Solwatacja- przyłączanie cząsteczek rozpuszczalnika do substancji rozpuszczonej dla rozpuszczalników polarnych dipole rozpuszczalnika zostają przyciągnięte przez jony i się odpowiednio ustawiają.

Solwatacja dla wody to hydratacja. Hydratacja jonów jednowartościowych i dużych anionów jest słaba dla jonów małych o wysokim ładunku jest duża. Jony metali „przejściowych” silnie hydratowane: [Cr(H₂O)? ]³⁺

Substancja rozpuszczona wymusza pewne uporządkowanie cząsteczek rozpuszczalnika w swoim otoczeniu (struktura bardziej labilna).

Woda jako rozpuszczalnik

W roztworach rozcieńczonych jony soli istnieją niezależnie (Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-) otoczone cząsteczkami rozpuszczalnika, który w okolicy jonów zmienia swoją ruchliwość i gęstość.

W stężonych roztworach (promienie jonowe)

- jony tworzące strukturę (silne ple elektryczne):

Li^-, Na⁺, H₃0⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, F^-, SO₄^2-, PO₄^3-

cząsteczki są bliżej przyciągane przez co roztwory są mniej ciekle o strukturze podobnej do jonowej jony rozrywające strukturę (duże jony jednowartościowe)

-jony rozrywające strukturę (duże jony jednowartościowe)

K⁺, Rb⁺, Ca⁺, NH₃⁺, Cl^-, Br^-, NO₃^-, ClO₄, CNS^-

rozluźnienie struktury – roztwory bardziej ciekłe nie czysta woda.

Cząsteczki obojętne lecz z grupami polarnymi (hydroksylowe, aminowe, karbonylowe, amidowe, iminowe) mogą tworzyć z wodą wiązania wodorowe. Oddziaływania są słabsze niż w przypadku jonów, mniejsze zmiany w strukturze wody.

Cząsteczki hydrofobowe (węglowodory łańcuchy kwasów tłuszczowych) cząsteczki wody silniej wiążą się za sobą, tworząc rodzaj „puszek”- (……..). Cząsteczki hydrofobowe tworzą agregaty (siły van der Waalsa), aby zmniejszyć kontakt z woda.

Cząsteczki amfipatyczne (polarne + hydrofobowe) np. fos folipidy, sterole, aminokwasy, białka, kwasy nukleinowe – zmniejszenie powierzchni hydrofobowej (micele, błony lipidowe)

Wpływ porządkujący na strukturę grup wody ma duży zasięg.

1g białka (0,25-0,45g zasocjowanej wody)- lecz wstanie równowagi gunamicznej.

Woda wewnątrzkomórkowa

Stanowi około 75% masy, jest „roztworem, zawiesiną i fazą graniczną”

Ma inne właściwości niż czysta („trudniej” zamarza, nie jest dostępna jako rozpuszczalnik, jest złym rozpuszczalnikiem dla elektrolitów).

Definicja Fennema: woda związana – jest zlokalizowana w bezpośrednim sąsiedztwie substancji rozpuszczonych lub zawieszonych, ma zmniejszoną aktywność, odmienne właściwości od pozostałej masy wody zawartej w danym materiale i nie zamierza do temperatury -40C

Rodzaje wody w żywności (I)

- woda strukturalna (krystaliczna, związana chemicznie) (<0,03%), integralna cześć składników niewodnych, ulokowana w wolnych przestrzeniach makrocząsteczek lub związana w postaci wodzianów.

-woda związana w postaci monowarstwy (0,1-0,9%)- silnie oddziałuje z grupami porarnymi i grupami zjonizowanymi składników niewodnych.

-woda związana w dalszych kilku warstwach (1-5%)- o strukturze uporządkowanej wokół hydrofilowych grup składników niewodnych, stabilizowana wiązaniami wodorowych, utworzonymi między tymi grupami a wodą oraz między cząsteczkami samej wody.

- woda nie związana (wolna) (5-96%)- o właściwościach zbliżonych do właściwości wody w rozcieńczonych roztworach soli, powiązane siecią wzajemnych wiązań wodorowych, ruchliwa.

- woda uwięziona (5-96%) – o właściwościach wody wolnej ale uwięziona w niewypełnionych przestrzeniach składników strukturalnych lub w żelach, przez co jej przepływ jest utrudniony.

Cząsteczki wody związanej nie są całkiem nieruchome (równowaga dynamiczna, sposób ich wiązania może się zmieniać w czasie obróbki i przechowywania.

IMF (Intermediate Moisture Foods)

Produkty o obnożonej zawartości tłuszczu i średniej zawartości wody:

- usunięcie tłuszczu zakłóca równowagę między składnikami żywności i destabilizuje fazę wodną

-destabilizacja fazy wodnej zmienia charakterystykę wzrostu drobnoustrojów

- w celu ograniczenia dostępności wody stosuje się wypełniacze wiążące wodę celulozę, skrobię, owoce, ziarna, otręby (glukoza, fruktoza, skrobia, pektyny, celuloza, beta-glukany i inne).

Aktywność wody

Prężność pary wodnej jest mniejsza niż prężność pary czystego rozpuszczalnika.

Aktywność wody( względna prężność pary –a_w )- miara dostępności wody zawartej w materiale, oznaczanie umieszczenie małej próbki w zamkniętej komorze do osiągnięcia równowagi i pomiar wilgotności względnej w komorze

p/p₀=n₂/n₁+n₂=a_w

gdzie

p i p₀ prężności par roztworu i czystego rozpuszczalnika w danej temp.

n₁ i n₂ – stężenia molowe substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika

Wpływ aktywności wodnej na przemiany zachodzące w żywności

Woda jako środowisko umożliwia transport substratów i produktów reakcji, dlatego aktywność enzymatyczna (konieczna do rozwoju mikroflory) maleje ze zmniejszaniem dostępności wody:

- hamowanie działania enzymów np. fenolooksydazy, amylazy, peroksydazy gdy a_w <0,8

-drobnoustroje nie rozmnażają się gdy a_w <0,6

-„brak” hydrolizy enzymatycznej gdy a_w <0,3

Przy bardzo małej zawartości wody białka mogą ulec zmianom konformacyjnym, które zupełnie zmieniają sposób działania enzymów.

Woda obecna w produktach żywnościowych można (…..) procesom utleniania (zwiekszenie ruchliwości i rozpuszczalności jonów metali oraz pęcznienia białek- rodniki -) i przeciwdziałać im (słabsza dyfuzja …...... „rozcieńczanie” jonów, wiązanie produktów pośrednich)

Procesy brunatnienia bioenzymatycznego zachodzą bardzo wolno przy małej dostępności wody. Przy zawartości wody ……..

Wpływ aktywności wodnej na przemiany zachodzące w żywności (III)

Rekrystalizacja sacharydów jest jedną z najistotniejszych przemian fizycznych związanych z obecnością wody. Ulegają jej cukry występujące w postaci amorficznej powstałej podczas procesów szybkiego wysokotemperaturowego suszenia m.in. mleka, soków. Konsekwencją tego jest zbrylanie i zlepianie się kryształów. W produktach piekarskich i przekąskowych następuje ponadto utrata kruchości, aromatu.

Sterowanie aktywności wody

Zmiany fizyczne, chemiczne, biochemiczne można ograniczyć przez zmniejszenie dostępności wody (zmniejszenie zawartości wody lub przeprowadzenie wody wolnej w związaną) przez:

-suszenie- do 3-10% wody (a_w =0,25-0,4)

-wędzenie i solenie (r-r nasycony NaCl a_w =0,75)

-metody osmoaktywne – częściowe odwodnienie (zagęszczenie a_w = 0,85-0,9) lub dodanie substancji mających zdolność trwałego wiązania wody (sacharydy, NaCl, białko mleka lub stól, glicerol, sorbitol (?), glikol propylenowy.

-zamrożenie- przeprowadzenie w lód o wysokiej czystości, a składniki niewodne ulegają zagęszczeniu (zmiana właściwości fizycznych: pH, stopnia dysocjacji, siły jonowej, lepkości, temp. zamarzania, napięcia powierzchniowego i miedzyfazowego, struktury wody niewymrożonej). Efekty ………….. zmniejszenie szybkości reakcji ponieważ temperatura maleje, wzrost szybkości reakcji bo zatężanie roztworu.

Reakcje zachodzące w mrożonej żywności:

-enzymatyczne: glikogen do kw. mlekowego, rozkład nadtlenków i wysokoenergetycznych fosforanów, hydroliza fosfolipidów, utlenianie kw. askorbinowego.

-nieenzymatyczne: hydroliza kwaśna sacharozy, utlenianie kw. askorbinowego, wit A, tłuszczów, mioglobiny)

Usunięcie wody przez odwodnienie lub krystalizację poważnie zmienia właściwości materiału biologicznego a powtórne nawodnienie lub rozmrożenie nie przywraca w pełni stanu wyjściowego.

Uwaga! O dostępności wody decydują nie tylko względna prężność pary (a_w ), ale także:

- jej ruchliwość translacyjne i rotacyjna

-różnice w energii wiązania cząsteczek wody z substancjami o różnej strukturze i właściwościach

Izoterma sorpcji- zależność między wilgotnością materiału (masa wody na jednostkę suchej masy substancji) i aktywnością wody w danej temperaturze.

Dla różnych temperatur równanie Clausiusa-Clapeyrona: (?)

Strefa I (ads. monomolekularna- woda najsilniej związana jak część sukstancji stałej- woda strukturalna i monowarstwa). Mała ruchliwość nie zamarza w temeraturze -40C, nie jest rozpuszczalnikiem, nie wykazuje właściwości zmiękczających

Strefa II a_w =0,25-0,7. Adsorpcja wielowarstwowa wypełnienie miejsc wolnych pierwszej warstwy i tworzenie kolejnych warst z wiązań wodorowych. Większość nie zamarza w temp -40C gdy a_w =0,7 następuje pęcznienie i zmiękczanie substancji oraz rozpuszczanie niektórych składników.

Strefa III a_w >0,7 woda o właściwościach rozcieńczonych roztworów soli. Zamarza jest rozpuszczalnikiem umożliwia przemiany chemiczne i biochemiczne oraz roztwór drobnoustrojów.

Dla produktu o dużej zawartości wody, strefy I i II to około 55 wody, strefa III – 95%

Najważniejsze izotermy

Izoterma BET (Brunauer Emmeab Teller – 1938) obejmuje obliczanie zawartości wody związanej w warstwie monomolekularnej przy założeniu jednorodności powierzchni adsorpcyjnej i braku oddziaływań między zaadsorbowanymi cząsteczkami wody.

Izoterma GAB (Guggenheim, Anderson, De Boar) w całym zakresie aktywności wody i z ekstrapolacją do innych temperatur, uwzględnienie adsorpcję wielowarstwową.

Zastosowanie izoterm w przemyśle spożywczym
Dobór odpowiednich parametrów do procesów zagęszczania i suszenia oraz określenie końcowych punktów tych procesów (możliwe wartości oczekiwane)

Ustalenie optymalnych warunków przechowywania żywności suszonej oraz dobór opakowań.

Mieszanie suchych produktów o różnej higroskopijności (koncentraty, ciasta, odzywki, napoje) przez określenie warunków równowagi adsorpcji i desorpcji dla poszczególnych składników mieszanin.