1- ساختار آب
1.1.
آب یک مولکول معدنی نسبتاً کوچک است، اما زندگی آلی به شدت به این مولکول کوچک وابسته است. این تنها مادهای در زمین است که بهطور فراوان در هر سه حالت فیزیکی (گاز، مایع و جامد) وجود دارد.
آب برای زندگی ضروری است، بهعنوان:
- تنظیمکنندهی دمای بدن
- حلال
- حامل مواد مغذی و مواد زائد
- واکنشدهنده و محیط واکنش
- روانکننده و نرمکننده (پلاستیسایزر)
- تثبیتکنندهی ساختار بیوپلیمرها
- تسهیلکنندهی رفتار دینامیک ماکرومولکولها (برای مثال فعالیت کاتالیتیکی)
بیشتر مواد غذایی تازه حاوی مقدار زیادی آب هستند. آب یکی از اجزای اصلی در ترکیب بسیاری از مواد غذایی است. هر مادهی غذایی مقدار مشخصی از این جزء را دارد. اثر آب بر ساختار، ظاهر و طعم غذاها و همچنین حساسیت آنها به فساد، به مقدار، محل و جهتگیری آن بستگی دارد. بنابراین، دانستن خواص فیزیکی آب ضروری است.
آب نقطهی ذوب، نقطهی جوش، کشش سطحی، گذردهی (پرمیتیویته)، ظرفیت گرمایی و مقادیر گرمای نهان گذار فاز بسیار بالایی دارد. سایر ویژگیهای غیرعادی آب شامل انبساط هنگام جامد شدن، رسانایی گرمایی زیاد در مقایسه با سایر مایعات و رسانایی گرمایی نسبتاً زیاد یخ در مقایسه با سایر جامدات غیر فلزی است.
1.2. مولکول آب
برخی از خواص غیرعادی آب به دلیل نیروهای جاذبهی بینمولکولی قوی میان مولکولهای آب است. این خواص غیرعادی از ماهیت مولکولهای آب قابل توضیحاند. در تشکیل مولکول آب، دو اتم هیدروژن پیوندهای کووالانسی با اکسیژن تشکیل میدهند. اکسیژن بسیار الکترونگاتیوِ مولکول آب، الکترون تکِ هر یک از دو اتم هیدروژن متصل به خود را به سمت خود میکشد، در نتیجه هر اتم هیدروژن بار مثبت جزئی و اکسیژن بار منفی جزئی پیدا میکند.
در نتیجه، پیوند کووالانسی حاصل میان اکسیژن و هیدروژن دارای ویژگی یونی جزئی میشود. زاویهی پیوند در مولکول آب در حالت بخار ۱۰۴.۵ درجه است.
شکل 1.1 ساختار مولکول آب
شکل 1.2 پیوند هیدروژنی مولکولهای آب در یک آرایش چهاروجهی
1.3. پیوستگی مولکولهای آب
شکل مولکول آب و ماهیت قطبی جزئی پیوند O-H در مولکول آب باعث ایجاد نیروهای جاذبهی بینمولکولی میشود. چنین جاذبههای بینمولکولی منجر به تشکیل پیوندهای هیدروژنی میان مولکولهای آب میشوند. بنابراین، مولکولهای آب با پایداری قابل توجهی به هم متصل میشوند.
شکل 1.3 یون هیدرونیوم
هر مولکول آب در چهار پیوند هیدروژنی با مولکولهای مجاور خود مشارکت میکند. چندین پیوند هیدروژنی میان مولکولهای آب، یک ساختار شبکهای سهبعدی ایجاد میکند.
شکل 1.4 پیوند هیدروژنی آب با دو نوع گروه عاملی موجود در پروتئینها
وجود ساختار سهبعدی پیوند هیدروژنی آب مسئول بسیاری از ویژگیهای غیرعادی آن است. انرژی اضافی لازم برای شکستن پیوندهای هیدروژنی بینمولکولی، منجر به مقادیر زیاد ظرفیت گرمایی، نقطهی ذوب، نقطهی جوش، کشش سطحی و آنتالپیهای گذار فازی مختلف آب میشود. ثابت دیالکتریک (پرمیتیویته) آب تحت تأثیر پیوند هیدروژنی است. دوقطبیهای چندمولکولی حاصل از پیوند هیدروژنی، گذردهی آب را افزایش میدهند.
آرایش پیوند هیدروژنی مولکولهای آب بسیار دینامیک است و به مولکولهای منفرد اجازه میدهد روابط پیوند هیدروژنی خود را با مولکولهای مجاور تغییر دهند. این پدیده حرکتپذیری و سیالیت آب را تسهیل میکند.
ساختار باز، پیوند هیدروژنی و چهاروجهی مولکولهای آب در یخ، مسئول چگالی پایین آب در حالت یخ است. میزان پیوند هیدروژنی میان مولکولهای آب به دما بستگی دارد.
شکل 1.5 پیوند هیدروژنی در یخ
شکل 1.6 سلول واحد یخ معمولی
با دریافت گرما، ذوب یخ رخ میدهد؛ به این معنا که برخی پیوندهای هیدروژنی شکسته شده و فاصله بین نزدیکترین همسایهها افزایش مییابد. این عامل در دماهای بین ۰ تا ۴ درجه سانتیگراد غالب است که باعث افزایش خالص چگالی میشود. با گرم شدن بیشتر، افزایش فاصله بین نزدیکترین همسایهها (انبساط گرمایی) غالب میشود و بالاتر از ۴ درجه سانتیگراد باعث کاهش خالص چگالی میگردد.
۲ – اتصال آب و واکنشهای شیمیایی ناشی از آب
2.1.
مخلوط شدن مواد حلشونده و آب، خواص هر دو را تغییر میدهد. مواد حلشوندهی آبدوست موجب تغییر در ساختار و تحرک آب میشوند و آب نیز باعث تغییر در واکنشپذیری و ساختار مواد آبدوست میشود. گروههای آبگریز مواد حلشونده فقط بهطور ضعیفی با آب برهمکنش دارند. در برهمکنش مادهی حلشونده با آب، نیروهای پیوندی مختلفی بین آب و مواد حلشونده وجود دارد.
برای درک برهمکنش میان آب و مواد حلشونده در سطح مولکولی، دانستن پدیدههای مربوط به آب و اصطلاحاتی چون اتصال آب، آبپوشی (هیدراتاسیون) و ظرفیت نگهداری آب ضروری است. اصطلاحات «اتصال آب» و «آبپوشی» اغلب برای نشان دادن تمایل آب به پیوند با مواد آبدوست در غذاها به کار میرود. میزان و پایداری اتصال آب یا آبپوشی به عواملی چون ماهیت مادهی حلشونده، ترکیب نمک، pH و دما بستگی دارد.
2.2. ظرفیت نگهداری آب
این اصطلاح به توانایی یک ماتریس مولکولی برای به دام انداختن مقدار زیادی آب بهگونهای اطلاق میشود که از خروج آب جلوگیری شود. ماتریسهای غذایی که آب را به این روش به دام میاندازند شامل ژلهای پکتین و نشاسته و سلولهای بافتی گیاه و حیوان هستند. این آب محبوسشده حتی وقتی غذاها برش داده یا خرد میشوند، جریان نمییابد. اما در عملیات فرآوری غذا مانند خشککردن و انجماد تقریباً مانند آب خالص رفتار میکند و همچنین بهعنوان حلال در دسترس است. بنابراین، جریان حجمی این آب محدود است، اما حرکت مولکولهای منفرد تقریباً مشابه حرکت مولکولهای آب در محلول رقیق باقی میماند.
اختلال در این بهدامافتادگی آب (یعنی ظرفیت نگهداری) اثر قابلتوجهی بر کیفیت غذا دارد. نمونههای معمول آن تراوش مایع از ژل (سینرزیس) و خروج مایع هنگام ذوب شدن غذاهای منجمد است.
2.3. آب متصل (Bound Water)
آب متصل موجودیتی نیست که بهآسانی شناسایی شود. این اصطلاح بهخوبی درک نشده و تعاریف متعددی برای آن پیشنهاد شده است. آب متصل آبی است که:
- در حالت تعادل با نمونه در دما و رطوبت نسبی مناسب قرار دارد و سهم قابلتوجهی در گذردهی (پرمیتیویته) ندارد و حرکتش محدود است.
- در دماهای پایین (مثلاً ۴۰- درجه سانتیگراد) منجمد نمیشود.
- بهعنوان حلال برای حل کردن مواد اضافی در دسترس نیست.
- همراه با ماکرومولکول در طی رسوب یا جریان حرکت میکند.
آب متصل در نزدیکی مولکولهای مواد حلشونده وجود دارد. خواص این آب بهطور قابلتوجهی با آب «حجیم» (Bulk Water) در همان سیستم متفاوت است. در مواد غذایی با محتوای آب زیاد، آب متصل بخش بسیار کمی از کل آب موجود را تشکیل میدهد. بهطور کلی، لایهی اول مولکولهای آب مجاور گروههای آبدوست، آب متصل را تشکیل میدهد.
2.4. برهمکنش میان آب و یونها
یونها و گروههای یونی مولکولهای آلی، حرکت مولکولهای آب را بیشتر از سایر انواع مواد حلشونده محدود میکنند. قدرت برهمکنش آب–یون بیشتر از پیوند هیدروژنی بین مولکولهای آب است، اما بسیار کمتر از پیوند کووالانسی است. آب و یونهای معدنی (مانند NaCl) تحت برهمکنش دوقطبی–یون قرار میگیرند.
یونها برای آب رقابت کرده و ساختار آب را تغییر میدهند، گذردهی محیط آبی و ضخامت لایهی الکتریکی اطراف ذرات کلوئیدی را تحت تأثیر قرار میدهند و «میزان پذیرش» مواد غیرآبی و مواد معلق در محیط را تغییر میدهند. بنابراین، شکل پروتئینها و پایداری کلوئیدها بهشدت تحت تأثیر ماهیت و غلظت یونهای موجود در سیستم قرار میگیرد. «نمکاندازی» و «نمکزدایی» پروتئین نمونههای مهم چنین اثراتی هستند.
2.5. برهمکنش میان آب و مواد حلشوندهی آبدوست تشکیلدهندهی پیوند هیدروژنی
برهمکنش میان آب و مواد حلشوندهی آبدوست غیر یونی، ضعیفتر از برهمکنش آب با یونهاست و تقریباً همقدرت با پیوندهای هیدروژنی میان خود مولکولهای آب است. مواد حلشوندهای که قادر به ایجاد پیوند هیدروژنی هستند، ساختار طبیعی آب خالص را تقویت کرده یا حداقل آن را برهم نمیزنند. با این حال، در برخی موارد مواد حلشونده میتوانند ساختار طبیعی آب را مختل کنند. اوره نمونهی خوبی است که بهشدت ساختار طبیعی آب را مختل میکند.
2.6. برهمکنش میان آب و مواد غیرقطبی
مخلوط شدن آب و مواد آبگریز (مانند گروههای غیرقطبی اسیدهای چرب، اسیدهای آمینه، پروتئینها و غیره) از نظر ترمودینامیکی نامطلوب است (ΔG > 0). آب در مجاورت مواد غیرقطبی ناسازگار، ساختار ویژهای تشکیل میدهد. این فرآیند «آبپوشی آبگریز» (Hydrophobic Hydration) نامیده میشود. از آنجا که آبپوشی آبگریز از نظر ترمودینامیکی نامطلوب است، آب تمایل دارد تماس خود با این گروهها را به حداقل برساند. در نتیجه محیط آبی ناسازگار، دو گروه غیرقطبی را به نزدیکی یکدیگر ترغیب میکند تا سطح تماس آب–غیرقطبی کاهش یابد. این فرآیند «برهمکنش آبگریز» نامیده میشود.
ساختارهای قفسمانند موسوم به «هیدرات کلترات» نیز حاصل چنین رفتاری هستند. این ساختارها بر شکل، واکنشپذیری و پایداری مولکولهایی مانند پروتئینها تأثیر میگذارند. برهمکنش آبگریز اهمیت اصلی در حفظ ساختار سوم پروتئینها دارد و نیروی محرکهی اصلی تاخوردگی پروتئین بهشمار میرود.
گروههای غیرقطبی ترکیباتی مانند الکلها، اسیدهای چرب و اسیدهای آمینه آزاد نیز میتوانند در این برهمکنشها شرکت کنند. کاهش دما باعث ضعیف شدن برهمکنشهای آبگریز و قویتر شدن پیوندهای هیدروژنی میشود.
2.7. فعالیت آب (Water Activity)
رابطهی مشخصی بین مقدار آب موجود در غذا و فسادپذیری آن وجود دارد. تغلیظ و خشککردن غذاها عمدتاً برای کاهش محتوای آب انجام میشود تا غلظت مواد حلشونده افزایش یابد و در نتیجه ماندگاری غذا بیشتر شود. با این حال، غذاهای مختلف با مقدار آب یکسان ممکن است بهطور قابلتوجهی در فسادپذیری متفاوت باشند، که نشان میدهد محتوای آب بهتنهایی شاخص قابل اعتمادی برای فسادپذیری نیست.
اصطلاح «فعالیت آب» (aw) برای بیان شدت پیوند آب با ترکیبات غیرآبی معرفی شد. پایداری و ایمنی غذاها و سایر ویژگیها از طریق aw بسیار دقیقتر از محتوای آب پیشبینی میشود.
2.7.1. تعریف
فعالیت آب بهصورت نسبت تمایل یک حلال به خروج از محلول (ƒ0) به تمایل آن به خروج از حالت خالص (ƒ) تعریف میشود. در فشار محیط، ƒ/ƒ0 تقریباً برابر فشار بخار نسبی محلول است. بنابراین، aw همچنین نسبت فشار بخار نسبی حلال پس از حل کردن مادهی غیر فرّار به فشار بخار حلال خالص است. این مفهوم با رطوبت نسبی تعادلی محیط محصول مرتبط است.
2.8. وابستگی به دما
فشار بخار نسبی وابسته به دما است و میزان این وابستگی تابعی از محتوای رطوبتی است. این موضوع در غذاهای بستهبندیشده مهم است زیرا تغییر دما باعث تغییر فشار بخار نسبی و در نتیجه پایداری آنها میشود.
2.9. ایزوترمهای جذب رطوبت
نمودار محتوای آب غذا (گرم آب / گرم ماده خشک) در برابر aw در دمای ثابت، «ایزوترم جذب رطوبت» نامیده میشود. این ایزوترمها برای طراحی فرآیندهای تغلیظ و خشککردن، فرمولبندی ترکیبات غذایی، طراحی بستهبندی، محدودسازی رشد میکروارگانیسمها و پیشبینی پایداری شیمیایی و فیزیکی غذا کاربرد دارند.
2.9.1. آب در ناحیه I
بیشترین اتصال و کمترین تحرک را دارد، منجمد نمیشود و حلالیتی ندارد.
2.9.2. آب در ناحیه II
در سایتهای لایهی اول قرار میگیرد، با مولکولهای دیگر پیوند هیدروژنی ایجاد میکند، تحرک کمی کمتر از آب حجیم دارد، عمدتاً منجمد نمیشود و اثر پلاستیککنندگی بر ماتریس جامد دارد.
2.9.3. آب در ناحیه III
باعث گذار شیشه–لاستیک در نمونهها، کاهش شدید ویسکوزیته و افزایش زیاد تحرک مولکولی میشود. این بخش بیش از ۹۵٪ آب در مواد غذایی پرآب را شامل میشود و پایداری را تعیین میکند.
2.9.4. پدیدهی هیسترزیس
ایزوترم جذب (افزودن آب) و ایزوترم واجذب (خروج آب) لزوماً همپوشان نیستند که این پدیده «هیسترزیس» نام دارد.
2.10. رابطهی پایداری غذا با فعالیت آب
پایداری غذا و aw در بسیاری از شرایط به هم وابستهاند. کاهش فعالیت آب، رشد میکروارگانیسمها و واکنشهای آنزیمی را کند میکند و از قهوهای شدن غیرآنزیمی جلوگیری میکند.
رشد قارچ و مخمر در aw بین 0.7–0.8 آغاز میشود، رشد باکتریها در aw حدود 0.8 رخ میدهد. فعالیت آنزیمی در aw کمتر از 0.25 تقریباً وجود ندارد. واکنش میلارد در aw حدود 0.6–0.7 بیشینه است و سپس با رقیق شدن مواد واکنشدهنده کاهش مییابد.
اکسیداسیون چربیها در مقادیر مختلف aw رفتار پیچیدهای دارد:
- در بازهی پایین aw (آب لایهی یکتا) زیاد است.
- در 0.3–0.4 کمینه دارد.
- در 0.8 دوباره به بیشینه میرسد و سپس کاهش مییابد.
بنابراین، بالاترین پایداری ذخیرهسازی غذاها زمانی است که aw بین 0.2–0.4 باشد و بین 0.6–0.8 باید از فساد میکروبی محافظت شوند.
۳ – تعیین رطوبت در غذا
3.1.
تعیین رطوبت یکی از مهمترین و پرکاربردترین اندازهگیریها در فرآوری و آزمایش غذاهاست. از آنجا که مقدار مادهی خشک در غذا رابطهی معکوس با مقدار رطوبت دارد، بنابراین از نظر اقتصادی هم برای تولیدکننده و هم برای مصرفکننده اهمیت مستقیم دارد. پایداری و کیفیت غذاها نیز تحت تأثیر مقدار رطوبت است، بنابراین نقشی در ایمنی غذاها هم ایفا میکند. غلاتی که آب زیادی دارند به سرعت دچار فساد میشوند به دلیل رشد کپک، گرم شدن، آسیب حشرات و جوانهزنی. سرعت قهوهای شدن سبزیجات و میوههای خشکشده یا جذب اکسیژن توسط پودر تخممرغ با افزایش رطوبت بیشتر میشود. مقدار زیاد رطوبت در روغن حیوانی (ghee) منجر به بروز تندی هیدرولیتیکی میشود.
تعیین رطوبت در بسیاری از مشکلات صنعتی مهم است، مانند ارزیابی تراز مواد یا میزان افت در فرآوری. مقدار رطوبت (و گاهی توزیع آن) باید برای انجام بهینهی فرآیندهای غذایی معلوم باشد؛ برای مثال در آسیاب غلات، مخلوط کردن خمیر تا رسیدن به قوام مطلوب و تولید نان با بهترین دانهبندی، بافت و حفظ تازگی. دانستن رطوبت برای تعیین ارزش غذایی غذا، بیان نتایج آنالیزها بر پایهی یکسان، و رعایت استانداردها یا قوانین ترکیب نیز ضروری است.
3.2. برخی ملاحظات پایهای
آب در غذاها دستکم در سه شکل وجود دارد:
- مقداری از آن به صورت آب آزاد در فضاهای بیندانهای و درون منافذ ماده وجود دارد.
- چنین آبی خواص فیزیکی معمول خود را حفظ کرده و بهعنوان عامل پراکنش مواد کلوئیدی و بهعنوان حلال برای ترکیبات کریستالی عمل میکند.
- بخشی از آب روی سطح کلوئیدهای ماکرومولکولی (نشاستهها، پکتینها، سلولز و پروتئینها) جذب میشود. این آب بهطور نزدیک با ماکرومولکولهای جذبکننده از طریق نیروهای جذب (واندروالس یا پیوند هیدروژنی) مرتبط است.
- سرانجام، مقداری از آب به شکل آب متصل در ترکیب با مواد مختلف (یعنی آب آبپوشی) وجود دارد.
تعیین سریع و دقیق آب در غذاها مشکلات زیادی دارد. بسیاری از پژوهشگران بر پیچیدگی روشهای تحلیلی در تعیین آب در غذا تأکید کردهاند. در عمل، اصل راهنما این بوده است که روشی انتخاب شود که بالاترین مقدار رطوبت را با کمترین تجزیه و تبخیر ترکیبات نشان دهد.
3.3. روشهای تعیین رطوبت در غذاها
روشهای تعیین رطوبت در غذا را میتوان به چهار دسته تقسیم کرد:
- روشهای خشککردن
- روش تقطیر
- روشهای شیمیایی
- روشهای فیزیکی
3.3.1. روشهای خشککردن
روشهای استاندارد تعیین رطوبت معمولاً شامل خشککردن حرارتی هستند. ماده در دمای دقیقاً مشخصشده گرم میشود و کاهش وزن بهعنوان معیار مقدار رطوبت نمونه در نظر گرفته میشود. مقدار بهدستآمده به نوع آون، دما و مدت خشککردن بستگی دارد و بنابراین بیشتر تقریبی است تا دقیق.
🔹 مزایا: ساده، نسبتاً سریع و امکان تجزیهی همزمان تعداد زیادی نمونه.
🔹 معایب:
- گرم کردن مواد آلی مرطوب باعث تبخیر مواد و تولید گاز از تجزیهی گرمایی برگشتناپذیر میشود.
- تغییر وزن ناشی از پدیدههای اکسیداسیون (مثلاً اکسیداسیون روغنها).
- نگهداری نادرست دسیکاتور یا مواد جاذب رطوبت باعث جذب رطوبت هنگام سرد شدن و نتایج نادرست میشود.
- تشکیل پوستهای که مانع تبخیر رطوبت از مرکز نمونه میشود.
🔹 عوامل مؤثر بر دقت:
- دمای خشککردن
- رطوبت نسبی محفظه
- جریان هوا
- خلأ در محفظه
- عمق و اندازهی ذرات نمونه
- ساختمان آون
- تعداد و جایگاه نمونهها در آون
- نوع ظرف (آلومینیوم، شیشه، چینی)
تبخیر در ظروف آلومینیومی بیشتر از شیشه یا چینی است؛ در آون خلأ بیشتر از آون ساده؛ و در ظروف کمعمق بیشتر از ظروف عمیق.
3.3.2. روشهای تقطیر
دو نوع روش تقطیر وجود دارد:
الف) تقطیر آب از مایع نامخلوط با نقطهی جوش بالا (مثل روغن معدنی).
ب) تقطیر مخلوط آب و حلال نامخلوط (زایلن، تولوئن، تتراکلرواتان).
🔹 مزایا: تجزیهی کمتر غذاها نسبت به خشککردن در دماهای بالا.
🔹 معایب: دقت پایین دستگاه اندازهگیری، مشکل خواندن منیسک، چسبیدن قطرات به شیشه، جوشش بیش از حد، حلالیت جزئی آب در مایع تقطیر، تبخیر ناقص آب، تقطیر ترکیبات محلول در آب، و برآمدن نمونههای پودری.
3.3.3. روشهای شیمیایی – تیتر معرف کارل فیشر
نیاز زمان جنگ به غذاهای خشک، جستجو برای روشهای سریعتر و دقیقتر تعیین رطوبت را تقویت کرد. معرف کارل فیشر برای این منظور بسیار مناسب بود.
🔹 مزایا: مناسب برای غذاهای با رطوبت کم (میوه و سبزی خشک، شکلات، قهوه برشته، روغنها و چربیها)، غذاهای پرقند (عسل) یا غذاهای دارای قندهای کاهنده و پروتئین. همچنین برای خمیرهای نانوایی، محصولات پخته و مخلوطهای کیک پرچرب.
این روش بر واکنش کاهش ید توسط دیاکسید گوگرد در حضور آب استوار است:
2 H2O + SO2 + I2 → H2SO4 + 2 HI
هر مول آب معادل یک مول ید مصرف میکند.
🔹 معایب: مشکل اصلی، استخراج ناقص آب است. متانول همیشه استخراج کامل نمیدهد. در محصولات لبنی، روشهایی با حلالهای دیگر (زایلن یا تتراکلریدکربن) پیشنهاد شده است.
3.3.4. روشهای فیزیکی
- اندازهگیری مادون قرمز – بر پایهی جذب طول موجهای مشخص (۳٫۰ و ۶٫۱ میکرون).
- کروماتوگرافی گازی – استخراج رطوبت با حلال آلی و اندازهگیری آن.
- رزونانس مغناطیسی هستهای
- روش الکتریکی
- روش دانسیمتری
- روش رفراکتومتری
- روش پولاریمتری
