Вода, структурная организация, физико-химические свойства, состояние в живых системах

свойства, состояние в живых системах

.Физико-химические свойства и структура воды

Вода, не являясь собственно питательным веществом, чрезвычайно существенна для жизни: как стабилизатор температуры тела, как переносчик нутриентов (питательных веществ) и пищеварительных отходов, как компонент реакций и реакционная среда, как стабилизатор конформации биополимеров, как вещество, облегчающее динамическое поведение макромолекул, включая каталитические (энзиматические) свойства.

Вода - важный компонент пищевых продуктов. Она присутствует как клеточный и внеклеточный компонент в растительных и животных продуктах, как диспергирующая среда и растворитель в большом разнообразии продуктов, обусловливает консистенцию и структуру продукта, влияет на его внешний вид и вкус, на устойчивость продукта при хранении. Поэтому значение воды как компонента пищевого продукта, понимание ее свойств и поведения в пищевых продуктах чрезвычайно важны. Благодаря тому, что многие виды пищевых продуктов содержат большое количество влаги, нужны эффективные способы для длительного хранения.

Важно отметить, что удаление влаги, будь то высушивание или замораживание, существенно изменяет биологические вещества и природные свойства продукта. Все попытки вернуть воду в первоначальное состояние (регидратация или оттаивание) не были очень успешны, и это объясняет пристальное внимание исследователей к изучению роли воды и льда в пищевых продуктах. Удаление или замораживание воды является существенным среди методов хранения продуктов, и необходимо считаться с теми существенными изменениями, которые имеют место в продукте в обоих случаях.

Содержание влаги в пищевых продуктах находится в широких пределах. Вода поддерживает химические реакции, она является прямым участником в гидролитических реакциях. Поэтому удаление влаги из пищевых продуктов или связывание ее увеличением содержания соли или сахара тормозит многие реакции и ингибирует рост микроорганизмов, таким образом улучшая продолжительность хранения многих пищевых продуктов. Благодаря физическому взаимодействию с белками, полисахаридами, липидами и солями вода вносит значительный вклад в текстуру пищи.

Содержание влаги (%) в пищевых продуктах изменяется в широких пределах: ______________________________________

Мясо

65-75

Мука

12-14

Молоко

87

Кофе-зерна (обжаренный)

5

Фрукты, овощи

70-95

Сухое молоко

4

Хлеб

35

Пиво, соки

87-90

Мед

20

Сыр

37

Масло, маргарин

16-18

Джем

28

Было обнаружено, что вода плавится и кипит при высоких температурах; она имеет необычно высокие значения для поверхностного натяжения, диэлектрической постоянной, теплоемкости, теплоты фазовых переходов (плавления, парообразования, сублимации). Эти значения значительны по сравнению с гидридами некоторых элементов, расположенных близко к кислороду в периодической таблице (СН4, NH3, HF, H2S, НС1).

Таблица 1. Другие свойства воды

Свойства

20° С

0°С

0°С(лед)

-20° С (лед)

Плотность, г/см3

0,9982

0,9998

0,9168

0,9193

Давление водяного пара, мм рт. ст.

17,53

4,58

4,58

0,77

Па

2,337*103

6,104*102

6,104*102

1,034*102

Вязкость (сантипуазы)

1,002

1,792

-

-

(Па*с)

1,002*10’3

2,337*103

-

-

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

Теплопроводность, Дж/м*с*к

5,98*102

5,64*102

22,40*102

24,33*102

Диэлектрическая постоянная

80,36

80,00

91

98

Тепловая диффузия, м2

1,4*10’5

1,3*105

1,1*10^

1,1*10л

Вода имеет относительно невысокое значение для плотности, 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.

Структура и свойства молекулы воды

Шесть валентных электронов кислорода в молекуле воды гибридизированы в 4х ЗрЗ- орбиталях, которые вытянуты к углам, образуя тетраэдр (рис. 1).

ХО -кислород

  • ? -водород
  • связь
  • -— - водородная связь

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 HF или NH3 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.

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:

"'Н + хн"

ХО—Н;-0

„--И

w '”Нч Х+

------? о- -н-о

.-Н Н-.

Таким образом, образуется гидратированный НЗО+ 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:

Н. Л

н. н

;о—н--оС н “ 'н

- „О’ -н— оч -----------

н н

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >