, крупе, макаронных изделиях, сушеных овощах и плодах, орехах, маргарине, сливочном масле (12—25%). Минимальное количество воды содержится в сахаре (0,14—0,4%), растительном и топленом масле, кулинарных жирах (0,25—1,0%), поваренной соли, чае, карамели без начинки, сухом молоке (0,5—5-%).

Вода в натуральных продуктах

В натуральных продуктах вода является наиболее подвижным компонентом химического состава тканей. Так, содержание воды в свежей сельди колеблется в широком диапазоне— от 51,0 до 78,3%, в тресковых рыбах —от 70,6 до 86,2% в зависимости от возраста, пола, района и времени лова. Количество воды в картофеле может быть в пределах 67—83%, в дынях — 81—93% и зависит от хозяйственно-ботанического сорта овощей, района их выращивания и погоды вегетационного периода.

В продуктах, изготовленных из растительного и животного сырья, — сахаре, кондитерских, колбасных изделиях, сырах и других — содержание воды регламентируется стандартами.

Нормальные функции организма животных и растении осуществляются только при достаточном содержании в тканях воды. Плоды и овощи при потере воды в количестве 5-7%  увядают и теряют свежесть.

Утрата воды животными в пределах 15—20% приводит к их гибели. Она участвует во многих биохимических реакциях при жизни организма и в биохимических посмертных изменениях. Вода необходима для химических и коллоидных процессов, протекающих в животных и растительных тканях во время их переработки.

В теле взрослого человека находится 58—67% воды. В среднем в сутки человек потребляет примерно 40 г воды на каждый килограмм массы тела, и такое же количество он теряет в виде различных выделении. Без пищи человек может существовать около месяца, тогда как без воды — не более 10 дней.

Часть необходимого количества воды (около 50%) человек получает с пищей, другую часть — при потреблении напитков и питьевой воды. 350—450 г воды образуется в теле человека в сутки при окислительных процессах (при окислении 1 г жира образуется 1,07 г воды, 1 г крахмала — 0,55 г и 1 г белка — 0,41 г воды).

Свойства продуктов зависят не только от количества содержащейся в них воды, но и от формы связи ее с другими веществами.

Вода, входящая в состав пищевых продуктов, находится в трех формах связи с сухими веществами: физико-механической (влага смачивания, влага в макро- и микрокапиллярах), физико-химической (влага набухания, адсорбционная) и химической (ионная и молекулярная связи). Преобладают первые две формы связи, химическая связь в продуктах встречается редко.

Влага смачивания

Влага смачивания — влага в виде мельчайших капель на поверхности продуктов или на поверхности разреза тканей продуктов. Она удерживается силами поверхностного натяжения.

Макро и микрокапиллярная влага

Макрокапиллярная влага — влага, которая находится в капиллярах радиусом более 10-5 см, микрокапиллярная в капиллярах радиусом менее 10-5 см. Макро- и микрокапиллярная влага представляет собой растворы, содержащие минеральные и органические вещества продукта. Она удерживается силой капиллярности в промежутках структурнокапиллярной системы продуктов.

При резке мяса, рыбы, плодов, овощей под механическим воздействием может происходить частичная потеря структурно-капиллярной влаги в виде мышечного, плодового и овощного сока, обладающего высокой пищевой ценностью.

Наиболее легко удаляется из продукта влага смачивания, она наименее прочно связана с субстратом. Капиллярная влага связана с сухими веществами продукта механически и в неопределенном количестве. Микрокапиллярная влага из продукта удаляется труднее, чем макрокапиллярная.

Влага набухания

Влага набухания, называемая также осмотически удерживаемой влагой, находится в микропространствах, образованных мембранами клеток, фибриллярными молекулами белков и другими волокнистыми структурами. Она удерживайся осмотическими силами.

Осмотически удерживаемая влага находится в соке клеток, обусловливая их тургор, оказывая влияние на пластические свойства животных тканей. Влага набухания связана с сухими веществами продукта непрочно, удаляется во время сушки раньше, чем микрокапилярная влага.

Влагу смачивания, микро-, макрокапиллярную и осмотическую называют свободной водой пищевых продуктов. Свободная вода имеет обычные физико-химические свойства: плотность ее около единицы, температура замерзания около 0°, удаляется при высушивании и замораживании продуктов, является активным растворителем. За счет нее главным образом происходит естественная убыль массы — усушка продуктов при хранении и транспортировании.

Адсорбционно-связанная вода

Адсорбционно-связанная вода находится у поверхности раздела коллоидных частиц с окружающей средой. Она прочно удерживается молекулярным силовым полем и входит в состав мицелл различных гидрофильных коллоидов, из которых наибольшее значение имеют водорастворимые белки. Поэтому этот вид влаги называют водой связанной, или гидратационной.

Она не растворяет органические вещества и минеральные соли, замерзает при низкой температуре (—71°), обладает пониженной диэлектрической постоянной, не усваивается микроорганизмами.

Семена растений и споры микроорганизмов переносят низкие температуры, так как вода в них гидратационная, не образует кристаллов льда, способных повредить клетки тканей.

К связанной воде с химической формой связи относят кристаллизационною влагу, которая входит в состав молекул в строго определенном количестве, например в состав молочного сахара (С12Н22О11•НгО), глюкозы (С6Н12О6• Н2О). Ее удаляют прокаливанием химических соединений, в результате чего происходит разрушение материала.

Между связанной и свободной водой продуктов не наблюдается резкой границы. Молекулы воды полярны (в молекуле воды несимметрично расположены электрические заряды: кислородный конец ее несет отрицательный заряд, а водородный — положительный), поэтому наиболее прочно связаны те молекулы воды, которые ориентированы в зависимости от знака и величины заряда коллоидной частицы.

Молекулы, расположенные блике к мицелле, прочнее удерживаются электростатическими силами притяжения. Чем дальше удалены молекулы воды от коллоидной частицы, тем слабее связь. Молекулы воды крайнего слоя являются менее связанными с мицеллами и могут обмениваться с молекулами свободной воды.

В растительных и животных тканях преобладает свободная вода. Так в мышцах животных и рыб основная часть воды связана с гидрофильными белками за счет осмотических (45—55%), капиллярных (40—45%») сил, воды смачивания (0,8—2,5%), а на долю связанной воды приходится только 6,5—7,5%- В плодах и овощах находится до 95% свободной воды. Поэтому эти продукты сушат до содержания остаточной влажности 8—20%, так как свободная вода из них легко удаляется.

Вода в пищевых продуктах при переработке и хранении может переходить из свободной в связанную, и наоборот, что вызывает изменение свойств товаров. Например, при выпечке хлеба, варке картофеля, производстве мармелада, пастилы, студней и желе происходит превращение части свободной воды в адсорбционно связанную с коллоидными частицами белков, крахмала и других веществ, а также возрастает количество осмотически удерживаемой влаги.

В соках из плодов, ягод, овощей меняются формы связи воды по сравнению с исходным сырьем. При черствении хлеба и отмокании мармелада, в результате старения студней, при оттаивании замороженного мяса и картофеля наблюдается переход части связанной воды в свободную.

Пищевые продукты при хранении и перевозке

Пищевые продукты при хранении и перевозке в зависимости от условий поглощают извне или отдают водяные пары. При этом их масса увеличивается или уменьшается. Способность продуктов к поглощению и отдаче водяных паров называется гигроскопичностью. Количество воды, которое поглощает или отдает продукт, зависит от влажности, температуры и давления окружающего воздуха, химического состава и физических свойств самого продукта, а также от состояния его поверхности, вида и способа упаковки.

Наиболее высокой гигроскопичностью обладает сухое молоко, яичный порошок, сушеные овощи и плоды, крахмал и др. Поглощенная из воздуха влага, которая называется гигроскопической, в продукте может находиться как в свободном, так и в связанном состоянии.

Условия и сроки хранения ряда продуктов зависят от соотношения в них свободной и связанной воды. Например, зерно, мука, крупа при влажности до 14% хорошо сохраняются, так как почти вся влага в них находится в связанной состоянии. При повышении содержания в них воды накапливается и свободная влага, усиливаются биохимические процессы, поэтому возникают трудности в хранении.

Продукты с высоким содержанием свободной воды (мясо, рыба, молоко и др.) плохо сохраняются, являются скоропортящимися. Для длительного хранения их подвергают консервированию.

Влажность продукта

Влажность продукта — это выраженное в процентах отношение свободной и адсорбционно связанной воды к его первоначальной массе.

Для многих пищевых продуктов содержание воды (влажность) является важным показателем качества. Пониженное или повышенное содержание воды против установленной нормы для продукта вызывает ухудшение его качества. Например, мука, крупа, макаронные изделия с повышенной влажностью при хранении быстро плесневеют, а понижение влаги в мармеладе и джеме ухудшает их консистенцию и вкус.

Потеря влаги свежими плодами и овощами уменьшает тургор клеток, поэтому они становятся вялыми, дряблыми и быстро портятся.

Смотрите также:

Значение влаги в пищевых продуктах

Свободная и связанная влага в продуктах

9.3. Методы определения влажности в пищевых продуктах

Значение влаги в пищевых продуктах

Вода – важная составляющая пищевых продуктов. Она не является питательным веществом, но вода жизненно необходима как стабилизатор температуры тела, переносчик питательных веществ, реагент и реакционная среда во многих биохимических превращениях, стабилизатор биополимеров. Благодаря физическому взаимодействию с белками, полисахаридами, липидами, солями вода вносит большой вклад в текстуру пищевых продуктов. Вода присутствует в растительных и животных продуктах как клеточный и внеклеточный компонент, как диспергирующая среда и растворитель, влияет на консистенцию, структуру, внешний вид, устойчивость продукта при хранении.

Содержание влаги в некоторых продуктах:

– мясо 65-75 %

– фрукты и овощи 70-90 %

– хлеб 35 %

– зерно, мука 12-15 %

– сыр 37 %

– молоко 87 %

– пиво, соки, напитки 87-95 %

Многие продукты содержат большое количество влаги, что отрицательно сказывается на стабильности при хранении. Так как вода непосредственно участвует в гидролитических процессах, ее удаление, связывание за счет увеличения содержания соли, сахара приводит к замедлению и даже к прекращению многих реакций, ингибирует рост микроорганизмов. Все это способствует удлинению сроков хранения продуктов.

Свободная и связанная влага в продуктах

Обеспечение устойчивости при хранении продуктов определяется в большой мере соотношением свободной и связанной влаги.

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

Свободная влага является непрерывной средой, в которой растворены компоненты пищи: органические кислоты, минеральные вещества, углеводы, ароматические вещества. Количество свободной воды можно значительно уменьшить высушиванием, замораживанием, сгущением.

Связанная влага – это ассоциированная вода, прочно связанная с компонентами пищи – белками, углеводами, липидами за счет химических и физических связей. По форме связи с компонентами пищи и по мере убывания энергии связи делится на три группы; химическую, физико-химическую и механическую связь.

Влага химически связанная входит в состав сухих веществ, например в зерне это вода кристаллогидратов полисахаридов (крахмала и др.). Она обладает наибольшей энергией связи, очень прочна, разрушается с большим трудом и при высоких температурах.

Физико-химическая влага образуется в результате притяжения диполей воды полярными группировками молекул белка, липидов. Такая вода образует гидратную оболочку вокруг гидрофильных групп белка и липидов. Физико-химическая связь оказывает влияние на стабильность белковых и липидных систем в продуктах. Физико-химическая влага не замерзает при низких температурах (-40ºС), не растворает нутриенты продукта, почти не удаляется из продукта при высушивании, недоступна микроорганизмам.

Механически связанная влага – это влага, удерживаемая в капиллярах и матричных структурах составных частей продукта. Большинство пищевых продуктов имеет довольно большой диаметр капилляров и плохо удерживает такую влагу. Вода удерживается макромолекулярными матрицами таких структур как пектин, крахмал, белок. Эта вода удерживается за счет водородных связей, не выделяется из пищевого продукта, но в некоторых технологических процессах она ведет себя как свободная вода. Ее можно удалить высушиванием, можно заморозить. Эта вода влияет на сохранность гелеобразных продуктов, например, потеря такой физически связанной воды (синерезис) приводит к резкому ухудшению качества.

Издавна было замечено, что продукты с одинаковым содержанием влаги по-разному портятся. Оказалось, что большое значение имеет то, насколько ассоциирована (связана) вода с компонентами продукта. Чем сильнее связана вода, тем она менее способна участвовать в гидролитических и других процессах, разрушающих и портящих продкут.

В связи с этим было введено понятие Активность воды.

Активность воды (аw)- это отношение давления паров воды над продуктом (Рw) к давлению паров над чистой водой (Ро) при той же температуре. То есть аw = Рw/Ро. Активность воды равна относительной влажности в состоянии равновесия (ψ) при которой продукт не впитывает влагу и не теряет ее в атмосферу, уменьшенной в сто раз, то есть активность воды определяется по формуле 9.1:

аw = ψ/100, ( 9.1)

Где: aw – активность воды в продукте,

Ψ – относительная влажность,

100 – коэффициент

Значение активности воды (аw) в пищевых продуктах: фрукты 0,97, хлеб 0,95, мука, зерно 0,80, сахар 0,1, мясо 0,97.

9.3 Методы определения влаги в пищевых продуктах

На пищевых предприятиях обычно контролируется массовая доля влаги в сырье т продуктах, независимо от формы ее связи, то есть определяется влажность. Влажность выражается в процентах. При определении влажности чаще всего используют термогравиметрический метод и рефрактометрический метод.

Термогравиметрический метод определения влажности основан на удалении влаги из продукта путем высушивания до постоянной (неизменяющейся при дальнейшей сушке) влажности. Навеску взвешивают до сушки и после получения сухого остатка. По убыли массы определяют влагу, выражая ее в процентах. К термогравиметрическим методам относят методы высушивания до постоянной массы при 105 ºС, экспресс-метод высушивания на приборе Чижовой (метод ВНИИХП-ВЧ).

Рефрактометрическое определение влажности основано на определении сухих веществ в объекте по показателю преломления, измеряемому с помощью рефрактометра. Влажность рассчитывается по разности массы анализируемого вещества и доли в ней сухих веществ. Напимер, если пивное сусло содержит 11 % сухих веществ, то влаги в нем содержится: 100 – 11 = 89 %. Этот метод прост, удобен, быстро выполняется и хорошо воспроизводится.

Перечисленными методами определяется не вся влага продуктов, а свободная и незначительная часть связанной влаги. Для полного определения влаги применяют следующие методы:

– дифференциальной сканирующей калориметрии (определяется разница между общей и замерзающей или связанной водой);

– метод ядерно-магнитного резонанса (определяется две линии: свободной и связанной влаги, в спектре ядерно-магнитного резонанса):

– диэлектрические методы (определяется разница диэлектрической проницаемости свободной и связанной воды);

– метод измерения теплоемкости (теплоемкость свободной воды значительно превышает теплоемкость связанной воды).

ТЕМА 10 ФЕРМЕНТЫ

Свойства ферментов

Классификация ферментов

Применение ферментов в пищевых технологиях

Свойства ферментов

Ферменты являются биологическими катализаторами белковой природы. Ферменты способны значительно (в десятки тысяч раз) повышать скорость различных реакций, в том числе и биохимических, которые непрерывно протекают в живых организмах, которые наблюдаются в ходе технологических процессов переработки сырья. Ферменты обладают специфичностью действия, то есть действуют на определенный субстрат, тип связи. Ферменты характеризуются также высокой лабильностью, то есть, подвержены влиянию внешних факторов, таких как температура, концентрация субстрата, рН среды, присутствие активаторов или ингибиторов. Во многом лабильность ферментов связана с их белковой природой, сложной пространственной конфигурацией.

Ферменты повышают скорость реакций за счет значительного снижения энергетического уровня проведения реакции. Ферментативная реакция проходит в две стадии. На первой стадии происходит образование фермент-субстратного комплекса, образованию которого соответствует значительно низкая энергия активации. На второй стадии комплекс распадается на продукты реакции и свободный фермент, который может взаимодействовать с новой молекулой субстрата. Это выражается уравнением:

Е + S ↔ ЕS → Р + Е , (10.1)

Где: Е- фермент, S- субстрат, ЕS- фермент-субстратный комплекс, Р продукты реакции.

Ферменты, как уже отмечалось, имеют белковую природу и обладают третичной и четвертичной структурой. Многие ферменты являются двухкомпонентными, то есть имеют белковую часть в виде апофермента и небелковую составляющую в виде кофермента. В качестве кофермента могут выступать витамины, ароматические и алифатические углеводороды, гетероциклические соединения, нуклеотиды и нуклеозиды. Ферменты имеют некоторые специфические свойства, наиболее важные из них:

– высокая каталитическая активность (повышают скорость реакций в миллионы раз);

– специфичность действия (фермент катализирует превращение одного субстрата, реже группу родственных субстратов);

– лабильность (изменение активности под действием различных факторов: рН, температура, присутствие активаторов и ингибиторов, что связано с белковой природой и сложной пространственной конфигурацией фермента).

Классификация ферментов

В основе классификации лежат три положения:

А) ферменты делятся на 6 классов по типу акатализируемой реакции;

Б) Каждый фермент получает систематическое название, включающее название субстрата, на который он действует, тип катализируемой реакции и окончаниие «аза». В некоторых случаях сохранены тривиальные названия ферментов;

В) каждому ферменту присвоен четырехзначный шифр (код). Первое число указывает на класс фермента, второе на подкласс, третье на подкласс, четвертое на порядковый номер фермента в подклассе.

Например, алкогольдегидрогеназа (Н.Ф.1.1.1.1): первая цифра 1- означает класс оксидоредуктаз, вторая цифра 1- подкласс дегидрогеназ (действует на СН-ОН – группу), третья цифра 1- подкласс анаэробные дегидрогеназы (акцептором служит НАД или НАДФ), четвертая цифра 1- порядковый номер алкогольдегидрогеназы.

Например, ά -амилаза (Н.Ф.3.2.1.1): первая цифра 3- клаа гидролаз, вторая цифра 2 – подкласс карбогидраз, третья цифра 1- подкласс полиаз, четвертая цифпа 1- порядковый номер фермента ά-амилаза.

Классификация по типу катализируемой реакции:

Все ферменты делятся на шесть классов по типу катализируемой реакции:

1 клас с– оксидоредуктазы- ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции ( присоединение кислорода, отнятие и перенос водорода, перенос электронов);

2 клас с– трансферазы- ферменты, катализирующие перенос атомных группировок от одного соединения к другому (остатков моносахаридов, аминокислот, фосфорной кислоты, метильные группировки и т.д.);

3 класс – гидролазы – ферменты, катализирующие реакции гидролиза сложных органических соединений на более простые. Реакции гидролиза проходят с участием воды. Эти реакции могут быть выражены следующим уравнением (10.2):

А1•А2 +НОН → А1-ОН + А2-Н, (10.2)

4 класс – лиазы – ферменты, катализирующие реакции негидролитического отщепления каких-либо групп от субстрата с образованием кратной связи или присоединение группировок по месту разрыва кратных связей (отщепление воды, углекислого газа, аммиака);

5 клас с– изомеразы – ферменты, катализирующие реакции изомеризации или образование изомерных форм молекул органических веществ в результате переноса химических группировок внутри молекулы (переход глюкозы во фруктозу);

6 класс – лигазы или синтетазы – ферменты, катализирующие реакции синтеза, сопряженные с разрывом одних связей и образованием других ( С-С, С- S , С- N , С- О связей).

При переработке пищевого сырья чаще всего приходится иметь дело с ферментами 1 класса – оксидоредуктазами, такими как каталаза, полифенолоксидаза; с ферментами 3 класса – гидролазами, такими как амилазы – ферменты гидролизующие крахмал, протеиназы – ферменты, гидролизующие белок, липазы – ферменты гидролизующие липиды.

В пищевой промышленности широко применяются ферментные препараты, полученные биохимическим путем при выращивании специфических микроорганизмов, способных вырабатывать определенные ферменты. Различают бактериальные ферментные препараты, полученные путем глубинного культивирования бактерий, и поверхностные, полученные путем поверхностного культивирования плесневых грибов.

Название ферментного препарата включает название основного активного фермента и название микроорганизма-продуцента, с окончанием «-ин». Например: Протосубтилин Г10Х имеет основной фермент- протеазу, продуцентом является бактериальная палочка Bacillus subtilis. Г- глубинное культивирование или выращивание, 10Х- степень очистки ферментного препарата, чем больше число, тем выше степень очистки ( бывает очистка 2Х, 3Х, 10Х, 15Х, 20Х).

Применение ферментных препаратов в пищевой промышленности позволяет интенсифицировать технологические процессы, улучшать качество готовой продукции, увеличивать ее выход, экономить ценное пищевое сырье.