giáo trình hóa sinh thực phẩm

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thực phẩm trong hai thập niên gần đây đòi hỏi sự hiểu biết toàn diện về khả năng phân tích các chất trong thực phẩm và phương pháp sản xuất thực phẩm. Để đảm bảo yêu cầu này cần có kiến thức toàn diện về hóa sinh thực phẩm, vi sinh thực phẩm, các quy trình chế biến thực phẩm, .... Hy vọng rằng quyển sách này góp một phần kiến thức về hóa sinh thực phẩm trong việc giảng dạy và tham khảo cho sinh viên và những người quan tâm đến ngành công nghệ thực phẩm. Các kiến thức về hóa sinh trong quyển sách này được diễn đạt dưới góc độ của thực phẩm. Các thành phần quan trọng trong thực phẩm (protein, enzyme, lipid, carbonhydrate, vitamin, chất màu và chất mùi) được mô tả và phân tích kỹ, có liên hệ với các thông số trong thực phẩm. Các quá trình biến đổi cơ bản trong thực phẩm của từng loại chất được trình bày tại từng chương nói về chất đó. Tác động của điều kiện bên ngoài như pH, oxy, nhiệt độ,... đến các chất thường gặp trong thực phẩm cũng được ghi nhận cụ thể. Xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM đã tạo điều kiện cho chúng tôi hoàn thành quyển sách này. Quyển sách này còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý của quý độc giả.

Some of the authors of this publication are also working on these related projects:

Renewable View project

Products from Soursoup View project

Dam Sao Mai

Industrial University of Ho Chi Minh City

Huong Nguyen Thi Mai

Ho Chi Minh University of Industry

HOÁ SINH

THỰC PHẨM

LỜI NÓI ĐẦU

-

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thực phẩm trong hai thập niên gần đây đòi hỏi sự hiểu biết toàn diện về khả năng phân tích các chất trong thực phẩm và phương pháp sản xuất thực phẩm Để đảm bảo yêu cầu này cần có kiến thức toàn diện về hóa sinh thực phẩm, vi sinh thực phẩm, các quy trình chế biến thực phẩm, …

Hy vọng rằng quyển sách này góp một phần kiến thức về hóa sinh thực phẩm trong việc giảng dạy và tham khảo cho sinh viên và những người quan tâm đến ngành công nghệ thực phẩm Các kiến thức về hóa sinh trong quyển sách này được diễn đạt dưới góc độ của thực phẩm Các thành phần quan trọng trong thực phẩm (protein, enzyme, lipid, carbonhydrate, vitamin, chất màu và chất mùi) được mô tả và phân tích

kỹ, có liên hệ với các thông số trong thực phẩm Các quá trình biến đổi

cơ bản trong thực phẩm của từng loại chất được trình bày tại từng chương nói về chất đó Tác động của điều kiện bên ngoài như pH, oxy, nhiệt độ, đến các chất thường gặp trong thực phẩm cũng được ghi nhận

Hóa sinh là môn khoa học nghiên cứu đến những cấu trúc và quá

trình hóa học diễn ra trong cơ thể sinh vật Đây là môn học giao thoa giữa hóa học và sinh học, và có một số phần trùng với tế bào học, sinh học phân tử hay di truyền học Hóa sinh học là khoa học nghiên cứu các

cơ sở phân tử của sự sống, giúp con người hiểu rõ cơ chế cũng như các thay đổi trong cơ thể sống, như:

- Thành phần cấu tạo hóa học của các chất trong tế bào và cơ thể sống

- Quá trình chuyển hóa các chất trong tế bào và trong cơ thể sống

- Cơ sở hóa học của các quá trình hoạt động sống

Hóa sinh học được chia hai thể loại: hóa sinh tĩnh và hóa sinh động Hóa sinh tĩnh đề cập đến cấu tạo, thành phần của các hợp chất sinh học như chất béo (lipid), vitamin, protein, glucid, ; hóa sinh động bàn về sự chuyển hóa cũng như chức năng của các hợp chất sinh học

Hóa sinh học phát triển dựa trên cơ sở sinh học và hóa học làm nền tảng Cùng với sự phát triển tột bậc của khoa học kỹ thuật, ngày càng có nhiều các nghiên cứu về hoá sinh đạt được các kết quả khả quan Từ đó hóa sinh học cũng góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ sinh học, y học, nông nghiệp, thực phẩm…

Đối với thực phẩm, hóa sinh học đã góp một phần không nhỏ, ví dụ như trong các quá trình sau:

- Phân tích các quy trình chuyển hóa trong chế biến thực phẩm, từ đó góp phần làm tăng giá trị sản phẩm

- Đa dạng hóa sản phẩm, tạo ra các sản phẩm mới có nhiều tính năng Ví dụ: các sản phẩm có bổ sung thêm vitamin, acid amin, muối khoáng,…

- Rút ngắn thời gian xử lý để tạo sản phẩm nhanh hơn Ví dụ: sử dụng enzyme làm mềm thịt, dùng enzyme khiến sữa đông tụ nhanh hơn,…

Hóa sinh học liên quan đến rất nhiều chuyên ngành khác nhau và bản thân hóa sinh học cũng bao gồm rất nhiều chuyên ngành chuyên sâu như: acid nucleic, enzyme,…

Do đó trong phạm vi chương trình học ta sẽ chỉ xem xét đến các phần của hóa sinh học liên quan tới chuyên ngành thực phẩm

1.1.2 Lịch sử phát triển

Sự phát triển của ngành hóa sinh học gắn liền với sự phát triển của nhiều ngành khoa học khác như: hóa hữu cơ, sinh lý học, y học,… Từ cuối thế kỷ 18 các nghiên cứu về hoá sinh học bắt đầu được thực hiện Tuy nhiên, cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20, hóa sinh học mới bắt đầu trở thành một nghành khoa học độc lập

Sơ lược lịch sử phát triển của hóa sinh học:

- Nửa đầu thế kỷ 19:

Năm 1865 Gregor Mendel nêu

lên các định luật di truyền (và ông

được coi là ông tổ của di truyền

học)

Năm 1869 Johann Meischer

tách được DNA từ nhân của

bạch cầu

Năm 1882, Friedrich Wohler

tổng hợp được ure Đây là

chất hữu cơ đầu tiên có thể

tổng hợp được từ chất vô cơ

thành công trong thí nghiệm lên

men vô bào

- Nửa đầu thế kỷ 20:

Phát hiện một số bệnh liên quan

đến quá trình dinh dưỡng thiếu

chất

Phát hiện các vitamin, hoocmon và

xác định được vai trò của chúng

- Năm 1940 Oswald Avery tách được DNA thuần khiết

- Đến năm 1950 về cơ bản đã xác định được tính chất của các chất chủ yếu cấu tạo cơ thể và các con đường chuyển hóa chúng trong cơ thể

- Năm 1953 James Watson và Francis Crick khám phá ra mô hình DNA xoắn kép (nhận giải Nobel cùng Maurice Wilkins năm 1962, Rosalind Franklin cũng có công rất lớn nhưng mất trước đó 4 năm)

- Từ 1961 đến 1966 đã có hàng loạt các công trình nghiên cứu cấu trúc phân tử acid nucleic và vai trò của chúng trong quá trình tổng hợp protein Đồng thời đề ra được mô hình điều hòa hoạt động gen

Eduard Buchner (1860-1917)

- Năm 1967, sau khi nắm được trình tự sắp xếp các bazơ trong một đoạn gen của DNA ở nấm men, Gobind Khorana (Mỹ) đã tổng hợp thành công đoạn gen đó Mấy năm

sau, tập thể của ông (Robert W

Holley, Gobind Khorana và Marshall

W Nirenberg) đã tổng hợp được

hoàn toàn một gen đầy đủ của vi

khuẩn đường ruột (E coli) Năm

1976, họ ghép được gen này vào tế

bào vi khuẩn Gen nhân tạo được

ghép đã "sống" và hoạt động bình

thường ở tế bào này

- Năm 1978 lần đầu tiên tổng hợp

được insulin từ vi khuẩn E coli

mang gen tái tổ hợp

- Đến nay, nhờ áp dụng các thành tựu

tiến bộ của khoa học kỹ thuật hóa sinh học đã đi sâu vào việc nghiên cứu cơ sở phân tử của quá trình bảo quản thông tin di truyền, cơ chế sinh tổng hợp protein, nghiên cứu cấu trúc của màng sinh học

Tóm lại, với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của hóa sinh học, các chuyên ngành khác cũng phát triển mạnh hơn Từ đó tạo ra ngày càng nhiều các chế phẩm sinh học, các sản phẩm có giá trị để sử dụng trong y học, nông nghiệp, thực phẩm,…

1.2 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA CƠ THỂ SỐNG

1.2.1 Nước

Cuộc sống trên Trái Đất bắt nguồn từ trong nước Tất cả các sự sống trên Trái Đất đều phụ thuộc vào nước và vòng tuần hoàn nước Nước là thành phần quan trọng của các tế bào sinh học và là môi trường của các quá trình sinh hóa cơ bản Hơn 70% diện tích của Trái Đất được bao phủ bởi nước Lượng nước trên Trái Đất có vào khoảng 1,38 tỉ km³ Trong đó 97,4% là nước mặn trong các đại dương trên thế giới, phần còn lại, 2,6%,

là nước ngọt, tồn tại chủ yếu dưới dạng băng tuyết đóng ở hai cực và trên các ngọn núi Chỉ có 0,3% nước trên toàn thế giới (khoảng 3,6 triệu km³)

là có thể sử dụng làm nước uống Nước chiếm một hàm lượng rất lớn trong cơ thể sống, cụ thể như:

Har Gobind Khorana (1922-)

có cấu trúc phân cực, trong môi trường nước, cứ 3 – 4 phân tử nước ở

vị trí cạnh nhau liên kết với nhau bằng liên kết hydro Do đó nước có khả năng hòa tan nhanh chóng các hợp chất ion hóa có nhóm lưỡng cực hoặc phân cực

- Nước còn là môi trường thực hiện các phản ứng hóa học, là nơi diễn

ra quá trình trao đổi chất

- Sự sống được duy trì bởi một chuỗi phản ứng hóa học, liên kết mật thiết với nhau, được tiến hành trong môi trường nước dưới xúc tác là enzyme Chuỗi phản ứng này có khả năng thu nhập và tự tổng hợp ra những chất cần thiết phục vụ cho sự sống

1.2.2 Các hợp chất hữu cơ

1.2.2.1 Protein

Protein (protit) là thành phần không thể thiếu được của cơ thể sống Protein là một hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là các acid amin nhờ các liên kết peptide (gọi là chuỗi polypeptide) Các chuỗi này có thể xoắn cuộn hoặc gấp theo nhiều cách để tạo thành các bậc cấu trúc không gian khác nhau của protein Acid amin được cấu tạo bởi ba thành phần: nhóm amin (-NH2), nhóm carboxyl (-COOH) và nguyên tử carbon trung tâm đính với 1 nguyên tử hydro và nhóm biến đổi

R quyết định tính chất của acid amin Người ta đã phát hiện ra được tất

cả 20 acid amin trong thành phần của tất cả các loại protein khác nhau trong cơ thể sống Ngoài ra còm có các dạng kết hợp của các acid amin như: cystin, oxiprolin,…

Protein phục vụ cho việc tạo hình, hồi phục và đổi mới tế bào Protein có trong các chất có khả năng hoàn thành các chức năng của cơ thể như: nguyên sinh chất của tế bào, nhân tế bào, enzyme, hormon, kháng thể,…

Ví dụ: Glogin: cung cấp oxy cho tế bào (hemoglozin)

Miozin, actin: giúp cơ co rút

Globulin: tạo kháng thể, bảo vệ cơ thể không bị nhiễm trùng Thiếu protein cơ thể con người sẽ bị nhiều bệnh nguy hiểm như:

- Bệnh phù thủng, phát phì của gan

- Suy dinh dưỡng

- Giảm tính miễn dịch của cơ thể

- Ảnh hưởng đến các tuyến nội tiết, hệ thần kinh

- Làm thay đổi thành phần hoá học của xương

Trong quá trình sống, cơ thể con người cần phải được cung cấp đủ lượng protein Thông thường trong khẩu phần ăn, năng lượng do protein cung cấp phải chiếm khoảng 12 – 15%

1.2.2.2 Glucid

Glucid là nguồn cung cấp năng lượng quan trọng Hơn 50 % năng lượng trong khẩu phần con người là do glucid cung cấp Glucid là khẩu phần ăn chính, chiếm gần ½ số calo hàng ngày – 1g glucid giải phóng ra 4,1 kcal Glucid tham gia vào thành phần của các tế bào Góp phần vào

sự hình thành tế bào

Glucid được dùng để cung cấp năng lượng cho cơ thể hoạt động Quá trình chuyển hóa của glucid diễn ra sơ lược như sau:

* Glucid CO2 + H2O + Q

* Glucid dư ® tích tụ lại thành lipid dự trữ

Glucid có nhiều trong thực phẩm nguồn gốc thực vật, đặc biệt là ngũ cốc Hàm lượng glucid trong gạo tẻ giã 75%, ngô mảnh 72%, hạt ngô vàng 69%, bột mỳ 73%, bánh mỳ 52%, mỳ sợi 74%, miến dong 82%, khoai lang 28%, khoai tây 21%, sắn củ 36% Trong động vật có thể gặp một số loại glucid như glucogen, lactose (5% / sữa)

Glucid là những hợp chất hữu cơ tạp chức, có chứa nhiều nhóm hidroxyl (-OH) và có nhóm carbonyl (> C = O) trong phân tử Glucid

¾

¾

- Polisaccharide là loại glucid có cấu tạo phức tạp, khối lượng phân tử rất lớn, khi thủy phân cho rát nhiều phân tử monosaccharide Các chất tiêu biểu quan trọng là tinh bột và cellulose

Dựa vào khả năng hòa tan trong nước, glucid có thể chia ra làm các loại sau:

- Glucid hòa tan: glucose, saccharose, lactose, fructose Đây là các loại glucid dễ tiêu hóa

- Glucid không hòa tan: như tinh bột, cellulose, pectin,…

Khi đưa glucid vào cơ thể, trước hết glucid được chuyển thành năng lượng, số dư một phần chuyển thành glycogen và một phần chuyển thành

mỡ dự trữ Nhu cầu glucid đối với mỗi cơ thể sẽ phụ thuộc vào cơ thể và nghề nghiệp Ví dụ lượng glucid cần cho mỗi đối tượng khác nhau là khác nhau:

- Không lao động chân tay : 433g

- Lao động cơ giới : 491g

- Lao động bán cơ giới : 558g

- Lao động không cơ giới : 631g

Thông thường người trẻ tuổi sẽ có nhu cầu glucid cao hơn người trưởng thành và người già

Khi sử dụng đầy đủ glucid, sẽ làm giảm sự phân huỷ protein đến mức tối thiểu Ngược lại, khi lao động nặng nếu cung cấp glucid không đủ sẽ làm tăng phân huỷ protein dẫn đến tình trạng suy nhược cơ thể Trong trường hợp sử dụng quá nhiều, glucid sẽ chuyển thành lipit, ăn nhiều glucid đến mức độ nhất định sẽ gây ra hiện tượng béo phì

1.2.2.3 Lipid

Trong hóa học, lipid nghĩa là hợp chất béo, và là hợp chất hữu cơ đa chức (chứa nhiều nhóm chức giống nhau) Chúng gồm những chất như dầu ăn, mỡ Lipid có độ nhớt cao, không tan trong nước, tan trong các dung môi hữu cơ như ether, chlorophorm, benzene, rượu nóng

Vai trò của lipid:

- Chất béo kéo dài thời gian thức ăn ở dạ dày và đi qua đường tiêu hóa, tạo cảm giác no sau khi ăn Mặt khác chất béo tạo cảm quan ngon lành cho thực phẩm; làm tăng vị và tính dinh dưỡng của thực phẩm

- Trong cơ thể chất béo là nguồn dự trữ năng lượng lớn nhất, có khả năng sinh nhiệt cao – 1g lipid giải phóng 9,3kcal, đồng thời cũng là dung môi hòa tan của các vitamin tan trong chất béo Lipid cần thiết cho các chuyển hoá các vitamin nhóm B Thiếu lipid, cơ thể sẽ kém chống đỡ với các bệnh nhiễm trùng, kém chịu lạnh, dễ bị bệnh xơ vữa động mạch

- Ngăn ngừa xơ vữa động mạch bằng cách kết hợp với cholesterol tạo các ester cơ động, không bền vững và dễ bài xuất ra khỏi cơ thể Thiếu lipid trong khẩu phần thực phẩm thì cơ thể sẽ bị nội tổng hợp cholesterol Dư chất béo kể cả dầu thực vật sẽ khiến cho tăng sự tạo thành cholesterol

- Điều hòa tính bền vững của thành mạch: nâng cao tính đàn hồi và hạ thấp tính thấm của thành mạch

- Chất béo tham gia vào cấu trúc của tất cả các mô, là thành phần thiết yếu của tế bào, của các màng cơ thể và có vai trò điều hòa sinh học cao Não

bộ và các mô thần kinh đặc biệt giàu chất béo Các rối loạn chuyển hóa chất béo ảnh hưởng đến chức phận nhiều cơ quan kể cả hệ thần kinh Một số tổ chức như: gan, não, tim, các tuyến sinh dục có nhu cầu cao về các acid béo chưa no, nên khi không được cung cấp đủ từ thức ăn thì các rối loạn sẽ xuất hiện ở các cơ quan này trước tiên Thiếu acid béo omega-3 dẫn đến ảnh hưởng khả năng nhận thức, khả năng nhìn,

- Chất béo cung cấp các acid béo thiết yếu không no đa nối đôi, chuỗi dài là tiền chất của một loạt các chất có hoạt tính sinh học cao như prostaglandin, leukotrienes, thromboxanes… Các eicosanoids này là các chất điều hòa rất mạnh một số tế bào và chức năng như: kết dính tiểu cầu, co mạch, đóng ống động mạch Botalli,…

(trung bình là 18%) tổng số năng lượng và không nên vượt quá 25 - 30%, trong đó 30 - 50% là lipid nguồn gốc thực vật Với đối tượng trẻ em, thanh thiếu niên lượng lipid có thể chiếm đến 30% tổng năng lượng khẩu phần

1.2.2.4 Vitamin

Vitamin là phân tử hữu cơ cần thiết ở lượng rất nhỏ cho hoạt động chuyển hoá bình thường của cơ thể sinh vật, không tổng hợp được bởi cơ thể, do vậy phải được cung cấp từ thức ăn ở những lượng nhỏ hoặc dùng vitamin tổng hợp khi nguồn dinh dưỡng không bảo đảm nhu cầu Có nhiều loại vitamin, các vitamin khác nhau về bản chất hoá học lẫn tác dụng sinh lý Vai trò của vitamin:

- Vitamin cấu tạo nên các enzyme, hoocmon và các hợp chất quan trọng khác

- Vitamin làm xúc tác cho các quá trình sinh hóa

Trong trường hợp thiếu vitamin sẽ gây nên nhiều ảnh hưởng xấu như:

- Phá huỷ hoạt động của các enzyme khiến cho sự trao đổi chất trở nên hỗn loạn

- Gây nên nhiều bệnh, như: hoại huyết (thiếu vitamin C), tê phù (thiếu vitamin B1), còi xương (thiếu vitamin D)

Tuy nhiên nếu trong quá trình sử dụng dùng quá liều vitamin thì cũng gây nhiều bất lợi cho cơ thể

Vitamin được phân loại như sau:

- Vitamin tan trong nước: C, B1, B2, acid folic, acic pantothenic, biotin,

B12, B6, niacin,

- Vitamin tan trong chất béo: A, D, E, K,

Nhu cầu vitamin: phụ thuộc vào lứa tuổi, đặc tính lao động, điều kiện môi trường,… Ví dụ: thời tiết lạnh cần nhiều vitamin; lao động trí

óc, hoạt động tinh thần nhiều cần vitamin nhiều hơn

1.2.3 Nguyên tố đa lượng và vi lượng

Nguyên tố đa lượng là các nguyên tố mà lượng chứa trong khối lượng chất sống của cơ thể lớn hơn 10-4 (hay 0,01%) Các nguyên tố mà lượng chứa ít hơn 10-4 được gọi là nguyên tố vi lượng Nguyên tố đa lượng và vi lượng chiếm 2 – 6%, có vai trò quan trọng trong việc tạo hình, hình thành và kiến tạo nên các tổ chức của cơ thể Nguyên tố vi lượng cũng giúp duy trì cân bằng acid-baz trong mô và tế bào

Các nguyên tố C, H, O, N là những nguyên tố chủ yếu của các hợp chất hữu cơ xây dựng nên cấu trúc tế bào Trong chất nguyên sinh các nguyên tố hoá học tồn tại dưới dạng các anion (PO43-, SO42-, Cl-, NO3- ) và cation (Ca2+, Na+, K+, ) hoặc có trong thành phần các chất hữu cơ (như Mg trong chất diệp lục…) Nhiều nguyên tố vi lượng (Mn, Cu, Zn, Mo…) là thành phần cấu trúc bắt buộc của hàng trăm hệ enzyme xúc tác các phản ứng sinh hoá trong tế bào

Các nguyên tố đa lượng chủ yếu trong tế bào của cơ thể người bao gồm: oxy (65%), carbon (18,5%), hydro (9,5%), nitơ (3,3%), canxi (1,5%), phospho (1%), kali (0,4%), lưu huỳnh (0,3%), natri (0,2%), clo (0,2%), magie (0,1%),… Các nguyên tố vi lượng như: Mn, Zn, Cu, Mo,

Tính chất của một số nguyên tố đa lượng:

- Canxi: tạo xương, có trong nhân tế bào, có tác dụng kiềm hóa, tham gia trong quá trình đông máu, duy trì khả năng hưng phấn của thần kinh

- Phospho: đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất, làm xúc tác cho các phản ứng có trong pho mát, trứng, thịt, cá

- Natri: có trong mọi cơ quan, tổ chức, dịch sinh học của cơ thể động vật giúp cân bằng áp suất thẩm thấu

- Lưu huỳnh: tạo một số acid amin

Tính chất của một số nguyên tố vi lượng:

- Sắt: tạo máu, có trong nhân tế bào

- Coban: tạo máu, kích thích quá trình tạo máu

- Iod: tham gia vào chức năng của tuyến giáp

- Flor: phát triển răng, men răng, sự hóa sừng

- Đồng: tham gia quá trình hô hấp của mô, tạo máu

Trái Đất là hành tinh độc nhất trong hệ Mặt Trời có sự sống do bởi có một lượng lớn nước trên Trái Đất Hàng tỷ năm về trước, nước bắt đầu hình thành và từ đó sông, biển cũng hình thành trên bề mặt Trái Đất Sự sống cũng bắt đầu từ đây

¾ bề mặt Trái Đất là nước Nước chiếm vai trò quan trọng trong cuộc sống, chiếm 70 – 80% cơ thể người và là thành phần chính trong thực phẩm ở trạng thái tự nhiên trừ ngũ cốc

Trong quá trình quang hợp, cùng với CO2, ánh sáng và diệp lục, nước cũng chiếm một vai trò chủ đạo Nhờ có nước mà quá trình này được hoàn thành tạo ra vật chất và O2, cung cấp cho sự sống trên Trái Đất:

6 CO2 + 6 H2O à C6H12O6 + 6 O2Trong cơ thể người và động vật, nhờ nước mà các phản ứng thủy phân thức ăn mới được tiến hành Nước có thể tham gia trực tiếp vào các phản ứng sinh hóa và cũng có thể chỉ làm môi trường cho các phản ứng xảy ra

2.1.1 Vai trò của nước trong thực phẩm

- Trong công nghiệp thực phẩm, nước được dùng để nhào rửa nguyên liệu, vận chuyển, xử lý nguyên liệu, để chế tạo sản phẩm và các chất trong sản phẩm Nước có thể tham gia trực tiếp vào trong các phản ứng trở thành dạng liên kết, cũng có thể tồn tại ở dạng tự do

- Nước làm tăng cường các quá trình sinh học như hô hấp, nảy mầm, lên men…

- Nước làm tăng giá trị cảm quan của thực phẩm, như độ bóng, mịn, dai, dẻo…

- Ngoài ra, nước còn tham gia vào các quá trình gia nhiệt hoặc làm lạnh trong các quy trình sản xuất

2.1.2 Hàm lượng và trạng thái của nước trong thực phẩm

Dựa vào hàm lượng nước, người ta chia các sản phẩm thực phẩm ra thành ba nhóm:

- Nhóm các sản phẩm thực phẩm có hàm lượng nước cao (trên 40%)

- Nhóm các sản phẩm thực phẩm có hàm lượng nước trung bình (10 – 40%)

- Nhóm các sản phẩm thực phẩm có hàm lượng nước thấp (dưới 10%) Trong các sản phẩm thực phẩm, nước thường ở dưới hai dạng: nước

tự do và nước liên kết Nước tự do là chất lỏng giữa các mixen (micelle), nước liên kết do tác dụng thẩm thấu, nước hydrate hóa các cao phân tử và nước dung môi Nước tự do linh động và có tất cả tính chất của nước nguyên chất Nước liên kết được hấp thụ bền vững trên bờ mặt các mixen Tùy theo mức độ liên kết, dạng nước này được chia ra làm ba loại:

- Nước liên kết hóa học: liên kết rất chặt chẽ với vật liệu và chỉ tách ra khi có tương tác hóa học hoặc khi xử lý nhiệt tương đối mạnh Nước liên kết hóa học thường ở dạng nước hydrat có trong thành phần của nhóm hydroxyl hoặc ở dạng nước của hợp chất phân tử dưới dạng tinh thể hydrat

- Nước liên kết hấp thụ hay liên kết hóa lý: có độ bền liên kết ở mức trung bình được tạo bởi các phân tử có cực nằm trên bề mặt của sản phẩm hút các cực của nước (liên kết hydro) Trong trường hợp này, nước có khả năng bảo toàn được tính chất của mình

- Nước liên kết mao quản hay liên kết cơ lý: được hấp thụ bởi các phân

tử bề ngoài ở dạng mao quản, sau đó đi vào bên trong, ngưng tụ và làm đầy các mao quản

2.2 CẤU TẠO CỦA NƯỚC

Cấu tạo của một đơn phân tử nước là một hình tam giác cân, trong đó đỉnh là nguyên tử oxy, ở hai góc của đáy là hai proton, góc giữa hai liên kết O – H bằng 104,50 Độ dài giữa hạt nhân của nguyên tử oxy và hydro trong liên kết O – H là 0,96 Å (tương đương với 0,96 x 10-8 cm)

(b) (a)

Hình 2.1 (a) Cấu trúc orbital của phân tử nước; (b) Liên kết hydror giữa các

phân tử nước

Đám mây điện tử trong phân tử nước hình thành do sự phối hợp của năm cặp điện tử của nguyên tử oxy và hydro:

- Một cặp bên trong bao quanh hạt nhân của oxy

- Hai cặp bên ngoài phân bố quanh nhân của hydro nhưng nghiêng về nhân của oxy

- Hai cặp điện tử dư của oxy (không đem góp chung với hydro)

Như vậy, phân tử nước có bốn cực tích điện, hai cực âm tương ứng với các cặp điện tử dư của oxy và hai cực dương tương ứng với hai nhân nguyên tử hydro có mật độ điện tử thấp Do sự phân bố điện tích đối xứng như vậy, phân tử nước biểu hiện tính phân cực rõ ràng và nhờ vào sự phân cực này mà nước có khả năng hòa tan được nhiều hợp chất khác nhau

Trong các phân tử nước, ngoài các đơn phân tử đơn giản H2O, còn chứa các phân tử liên hợp dạng [H2O]x, với x = 1, 2, 3… Hiện tượng liên hợp trong nước luôn xảy ra và cũng luôn bị phá vỡ Số lượng nước đơn giản trong phân tử liên hợp tùy thuộc vào trạng thái của nước

Với nước đơn phân tử có hình tam giác đều Nước đá lại có cấu trúc tinh thể, trong đó mỗi đơn phân tử được liên kết bởi bốn phân tử khác: [H2O]5 (mạng phân tử cấu trúc hình tháp), có cấu tạo hình tứ diện đều Khoảng cách giữa hai nguyên tử oxy là 0,276nm Khi đun nóng, liên hợp phân tử bị phá hủy chuyển thành dạng liên hợp [H2O]2 Ở 1000C hầu hết các phân tử nước tồn tại dưới dạng đơn phân tử

Hình 2.2. Cấu trúc mạng tinh thể của nước đá (hexagonal ice)

Sự liên kết của nước là do các liên kết hydro tạo thành Thông thường

ở trạng thái đông đặc, nước có khả năng tạo thành liên kết hydro hoàn chỉnh nhất, do các dao động của phân tử bị giảm đi Người ta đã chứng minh rằng ở (–1830C) tất cả các phân tử nước đều tham gia vào liên kết hydro Ở 00C chỉ có khoảng 50% số phân tử tham gia, và ở 1000C có rất

ít phân tử tham gia

Chính vì vậy ta thấy rằng, trong phân tử nước đá cứ một phân tử nước lại có bốn phân tử nước khác bao quanh tạo thành hình tứ diện đều, với tâm

là nguyên tử oxy, các góc là nguyên tử hydro Các liên hợp này lại nối tiếp nhau với oxy làm trung tâm của tứ diện Vậy nước đá có cấu trúc không gian rỗng Tùy theo độ bão hòa của nước ở các điểm nhiệt độ khác nhau, mà nước đá hình thành có các dạng khác nhau (hình 2.3) Điều đó giải thích vì sao bông tuyết có nhiều hình dạng, cũng như nước đá hình thành khi đông lạnh hoặc cấp đông có kích thước và hình dáng khác nhau

Trong nước lỏng, nước thường ở dạng đôi [H2O]2 Như vậy, song song với việc tăng nhiệt độ, các liên kết hydro giữa các phân tử nước bị phá vỡ dần, nước chuyển dần từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng Đây

là quá trình thu nhiệt, điều đó giải thích hiện tượng trời trở nên lạnh hơn trong mùa tuyết tan tại xứ lạnh

Hình 2.3. Hình dạng nước đá ở các mức nhiệt độ và độ bão hòa khác nhau

Ở áp suất thường nước có khối lượng riêng lớn nhất ở 3,98 0C Khi đun nóng nuớc lên trên nhiệt độ đó hoặc làm lạnh xuống dưới nhiệt độ

đó, khối lượng riêng của nước đều giảm xuống

Trong vật lý, điểm ba trạng thái của một chất là tại nhiệt độ và áp

suất mà ở đó ba pha của chất đó (khí, lỏng, rắn) có thể cùng tồn tại trong cân bằng nhiệt động lực học Với nước, ở nhiệt độ 0,0098 0C (~273,16 K) và áp suất 4,579 mmHg (611,73 Pas, 6,1173 millibar, 0,00603 atm), nước có thể tồn tại đồng thời ở ba trạng thái: nước đá, nước lỏng và hơi nước Nhiệt độ đó gọi là điểm ba của nước (điểm T, hình 2.4)

Tại áp suất 220 atm, nhiệt độ 374oC, ta có điểm tới hạn của nước (điểm C, hình 2.4) Khi nhiệt độ của nước vượt quá mốc này thì sự ngưng

tụ sẽ không diễn ra ở bất cứ áp suất nào Trên đường TC, dạng hơi và lỏng của nước nằm trong trạng thái cân bằng Đường TA chỉ điểm hóa lỏng hoặc hóa rắn của nước tại các điều kiện khác nhau Tương tự như vậy, đường TB chỉ điểm hóa hơi hoặc hóa rắn của nước tại các điều kiện khác nhau Đường TD chỉ trạng thái khi nước được cấp đông nhanh ở nhiệt độ dưới điểm đông lạnh

Hình 2.4. Trạng thái của nước dưới tác động của nhiệt độ và áp suất

Như vậy điểm ba không phải là nhiệt độ nóng chảy của nước đá ở áp suất thường Như đã biết nước đá có thể tích lớn hơn nước lỏng, vậy khi tăng áp suất trên nước đá, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm thể tích, nghĩa là nước đá sẽ nóng chảy thành nước lỏng Vì vậy ở áp suất cao, nhiệt độ nóng chảy của nước đá hạ xuống Ở áp suất thường (1 atm), nước đá nóng chảy ở 0 C Tại áp suất 2115 atm, nước đá nóng chảy ở (-)

22 C Tuy nhiên dưới áp suất trên 2115 atm nhiệt độ nóng chảy của nước

đá lại tăng lên, ví dụ ở 40000 atm nhiệt độ nóng chảy của nước đá sẽ là

192 C, điều này xảy ra là do tại áp suất cao xuất hiện những dạng tinh thể khác nhau của nước đá

2.3 KHẢ NĂNG HÒA TAN TRONG NƯỚC

Như ta đã phân tích ở trên, trong phân tử nước có một sự phân cực rất

rõ, nên nước có khả năng hòa tan dễ dàng các ion nhờ vào các liên kết hydro Ví dụ như muối ăn NaCl có khả năng hòa tan dễ dàng trong nước,

do NaCl là một chất ở dạng ion Na+ và Cl-, do đó có khả năng tạo liên kết hydro với các phân tử nước

Hình 2.5. Liên kết giữa NaCl với nước

Các chất hữu cơ có nhóm phân cực và các chất hữu cơ bị phân ly thành dạng ion thì cũng có khả năng khuếch tán vào trong nước một cách

dễ dàng Ví dụ như liên kết hydro giữa nước với các nhóm carbonyl của aldehyde và ceton; và với nhóm hydroxyl của alcohol

Các chất không phân cực không có khả năng tan vào trong nước, do chúng không chứa các nhóm tạo nên sự phân cực hoặc thiếu các nhóm có khả năng tạo thành liên kết hydro

Trong thực tế có rất nhiều chất ở dạng “amphipathic”, có nghĩa là vừa chứa nhóm phân cực vừa chứa nhóm không phân cực Điều này khiến chúng có một tính chất đặc biệt ở trong nước: tạo thành cấu trúc

“micelle”

Ví dụ: muối của acid béo cũng là một phân tử “amphipathic” do chúng vừa chứa nhóm carboxyl lại vừa chứa nhóm hydrocacbon Nói một cách khác chúng vừa có nhóm phân cực lại vừa có nhóm không phân cực ngay trong cùng một phân tử Do đó muối của acid béo thường nằm trong cấu trúc “micelle” khi ở trong nước

Cũng tương tự như vậy đối với lipoprotein Trong cấu trúc của nó có photpholipid với một đầu lipid không phân cực, và một đầu là photpho mang tính phân cực

Trong cấu trúc này gốc phospho hướng ra ngoài và kết hợp với nước, còn gốc lipid quay vào bên trong Do đó lipoprotein có khả năng lơ lửng

ở trong nước chứ không tách ra hoàn toàn khỏi nước như đối với các chất không phân cực

Cũng tương tự cấu trúc này là cấu trúc của lipoprotein tại thành tế bào, nó giúp cho tế bào có khả năng lơ lửng trong dung dịch và không bị tách ra khỏi dung dịch đồng thời vẫn mang đầy đủ các chức năng khác như: là nơi xảy ra phản ứng, ngăn cản các chất không cần thiết xâm nhập vào trong tế bào, tham gia một số phản ứng sinh hóa nhất định…

2.4 DẠNG ION CỦA NƯỚC

2.4.1 Dạng ion của nước

Nước lỏng thường ở dạng ion: hydrogene ion (H+) và hydroxide ion (OH-) Tuy nhiên dạng H+ không phải là dạng đặc thù trong nước Thông thường trong nước, các proton này nằm ở dạng hydrat hydrogen ion:

H3O+, thường được gọi là hydronium ion Mặc dầu vậy, theo thói quen nhiều nơi vẫn ghi ở dạng H+ Như vậy, nước lỏng sẽ có dạng:

Trong phản ứng, theo định luật tác dụng khối lượng (1867), ở phương trình phản ứng phân li, ta có:

với Keq là hằng số cân bằng trong phản ứng

Từ đó ta thấy rằng nồng độ mol của nước tinh khiết (= 55,5M) lớn hơn so với nước trong dung dịch (do nước trong dung dịch có tạo thành liên kết hydro với các chất khác)

]OH[

]OH][

H[

2

+

-=

Trong nước tinh khiết [H ] = [OH] do đó

Vậy, khi [H+] = [OH-] thì dung dịch mang tính trung tính Tùy thuộc vào lượng [H+] và [OH-] mà ta xác định được dung dịch đó mang tính acid hay baz

Từ nồng độ hydrogene ion ta cũng xác định được pH của dung dịch theo công thức:

pH = - log[H+] Thang đo pH nằm trong khoảng từ 0 đến 14

2.4.2 Dung dịch đệm

Do bởi nồng độ hydrogene ion trong dung dịch ảnh hưởng rất nhiều đến các quá trình diễn ra trong cơ thể sống, từ đó người ta đã chứng minh, pH là một trong các yếu tố quan trọng có khả năng tác động rất nhiều đến thế giới xung quanh ta Tuy nhiên, trong thế giới sống (động thực vật, vi sinh vật…) nồng độ hydrogene ion luôn nằm trong một giới hạn cố định

Ví dụ, trong máu, thông thường pH = 7,4, và có khả năng dịch chuyển trong khoảng 7,35 – 7,45, phụ thuộc vào lượng các chất hòa tan trong đó Trong một vài trường hợp, đối với người (động vật) bệnh, hoặc

người (động vật) bị tai nạn, pH của máu có thể bị thay đổi Sự nhiễm acid, là trạng thái khi pH của máu rơi xuống dưới 7,35, xảy ra khi mất

cân bằng trong cơ thể, hoặc khi thận bị hỏng Sự nhiễm acid thường xảy

ra với một số loại bệnh (ví dụ: bệnh đái đường,…) hoặc với người nhịn đói lâu Nếu pH bị giảm xuống dưới 7, thì hệ thần kinh sẽ bị suy nhược

và có thể dẫn đến tử vong

Khi pH trong máu tăng lên trên 7,45, thì sự nhiễm kiềm xảy ra

Trạng thái này xảy ra khi bị nôn mửa hoặc khi sử dụng một lượng lớn

M,

]OH[]H[ + - 10 10-7

´

=

=

thuốc mang tính kiềm Trong trường hợp này hệ thần kinh sẽ bị kích động mạnh, hệ cơ bị chuyển sang trạng thái co thắt Nếu kéo dài tình trạng này cơ thể sẽ bị co giật và có thể dẫn đến ngưng thở

Như vậy ta có thể thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của nồng độ hydrogen ion đến cơ thể sống Chính vì vậy, để kiểm soát và ổn định nồng độ này ta cần đến sự hiện diện của một loại dung dịch: dung dịch đệm

Vậy dung dịch đệm là gì? Nó là một loại dung dịch có khả năng kết

hợp với hydrogen ion hoặc giải phóng ion này tùy thuộc vào trạng thái của dung dịch Dung dịch đệm giúp cho nồng độ của hydrogen ion gần như được ổn định Các dung dịch đệm thông dụng nhất bao gồm các acid yếu và các baz tương ứng của chúng Khả năng chống lại sự thay đổi pH của các dung dịch đệm phụ thuộc vào khả năng thiết lập sự cân bằng trong dung dịch giữa các thành phần trong dung dịch đệm Các dung dịch đệm luôn tuân theo nguyên lý Le Chatelier (phản ứng xảy ra theo chiều làm giảm sự căng thẳng của phản ứng)

Ví dụ như dung dịch đệm acetat bao gồm: acid acetic và muối acetat Tác dụng đệm hình thành khi sử dụng dung dịch NaOH để trung hòa acid acetic:

CH3COOH + OH- à CH3COO- + H2O Nếu cho thêm hydrogen ion vào dung dịch đệm acetat, thì các ion này

sẽ kết hợp với các anion acetat để tạo thành acid acetic:

H+ + CH3COO- à CH3COOH Các phản ứng này làm giảm lượng hydrogen ion trong dung dịch và

ổn định pH về gần giá trị pH ban đầu của dung dịch

Nếu nhiều ion OH-, lúc này acid acetic sẽ bị phân ly thành anion acetat và hydrogen ion Các hydrogen ion này sẽ kết hợp với các ion OH-

bị thêm vào thành phân tử H2O:

Và như vậy lượng hydrogen ion cũng gần như không đổi

(có khả năng thay đổi lượng hydrogen ion) có trong dung dịch Nồng độ của dung dịch đệm được xác định nhờ vào nồng độ của acid yếu và baz liên hợp của nó

Ví dụ: đệm acetat 0,2M có thể bao gồm: 0,1 mol acid acetic và 0,1 mol natriacetat trong 1 lít nước Tương tự như vậy đệm acetat này cũng

có thể bao gồm: 0,05 mol acid acetic và 0,15 mol natriacetat trong 1lít nước Dung dịch đệm có tác dụng hiệu quả nhất là dung dịch có nồng độ của cả hai thành phần là như nhau

Mặc dầu vậy vẫn có ngoại lệ Trong trường hợp của đệm bicarbonat, một trong những dung dịch đệm thường gặp, thì có một độ lệch quan trọng trong tỷ lệ Khả năng đệm cao nhất của dung dịch này khi pKa = 6,1 (độ pKa ít gặp tại các dung dịch đệm của cơ thể sống)

Các dạng dung dịch đệm thường gặp trong cơ thể sống:

- Đệm bicarbonat: thường gặp trong thận pKa = 6,1 Ở dạng:

CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+

- Đệm phosphat: thường gặp trong dịch của tế bào pKa = 7,2 Ở dạng:

H2PO4- H+ + HPO4Dihydrogen phosphat Hydrogen phosphat Đệm protein: pKa = 7,4 Bao gồm các acid amin, polypeptid, protein dạng ion phụ thuộc vào từng cơ thể, vào từng thành phần mà dung dịch đệm này hiện diện Đây là dung dịch đệm thường gặp nhất và cũng là dung dịch đệm tốt nhất của cơ thể sống

2-2.4.3 Phương trình Henderson - Hasselbalch

Đây là một phương trình thường được sử dụng để xác định xem ta sẽ

sử dụng dung dịch đệm nào cho phù hợp Phương trình này đã hòa nhập được khái niệm pH và pKa

Với phản ứng phân ly :

HA H+ + A

-Ta có:

Vậy nồng độ hydrogen ion sẽ là:

Lấy (-) log của cả hai vế, ta có:

Theo định nghĩa, – log[H+] = pH, và – log Ka = pKa Vậy ta có thể viết lại như sau:

Nếu ta đảo ngược phân số trong hàm log, thì phương trình sẽ được viết lại như sau:

Đây chính là phương trình Henderson – Hasselbalch

Hãy nhớ rằng, khi [A-] = [HA] , thì phương trình được viết như sau:

pH = pKa + log 1 = pKa + 0

Ví dụ về cách tính độ pH: Hãy tính pH của dung dịch đệm acetat khi

trộn dung dịch acid acetic 0,25M với natriacetat 0,1M Biết pKa của acid acetic là 4,76

Bài giải:

Ta có:

Vậy pH của dung dịch đệm sẽ là 4,36

]HA[

]A][

H[

+

-=

]A[

]HA[K]H

+ =

-] A [

] HA [ log K log ] H

] HA [ log pK

] A [ log pK

-3643980764250

1076

,

,log,

]acetic acid[

]acetat[logpK

thẩm thấu của nước ngang qua thành tế bào Chính vì vậy ta sẽ chủ yếu

đề cập đến tính chất này

2.5.1 Áp suất thẩm thấu

Thẩm thấu là một quá trình mà trong đĩ các phân tử hịa tan đi ngang qua một màng bán thấm từ dung dịch cĩ nồng độ thấp sang dung dịch cĩ nồng độ cao hơn Các lỗ trên màng bán thấm đủ rộng để các phân tử hịa tan mong muốn đi qua, nhưng cũng đủ hẹp để các phần tử lớn hơn khơng

đi qua được Độ chênh lệch nồng độ càng cao thì tốc độ thẩm thấu càng nhanh Độ chênh lệch nồng độ giữa hai phần của màng bán thấm tạo nên một áp suất thẩm thấu

Áp suất thẩm thấu cĩ khả năng làm ngưng dịng chảy của nước đi qua thành tế bào của cơ thể sống Áp suất thẩm thấu tạo nên một lực rất lớn đối với cơ thể sống Ví dụ: tạo nên dịng chảy ngược của nhựa cây trong cây

Áp suất thẩm thấu (p) phụ thuộc vào nồng độ của các chất hịa tan

Và (p) được tính như sau:

p = MRT Với: M: nồng độ phân tử gam

R: hằng số = 0,082 L.atm/K.mol

T: độ Kelvin Nồng độ của dung dịch khi tạo thành sự thẩm thấu được gọi là nồng

độ thẩm thấu, được tính theo đơn vị osmol Nồng độ thẩm thấu được tính theo cơng thức:

tanchất tửphân

tử phầnsốgam

tử phânđộnồngthấu

thẩm

độ

Nếu như ta đặt các tế bào vào trong dung dịch có nồng độ thấp hơn nồng độ của dịch trong tế bào, thì lúc này nước sẽ đi vào bên trong tế bào

và tế bào sẽ bị phình ra cuối cùng sẽ bị nứt ra Các dung dịch này được gọi là “dung dịch nhược trương – hypotonic”

Trong dung dịch ưu trương “hypertonic”, loại dung dịch có nồng độ cao hơn dịch trong tế bào, các tế bào sẽ bị co lại do nước từ trong tế bào

bị thẩm thấu ngược ra ngoài Ví như các tế bào máu trong dung dịch NaCl 3%

Tùy theo mục đích mà ta sẽ tạo ra một môi trường tương ứng ở xung quanh tế bào

Tuy nhiên, trong thực tế, ngoài hiện tượng thẩm thấu các tế bào còn

bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác Ví dụ như hiện tượng thẩm thấu ở trên chỉ đúng với nước, các ion và các chất hữu cơ có kích cỡ nhỏ, các chất có khả năng đi qua các lỗ trên thành tế bào Nhưng với các protein, đây là các phân tử có kích cỡ lớn mà có khả năng đi qua thành tế bào, lúc này hiện tượng diễn ra hoàn toàn khác Trước tiên ta phải thấy rằng, thành tế bào có cấu trúc hoàn toàn không như một màng lọc, chỉ có các lỗ với các kích cỡ nhất định Nó còn có khả năng cho thẩm thấu ngược các loại ion, các dạng chất dinh dưỡng và các chất thải qua nó Đây chính là

- Thiết lập điện thế màng tế bào

Nhờ vào hiệu ứng Donnan mà tế bào sống luôn ổn định về sự thẩm thấu trong điều kiện bình thường, và có khả năng tạo ra sự thẩm thấu phục vụ cho bản thân tế bào

Ngoài hiệu ứng Donnan còn có rất nhiều yếu tố khác ảnh hưởng tới quá trình thẩm thấu của tế bào

2.6 HOẠT ĐỘ CỦA NƯỚC VÀ ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT HẤP THỤ 2.6.1 Hoạt độ của nước (A w )

Giá trị của thực phẩm, tính chất cảm quan cũng như độ bền của các sản phẩm khi bảo quản phụ thuộc vào các thành phần vô cơ và hữu cơ, trong đó nước đóng vai trò quyết định Từ những năm 1952, W J Scott

đã đưa ra kết luận rằng chất lượng của thực phẩm được bảo quản không phụ thuộc vào hàm lượng nước mà phụ thuộc vào hoạt độ nước

Họat độ nước được tính theo công thức sau:

Aw = P/Po P: áp suất hơi bão hoà của dung dịch (thực phẩm) ở nhiệt độ T

Po: áp suất hơi bão hoà của dung môi nguyên chất ở cùng nhiệt độ Họat độ nước nguyên chất bằng 1 đơn vị Hoạt độ nước của một dung dịch hay một thực phẩm luôn luôn nhỏ hơn 1 Ở điều kiện cân bằng có sự bằng nhau giữa hoạt độ nước của một dung dịch hay một thực phẩm và

áp suất hơi tương đối do dung dịch hay thực phẩm tạo ra trong khí quyển kín bao quanh nó

Aw = độ ẩm tương đối /100

Ở điều kiện cân bằng, cũng có sự tương đương giữa độ ẩm tương đối của không khí và hoạt độ nước của thực phẩm đặt trong không khí đó

Từ đó ta có thể thấy, hoạt độ nước phụ thuộc vào độ ẩm hay tổng lượng nước có trong thực phẩm đó Sản phẩm có hàm ẩm cao thường chứa nhiều nước tự do, do đó hoạt độ nước cao

Hoạt độ nước có thể bị giảm không chỉ do tách nước mà còn bằng cách thêm các chất hòa tan khác nhau vào sản phẩm để làm tăng lượng nước liên kết Hoạt độ nước không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học

mà còn phụ thuộc vào trạng thái vật lý của sản phẩm

Các thực phẩm giàu protein, khi thay đổi pH và lực ion sẽ thay đổi khả năng giữ nước của thực phẩm Ở pH đẳng điện khả năng giữ nước của sản phẩm là cực tiểu nhưng ở pH cực tri khả năng giữ nước

đó, khi ở điều kiện cân bằng và tại một nhiệt độ xác định, phụ thuộc vào

độ ẩm tương đối của khí quyển bao quanh Nói cách khác, nó chỉ áp suất hơi gây ra bởi nước của một thực phẩm phụ thuộc vào chính hàm lượng nước của chính sản phẩm đó

Đường đẳng nhiệt hấp thụ và giải hấp thụ có thể thu được bằng phương pháp thực nghiệm đối với mỗi sản phẩm và ở mỗi một nhiệt độ nhất định

Để xây dựng đường đẳng nhiệt hấp thụ người ta đặt các mẫu của cùng một thực phẩm có trọng lượng đã biết trong một dãy bình kín có độ

ẩm tương đối của không khí tăng dần Để giữ cho độ ẩm không khí trong từng bình không thay đổi có thể dùng các dung dịch muối bão hòa hoặc dung dịch H2SO4 có nồng độ nhất định Còn để xây dựng đường đẳng nhiệt giải hấp thụ thì lại đặt các mẫu của cùng một thực phẩm ướt có trọng lượng đã biết trong một dãy bình kín có độ ẩm tương đối giảm dần Khi đạt được cân bằng người ta đo khối lượng nước ở các mẫu Từ các số liệu thực nghiệm thu được, vẽ đồ thị W = f(Aw)

Hình 2.7. Đường đẳng nhiệt hấp thụ và giải hấp thụ

Ở vùng hoạt độ của nước nằm giữa 0 và 0,2 tương ứng với nước ở dạng liên kết mạnh, hydrate hóa trực tiếp các nhóm chức : –NH3+, –COO-(của protein), –OH (glucid) nước này không đóng băng và tồn tại trong các thực phẩm sấy khô

Khi hoạt độ của nước lớn hơn 0,3, tiếp thep lớp nước đơn phân tử, lần lượt xếp chồng lên các lớp nước khác với lực liên kết yếu dần với các thành phần vô cơ và hữu cơ của thực phẩm Nước này trở thành nước tự

do, chúng là nước ngưng tụ mao quản (trong các lỗ hổng của thực phẩm,

Aw = 0,9), nước được giữ bởi áp suất thẩm thấu (liên quan đến muối và đường)…

Hai đường cong đẳng nhiệt hấp thụ hoặc giải hấp thụ nước không trùng nhau, cùng một hàm lượng nước, sự cân bằng của giải hấp thụ tạo nên hoạt độ của nước tương ứng nhỏ hơn so với sự cân bằng của hấp thụ Hiện tượng đó được gọi là sự trễ và chỉ xuất hiện khi hoạt độ của nước > 0,2 Nguyên nhân là do sự ngưng tụ nước trong các lỗ của mao quản Các

lỗ của mao quản thực phẩm nói chung có bề mặt nhỏ hơn so với chiều sâu Do đó, áp suất cần thiết để lấp đầy cao hơn so với trường hợp các lỗ mao quản vẫn được làm trống Hiện tượng trễ thường gặp trong rau quả

2.7 HOẠT TÍNH CỦA NƯỚC VÀ CÁC PHẢN ỨNG LÀM HƯ HỎNG THỰC PHẨM

Cường độ hư hỏng của dạng sản phẩm này hay dạng sản phẩm khác

là do một loạt các yếu tố bên trong và bên ngoài gây ra mà trước hết là do hoạt độ nước của sản phẩm quyết định

Nhìn chung những sản phẩm có hoạt độ nước cao thì các quá trình sinh học chiếm ưu thế Tuy nhiên trong các sản phẩm có hàm lượng lipid nhiều thì ngay cả khi có hoạt độ nước cao thì các quá trình phi sinh học (quá trình oxy hóa) vẫn trội hơn

Đối với những sản phẩm có hàm ẩm thấp và trung bình thì các quá trình phi sinh học như sự oxy hóa và sự sẫm màu rất thường xảy ra Tốc

độ của các quá trình này phụ thuộc rất nhiều vào hoạt độ nước

2.7.1 Ảnh hưởng của hoạt độ nước đến phản ứng oxy hóa chất béo

Lipid có trong thành phần các sản phẩm thực phẩm so với những hợp phần hóa học khác kém bền vững với tác dụng của oxy khí quyển Các nghiên cứu cho thấy rằng lượng nước trong các sản phẩm thực phẩm chứa chất béo và các dạng liên kết của nước với các yếu tố cấu thành khác của sản phẩm có ý nghĩa rất lớn

phẩm, do đó hạn chế sự xâm nhập của oxy khí quyển

2.7.2 Ảnh hưởng của nước đến phản ứng sẫm màu phi enzyme

Nước cũng đóng vai trò quyết định trong phản ứng sẫm màu phi enzyme (sẫm màu cũng được xem là một trong các dạng hư hỏng của các sản phẩm thực phẩm) Sự sẫm màu có thể là do phản ứng caramen hóa, phản ứng melanodin, phản ứng giữa các sản phẩm oxy hoá các lipid với protein hoặc phản ứng thoái phân các hợp chất cacbonyl có nối kép đôi luân hợp như vitamin C Thông thường các sắc tố có màu sẫm sẽ được tạo ra trong các sản phẩm có hàm ẩm thấp hoặc trung bình khi hoạt độ nước lớn hơn 0,5

2.7.3 Ảnh hưởng của nước đến phản ứng enzyme trong các sản phẩm thực phẩm

Như chúng ta biết, enzyme xúc tác phản ứng qua hai giai đoạn:

- Liên kết enzyme với cơ chất tạo ra phức phi đồng hóa trị hoặc hợp chất axyl-enzyme

- Phân ly hợp chất này thành sản phẩm phản ứng và enzyme

Trong cả hai giai đoạn phản ứng này nước có vai trò làm tăng tính linh động của cơ chất và sản phẩm phản ứng

Trong các phản ứng thủy phân bởi enzyme nước tham gia rất tích cực, lượng nước được sử dụng trong quá trình này phụ thuộc vào số lượng và bản chất của cơ chất và enzyme

Trong các sản phẩm thực phẩm có hàm ẩm thấp, hoạt động của enzyme là rất nhỏ và có thể coi như không có vì nước tự do chưa đủ để thực hiện các phản ứng

2.7.4 Ảnh hưởng của nước đến sự phát triển của vi sinh vật

Sự thay đổi của vi sinh vật có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng của thực phẩm, hoặc góp phần bảo quản thực phẩm hoặc làm hư hỏng thực phẩm

Nước là môi trường để các loài vi sinh vật này sinh trưởng, phát triển

và thực hiện các phản ứng trao đổi chất Tuy nhiên tùy thuộc vào từng chủng loại vi sinh vật khác nhau mà nhu cầu về nước sẽ thay đổi Bên cạnh đó các yếu tố như nhiệt độ, pH, O2 và CO2 cũng như sự có mặt của các chất kìm hãm và chất bảo vệ cũng sẽ có những tác động nhất định lên

sự sống và sự phát triển của vi sinh vật

2.7.5 Ảnh hưởng của nước đến tính chất lưu biến của thực phẩm

Độ cứng, độ đàn hồi, độ dai, độ dẻo là những tính chất lưu biến của thực phẩm

Nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ rằng điều kiện ẩm của thực phẩm khô hoặc bán khô có vai trò quan trọng trong việc tạo ra tính chất lưu biến của chúng

2.7.6 Ảnh hưởng của nước đến giá trị dinh dưỡng

Nước cũng có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền của một số vitamin nhất

là những vitamin có thể hoà tan trong nước như vitamin C, B1 Hoạt độ nước càng thấp thì thời gian bảo quản những loại vitamin này càng tăng Tuy nhiên với các loại vitamin tan trong chất béo thì sự phá hủy càng giảm khi hoạt độ nước tăng

2.7.7 Ảnh hưởng của nước đến cấu trúc của rau quả tươi

Rau quả tươi chứa nhiều nước nên thường có độ căng, độ bóng và độ giòn nhất định, khác với rau quả bị héo thì teo lại do mất nước Chính áp suất trương của lượng nước bên trong tế bào đã tạo một độ căng nhất định đối với tế bào và làm tăng kích thước tế bào

2.7.8 Nước tham gia vào sự tạo cấu trúc và trạng thái của các sản

Nước còn ảnh hưởng đến khả năng tạo nhủ tương và khả năng tạo bọt của protein, từ đó tạo ra một trạng thái mới cho những thực phẩm có chứa protein Nước còn là chất hóa dẻo của tinh bột tạo độ dai, độ dẻo, độ đặc, độ trong, tạo màng, tạo sợi cho nhiều sản phẩm thực phẩm