14.8.2: Продукти харчування - Виробництво харчових інгредієнтів

  • Автор: Ед Вітц, Джон В. Мур, Джастін Шорб, Ксав'є Прат-Ресіна, Тім Вендорф та Адам Ган
  • ChemPRIME у Цифровій бібліотеці з хімічної освіти (ChemEd DL)

Дотепер ви дізналися про рН у розчинах, де до води додавали або одну кислоту, наприклад, лимонну кислоту, або одну основу, таку як цитрат-іон. Тепер давайте розглянемо розчини, приготовані як з кислотою, так і з основою. Найпростіший випадок такого розчину трапляється, коли кислота та основа з'єднуються між собою, а також містяться у порівнянних кількостях. Називаються рішення цього особливого роду буферні розчини оскільки важко змінити їх рН, навіть коли додається значна кількість сильної кислоти або сильної основи.

харчування

Чому буферні розчини важливі в продуктах харчування?

Буферні розчини в продуктах харчування відіграють важливу роль у підтримці певних значень рН для оптимальної активності ферментів, розчинності білка та функціональності. Як обговорювалося в попередніх прикладах, рН може також змінювати колір та смак продуктів, і це є критичним фактором збереження багатьох оброблених харчових продуктів. Буферні розчини також використовуються як реакційні середовища у виробництві харчових інгредієнтів та добавок. Загальний контроль рН є головним фактором підтримки фізичної, хімічної та мікробіологічної стабільності харчових продуктів.

Їжа містить численні сполуки, здатні утворювати буферні системи. Молекули з кислотно-лужними властивостями, які природно містяться в продуктах харчування, включають амінокислоти, органічні кислоти, білки та заряджені полісахариди. Інші буферні системи навмисно додаються до оброблених харчових продуктів, прикладами яких є слабкі кислоти, що обговорюються при рН слабких кислот у продуктах харчування, та відповідні їм кон'юговані основи.

Як ми обчислюємо рН буферних розчинів?

Як приклад буферного розчину розглянемо розчин, отриманий при додаванні 3,00 моль лимонної кислоти (H3C6H5O7) та 2,00 моль цитрату натрію (NaH2C6H5O7) до достатньої кількості води для отримання розчину загальним об’ємом 1 дм³. Стехіометрична концентрація лимонної кислоти, а саме, сa, тоді становить 3,00 моль дм –3, тоді як стехіометрична концентрація цитрату натрію, cb, становить 2,00 моль дм –3. В результаті змішування двох компонентів, дещо з лимонної кислоти, скажімо х моль дм –3, перетворюється на цитрат-іон та іон гідронію. Тепер ми можемо скласти таблицю, щоб звичайними способами знайти рівноважні концентрації.

Початкова концентрація

Зміна концентрації

Рівноважна концентрація

або

Оскільки х становить лише 0,1 відсотка 2,00 або 3,00, наближення є дійсним, і немає необхідності отримувати друге наближення годуванням х назад у рівняння (1). Таким чином, ми можемо зробити висновок, що і Цей приклад демонструє дві очевидні особливості: 1 Коли кислота та її кон’югатна основа змішуються, дуже мало кислоти перетворюється на основу, або навпаки. (х невелика порівняно з 2,00 та 3,00).

2 У буферній суміші концентрація гідроній-іонів та гідроксид-іонна концентрація невеликі порівняно з концентрацією кислоти та кон'югованої основи. ([H3O +] = 2,7 × 10 –5 моль дм –3; [HO -] = 3,7 × 10 –10 моль дм –3 порівняно з [H2C6H5O7 -] = 2,00 моль дм –3 та [H3C6H5O7] = 3,00 моль дм –3)

Рівняння Хендерсона-Хассельбаха

Припускаючи, що вищезазначені функції є загальними для всіх буферних рішень, ми робимо їх дуже простими для обробки з математичної точки зору. Давайте тепер розглянемо загальну проблему пошуку рН буферного розчину, який є сумішшю слабкої кислоти HA, стехіометричної концентрації ca, і його спряжена основа A -, стехіометричної концентрації cb. Ми можемо переставити вираз для Ка слабкої кислоти (рівняння 2 щодо рН розчинів слабких кислот) наступним чином:

(2) Беручи від’ємні логарифми обох сторін, отримуємо (3) Рівняння (3) називається Рівняння Хендерсона-Хассельбальха і часто використовується хіміками та біологами для розрахунку рН буфера.

Як ми бачили у випадку описаного раніше буфера лимонної кислоти та цитрату натрію, рівноважні концентрації НА та А - зазвичай майже ідентичні стехіометричним концентраціям. Це,

і

Ми можемо підставити ці значення в рівняння. (2) та (3), щоб отримати дуже корисні наближення (4) та (5)

Приклад \ (\ PageIndex \) рН буфера

Розрахуйте рН буфера, що містить 3,93 г NaH2PO4 і 4,31 г Na2HPO4, на 450 мл розчину

Рішення: Спочатку нам потрібно розрахувати концентрацію як кислоти (NaH2PO4), так і основи (Na2HPO4) у розчині. Для NaH2PO4 маємо, що кількість родимок становить

і його концентрація і для Na2HPO4

Що означає, що концентрації H2PO4 - та HPO4 2– становлять відповідно 7,27 x 10 –2 моль дм –3 та 7,55 x 10 –2 моль дм –3. Використовуючи ці значення та pКа2= 7,21 для пари H2PO4 -/HPO4 2– (розраховано з Ka2) у рівнянні Хендерсона Хассельбаха рН буфера стає

Фосфатні буфери допомагають контролювати рН фізіологічних рідин і часто використовуються в газованих безалкогольних напоях.

Буферні розчини та виробництво харчових інгредієнтів

Іншим прикладом важливості буферів у їжі є виробництво харчових інгредієнтів та біоактивних сполук, отриманих з продуктів харчування. За останні кілька років було опубліковано численні наукові праці щодо ферментативної модифікації харчових білків для поліпшення їх функціональних, сенсорних та біодоступних властивостей. Буферні розчини використовуються для проведення ферментативних реакцій, що підтримують рН для оптимальної активності ферментів протягом усього процесу.

Як приклад ферментативної модифікації харчових білків ми маємо олігомеризацію молочних білків. Ферменти, що використовуються в цьому процесі, включають транглутаміназу, пероксидазу, лаказу, моноаміноксидазу та тирозин. Вони діють шляхом окислення ароматичних та сірковмісних залишків амінокислот та зв’язування окислених білкових груп. Буферні системи для цих ферментів включають декагідрат борату натрію, фосфат калію, трис, сукцинат та фосфат натрію. [1]

Олігомеризація з лактопероксидазою, ліпоксигеназою та β-галактозидазою білків молока значно посилюється при проведенні в буферних розчинах замість демінералізованої води. Ступінь олігомеризації і, отже, розмір отриманих молекул залежить від буферної системи. Окрім очікуваного впливу на тривимірну структуру та каталітичну активність ферменту та субстрату, буфери продемонстрували подальший вплив на олігомеризацію молочних білків, схоже, існує бурна взаємодія між буфером, білком та ферментом, що враховує різниця в молекулярній масі олігомерів. [1] Крім того, спостерігається полімеризація гемоглобіну та білків молока в боратних та фосфатних буферах без додавання ферменту. [2] [3]

Борна кислота

Приклад \ (\ PageIndex \): Буферне рішення

Який рН розчину, приготованого змішуванням 250 мл 0,5 М борної кислоти (B (OH) 3 (H2O)) і 750 мл 0,8 M борату натрію (NaB (OH) 4)?

Оскільки і кислота, і основа розбавлялися при приготуванні розчину, нам потрібно розрахувати їх концентрації з новим об’ємом 1000 мл = 1 дм 3 .

Використання стосунків

Нова концентрація стає Отже, для борної кислоти ми маємо

Аналогічно для борату The Ка для рівноваги З нашої колекції кислотно-лужних ресурсів Ка= 5,8 х 10 -10 Отже, використовуючи рівняння (4) рН розчину тоді і

Борна кислота має тенденцію накопичуватися в жировій тканині, особливо в центральній нервовій системі. Оскільки ризики, пов’язані з цією сполукою в організмі людини, досі невідомі, вона більше не використовується в їжі. [4] Однак харчові добавки, отримані в результаті ферментативних процесів, зазвичай проходять кілька етапів поділу або очищення, які дозволять усунути або значно зменшити кількість залишкового боратного буфера в кінцевому продукті.

Як працюють буфери?

Щоб краще зрозуміти, чому суміш кислоти та її кон'югованої основи стійка до зміни рН, повернімось до нашого першого прикладу: суміш лимонної кислоти (3 моль дм –3) та цитрату натрію (2 моль дм - 3). Що сталося б, якби ми тепер додали 0,50 моль гідроксиду натрію до 1 дм 3 цієї суміші? Доданий гідроксид-іон атакує обидві присутні кислоти, а саме іон гідронію та лимонну кислоту. Оскільки концентрація іонів гідронію настільки мала, при реакції з іоном гідронію буде витрачено дуже мало іонів гідроксиду. Більша частина його буде споживатися в результаті реакції з лимонною кислотою. Далі, оскільки гідроксид-іон є такою сильною основою, відбувається реакція

Початкова концентрація

Зміна концентрації

Рівноважна концентрація

Підставивши рівноважні концентрації основи (цитрат-іон) та кон'югованої кислоти (лимонна кислота) у рівняння Хендерсона-Хассельбальха, рівняння (3), маємо

Додавання 0,5 моль гідроксиду натрію до буферної суміші підвищило його рН з 2,5 до лише 2,85.

Тепер, яким би був рН розчину, якби 0,5 моль гідроксиду натрію додавали до кубічного дециметра чистої води за відсутності лимонної кислоти?

Ця кількість гідроксиду натрію дасть розчин, що містить 0,5 М гідроксид-іонів з рОН, рівним

Це показує, що буфер надзвичайно ефективно протистоїть зміні рН, оскільки доданий гідроксид-іон атакує слабка кислота (у дуже високій концентрації), а не іон гідронію (у дуже низькій концентрації). Таким чином, основний ефект додавання гідроксид-іона полягає у зміні співвідношення кислоти до кон'югованої основи, тобто до зміни величини Поки кількість слабкої кислоти набагато більша за кількість доданої основи, це співвідношення не сильно змінено. Оскільки концентрація гідроній-іонів регулюється аналогічним чином, якщо замість сильної основи до буферної суміші додати сильну кислоту, таку як соляна, вона вступає в реакцію з цитратом у розчині. Хоча рН зменшиться, зміна знову буде незначною.

Приклад \ (\ PageIndex \) рН розчину

Знайдіть рН розчину, отриманого при змішуванні 2,00 моль H2C6H5O7 - і 0,80 моль H3C6H5O7, щоб отримати 2,5 дм 3 розчину. Кб(H2C6H5O7 -) = 7,1 × 10 –12 моль дм –3 .

Рішення Для того, щоб використовувати рівняння (4), нам спочатку потрібно мати значення

Враховуючи, що кінцевий об’єм розчину становить 2,5 дм 3, концентрація кислоти та основи в розчині становить сa = 0,32 моль дм –3 і сb = 0,80 моль дм –3. Таким чином

і

Список літератури

  1. ↑ Хіллер, Б. та Лоренцен П.-С. 2008 Вплив буферних систем на олігомеризацію білків молока. LWT-Food Sci. Технол. 41: 1140-1144.
  2. ↑ Chen, K., Ballas, S.K., Hantgan, R.R., і Kim-Shapiro, D.B. 2004 Агрегація нормального та серпоподібного гемоглобіну у фосфатному буфері високої концентрації. Біофіза. J. 87: 4113-4121.
  3. ↑ Parker, W.C., і Bearn, A.G. 1963. Індукована борною кислотою гетерогенність кональбуміну шляхом електрофорезу в крохмалі-гелі. Природа, 199, 1184-1186.
  4. ↑ Харчова хімія 3-е вид. 2004 Беліц та ін.

Вкладачі

Ед Вітц (Університет Куцтауна), Джон В. Мур (UW-Медісон), Джастін Шорб (Коледж Хоуп), Ксав'є Прат-Ресіна (Університет Міннесоти, Рочестер), Тім Вендорф і Адам Хан.