Mở đầu Hóa sinh thực phẩm 1. 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. 18 Hóa sinh thực phẩm Chương 2.
Nước CHƯƠNG 2. VAI TRÒ CỦA NƯỚC TRONG ĐỜI SỐNG VÀ SẢN XUẤT THỰC PHẨM 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 O2 Trong 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. 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.
Nước Hóa sinh thực phẩm 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. 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). 20 Hóa sinh thực phẩm Chương 2.
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. Nước Hóa sinh thực phẩm Hình 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. 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. 22 Hóa sinh thực phẩm Chương 2.
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. Tại áp suất 220 atm, nhiệt độ 374oC, ta có điểm tới hạn của nước (điểm C, hình 2. 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. Nước Hóa sinh thực phẩm Hình 2.
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.