Вода в биологических и пищевых системах

В живой природе вода всегда находится в смеси с другими молекулами. В зависимости от природы погруженных в воду молекул возникают разные взаимодействия.

С гидрофильными веществами (от греч. hydor — вода и philia — любовь) молекулы воды образуют ион-дипольпые и диполь-дипольные взаимодействия. И в том и другом случае получаются структуры, отличные от структуры чистой воды.

В ион-дипольных взаимодействиях результат зависит от силы электрического поля, образуемого ионом. Ионы, обладающие сильным электрическим полем, ориентируют вокруг себя по 4—6 молекул воды. То есть упорядоченность молекул воды вблизи иона становится больше, чем в чистой воде. Такую гидратацию называют положительной гидратацией. Она характерна для Na Li*, Са" и др. Ионы с небольшим электрическим полем обладают отрицательной гидратацией, так как упорядоченность молекул воды вблизи таких ионов меньше, чем в чистой воде (рис. 2.6). Она характерна для К СГ, Г и др.

Диполь-дипольные взаимодействия менее прочные, чем ион-дипольные, но ориентация водородных связей, образованных различными полярными группами (НО—, =С=0 и др.), иная, чем в чистой воде. Кроме того, подвижность молекул воды, соединенных диполь-дипольными контактами, уменьшается. Такая вода становится связанной с молекулами вещества.

Рис. 2.6. Уплотнение и разряжение молекул воды вокруг ионов.

Гидрофобные вещества (от греч. phobos — боязнь, страх), попадая в воду, также меняют ориентацию ее молекул. По определению, гидрофобные молекулы имеют чуждую воде природу. Поэтому, оказавшись в водной среде, они пытаются «спрятаться», уменьшая поверхность соприкосновения с водой. Это возможно только с образованием шарообразных форм, которые имеют минимальную поверхность. Молекулы воды при этом образуют своеобразную сетку вокруг гидрофобного элемента, включая его в водную среду. Однако ориентация молекул воды относительно произвольная и не отличается регулярностью (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Ориентация молекул воды на поверхности гидрофобного вещества.

Экстремальный случай упорядочения воды в присутствии гидрофобных соединений — образование клатратов (от лат. clatratus — защищенный решеткой), которые возникают только при близких к (ГС температурах. В клатратах молекулы воды реализуют все свои водородные связи, формируя своеобразный кристалл, внутри которого заключены неполярные молекулы^[1].

Неполярные группировки обнаруживаются практически во всех белках, хотя в целом эти соединения проявляют гидрофильные свойства. Гидрофобные молекулы содержатся в большинстве пищевых продуктов. Поэтому клатратные структуры имеют определенное значение и в живой природе, и в пищевых технологиях.

В биологических системах, и пищевых в частности, присутствуют различные биополимеры: белки, гомои гетероолигосахариды, НК. Между водой и их молекулами возникают все описанные типы взаимодействий. Сила этих контактов ослабляется по мере удаления от поверхности растворенного вещества. Поэтому по отношению к погруженному в воду веществу ее подразделяют на свободную и связанную. Особенности этих разновидностей воды показаны в табл. 2.2.

Различия свободной и связанной воды.

Связанная вода, которая находится в непосредственном контакте с неводным компонентом, наиболее прочно удерживается им водородными связями, и образует мономолекулярный слой {монослой). К молекулам воды монослоя диполь-дипольными контактами присоединяются молекулы окружающей воды и образуют диффузный слой {мулътислой) связанной воды. В целом оба слоя — мономолекулярный и диффузный формируют гидратную или гидрофильную оболочку на поверхности растворенных частиц (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Формирование гидрофильной оболочки.

Структура монослоя подобна структуре льда, так как максимально упорядочена. Прочность взаимодействий в диффузном слое несколько меньше, чем в монослое, поэтому и упорядоченность не такая высокая, но свойства диффузного слоя существенно отличаются от свойств свободной воды.

• [1] Финкелъштейн А. В.

  Введение

  в физику белка. Курс лекций 1999—2000 гг. URL: http://phys.protres.ru/lectures/protein_physics/105.html