Химия растворов

35. Теоретические основы органической, физической и коллоидной химии

Органическая химия - раздел химии, изучающий соединения углерода. Термин был введ?н шведским химиком Й.Я. Берцелиусом в 1808 году.

Такое название может ввести в заблуждение, так как оно сохранилось с тех пор, когда химические соединения в зависимости от источника получения делили на “неорганические” и “органические”. Все специфические для живого организма соединения содержат углерод, поэтому со временем органическими стали называть все соединения содержащие углерод. Отсюда следует, что термин “органические соединения” является не совсем точным так как:

1. В настоящее время известно более 20 миллионов органических соединений, полученных главным образом искусственно, и в живых организмах не встречающихся.

2. Не все соединения, содержащие углерод, относят к органическим: угольная кислота, карбонаты, оксиды углерода, карбиды изучаются в курсе неорганической химии.

Тем не менее, термин “органическая химия” прочно укоренился в науке, как область знаний, занимающаяся соединениями углерода.

Итак, органическая химия изучает свойства органических соединений и методы их получения.

Органические соединения - это углеводороды и их производные. Производные углеводородов содержат функциональные группы - атомы или группы атомов, определяющих характерные химические свойства соединения и принадлежность к определённому классу соединений. Функциональные группы могут содержать водород, кислород, азот, галогены, фосфор, серу и другие элементы.

Например, спирты содержат функциональную группу OH (гидроксильную группу), карбоновые кислоты содержат функциональную группу COOH (карбоксильную группу). Гетерофункциональные соединения содержат несколько разных функциональных групп.

Физическая химия - предмет самостоятельной науки и обладает своими методами исследования. В отличии от других химических дисциплин физическая химия изучает общие закономерности физических явлений. Основоположник физической химии Ломоносов. Физическая химия- это наука , объясняющая на основании положении опытов причину того, что происходит в телах через химические операции. Знание законов физической химии помогают использовать природные богатства и усовершенствовать методы производства.

Коллоидная химия - раздел химической науки, изучающий микрогетерогенные дисперсные системы и явления, происходящие на границах раздела фаз, то есть на межфазных поверхностях. В англоязычной литературе используют термины Colloid and Surface (or Interface) Science.

Объектами изучения коллоидной химии являются дисперсные системы - гетерогенные многофазные системы, в которых одна из фаз которых находится в измельченном, дисперсном состоянии. Дисперсные системы могут содержать объекты, имеющие малый масштаб хотя бы в одном измерении - частицы, тонкие пленки, мембраны, волокна, капилляры. Диапазон изменений размеров частиц (толщин пленок, диаметра волокна) составляет от 1 нанометра (несколько молекулярных размеров) до долей миллиметра. Коллоидная химия ставит своей целью раскрытие особенностей строения и свойств систем, связанных с дисперсным состоянием вещества. Коллоидная химия традиционно включает рассмотрение таких разделов как поверхностные явления, смачивание, капиллярность, управление свойствами поверхностей с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ), теоретические основы образования и устойчивости дисперсных систем, электроповерхностные явления, мицеллообразование, молекулярно-кинетические, оптические, структурно-механические свойства дисперсных систем.

36. Окислительно-восстановительные реакции

В процессе окислительно-восстановительной реакции восстановитель отдаёт электроны, то есть окисляется; окислитель присоединяет электроны, то есть восстанавливается. Причём любая окислительно-восстановительная реакция представляет собой единство двух противоположных превращений -- окисления и восстановления, происходящих одновременно и без отрыва одного от другого.

Окисление

Окисление - процесс отдачи электронов, с увеличением степени окисления.

При окислемнии вещества в результате отдачи электронов увеличивается его степень окисления. Атомы окисляемого вещества называются донорами электронов, а атомы окислителя -- акцепторами электронов.

В некоторых случаях при окислении молекула исходного вещества может стать нестабильной и распасться на более стабильные и более мелкие составные части (см. Свободные радикалы). При этом некоторые из атомов получившихся молекул имеют более высокую степень окисления, чем те же атомы в исходной молекуле.

Окислитель, принимая электроны, приобретает восстановительные свойства, превращаясь в сопряжённый восстановитель:

окислитель + e? - сопряжённый восстановитель.

Восстановление

Восстановлемнием называется процесс присоединения электронов атомом вещества, при этом его степень окисления понижается.

При восстановлении атомы или ионы присоединяют электроны. При этом происходит понижение степени окисления элемента. Примеры: восстановление оксидов металлов до свободных металлов при помощи водорода, углерода, других веществ; восстановление органических кислот в альдегиды и спирты; гидрогенизация жиров и др.

Восстановитель, отдавая электроны, приобретает окислительные свойства, превращаясь в сопряжённый окислитель:

восстановитель -- e? - сопряжённый окислитель.

Несвязанный, свободный электрон является сильнейшим восстановителем.

Виды окислительно-восстановительных реакций

Межмолекулярные -- реакции, в которых окисляющиеся и восстанавливающиеся атомы находятся в молекулах разных веществ, например:

Н2S + Cl2 > S + 2HCl

Внутримолекулярные -- реакции, в которых окисляющиеся и восстанавливающиеся атомы находятся в молекулах одного и того же вещества, например:

2H2O > 2H2 + O2

Диспропорционирование (самоокисление-самовосстановление) -- реакции, в которых один и тот же элемент выступает и как окислитель, и как восстановитель, например:

Cl2 + H2O > HClO + HCl

Репропорционирование (конпропорционирование) -- реакции, в которых из двух различных степеней окисления одного и того же элемента получается одна степень окисления, например:

NH4NO3 > N2O + 2H2O

Примеры

Окислительно-восстановительная реакция между водородом и фтором

Разделяется на две полуреакции:

1) Окисление:



2) Восстановление:

Окисление, восстановление

В окислительно-восстановительных реакциях электроны от одних атомов, молекул или ионов переходят к другим. Процесс отдачи электронов -- окисление. При окислении степень окисления повышается:

Процесс присоединения электронов -- восстановление. При восстановлении степень окисления понижается:

Атомы или ионы, которые в данной реакции присоединяют электроны являются окислителями, а которые отдают электроны -- восстановителями.

37. Очистка коллоидных систем: диализ, электродиализ, ультрафильтрация

Некоторые молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем используют для очистки золей от электролитов и молекулярных примесей, которыми полученные золи часто бывают загрязнены. Наиболее

Диализ является очень медленным процессом; для более быстрой и полной очистки золей применяют электродиализ. Электродиализатор состоит из трех частей; в среднюю часть, отделенную от двух других полупроницаемыми мембранами, за которыми помещены электроды, наливается золь (рис. 4.18). При подключении к электродам разности потенциалов катионы содержащихся в золе электролитов диффундируют через мембрану к катоду, анионы - к аноду. Преимущество электродиализа заключается в возможности удаления даже следов электролитов (необходимо помнить, что степень очистки ограничивается устойчивостью коллоидных частиц; удаление из золя ионов-стабилизаторов приведет к коагуляции).

Еще одним методом очистки золей является ультрафильтрация - отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды путем фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны. При ультрафильтрации коллоидные частицы остаются на фильтре (мембране).

38. Эмульсии: определение, примеры, классификация

Эмумльсия (новолат. emulsio, от лат. emulgeo -- дою, выдаиваю) -- дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой. Эмульсии состоят из несмешиваемых жидкостей. Например, молоко -- одна из первых изученных эмульсий, в нём капельки жира распределены в водной среде. Эмульсии низкой концентрации -- неструктурированные жидкости. Высококонцентрированные эмульсии -- структурированные системы.

Основные типы эмульсий:

§ Прямые, с каплями неполярной жидкости в полярной среде (типа «масло в воде»)

§ Обратные, или инвертные (типа «вода в масле»)

Изменение состава эмульсий или внешнее воздействие могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную или наоборот.

§ Лиофильные эмульсии образуются самопроизвольно и термодинамически устойчивы. К ним относятся т. н. критические эмульсии, образующиеся вблизи критической температуры смешения двух жидких фаз, а также некоторые смазочно-охлаждающие жидкости.

§ Лиофобные эмульсии возникают при механическом, акустическом или электрическом эмульгировании (диспергировании), а также вследствие конденсационного образования капель дисперсной фазы в пересыщенных растворах или расплавах. Они термодинамически неустойчивы и длительно существуют лишь в присутствии эмульгаторов -- веществ, облегчающих диспергирование и препятствующих коалесценции (слипанию). Эффективные эмульгаторы -- мицеллообразующие ПАВ, растворимые высокомолекулярные вещества, некоторые высокодисперсные твёрдые тела.

Эмульсии играют большую роль при мыловарении, в технологии пищевых продуктов (сливочное масло, маргарин), при переработке натурального каучука, в живописи. В виде эмульсий получают смазочно-охлаждающие жидкости, битумные материалы, пропиточные композиции, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства.

39. Свойства растворов и коллоидных систем высокомолекулярных соединений. Характеристика процессов

Для получения растворов молекулярных коллоидов достаточно привести сухое вещество в контакт с подходящим растворителем. Неполярные макромолекулы растворяются в углеводородах (например, каучуки - в бензоле), а полярные макромолекулы - в полярных растворителях (например, некоторые белки - в воде и водных растворах солей).

Растворы высокомолекулярных соединений часто рассматриваются в коллоидной химии в разделе “Лиофильные золи”. Однако эти растворы, обладая рядом свойств, сближающих их с типичными коллоидными растворами, имеют много признаков истинных растворов.

Основной признак коллоидной системы - ее гетерогенность и наличие высокоразвитой поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. В противоположность коллоидным, растворы высокомолекулярных соединений образуются самопроизвольно, они гомогенны и равновесны. Их свойства не изменяются со временем, если в них не протекают химические реакции, они термодинамически устойчивые. Как и все равновесные системы, растворы полимеров обладают свойствами обратимости. Если изменить условия, в которых находится раствор, а потом создать первоначальные условия, то и свойства растворов станут прежними. Так, например, если 1%-й водный раствор желатина выпарить на водяной бане, а затем разбавить водой до прежней концентрации, то все его свойства восстановятся.

Несмотря на большие размеры макромолекул, у растворов высокомолекулярных соединений (особенно линейных) отсутствует такой признак, как гетерогенность, т.е. поверхность раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Это связано с тем, что молекулы ВМС в основном цепные, нитевидные. В них большое несоответствие диаметра и поперечного сечения

В связи с тем, что растворы высокомолекулярных веществ являются гомогенными и равновесными, их считают истинными растворами и термин “лиофильные золи” к ним применить можно только условно. Тем не менее, по ряду свойств, из-за больших размеров макромолекул, растворы ВМС приближаются к коллоидным растворам, поэтому изучаются в курсе коллоидной химии. Подобно коллоидным частицам, молекулы полимеров обладают малой скоростью диффузии, рассеивают свет и не способны проникать через полупроницаемые мембраны.

Растворение макромолекулярных коллоидов проходит через стадию набухания, являющуюся характерной качественной особенностью веществ этого типа. При набухании молекулы растворителя проникают в твердый полимер и раздвигают макромолекулы. Последние, из-за своего большого размера, медленно диффундируют в раствор, что внешне проявляется в увеличении объема полимера. Набухание может быть неограниченным, когда конечным его результатом является переход полимера в раствор, и ограниченным, если набухание не доходит до растворения полимера. Ограниченно набухают полимеры, имеющие химические связи-мостики между молекулами, которые лишают полимер свойства текучести, не позволяют его молекулам оторваться друг от друга и перейти в раствор. Примером ограниченно набухающего полимера с мостичными связями между молекулами является вулканизированный каучук, в котором мостиками служат атомы серы или полярные группировки.

Неограниченное набухание - это набухание, заканчивающееся растворением, когда высокополимер сначала поглощает жидкость, а затем при той же температуре переходит в раствор, образуя однофазную гомогенную систему. Так набухают каучуки в углеводородах, биополимеры в воде. При набухании объем и масса полимера увеличивается в результате поглощения низкомолекулярной жидкости.

Процесс набухания сопровождается значительным увеличением давления массы высокополимера на стенки сосуда -- до 505,15... 1101,32 кПа. Поскольку давление создается в результате односторонней диффузии растворителя в полимер, то оно аналогично осмотическому давлению. Процессы набухания имеют место при прорастании зерен растений. Сначала зерна набухают, и возникающее давление разрушает подчас очень прочную оболочку зерна. Корни растений, произрастающих на каменистой почве, проникают в мельчайшие трещины породы, набухают в почвенной воде, способствуют разрушению горных пород. Процессы набухания активно протекают в почвах, особенно мелкоземистых, с большим количеством коллоидов. Величина набухания зависит от количества и качества коллоидных частиц. Сильное набухание наблюдается на глинистых почвах и черноземах, а также на почвах, насыщенных основаниями, особенно натрием. При насыщении почвы одновалентными основаниями набухание может достигать 120...150%, тогда как при насыщении двух и трехвалентными катионами значительного увеличения объема почвенных частиц не происходит.

Механизм процесса набухания состоит их двух этапов. На первом этапе поглощается немного жидкости, которая идет на сольватацию полярных групп полимера. Измерения показали, что с одной полярной группой полимера связывается лишь одна мо-лекула растворителя, и на поверхности частиц ВМС образуется мономолекулярная сольватная оболочка, поэтому выделяется тепло и происходит объемное сжатие.

На втором этапе набухания поглощается много жидкости без выделения тепла. Поглощенная жидкость никак не связывается с макромолекулами полимера, а диффузно проникает в пространство между молекулами ВМС. Набухание, а затем и растворение высокополимера происходят самопроизвольно, что подтверждает и термодинамика этих процессов.

Самопроизвольные процессы, согласно второму закону термодинамики, должны сопровождаться уменьшением свободной энергии.

Изменение свободной энергии Гельмгольца складывается из изменения внутренней энергии и энтропии: Поскольку при набухании выделяется тепло, то, т.е. происходит уменьшение внутренней энергии системы. Процесс набухания заканчивается растворением полимера, беспорядок в системе увеличивается. Следовательно, возрастает энтропия, Таким образом, свободная энергия при набухании уменьшается.

Растворы высокомолекулярных соединений имеют значительную вязкость, которая быстро возрастает с увеличением концентрации растворов. Повышение концентрации макромолекулярных растворов, добавки веществ, понижающих растворимость полимера, изменение рН раствора и часто понижение температуры приводят к застудневанию, т.е. превращению сильно вязкого, но текучего раствора в сохраняющий форму твердообразный студень.

40. Пены: определение, строение, устойчивость, пенообразователи

Пены, как и все дисперсные системы, обладающие избытком свободной энергии, термодинамически неустойчивы. Для образования устойчивых, высокодисперсных пен в жидкость вводится в сравнительно небольших количествах третий компонент - стабилизатор или пенообразователь. Жидкости без пенообразователей сколько-нибудь устойчивой пены не дают, потому что при вспенивании происходит увеличение поверхности раздела фаз, поверхностная энергия GS=у·S резко возрастает. Система становится неустойчивой, пузырьки тотчас лопаются.

Типичные пенообразователи - поверхностно-активные вещества. В водных растворах пенообразователи - такие ПАВ, как спирты, жирные кислоты, мыла и ВМС (например, белки). Они снижают поверхностное натяжение и поэтому стабилизируют пену. Для каждого низкомолекулярного пенообразователя (органические кислоты, мыла, спирты) существует определенная оптимальная концентрация, при которой пенообразователь наиболее эффективен.

Для высокомолекулярных ПАВ устойчивость пен тем выше, чем выше концентрация высокомолекулярного пенообразователя.

Получать пены можно двумя методами:

1. диспергированием газа механическим встряхиванием сосуда, частично заполненного раствором пенообразователя, интенсивным перемешиванием мешалками, или барботированием газа через пористую перегородку в слой жидкости. Два последних способа используют при обогащении руд методом пенной флотации;

2. выделением газа или пара в виде новой дисперсной фазы при кипении жидкости или из пересыщенного раствора в результате реакции.

Пены характеризуются следующими свойствами:

1. устойчивостью, которая зависит от прочности их пленочного каркаса и измеряется временем самопроизвольного уменьшения столба h (или объема V) пены в два раза: t1/2. Изменение пены со временем происходит вследствие вытекания жидкости из пены (синерезис) и разрыва пленок;

2. кратностью - максимально достижимым объемом пены, образующейся из данного объема жидкости

в=V/Vж

где V - объем пены, Vж - объем жидкости, пошедший на ее образование;

3. дисперсностью пены.

В некоторых случаях пенообразование препятствует нормальному ходу технологического процесса и является нежелательным. Разрушение пен можно вызвать введением пеногасителей - веществ, которые будучи сильными ПАВ, не образуют прочных адсорбционных пленок (средние гомологи спиртов, например, октиловый спирт, кетоны, полиамиды жирных кислот, пропиленгликоли и т.д.). Они вытесняют пенообразователи из поверхностного слоя, делают его менее прочным и способствуют разрыву стенок пузырьков пены.

41. Изменение жиров в процессах технологической обработки пищевых продуктов

Содержащийся в продуктах жир в процессе варки плавится и переходит в жидкость. Количество поступающего в варочную среду жира зависит от его содержания и характера отложения в продукте, продолжительности варки, величины кусков.

Основная масса извлеченного жира (90--95) % собирается на поверхности бульона, и лишь небольшая часть (3,5 - 10) % распределяется по всему объему бульона в виде мельчайших жировых капелек (эмульгирует). Что придает бульону мутность.

Количество жира, эмульгированного при варке, увеличивается с возрастанием интенсивности кипения и количества жидкости по отношению к продукту.

При совместном воздействии этих факторов количество эмульгированного жира может увеличиться в несколько раз. Так, при изменении соотношения между количеством воды и костей с (3 : 1) до (8 : 1) при слабом кипении количество эмульгированного жира возрастает почти вдвое, а при сильном кипении -- более чем в 5 раз.

О частичном гидролитическом расщеплении жира при варке свидетельствует возрастание его кислотного числа. При температуре варки (около 1000С) вода и жир практически взаимно нерастворимы, поэтому гидролиз протекает на поверхности раздела жировой и водной фаз. При эмульгировании увеличивается поверхность соприкосновения жира с водой, что способствует его гидролизу. Наличие в варочной среде поваренной соли и продуктов, содержащих кислоты, усиливает гидролиз жира. Однако полного расщепления жиров при варке не происходит, и поэтому в варочной среде наряду со свободными жирными кислотами и глицерином всегда присутствуют моно- и диглицериды. Образующиеся в результате гидролиза высокомолекулярные жирные кислоты придают бульону неприятный салистый привкус. Чем больше эмульгирует и гидролизуется жира, тем ниже качество бульона.

Изменения жиров при жарке

Из всех способов жарки наиболее распространенными являются два: с небольшим количеством жира и в большом количестве жира (во фритюре). Жарка во фритюре может быть непрерывной (отношение жира и продукта (20:1)) и периодической (отношение жира и продукта от (4:1) до (6:1)). Несмотря на значительную аэрацию и действие высоких температур (140 -- 200) 0С, глубоких окислительных изменений в жире не наблюдается из-за небольшой продолжительности нагревания.

При жарке с небольшим количеством жира, нагреваемого в виде тонкого слоя, возможен его перегрев. Даже при кратковременном перегреве (температура свыше 2000 С) может произойти термическое разложение жира с выделением дыма (пиролиз). Температура, при которой начинается выделение дыма из жира, называется температурой или точкой дымообразования. Различные жиры при одинаковых условиях нагревания имеют разную температуру дымообразования (0С): свиной жир -- 221, хлопковое масло -- 223, пищевой саломас -- 230. -

На температуру дымообразования, помимо вида жира, влияют содержание в нем свободных жирных кислот, отношение нагреваемой поверхности жира к его объему и материал посуды, в которой производится нагрев. Присутствие в жире даже небольших количеств свободных жирных кислот заметно снижает температуру дымообразования. Так, при повышении содержания свободных жирных кислот в свином жире (от 0,02 до 0,81)% температура его дымообразования снижается (с 221 до 150)0С. При нагревании одного и того же количества жира одного вида на двух сковородах диаметром (15 и 20) см температура дымообразования оказалась соответственно (185 и 169)0С.

Некоторые металлы переменной валентности (железо, медь и др.) способны катализировать пиролиз жира, снижая таким образом температуру дымообразования.

На крупных пищевых предприятиях применяются аппараты непрерывной фритюрной жарки, тепловая обработка продуктов в которых производится в большом количестве жира (отношение жира к продукту до 20 : 1). В таких аппаратах жарят рыбные полу-

фабрикаты, картофельные чипсы и крекеры. Увеличение количества жира позволяет ускорить процесс жарки, поддерживать более низкие температуры фритюра (150 -- 160)0С, снижать скорость его термического разложения и окисления, а следовательно, и расход.

При непрерывной жарке качество фритюрного жира зависит от коэффициента сменяемости (К):

К = П/ М

где П -- количество жира, поглощаемого и адсорбируемого обжариваемым продуктом за 24 ч, кг;

М--средняя масса жира в жарочном аппарате, кг.

Чем выше коэффициент сменяемости жира, тем меньше он подвергается окислительным изменениям. В результате постоянной сменяемости нагреваемого жира степень окисления его быстро достигает стабильного состояния и в дальнейшем мало изменяется.

Наиболее глубокие изменения происходят в жире при периодической фритюрной жарке. При таком способе жарки жир может длительно нагреваться без продукта (холостой нагрев) и периодически использоваться для жарки различных продуктов при сравнительно низком коэффициенте сменяемости. Причем циклы охлаждения и нагревания многократно повторяются. Вероятность окисления жиров при таком циклическом нагреве даже выше, чем при непрерывном.

42. Порошки: определение, строение, методы получения. Характеристика пищевых продуктов, относящихся к этим системам

При дроблении твердых тел могут образовываться дисперсные системы, которые принято называть порошками. Порошки - это грубодисперсные системы, частицы которых имеют большие размеры и в некоторых случаях даже видны визуально. К типичным порошкам относятся мука, сахарная пудра. Какао.

Важной характеристикой порошков является их дисперсность, и поэтому существует много методов определения размера частиц порошков. Наиболее распространенным является ситовой анализ. При котором порошок просеивают через набор сит с отверстиями различных размеров.

Характерной особенностью порошков является их свойство переходить в псевдожидкое состояние. Если порошок поместить в сосуде с пористым дном, то пропуская через него снизу воздух с постепенно увеличивающейся скоростью. Можно изменить его свойства. При малых скоростях воздух проходит через порошок, не изменяя его объема. При достижении определенной скорости воздуха слой порошка равномерно расширяется. По мере расширения слоя увеличивается его текучесть, т.е. порошок приближается по этому свойству к жидкости. С увеличением давления воздуха слой порошка делается похожим на кипящую жидкость. Порошки в псевдожидком состоянии благодарясвоей текучести легко перемещаются по наклонной плоскости, что используется в промышленных транспортных желобах. Некоторые порошки переходят в текучее состояние при их осторожном пересыпании. Однако для ряда порошков пересыпание приводит к образованию крупных, но не очень прочных сферических частиц - гранул. Более прочные гранулы получаются при механическом уплотнении предварительно увлажненных порошков или порошков, в которые добавлены склеивающие вещества

43. Изменение углеводов в процессах технологической обработки пищевых продуктов

Наиболее высокое содержание гликогена наблюдается в печени, в среднем (2--6)% массы влажной ткани. Хотя концентрация этого полисахарида в мышцах значительно ниже (0,5 -- 1,5) %, однако в норме 2/3 от общего его количества находится в мышцах.

Избыток потребления усвояемых углеводов приводит к развитию многих болезней, в первую очередь, ожирения, а также диабета и атеросклероза.

Неусвояемые в организме человека углеводы: целлюлоза (клетчатка), пектиновые вещества, или пищевые волокна, обладают рядом полезных свойств, без которых организму человека очень сложно хорошо функционировать. Так, клетчатка создает благоприятные условия для продвижения пищи по желудочно-кишечному тракту, нормализует деятельность полезных микроорганизмов кишечника, способствует выведению из организма холестерина, создает чувство насыщения, чем снижает аппетит. Однако чрезмерное потребление клетчатки приводит к уменьшению усвояемости основных пищевых веществ.

Пектин способствует выведению из организма тяжелых металлов, участвует в подавлении жизнедеятельности гнилостных микроорганизмов. Он эффективнее, чем клетчатка, способствует снижению холестерина в крови и удалению желчных кислот. Больше всего пектина содержится в вишне, яблоках, абрикосах, черной смородине.

Углеводы при хранении и переработке пищевого сырья претерпевают разнообразные и сложные превращения.

Это в первую очередь кислотный и ферментативный гидролиз ди- и полисахаридов, сбраживание моносахаридов, меланоидинообразование и карамелизация.

Потребность человека в углеводах связана с его энергетическими затратами и равна (365 -- 500) г/сут, в том числе крахмала (350--400) г/сут, моно- и дисахаридов (50--100) г/сут, пищевых волокон до 25 г/сут.

Физико-химические и биохимические изменения, происходящие с углеводами в процессе технологической обработки продуктов, существенно влияют на качество готовых изделий.В процессе технологической обработки пищевых продуктов сахара могут подвергаться кислотному и ферментативному гидролизу, а также глубоким изменениям, связанным с образованием окрашенных веществ (карамелей и меланоидинов). При нагревании дисахариды под действием кислот или в присутствие ферментов гидролизуются до моносахаридов. Сахароза в водных растворах под влиянием кислот присоединяет молекулу воды и расщепляется на равные количества глюкозы и фруктозы. Полученная смесь глюкозы и фруктозы вращает плоскость поляризации не вправо, как сахароза, а влево. Такое преобразование правовращающей сахарозы в левовращаюшую смесь моносахаридов называется инверсией, а эквимолекулярная смесь глюкозы и фруктозы-инвертным сахаром. Последний имеет более сладкий вкус, чем сахароза. Инвертный сахар образуется, например, при варке киселей, компотов, запекании яблок с сахаром. Степень инверсии сахарозы зависит от продолжительности тепловой обработки, а также вида и концентрации содержащейся в продукте кислоты.

44. Суспензии: определение, строение, методы получения. Характеристика пищевых продуктов, относящихся к этим системам

Суспензии - это микрогетерогенные системы, в которых твердые частицы подвешены в жидкой дисперсионной среде. Примером может служить порошок какао - тонко измельченный продукт, получаемый из жмыха какао как отход производства при изготовлении масла какао. Вокруг каждой частицы какао образуется защитные пленки, стабилизирующие суспензию какао - вода.

Для получения агрегативно - устойчивых суспензий необходимо выполнение следующих условий:

- диспергирование до требуемой степени дисперсности;

- подбор соответствующей дисперсионной среды, смачивающей частицы дисперсной фазы;

- подбор стабилизатора и введение его.

Низкая степень дисперсности суспензий характеризуется отсутствием кинетической устойчивости. Это значит, что грубые частицы дисперсной фазы за очень короткое время выпадают в виде осадка.

Порошок какао в отличии от других напитков, например чая или кофе, содержит мало экстрактивных веществ, растворимых в воде. Он не дает настоя, а образует в воде суспензию, стойкость которой зависит от размеров частиц какао. Для получения стойкой суспензии, которая не давала бы выпадения осадка в течение 10 мин. Необходимо. Чтобы частицы порошка имели диаметр не более 10 мкм. Суспензия какао - вода, как и всякая суспензия, мало агрегативно устойчива, что объясняется молекулярной природой какао.

Для получения более прочной суспензии высшие сорта какао обрабатывают щелочами. При этом образуется небольшое количество солей жирных кислот, имеющих свойства стабилизатора. Дифильные молекулы соли (имеющие гидрофильную (притягивающие воду) и гидрофобную (отталкивающие воду) части) своими гидрофильными частями адсорбируются гидрофильной поверхностью частиц какао.

Шоколад представляет собой затвердевшую суспензию, в которой дисперсионной средой выступает масло какао, а дисперсной фазой- частицы сахара. Семян бобов какао, зерна крахмала и др. шоколад можно отнести к полидисперсным системам.

Дисперсность шоколадной массы - важнейшая характеристика ее качества. Своеобразная нежность шоколадных изделий определяется степенью размола. В высококачественном шоколаде основная масса твердой фазы состоит из частиц размером не более 10-16 мкм.

В общественном питании широко используют такие суспензии, как плодово - ягодный сок, пивное сусло, которые представляют собой полидисперсную систему, содержащую кроме растворенных экстрактивных веществ также твердые взвешенные частицы с различной степенью дисперсности и коллоидные взвеси.

К суспензиям относятся различные соусы, приготовленные с мукой, где дисперсными фазами служат мука, жир и прочие продукты, паштет из печени, мясной бульон.

45. Основы аналитической химии

Аналитическая химия - наука о методах и средствах определения химического состава веществ и их смесей.

Задачи аналитической химии:

1.обнаружение. идентификация и определение составных частей (атомов. Ионов, радикалов, молекул, функциональных групп) анализируемого объекта. Соответствующий раздел аналитической химии - качественный анализ;

2.измерение количества (концентрации или массы) составных частей анализируемого объекта или их количественных соотношений - количественный анализ;

3.определение последовательности соединения и взаимного расположения отдельных составных частей в анализируемом объекте - структурный анализ;

4.определение изменения природы и концентрации составных частей объекта во времени.

Необходимо постоянно анализировать продукты сельскохозяйственного и пищевого производства, особенно на присутствие ядохимикатов, тяжелых металлов и канцерогенных веществ.

Аналитическая химия широко применяется на предприятиях пищевой промышленности и общественного питания. В настоящее время нельзя представить ни одного производства без аналитической лаборатории. Это определяется тем, что современная высокоразвитая промышленность предъявляет серьезные требования к быстрому и точному определению состава исходного сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. В обязанности такой лаборатории входит контроль за правильным течением технологического процесса, за качеством готовой продукции, за изменениями свойств того или иного продукта в процессе его хранения.

46. Аэрозоли, дымы, туманы: определение, примеры. Значение аэрозолей

Аэрозолями называют дисперсные системы, дисперсионной средой которых является газ (воздух), а диспергированными частицами могут быть твердые частицы или капельки жидкости.

Обычно аэрозоли классифицируют по агрегатному состоянию дисперсной фазы. Аэрозоли с жидкой дисперсной фазой называют туманами, с твердыми частицами - дымами. Аэрозоли с твердой дисперсной фазой, размеры частиц которых больше, чем у дымов, называют пылью. Это деление довольно условно, так как обычный дым, образующийся при сгорании топлива, состоит и из твердых частичек сажи и золы, и из жидких капелек продуктов перегонки топлива и воды. твердые частицы дыма могут адсорбировать влагу из атмосферного воздуха и, в свою очередь, капли жидкости могут включать в себя твердые частицы. Такие сложные дисперсные системы, включающие в себя и дым, и туман, часто образуются в задымленной атмосфере промышленных городов; они получили название смог (от анг. smoke - дым и fog - туман).

Размеры частиц аэрозолей лежит в пределах от 10 -5 до 10-2 см. например капельки обычного тумана имеют размер порядка 5 • 10-5 см, частицы табачного дыма - 10-4-10-5 см, природная пыль - 10-4-10-2 см.

Как и любые дисперсные системы аэрозоли образуются двумя методами- конденсационным и диспергационным. К конденсационному методу относится возникновение тумана при охлаждении насыщенного пара. При реакции между хлористым водородом и аммиаком в газовой фазе образуется белый дым, состоящий из частиц хлорида аммония:

HCl (г) + NH3 (г) NH4Cl (т)

При дисперсионном методе получения аэрозолей твердые или жидкие тела размельчаются обычно механическим путем, а затем твердые частицы или жидкие капельки распределяются в газе. Так образуется мучная пыль на мельницах, пыль сахарной пудры и порошка какао на кондитерских предприятиях. Широко распространено пневматическое распыление жидкости с помощью так называемых аэрозольных баллончиков при получении парфюмерно - косметических аэрозолей, аэрозолей инсектицидов, эмалей.

В пищевой промышленности аэрозоли применяются в виде коптильного дыма при получении копченых мясных и рыбных изделий. В общественном питании для приготовления цельного молока используют сухое молоко, которое в свою очередь применяют для разнообразных кулинарных блюд и кондитерских изделий. Сухой меланж используют в кондитерском производстве, при приготовлении кулинарных блюд (омлеты), как дополнительный компонент, входящий в состав разнообразных изделий.

47. Углеводы - высокомолекулярные полисахариды

Углеводы - широко распространенные в природе органические вещества, преобладающие в пище человека и являющиеся основным источником необходимой организму энергии. Источником углеводов служат главным образом продукты растительного происхождения - хлеб, крупа, картофель, овощи, фрукты, ягоды. Все углеводы делят на две группы:

- простые (моносахариды, монозы) - это углеводы, которые не способны гидролизоваться с образованием более простых соединений;

- сложные (полисахариды, полиозы)- углеводы, способные гидролизоваться на более простые.

ПРОСТЫЕ УГЛЕВОДЫ ( САХАРА )

Глюкоза - наиболее важный из всех моносахаридов, так как она является структурной единицей большинства пищевых ди- и полисахаридов. В процессе обмена веществ они расщепляются на отдельные молекулы моносахаридов, которые в ходе многостадийных химических реакций превращаются в другие вещества и в конечном итоге окисляются до углекислого газа и воды - используются как «топливо» для клеток. Глюкоза - необходимый компонент обмена углеводов. При снижении ее уровня в крови или высокой концентрации и невозможности использования, как это происходит при диабете, наступает сонливость, может наступить потеря сознания ( гипогликемическая кома ).

Глюкоза «в чистом виде», как моносахарид, содержится в овощах и фруктах. Особенно богаты глюкозой виноград - 7,8%, черешня, вишня - 5,5%, малина - 3,9%, земляника - 2,7%, слива - 2,5%, арбуз - 2,4%. Из овощей больше всего глюкозы содержится в тыкве - 2,6%, в белокочанной капусте - 2,6%, в моркови - 2,5%.

Глюкоза обладает меньшей сладостью, чем самый известный дисахарид - сахароза. Если принять сладость сахарозы за 100 единиц, то сладость глюкозы составит 74 единицы.

Фруктоза является одним из самых распространенных углеводов фруктов. В отличие от глюкозы она может без участия инсулина проникать из крови в клетки тканей. По этой причине фруктоза рекомендуется в качестве наиболее безопасного источника углеводов для больных диабетом. Часть фруктозы попадает в клетки печени, которые превращают ее в более универсальное «топливо» - глюкозу, поэтому фруктоза тоже способна повышать сахара в крови, хотя и в значительно меньшей степени, чем другие простые сахара. Фруктоза легче, чем глюкоза, способна превращаться в жиры. Основным преимуществом фруктозы является то, что она в 2,5 раза слаще глюкозы и в 1,7 - сахарозы. Ее применение вместо сахара позволяет снизить общее потребление углеводов.

Основными источниками фруктозы в пище являются виноград - 7,7%, яблоки - 5,5%, груши - 5,2%, вишня, черешня - 4,5%, арбузы - 4,3%, черная смородина - 4,2%, малина - 3,9%, земляника - 2,4%, дыни - 2,0%. В овощах содержание фруктозы невелико - от 0,1% в свекле до 1,6% в белокочанной капусте. Фруктоза содержится в меде - около 3,7%. Достоверно доказано, что фруктоза, обладающая значительно более высокой сладостью, чем сахароза, не вызывает кариеса, которому способствует потребление сахара.

Галактоза в продуктах в свободном виде не встречается. Она образует дисахарид с глюкозой - лактозу ( молочный сахар ) - основной углевод молока и молочных продуктов.

Лактоза расщепляется в желудочно-кишечном тракте до глюкозы и галактозы под действием фермента лактазы. Дефицит этого фермента у некоторых людей приводит к непереносимости молока. Нерасщепленная лактоза служит хорошим питательным веществом для кишечной микрофлоры. При этом возможно обильное газообразование, живот «пучит». В кисломолочных продуктах большая часть лактозы сброжена до молочной кислоты, поэтому люди с лактазной недостаточностью могут переносить кисломолочные продукты без неприятных последствий. Кроме того, молочнокислые бактерии в кисломолочных продуктах подавляют деятельность кишечной микрофлоры и снижают неблагоприятные действия лактозы.

Галактоза, образующаяся при расщеплении лактозы, превращается в печени в глюкозу. При врожденном наследственном недостатке или отсутствии фермента, превращающего галактозу в глюкозу, развивается тяжелое заболевание - галактоземия, которая ведет к умственной отсталости.

Содержание лактозы в коровьем молоке составляет 4,7%, в твороге - от 1,8% до 2,8%, в сметане - от 2,6 до 3,1%, в кефире - от 3,8 до 5,1%, в йогуртах - около 3%.

Дисахарид, образованный молекулами глюкозы и фруктозы, - этосахароза. Содержание сахарозы в сахаре 99,5%. То, что сахар - это «белая смерть», любители сладкого знают так же хорошо, как курильщики то, что капля никотина убивает лошадь. К сожалению, обе эти прописные истины чаще служат поводом для шуток, чем для серьезных размышлений и практических выводов.

Сахар быстро расщепляется в желудочно-кишечном тракте, глюкоза и фруктоза всасываются в кровь и служат источником энергии и наиболее важным предшественником гликогена и жиров. Его часто называют «носителем пустых калорий», так как сахар - это чистый углевод и не содержит других питательных веществ, таких, как, например, витамины, минеральные соли. Из растительных продуктов больше всего сахарозы содержится в свекле - 8,6%, персиках - 6,0%, дынях - 5,9%, сливах - 4,8%, мандаринах - 4,5%. В овощах, кроме свеклы, значительное содержание сахарозы отмечается в моркови - 3,5%. В остальных овощах содержание сахарозы колеблется от 0,4 до 0,7%. Кроме собственно сахара, основными источниками сахарозы в пище являются варенье, мед, кондитерские изделия, сладкие напитки, мороженое.

При соединении двух молекул глюкозы образуется мальтоза - солодовый сахар. Ее содержат мед, солод, пиво, патока и хлебобулочные и кондитерские изделия, изготовленные с добавлением патоки.

СЛОЖНЫЕ УГЛЕВОДЫ

Все полисахариды, представленные в пище человека, за редкими исключениями, являются полимерами глюкозы.

Крахмал - основной из перевариваемых полисахаридов. На его долю приходится до 80% потребляемых с пищей углеводов.

Источником крахмала служат растительные продукты, в основном злаковые: крупы, мука, хлеб, а также картофель. Больше всего крахмала содержат крупы: от 60% в гречневой крупе ( ядрице ) до 70% - в рисовой. Из злаков меньше всего крахмала содержится в овсяной крупе и продуктах ее переработки: толокне, овсяных хлопьях «Геркулес» - 49%. Макаронные изделия содержат от 62 до 68% крахмала, хлеб из ржаной муки в зависимости от сорта - от 33% до 49%, пшеничный хлеб и другие изделия из пшеничной муки - от 35 до 51% крахмала, мука - от 56 ( ржаная ) до 68% ( пшеничная высшего сорта ). Крахмала много и в бобовых продуктах - от 40% в чечевице до 44% в горохе. По этой причине сухие горох, фасоль, чечевицу, нут относят к зернобобовым. Особняком стоят соя, которая содержит только 3,5% крахмала, и соевая мука ( 10-15,5% ). По причине высокого содержания крахмала в картофеле ( 15-18% ) в диетологии его относят не к овощам, где основные углеводы представлены моносахариды и дисахаридами, а к крахмалистым продуктам наравне со злаковыми и зернобобовыми.

В топинамбуре и некоторых других растениях углеводы запасаются в виде полимера фруктозы - инулина. Пищевые продукты с добавкой инулина рекомендуют при диабете и особенно - для его профилактики ( напомним, что фруктоза дает меньшую нагрузку на поджелудочную железу, чем другие сахара ).

Гликоген - «животный крахмал» - состоит из сильно разветвленных цепочек молекул глюкозы. Он в небольших количествах содержится в животных продуктах ( в печени 2-10%, в мышечной ткани - 0,3-1% ).

Особое место в превращениях моносахаридов занимают процессы дыхания и брожения.

Дыхание - это экзотермический процесс ферментативного окисления моноз до воды и углекислого газа.

Спиртовое брожение протекает под влиянием микроорганизмов и играет исключительную роль в производстве спирта, вин и хлебобулочных изделий. Кроме того, существует молочно - кислое брожение моноз - основной процесс при получении простокваши, кефира и других молочных продуктов, а также при квашении капусты. Брожение моноз может приводить к образованию масляной кислоты (масляно - кислое брожение)

Спиртовое брожение

Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение широко используется при выработке молочных продуктов: простокваши, ацидофилина, творога, сметаны. При производстве кефира, кумыса наряду с молочнокислым брожением, вызываемым бактериями, имеет место и спиртовое брожение, вызываемое дрожжами. Молочнокислое брожение происходит на первом этапе изготовления сыра, затем молочнокислые бактерии сменяются пропионово кислыми.

Молочнокислые бактерии нашли широкое применение при консервировании плодов и овощей, в силосовании кормов. Чистое молочнокислое брожение применяется для получения молочной кислоты в промышленных масштабах.

Маслянокислое брожение

48. Изменение белков в процессах технологической обработки пищевых продуктов

Увеличение сроков тепловой обработки продуктов животного происхождения может вызвать заметное ухудшение питательной ценности содержащихся в них белков.

Однако перевариваемость и биологическая ценность некоторых белков продуктов животного происхождения при нормальном режиме тепловой обработки практически не снижается.

Пищевая ценность белков определяется двумя факторами - переваримостью и биологической активностью (содержанием незаменимых аминокислот).

Изменение глобулярных белков при тепловой обработке пищевых продуктов начинается с денатурации. Большинство денатурированных белков сразу же свертывается. Денатурация, также как и свертывание, в рассматриваемых условиях - необратимые процессы, протекающие при сравнительно невысокой температуре. Основная

Понижение температуры

При понижении температуры глютинового раствора между неполярными группами цепных участков макромолекул глютина возникает некоторое число связей и образуется тончайшая трехмерная сетка (каркас) студня, обусловливающая механические свойства системы. Для прекращения перемещения нитеобразных частиц при застудневании достаточно небольшого числа локальных связей. Поэтому даже 1 %-е растворы глютина способны к застудневанию.

Эластин

Эластин - белковое вещество, входящее в состав эластиновых волокон, устойчивее, чем коллаген, не растворяется в холодной и горячей воде, органических растворителях, растворах солей. При кипячении с водой не образует клея, при нагревании не денатурирует.

Ретикулин входит в состав тонких разветвляющихся ретикулиновых волокон, образующих сетчатые ячейки, в которых заложены кровеносные сосуды (легкие, шкура, кости и др.). Он очень устойчив к воздействию горячей воды.

Гидротермическая устойчивость

Гидротермическая устойчивость коллагена в мясе молодняка ниже, чем в тушах крупного рогатого скота среднего возраста. В тушах молодняка жесткость жареного мяса из спинной, внутренней и боковой частей задней ноги, плечевой части лопатки, полусухожильной мышцы наружной части задней ноги практически одинакова.

Прочность перемизия значительно отличается в различных частях мышц крупного рогатого скота и почти не отличается у мелкого - телят, баранов, свиней.

Коллаген

В организме животных коллаген выполняет механические функции, его волокна обладают значительной крепостью. Устойчивость коллагена к воздействию горячей воды и механическая прочность различны и зависят от вида и возраста животного, а также от ткани, в которой он содержится. С увеличением возраста животного устойчивость коллагена повышается.

Нагревание коллагена в воде при температуре 62 - 65 °С приводит к сокращению (осадке) коллагеновых волокон примерно на 1/3 первоначальной длины.

Варка яйца

При варке целого яйца образуется сплошной гель. В этом случае имеется концентрированный золь (в яйце содержится до 12 % белка), поэтому при тепловой обработке образуется сплошная решетка из молекул денатурировавшего белка, в ячейках решетки задерживается вода. Во время денатурации белков яйца они переходят из состояния сильно концентрированного золя в гель. Этот вид коагуляции называется свертыванием по второму типу.

Денатурация

Явление денатурации белков следует учитывать при приготовлении пищи из белоксодержащих продуктов, выпечке булочных и кондитерских изделий, приготовлении консервов и т. д.

Следствием денатурации является изменение коллоидных свойств белка. Белки в пищевых продуктах всегда находятся в двух коллоидных состояниях - в виде геля и золя. Гель характеризуется способностью сохранять форму, золь - текучесть. Как гели, так и золи могут быть более или менее обводненными. В пищевых продуктах гели могут быть

· В общественном питании наиболее часто наблюдается тепловая денатурация пищевых продуктов. При этом разрываются слабые внутримолекулярные связи (водородные, солеобразные и др.), увеличивается реактивность функциональных групп, входящих в состав молекулы белка, нарушаются упорядочение и пространственная конфигурация полипептидных цепей, теряется биологическая активность.

При температуре 70 С происходит коагуляция ( свертывание ) белков. Они теряют способность удерживать воду ( набухать ), т.е. из гидрофильных становятся гидрофобными, при этом уменьшается масса мяса, рыбы и птицы. Частично разрушается третичная и вторичная структура белковых молекул, часть белков превращается в полипептидные цепочки, что способствует лучшему их расщеплению протеазами желудочно-кишечного тракта.

Белки, находящиеся в продуктах в виде раствора, при варке свертываются хлопьями и образуют пену на поверхности бульона. Коллаген и эластин соединительной ткани превращаются в глютин ( желатин ). Общие потери белка при тепловой обработке составляют от 2 до 7%.

...