9.4.2. Структура и свойства льда

В молекуле воды угол между связями близок к тетраэдрическому, 109,5°. Неподеленные электронные пары занимают две оставшиеся вершины тетраэдра. В жидкой воде содержатся ассоциаты из молекул воды. Для твердой фазы (льда) характерно аналогичное расположение молекул, но упорядоченность распространяется на всю структуру в целом. В этой структуре молекулы упакованы менее плотно, чем в жидкой воде. Именно поэтому вода, замерзая, увеличивает свой объем на 9 %, и лед имеет меньшую плотность, чем вода при 0 °C. В своей основе структура льда похожа на структуру алмаза.

Меньшая плотность льда по сравнению с водой при 0 °C приводит к тому, что пруды и озера замерзают, начиная с поверхности. Максимум плотности воды наступает при 4 °C. При дальнейшем охлаждении вода на поверхности становится менее плотной и поэтому остается над несколько более теплой водой глубинных слоев до тех пор, пока не замерзнет. Слой льда на поверхности предохраняет находящуюся под ним воду от дальнейшей потери теплоты. В замерзших реках и озерах месяцами живут подо льдом рыбы и растения.

Молекула воды с тетраэдрически направленными связями, кристаллизуясь, может связывать четыре других молекулы воды в тетраэдрической конфигурации. Это дает гексагональную кристаллическую решетку в кристалле льда. Обычный лед принадлежит к бигексагональному бипирамидальному классу гексагональных систем. Кроме того, лед может существовать в девяти других кристаллических полиморфных структурах, а также в аморфном состоянии неопределенной структуры. Однако, из общих структур, только обычная гексагональная структура льда стабильна при нормальном давлении и температуре 0 °C.

На структуру кристаллов льда оказывают влияние растворенные вещества. Однако для большинства пищевых продуктов и биологических материалов наиболее важной является гексагональная структура. Она была обнаружена при замораживании модельных водных растворов сахарозы, глицерина, альбумина и др. при концентрации растворенных веществ, которая не влияла на мобильность молекул воды.

9.4.3. Свободная и связанная влага в пищевых продуктах

Связь воды с пищевым продуктом имеет важное для него значение, так как она обеспечивает консистенцию и структуру продукта, ее взаимодействие с присутствующими в продукте компонентами определяет устойчивость при хранении.

Присутствующая в продукте влага может быть в свободном и связанном с компонентами продукта состоянии.

Под свободной влагой понимают, отличающуюся невысокой энергией связи с тканями материала, легко из него удаляемую. Наличие свободной влаги обусловливает значительную интенсивность дыхания и других биохимических процессов, приводящих к быстрой порче зернопродуктов.

Под связанной влагой понимают влагу, характеризующуюся более высокой энергией связи с тканями продукта, при которой все процессы в продукте затухают и он становится стойким при хранении. Связанная влага имеет ряд особенностей:

– по сравнению с капельной водой у нее более низкая температура замерзания (–20 °C и ниже);

– теплоемкость меньше;

– пониженная упругость пара;

– большая теплота испарения;

– резко уменьшенная способность растворять твердые вещества.

Удалить всю связанную влагу невозможно, так как это сопряжено с разрушением тканей материала. Влажность материала, определяемая приборами, которая входит в стандарты, представляет собой содержание физически связанной с тканями материала влаги, удаляемой в конкретных условиях ее определения. В нее входит вся свободная влага и часть связанной. Влажность, ниже которой биохимические процессы в зерне резко ослабляются, а выше которой начинают бурно нарастать, называют критической. Это состояние материала, при котором появляется свободная вода, т. е. вода с пониженной энергией связи, обеспечивающей интенсификацию ферментативных процессов.

Гигроскопическая влага – это влага, поглощенная (сорбированная) материалом из воздуха. Равновесная влага – это влага, содержащаяся в материале в таком количестве, которое соответствует данному сочетанию относительной влажности и температуры воздуха. Если поместить материал в замкнутое пространство, в котором создана определенная относительная влажность воздуха, то сухой материал будет поглощать водяные пары и увлажняться. Затем наступает состояние, когда материал перестает сорбировать влагу и его влажность становится равной влажности окружающего воздуха. Если поместить влажный материал, он будет подсыхать, а влажность воздуха возрастать до тех пор, пока влажность материала не придет в равновесие с влажностью воздуха. Влажность материала, соответствующая состоянию равновесия, называют равновесной.

При равновесной влажности упругость паров в капиллярах материала равна упругости его в окружающем воздухе. Равновесная влажность зависит от ряда условий: химического состава и структуры материала, способа достижения равновесия (увлажнение или высушивание), величины исходной влажности, характера и интенсивности механического воздействия на материал, степени зрелости зерна, плодов, овощей и т. д.

Величина равновесной влажности зависит от температуры: при одной и той же относительной влажности воздуха более высокой температуре отвечает более низкая равновесная влажность, и, наоборот понижение температуры приводит к повышенной равновесной влажности материала.

Содержание связанной влаги в продукте зависит от его свойств. Причины связывания влаги в сложных системах различны. Наиболее прочно связана та часть влаги, которая в высоковлажных продуктах находится в щелях молекулы белка или является частью химических гидратов. Следую-щий тип наиболее прочно связанной влаги – это «близлежащая влага», т. е. монослой молекул в большинстве гидрофильных групп неводного компонента. Вода, ассоциированная с ионами и ионными группами, является наиболее прочно связанным типом «близлежащей воды». «Мультислойная вода» (вода полимолекулярной адсорбции) примыкает к монослою и образует несколько слоев за «близлежащей водой». Это менее прочно связанная влага, но она еще достаточно связана с неводными компонентами, и поэтому ее свойства существенно отличаются от чистой воды. Таким образом, «связанная влага» состоит из «близлежащей влаги» и почти всей «мультислойной воды».

Кроме того, небольшое количество воды может иметь уменьшенную подвижность и упругость пара из-за того, что она заключена в макро-капиллярах материала. В пищевых продуктах часть воды удерживается макромолекулярной матрицей, например, гелями пектина и крахмала. При этом небольшое количество органического материала физически удерживает большое количество воды. Эта вода не удаляется из пищевого продукта даже при большом механическом усилии. С другой стороны, эта вода ведет себя почти как чистая вода во время технологических процессов обработки. Например, ее можно удалить при высушивании или превратить в лед при замораживании. Эта вода составляет главную часть воды в клетках и гелях, и количественное изменение ее имеет большое значение для качества пищевых продуктов.