Univerza v Ljubljani Biotehniška fakulteta Oddelek za živilstvo VODA V ŽIVILIH CIKLUS PREDAVANJ PRI PREDMETU ŽIVILSKA KEMIJA Helena Abramovič Ljubljana, 2006
Naslov Voda v živilih: ciklus predavanj pri predmetu Živilska kemija Nosilec predmeta Živilska kemija prof.dr. Veronika Abram Založnik Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za živilstvo Ljubljana, Jamikarjeva 101 Avtor Helena Abramovič 1. izdaja, Ljubljana, 2006 CIP Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana Voda v živilih [Elektronski vir] : ciklus predavanj pri predmetuživilska kemija / Helena Abramovič. - 1. izd. - Ljubljana : Biotehniškafakulteta, Oddelek za živilstvo, 2006 ISBN 961-6333-50-X ISBN 978-961-6333-50-4 664:546.212(075.8) COBISS.SI-ID 230641152 2
Kazalo vsebine Uvod...5...5 Vloga vode v živilih ih...6 Vsebnost vode v živilih...7 Molekula vode in vodikova vez...8 Struktura vode e...10...10 Fizikalne lastnosti vode...14 Tvorba in rast kristalov...15 Interakcije vode v živilu...16 Razpoložljivost, ljivost, dostopnost vode...22 Aktivnost vode...23...23 Ravnotežna relativna vlažnost...27 Sorpcijska izoterma...29 Histereza...34...34 Vpliv temperature in tlaka na sorpcijo vode v živilu...37 3
Zvrsti vode v živilu...45 Voda v monomolekulski plasti...46 Brunauer-Emmet Emmet-Teller model...48 Večplastni sloj vode...53 Kapilarna voda...55 Prosta voda...57...57 Humektanti...58...58 Aktivnost vode in hitrost kemijskih reakcij v živilu...59 Encimska aktivnost...60 Neencimsko porjavenje oz. Maillardova reakcija...61 Oksidacija lipidov...63 Tekstura živil,, steklasti s prehod in a...64 w Vpliv aktivnosti vode na T g...67 Razvrstitev živil glede na vsebnost vode, a w in teksturo...70 Določitev v vsebnosti in aktivnosti vode v živilu...73 Literatura...85...85 4
Uvod Voda je prisotna v živilu in v okolju, ki živilo obdaja. V večini živil je najbolj zastopana sestavina. Vpliva na fizikalne, kemijske, biološke in senzorične ne lastnosti živil. Voda je potrebna za rast mikroorganizmov - zato vsebnost vode vpliva na mikrobiološko ko stabilnost in trajnost izdelka. Prisotnost vode v živilu vpliva na načrtovanje tehnoloških postopkov in pogojev shranjevanja. Ker vsebnost vode v živilskem izdelku vpliva na prostornino in maso izdelka, je zanimiva tudi z ekonomskega vidika. 5
Vloga vode v živilu Predstavlja medij, v katerem se snovi lahko raztopijo ali dispergirajo,, po katerem se transportirajo (difuzija) in v katerem lahko reagirajo. Je lahko reaktant ali produkt reakcije. Hidratira nepolarne,, polarne in ionske skupine oz. ione in s tem vpliva na njihovo reaktivnost. Je medij, ki znižuje koncentracijo reaktantov (razredčitveni efekt). Določa a fizikalne lastnosti živilskega izdelka (toplotna prevodnost, elektrolitska prevodnost, gostota, reološke lastnosti). 6
Preglednica 1: Vsebnost vode v nekaterih živilih ŽIVILO masni delež vode (%) paradižnik 95 zelje, brokoli 92 krompir, korenje 90 citrusi 87 jabolka, češnje 85 jajčni beljak / rumenjak 88 / 51 pusto meso 60 beli kruh 35 salama 30 marmelada 28 med 20 suho sadje 18 maslo, margarina 16 nizkokalorični namaz 50 pšenična moka 12 testenine 12 mleko v prahu 4 pivo 90 sadni sok 87 mleko 87 7
Molekula vode V molekuli vode (H 2 O) držijo kovalentne vezi skupaj kisikov atom in dva vodikova atoma. Razdalja med jedrom atoma kisika in vodika: 0,0957 nm. Kot med vezema H O H H H v molekuli vode: 104,5. Molekula a vode: tetraeder s kisikovim jedrom v centru, v ogliščih ih vodikova atoma in prosta elektronska para. Jedro kisikovega atoma močneje privlači i elektrone kot jedro vodika kisikov atom je bolj elektronegativen. Neenakomerna razporeditev v elektronov dipolarno strukturo. molekula z 8
Vodikova vez Kisikov atom ima delno negativni naboj (2δ ), vsak vodikov atom ima delno pozitivni naboj (δ( + ) elektrostatski privlak med kisikovim atomom ene molekule vode in vodikovim atomom druge molekule vode vodikova vez. Vodikove vezi so šibkejše e od kovalentnih vezi. Vezna energija kovalentne vezi O H O H znaša a 460 kj mol -1. Vezna energija vodikove vezi med molekulama vode v tekoči vodi je 20 kj mol -1. V tekoči i vodi je»življenska«doba vodikove vezi izredno kratka in znaša a manj kot 1 101 10-9 s. Kljub temu je v tekoči i vodi večina molekul vode med seboj povezanih z vodikovimi vezmi visoka notranja kohezivnost vode. 9
Struktura ledu Tetraedrična struktura molekule vode ena molekula vode lahko tvori istočasno vodikove vezi s štirimi sosednjimi molekulami. Istočasna prisotnost štirih možnosti za molekulo vode, da tvori vodikove vezi in oblika molekule z ustreznim kotom med vezema H O H asociacija v treh dimenzijah tvorba heksagonalne kristalne mreže e oziroma rešetke etke v ledu. Struktura ledu ni statična. Pri temperaturah, ki se običajno uporabljajo pri shranjevanju živil ( 20 C),, majhen del molekul vode, ki niso popolnoma povezane v rešetkasto etkasto strukturo, počasi potuje (difundira( difundira) ) skozi prostor. Za cepitev zadostnega števila vodikovih vezi med molekulami vode v ledu je potrebna znatna količina ina energije relativno visoka temperatura tališča a vode. 10
Slika 1: Heksagonalna kristalna mreža oziroma rešetk etka v ledu,, kisik;, vodik; ---,, vodikova vez 11
Struktura v tekoči vodi V tekoči i vodi: z višanjem temperature delež molekul, ki niso udeležene ene pri vodikovih vezeh le počasi in zgolj nekoliko naraste. V tekoči i vodi pri sobni temperaturi in atmosferskem pritisku tvori vsaka molekula vode v povprečju 3,4 vodikove vezi. Z višanjem temperature to število pada. Molekule vode ostajajo še e vedno povezane med seboj, vendar se gibajo že e dovolj hitro, da se lahko osvobodijo iz urejene mrežne strukture. Za dinamid inamične skupke,, kjer prihaja do cepitev vodikovih vezi in ponovnih vzpostavitev strukture, se je uveljavil izraz migljajoči grozdi ali roji. V povprečju je pri sobni temperaturi 200 do 300 molekul vode urejenih v skupku. 12
Urejena struktura stabilizirana z vodikovimi vezmi v treh dimenzijah v vodi in ledu je razlog za mnoge neobičajne lastnosti vode. V primerjavi s snovmi, ki imajo podobno strukturo in molsko maso kot voda (CH, NH 4 3, HF, H 2S, HCl), ima voda višje tališče, vrelišče, e, specifično toploto, površinsko napetost, viskoznost, dielektrično konstanto. Vpliv fizikalnih lastnosti vode se kaže e v različnih stopnjah tehnološkega postopka in v kvaliteti živilskega izdelka. Izjemno visoke vrednost veličin, in, kot na primer specifična toplota in izparilna toplota, znatno vplivajo na potek različnih tehnoloških operacij, kot sta zmrzovanje in sušenje. 13
Preglednica 2: Fizikalne lastnosti vode Fizikalna veličina Temperatura ( C) 0 20 40 60 80 100 Gostota (g cm -3 ) 0,9998 0,9982 0,9922 0,9832 0,9718 0,9584 Viskoznost (mpa s) 1,793 1,002 0,653 0,466 0,354 0,282 Površinska napetost (mn m -1 ) 75,64 72,75 69,60 66,24 62,67 58,91 Parni tlak (kpa) 0,611 2,339 7,381 19,93 47,37 101,32 Lomni količnik 1,3338 1,3330 1,3306 1,3272 Dielektrična konstanta 87,9 80,2 73,2 66,7 60,9 55,5 Toplotna prevodnost (J s -1 K -1 m -1 ) 0,5610 0,5984 0,6305 0,6543 0,6700 0,6791 Specifična toplota (J g -1 K -1 ) 4,218 4,182 4,179 4,184 4,196 4,216 Izparilna toplota (kj mol) 45,054 43,350 42,482 41,585 40,657 14
Tvorba in rast kristalov Vpliv na teksturo rastlinskega in živalskega tkiva V rastlinskem in živalskem tkivu se voda nahaja znotraj celice in v medceličnem prostoru. Pri temperaturi blizu točke zmrzišča: tvori i se malo kristalnih jeder, vsak kristal intenzivno raste veliki kristali v medceličnem prostoru. Pri nižjih ih temperaturah: tvori i se mnogo kristalnih jeder,, hitrost rasti kristalov je majhna majhni kristali, ki se nahajajo znotraj celice in v medceličnem prostoru. Število kristalnih jeder - velikost kristalov Membrane v tkivu predstavljajo prepreko za rast kristala. Zvišanje volumna (gostota vode pri 0 C 0 = 1,00 g cmg -3, gostota ledu pri 0 C 0 = 0,917 g cmg -3 ) mehanske poškodbe membran - bolj očitne o v primeru nastanka velikih kristalov v medceličnem prostoru. 15
Interakcije vode v živilu Interakcije,, v katere vstopa voda v živilu, so: hidrofilne interakcije dipol ion interakcije dipol dipol interakcije hidrofobne interakcije 16
Dipol dipol interakcije Nastajajo med molekulo vode in spojinami, ki imajo ustrezen polarni značaj. aj. V živilu prihaja do interakcij med vodo in: hidroksilno skupino alkoholov ov,, organskih kislin in ogljikovih hidratov; karbonilno skupino aldehidov, ketov,, organskih kislin, amidov in estrov; NH skupino aminov oz. amidov. Pri tem nastane vodikova vez med elektronegativnim atomom (ki je običajno kisik ali dušik ik) in vodikovim atomom. 17
Dipol ion interakcije Vsled elektrostatskega skega privlaka vstopa voda v interakcije z ioni (najbolj običajni ioni v živilu so: Na +, Ca 2+, Mg 2+, Cl ) ali ionskimi skupinami COO, NH 3+. Pri tem je molekula vode usmerjena tako, da je delno negativno nabiti kisikov atom dipola vode v bližini ini pozitivnega naboja na ionu ali ionski skupini. V bližino ino negativnega naboja na anionu se orientira pozitivni del dipola tj. vodikova atoma. Okoli enega iona se v prvem sloju orientira do šest molekul vode (monomolekulska( plast). 18
Hidrofobne interakcije Prisotnost nepolarne spojine v vodnem mediju povzroči, da molekule vode oblikujejo okoli nepolarne molekule kletki podobno strukturo. Gibljivost teh molekul vode je znatno nižja v primerjavi z gibljivostjo molekul v čisti vodi. V živilih nastopa množica spojin (maščobne kisline, proteini),, ki jih sestavlja polarni ali ionski del ter nepolarni del amfifilne molekule. 19
Slika 2: Ureditev molekul vode okoli nepolarnega dela amfifilne molekule (anion dekanojske kisline). 20
Hidrofobne interakcije Pri stiku amfifilne molekule z vodo se nepolarni del izogiba stiku z vodo amfifilne molekule se v vodnem mediju združujejo ujejo v skupke ali micele. Nepolarni deli molekul se orientirajo v notranjost teh skupkov, polarni pa na njihovo površino. Hidrofobne interakcije so posledica dejstva, da je za oblikovanje micele potrebno manj energije kot bi je bilo potrebo za razpršitev amfifilnih molekul v vodi, cepitev vodikovih vezi med molekulami vode in oblikovanje njihove urejene strukture okoli nepolarnega dela posamezne amfifilne molekule. 21
Dostopnost, razpoložljivost vode Prisotnost topljenca v vodi in vzpostavitev ustreznih interakcij vode z molekulami topljenca poruši i urejeno strukturo v vodi in povzroči i znižanje gibljivosti molekul vode. Bolj kot vsebnost vode je v živilu odloo dločilnega pomena to, kako je voda razpoložljiva ljiva za interakcije z ostalimi sestavinami živila, oziroma v kolikšni meri je dostopna mikroorganizmom. Večja gibljivost molekul vode večja dostopnost oz. razpoložljivost ljivost vode. 22
Aktivnost vode aktivnost vode je parameter, p s katerim kvantitativno ovrednotimo dostopnost vode v živilu aktivnost vode, a w, je podana p kot razmerje med delnim tlakom vodne pare nad živilom pri določeni temperaturi, P,, in delnim tlakom vodne pare nad čisto vodo pri isti temperaturi, P 0 : a = w P P 0 (1) aktivnost vode je merilo za hlapljivost (fugativnost) molekul vode 23
Raoultov zakon Zvišanje vsebnosti topljenca v raztopinah povzroči znižanje parnega tlaka v raztopinah je aktivnost vode sorazmerna molskemu deležu u vode: a w = γ x w (2) x w molski delež vode γ koeficient aktivnosti γ = 1 v idealnem em sistemu,, kjer ni razlike v interakciji voda voda in voda topljenec Večje je odstopanje od idealnega sistema, bolj je vrednost koeficienta aktivnosti različna od 1. 1 24
vrednosti za aktivnost vode so: od a w = 0 (popolna odsotnost vode) do a w = 1 (čista( voda) v večini živil sos vrednosti za aktivnost vode v območju od a w = 0,2 do a w = 0,99 sisteme z a w < 0,7 zaznavamo kot suhe sisteme z a w > 0,8 zaznavamo kot vlažne 25
Vrednost za aktivnost vode v živilskem izdelku je podatek, ki pomaga predvideti kakšna bo stabilnost tega izdelka glede na hitrost kemijskih reakcij, teksturne lastnosti in razvoj mikroorganizmov. 26
Ravnotežna relativna vlažnost, ERH Ko živilo izpostavimo okolju z določeno relativno vlago in se vzpostavi ravnotežje, je aktivnost vode v živilu enaka relativni vlagi v okolju, ki obdaja živilo: ERH = a w. 100 % (3) zveza med a w in ERH nam omogoča, da predvidimo, ali bo živilo, če e ga izpostavimo okolju z določeno relativno vlago, vodo sprejelo ali izgubilo. 27
Voda spontano teče e z mesta višjega tlaka na mesto z nižjim tlakom prehaja v obliki vodne pare s področja višjega parnega tlaka na mesto nižjega parnega tlaka. To se dogaja toliko časa, dokler se ne vzpostavi ravnotežje, ko je parni tlak vode v zraku, ki obdaja živilo, enak parnemu tlaku vode v živilu. Relativna vlaga zračne atmosfere je običajno med 50 % in 80 % - živila z ustrezno nižjimi vrednostmi za a w bodo sprejela vodo, - živila z ustrezno višjimi a w vrednostmi bodo vodo oddala. 28
Sorpcijska izoterma krivulja, ki prikazuje odvisnost vsebnosti vode od aktivnosti vode pri konstantni temperaturi nam pove, kako se bo obnašal al substrat živila v celotnem območju vrednosti za relativno vlago okolja, v katerem se bo med skladiščenjem nahajal poznanih je pet različnih sorpcijskih izoterm za živila, ki so heterogeni kompleksni sistemi, je značilna sigmoidna oblika sorpcijske izoterme 29
Sorpcijska izoterma vsebnost vode. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 aktivnost vode Slika 3: Odvisnost vsebnosti vode od aktivnosti vode 30
Sorpcijska izoterma naklon krivulje pozitiven zvišanje a w pomeni zvišanje vsebnosti vode pri dani temperaturi prirast v vsebnosti vode z naraščajo ajočo a w krivulje) ni ves čas konstanten (naklon v območju z nižjo vsebnostjo vode (pod 50%) vodna aktivnost močno pade manjša a sprememba vsebnosti vode v substratu živila povzroči veliko o spremembo aktivnosti vode za higroskopične snovi snovi, kjer majhno zvišanje relativne vlage ge,, povzroči i opazno zvišanje vsebnosti vode v substratu, je ta krivulja bolj strma; ; krivulja k z manjšim naklonom je značilna za manj higroskopične snovi. 31
Primer: Mešanica dveh snovi (masno razmerje 1:1) v zaprtem prostoru z začetno a w vrednostjo: snov A: a w = 0,65 snov B: a w = 0,15 Snov B je bolj higroskopična od snovi A. Prehod vode iz snovi z višjo a s w na snov z nižjo a w dokler se ne vzpostavi ravnotežje - takrat snov A in snov B dosežeta eta skupno vrednost za a w 0,4. V snoveh A in B ne pride do izenačenja enja v vsebnosti vode, saj vsaka od obeh snovi odpušča a oz. adsorbira vodo v skladu s svojo sorpcijsko izotermo. 32
B vsebnost vode. X 2 X 1 A 0 0,2 0,4 0,6 0,8 a w Slika 4: Odvisnost vsebnosti vode od a w. ; X 1, vsebnost vode v snovi B na začetku; X 2, vsebnost vode v snovi B po vzpostavitvi ravnotežja. 33
Histereza Procesa adsorpcije reverzibilna. in desorpcije nista popolnoma Če e spremljamo odvisnost vsebnosti vode od a w procesom sušenja desorpcijska izoterma. Če e spremljamo odvisnost vsebnosti vode od a w procesom vlaženja adsorpcijska izoterma. med med Desorpcijska izoterma je nad adsorpcijsko izotermo a w vzorca pri isti vsebnosti vodv ode je nižja v primeru sušenja in višja v primeru vlaženja. Histereza je opazna nad območjem em,, ko je vsebnost vode v živilu tolikšna, da je z molekulami vode zapolnjena monomolekulska plast. 34
Histereza vsebnost vode. DESORPCIJA ADSORPCIJA 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 aktivnost vode Slika 5: Histereza sorpcijskih izoterm 35
Razlogi za histerezo Kapilare so pri adsorpciji vode pri polnjenju bolj zaprte,, kapilare so med m sušenjem med praznjenjem bolj odprte za enak učinek u (enako vsebnost vode) je potreben en nižji parni tlak vode. Nekatere sestavine (npr. škrob) so med procesom sprejemanja vode v drugačnem fizikalnem stanju kot med procesom oddajanja vode. 36
Vpliv temperature na sorpcijo vode v živilu Če e pri različnih temperaturah spremljamo odvisnost vsebnosti vode od a w, dobimo več sorpcijskih izoterm. Sorpcijska izoterma pri višji temperaturi leži i nižje je. Zvišanje temperature ni ugodno za adsorpcijo vode pri dani aktivnosti vode ob zvišanju temperature pade vsebnost vode v substratu. Pri dani vsebnosti vode v živilu ob zvišanju temperature aktivnost vode močno naraste. 37
50 45 30 0 C vsebnost vode. 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 aktivnost vode 40 0 C 50 0 C Slika 6: Sorpcijske izoterme pri različnih temperaturah 38
Vpliv temperature na aktivnost vode je posledica sprememb v: vezavi vode disociaciji vode topnosti različnih topljencev v vodi stanju oz. konsistenci matriksa živila (steklasta, usnjata) 39
Clausius Clapeyronova enačba Sorpcijo vode v odvisnosti od temperature lahko opišemo v skladu s Clausius Clapeyronovo enačbo: (4) Q s je sorpcijska toplota, R je splošna plinska konstanta, T je absolutna temperatura. 40
12 Graf odvisnosti naravnega logaritma aktivnosti vode, lna w, od recipročne vrednosti absolutne temperature, 1/T, pri konstanti vsebnosti vodv ode je premica z naklonom Q S /T. ln a w 10 8 6 4 w 4 w 3 w 2 w 1 2 Naklon premice ( Q( S /T)) pada, ko se vsebnost vode viša. 0 0 2 4 6 8 10 12 1/T Slika 7: odvisnost lna w od 1/T; vsebnost vode narašča od w 1 do w 4 41
Sorpcijska toplota znatno naraste v območju, ko je vsebnost vode v živilu tolikšna, da je z molekulami vode zapolnjena monomolekulska plast, w m. 7 6 sorpcijska toplota 5 4 3 2 1 0 I 0 1 w2 3 4 5 6 7 m vsebnost vode Slika 8: Odvisnost sorpcijske toplote od vsebnosti vode 42
Desorpcija vode endotermen proces Za a odstranitev zadnjih sledi vode torej vode v monomolekulski plasti je potrebna energija med 8 in 40 kj/mol. Adsorpcija vode eksotermen proces Količina ina sproščene toplote je pri vezavi vode v monomolekulski plasti najvišja. ja. 43
Vpliv tlaka na aktivnost vode v živilu Vpliv tlaka, P, na sorpcijo vode v živilu opišemo z naslednjo relacijo (5) V m je molski volumen vode (18 cm 3 mol 1 ) Zvišanje tlaka povzroči i zvišanje aktivnosti vode. 44
Zvrsti vode v živilu Pri opisovanju značaja aja vode v živilu, in s tem povezane gibljivosti molekul vode, se pojavljajo številni izrazi. V zadnjem času se je uveljavil način, ki vodo glede na njeno stanje v živilu, opredeli v naslednje zvrsti: Voda v monomolekulski plasti Večplastni sloj vode Kapilarna voda Prosta voda S postopnim vlaženjem substrata zapolnjujemo vsako od teh plasti. živila postopoma 45
Voda v monomolekulski plasti Plast molekul vode, ki so v živilu vezane neposredno na polarne skupine oziroma na ionske skupine in ione. Strukturna urejenost molekul vode v monomolekulski plasti je velika. Molekule vode so blizu ena drugi, gostota vode v monomolekulski plasti (1,482 g cm -3 ) je višja od gostote vode v naslednjih plasteh. Iz z substrata živila je v popolnosti ne moremo odstraniti. Se e smatra kot nezmrzljiva vse do temperature 40 C. Nima sposobnosti delovati kot topilo. 46
Voda v monomolekulski plasti Sloj vode v monomolekulski plasti je v popolnosti zapolnjen pri vrednosti za aktivnost vode približno 0,25. Vrednost za a w, ko je voda adsorbirana v monosloju oziroma monomolekulski plasti, je najoptimalnejša a točka stabilnosti živil. Molekule vode, ki tvorijo monomolekulsko plast, so skoraj popolnoma imobilizirane zato ta voda ni dostopna mikroorganizmom in ne vstopa v reakcije z ostalimi sestavinami ami živila. Molekule vode v monomolekulski plasti so bolj polarizirane in zato bolj nagnjene k tvorbi vodikovih vezi z molekulami vode v naslednjih plasteh. 47
Brunauer-Emmet-Teller model Vsebnost vode adsorbirane v monomolekulski plasti določimo s pomočjo različnih empiričnih relacij, ki opisujejo sorpcijo vode v živilih. Brunauer-Emmet Emmet-Teller model (BET) : (6) w - masa vode,, ki je adsorbirana na 1 g vzorca C - sorpcijska konstanta w m - masa vode (g vode / g vzorca), ki je adsorbirana v monomolekulski plasti 48
a (1 a w w ) w naklon odsek 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 a w Slika 9: Graf BET modela 49
Brunauer-Emmet-Teller model Graf odvisnosti a ( 1 a w m določimo iz odseka, w w ) w 1 C wm od a w je premica, C 1, in naklona premice,. C Naklon in odsek premice izračunamo s pomočjo linearne regresijske analize. w m BET model velja v omejenem območju a w 0,5). vrednosti (do w m (fižol) = 0,042 g/g, w m (krompir) = 0,06 g/g, w m (kakav) = 0,039 g/g, w m (meso) = 0,05 g/g, w m (želatina) = 0,087 g/g, w m (maltodekstrin)) = 0,046 g/g. 50
Površina monomolekulske plasti Iz vrednosti za w m lahko izračunamo površino monomolekulske plasti v enem gramu vzorca, S 0 : (7) M w - molska masa vode, N A Avogadrovo število, A m površina molekule vode (1,06 10-19 m 2 ) 51
Površina monomolekulske plasti V večini živil je vrednost za površino monosloja molekul vode od 100 m 2 g - 1 do 250 m 2 g - 1. V primerjavi z ustrezno vrednostjo za dušik, ki znaša a od 0,2 m 2 g - 1 do 2,0 m 2 g - 1, je to visoka vrednost. Zakaj je pri vodi tako? molekule vode so manjše e od dušikovih in lažje vstopajo v manjše e pore vezava molekul vode na ustrezne skupine na polimerni molekuli zviša a gibljivost polimer razvijanje verig za adsorbcijo vode postanejo izpostavljena tudi manj izpostavljena mesta. 52
Večplastni sloj vode Voda, ki tvori t nekaj naslednjih plasti okoli hidrofilnih skupin molekul v živilu. Večina vode v tej plasti ne zmrzne pri 40 C. Ima le omejeno sposobnost raztapljanja. Gibljivost molekul vode v celotnem večplastnem sloju ni enaka, pač pa narašča z oddaljenostjo od monomolekulske plasti. Vodo, ki je prisotna v večplastnem sloju, je možno odstraniti iz substrata živila. 53
Voda, ki je prisotna v monomolekulski plasti in del, ki sestavlja večplastni sloj vode, ne zamrzne z pri temperaturi do 20 C. To je t.i. nezamrzljiva voda. Od celotne količine ine vode, ki jo vsebuje meso, ne zamrzne okoli 10 % vode. V sadju in zelenjavi je ta vrednost okoli 6 % in v žitaricah nad 30 %. Ugotovili so, da je vsebnost nezamrzljive vode, če e jo izrazimo na maso proteinov,, v različnih živilih dokaj podobna in znaša a okoli 0,4 g na g proteinov. 54
Kapilarna voda Se e nahaja v kapilarah oziroma v porah tkiva. Je e omejena v pretakanju. Ima nekoliko znižano točko zmrzišča. Na sorpcijski izotermi zaseda področje, ko z zvišanjem a w, znatno naraste vsebnost vode kot posledica kondenzacije vode v kapilarah substrata živila. 55
Kapilarni tlak Na vodv odo v kapilarah deluje kapilarni tlak, P k. Kapilarni tlak je odvisen od polp olmera kapilare, r in od površinske napetosti vode, σ P k = 2 r σ (8) Pritisk, ki je potreben, da iztisnemo vodo iz kapilare, je manjši i pri večjem polp olmeru kapilare. V živilih je polp olmer kapilar različen in znaša a med 0,5 nm in 1 mm. 56
Prosta voda Prosta voda je po svojih lastnostih podobna čisti vodi. V živilu se nahaja na površini in med posameznimi plastmi i tkiva oz. v porah ter jo ob manjšem pritisku lahko iztisnemo iz živila; ; prisotna je tudi v različnih zmeseh kot topilo oz. disperzni medij. Od celotne količine ine vode, ki jo vsebuje meso je proste vode med 30 % in 40 %. 57
Humektanti Živila z višjo vsebnostjo vodv ode e so razmeroma neobstojna. Zaželjeni so izdelki,, ki bi imeli ob zadosni vsebnosti vode ustrezno teksturo, dovolj nizko a w in bi bili zato bolj obstojni. Humektanti so snovi, ki imajo visoko sposobnost vezave vode. Humektanti,, ki jih uporabljamo kot dodatke živilom, so natrijev klorid, kalijev klorid, glicerol, sorbitol,, natrijev nitrit, kalijev sorbat, propilen glikol, propilparaben,, mlečna kislina, fruktoza, saharoza, modificiran škrob. Dodatek humektanta vezava vode na molekule humektanta manjša gibljivost molekul vode manjša a razpoložljivost ljivost vode znižana na a w, ne da bi odstranili vodo iz živila. 58
Aktivnost vode in hitrost kemijskih reakcij v živilu hitrost 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 avtooksidacija maščob neencimsko porjavenje encimska aktivnost 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 aktivnost vode Slika 10: : Odvisnost reakcijske hitrosti od aktivnosta ktivnosti vode
Encimska aktivnost Hitrost encimsko kataliziranih reakcij narašča a z rastočo, kar je posledica večje gibljivosti reaktantov. a w Do a w = 0,8 encimska aktivnost postopoma narašča. a. V območju a w > 0,8 encimska aktivnost močno naraste. Hitrost encimsko kataliziranih reakcij je zanemarljiva v območju vrednosti a w < 0,4. Encimske aktivnosti v območju a w < 0,25 praktično ni (izjema so encimi lipaze,, ki so aktivni celo pri a w = 0,1). 60
Neencimsko porjavenje oz. Maillardova reakcija Do o vrednosti a w 0.3 je hitrost h zanemarljiva. V območju a w < 0.25 se reakcije neencimskega porjavenja ne odvijajo jo. V območju a w od 0,6 do 0,8 je reakcijska hitrost najvišja razpoložljivost ljivost vode je zadostna reaktanti so ravno prav koncentrirani gibljivost reaktantov je višja v primerjavi z gibljivostjo rekatantov v substratu z nižjo a w V območju a w > 0,8 se reakcijska hitrost zniz niža povišanje vsebnosti vode povzroči i razredčitev reaktantov 61
Oksidacija lipidov V območju 0,3 < a w < 0,4 je hitrost oksidacije najnižja ja. Zakaj tako? voda se veže e na primarne produkte oksidacije - hidroperokside preprečena ena razgradnja hidroperoksidov in nadaljevanje oksidacijskega procesa voda reagira s prostimi radikali, ki nastajajo med lipidno oksidacijo voda hidratira kovinske ione znižana katalitična aktivnost 62
Oksidacija lipidov V območju a w < 0,3 je hitrost h oksidacije zvišana. Zakaj tako? odstranitev vode s hidrofilnih mest v substratu lipidne molekule postanejo izpostavljene in bolj dostopne zmanjšana ana hidratacija kovinskih ionov (katalizatorji) povečana mobilnost in aktivnost teh ionov V območju a w > 0,5 hitrost oksidacije naraste. Zakaj tako? povečana difuzija in nabrekanja matriksa atmosferski kisik postane bolj dostopen 63
Tekstura živil, steklasti prehod in a w Teksturne lastnosti so skupina fizikalnih lastnosti, ki izvirajo iz strukturnih komponent živila; občutimo jih pri dotiku s hrano, ko je ta izpostavljena sili, ki povzroči deformacijo, razpad, pretok. Teorija steklastega prehoda je pristop, kako razložiti teksturne spremembe kot funkcijo a w. Steklasti prehod je postopen prehod iz steklaste, preko usnjate, zatem gumaste konsistence v tekoče e stanje ali obratno. 64
Hitrost kemijskih reakcij je v snovi, ki je v stanju usnjate in gumaste konsistence višja v primerjavi s snovjo steklaste konsistence. Amorfni ali delno kristalinični polimeri kot npr. beljakovine, celuloza, škrob pri ustrezni temperaturi kažejo steklasti prehod. Steklo je v nasprotju z urejeno strukturo kristala amorfna trdna snov; steklo nastane ob ohlajanju tekočine pri temperaturah, ki so znatno pod temperaturo zmrzišča. 65
zelo hrustljavo hrustljavost. srednje hrustljavo malo hrustljavo nehrustljavo 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 a w Slika 11: : Odvisnost hrustljavosti pokovke od a w 66
Vpliv aktivnosti vode na T g Temperatura steklastega prehoda, T g, je temperatura, pri kateri snov preide iz steklaste v usnjato, plastično konsistenco. Zvišanje a w povzroči i znižanje T g ; znižanje T g temperaturo povzroči izgubo hrustljavosti. na sobno Zakaj tako? voda prisotna v živilih deluje kot plastifikator plastifikatorji oslabijo sile med polimernimi molekulami polimere postanejo bolj upogljive in bolj gibljive 67
150 100 temperatura ( o C) 50 0-50 -100 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 aktivnost vode Slika 12: Odvisnost T g od a w ; ko aktivnost vode doseže vrednost 0,55, se T g zniža na sobno temperaturo 24 C. 68
Primer nezaželjenega vpliva a w na nižanje T g Živila v prahu - sprijemanje Razlog temu: Če e se živilo v prahu nahaja v okolju, kjer je relativna vlaga tolikšna, da živilo vodo sprejme in se v skladu s sorpcijsko izotermo zviša a w vrednost znižanje T g na sobno temperaturo prehod iz steklaste v usnjato konsistenco sprijemanje delcev. 69
Preglednica 3: Razvrstitev živil glede na vsebnost vode, a w in teksturo a w primeri živil vsebnost vode tekstura 0,03 mleko v prahu 0,3 krekerji prepečenec piškoti 0,4 jajca v prahu 0,5 testenine začimbe živila z nizko vsebnostjo vode - od 5 % do 15 %, voda je prisotna v monomolekulski plasti trdo suho hrustljavo krhko 70
Preglednica 3: Razvrstitev živil glede na vsebnost vode, a w in teksturo (nadaljevanje) a w primeri živil vsebnost vode tekstura 0,60 0,65 suho sadje med 0,65 0,75 želeji oreški 0,75 0,80 džemi marmelade 0,80 0,87 sirupi kondenzirano mleko moka riž 0,87 0,91 suhomesnati izdelki suhi siri margarina, maslo izdelki s 65 % saharoze in 15 % NaCl živila s srednjo vsebnostjo vode - od 15 % do 40 %, voda je prisotna tudi kot kapilarna voda suho čvrsto upogljivo žilavo 71
Preglednica 3: Razvrstitev živil glede na vsebnost vode, a w in teksturo (nadaljevanje) a w primeri živil vsebnost vode tekstura 0,91 0,95 siri kruh izdelki s 55 % saharoze in 12 % NaCl 0,95 1 sveže sadje in zelenjava konzervirano sadje in zelenjava meso barjene klobase mleko, jogurt izdelki z 20 % saharoze in 7 % NaCl živila z visoko vsebnostjo vode, zvišanje vsebnosti vode izzove le manjšo spremembo a w mehak mlahav lepljiv vlažen 72
Določitev vsebnosti in aktivnosti vode v živilu Metode določitve vsebnosti vode v živilu Metode določitve aktivnosti vode v živilu 73
Metode določitve vsebnosti vode v živilu Določitev vsebnosti vode je ena izmed najbolj pogostih analiz v laboratorijih živilske industrije. Vsebnost vode v živilu izrazimo na naslednje načine: - na suho snov - na celotno maso - na razmaščeno snov 74
Direktne metode Fizikalne metode določimo količino ino vode, ki smo jo na ustrezen način (sušenje, destilacija, solventna ekstrakcija,, centrifuga) ) odstranili od ostalih sestavin v vzorcu živila sušenje je enostavna in relativno hitra metoda pomanjkljivost napake,, ki se pojavijo zaradi izgub ob termičnem razpadu organskih snovi in oksidaciji maščob 75
Direktne metode Kemijske metode temeljijo na specifičnih reakcijah vode v vzorcu živila s standardnimi reagenti metoda po Karl-Fischerju - standardna kemijska metoda - primerna za izdelke z manjšo o vsebnostjo vode - primerna za živila z visoko vsebnostjo proteinov ali reducirajočih ih sladkorjev in za živila, ki vsebujejo hlapne snovi 76
Indirektne metode Denzimetrija, polarimetrija, refraktometrija, konduktometrija - Metode temeljijo na določitvi fizikalne veličine, ine, katere vrednost je odvisna od vsebnosti vode v vzorcu živila. Nuklearna magnetna resonanca, NMR in bližnja infrardeča a spektroskopija, NIR - Metodi temeljita ta na spektroskopskih lastnostih molekule vode. - Metoda NMR omogoča a razlikovanje med posameznimi zvrstmi vode (vezana in prosta voda) ) na osnovi različne gibljivosti molekul vode. 77
Ko izbiramo metodo, se odločimo za tisto, ki je najhitrejša, a, najpreprostejša a in najustreznejša a ter da rezultate, ki so v mejah zahtevane natančnosti. nosti. V določenih primerih nas zanima voda, ki je razpoložljiva ljiva za potek kemijskih reakcij v živilu in je dostopna mikroorganizmom. V drugih primerih želimo podatek o celotni vsebnosti vode v substratu živila. 78
Z različnimi analiznimi metodami določimo različne vrednosti za vsebnost vode. Zakaj tako? Voda je v živilu prisotna v različnih zvrsteh (voda v monomolekulski plasti, voda v večplastnem sloju, kapilarna voda in prosta voda). Najenostavneje je določiti vodo, ki je v živilu prisotna kot prosta voda in jo je iz substrata najlažje je odstraniti uporabnost fizikalnih metod. 79
Kapilarno vodo najuspešneje neje določimo s kemijskimi metodami. Uporaba fizikalnih metod je za določitev kapilarne vode manj uporabna za njeno odstranitev iz vzorca živila je potrebna znatna količina ina toplote. Toplota, ki je potrebna za odstranitev vode v monomolekulski plasti, je že e tako velika, da prihaja do reakcij razgradnje v matriksu živila, kjer voda kot produkt celo nastaja metoda sušenja za določitev vsebnosti vode v monomolekulski plasti je neustrezna, bolj ustrezna a je metoda NMR. 80
Metode določitve aktivnosti vode v živilu Izopiestična metoda Določitev točke znižanja zmrzišča Manometer Higrometer Določitev točke rosišča Indikatorji 81
Izopiestična metoda Popolnoma suh substrat živila damo v eksikator v katerem je nasičena vodna raztopina neke soli z zano a vrednostjo. w V tem okolju preiskovani material absorbira določeno množino vode,, dokler se ne vzpostavi ravnotežje med raztopino soli, atmosfero v eksikatorjiu in preiskovanim im živilom - a w preiskovanega substrata je enaka a w dane soli. Iz razlike v masi popolnoma suhega substrata živila in mase substrata, ko je ta absorbiral določeno količino vode,, dobimo podatek o vsebnosti vode pri dani a w. Če pri konstantni temperaturi postopek ponavljamo ob uporabi serije različnih nasičenih raztopin soli (različne a vrednosti), w dobimo odvisnost vsebnosti vode od a w - torej sorpcijsko izotermo. 82
Določitev točke znižanja zmrzišča Določitev temperature zmrzišča raztopine, T,, ki je nižja od temperature zmrzišča vode, T 0. Razlika tj. znižanje zmrzišča, ΔT, je odvisna od a w v raztopini: ΔT = T 0 T = (K / M w ). lna w (9) M w molska masa topljenca,, K krioskopska konstanta. Metoda je primerna za določitev aktivnosti vode v raztopinah. 83
Določitev točke rosišča V celici, kjer je prisoten substrat in je vzpostavljeno ravnotežje, se ohlaja ogledalo dokler vodna para na njem ne kondenzira. Temperatura pri kateri se prične kondenzacije vode - točka rosišča je odvisna od parnega tlaka oz. relativne vlage in od a w substrata. Indikatorji Uporaba ustreznih kemijskih substanc, ki pri določeni a w spremenijo barvo. 84
Literatura Caultate T.P. 2002. Food, the chemistry of its components. 4 th ed. Cambridge, Royal Society of Chemistry: 389-408 408. DeMan J.M. 1999. Principles of food fhemistry. 3 rd ed. Githersburg, A Chapman and Hall Food Science Book: : 1-1 32. Belitz H.D., Grosch W. 1999. Food chemistry. 2 nd ed. Berlin, Springer-Verlag: 1-7. Nelson D.L., Cox M.M. 2000. Lehninger principles of biochemistry. 3 rd ed. New York, Worth Publishers: 82-111. Ruan R.R., Chen P.L. 1998. Water in foods and biological materials. Basel, Technomic Publishing Company: : 279 str. Labuza T.P. 1968. Sorption phenomena in foods. Food Technology,, 22: 263-272. 272. Abramovič H., Klofutar C. 2002. Water adsorption isotherms of some maltodextrin samples. Acta Chimica Slovenica,, 49: 835-844. 844. Abramovič H., Klofutar C. 2006. Water adsorption isotherms of some gellan gum samples. Journal of Food Enineering,, 77: 514-520. 520. Maltini E., Torreggiani D., Venir E., Bertolo,, G. 2003. Water activity and the preservation of plant foods. Food Chemistry,, 82: 79-86. Mathlouthi M. 2001. Water content, water activity, water structure and the stability of foodstuffs. Food Control,, 12: 409-417. 417. 85