4.2. Будова і структура води та льоду

Особливості структури води визначають унікальність її властивостей. Воду можна розглядати як оксид водню або як гідрид кисню. Атоми водню й кисню в молекулі води розташовані в кутах рівнобедреного трикутника з довжиною зв'язку О-Н 0,957 нм; валентний кут Н-О-Н – 104° 27'. Але оскільки обидва водневих атома розташовані по одну сторону від кисневого, електричні заряди в молекулі води розосереджуються. Молекула води полярна, що є причиною особливої взаємодії між різними молекулами. Атоми водню в молекулі води, маючи частковий позитивний заряд, взаємодіють із електронами атомів кисню сусідніх молекул. Такий хімічний зв'язок називається водневим. Він поєднує молекули води у своєрідні полімери просторової будови. У рідкій і твердій фазах кожна молекула води утворить чотири водневі зв'язки: два – як донори протонів і два – як акцептори протонів. Чотири водневі зв'язки молекули води спрямовані приблизно до вершин правильного тетраедра.

Тривимірна сітка водневих зв'язків, побудована з тетраедрів, існує як у льоду, так й у рідкій воді у всьому інтервалі від температури плавлення до критичної температури, рівної +3,98 °С. Збільшення щільності при плавленні пояснюється скривленням водневих зв'язків.

Показано також, що структури конденсованих фаз (рідина-лід) і газової фази води залежать від валентного стану вхідного в них атома кисню. В «сухому» парі кисень перебуває у двовалентному стані й утворить із воднем валентно-насичені триатомні вільні, незв'язані між собою молекули води Н-О-Н. У складі льоду кисень чотирьохвалентний.

Завдяки тому, що молекули води перебувають у полярному (електрично) стані й легко дисоціюють на іони – позитивно заряджений водень (Н⁺) і негативно заряджений гідроксил (ОН^-), вода є тим середовищем, у якому здатні протікати багато хімічних реакцій. Саме ці іони визначають просторову структуру білків, жирів й інших органічних речовин. Полярність молекул води визначає її здатність розчиняти різні мінеральні солі, прості спирти й ін.

На характер кристалізації при заморожуванні звичайної води й води, що входить до складу м'ясної сировини й м'ясопродуктів, впливають не тільки рівень температур і швидкість тепловідводу, але й ряд інших факторів. Встановлено, що вода має структурну пам'ять, зберігає наслідки магнітного впливу, бере участь у механізмі інформаційного резонансу, реагує на шумові ефекти. Зокрема, при адекватних температурних умовах заморожування м'ясних натуральних напівфабрикатів, форма й ступінь компактності кристалів льоду, що утворяться, змінювалася залежно від типу музики, що звучить у швидкоморозильній камері: класична музика забезпечувала формування дрібних кристалів, міцно-організовані структури; музичний супровід поп-груп приводило до утворення кристалів хаотичної форми з неупорядкованим положенням. Природно, що якість готових напівфабрикатів після їхнього зберігання й готування істотно розрізнялося, у першу чергу, по соковитості, консистенції, величині втрат при термообробці.

Великий інтерес викликає прояв водою різноманітних і несподіваних властивостей у результаті її електрохімічного активування (ЕХА-вода), намагнічування й інших впливів. Отримані після ЕХА-обробки активовані середовища можуть знайти широке застосування в технологічній практиці. Зокрема, католіти (рН 7,5…10,5) мають підвищену біологічну активність, стимулюють ріст і життєдіяльність організмів і рослин, мають високу екстагуючу й адсорбційно-хімічну здатність, для них характерна знижена величина поверхневого натягу. Аноліти (рН 2,5…6,5) – активні антисептики й консерванти, інгібують розвиток як рослин, так і багатьох мікроорганізмів. Найбільші аномальні відхилення параметрів аноліту й католіту при електрохімічній обробці води спостерігаються в діапазоні її мінералізації від 0,2 до 3,0 г/л. За наявною інформацією застосування ЕХА-води при готуванні розсолів дозволяє підвищити вихід готової продукції й стійкість при наступному зберіганні. Електроактивування молочної сироватки й води, що використовуються як середовища для вирощування мікроорганізмів, істотно прискорює розвиток біфідобактерій В. bifidum-1 і В. аdolescentis МS-42.

Молекула води, кристалізуючись, може зв'язувати чотири інших молекули води в конфігурації тетраедра. Лід, що потім утворюється, має гексагональну кристалічну решітку. Структура льоду була встановлена методами дифракції рентгенівських променів, нейтронів і електронів, ІЧ- і Раманівської спектроскопії.

За даними рентгеноструктурного аналізу до теперішнього часу виявлено 11 структурних модифікацій льоду, причому всі вони є низькотемпературними фазами й фазами високого тиску. Стабільна структура звичайного льоду в нормальних умовах являє собою об'ємну сітку, утворену гексагональними кільцями з 6 молекул води. У свою чергу гексагональні фрагменти структури льоду поєднуються завдяки валентним зв'язкам у гофровані площини, також зв'язані між собою ковалентно-водневими зв'язками по осі О-Н⁺-О.

Звичайний лід належить до біпірамідального класу гексагональних систем. Крім того, лід може існувати в дев'яти інших кристалічних поліморфних конфігураціях, а також в аморфному стані невизначеної структури. Проте тільки звичайна гексагональна структура льоду стабільна за нормальних умов (760 мм рт. ст., 0°С).

Лід складається не тільки з НОН-молекул, орієнтованих так, що один атом водню розташований на лінії між кожною парою кисневих атомів. Чистий лід містить також і іони H⁺ (H₃O⁺) і ОН^-. Крім того, кристали льоду не є досконалими, і дефекти, що мають місце, пов'язані із зміною положення протонів, що супроводжується новою (нейтральною) орієнтацією або змінами іонного характеру (з утворенням H₃O⁺ або ОН^-). Наявністю цих дефектів можна пояснити велику мобільність протона в льоду, чим у воді, і невелике збільшення електричної провідності при замерзанні води.

Крім того, кожна молекула води може коливатися (припускаючи, що вона коливається як єдине ціле) з амплітудою біля 0,4А при -10°С. Слід також мати на увазі, що молекули води, які, існують в деяких створюючих щілини просторах льоду, можуть поволі дифундувати через грати.

Цілком імовірно, що величина a_w (активність води) в льоду має певне відношення до швидкості псування харчових продуктів і біологічних речовин в умовах зберігання при низьких температурах.

Парадоксально, але чим нижче температура льоду, тим менше енергії потрібно для його розплавлювання. Даний факт є принципово важливим для працівників ковбасного виробництва: використовуючи в процесі кутерування лускатий лід, не слід застосовувати для зниження температури сировини й підтримки параметрів (-4…+8 °С) готування м'ясних емульсій «загартований» (додатково витриманий у морозильній камері) лід, або лускатий лід з температурою -7 °С та нижче. Ефективність зниження температури у випадку використання водольодяної суміші при кутеруванні буде значно вище. Ідеальна температура льоду -0,5 °С; при цих умовах він максимально знижує температуру фаршу, не змерзається, сипкий, добре розподіляється в м'ясній системі. При використанні твердого льоду з більш низькою температурою технологічний результат гірше, швидше тупляться ножі кутера, зростають енерговитрати.

На структуру кристалів льоду чинять вплив розчинені речовини. Проте, для більшості харчових продуктів і біологічних матеріалів найбільш характерна гексагональна структура. Вона була виявлена при заморожуванні модельних водних розчинів сахарози, гліцерину, альбуміну і інших з'єднань.

Заморожування є найбільш поширеним способом консервації (збереження) багатьох харчових продуктів. Необхідний ефект при цьому досягається більше від дії низької температури, ніж від утворення льоду. Утворення льоду в клітинних структурах харчових продуктів і гелях має два важливі наслідки: а) неводні компоненти концентруються в незамерзаючій фазі (незамерзаюча фаза існує в харчових продуктах при всіх температурах зберігання) і б) вся вода, що перетворюється на лід, збільшується на 9% в об'ємі.

Під час заморожування вода переходить в кристали льоду різного, але достатньо високого ступеня чистоти. Всі неводні компоненти тому концентруються в зменшеній кількості незамерзлої води. Завдяки цьому ефекту, незамерзла фаза істотно змінює такі властивості, як рН, титровану кислотність, іонну силу, в'язкість, точку замерзання, поверхневий натяг, окислювально-відновлюючий потенціал. Структура води і взаємодія «вода—розчинена речовина» також можуть сильно змінюватися.

Ці зміни можуть збільшити швидкості реакцій. Таким чином, заморожування має два протилежні впливи на швидкість реакцій: низька температура як така її зменшуватиме, а концентрація компонентів в незамерзлій воді — іноді збільшуватиме. Так, наприклад, при заморожуванні спостерігається збільшення швидкості реакцій неферментативного потемніння при кислотному гідролізі сахарози або в процесі окислення аскорбінової кислоти, вершкового масла, ліпідів в яловичині, токоферолу в смажених картопляних продуктах, β-каротина і вітаміну А в жирах.

Вплив концентрації при заморожуванні на швидкість реакцій представлено в таблиці 41.

Таблиця 41

Вплив температури і концентрації розчиненої речовини при заморожуванні на швидкість реакцій