Chemia żywności 22.10.2010

WODA

Zużycie dzienne wody w gospodarstwie domowym - 100 l/głowę

• Kąpiele i mycie 39 %

• Spłuczki 30 % - rozpraszanie fosforu (z moczem)

• Pranie 13 %

• Sprzątanie 7 %

• Mycie naczyń 7 %

• Gotowanie i picie 4 %

Woda

• Jedyny związek chemiczny występujący na Ziemi we wszystkich trzech stanach skupienia

• Gęstość wody wraz ze wzrostem temperatury zmienia się w sposób anomalny

0°C (lód) –

4°C –

100°C –

Wiązanie wodorowe - tworzy się pomiędzy atomem wodoru związanym z atomem o dużej elektroujemności, a atomem z wolnymi parami elektronowymi, energia wiązania wodorowego jest rzędu 1,3 – 10 ^kcal/_mol. Układy, w których mogą tworzyć się wiązania wodorowe można przedstawić następująco:

X-H…..Y

Gdzie:

X=O,N,F,C,S,P,X (halogen), C (bardzo rzadko, ale spotyka się)

Y=O,N,F, Cl,(S)

Wiązania wodorowe mogą tworzyć się pomiędzy różnymi cząsteczkami, takie wiązanie nosi nazwę międzycząsteczkowego wiązania wodorowego, przykładem mogą być wiązania tworzące się pomiędzy cząsteczkami wody, co jest przyczyną asocjacji cząsteczek wody.

Wiązanie wodorowe w lodzie jest dłuższe niż w wodzie ciekłej, dlatego lód ma mniejsza gęstość (jest lżejszy).

pH

Skala pH - zakres od 0 do 14

Dysocjację słabych elektronów można traktować jako odwracalną reakcję chemiczną. Słaby elektrolit, o wzorze ogólnymi AB, ulega w roztworze wodnym dysocjacji według równania: AB = A⁺ + B^-

W stanie równowagi: $K_{c} = \frac{\left\lbrack A + \right\rbrack + \ \left\lbrack B - \right\rbrack}{\left\lbrack \text{AB} \right\rbrack}$

K_c nosi nazwę stałej dysocjacji.

Nawias kwadratowy oznacza stężenie

? Reakcja odwracalna

Elektrolit słaby – nie do końca dysocjuje.

Mocny elektrolit – wszystkie. Jest nieodwracalna, nie ma stałej dysocjacji.

Przykład elektrolitu ulegającego dysocjacji:

CH₃COOH = CH₃COO- + H⁺

$$K_{c} = \frac{\left\lbrack H^{+} \right\rbrack \times \lbrack\text{CH}_{3}\text{COO}^{-}\rbrack}{\lbrack\text{CH}_{3}COOH\rbrack} = 1,75 \times 10^{- ??}$$

WODA TEŻ ULEGA DYSOCJACJI ELEKTROLITYCZNEJ

Wg teorii Arrheniusa

H₂O=H⁺ + OH^-

K=1,8x10^-16

K_w – iloczyn jonowy wody

Stężenie wody w wodzie = 55 ^mol/_dm3

Podstawiając do równania stałej dysocjacji 1,8x10^-16 x 55 = [H⁺][OH^-]= K_w = 1x10^-14

Przykłady:

[H⁺]=1x10^-3 wtedy [OH^-]=1x10^-11 roztwór jest kwaśny

[H⁺]=1x10^-9 wtedy [OH^-]=1x10^-5 roztwór jest zasadowy

pH = -log[H⁺] (dokładniej: ujemny logarytm z aktywności jonów wodorowych)

jakie jest pH roztworu, w którym [H⁺]=1,2x10^-5? pH=4,92

pOH=-log[OH-]

pH +pOH = 14

Woda jako rozpuszczalnik

• Rozpuszczalnik polarny – dobrze rozpuszcza związki polarne i zjonizowane (np. alkohol, aceton, sole).

Różnice między wodą a roztworem:

• Obniżenie temperatury zamarzania

• Podwyższenie temperatury wrzenia

• Wzrost ciśnienia osmotycznego

Woda jako rozpuszczalnik

• Oddziaływanie między jonem a przeciwnie naładowanym biegunem dipolarnej cząsteczki wody – podstawa procesu rozpuszczania i hydratacji substancji zjonizowanych

• Przezwyciężenie oddziaływania elektrostatycznego między jonami w krysztale przez oddziaływanie jon cząsteczka wody – jony występują oddzielnie

• Jony (np., sodu, potasu, magnezu, wapnia, chlorkowe) otoczone są trwałą powłoką hydratacyjną (np. dla sodu tworzy ją 16 cząsteczek wody)

Roztwory stężone:

• Jony małe i wielowartościowe

Woda jako rozpuszczalnik

• Substancje organiczne – układy jon-dipol (dysocjuje) lub dipol-dipol

• Wiązania wodorowe (woda alkohol)

• Polarne związki hydrofilowe – obecność grup (hydroksylowa, aminowa, karbonylowa, amidowa, iminowa)

• Hydratacja hydrofobowa – wzrost liczby wiązań wodorowych między cząsteczkami wody znajdującymi się w bezpośrednim sąsiedztwie cząsteczki hydrofobowej

• Oddziaływanie hydrofobowe- agregacja cząsteczek hydrofobowych pod wpływem wody (np. olej – kuleczki)

• Cząsteczki amfipatyczne (fosfolipidy, sterole, aminokwasy, aniony kwasów tłuszczowych) zawierające grupy polarne i fragmenty hydrofobowe – tworzenie miceli i błon lipidowych.

W twardej wodzie (duże stężenie jonów metali Mg2+, Fe2+ Ca 2+) powstają trudno rozpuszczalne sole wapniowe, magnezowe. Blokuje to tworzenie miceli. Trzeba najpierw wytrącić te jony, dopiero wtedy zacznie dziabać mydło.

Woda w związkach chemicznych

Woda konstytucyjna – woda związania chemicznie w cząsteczce danego związku, ale nie występuje w postaci cząsteczek H₂O, przy czym w pewnych przypadkach może być ona usunięta w wyniku ogrzewania, ale zawsze jednak prowadzi do rozkładu związku wyjściowego (np. wodorotlenki).

Woda krystaliczna strukturalna – występuje w związku chemicznym w postaci osobnych cząsteczek w ilościach stechiometrycznych, obecność jej w związkach w ilości stechiometrycznej jest podyktowana albo względami chemicznymi albo strukturalnymi (np. hydraty).

W pierwszym przypadku cząsteczki wody są utrzymywane za pomocą wiązania chemicznego przez kation albo anion, w drugim przypadku wypełnia ona luki sieci krystalicznej. W zależności od sposobu wiązania wody w hydracie jego odwodnienie często przebiega skokowo. NiSO⁴x7H₂O jedną cząsteczkę wody traci w temp. 304 K, a pozostała część cząsteczek wody………….?

Woda fizyczna (neolityczna) – cząsteczki wody zajmują przypadkowe miejsca w sieci krystalicznej i podczas odwadniania są tracone w sposób ciągłym bez pojawiania się nowej fazy stałej, zachowanie to jest inne niż w przypadku omówionych hydratów, które tracą cząsteczki wody skokowo. Usuwanie wody nie zmienia sieci krystalicznej.

Woda w żywności

Metody oznaczania

• termograwimetria (pomiar ubytku masy w temp 105°C) ustawiając temp 400°C utraci całą wodę

• Metoda karla Fischera (miareczkowanie jodem I₂)

• Destylacja

• Chromatografia gazowa

• Metody spektroskopowe

W żywności są dwa rodzaje wody:

Wolna

Woda związana – zlokalizowana w bezpośrednim sąsiedztwie substancji rozpuszczonych lub zawieszonych, ma zmniejszoną aktywność, ma odmienne właściwości nie zamarza do temp …………podręcznik!

Rodzaje wody w żywności (podręcznik Sikorski 2007)

Woda strukturalna (związana chemicznie)

Woda uwięziona……

???

Aktywność wody

Termodynamiczna miara potencjału chemicznego (reaktywności) wody w układzie

$$\frac{p}{p_{0}} = \frac{n_{2}}{n_{1} + n_{2}} = a_{w}$$

gdzie

p – prężność par roztworu

p₀ – prężność par rozpuszczalnika

n₁ – ułamek molowy substancji rozpuszczalnej

n₂ – ułamek molowy rozpuszczalnika

a_w - aktywność wody

a_w < 0,6 – brak możliwości rozmnażania się drobnoustrojów

a_w = 0,3-0,5 – krystalizacja niektórych składników żywności

obniżenie aktywności wody – usunięcie jak najwięcej wody wolnej z danego produktu (np. suszenie)

Woda pitna

czysta, nadająca się do spożycia (bez zagrożeń dla zdrowia), zawierająca odpowiednią ilość soli mineralnych a nie zawierająca zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych. Dlatego woda destylowana mimo wysokiej czystości nie nadaje się do celów konsumpcyjnych.

Wskaźniki używane przy określaniu jakości wód

Fizyczne (temp, barwa, mętność, zapach smak)

Chemiczne(odczyn, twardość, zasadowość, utlenialność, zawartość związków azotu, zawartość chlorków, subst………… podręcznik!)

Biologiczne (badania flory i fauny wód powierzchownych)

Bakterie: coli i enterokoki (w wodzie ma być 0)

Podstawowe wymagania chemiczne UMIEĆ WYMIENIĆ!! (z ustawy)