3-маъруза Mahsulotlardagi namlikning holati

3-маъруза
Mahsulotlardagi namlikning holati
Suv ko‘plab oziq-ovqat mahsulotlarining asosiy komponenti hisoblanadi. Uning tayyor mahsulotdagi miqdori va holati ahamiyatli darajada unga iste’mol ishlovi berish usuli va sifatini belgilaydi. Oziq-ovqat mahsulotlarida namlik turli xil bog‘lanish shakllari bilan ushlab turiladi va bu usullar klassifikatsiyasi asosida energetik prinsip yotadi.
Mahsulotdagi namlikning bog‘lanish energiyasi materialdan (uning tarkibini o‘zgartirmasdan) bir molni ajratib olish uchun zarur bo‘lgan va L (Dj/mol) ish bilan ifodalanishi mumkin va uni quyidagi formula yordamida hisoblanadi:
L = RT ln P_n P_i = -RT lnφ, (2.1)
bu yerda R – universal gazli doimiy; T – harorat; R_n – atrof muhitdagi erkin suv to‘yingan bug‘ining parstial bosimi; R_i – material sirtidagi suv to‘yingan bug‘ining parstial bosimi.

Energetik prinsipga ko‘ra, turli tizimlarda namlikning bog‘lanish shakllari kimyoviy, fizikaviy-kimyoviy va fizikaviy-mexanik shakllarga bo‘linadi. Kimyoviy bog‘langan namlik deganda gidroksil ionlar ko‘rinishida bog‘langan gidrat suvi va kristallogidratlar tipidagi molekulyar birikmalarning suvi nazarda tutiladi. Fizikaviy-kimyoviy bog‘langan namlikka bog‘lanishning quyidagi turlari mos keladi:

a) adsorbtsion bog‘langan namlik (mono va polimolekulyar adsorbtsiya namligi);
b) osmotik bog‘langan namlik.
Fizikaviy-mexanik bog‘langan namlikka namlik bog‘lanishining quyidagi turlari mos keladi:
a) o‘rtacha radiusi 10-5 sm bo‘lgan makrokapillyarlar namligi;
b) o‘rtacha radiusi 10-5 sm dan kam bo‘lgan mikrokapillyarlar namligi;
v) jismning nihoyatda nafis hajmli karkasida erkin ushlab turiladigan, jismning shakllanishi jarayonida tutib qolingan va immobilizatsiya qilingan namlik.
Amaliyotda kimyoviy bog‘langan namlik bilan ish tutilmaydi, garchi, masalan, oziq-ovqat sanoatida foydalaniladigan limon kislotasi tarkibida kristallsimon suv saqlasa ham. Ommaviy ovqatlanish mahsulotlari ishlab chiqarishning texnologik jarayonlarida asosiy rol fizikaviy-kimyoviy va fizikaviy-mexanik bog‘langan suvga tegishli. Suv molekulasida kovalent bog‘langan vodorodning musbat zaryadi atigi ikkita elektron yordamida ekranlangani natijasida boshqa molekulalar atomlarining bo‘linmagan elektronlari bilan vodorod bog‘lanishi hosil qilib turib, o‘zaro harakatlanishi mumkin.
Vodorod bilan kovalent bog‘langan atomning (vodorod donori) kuchli ifodalangan salbiyligi va kichik hajmi bunday bog‘liqlikning hosil bo‘lishi sharti vazifasini bajaradi va bu ftor, kislorod va azot uchun xarakterli sanaladi.
Vodorod birgalikda o‘zaro harakat qiladigan atomlarning o‘ziga xos xususiyatlari hajmi bo‘yicha cheklangan orbitalarda to‘plangan bo‘linmagan elektronlarning borligidan iborat bo‘lib, bu shuningdek ftor, kislorod va azot uchun ham xarakterli.
Boshqa elementlar uchun ko‘rsatilgan shartlar ahamiyatli darajada kamroq ifodalangan, va ularning ishtirokidagi vodorod bog‘liqliklari (xlor), odatda hisobga olinmaydi.
Vodorod bog‘liqliklari hisobiga suvning o‘zining molekulalari assostiatsiyasi o‘rin tutadi. Mahsulotlarning molekulyar tarkibida yuqorida ko‘rsatilgan kislorod va azot atomlarining borligi ular yordamida suv molekulalarining adsorbtsiyasini yoki ularning gidrofil gidratatsiyasini shartlaydi. Suv molekulalari bilan elektrostatik o‘zaro harakat kuchi bo‘yicha ba’zi atom guruhlari qatorlarga joylashishi mumkin:
СOON – karboksil guruh; OH – gidroksil guruh; СON – aldegid guruh; СO – ketoguruh; NH₂ – aminoguruh; NH – iminoguruh; СO-NH₂ –amidoguruh; СOR-NH – imidoguruh. Barcha ko‘rsatilgan guruhlar qutbli, biroq ularning bir qismi – ionogen, va ularning suvni adsorbtsiyalash qobiliyati ionlashtirish darajasiga bog‘liq, ayni paytda noionogen guruhlar uchun suvni adsorbtsiyalash qobiliyati doimiy. Muvofiq ravishda namlikni ionogen guruhlar yordamida adsorbtsiyalash “ionli adsorbtsiya” atamasi bilan aniqlanadi, noionogen guruhlar yordamidagi adsorbtsiya esa – “molekulyar adsorbtsiya” atamasi bilan.
Suv molekulalari moddaga yaxlit bo‘lib birlashadi va moddalar xarakterining tubdan o‘zgarishi kuzatilmaydi. Gidratatsiya ko‘pincha qaytariladi. Ko‘p hollarda haroratning ortishi yoki atrof hududda suv bug‘lari bosimining kamayishi sababli yuzaga keladigan teskari jarayon degidratatsiya nomi bilan yuritiladi.
Qattiq moddalarning suyuq eritmalariga kelsak, gidratatsiya jarayoni ularning erishi bilan birga kechadi. Suvli eritmalardagi erigan modda molekulalari xuddi suvda erigan tuzning ba’zi ionlari singari gidratlangan holatda bo‘ladi.
Adsorbtsion kuchlar keyinchalik ta’sir qiluvchi xarakterga ega bo‘lib, namlik adsorbtsiyasi monoqatlamning hosil bo‘lishi yoki monomolekulyar adsorbtsiya bilan chegaralanmaydi, u shuningdek, namlikning polimolekulyar qatlamining hosil bo‘lishini – polimolekulyar adsorbtsiyani ham o‘z ichiga oladi.
Ko‘plab mahsulotlar (ommaviy ovqatlanish mahsulotlari) dispers tizimlar bo‘lganligi sababli, namlikning adsorbtsion qatlamlari dispers faza va dispers muhit o‘rtasidagi o‘zaro harakatni o‘zgartiradi, buning natijasida esa tizimning stabilizatsiyasi yoki koagulyatsiyasi o‘rin tutadi.
Gidrofil yuzalar uchun suvning adsorbtsion qatlamlari tizimni stabillashtiruvchi ustki-faol modda rolini o‘ynaydi.
Suvning adsorbtsion qatlamlarining stabillashtiruvchi samarasi quyidagi omillar bilan shartlangan:
- kinetik omil; mohiyati adsorbtsion qatlamning noziklashishi va ustki taranglik kattaligining ortishi bilan o‘zaro bog‘liqligida namoyon bo‘ladi;
- dispers faza zarrachalari orasidagi suyuqlikning yupqa qatlamlarining termodinamik barqarorligi bilan;
- adsorbtsion qatlamning reologik xarakteristikalarida unda suv molekulalarining batartibligi oqibatida namoyon bo‘ladi.
Bunda shuni ham hisobga olish lozimki, o‘xshash omillar emulsiya va ko‘piklardagi fazalararo adsorbtsion qatlamlarning stabillashtiruchi samarasini belgilaydi. Adsorbsion bog‘langan suv miqdori dispers faza miqdorining ortib borgani, uning tizimda maydalanishi va bir tekisda taqsimlangani sari o‘sib boradi. Gidrofil gidratatsiya bilan bir qatorda noqutbli molekulalar yoki ularning guruhlari atrofida suv molekulalarining ma’lum tartibliligi ko‘rinishida bo‘lgan gidrofob gidratatsiya ham o‘rin tutadi. Gidrofil gidratatsiya singari, gidrofob gidratatsiyaning natijasi ham tizimning stabillashuvi yoki destabilizatsiyasidir.
Gidrofob gidratlangan molekulalar yoki ularning guruhlari o‘rtasida gidrofob o‘zaro ta’sir bo‘lib, aynan u tizim xarakteriga bog‘liq holda uning strukturasini stabillashtiruvchi yoki destabillovchi omil rolini bajaradi.
Globulyar oqsillar globulasining ichki sohasidagi uglevodorod guruhlarning gidrofob o‘zaro ta’siri ularning strukturasini stabillashtiradi. Yon qoldiqlarning gidrofob o‘zaro ta’siri vositasida oqsillarning polipeptid zanjirlari o‘zaro bog‘lanadi.
Gidrofob o‘zaro ta’sir keyinchalik ta’sir ko‘rsatuvchi xarakterga ega bo‘lib, uning hisobiga sterik sabablarga ko‘ra o‘zaro kontaktga kirishmaydigan yetarlicha uzun gidrofob bo‘g‘inlarga ega bo‘lgan polipeptid zanjirlar α-spiral strukturasining suvli eritmalaridagi stabillashuvni izohlash mumkin. Bir vaqtning o‘zida uglevodorod guruhlar o‘rtasidagi gidrofob o‘zaro ta’sir denaturatsiya va keyinchalik tizimning ivishi jarayonida globulyar oqsillar strukturasining destabilizatsiyasida ishtirok etadi.
Tizimning harorati oshgani sari uglevodorod guruhlar o‘rtasidagi gidrofob o‘zaro ta’sir ortib boradi. Osmotik bog‘langan namlik. Osmos mohiyati yoki hodisasi erituvchining yarimo‘tkazuvchan membrana orqali erituvchining kimyoviy salohiyati pastroq bo‘lgan eritmaga o‘tishidan iborat. Osmos tabiati termodinamik talqinda tizim entropiyasining o‘sishi bilan shartlanadi.
Osmotik bosim deganda erituvchining o‘zidan o‘zi membrana orqali o‘tishini bartaraf qilish uchun membranaga qo‘yilishi kerak bo‘lgan bosimdagi farq nazarda tutiladi. Ideal eritmalar uchun osmotik bosim Vant-Goff qonuni bo‘yicha quyidagi formulaga muvofiq aniqlanadi:
Р = SRT, (2.2)
bu yerda P – osmotik bosim; R – gaz doimiysi; S – eritmaning molyar konstentratsiyasi; T – harorat.
Mazkur tenglama bo‘yicha hisob-kitob shuni ko‘rsatadiki, S = 1 mol/l P=22,4 atm. Xlorli natriy uchun xona haroratida va to‘liq dissostiatsiya sharoitida, 0,16 M (1 % ga yaqin) ga teng bo‘lgan konstentratsiya holatida osmotik bosim 8 atm ga teng. Saxaroza uchun 0,29 M (10 %) konstentratsiyada osmotik bosim 6,55 atm ni tashkil qiladi.
Polimerlarning eritmalariga Vant-Goff qonunini keltirilgan ko‘rinishda qo‘llab bo‘lmaydi. Tajriba shundan dalolat beradiki, polimerlarning osmotik bosimi ushbu tenglama bo‘yicha hisoblab chiqilganiga nisbatan ahamiyatli darajada yuqoriroq. Bu quyidagicha izohlanadi: prolimerlarning makromolekulalari zanjirlarning egiluvchanligi sababli eritmalarda o‘zlarini xuddi bir nechta ancha kaltaroq molekulalar singari tutishadi, ya’ni tizimda kinetik element rolini makromolekula emas, balki uning segmenti bajaradi.
Bundan tashqari, yuqorimolekulyar strukturalangan tizimlar uchun yuqorimolekulyar fraktsiya yordamida ichida namlikning o‘xshash hujayralarning (shunga o‘xshash hujayralar va kraxmal donachalari “qobig‘i” o‘rtasida ma’lum analogiyani o‘tkazish mumkin) ichiga osmotik tarzda kirishini shartlaydigan pastmolekulyar fraktsiya saqlaydigan yopiq hujayralar ko‘rinishidagi strukturani hosil qilish ehtimoli ko‘zda tutiladi.
Dispers tizimlar uchun konstentratsiya dispers fazaning hajm birligidagi kinetik birliklar soni bilan aniqlanadi – gramm-qisman konstentratsiya. Hisob-kitoblar shuni ko‘rsatadiki, dispers tizimlarda qisman konstentratsiya molekulyar tizimlardagiga qaraganda 6-7 darajaga pastroq va muvofiq ravishda 0,2–0,02 sm suv ustunini tashkil qiladi.
Dispers tizimlar uchun to‘liq hisoblash formulasi quyidagi ko‘rinishga ega:
, (2.3)
bu yerda M_um – eritilgan moddaning vazni; M – zarraning vazni;
V – tizimning hajmi; N_А – Avogadro soni; T – absolyut harorat; γ – sonli konstentratsiya.
Shunday qilib, dispers tizimlarning osmotik bosimi faqat sonli konstentratsiya yordamida aniqlanadi va zarrachalarning tabiati va o‘lchamiga bog‘liq.
Dispers fazasi bir nechta komponentlardan iborat bo‘lgan tizim sharoitlarida osmotik bosim fazaningg har bir komponenti tomonidan alohida—alohida hosil qilinadigan parstial bosimlardan tashkil topadi va ularning yig‘indisiga teng:
P_sum = P₁ + P₂ + …+ P_n.
Shuni inobatga olish lozimki, namlikning osmotik yutilishi nafaqat umuman olganda eritma sifatida dispersiya tomonidan, balki dispers fazaning zarrachalari tomonidan ham amalga oshirilishi mumkin, bu, masalan, xamir qorish jarayonida o‘rin tutishi mumkin. Bundan tashqari, “yarimo‘tkazuvchan membrana” tushunchasi polidispers tizimlar uchun dispers fazaning o‘lchami membrananing teshiklaridan kattaroq bo‘lgan alohida zarrachalariga tegishli bo‘lishi mumkin va o‘lchami membrananing teshiklaridan kichik bo‘lgan zarrachalar uchun bunday bo‘lmaydi.
Yuqorida keltirilgan tenglamalardan ko‘rinib turibdiki, harorat oshgani sayin osmotik bosim ham ortib boradi. Kapillyar bog‘langan namlik. Devorlari suv bilan ho‘llanadigan kapillyarlarda qiyshiqlikning qiymatlaridan biri nolga teng bo‘lganida menisk sharsimon botiq yoki stilindrsimon shaklga ega bo‘lishi mumkin. Birinchi holatda menisk radiusi va to‘yingan bug‘ bosimi o‘rtasidagi aloqa quyidagi tenglama yordamida aniqlanadi
P_t= Р_n 2RT – σV_mol , (2.4)
ikkinchisida esa quyidagi tenglama yordamida
Р_s= P_n RT – σV_mol , (2.5)
bu yerda Р_s –menisk ustidagi to‘yingan bug‘ bosimi; P_n – yassi yuza ustidagi to‘yingan bug‘ bosimi; σ – suyuqlikning ustki tarangligi; V_mol – suyuqlik-ning mol hajmi; R – gaz doimiysi; T – mutlaq harorat.
Bundan kelib chiqadiki, mikrokapillyarlar uchun xarakterli bo‘lgan sharsimon menisk ustidagi bug‘ bosimi makrokapillyarlar uchun xarakterli bo‘lgan stilindrsimon menisk ustidagi bug‘ bosimiga qaraganda pastroq.
Hisob-kitoblar shuni ko‘rsatadiki, o‘rtacha radiusi 10-5 sm dan yuqori bo‘lgan makrokapillyarlar meniski ustidagi suv bug‘ining bosimi amalda suvning erkin yuzasi ustidagi to‘yingan bug‘ bosimiga teng (2.3-jadval). Suv mahsulotlarda immobilizatsiyalangan namlik bo‘lganida, ulardagi makrokapillyarlarni to‘ldiradi.
2.3-jadval
Suv meniski ustidagi to‘liq ho‘l bo‘lgan suv bug‘ining nisbiy qayishqoqligi va kapillyar radiusi o‘rtasidagi bog‘liqlik

φ	r0·10^7sm	φ	r0·10^7sm	φ	r0·10^7sm	φ	r0·10^7sm
0,10	0,46	0,50	1,56	0,90	10,25	0,98	53,3
0,20	0,67	0,60	2,11	0,95	21,9	0,99	107,5
0,30	0,89	0,70	3,01	0,96	26,3	0,999	1077,0
0,40	1,17	0,80	4,83	0,97	35,3	0,9999	10770,0

O‘rtacha radiusi 10-5 sm dan kam bo‘lgan mikrokapillyarlar namlikni nafaqat u bilan bevosita kontaktda, balki uni nam havodan sorbtsiyalashda ham yutadi, ya’ni ular uchun kapillyarli kondensatsiya jarayoni xarakterli.

Kapillyarli kondensatsiyada kapillyarlarda botiq menisklar hosil bo‘lishi natijasida namlik bug‘lari mikrokapillyarlarda yassi yuza ustidagi to‘yingan bug‘ bosimidan past bo‘lgan bosim sharoitlarida kondensatsiyalanadi. Oxirgilari kapillyarlarning devorlarida namlik bug‘larining adsorbtsiyasi sababli hosil bo‘lgan suyuq qatlamlarning qo‘shilib ketishi natijasida hosil bo‘ladi. Bunda kapillyarli kondensatsiyani yassi yuzalarda o‘rin tutadigan polimolekulyar adsorbtsiyadan farqlash kerak, bunday sharoitlarda kapillyarli kondensatsiya sodir bo‘lishi mumkin emas.
Ba’zida kapillyarlarni klassifikatsiyalash uchun ularga normal bosim sharoitlarida suv bug‘i molekulalarini ko‘chirib o‘tish mexanizmidan foydalanish taklif qilinadi, bunda suv bug‘i molekulasining erkin bosib o‘tgan masofasining o‘rtacha uzunligi quyidagiga teng: λ = 10-5 sm. Bu holda mikrokapillyarlarda suv bug‘i molekulalarini ko‘chirib o‘tkazish yakka molekulalarning kapillyar bo‘ylab yo‘naltirilgan harakati – effuziya (molekulyar oqim) ko‘rinishida bo‘ladi, makrokapillyarlarda esa suv bug‘i molekulalarini ko‘chirib o‘tkazish odatdagi diffuziya (molekulalarning xaotik harakati) ko‘rinishida bo‘ladi.
Ta’kidlash lozimki, namlikni kapillyar bog‘lash nafaqat kapillyarlarda, balki bir-biriga yetarlicha yaqin joylashgan ikkita qattiq devorlar o‘rtasida ham o‘rin tutishi mumkin.
Namlik jismning shakllanishi jarayonida u tomonidan tutib qolinadi va immobilizatsiya qilinadi va uning nihoyatda nafis hajmdor karkasida erkin ushlab turiladi. Namlikning bunday bog‘lanishi mohiyatiga ko‘ra adabiyotlarda turli xil salmoqli fikrlar mavjud bo‘lib, ular ma’lum darajada namlikning bog‘lanish energiyasi ushbu holatda limitlanmaganligi bilan bog‘liq. Ko‘pincha bunday namlik ham xomashyoda, ham uni qayta ishlash mahsulotlarida mexanik ravishda bog‘langan namlik sifatida ta’riflanadi. Bu ta’rifni asoslash uchun bunga o‘xshash butun namlikni mahsulotdan mexanik usul yordamida, masalan mahsulotdan sharbatni siqib olib chiqarish tashlash mumkin ekanligi ta’kidlanadi.
Suvsizlantirish jarayoni faqat mahsulot karkasining gidravlik qarshiligi bilan limitlanadi. Biroq, ta’kidlash lozimki, hayvonlar yoki o‘simliklarning tirik organizmidagi butun namlikni ularning o‘zlari nazorat qiladi va bu namlik bog‘langan ko‘rinishda bo‘ladi.
O‘simlik xomashyosi odatda tirik organizmdan ishlab chiqariladi va o‘zining nativ strukturasini saqlab qoladi, shuning uchun uchun ham undagi bor namlik bog‘langan shaklda bo‘ladi. Shunday qilib, o‘simlik mahsulotlaridan mexanik usulda ajratib olinadigan sharbat – bu mahsulotda osmotik tarzda bog‘langan va ehtimol, makrokapillyarlarda kapillyar tarzda bog‘langan namlikdir.
Bu namlikni mexanik tarzda ushlab turiladigan namlik deb ta’riflash to‘g‘ri bo‘lmaydi.
Hayvon xomashyosi erda yashovchi va suvda yashovchi organizmlardan ular o‘lganidan so‘ng ishlab chiqariladi. Xomashyoda keyinchalik sodir bo‘ladigan o‘zgarishlar namlikni qayta taqsimlash jarayonlarini o‘z ichiga oladi va bu holatda sof mexanik ravishda bog‘langan namlik hosil bo‘lishining boshqa isbotlari yo‘q.
Mahsulotdagi erkin yoki mexanik bog‘langan namlik deganda uning namlikni adsorbtsion, osmotik va kapillyar bog‘lash imkoniyatini ortda qoldiradigan qismini tushunish kerak. Bunday namlikning hosil bo‘lishi mahsulotlarga iste’mol ishlovi berishda oqsilli va boshqa komponentlarining adsorbtsion imkoniyatlari pasayib, mahsulotlarning osmotik xususiyatlari va kapillyar strukturasi buzilganda ularning gidratatsion xususiyatlarining o‘zgarishi natijasida ro‘y beradi. Bu holda avval bog‘langan suvning bir qismi iste’mol ishloviga duchor qilingan mahsulotning suvni bog‘lash qobiliyatini ortda qoldiradi va unda faqat strukturaning mexanik xususiyatlari hisobiga ushlab turiladi.
Garchi mahsulotlardagi namlikning bog‘lanish shakllari klassifikatsiyasining energetik prinsipi eng asoslangan bo‘lsa ham, shu bilan bir qatorda mahsulotlardagi namlik ko‘pincha ikkita bog‘lanish turiga – adsorbtsion va strukturaviy bog‘langan namlikka ajratiladi. Strukturaviy bog‘lanishga osmotik, kapillyar va mexanik bog‘langan namlik kiradi. Ko‘plab mahsulotlarda strukturviy bog‘langan namlik ulushiga umumiy namlik miqdorining 90 foizi va undan ham ko‘prog‘i to‘g‘ri keladi.
Yuqorida qayd etilgan gidratatsiya shakllari xomashyo rolini bajaruvchi barcha oziq-ovqat mahsulotlariga va ulardan ishlab chiqarilgan oziq-ovqat mahsulotlariga xos. Bir xil mahsulotlarda ular u yoki bu shaklning ehtimoliy ustunligi bilan mavjud, boshqarida esa – namlikning kuchsiz bog‘langan shakllarining yo‘qligi ehtimoli bilan.
Hozirgi vaqtda mahsulotlarning gidratatsion xarakteristikasi ko‘pincha “suvning faolligi” tushunchasi bilan belgilanadi va u termodinamik ma’noda mahsulotning (tizimning) gidratatsion muvozanat sharoitlarini aks ettiradi.
Suvning faolligi miqdor jihatdan atrof muhitning nisbiy namligi orqali ifodalanadi va bunda mahsulotning gidratatsion muvozanati o‘zgarmaydi:
a = P_i P_n, (2.6)
bu yerda a – suvning faolligi; P_i – material sirtidagi to‘yingan suv bug‘ining parstial bosimi; P_n – atrof muhitdagi erkin suv to‘yingan bug‘ining parstial bosimi.
Kimyoviy va biokimyoviy nuqtai nazardan suvning faolligi qanchalik past bo‘lsa, uning kimyoviy va biokimyoviy jarayonlarda ishtirok etishi past darajada bo‘lishi mumkin.
Grafik jihatdan mahsulot gidratatsiyasining atrof muhitning nisbiy namligiga bog‘liqligi (yoki suvning faolligi) sorbsiya izotermasi vositasida ifodalanadi (2.3-rasm).
Shartli ravishda sorbtsiya izotermasini namlikning bog‘lanish shakli va energiyasining farqini aks ettiruvchi uchastkalarga ajratish mumkin. A uchastkasi φ = 20,0…4,03·103 J/mol bo‘lganda nuqta 1 da tenglamaga (1) muvofiq bog‘liqlik energiyasiga ega bo‘lgan adsorbtsion bog‘langan namlikning monomolekulyar qatlamini aks ettiradi.
Nisbiy namlik qiymati past bo‘lganda bog‘liqlik enegiyasi ahamiyatli darajada ortadi. A uchastkasida suv adsorbent bilan chambarchas bog‘liq va reaksiyalarga kirishmaydi deb hisoblanadi.