บทที่ 1 น้ำ (H2O)

ความสำคัญของน้ำ เป็นสารประกอบที่มีอยู่ในอาหาร ทั่วไปมี 2 ลักษณะ คือ น้ำตามธรรมชาติ และน้ำในอาหาร เป็นองค์ประกอบที่สำคัญภายในเซลล์พืชและสัตว์ H2O 70% H2O 90%

ตารางที่ 1 : ปริมาณน้ำในอาหารชนิดต่างๆ น้ำ (%) เนื้อหมู (ดิบ) เนื้อวัว (ดิบ) เนื้อไก่ (ดิบ) เนื้อปลา (ดิบ) ผลไม้สดชนิดต่างๆ ผักสดชนิดต่างๆ เบียร์ 53-60 50-70 70-74 65-81 80-95 75-95 90 น้ำนม เนยแข็ง ขนมปัง แฮม น้ำผึ้ง แป้งสาลี นมผง 87 37 35 28 20 12 4

ความสำคัญของน้ำ (ต่อ) ทำหน้าที่เป็นตัวพาสารอาหารและสารที่ต้องถูกขับทิ้ง ทำหน้าที่เป็นตัวทำละลายสารต่างๆ ทำให้อาหารเกิดปฏิกิริยาทางเคมี มีผลให้อาหารเน่าเสีย เป็นตัวกลางสำคัญสำหรับการถ่ายเทความร้อน เป็นตัวทำให้เกิดคอลลอยด์

ระบบคอลลอยด์ Thomas Graham : พบว่า สารละลายของสารประกอบบางชนิด เช่น โปรตีน พอลิแซ็คคาไรด์ ไม่สามารถซึมผ่านเมมเบรนได้ ถ้านำสารละลายไประเหยจะได้ของแข็งที่ไม่มีรูปร่าง (amorphous solid) ซึ่งค่อนข้างเหนียว แต่สารประกอบบางชนิด เช่น น้ำตาลและเกลือชนิดต่างๆ เมื่ออยู่ในรูปสารละลายสามารถซึมผ่านเมมเบรนได้ และระเหยน้ำออกได้ผลึก

โครงสร้างของน้ำ Tetrahedral configuration

โครงสร้างของน้ำแข็ง Hexagonal crystal lattice

สมบัติทางกายภาพของน้ำ 1. จุดหลอมเหลวและจุดเดือด : ที่ความดัน 1 บรรยากาศ น้ำมีจุดหลอมเหลว 0 o C และมีจุดเดือด 100 o C : โมเลกุลของน้ำค่อนข้างคงตัว ทำให้มีสมบัติทางกายภาพต่าง จากสารอื่นที่มีน้ำหนักโมเลกุลใกล้เคียงกัน

ตารางที่ 2: การเปรียบเทียบสมบัติของน้ำกับสารประกอบอื่น ชื่อสาร สูตรโมเลกุล น้ำหนักโมเลกุล จุดหลอมเหลว (o C) จุดเดือด มีเทน แอมโมเนีย น้ำ ไฮโดรเจนฟลูโอไรด์ CH4 NH3 H2O HF 16 17 18 20 -184 -78 -92 -161 -33 100 19

สมบัติทางกายภาพของน้ำ (ต่อ) 2. ความร้อนจำเพาะ (specific heat) : น้ำมีความร้อนจำเพาะสูง : ดูดและคายความร้อนได้ดี ขณะที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย 3. ความหนาแน่น : อัตราส่วนของน้ำหนักต่อหน่วยปริมาตร (g/cm3)

สมบัติทางกายภาพของน้ำ (ต่อ) 4. ความร้อนแฝงในการหลอมเหลวและการเกิดไอ (latent heat of fusion and heat of vaporization) : ความร้อนแฝงในการหลอมเหลวของน้ำ หมายถึง จำนวนพลังงานเป็นแคลอรีที่สามารถเปลี่ยนน้ำแข็ง 1 กรัม ที่ 0 o C เป็นของเหลวที่อุณหภูมิเดียวกัน : น้ำจะมีค่าเหล่านี้สูง เนื่องจากมีแรงยึดของพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำ

สมบัติทางกายภาพของน้ำ (ต่อ) 5. การนำความร้อน (heat conductivity) : น้ำเป็นตัวนำความร้อนที่ดี 6. ความหนืด (viscosity) : น้ำจะมีความหนืดลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

สมบัติทางเคมีของน้ำ 1. การแตกตัวของน้ำ (dissociation of water)

สมบัติทางเคมีของน้ำ 2. ค่าความเป็นกรด-ด่าง (pH) : power of hydrogen : หมายถึง the negative log of the hydrogen ion concentration (เป็นการวัดค่าความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน หรือ ความเป็นกรดด่างของสารละลายนั้น) pH = -log [H+] : ที่ 25 o C น้ำบริสุทธิ์มีความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน 10 -7 โมล

สมบัติทางเคมีของน้ำ H2O + triglyceride fatty acid + glycerol 3. การเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส เช่น H2O + dipeptide amino acid H2O + triglyceride fatty acid + glycerol H2O + sucrose glucose + fructose

3. การเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส

น้ำกระด้าง (hard water) น้ำที่มีเกลือของแร่ธาตุต่างๆ ละลายอยู่ แบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ 1. น้ำกระด้างชั่วคราว (temporary hardness) : น้ำกระด้างที่มีเกลือคาร์บอเนตของแคลเซียมหรือแมกนีเซียมปนอยู่ H2O + CO2 H2CO3 H2CO3 + CaCO3 Ca(HCO3)2

น้ำกระด้าง (hard water) 2. น้ำกระด้างถาวร (permanent hardness) : น้ำกระด้างที่มีเกลือแคลเซียมและแมกนีเซียมซัลเฟตละลายปนอยู่ ไม่สามารถลดความกระด้างได้โดยการต้ม : ความกระด้างของน้ำพิจารณาจากปริมาณของแคลเซียมคาร์บอเนตหรือแคลเซียมไอออนที่ละลายอยู่ในน้ำ น้ำอ่อนมี 50 ppm น้ำกระด้างปานกลาง 100 ppm น้ำกระด้างมาก 200 ppm

ข้อเสียของน้ำกระด้าง 1. ทำให้สบู่ไม่เกิดฟอง 2. น้ำกระด้างชั่วคราว ทำให้เกิดตะกรัน Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O 3. นำไปแปรรูปอาหารจะมีผลต่อสี

การปรับปรุงคุณภาพน้ำ 1. การกรอง : ทำให้น้ำใสโดยผ่านเครื่องกรองที่ประกอบด้วยสารที่ใช้ดูดซับ ความขุ่น 2. การแก้ความกระด้าง : การต้มกลั่น : การแลกเปลี่ยนประจุ : การดึงแร่ธาตุออกจากน้ำ : การใช้ไลม-โซดา

การแลกเปลี่ยนประจุ Ca2+ Na2Z CaZ 2Na2+ +2NaCl CaCl2 Ca(HCO3)2 H2Z นำไปใช้ใหม่ ตกตะกอน Ca(HCO3)2 H2Z 2H2CO3

การดึงแร่ธาตุออกจากน้ำ H2Z + Na2SO4 Na2Z H2SO4 + Resin R.H2SO4

1. การใช้ไลม แก้ความกระด้างชั่วคราว 2. การใช้ไลม แก้ความกระด้างถาวร การใช้ไลม-โซดา 1. การใช้ไลม แก้ความกระด้างชั่วคราว Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3 2H2O 2. การใช้ไลม แก้ความกระด้างถาวร Ca2SO4 Na2CO3 + CaCO3 Na2SO4

ชนิดของน้ำในอาหาร น้ำในอาหารแบ่งออกเป็น 3 ชนิด 1. monolayer water (very tightly bound : true bound water) : เป็นน้ำที่มีความคงตัวมากยึดเกาะกันอย่างเหนียวแน่น 2. capillary water : อยู่ในโครงสร้างของเนื้อเยื่อ 3. free water (loosely bound water) : น้ำอิสระ นำมาทำตัวทำละลายได้

Water activity (aw) aw = p/ po aw = ERH /100 Raoult’s law : ตัวถูกละลายจะลดความดันไอของน้ำในอาหาร ทำให้ aw ลดลง aw = ERH /100 : ERH (equilibrium relative humidity)

Sorption isotherm

ผลของ aW ที่มีต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา

Lipid oxidation 1. Initiation RH+O2 R +H 2. Propagation R ROO ROO +RH ROOH+ R 3. Termination R + R ROOR O2

จุลินทรีย์ที่ถูกยับยั้ง water activity (aW) จุลินทรีย์ที่ถูกยับยั้ง ตัวอย่างอาหาร 0.950 Pseudomonas, Escherichia, Shigella, Bacillus, Clostridium perfringens, ยีสต์บางชนิด อาหารที่เน่าเสียง่าย 0.910 Salmonella, Vibrio parahaemolyticus, C. botulinum, Serratia, Lactobacillus, ราบางชนิด แฮม น้ำผลไม้เข้มข้นซึ่งมีน้ำตาล 55% โดยน้ำหนัก หรือ มีเกลือ (NaCl) 12% 0.870 ยีสต์หลายชนิด มาการีน Sponge cake อาหารซึ่ง มีน้ำตาล 65% โดยน้ำหนักหรือ มีเกลือ (NaCl) 15%

จุลินทรีย์ที่ถูกยับยั้ง water activity (aW) จุลินทรีย์ที่ถูกยับยั้ง ตัวอย่างอาหาร 0.800 Staphylococcus aureus น้ำผลไม้เข้มข้นเกือบทุกชนิด นมข้นหวาน ข้าว แป้ง เค้กผลไม้ เค้กที่ใส่น้ำตาลมาก 0.750 Mycotoxigenic aspergilli แยม มาร์มาเลด 0.650 Xerophilic molds เยลลี่ โมลาส ถั่ว ผลไม้อบแห้ง บางชนิด 0.600 Osmophilic yeasts และ ราบางชนิด ผลไม้แห้งความชื้นประมาณ 15-20% น้ำผึ้ง ทอฟฟี่คาราเมล

จุลินทรีย์ที่ถูกยับยั้ง water activity (aW) จุลินทรีย์ที่ถูกยับยั้ง ตัวอย่างอาหาร 0.500   จุลินทรีย์ไม่สามารถเจริญเติบโตได้ เครื่องเทศความชื้นประมาณ 10% ก๋วยเตี๋ยวความชื้นประมาณ 12% 0.400 ไข่ผง ความชื้นประมาณ 5% 0.300 คุ้กกี้ แครกเกอร์ ความชื้นประมาณ 3-5%

ระบบคอลลอยด์ Thomas Graham : พบว่า สารละลายของสารประกอบบางชนิด เช่น โปรตีน พอลิแซ็คคาไรด์ ไม่สามารถซึมผ่านเมมเบรนได้ ถ้านำสารละลายไประเหยจะได้ของแข็งที่ไม่มีรูปร่าง (amorphous solid) ซึ่งค่อนข้างเหนียว เรียกว่า “คอลลอยด์ (colloids)” แต่สารประกอบบางชนิด เช่น น้ำตาลและเกลือชนิดต่างๆ เมื่ออยู่ในรูปสารละลายสามารถซึมผ่านเมมเบรนได้ และระเหยน้ำออกได้ผลึก เรียกว่า “คริสทอลลอยด์ (crystalloids)”

ลักษณะของคอลลอยด์ ระบบคอลลอยด์สามารถแบ่งออกได้ 2 ส่วน 1. ส่วนที่เป็นอนุภาคคอลลอยด์ (colloids particle) : discontinuous dispersed phase, internal phase, micelles 2. ส่วนที่เป็นตัวกลางให้อนุภาคคอลลอยด์กระจายตัว : continuous dispersion medium, external phase, intermicellar liquid

ขนาดของอนุภาคในสารละลาย ขนาดของอนุภาคในสารละลายสามารถแบ่งออกได้ดังนี้ 1. สารละลายที่จัดเป็นคริสทอลลอยด์ หรือสารละลายแท้ (true solution) : ขนาดอนุภาคจะต้องเล็กกว่า 10 Aº 2. สารละลายที่จัดเป็นคอลลอยด์ : อนุภาคมีขนาดระหว่าง 10-1,000 Aº 3. สารละลายที่มีขนาดอนุภาคใหญ่กว่า 100 มิลลิไมครอน : เมื่อวางทิ้งไว้จะตกตะกอน เรียกว่า “course suspension”

ตารางที่ 3 : ระบบคอลลอยด์ที่พบในธรรมชาติ อนุภาคคอลลอยด์ ตัวกลาง ชื่อระบบ ตัวอย่าง 1. ของแข็ง 2. ของแข็ง 3. ของแข็ง 4. ของเหลว 5. ของเหลว 6. ของเหลว 7. แก๊ส 8. แก๊ส ของแข็ง ของเหลว แก๊ส solid sol lyosol/sol solid aerosol solid emulsion emulsion liquid aerosol solid foam foam

สมบัติของคอลลอยด์ 1. อนุภาคมีขนาดระหว่าง 1-100 มิลลิไมครอน 2. มองเห็นได้ด้วยกล้องอัลตราไมโครสโคป 3. ไม่สามารถซึมผ่านเมมเบรนได้ 4. มีประจุไฟฟ้าอยู่ที่ผิว 5. อนุภาคคอลลอยด์มีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาโดยอาศัย brownian movement 6. อนุภาคคอลลอยด์มีอัตราส่วนของพื้นที่ผิวต่อมวลมาก

ระบบคอลลอยด์ที่พบในอาหาร ระบบคอลลอยด์ที่พบในอาหารมี 4 ชนิด ได้แก่ 1. ของแข็งในของเหลว (solid in liquid) เรียกว่า suspension 2. ของเหลวในของเหลว (liquid in liquid) เรียกว่า emulsion 3. แก๊สในของเหลว (gas in liquid) เรียกว่า foam 4. แก๊สในของแข็ง (gas in solid) เรียกว่า solid foam

suspension solid in liquid อนุภาคของแข็งต้องเล็กมากเพื่อลดการรวมตัวกัน เมื่ออนุภาคกระจายตัวอยู่ในของเหลว จะทำให้อนุภาคเปียก แล้วเกิดแรงยึดติดกัน (adhesive force) เมื่ออนุภาคเปียกทั่วทั้งหมด (true wetting) แรงตึงผิวก็จะหมดไป อาจเป็นได้ทั้งเจล (gel) และ ซอล (sol)

การเปลี่ยนแปลงจาก sol เป็น gel Aggregate : Add cross-linking to consolidate the structure Random coil : Predominant in sol Double helix : provides Cross-linking junctions cool heat cool heat

emulsion

foam ฟิล์มบางๆ ของของเหลว จะล้อมรอบฟองอากาศขนาดเล็ก ทำให้เกิดโฟม ที่พบในอาหาร ได้แก่ โฟมของไข่ขาว โฟมของเจลาติน โฟมของผลิตภัณฑ์นม

Gas in solid : solid foam