Chemia żywności W-1 1.10.2011

Prowadząca) dr inż. Jarosława Rutkowska.

Woda jako składnik żywności:

- Jedyna substancja występująca w trzech stanach skupienia

- Jest bardzo reaktywnym związkiem chemicznym

- Uniwersalny rozpuszczalnik i czynnik dyspergujący

- Rozpuszcza sole nieorganiczne i związki organiczne zawierające grupy hydrofilowe

- Wymusza asocjacje hydrofobowe

- Powoduje pęcznienie większości hydrofilowych związków wielkocząsteczkowych.

Rola wody:

Fizyczne; biologiczne; chemiczne.

Bez wody niemożliwe jest działanie enzymów np. hydrolaz i drobnoustrojów.

Fizykochemiczne właściwości wody:

- krystalizacja w O st C

- wrzenie 100 st C pod normalnym ciśnieniem

- wzrost gęstości przy zmianie temp od 0 do +4 st C

- duże wartości stałej dielektrycznej

- niskie ciepło topnienia

- wysokie ciepło parowania

- zdolność rozpuszczania wielu substancji i uwadniania polimerów naturalnych.

Wpływ wody na cechy fizyczne:

- konsystencja

- struktura

- inne cechy fizyczne i fizykochemiczne surowców, półproduktów i gotowych produktów spożywczych

- szybkość przebiegu wielu reakcji chemicznych (np. niezbędne w hydrolizie)

Struktura cząsteczki wody:

- Cząsteczka wody składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru połączonych wiązaniem polarnym kowalencyjnym. Cząsteczki wody mają charakter dipolowy. W jednej cząsteczce występują dwa dipole.

Porównanie struktury wody i lodu:

Właściwości dipolowe cząsteczek wody sprzyjają powstawaniu wiązań wodorowych.

Gęstość wody ciekłej jest wyższa -1 g/cm³ niż gęstość lodu -0,92g/cm³. Różnice te wynikają z tego, że w lodzie występuje uporządkowana siatka heksagonalna. Cząsteczki wody w wodzie ciekłej wystepują w postaci krótkotrwałych połączeń.

Zjawisko hydratacji:

Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem jonów ( w przeciwieństwie do większości innych cieczy).

• W polu elektrycznym kationów i anion ów wodne dipole układają się w uporządkowany sposób odpowiednio do ładunków jonów.

• Tworzą powłokę hydratacyjną i osłaniają centralny jon do przeciwnie naładowanych jonów.

Wobec tego elektrycznie naładowane grupy w cząsteczkach organicznych (np. grupy karboksylowe, fosforanowe, amonowe) są dobrze uwodnione, co przyczynia się do ich rozpuszczalności.

Obojętne cząsteczki z wieloma grupami hydroksylowymi, takie jak glicerol albo cukier, są również dobrze rozpuszczalne, gdyż mogą tworzyć wiązania wodorowe z cząsteczkami wody.

Im większy jest udział grup funkcyjnych polarnych w cząsteczce tym lepsza występuje hydrofilowość (rozpuszczalność).

Grupy polarne:

- COOH – karboksylowa

- fosforanowa

- hydroksylowa – OH

- grupy amonowe.

Cząsteczki które wyłącznie lub przeważnie składają się z części węglowodorowych rozpuszczają się w mniejszym stopniu, albo w ogóle nie rozpuszczają się w wodzie.

To takie oddziaływanie nazywamy hydrofobowe (np. związki lipidowe.)

Pojęcie zawartości wody w produktach:

• Zawartość wody w produktach spożywczych określa się w % w stosunku do macy stałego wilgotnego produktu przyjętej za 100% Kub w % suchej masy substancji produktu.

Podstawowe formy wody występujące w żywych tkankach:

Woda wolna – wykazuje prężności pary równe prężności pary czystej wody, Stanowi ona większość wody zawartej w żywności nieprzetworzonej lub przetworzonej,

Woda związana – woda w produkcje charakteryzująca się obniżoną aktywnością i dostępnością ( obserwuje się przy obniżonej zawartości wody poniżej 50%) – To ta, która zlokalizowana jest w bezpośrednim sąsiedztwie substancji rozpuszczonych lub zawieszonych, ma zmniejszoną aktywność, odmienne właściwości od pozostałej masy wody w danym materiale i nie zamarza do temp. -40st C.

Rodzaje wody związanej żywności:

• Woda strukturalna – (krystaliczna, związki chemiczne) (<0,03%) jest integralną częścią składników niewodnych, ulokowana w wolnych przestrzeniach makrocząsteczek lub związana w postaci wodzianów.

• Woda związana w postaci monowarstw – (0,1-0,9%) – silnie oddziaływuje z grupami polarnymi i zjonizowanymi składnikami niewodnymi.

• Woda związana w dalszych kilku warstwach – (1-5%) o strukturze uporządkowanej wokół hydrofilowych grup składników niewodnych i stabilizowana wiązaniami wodorowymi.

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

Wodę związaną można z produktu usunąć prawie całkowicie po zamrożeniu do temperatury poniżj -40st C. i przeprowadzeniu jej wtedy w stan gazowy – liofilizacja.

Definicje aktywności wody:

Aktywność wody a_w w żywności jest definiowana jako stosunek prężności (p) pary wodnej pod badaną próbą żywności do prężności pary wodnej p₀ nas czystą wodą w tej samej temperaturze.

a_w = p/p₀=n₂(n₁+n₂)

n₁ i n₂ – stężenie molowe substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika.

Aktywność wody odpowiada równowagowej wilgotności względnej, przy której produkt ani nie zyskuje ani nie traci wilgoci.

Aktywność wody jest miarą zawartości wody wolnej w danym materiale, możliwie więc określeniem intensywności z jaką woda asocjuje z różnymi niewodnymi składnikami.

Przebieg wielu reakcji chemicznych i biochemicznych, a także możliwość rozwoju drobnoustrojów dużo lepiej można przewidzieć korzystając z aktywności wody niż jej całkowitej zawartości.

Poziomy aktywności w żywności:

• Żywność w strukturze tkankowej (warzywa, owoce, mięso, ryby itp.) a_w >0,98

• Koncentraty spożywcze (proszek mleczny) a_w=<0,6

• Żywność o wilgotności pośredniej a_w w granicach 0,6-0,9

Aktywność wody ma wpływ na:

• Reakcje utleniania

Woda może przyspieszać proces utleniania .

• Rozpuszczalność jonów metali uczestniczących w tych reakcjach jak też przez pęcznienie białek, które ułatwiają działanie rodników powstających w procesach utleniania lipidów.

Przeciwutleniające działanie wody może być spowodowane:

• Utrudnieniami dyfuzji do miejsc reakcji

• Zmniejszeniem stężenia jonów metali

• Wiązaniem produktów pośrednich autooksydacji lipidów

• Przyspieszaniem tych reakcji, których produkty mają działanie przeciwutleniające.