Физическая и термодинамическая характеристика воды, связанной биомакромолекулами

Вода является необходимым условием жизни и входит в состав всех пищевых продуктов и материалов.

Содержание влаги может привести к быстрой порче продуктов и поэтому продукты, предназначенные для длительного хранения, подвергаются сушке.

Вода представляет собой прозрачную бесцветную жидкость, обладающую целым рядом аномальных физических свойств. Например, вода имеет аномально высокие температуры замерзания и кипения, а так же поверхностное натяжение. Её удельные энтальпии испарения (в расчёте на 1 грамм) выше чем почти у всех остальных веществ. Редкой особенностью воды является то, что её плотность в жидком состоянии при 4 С больше плотности льда, поэтому лёд плавает на поверхности воды. Эти аномальные свойства воды объясняются существованием водородных связей, которые связывают между собой молекулы как в жидком, так и твёрдом состоянии. Вода плохо проводит электрический ток, но становится хорошим проводником, если в ней растворены даже небольшие количества ионных веществ.

Вода является универсальным растворителем, необходимым для протекания биохимических реакций. Способность воды хорошо растворять многие вещества обусловлена полярностью её молекул. Молекулы воды обладают сравнительно большим дипольным моментом, поэтому при растворении в ней ионных веществ молекулы воды ориентируются вокруг ионов, то есть сольватируют их. Водные растворы ионных веществ являются электролитами. Исследованию свойств и структуры воды посвящено большое количество исследований. Но до настоящего времени не существует единого мнения о структурной и модели воды, не объяснены закономерности её взаимодействия с другими веществами. Это взаимодействие может быть исследовано при сочетании двух методов: термодинамического объясняющего «конечные» свойства воды и молекулярнокинетического, вскрывающего механизм внутренних взаимодействий в самой молекуле воды и внешних взаимодействий с другими веществами, в частности с адсорбентами.

Большой заслугой в развитии проблемы взаимодействия воды явилась классификация форм и видов связи влаги в материалах, предложенная академиком Ребиндером. В основу этой классификации положена энергия связи, то есть термодинамический принцип, поэтому она носит универсальный характер, имеет большое практическое и научное значение анализа изотерм сорбций для расчёта затраты энергии и обосновывает оптимальные режимы технологических процессов. Различают следующие формы и виды связи влаги с материалом: связанная влага, свободная влага, равновесная влага, гигроскопическая влага, критическая влага.

Связанная влага - это ассоциированная вода, прочно связанная с различными компонентами- белками, липидами и углеводами за счёт химических и физических связей.

Свободная влага - это влага, не связанная полимером и доступная для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций.

Равновесная влага - это влага, содержащаяся в материале в таком количестве, которое соответствует данному сочетанию относительной влажности и температуры. Например, если зерно поместить в замкнутое пространство, в котором создана определённая относительная влажность воздуха, то сухое зерно будет поглощать водяные пары и увлажняться. В конце концов, наступит состояние, когда зерно перестанет сорбировать влагу и его влажность будет равновесна влажности окружающего воздуха.

Гигроскопическая влага - это влага, поглощенная зерном из воздуха.

Критическая влага - это состояние материи, при котором появляется свободная вода, обеспечивающая интенсификацию ферментативных процессов.

Критическая влажность - это такая влажность, ниже которой биохимические процессы в материале резко ослабляются, а выше которой начинают бурно нарастать.

Для характеристики свойств воды в продуктах и материалах широко используется понятие «активность воды». Под активностью воды а понимают отношение парциального давления водяного пара на поверхности продукта Р к парциальному давлению насыщенного пара свободной воды в окружающей среде Р , зависящему от температуры; это отношение называется по существу относительной влажностью пограничного слоя :

а = а = =

Существует формула, характеризующая химический потенциал воды:

= + RT ℓna

где -стандартное значение химического потенциала воды;

- химический потенциал воды;

R - газовая постоянная;

T - абсолютная температура К;

A - термодинамическая активность воды;

Эта формула характеризует термодинамическое состояние воды. В гигроскопической области уменьшение свободной энергии связи равно химическому потенциалу и описывается уравнением Ребиндера:

- F = = RT ℓn =-RT ℓn

где F – уменьшение свободной энергии (при постоянной температуре).