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.

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, c, 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 c. 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,

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