Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биохимия пищевых продуктов и их метаболизм. Учебно-методическое пособие
.pdf
Таблица 1. Другие свойства воды
Свойства 20º С 0º С 0º С (лед) -20º С (лед)
Плотность, г/см3 0,9982 0,9998 0,9168 0,9193
Давление водяного пара, мм
17,53 4,58 4,58 0,77
рт. ст.
Па 2,337•103 6,104•10
2
6,104•102 1,034•10
Вязкость (сантипуазы) 1,002 1,792 - (Па•с) 1,002•10
-3
2,337•10
3
- -
Поверхносное натяжение,
дин/см 72,75 75,62 - н/м 72,75•10
-3
75,6•10
-3
- -
Теплоемкость, Дж/кг•к 4,18 4,22 2,10 1,95
•с•к 5,98•10
2
5,64•102 22,40•10
2
24,33•10
Диэлектрическая постоянная 80,36 80,00 91 98
Тепловая диффузия, м2/с 1,4•10
-5
1,3•10
-5
1,1•10
-4
1,1•10
Вода имеет относительно невысокое значение для плотно-
2
2
-4
сти, обнаруживает необычное свойство расширяться при замерзании, обладает вязкостью, которая в свете вышесказанного
удивительно нормальна. Кроме того, теплопроводность воды
высокая по сравнению с другими жидкостями, теплопроводность льда сравнительно больше по сравнению с другими неметаллическими твердыми веществами. Несомненно интересен
тот факт, что теплопроводность льда при 0°С приблизительно в
четыре раза больше, чем воды при той же температуре, это характеризует то, что лед будет проводить тепло во много раз
быстрее, чем иммобилизованная (неподвижная) вода, т.е. в тканях. Тепловая диффузия воды и льда также интересна, поскольку эти значения характеризуют скорость, с которой твердая или жидкая форма Н2О производит температурные изменения. Лед имеет эту величину примерно в 9 раз больше, чем вода, что говорит о том, что лед в данной среде будет подвергаться температурным изменениям много быстрее, чем вода. Эти
различия в значениях теплопроводности и теплорассеяния воды
и льда позволяют объяснить, почему ткани замерзают быстрее,
чем оттаивают, если задается одинаковая (но обратная) разность температур.
11
Структура и свойства молекулы воды
Шесть валентных электронов кислорода в молекуле воды
гибридизированы в 4х 3р3- орбиталях, которые вытянуты к углам, образуя тетраэдр (рис. 1).
Рис. 1. Тетраэдрическая координация молекулы воды
Две гибридные орбитали образуют О-Н-ковалентные связи с углом 105°, тогда как другие две орбитали имеют несвязанные электронные пары (n-электроны). О-Н-ковалентные
связи, благодаря высоко электроотрицательному кислороду,
имеют частичный (на 40%) ионный характер.
Каждая молекула воды тетраэдрически координирована с
четырьмя другими молекулами воды благодаря водородным
связям.
Одновременное присутствие в молекуле воды двух доноров и их акцепторов делает возможной ассоциацию в трехмерную сеть, иммобилизированную водородными связями. Эта
структура объясняет специфические физические свойства воды,
необычные для малых молекул. Например, спирт и соединения
с изоэлектрическими диполями, такими как НF или NН3, образуют только линейную или двухполярную ассоциацию.
Частичная поляризация Н-О-связи в дальнейшем увеличивается за счет образования водородных связей. Вследствие этого дипольный момент комплекса, состоящего из увеличенного
числа водных молекул (мультимолекулярный диполь), тем
больше, чем больше молекул ассоциировано и, естественно,
больше, чем дипольный момент первичной молекулы. Поэтому
диэлектрическая константа воды является большой и превышает величину, которая может быть вычислена на основе дипольного момента единичной молекулы.
12
Транспорт (перенос) протона имеет место вдоль водородной связи. Независимо от того, получен протон путем диссоциации воды или от кислоты, он будет погружаться в орбитали
неподеленных электронов воды:
Таким образом, образуется гидратированный Н3О+ ион с
исключительно сильной водородной связью (энергия диссоциации - 100 кДж/моль).
Подобный механизм действует и в транспорте ОН- -
ионов, который также имеет место вдоль водородных связей:
1.1.2. Состояние воды в живых системах
Важная роль воды в биологических системах обусловлена
способностью ее молекул образовывать множественные водородные связи. Они и объясняют особые физические и химические свойства воды (точки кипения и замерзания, высокая диэлектрическая проницаемость, высокая критическая температура, универсальность как растворителя, способность образовывать Н+ и ОН- и участвовать в качестве структурного элемента макромолекул).
В живых системах вода служит основным компонентом
внутренней среды, принимает участие в процессах транспорта
и образования структур и выполняет функцию изолятора.
Лишь небольшая часть воды, имеющейся в теле, находится
в истинно мобильном состоянии, характерном для неживой природы. Основная часть воды является компонентом структур,
причем не только клеточных, но и внеклеточных. Одна из основных ролей среди них принадлежит соединительным тканям, осо-
13
бенно их гликопротеиновому компоненту (протеогликанам, кислым мукополисахаридам). Они представляют собой макромолекулярные полиионы, образующие сетчатую структуру. Отрицательные заряды этих макромолекул нейтрализованы ионами Nа+
и окружены оболочкой. В результате всех взаимодействий образуются гелеобразные или сильно гидратированные структуры, в
которых вода и ионы быстро обмениваются и устанавливается
стационарное состояние, характерное для живых систем. Подобным образом вода связана и в структуре клеток.
Высокая теплоемкость воды (1 кал на нагревание 1 г воды
на 1°С) позволяет организму поглощать значительные количества тепла без существенного повышения внутренней температуры. За счет высокой теплоты испарения воды (540 кал/г) организм рассеивает часть тепловой энергии, предохраняя его от
перегревов.
В молекуле воды имеются два постоянных диполя, так как
высокая электронная плотность вблизи кислорода придает ему
отрицательный заряд, тогда как каждый атом водорода характеризуется пониженной электронной плотностью и несет частичный положительный заряд. Поэтому молекулы воды могут
взаимодействовать между собой и образовывать водородные
связи. Эта структура молекул воды объясняет ее высокие значения теплоты испарения и температуры кипения.
При расчетах полагают, что вода распределена в организме
между двумя пространствами, называемыми внутриклеточным и
внеклеточным. Внеклеточное пространство включает также
плазму крови и интерстицальную жидкость, которая делится на
подвижную (свободную) и связанную со структурой соединительной ткани.
Отдельные пространства разделены мембранами, свойства
которых определяют транспорт воды и растворенных в ней веществ и являются причиной неравномерного распределения
растворенных веществ, т.е. образования градиента концентрации. Состав внутренней среды (интерстициального пространства и плазмы крови) поддерживается на постоянном уровне с
помощью ряда динамических компенсационных процессов. По
составу электролитов она сильно отличается от внутриклеточной жидкости. Основным катионом внутри клетки является К+
14
(около 160 мМ). Затем следуют ионы Мg2+ (около 13мМ) и Nа+
(около 10 мМ). Анионы внутриклеточной жидкости представ-
лены белками (20% от массы клетки, т.е. около 8 мМ), фосфатами (50 мм), сульфатом (10 мМ) и бикарбонатом (около 11
мМ).
Основным катионом внеклеточной жидкости является Nа+
(142 мМ в плазме и 144 мМ в интерстициальной жидкости).
Концентрация К+ - 4 мМ, Са2+ - 2,5 мМ в плазме и 1 мМ в интерстициальной жидкости, Мg2+ - 1,5 мМ, но может быть и 1
мМ. Основной анион – Сl- (103 мМ в плазме и 114 мм в интерстициальной жидкости). Еще меньшая концентрация приходится на долю НСО
-
(27 мМ) и фосфатов.
3
Что касается содержания воды и ионов, то между плазмой
и остальной внеклеточной жидкостью быстро устанавливается
равновесие. При этом, конечно, соблюдается условие электронейтральности раствора, т.е. равенство количества положительных и отрицательных зарядов. Общая осмоляльная концентрация внеклеточной жидкости около 0,3 осмоль/л; рН находится в диапазоне 7,35 - 7,45. Постоянство состава внутренней
среды обеспечивается регуляторным механизмом легких и почек. Почки участвуют в поддержании рН среды, осуществляя
следующие процессы:
обмен Na+ на Н+
обмен НРО
2-
на Н 2РО
4
присоединение Н+ к NН3 с образованием NH
-
4
+
. Почки
4
принимают участие в сохранении осмотического давления и
ионного состава посредством дифференцированного образования мочи. Они же производят выделение отходов метаболизма
(мочевины, креатинина и др.) и чужеродных веществ.
Как основа внутренней среды клеток и тканей вода определяет их химическую активность, являясь уникальным растворителем различных веществ. Вода повышает устойчивость
коллоидных систем, участвует в многочисленных реакциях
гидролиза и гидрирования, в процессах окисления. Вода поступает в организм с кормами и питьевой водой. Метаболические
реакции в тканях и органах приводят к образованию воды, которая получила название эндогенной. Источниками эндогенной
воды организма в первую очередь служат жиры, затем углево-
15
ды и белки. Так, окисление 1г жиров, углеводов и белков приводит к образованию, соответственно, 1,07, 0,55 и 0,41г воды,
поэтому животные в пустыне могут обходиться какое-то время
без воды (верблюды даже достаточно долго). Однако собака без
воды погибает через 10 дней, а без пищи через несколько месяцев. Потеря 15-20% воды организмом влечет за собой смерть
человека и животного.
Содержание воды, %:
в организме взрослого человека……...65
сером веществе мозга………………….84
белом веществе мозга ………………….72
печени…………………………………….75
мышцах………………………….………75
сердце ................…………………………78
почках................…………………………81
жировой ткани....………………………..25
костях ................…………………………20—40
крови (цельной)…………………………80
плазме крови ..…………………………92
эритроцитах ......…………………………65
эмбрионах человека 2-месячных ……..97
3 -месячных ……..94
4-месячных ……...92
5-месячных……...87
организме новорожденных…………….70—74
1.1.3. Свободная и связанная вода в продовольственных
товарах
В продовольственных товарах вода находится в свобод-
ном и связанном состоянии.
Свободная вода - это вода, обладающая теми же свойствами, что и чистая вода. Она находится в виде мельчайших капель в клеточном соке и межклеточном пространстве. В ней
растворены органические и минеральные вещества. Она легко
удаляется при высушивании и замораживании. Плотность ее
около единицы, температура замерзания - около 0°С. Свободная вода создает благоприятные условия для развития микро-
16
организмов и деятельности ферментов. Поэтому товары, содержащие много воды, являются скоропортящимися. Однако
большая часть воды в продовольственных товарах находится в
связанном состоянии и удерживается тканями с различной силой.
Связанная вода находится в микрокапиллярах, адсорбируется внутриклеточными системами и удерживается коллоидами
белков и углеводов. Она не является растворителем, имеет более низкую температуру замерзания, чем свободная вода, не
усваивается микроорганизмами и положительно влияет на сохраняемость продуктов. Удаление связанной воды из продукта
приводит к потере его качества (черствение хлеба).
Продовольственные товары должны содержать воду в определенных пределах. Так, содержание ее (в %): в зерне и муке
- 12-15, печеном хлебе - 23-48, свежих плодах - 75-90, сушеных
- 12-25, свежих овощах - 65-90, молоке - 87-90, сливочном мас-
ле - 16-35. Очень мало воды в сахаре - 0,1-0,4%, растительных
маслах - 0,1-0,2 и животных жирах - 0,2-0,3%.
Уменьшение содержания воды ниже этих пределов в
свежих плодах и овощах приводит к их увяданию, а увеличение воды в сахаре-песке вызывает потерю сыпучести и даже
утечку. Хлорид натрия в чистом виде является совершенно негигроскопичным товаром, однако вследствие хорошей растворимости в воде он может увлажняться и даже растворяться при
непосредственном соприкосновении с влажными объектами
или водой. Мука и крупа благодаря капиллярно-пористой
структуре способны удерживать значительно больше влаги (до
14%), не теряя сыпучесть и внешнюю сухость при хранении и
перевозках.
Таким образом, различные продовольственные товары обладают разной гигроскопичностью, что имеет важное значение
для разработки рациональных условий их упаковки, хранения и
реализации.
Питьевая вода. Вода является средой, в которой протекают все обменные процессы организма человека. Суточная
потребность в воде взрослого человека составляет около 2 л.
Если без пищи человек выдерживает несколько недель, то без
воды - несколько суток.
17
Воду следует рассматривать как распространенный продукт питания, используемый как непосредственно, так и при
производстве продовольственных товаров. Поэтому к воде
предъявляют высокие санитарно-гигиенические требования.
Кроме того, вода активно участвует в физико-химических и
биохимических процессах, лежащих в основе формирования
качества продовольственных товаров.
С развитием цивилизации появились серьезные проблемы,
связанные с уменьшением запасов пресной воды, загрязнением
ее различными чужеродными веществами. Основными источниками загрязнения воды являются сточные воды (бытовые и
промышленных предприятий), поверхностный сток с загрязненных территорий, свалки, водный транспорт, воздушные выбросы, неконтролируемое использование в сельском хозяйстве
средств защиты и удобрений.
Загрязнения могут быть химического и бактериологического происхождения. Наиболее часто в воде встречаются тяжелые металлы и их соединения, полициклические ароматические углеводороды, пестициды, бензолы, нитраты и фосфаты,
органические вещества.
Особую опасность представляет бактериологическое загрязнение водоемов, грунтовых и питьевых водоемов, в результате которого в воде обнаруживаются кишечные палочки, вирусы, бактерии.
Загрязнение питьевой воды может происходить и путем
выщелачивания веществ из водопроводных труб. В результате
в питьевую воду попадают свинец, медь и асбестовые волокна,
обладающие канцерогенностью. Входной контроль воды перед
подачей ее в водопроводную сеть проводится в соответствии с
требованиями ГОСТ 2761-84. Согласно ГОСТу питьевая вода
должна соответствовать следующим требованиям: быть прозрачной, бесцветной, без запаха и постороннего привкуса,
иметь определенный химический состав и не содержать болезнетворных микроорганизмов. При отстаивании питьевой воды
в течение суток при 15-20 °С не должен образовываться осадок.
Состав воды должен соответствовать следующим нормативам:
минерализация общая (сухой остаток), мг/л 1000
жесткость общая, ммоль/л 7,0
18
водородный показатель 6,5 - 8,5
железо, мг/л 1,0
марганец, мг/л 0,1
фтор, мг/л 1,5
цинк, мг/л 1,0
мышьяк, мг/л 0,05
медь, мг/л 3,0
свинец, мг/л 0,1
пестициды, общее количество, мг/л —
К воде, применяемой в производстве продовольственных
товаров, предъявляют такие же требования, как и к питьевой.
1.2. Минеральные вещества: макро-, микро-,
ультрамикроэлементы
Минеральные вещества относятся к незаменимым, хотя
они и не являются источником энергии. Попадая в организм в
больших количествах, они могут проявлять токсические свойства, поэтому содержание некоторых неорганических соединений в продовольственных товарах регламентируется медикобиологическими требованиями и санитарными нормами качества. Обычно минеральных веществ в продовольственных товарах содержится примерно 0,5-0,7% съедобной части. В зависимости от содержания в продовольственных товарах все минеральные вещества делят условно на три группы:
макроэлементы - содержание в продовольственных товарах более 1мг% (калий, натрий, кальций, магний, фосфор, хлор,
железо);
микроэлементы - содержание не превышает 1 мг% (йод,
фтор, медь, цинк, марганец, мышьяк, бром, алюминий, никель,
кобальт и др.);
ультрамикроэлементы - содержание в микрограммах и
менее на 100 г продукта (ртуть, золото, уран, радий, свинец и
др.).
При сжигании продуктов органические вещества сгорают,
а минеральные остаются в виде золы (зольные вещества). Состав золы и ее количество в различных продуктах неодинаковы
и колеблются от 0,2 до 7,0%. В продуктах растительного про-
19
исхождения зольных веществ больше, чем в продуктах животного происхождения. Например, содержание золы (в %): в муке
- 0,5-1,9; свежих плодах - 0,3-1,2; чае - 5,4-7,7; молоке - 0,6-0,9;
мясе - 0,8-1,1; рыбе -0,7-1,9; свежих овощах - 0,4-1,8.
1.2.1. Биологическая роль минеральных веществ
1. Биологическое значение минеральных элементов характеризуется в основном их ролью в поддержании нормального
водного баланса и распределении воды в организме, в обеспечении постоянства осмотического давления и кислотнощелочного равновесия, в нормализации нервно-мышечной возбудимости и проводимости нервных импульсов, в генерации
биотоков, проницаемости мембран.
2. Минеральные вещества поддерживают биологически
активное конформационное состояние макромолекул: они входят либо в опорные ткани (Ca, P, Mg и др.), либо в биологически активные вещества (Р, Fe, Zn, Сu, J, Co, Mn и др.), либо в
соединения, богатые энергией (Р, S); микроэлементы входят в
состав генетического аппарата клетки.
3. Важная роль минеральных веществ заключается в образовании координационных комплексов между ферментом, коферментом и субстратом, изменяя при этом электронную
структуру молекулы субстрата. Известно 180 ферментов, содержащих в своем составе металлы: Сu, Mo, Zn, Fe, Co и др.
4. Некоторые элементы причастны к процессам кроветворения. Подобно другим соединениям (углеводам, белкам, жирам) минеральные вещества в организме постоянно заменяются
новыми, поступающими в составе пищи и с водой. Человек и
животные нуждаются в притоке минеральных веществ и потому, что они постоянно выводятся из организма не только через
органы выделения.
1.2.2. Поступление минеральных веществ
в организм и выделение их
Всего в организме 2-3 % минеральных веществ, но рас-
пределяются в тканях они неравномерно (табл. 2).
Обычно натрий содержится в больших количествах в раз-
личных жидкостях организма, калий - внутри клеток. Кальций,
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]