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.