Что понимают под активностью воды

Активность воды и стабильность пищевых продуктов

Формы вязи воды с пищевыми веществами и ее роль в формировании

Структуры продукта

Взаимодействие воды с присутствующими в продукте компонентами обусловливает его сроки хранения. Общая влажность продукта указывает на количество влаги в нем, но не характеризует его причастность к химическим и биологическим изменениям в продукте. В обеспечении его устойчивости важную роль играет соотношение свободной и связанной влаги.

Связанная влага – это ассоциированная вода, прочно связанная с различными компонентами – белками, липидами и углеводами за счет химических и физических связей.

Свободная влага – это влага, не связанная полимером и доступная для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций.

Например, при влажности зерна 15-20% связанная вода составляет 10-15%, при большей влажности появляется свободная влага, способствующая усилению биохимических процессов, например, прорастанию зерна.

Плоды и овощи содержат 75-95% влаги, в основном свободной и только 5% – связанной. Поэтому плоды и овощи легко высушить до 10-12%, но сушка до более низкой влажности требует применения специальных методов.

«Связывание воды» и «гидратация» – определения, характеризующие способность воды к ассоциации с различной степенью прочности с гидрофильными веществами.

Таким образом, связанная вода характеризуется следующими показателями:

– характеризует равновесное влагосодержание образца при некоторой температуре и низкой относительной влажности;

– не замерзает при низких температурах (-40ºС и ниже);

– не может служить растворителем для добавленных веществ;

– существует вблизи растворенного вещества и других неводных веществ и имеет свойства, значительно отличающиеся от свойств всей массы воды в системе.

Связанная вода бывает:

– органически связанная, представляет очень малу часть воды в высоковлажных пищевых продуктах и находится. Например, в щелевых областях белка или в составе химических гидратов;

– близлежащая вода, представляет собой монослой при большинстве гидрофильных групп неводного компонента, является наиболее прочно связанным типом близлежащей воды;

– мультислойная вода (вода полимолекулярной адсорбции) примыкает к монослою, образуя несколько слоев за близлежащей водой. Это менее прочно связанная влага, однако она все еще достаточно тесно связана с неводным компонентом, и поэтому ее свойства отличаются от чистой воды.

В пищевых продуктах имеется также вода, удерживаемая макромолекулярной матрицей. Например, гели пектина и крахмала, растительные и животные ткани при небольшом количестве органического материала могут физически удерживать большое количество воды. Структура этой воды в макромолекулярной матрице еще точно не установлена, но ее поведение в пищевых системах и важность для качества пищи очевидна. Это вода не выделяется из продукта даже при большом механическом усилии. С другой стороны, в технологических процессах обработки она ведет себя почти как чистая вода (ее можно удалить при высушивании или превратить в лед при замораживании). Изменение количества этой воды существенно влияет на качество пищевых продуктов. Например, явление синерезиса – потеря воды при хранении гелей.

Активность воды и стабильность пищевых продуктов

Существует взаимосвязь между влагосодержанием пищевых продуктов и их сохранностью или порчей. Поэтому основным методом удлинения сроков хранения пищевых продуктов всегда было уменьшение содержания влаги путем концентрирования или дегидратации.

Однако различные пищевые продукты с одинаковым содержанием влаги портятся по-разному и было установлено, что имеет большое значение, насколько вода ассоциирована с неводными компонентами. Так, вода сильнее связана с неводными компонентами способна сильнее поддержать процессы, разрушающие пищевые продукты, такие как рост микроорганизмов и гидролитические химические реакции.

Чтобы учесть данные факторы, введен термин «активность воды», характеризующий влияние влаги на порчу продукта. Активность воды (а_w) – это отношение давления паров воды над данным продуктом к давлению паров над чистой водой при этой же температуре. Это отношение входит в основную термодинамическую формулу определения энергии связи влаги с материалом (уравнение Ребиндера).

где ∆F – уменьшение свободной энергии (при постоянной температуре);

L – работа отрыва 1 моля воды от сухого скелета материала (без изменения состава);

R – универсальная газовая постоянная.

где Р_w – давление водяного пара в системе пищевого продукта;

Р₀ – давление чистой воды;

РОВ – относительная влажность в состоянии равновесия, при которой продукт не впитывает влагу и не теряет ее в атмосферу, %.

По величине активности воды продукты классифицируют:

– продукты с высокой влажностью (а_w=1,0-1,9): фрукты (0,97), яйца (0,97), мясо (0,97), сыр (0,96), хлеб (0,95);

– продукты с низкой влажностью (а_w=0,6-0,0): шоколад (0,40), сахар (0-0,15).

Кривые, показывающие связь между содержанием влаги (масса воды, г Н₂0/г СВ) в пищевом продукте с активностью воды в нем при постоянной температуре, называются изотермами сорбции. Они несут информацию для характеристики процессов концентрирования и дегидратации (так как простота и трудность удаления воды из продукта связана с ее активностью), а также позволяют оценивать стабильность пищевых продуктов.

Изотермы сорбции влаги дл продуктов с высокой влажностью.

Изотерма сорбции для области низкого содержания влаги в пищевых продуктах.

Изотерма сорбции имеет зоны I-III. Вода, присутствующая в зоне I (сухая зона), наиболее сильно абсорбирована за счет полярных взаимодействий и наиболее неподвижна в пищевых продуктах. Эта вода не способна быть растворителем, и не присутствует в значительных количествах, чтобы влиять на пластичные свойства твердого вещества, она просто является его частью. Граница зон I и II соответствует монослою влаги, это чрезвычайно малая часть всей влаги в высоковлажном пищевом продукте.

Вода в зоне II образует мультислой и взаимодействует с другими молекулами за счет водородных связей. Эта вода участвует в процессе растворения, действует как пластифицирующий агент. Вода в I и II зонах составляет менее 5% от общей влаги в высоковлажных пищевых продуктах.

Вода, находящаяся в зоне III менее связана и наиболее мобильна, является растворителем, что важно для протекания химических реакций и роста микроорганизмов. Она составляет 95% от всей влаги в высоковлажных материалах.

Активность воды и стабильность пищевых продуктов имеют тесную взаимосвязь. Так, в продуктах с низкой влажностью могут протекать процессы окисления жиров, неферментативное потемнение, потеря витаминов, пора, вызванная ферментами, при этом активность микроорганизмов здесь подавлена. В продуктах с промежуточной влажностью могут протекать разные процессы, в том числе с участием микроорганизмов, а в продуктах с высокой влажностью им принадлежит решающая роль.

Эффективным средством для предупреждения микробиологической порчи и целого ряда химических реакций, снижающих качество пищевых продуктов при хранении, является снижение активности воды в пищевых продуктах. Для этого используют такие технологические приемы как сушка, вяление, добавление различных веществ (сахар, соль), замораживание. С целью достижения в продукте той или иной активности воды применяют такие технологические приемы, как:

– адсорбция – продукт высушивают, а затем увлажняют до определенного уровня влажности;

– сушка посредством осмоса – пищевые продукты погружают в растворы, активность воды в которых ниже активности воды в пищевых продуктах (растворы сахара и соли). В этом случае имеет место два противотока: из раствора в продукт диффундирует растворенное вещество, а из продукта в раствор – вода.

Помимо влияния на химические реакции и рост микроорганизмов активность воды имеет значение и для текстуры продукта. Например, максимальная активность воды, допустимая в сухих продуктах, без потери желаемых свойств, может изменяться в пределах 0,335-0,5 в зависимости от вида продукта (сухое молоко, крекеры и т.п.). Большая активность воды необходима для продуктов мягкой текстуры, которые не должны обладать хрупкими свойствами.

Источник

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

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.

Источник

Активность воды и стабильность пищевых продуктов

Давно замечена взаимосвязь, хотя и далеко не совершенная между влажностью пищевых продуктов и их сохранностью. Однако, часто различные пищевые продукты с одной и той же влажностью портятся с различной скоростью.

В связи с этим был введен термин «активность воды», который характеризует влияние влаги на порчу продуктов.

Активность воды (аw) – это отношение давления паров воды над данным продуктом к давлению паров над чистой водой при той же температуре. Это отношение входит в основную термодинамическую формулу определения энергии связи с материалом (уравнение Ребиндера).

Активность воды характеризует состояние воды в пищевых продуктах, ее причастность к химическим и биохимическим изменениям. По величине а_w различают: продукты с высокой влажностью (аw =1,0-0,9), продукты с промежуточной влажностью (а_w=0,9=0,6), продукты с низкой влажностью (аw=06-0,0).

Взаимосвязь активности воды с влажностью отражена в таблице

Таблица 9 – Активность воды в пищевых продуктах

В продуктах с низкой влажностью может идти окисление липидов, неферментативное потемнение, потеря водорастворимых веществ (витаминов), порча, вызванная ферментами. Активность микроорганизмов здесь подавлена.

В продуктах с промежуточной влажностью – могут протекать разные процессы, в том числе с участием микроорганизмов.

Максимум потемнения продуктов за счет реакции не ферментативного потемнения наблюдается при аw =0,60-0,75.

Наблюдаемый максимум потемнения может объясниться наступлением равновесия для диффузии, которая регулируется величиной вязкости, степенью растворения и массообменном. При низкой активности воды медленная диффузия реагентов замедляет скорость реакции. По мере увеличения влагосодержания более свободная диффузия ускоряет реакцию до тех пор, пока растворение реагентов снова не замедляет ее. Точно так же более высокая концентрация воды замедляет ход реакции на тех обратимых стадиях, на которых образуется вода.

Ферментативные реакции могут протекать при более высоком содержании влаги, чем влага монослоя, т.е. когда есть свободная влага. Она необходима для переноса субстрата. Учитывая это, легко понять, почему скорость ферментативных реакций зависит от аw.

Большинство бактерий размножаются при аw =0,85-095, плесеней – при аw=0,6-0,8, дрожжей – при аw =0,8-0,9. Поэтому низкое значение аw тормозит процессы микробиологического роста.

Таким образом, для предупреждения целого ряда химических реакций, снижающих качество при их хранении, эффективным средством является снижение аw в пищевых продуктах. Для этого используют сушку, вяление, добавление различных веществ (сахар, соль и др.), замораживание. Для получения той или иной аw в продукте можно применять следующие технологические приемы:

— адсорбция – продукт высушивают, а затем увлажняют до определенного уровня влажности;

— сушка посредством осмоса – пищевые продукты погружают в растворы, аw в которых меньше аw пищевых продуктов. Часто для этого используют растворы сахаров или соли.

Для достижения требуемой аw добавляют различные ингредиенты в продукт, обработанный одним из указанных выше способов и дают ему возможность придти в равновесное состояние, т.к. один лишь процесс сушки часто не позволяет получить нужную консистенцию. Применяя потенциальные увлажнители(крахмал, молочная кислота, сахара, глицерин), можно увеличить влажность продукта, но снизить аw.

Помимо влияния на химические реакции и рост микроорганизмов, аw имеет важное значение и для текстуры продуктов. Максимальная аw, допустимая в сухих продуктах без потери желаемых свойств – аw =0,35-0,5, в зависимости от продукта (сухое молоко, крекеры, инстант-продукты и др.). Большая аw необходима для продуктов мягкой текстуры, которые не должны обладать хрупкостью.

Источник