9.4.5. Жесткость воды

Наличие ионов кальция и магния делает воду жесткой. Оба эти иона образуют прочные комплексы с комплексообразующими агентами (ЭДТА), какими являются ионы жирных кислот при диссоциации мыла в водной среде. Мыло, например стеарат натрия С₁₇Н₃₅СО₂Nа, реагирует с ионами кальция или магния, образуя нерастворимую пену из их стеаратов:

Са²⁺_(водн.) + 2С₁₇Н₃₅С_(водн.) → (С₁₇Н₃₅СО₂)₂Са _(тв).

После осаждения всех ионов кальция и магния мыло становится мылким. Стиральные порошки не образуют нерастворимых хлопьев в жесткой воде. Они имеют в своем составе натриевые соли сульфоновых кислот, у которых кальциевые и магниевые соли растворимы.

Временная жесткость. Если известняк реагирует с дождевой водой, содержащей растворенный диоксид углерода, образуется растворимая кислая соль (гидрокарбонат кальция):

СаСО_{3 (тв)} + Н₂О _(ж) + СО_{2 (г.)} → Са(НСО₃)_{2 (водн.)}

Реакция обратима. При кипячении воды, содержащей гидрокарбонат кальция, в осадок выпадает карбонат кальция, и вода становится мягкой. Поэтому жесткость воды, вызванную наличием гидрокарбонатов, называют временной.

Постоянная жесткость. Природные воды, протекая по породам земли, содержащим сульфаты кальция или магния, растворяют эти соли. Получается вода, жесткость которой называется постоянной, так как от нее нельзя освободиться кипячением. Для удаления как постоянной, так и временной жесткости применяют различные способы.

Некоторые способы умягчения воды:

– при обработке воды содой (N₂СО₃·10Н₂О), ионы кальция и магния выпадают в осадок в виде нерастворимых карбонатов;

– умягчение воды может происходить при медленном пропускании жесткой воды через колонку, содержащую алюмосиликат натрия (пермутит) или другие ионообменные материалы. При этом происходит обмен ионами. После того, как все ионы натрия ионообменного материала заместятся на ионы кальция и магния, он может быть регенерирован. Для этого через колонку пропускают концентрированный раствор хлорида натрия. После промывки колонки, она готова к работе;

Умягчение воды может происходить с помощью комплексообразующих веществ, в частности натриевых солей полифосфорных кислот. Они образуют нерастворимые комплексы с ионами кальция и магния, освобождая при этом ионы натрия.

9.4.6. Активность воды

Известно, что чем больше влаги содержится в продуктах, тем хуже они хранятся, тем интенсивнее протекают в них нежелательные химические изменения и тем легче они подвергаются микробиальной порче. Поэтому одним из методов продления сохранности качества продуктов является снижение содержания в них влаги.

В то же время известно, что не все молекулы воды, содержащиеся в продукте, имеют одинаковую реакционную способность. Это связано с тем, что прочность связи молекул воды с компонентами продукта существенно различается. Часто различные пищевые продукты с одинаковой массовой долей влаги портятся по-разному, поэтому естественным является стремление найти единый параметр, характеризующий реакционную способность всей влаги, содержащейся в продукте.

Таким параметром является параметр, называемый активностью воды. Этот параметр не отвечает всем требованиям, характеризующим реакционную способность воды, но он в большей или меньшей мере характеризует влияние влаги на порчу продукта.

Активностью воды принято называть отношение упругости паров воды над продуктом (Р_п) к упругости паров чистой воды (Р₀):

а_в = Р_п / Р₀ = ω_рп / 100, (9.1)

где ω_рп – массовая доля равновесной влаги в состоянии, при котором продукт не поглощает и не отдает влагу в атмосферу, %.

По уравнению Ребиндера уменьшение свободной энергии материала ΔF, Дж/моль равно

ΔF = α = RTln(P₀ / P_п) = –RTln a_в, (9.2)

где α – работа отрыва 1 моля воды от сухого скелета материала (без изменения состава), Дж/моль; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж · К^–1·моль^–1; Т – температура, К.

Активность воды характеризует состояние воды в пищевых продуктах, ее способность к участию в химических реакциях и биологическим изменениям. Можно классифицировать пищевые продукты по величине активности воды в них:

1. Продукты высокой влажности а_в = 1,0…0,9.

2. Продукты умеренной влажности а_в = 0,9…0,6.

3. Продукты низкой влажности а_в = 0,6…0,0.

Для примера в табл. 9.1 приводим активность воды в некоторых пищевых продуктах.

Таблица 9.1

Продукты	Массовая доля влаги, %	Активность воды, ав
Фрукты	90,95	0,97
Яйца	70,80	0,97
Мясо	60,70	0,97
Сыр	40	0,96
Джем	30,35	0,82…0,94
Хлеб	40,50	0,95
Кекс	20,28	0,83
Мука	16,19	0,80
Мед	10,15	0,75
Карамель	7,8	0,65
Печенье	6,9	0,60
Шоколад	5,7	0,40
Сахар	0,015	0,10

Активность воды тесно связана со стойкостью при хранении большинства пищевых продуктов.

В продуктах с низкой активностью воды может происходить окисление жиров, неферментативное потемнение, потери водорастворимых веществ (в том числе витаминов). Активность микроорганизмов при этом подавлена, диффузия реагентов медленная, что замедляет скорость химических реакций.

В продуктах с умеренной активностью воды могут протекать различные процессы, в том числе ферментативные и с участием микроорганизмов.

В продуктах с высокой активностью воды преобладает микробиологическая порча продукта.

Ферментативные реакции могут протекать при более высоком содержании влаги, чем влага монослоя, т. е. при наличии свободной влаги. Она необходима для переноса субстрата.

Большинство микроорганизмов размножаются при а_п = 0,85…0,95 (для плесеней при а_п = 0,6…0,8, для дрожжей при а_п = 0,8…0,9). При низкой величине а_п тормозятся процессы роста и размножения микроорганизмов.

Таким образом, для предупреждения различных процессов порчи пищевых продуктов при хранении эффективным средством является снижение а_п продуктов. Для этого можно использовать сушку, вяление, добавление различных веществ, снижающих а_п (сахар, соль и др.), а также применение замораживания.

Иногда для повышения влажности продуктов добавляют потенциальные увлажнители (крахмал, молочную кислоту, сахара, глицерин и др.).

Помимо влияния на интенсивность химических реакций и рост микроорганизмов, активность воды влияет на поддержание необходимой текстуры пищевых продуктов. Так, допустимая активность воды для сухих продуктов без потери желаемых свойств является 0,35…0,5 в зависимости от продукта (сухое молоко, крекеры и т. п.). Для продуктов мягкой текстуры, которые не должны обладать хрупкостью требуется большая величина активности воды.

Стабилизацию качества многих пищевых продуктов производят замораживанием. Однако следует отметить, что, превращаясь в кристаллы, свободная влага получается довольно высокой чистоты. Большая часть веществ, находившихся в свободной влаге в растворенном состоянии до замораживания, концентрируется в уменьшенном количестве незамерзшей воды. Благодаря этому незамерзшая фаза существенно меняет многие свойства: температуру замерзания, величину рН, титруемую кислотность, ионную силу, вязкость, поверхностное натяжение, окислительно-восстановительный потенциал.

Эти изменения могут увеличивать скорости реакций. С одной стороны уменьшение температуры замедляет скорость реакций, а с другой – увеличение концентрации растворов может приводить к увеличению скорости реакций. Например, при замораживании наблюдается увеличение скорости неферментативного потемнения продукта.

Фактор возможного увеличения скорости реакций в замороженных продуктах необходимо учитывать при назначении режимов хранения пищевых продуктов. Как правило, при достаточно низкой температуре (–18 °C и ниже) наблюдается существенное снижение скорости реакций.