Активность воды в пищевых продуктах

Отношение давления водяного пара над определенным материалом к давлению паров над чистой водой при одинаковых температурах называется активность воды. Активность воды в переводе на английский язык  — water activity, обозначается аббревиатурой Aw, появилось понятие в 1952 году. В пищевых продуктах активность характеризует воду и ее изменение в химических и биологических процессах. По активности воды судят, устойчив ли продукт к длительному хранению. Для хранения важную роль играет отношение воды к неводным составляющим. Активность воды определяет соотношение связанной и свободной влаги в пищевом продукте. В пищевых продуктах активность определяется следующей формулой: Aw = Pw/P0 = РОВ/100. Pw – это давление пара в пищевом продукте, P0 – давление пара в чистой воде, РОВ – определение относительной влажности в равновесии.

Величины активности воды в пищевых продуктах:

— Aw = 1÷0,9 (при высокой влажности);

— Aw = 0,9÷0,6 (при средней влажности);

— Aw = 0,6÷0 (при низкой влажности).

Aw – важнейший инструмент в производственной работе, когда производится тот или иной продукт питания. Активность знать требуется для обеспечения качества или увеличения сроков хранения продуктов. В каждом продукте содержится вода, только ее количество может быть разным и состояние воды тоже. Определить сколько жидкости содержится в продуктах легко с помощью показателя массовой доли влаги. Показатель не сможет отразить весь комплекс происходящих взаимодействий в пищевых продуктах, где участвует вода. Показатель Aw известен во всем мире и является мощнейшим инструментом в регулировании качества продуктов.

Понятие «Активность воды в пищевых продуктах»

Существует три формы водных связей в пищевых продуктах: физико-механическая, химическая, физико-химическая. Связанная вода делится на химическую, адсорбционную, макрокапиллярную, микро капиллярную, осмотическую, иммобилизационную. Высокое значение имеет связь воды с неводными компонентами. При снижении содержания влаги продляется срок хранения продукта, но немаловажны и другие компоненты входящие в состав. Вода в продукте важный составляющий элемент, она есть и в растительных продуктах и в животных. Жидкость участвует в гидролитическом процессе, если удалить или связать ее за счет реакций или ингибиторов роста микроорганизмов, то срок хранения продукта продлится. Если воспользоваться заморозкой или сушкой, то химический состав и свойства изменятся.

Влага свободная и связанная

Вода структурирует консистенцию продукта, взаимодействует с компонентами, делая их устойчивыми. Влажность показывает количество воды в пищевых продуктах, тем самым определяется биологическая и химическая среда. Связанная влага – ассоциированная вода, связанная с углеводами, липидами и белками химическими и физическими связями. Свободная влага не связана полимерами. Если влажность зерна доходит до 20%, то связанной воды в нем примерно 15 %. С увеличением влажности появляется свободная влага, увеличивающая количество биологических процессов. Влажность овощей и фруктов от 75-95%, большая часть относится в свободной влаге, 5 % связанна и удерживается клетками. Сушка возможна до 12%, далее потребуются другие методы. Сила связывания зависит от природы происхождения компонентов, солевого состава, среды рН и температуры.

Изотермы сорбции и активность воды

Тесная взаимосвязь присутствует между содержанием влаги в пищевых продуктах и сохранностью этих продуктов. Увеличить срок хранения следует, уменьшая влагу методом концентрирования или дегидратации. Разные виды пищевых продуктов с равным содержанием влаги портятся по-разному. Существует специальная формула, уравнение Ребиндера в определении энергии связей влаги и материала: ΔF = L = RTln   = -RT-lnaw. В изотерме сорбции рассматривается три зоны. Свойства жидкости отличаются в зоне низкой влажности и в зоне высокой влажности. Зона 1 – это зона воды, где  высока адсорбированность и наблюдается неподвижность. Адсорбированность получается благодаря ионам и диполям. Энтальпия образования паров выше, нежели в чистой воде, при температуре в 40 градусов она не замерзает. На границе зоны 1 и зоны 2 находится грань моновлажности.

Во 2 зоне находится вода из зоны 1 и ресорбция. Мультислой образуется при взаимодействиях воды водородными связями. Вода участвует в растворении и выступает пластификатором, помогает твердой матрице набухать. Вода в 3 изотерме состоит из жидкости 1 и 2 и добавленной. В геле и в клетках вода физически связанная, в остальных случаях она подобна составу в слабом солевом растворе. Добавленная в зону 3 вода имеет почти такую же энтальпию парообразования, как и чистая вода. Изотермы ресорбции не совпадают с изотермами десорбции, а явление называется гистерезис. Изотерма ресорбции рассматривается при гигроскопичности продуктов, десорбции и высушивании.

Активность и стабильность пищевых продуктов

Между стабильностью пищевых продуктов  и водной активностью есть тесная связь. Если в продукте низкая влажность, то жиры окисляются, происходит потемнение, теряются витамины, происходит порча продукта. При высокой влажности микроорганизмы играют решающую роль в процессах. Низкая активность aw провоцирует окисление липидов. С увеличением aw окисление снижается до приграничной зоны 2 и 1 на графике изотермы, а после поднимается к зоне 2 и 3. Добавив воду в сухое вещество, происходит столкновение с кислородом. Вод из 1 зоны связывает гидропероксиды, происходит столкновение с продуктами распада. Потемнение обозначает процесс диффузии, что регулируется повышением вязкости, растворением и обменом масс. Реакции ферментов протекают при высоком содержании влажности. Скорость реакций зависит от активности aw.

Лед — обеспечение стабильности в продуктах

Сохранить продукт в замороженном виде удобнее и это распространенный способ среди пищевой промышленности. Эффект достигается наилучший, особенно если температура низкая, еще до образования самого льда. Следствиями образования льда в продуктовой линейке являются:

— фаза замерзания возникает при любых температурах, а общая масса неводных компонентов концентрируется;

— объем воды, что превращается в лед, увеличивается примерно на 9%.

При замораживании воды образуются кристаллы, которые имеют разную чистоту. Неводные компоненты концентрируются в малом количестве воды, которая не замерзла. Фаза, которая не замерзла, изменяет pH, ионную силу, вязкость и окислительно-восстановительный потенциал. При увеличении реакций в заморозке особое внимание уделяется срокам хранения и их качеству. Скорость реакций снижается до двух раз при температуре – 18 градусов.

Методы исследования

Известный академик Рогов проводил исследования, где определял активность жидкости. Он и его ученики классифицировали методы на две группы: косвенные и прямые.  Определить активность можно манометрическим методом,  тензометрическим и др. Содержание влаги определяется по изотерме сорбции. Изотерма — это регистрирующая линия, определяющая равновесие относительной влажности при ее изменении в образце. Рассмотрим тензометрический метод Ван Бамелена. В закрытую камеру помещают образец, перед этим его взвешивают, чтобы узнать относительную влажность. Влажность поддерживается соляным раствором до тех пор, пока масса не станет стабильной, после чего определяется влажность образца. Всемирно известные манометрические методы  — измеряется давление водяного пара по параметрам жидкости, емкости и по другим параметрам. Метод считается эталоном в измерениях активности, его чаще используют в исследованиях и научных работах. Самый распространенный косвенный метод называется PEC (Proximity equilibration cell). На практике применяются приборы точных измерений фирм Decagon, Rotronic.

Как измеряется aw в пищевом продукте

Измерить aw можно с помощью добавления солей (растворимых), сахара и еще некоторых компонентов при заморозке, обезвоживании и т.д. В технологических процессах понижает активность воды сахар и поваренная соль. Сделав сахарный раствор с температурой 20 градусов, активность будет равна 0.864, активность в растворе соли составит 0.753. Ассортимент водосвязывающих добавок расширяется с каждым годом. Для достижения необходимой активности в продукты добавляются нужные ингредиенты, которые предварительно обрабатываются, обычной сушкой не получится получить требуемую консистенцию. При использовании увлажнителей увеличивается влажность и уменьшается aw. Продуктовыми увлажнителями являются крахмал, глицерин, молочная кислота и другие.

Биологическая aw

Пропустив воду через магнитное кольцо в 1200 Гаусс мощностью, получается магнитное поле, а биокерамические шарики делают молекулярную структуру упорядоченной. Этим обеспечивается биологическая активность, образуется живая вода, пригодная для питья. Вода в растениях быстро усваивается, усваивается она и живыми организмами. С водой можно провести один тест, где берется три источника: вода, водопроводная вода и бутилированная вода. В одно и то же время растения высадили в разные емкости с разной водой, условия были одинаковые на протяжении двух недель. В растениях отчетливо видно развитие корневой системы. Биологическая активность видна невооруженным взглядом.

Химический состав минеральной воды и промышленное производство

Химический состав – это количество и качество всех компонентов в солевом составе. Соли получаются при взаимодействии ионов и присутствуют в растворах  при повышенной минерализации, когда степень распада на ионы ничтожно мала. Солевой состав минеральной воды  может быть лишь предположительным. Состав минеральной воды просматривается по формуле Курлова:  м³/сут. М – общая минерализация. Минеральная вода бывает естественной (когда бьют ключи) и искусственной (когда на поверхность выведено оборудование подачи воды). Применение минеральной воды предусматривает не только курортную практику, но и вне курортную. Рынок минеральной воды растет быстрыми темпами в России. Минеральной водой можно просто утолить жажду.

Показатели активности пищевой продукции

От величины активности определяются: продукты с повышенной влажностью (1-0), с промежуточной влажностью (0.9-0.6), низкая влажность (0.6-0). Рассмотрим некоторые показатели активности воды в продуктах: яйцо (0.97), мука (0.8), варенье (0.8-0.9). Химический состав и тепловая обработка полуфабрикатов влияет на показатель aw. Предел активности для микроорганизмов определяется в бактериях – 0.75, в дрожжах – 0.6, в плесени 0.8. Баранов в свое время придумал определенную классификацию продукции. Уровень активности определяет порчу продукта и хранения. Активность оказывает положительное влияние на готовую продукцию. Исследования чипсов и кукурузы определяет активность в диапазоне 0.35-0.5, может наблюдаться хрупкость или рассыпчатость, ухудшается органика.

Баранов проводил исследования на влияние способов приготовления к показателям активности, изменение показателей при разных способах. В своих исследованиях он выяснил, что при варке в воде разных овощей активность воды не менялась. Если варить на пару, активность будет снижена, потеря воды увеличится. Активность пассированных овощей ниже, происходит обезвоживание.  Изучалась и жарка картофеля, aw при этом стала пропорциональной обезвоживанию в продукте. Ни варка, ни жарка не оказывают существенного влияния на показатели Aw в готовом продукте. Рассматривая супы, определяется высокая активность воды к активности раствора соли в небольшой концентрации.

Показатель aw высокий в соусах, например польский при влажности 38% имеет активность большую, что связано с высокой долей сухого вещества, а сливочное масло не является связующим. О стабильности продукта не всякий раз можно определить влажность. Выпечка имеет также большую активность, что определено высокой влажностью и большим количеством сахара. Тесто песочное и слоеное относится к группе продуктов с промежуточной влажностью. Немаловажную роль играет, сколько сахара содержится в продукте.

Новые продукты и определение aw

Данные активности необходимы для различных процессов. С каждым годом разрабатываются новейшие виды продуктов, в которых низкий уровень соли и сахара, применяется в готовке нетрадиционное сырье, все это ведет к измерениям активности. Обратившись к практике, наблюдается сокращение сроков хранения при снижении сахара. В данном случае для продления сроков хранения приходится добавлять консерванты. Увеличив сахарную дозировку на 20 %, сроки по хранению могут резко изменяться с девяти дней до трех дней. Активность в технологической промышленности имеет важное значение. Интерес изменений aw  возникает снова и снова к продуктам нового поколения. За границей произведены новейшие технологии, которые называются барьерными технологиями. Целью производства является сохранение безопасности продукта и увеличение его срока хранения.

Снижение активности очень эффективное средство, предупреждающее порчу и химические реакции. Вяление, добавление соли и сахара, замораживание и сушка необходимы для снижения aw. Адсорбция, это когда продукты подвергаются сушке, а после проходят увлажнение до нужного уровня влажности. Воспользовавшись сахаром и солью из продукта в раствор попадает вода, из раствора растворенное вещество проникает в продукт. Процессы эти сложные, активность регулирует не только химические реакции, но и оказывает влияние на текстуру. Aw – это некий рычаг, используемый для манипуляций при определенной pH.