Nước hóa học thực phẩm

CHƯƠNG 4

NƯỚC
I.

VAI TRÒ CỦA NƯỚC :
1. Vai trò của nước trong cơ thể :
1) Tham gia vào thành phần cấu trúc của tế bào: Nước có thể
liên kết với các chất keo (polime sinh học) tạo dạng hydrat hóa
tạo nên dung dòch keo. Dòch keo là thành phần chính của tế bào.
2) Dung môi: Nước là dung môi hòa tan các chất trong cơ thể vì các
chất trong cơ thể đều dễ hòa tan vào nước và là môi trường
để xảy ra các phản ứng hóa học.
3) Tham gia vào các phản ứng hóa học trong cơ thể: Có nhiều
phản ứng sinh học cần đến nước như một chất tham gia phản
ứng: phản ứng thủy phân, phản ứng hydrat hóa, phản ứng oxy
hóa khử sinh học.
4) Vận chuyển: Nhờ tính chất dễ hòa tan trong nước của các chất,
nước đóng vai trò vận chuyển các chất đến các cơ quan cần
thiết.
5) Ổn đònh nhiệt: Nước giữ nhiệm vụ điều hòa thân nhiệt và ổn
đònh nhiệt cho cơ thể. Thân nhiệt của mỗi loài sinh vật có khác
nhau chút ít nhưng lúc nào cũng phải không thay đổi. Thân nhiệt
của con người là 370C . Nhờ khả năng dễ bay hơi nên nước có
khả năng giảm nhiệt độ cho cơ thể.
6) Ổn đònh pH: Do tính điện ly yếu, nước giữ vai trò của một chất
đệm ổn đònh pH ở pH trung tính.
7) Bảo vệ:
+ Bảo vệ các tế bào, mô, các cơ quan, khớp xương nhờ phần
đệm nước ở các gian bào, dòch bào và giữa các tế bào có
tác dụng tránh các va chạm cơ học

+ Qua sự trao đổi mà cơ thể sẽ đào thải được các chất dư
thừa, cặn bã, chất độc và vi sinh vật có hại ra khỏi cơ thể.
Mọi biểu hiện đặc trưng cho sự sống có thể rối loạn khi lượng
nước trong tế bào giảm tới mức nhất đònh, và có thể dẫn
đến cái chết khi lượng nước mất hơn 12 % so vơí trọng lượng cơ
thể. Đã có thí nghiệm cho thấy rằng một người khỏe mạnh có
thể nhòn ăn đến 40 ngày nếu vẫn được uống nước , nhưng nếu
không được uống nước thì chưa tới 10 ngày đã chết. Thiếu nước
sẽ nguy hiểm đến tính mạng hơn thiếu ăn .

Sự trao đổi nước :
− Trong cơ thể người nước chiếm 65 - 70 % khối lượng cơ thể, tức
là một người nặng 70 kg thì trong đó 50 kg là nước. Nước tồn tại
chủ yếu tại bắp thòt, da, gan. Lượng nước trong cơ thể trẻ rất cao
và có xu thế giảm dần trong quá trình trưởng thành của cơ thể.

55


− Cơ thể người thường xuyên thực hiện quá trình trao đổi nước
với môi trường xung quanh. Một mặt nước được hấp thu từ môi
trường ngoài, mặt khác lại bài tiết từ cơ thể ra môi trường
xung quanh.
− Trong điều kiện thường, nhu cầu nước của một người là 2,5 lít
mỗi ngày (35g/kg thể trọng). Nhu cầu này có thể thay đổi tùy
sự thay đổi của môi trường, và sự trao đổi chất của cơ thể. Thí
dụ khi phải vận động nhiều nhu cầu nước lên đến 4 lít/ngày, hay
nhiệt độ không khí tăng thì cơ thể cần 3.5 lít/ngày. Trẻ sơ sinh có
thể cần 140g/kg thể trọng ( gấp 4 lần người lớn).
− Động vật và con người bổ sung nước từ thức uống và thức

ăn. Thí dụ trong 2.5 lít nước cần mỗi ngày thì 1 lít từ nước uống,
1.2 lít từ thức ăn và 0.3 lít trong các phản ứng nội sinh từ cơ
thể. Qua tính toán, khi oxy hóa 100g protein tạo 41ml nước , 100g
glucid tạo 55ml nước , 100g lipid tạo 107ml nước .
− Sau khi vào cơ thể, nước được chuyển nhanh tới từng mô tế bào
nhờ hệ thống tuần hoàn. Sau đó tại các cơ quan nước đổi mới
và bài xuất ra ngoài. Trong điều kiện thường ngày, cơ thể bài
xuất 2.5 lít nước trong đó 50% qua thận (nước tiểu), 13% qua
phổi(hô hấp), phần còn lại khoảng 32% sẽ bài tiết qua da (mồ
hôi). Tỉ lệ này thay đổi rất lớn tùy thuộc vào điều kiện bên
ngoài.
Thí dụ: Khi làm việc trong phân xưởng gia công nóng thì lượng mất
qua da là chủ yếu (6 – 10 lít/ngày) . Khi thời tiết lạnh, không xuất
mồ hôi được thì lượng nước bài tiết qua thận sẽ chiếm phần lớn.
− Lượng nước cần dùng được điều chỉnh bởi hệ thần kinh trung
ương. Việc tăng áp suất thẩm thấu của máu và bạch huyết sẽ
gây nên những kích thích phản xạ ở đại não và gây ra cảm
giác khát. Việc bài tiết nước cũng được kiểm tra bởi hệ thần
kinh trung ương và các tuyến nội tiết.
2. Vai trò của nước trong sản xuất thực phẩm :
Nước có mặt ở khắp nơi và tham gia vào tất cả các quá trình.
[1]. Nước là thành phần chính của hầu hết các nguyên liệu trong
sản xuất thực phẩm.
Thành phần nước của các loại nguyên liệu khác nhau
Loại
Thòt, cá

Trái cây
Rau

Nguyên liệu
Thòt heo, nguyên liệu, phần nạc
Thòt bò, nguyên liệu,
Thòt gà, các loại, không có da
Cá, phần thòt
Các loại quả mọng, anh đào, lê
Táo, đào, cam, bưởi
Đại hoàng, dâu, cà chua
Avocado, chuối, đậu Hà Lan
Củ cải đường, broccoli, cà rốt,
khoai tây
Măng tây, đậu, cải bắp, bông

Hàm lượng nước [%]
53 – 60
50 – 70
74
65 – 81
80 – 85
90
90 – 95
74 – 80
85 – 90
90 – 95

56


Lương thực

cải, rau diếp
Lúa
Ngũ cốc

13 – 14
16 -17

[2]. Xử lý nguyên liệu : nhào rửa, làm sạch, vận chuyển.
[3]. Tạo sản phẩm, xử lý sản phẩm :
-

Nước là nguyên liệu chính của sản phẩm : bia, nước giải khát,…

-

Nước tham gia phản ứng tạo sản phẩm : phản ứng thuỷ phân,…
SO3 + H2O
H2SO4
CH2 = CH2 + H2O
C2H5OH
C12H22O11 + H2O
C6H12O6 + C6H12O6
Nước tăng cường quá trình sinh học : lên men, nẩy mầm,…
Nước góp phần tăng chất lượng sản phẩm : độ bóng, độ dai, độ
mòn,…
Nước tham gia đốt nóng , làm lạnh các thiết bò, là chất tải nhiệt
trong nồi 2 vỏ, nồi thanh trùng, nồi hấp.
Thành phần nước của các loại sản phẩm khác nhau

-

Loại TP
Bia
Rượu
Sữa tiệt trùng
Sữa bột
Nước trái cây
Quả nước
đường
Mứt
Bơ, margarine
Dầu ăn
Kẹo cứng
Kẹo mềm
Kẹo dẻo

Độ ẩm [%]
92 – 95
55 – 85
75 – 85
4
80 – 90
40 – 50
15 – 40
16 – 18
0
<3
4–5
5 – 25

Loại TP
Đồ hộp thòt cá
Xúc xích, thòt
nguội
Lạp xưởng
Bánh mì
Bánh trung thu
Biscuit
Mì sợi khô
Mì ăn liền
Bún tươi
Bột ngũ cốc
Hạt cà phê rang
Mật ong

Độ ẩm [%]
60 – 70
20 – 25
15 – 20
25 – 35
15 – 25
5–6
5–7
3–4
20 – 30
12 -14
5
20

II. CẤU TẠO PHÂN TỬ NƯỚC

1. Dạng đơn phân
Công thức phân tử : H2O (M=18)
Các đám mây điện tử của O và H tạo thành dạng tứ diện, có độ
phân cực mạnh.
O và 2H tạo thành 1 tam giác cân đỉnh là O. Góc tạo thành giữa O
và 2H là 104.5o
Khoảng cách liên kết O – H là 0,96 Å

57


2. Liên kết Hydro
Liên kết hydro là liên kết yếu nhưng sự tồn tại với số lượng rất
lớn của liên kết Hydro đã làm cho nó có vai trò quan trọng trong các
quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm. Năng lượng cắt đứt liên
kết Hydro là 25 KJ/mol
Liên kết Hydro là liên kết của 2 phân tử bất kỳ qua nguyên tử H
A
H+ ----------BĐường gạch liền (___) là liên kết
ion còn đường đứt quãng (----) là
liên kết hydro
X, B là các nguyên tử có độ âm
điện cao như F, Cl, N,…
3. Liên hợp phân tử nước
Công thức: [H2O]n
với n = 1,2,3,4,…
Tạo thành do liên kết hydro giữa các phân tử nước
[H2O]2
[H2O]3
[H2O]5 một phân tử nước có thể

gắn với tối đa 4 phân tử nước
khác tạo nên cấu trúc tứ diện
[H2O]n

Quá trình
tạo liên kết nước: hydrat hóa nước
Quá trình tách liên kết nước: dehydrat hóa nước.
Hai quá trình này luôn xảy ra đồng thời và tùy thuộc trạng thái của
nước.
4. Trạng thái tồn tại của nước
Lỏng:
Trong khoảng nhiệt độ 0 – 100 oC nước ở trạng thái
lỏng (V mL)
Quá trình hydrat hóa
dehydrat hóa cùng diễn ra.
Nhiệt độ càng thấp mức độ hydrat hóa càng cao, ngược lại
ở nhiệt độ cao thì quá trình dehydrat hóa chiếm ưu thế. Ở
100oC nước sôi, các phân tử nước ở dạng đơn phân.
Khí:
Ở điểm hóa hơi (100oC) nước chuyển sang trạng thái khí ở
dạng đơn phân (P atm)
Rắn:

Tại điểm đông đặc (0o) nước đông đặc lại thành nước

đá

58

Dao động nhiệt giảm tối đa nên mức độ hydrat hóa cũng
tối đa. Mỗi phân tử H2O đều liên kết với 4 phân tử H2O
khác tạo nên cấu trúc tinh thể của nước đá: tứ diện đều
và cấu trúc rỗng

5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình liên hợp của nước
Quá trình liên hợp nước là do liên kết Hydro tạo thành, do đó yếu
tố nào ành hưởng tới liên kết hydro sẽ ảnh hưởng tới quá trình
liên hợp nước.
- Nhiệt độ làm thay đổi tốc độ dao động của các phân tử nước,
quá trình liên hợp thay đổi
- Các chất điện ly Na+, K+,Cl- có thể tạo liên kết Hydro với nước, quá
trình liên hợp nước giảm
- Các chất không phân cực làm giảm chuyển dộng nhiệt của phân
tử nước, làm tăng quá trình liên hợp nước.
III. TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC
1. Tính chất vật lý
Nước có tính chất đặc biệt hơn các chất khác vì có cấu trúc
rỗng, tồn tại liên kết hydro giữa các phân tử và các dạng liên hợp
nước tạo cấu trúc bậc cao.
Nước là dung môi trơ về mặt hóa học, có độ nhớt thấp.
Độ phân cực cao nên có thể hòa tan nhiều chất khác nhau.
Trong khoảng nhiệt độ từ 0 – 4oC, tỷ trọng của nước biến đổi
không giống các chất khác, tỷ trọng nước lỏng ở 0oC (0,9998g/mL)
lớn hơn tỷ trọng nước đá ở 0oC (0,9168g/mL)
Tính chất vật lý của nước
Tính chất

Giá trò

59


Khối lượng phân tử
Điểm nóng chảy (1atm)
Điểm sôi (1atm)
Nhiệt độ tới hạn
p suất tới hạn
Cân bằng Eutecti
Năng lượng hoá lỏng
(0OC)
Năng lượng hoá hơi
(100OC)
Nội năng

18,0153
0,000 oC
100,000 oC
273,99 oC
218,6 atm
o
0,01 C - 4,589 atm
6,012 KJ/mol
40,657 KJ/mol
50,91 KJ/
20OC

Tỷ trọng [g/mL]
Độ nhớt [Pa.s]
Sức căng bề mặt với kk

[N/m]
p suất hơi [kPa]
Nhiệt dung riêng [J/g độK]
Độ dẫn nhiệt [W/m. độK]
Nhiệt khuếch tán [m2 /s]
Hằng số điện môi

0OC
(Nước)
0.99984
1,793. 10-3
75,64. 10-3
0,6113
4,2176
0,5610
1,3. 10-7
87,90

0.99821
1,002. 10-3
72,75. 10-3
2,3388
4,1818
0,5984
1,4. 10-7
80,20

0OC (đá)
0.9168
0,6113

2,1009
2,240
11,7. 10-7
-90

- 20OC
(đá)
0.9193
0,103
1,9544
2,433
11,8. 10-7
-98

2. Các kiểu liên kết của nước trong thực phẩm
Các loại vật liệu ẩm (chủ yếu là các sản phẩm thực phẩm)
thường tồn tại ở một trong các thể sau :
(1) Thể keo: Cấu trúc cao su, có độ nhớt cao; Khi sấy khô bò co
thể tích , vẫn đàn hồi được có nghóa là khi ngâm trở lại vào
nước , nó sẽ hút nước và trở lại hình dạng ban đầu : gelatin,
adao, agar, …
(2) Thể xốp: Cấu trúc thủy tinh, dòn, dễ vỡ; Nếu khử nước vẫn
giữ thể tích cũ, không biến dạng, nhưng nước thoát ra sẽ tạo lỗ
trống làm vật liệu trở nên dòn, xốp, dễ nghiền : than , gỗ, …
(3) Thể keo xốp: Khi khử nước, nó có tính chất của cả hai thể
trên, tức là vừa đàn hồi vừa giữ hình dạng , đa số thực thể
sinh học đều ở thể này như thòt, cá, rau, …
Tùy vào mức độ gắn kết của nước với các thành phần của thực
phẩm, có thể phân biệt 3 kiểu liên kết: liên kết hóa học, liên kết
hóa lý và liên kết vật lý.

(1) Liên kết hóa học:
Liên kết ion :
Ca(OH)2 = Ca2+ + 2 OH –
Glucid: hydratcacbon, trong phân tử có nhiều nhóm OH
CH2OH
OH

H

O
H

H

OH
H

OH

60


Liên kết phân tử: Do cấu trúc phân tử , tạo ra các liên kết
với các phân tử nước, thí dụ CuSO 4.5 H2O, Na2HPO4.12H2O hay các loại
protein, acid nucleic hydrat hóa.
Nước trong liên kết hóa học bền và không mất đi trong quá trình
xử lý, chiếm khoảng 4-6% lượng nước .
(2) Liên kết hóa lý :
Nước hấp phụ: Do bản chất hóa học của các chất sống đa số
là polime, có trường lực phân tử lớn hơn nước nên dễ hấp phụ

nước lên bề mặt phân tử của mình hình thành một lớp nước
hydrat hóa. Nước hấp phụ cũng khá bền vững , muốn tách cần
phải có một năng lượng nào đó .
Nước thẩm thấu kết cấu: Ở đây có khái niệm màng bán
thấm, do các chất sống gồm các đại phân tử polime sinh học và
các tiểu phân tử (phân tử lượng nhỏ), các polime sẽ kết hợp với
nhau hình thành cấu trúc mạng gel, giống như những mạng lưới,
nước sẽ vào các lỗ hổng trên mạng, lấp đầy chúng, gọi là nước
thẩm thấu là do nước vào mạng được vì sự chênh lệch áp suất
thẩm thấu. Nước thẩm thấu tạo ra dạng keo của vật liệu do dó dễ
bò khử hơn .
Lượng nước liên kết hóa lý chiếm khoảng 10 - 25% tổng lượng
nước trong vật liệu, tuy cần năng lượng để tách ra nhưng dễ tách
hơn lượng nước liên kết hóa học .
(3) Liên kết vật lý :
Lượng nước ở dạng liên kết này chiếm 70 - 80% tổng hàm lượng
nước và rất dễ bò tách ra trong quá trình sấy. Đó là nước ở dạng
tự do.
− Nước trong mao quản: Do chênh lệch áp suất thủy tónh nước tự
do bên ngoài sẽ bò hút vào các ống mao dẫn.
− Nưóc thấm ướt bề mặt: Nước cơ học, là lượng nước dư bao phủ
toàn bộ bề mặt vật liệu, đây chính là dung môi của các dung
dòch nước .
IV. HOẠT TÍNH NƯỚC (aw : water activity)
Mỗi chất lỏng đều có một áp suất hơi bão hòa, nước và dung
dòch nước cũng vậy. Tuy nhiên áp suất hơi của dung môi nguyên
chất (nước) khác với áp suất hơi của dung dòch. Do sự tương tác
giữa các phân tử dung môi với các phân tử chất hòa tan nên
khả năng bay hơi nước của dung dòch nước kém hơn dung môi nước
nguyên chất.

Trong thực phẩm, luôn có một lượng nước nhất đònh do đó sẽ có
một áp suất hơi riêng phần của nước.
Ta gọi P0 : áp suất hơi bão hòa của dung môi nước nguyên chất
P : áp suất hơi riêng phần của nước trong dung dòch, vật
thể ẩm
n : số phân tử gam chất hòa tan
N : số phân tử gam dung môi
Biểu thức Raoult để tính hoạt tính nước sẽ là :

61


n
N +n
P0 − P ∆P
n
=
=
P0
P0
N +n

P0 − P = P0 ×

1−

P
n
=
P0 N + n

P
n
= 1−
P0
N +n
P
N
aw =
=
P0 N + n
aw gọi là hoạt tính nước của vật thể ẩm. Hoạt tính nước là tỉ số
áp suất hơi của dung dòch và dung môi. Trong thực tế P < P0 nên aw
<1
Độ ẩm: (kí hiệu W) là hàm lượng nước tự do có trong thực phẩm.
Đơn vò tính : % nước tự do trong toàn bộ khối lượng sản phẩm thực
phẩm (đo bằng phương pháp sấy tới khối lượng không đổi.
Hoạt tính nước: kí hiệu là aw , không có đơn vò tính. Hoạt tính nước
liên hệ với độ ẩm tương đối ở trạng thái cân bằng (W%) theo

aw=

W%
<1
100

công thức sau:
(Câu hỏi)
Giản đồ biểu diễn sự thay đổi vận
tốc phản ứng của các quá trình gây

hư hỏng khi bảo quản thực phẩm tùy
thuộc vào hoạt tính nước: phản ứng
oxy hóa lipid, phản ứng hóa nâu
không enzym, hoạt tính enzym, sự phát triển của nấm mốc, nấm men
và vi khuẩn.
Hoạt tính nước càng thấp thì vận tốc các phản ứng gây hư hỏng
thực phẩm càng thấp, do đó thực phẩm càng ít bò biến đổi . Tùy mỗi
loại thực phẩm, ta cần xác đònh được chỉ số a w tới hạn, là aw mà
thực phẩm có thể bảo quản được. Muốn bảo quản tốt loại thực
phẩm đó , ta phải đưa aw xuống dưới chỉ số aw tới hạn.
Các phương pháp giảm hoạt tính nước để bảo quản thực
phẩm:
Cho dòng khí có độ ẩm tương đối xác đònh đi qua vật liệu cần
điều chỉnh hoạt độ nước.
Sấy: đây là cách cổ điển, nâng nhiệt độ lên làm bay hơi
nước. Tuy nhiên không phải sản phẩm nào cũng có thể gia nhiệt
được, nhiệt độ sẽ làm thay đổi chất lượng sản phẩm.
Bổ sung các chất có khả năng hydrat hóa cao: Glucid, protein, …
các chất này sẽ kết hợp và giữ lấy lượng nước tự do làm a w giảm
xuống .

62


V.

ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ
Giới thiệu
Đường đẳng nhiệt hấp phụ là đường cong biểu diễn mối quan hệ
giữa hàm ẩm (lượng nước được giữ trong thực phẩm) và hoạt tính

nước ở điều kiện cân bằng và ở một nhiệt độ nhất đònh.
Đường cong ĐNHPï của vật liệu có độ ẩm cao

Đường
cong ĐNHP của vật liệu có
độ ẩm trung
bình
I.
aw = 0 –
0.2; nước tồn tại ở dạng liên
kết,
có độ hấp phụ mạnh và
kém
linh động nhất. Các phân tử
nước
sẽ được đònh vò với một số
nhóm
tích điện như COO-, NH3+, OH-,…,
không
đông đặc ở -40oC, không có
khả
năng hòa tan các chất tan,
và
gần như là một phần của
chất rắn. Lượng nước này chiếm khoảng 3 – 10% khối lượng
mẫu.
II.
aw = 0.2 – 0.8; nước ở dạng hấp phụ, thẩm thấu, hydrat hóa.
Độ bền liên kết không cao, các phân tử nước linh động hơn,
dễ bò tách ra hơn.

III.
aw > 0.8; bao gồm nước trong mao quản (aw = 0.9) và nước tự do
thấm ướt (aw > 0.9). Lượng ẩm có thể
lên tới 50%.
Hiện tượng trễ hấp phụ
Đường cong ĐNHPï và đường cong trễ hấp
phụ
Đường cong trễ hấp phụ biểu diễn sự biến
đổi của hàm ẩm trong quá trình khử nước
vật liệu ẩm.
Sự trễ hấp phụ chỉ xảy ra trong các vùng
liên kết yếu. Nguyên nhân do nước ở các
mao quản khó bay hơi hơn.
Các vật thể khác nhau thì có đường cong
trễ hấp phụ khác nhau, do đường kính mao
quản khác nhau.
Sự thay đổi đường đẳng nhiệt hấp
phụ theo nhiệt độ
Các đường cong ĐNHP của khoai tây tại
những nhiệt độ khác nhau: 0 – 20 – 40 – 60
– 80 – 100 oC.
63


Nhiệt độ càng tăng thì đường cong ĐNHP càng thấp vì hàm ẩm của
nguyên liệu càng thấp.

Tác dụng đường cong ĐNHP
Đường ĐNHP của các loại nguyên
liệu khác nhau

Đường cong ĐNHP cho biết trước sự
biến đổi của sản phẩm đó trong quá
trình xử lý chế biến hay bảo quản: tách
ẩm khi sấy, hút ẩm khi bảo quản, tái
làm ẩm, thay đổi nhiệt độ,… Ta có thể
lường trước về mức độ hư hỏng.

64