9.4.4. Взаимодействие «вода – растворенное вещество»

При добавлении различных веществ к воде изменяются свойства как самого вещества, так и воды. Гидрофильные вещества взаимодействуют с водой путем ион-дипольного механизма, вызывая изменения в структуре и реакционной способности гидрофильных веществ.

Гидрофобные группы добавленных веществ взаимодействуют с близлежащей водой слабо, предпочитая неводное окружение. Чтобы уменьшить контакт с водой гидрофобные группы агрегируются.

Взаимодействие воды с ионами и ионными группами. Вода, взаимодействующая с ионами и ионными группами, является наиболее прочно связанной в пищевых продуктах. Нормальная структура чистой воды, основанная на водородных связях тетраэдрической конфигурации, нарушается при добавлении диссоциирующих веществ.

Способность ионов изменять структуру воды тесно связана с силой электрического поля иона. Такие ионы как, Li⁺, Na⁺, H₃O⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, F^–, OH^–, имеют сильное электрическое поле и являются образователями сетчатой структуры. Связанная вода менее лабильна, ее структура более плотна, чем чистой воды, от 4 до 6 молекул воды расположены около каждого из этих ионов.

Такие ионы, как K⁺, Pb²⁺, Cs⁺, NH₄⁺, Cl^–, Br ^–, I^–, NO₃^–_, BrO_3,^– IO₃^– и ClO₄^– имеют относительно слабое электрическое поле и могут разрушать сетчатую структуру.

Ионы, благодаря их различной способности гидратироваться и влиять на диэлектрическую константу воды и толщину двойного электрического слоя около коллоидов, оказывают влияние и на другие растворенные вещества, суспендированные в среде. Поэтому, например, конформация белков и стабильность коллоидов сильно зависит от вида и количества присутствующих ионов.

Взаимодействие посредством водородных связей. Водородные связи вода–растворенное вещество являются более слабыми, чем при взаимодействиях вода–ион. Тем не менее вода, связанная посредством водородных связей с растворенным веществом, может быть квалифицирована как «органически связанная» или «близлежащая» по ее положению и имеет пониженную подвижность по сравнению с водой в массе раствора.

Можно ожидать, что вещества, способные к образованию водородных связей, не разрушают нормальную структуру чистой воды. Однако в ряде случаев отмечается ориентация водородных связей, отличная от нормальной воды.

Вода может образовывать связь с различными потенциально подходящими группами (гидроксил-, амино-, карбонил-, амид-, или имино-группами). Например, вода образует водородные связи с двумя видами функциональных групп белков. Эти связи могут быть как в одной молекуле между различными группами, так и между различными молекулами.

Важны также гидрофобные взаимодействия в водном окружении, т. к. примерно 40 % аминокислот в большинстве белков имеют неполярные группы. Неполярные группы других неполярных компонентов таких как спирты, жирные кислоты, свободные аминокислоты также могут участвовать в гидрофобных взаимодействиях. Эти взаимодействия являются слабыми, по силе они примерно такие же, как силы Ван-дер-Ваальса. Гидрофобные взаимодействия важны для четвертичной структуры многих белков, поэтому вода и водная структура играет важную роль в конформации белка.

9.4.5. Жесткость воды

Наличие ионов кальция и магния делает воду жесткой. Оба эти иона образуют прочные комплексы с комплексообразующими агентами (ЭДТА), какими являются ионы жирных кислот при диссоциации мыла в водной среде. Мыло, например стеарат натрия С₁₇Н₃₅СО₂Nа, реагирует с ионами кальция или магния, образуя нерастворимую пену из их стеаратов:

Са²⁺_(водн.) + 2С₁₇Н₃₅С_(водн.) → (С₁₇Н₃₅СО₂)₂Са _(тв).

После осаждения всех ионов кальция и магния мыло становится мылким. Стиральные порошки не образуют нерастворимых хлопьев в жесткой воде. Они имеют в своем составе натриевые соли сульфоновых кислот, у которых кальциевые и магниевые соли растворимы.

Временная жесткость. Если известняк реагирует с дождевой водой, содержащей растворенный диоксид углерода, образуется растворимая кислая соль (гидрокарбонат кальция):

СаСО_{3 (тв)} + Н₂О _(ж) + СО_{2 (г.)} → Са(НСО₃)_{2 (водн.)}

Реакция обратима. При кипячении воды, содержащей гидрокарбонат кальция, в осадок выпадает карбонат кальция, и вода становится мягкой. Поэтому жесткость воды, вызванную наличием гидрокарбонатов, называют временной.

Постоянная жесткость. Природные воды, протекая по породам земли, содержащим сульфаты кальция или магния, растворяют эти соли. Получается вода, жесткость которой называется постоянной, так как от нее нельзя освободиться кипячением. Для удаления как постоянной, так и временной жесткости применяют различные способы.

Некоторые способы умягчения воды:

– при обработке воды содой (N₂СО₃·10Н₂О), ионы кальция и магния выпадают в осадок в виде нерастворимых карбонатов;

– умягчение воды может происходить при медленном пропускании жесткой воды через колонку, содержащую алюмосиликат натрия (пермутит) или другие ионообменные материалы. При этом происходит обмен ионами. После того, как все ионы натрия ионообменного материала заместятся на ионы кальция и магния, он может быть регенерирован. Для этого через колонку пропускают концентрированный раствор хлорида натрия. После промывки колонки, она готова к работе;

Умягчение воды может происходить с помощью комплексообразующих веществ, в частности натриевых солей полифосфорных кислот. Они образуют нерастворимые комплексы с ионами кальция и магния, освобождая при этом ионы натрия.

9.4.6. Активность воды

Известно, что чем больше влаги содержится в продуктах, тем хуже они хранятся, тем интенсивнее протекают в них нежелательные химические изменения и тем легче они подвергаются микробиальной порче. Поэтому одним из методов продления сохранности качества продуктов является снижение содержания в них влаги.

В то же время известно, что не все молекулы воды, содержащиеся в продукте, имеют одинаковую реакционную способность. Это связано с тем, что прочность связи молекул воды с компонентами продукта существенно различается. Часто различные пищевые продукты с одинаковой массовой долей влаги портятся по-разному, поэтому естественным является стремление найти единый параметр, характеризующий реакционную способность всей влаги, содержащейся в продукте.

Таким параметром является параметр, называемый активностью воды. Этот параметр не отвечает всем требованиям, характеризующим реакционную способность воды, но он в большей или меньшей мере характеризует влияние влаги на порчу продукта.

Активностью воды принято называть отношение упругости паров воды над продуктом (Р_п) к упругости паров чистой воды (Р₀):

а_в = Р_п / Р₀ = ω_рп / 100, (9.1)

где ω_рп – массовая доля равновесной влаги в состоянии, при котором продукт не поглощает и не отдает влагу в атмосферу, %.

По уравнению Ребиндера уменьшение свободной энергии материала ΔF, Дж/моль равно

ΔF = α = RTln(P₀ / P_п) = –RTln a_в, (9.2)

где α – работа отрыва 1 моля воды от сухого скелета материала (без изменения состава), Дж/моль; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж · К^–1·моль^–1; Т – температура, К.

Активность воды характеризует состояние воды в пищевых продуктах, ее способность к участию в химических реакциях и биологическим изменениям. Можно классифицировать пищевые продукты по величине активности воды в них:

1. Продукты высокой влажности а_в = 1,0…0,9.

2. Продукты умеренной влажности а_в = 0,9…0,6.

3. Продукты низкой влажности а_в = 0,6…0,0.

Для примера в табл. 9.1 приводим активность воды в некоторых пищевых продуктах.

Таблица 9.1

Активность воды тесно связана со стойкостью при хранении большинства пищевых продуктов.

В продуктах с низкой активностью воды может происходить окисление жиров, неферментативное потемнение, потери водорастворимых веществ (в том числе витаминов). Активность микроорганизмов при этом подавлена, диффузия реагентов медленная, что замедляет скорость химических реакций.

В продуктах с умеренной активностью воды могут протекать различные процессы, в том числе ферментативные и с участием микроорганизмов.

В продуктах с высокой активностью воды преобладает микробиологическая порча продукта.

Ферментативные реакции могут протекать при более высоком содержании влаги, чем влага монослоя, т. е. при наличии свободной влаги. Она необходима для переноса субстрата.

Большинство микроорганизмов размножаются при а_п = 0,85…0,95 (для плесеней при а_п = 0,6…0,8, для дрожжей при а_п = 0,8…0,9). При низкой величине а_п тормозятся процессы роста и размножения микроорганизмов.

Таким образом, для предупреждения различных процессов порчи пищевых продуктов при хранении эффективным средством является снижение а_п продуктов. Для этого можно использовать сушку, вяление, добавление различных веществ, снижающих а_п (сахар, соль и др.), а также применение замораживания.

Иногда для повышения влажности продуктов добавляют потенциальные увлажнители (крахмал, молочную кислоту, сахара, глицерин и др.).

Помимо влияния на интенсивность химических реакций и рост микроорганизмов, активность воды влияет на поддержание необходимой текстуры пищевых продуктов. Так, допустимая активность воды для сухих продуктов без потери желаемых свойств является 0,35…0,5 в зависимости от продукта (сухое молоко, крекеры и т. п.). Для продуктов мягкой текстуры, которые не должны обладать хрупкостью требуется большая величина активности воды.

Стабилизацию качества многих пищевых продуктов производят замораживанием. Однако следует отметить, что, превращаясь в кристаллы, свободная влага получается довольно высокой чистоты. Большая часть веществ, находившихся в свободной влаге в растворенном состоянии до замораживания, концентрируется в уменьшенном количестве незамерзшей воды. Благодаря этому незамерзшая фаза существенно меняет многие свойства: температуру замерзания, величину рН, титруемую кислотность, ионную силу, вязкость, поверхностное натяжение, окислительно-восстановительный потенциал.

Эти изменения могут увеличивать скорости реакций. С одной стороны уменьшение температуры замедляет скорость реакций, а с другой – увеличение концентрации растворов может приводить к увеличению скорости реакций. Например, при замораживании наблюдается увеличение скорости неферментативного потемнения продукта.

Фактор возможного увеличения скорости реакций в замороженных продуктах необходимо учитывать при назначении режимов хранения пищевых продуктов. Как правило, при достаточно низкой температуре (–18 °C и ниже) наблюдается существенное снижение скорости реакций.

10. Метаболизм пищевых веществ

Существуют два основных пути обмена веществ в живой клетке. С одной стороны происходит расщепление сложных пищевых веществ на более простые, например, гидролиз белка на составляющие его аминокислоты и дальнейшее окисление этих аминокислот. С другой стороны, происходит синтез сложных веществ из более простых, например, синтез белка из аминокислот. Реакции расщепления называют катаболическими процессами, а реакции синтеза – анаболическими. Вместе эти процессы составляют метаболизм живой клетки.

Все происходящие в организме реакции могут происходить с выделением энергии (экзергонические) и с потреблением энергии (эндергонические). Обычно экзергонические реакции являются катаболическими, а эндергонические – анаболическими процессами. Однако не все катаболические процессы протекают с выделением энергии. Затраты энергии требуют многие сложные реакции деструкции и, тем не менее, клетка осуществляет их, чтобы освободиться от нежелательных веществ.

10.1. Основы пищеварения

Пищеварение  совокупность процессов, обеспечивающих механическое измельчение и химическое расщепление пищевых веществ на компоненты, лишенные видовой специфичности, пригодные к всасыванию из пищеварительного тракта в кровь и лимфу и к участию в обмене веществ и энергии. Поступающая пища подвергается ферментативному гидролизу с участием трех групп ферментов-гидралаз: протеаз – ферментов, гидролизующих белки, липаз– ферментов, расщепляющих липиды, амилаз – ферментов, гидролизующих углеводы.

Ферменты синтезируются в специальных секреторных клетках пищеварительных желез. Они входят в состав слюны, желудочного, поджелудочного и кишечного сока. Расщепление происходит с присоединением молекул воды. Образующиеся при гидролизе белков, жиров и углеводов аминокислоты, жирные кислоты, глицерин и моносахариды всасываются в органы и ткани, а из них образуются новые сложные органические вещества. Известны три основных вида пищеварения: внутриклеточное, внеклеточное (дистантное) и мембранное. Основным является внеклеточное (полостное), протекающее главным образом в пищеварительном тракте. Внутриклеточное и мембранное (пристеночное) происходит на внутренней поверхности тонкой кишки.

Пищеварительная система осуществляет начальный этап обмена веществ между внешней и внутренней средами организма.

Пища поступает в пищеварительный тракт, включающий ротовую полость, глотку, пищевод, желудок, двенадцатиперстную кишку – верхнюю часть тонкого кишечника, тонкий и толстый кишечник.

Пищеварение начинается в ротовой полости: механическое измельчение путем жевания и первоначальная химическая обработка под действием слюны, которая смачивает пищевую массу, обеспечивает формирование пищевого комка. Амилаза слюны расщипляет крахмал. В основном, углеводы перевариваются амилазой слюны. Затем поступают в пищевод и желудок. Пища накапливается в желудке, перемешивается и пропитывается кислым желудочным соком, обладающим ферментативной активностью, антибактериальными свойствами и способностью денатурировать клеточные структуры. Основная функция желудка  депонирование пищи, ее механическая и химическая обработка. Пищевая масса постепенно направляется в кишечник, в желудке пища находится в зависимости от ее количества и состава от 4 до 10 ч.

В желудке продолжается смачивание и набухание пищи, происходит поступление желудочного сока в пищевой комок, денатурация и гидролиз белков.

В желудке происходит гидролиз пищевых белков пепсином (оптимум рН 1,5…2,5) и гастриксином (оптимум рН 3,0). В полости желудка из неактивного пепсиногена под влиянием соляной кислоты желудочного сока образуется активный пепсин. Соляная кислота благодаря денатурирующему действию облегчает гидролиз белков, вызывает их набухание, что увеличивает контакт с ферментами. Под влиянием ферментов (парапепсинов, гастриксинов, желатиназы и катепсинов) желудочного сока из белков образуются пептиды различной молекулярной массы. Происходит высвобождение веществ, содержащихся в продуктах в связанном с белками виде.

Соляная кислота оказывает бактерицидный эффект, способствует усвоению железа, стимулирует деятельность нижерасположенных отделов пищеварительного тракта, секрецию некоторых гормонов его стенками. Роль соляной кислоты многообразна, поэтому нарушение ее секреции неблагоприятно отражается на ряде важных процессов в организме.