Активность воды и стабильность пищевых продуктов

Активность воды и стабильность пищевых продуктов

Содержание влаги (%) в пищевых продуктах изменяется в широких пределах:

 

Мясо 65–75

Молоко 87

Фрукты, овощи 70–95

Хлеб 35

Мед 20

Масло, маргарин 16–18

Мука  12–14

Кофе-зерна (обжаренный) 5

Сухое молоко 4

Пиво, соки 87-90

Сыр 37

Джем 28

Многие виды пищевых продуктов содержат большое количество влаги, что отрицательно сказывается на их стабильности в процессе хранения. Поскольку вода непосредственно участвует в гидролитических процессах, ее удаление или связывание за счет  увеличения содержания соли или сахара тормозит многие реакции и ингибирует рост микроорганизмов, таким образом удлиняя сроки хранения продуктов.

Однако часто различные пищевые продукты с одним и тем же содержанием влаги портятся по-разному. В частности, было установлено, что при этом имеет значение, насколько вода ассоциирована с неводными компонентами: вода, сильнее связанная, меньше способна поддержать процессы, разрушающие (портящие) пищевые продукты, такие как рост микроорганизмов и гидролитические химические реакции.

Чтобы учесть эти факторы, был введен термин «активность воды». Этот термин безусловно лучше характеризует влияние влаги на порчу продукта, чем просто содержание влаги.

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 влаги с материалом (уравнение Ребиндера):

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.

уравнение Ребиндера 2

Где Pw – давление водяного пара в системе пищевого продукта; Ро — давление пара чистой воды; РОВ – относительная влажность в состоянии равновесия, при которой продукт не впитывает влагу и не теряет ее в атмосферу, %.

По величине активности воды (табл. 9.6) выделяют: продукты с высокой влажностью (аw=1,0–0,9); продукты с промежуточной влажностью (аw=0,9–0,6); продукты с низкой влажностью (аw=0,6–0,0).

ПродуктВлажность,%аwПродуктВлажность,%аw
Фрукты90–950,97Мед10–150,75
Яйца70–800,97Карамель7–80,65
Мясо60–700,97Печенье6–90,60
Сыр400,92–0,96Шоколад5–70,40
Джем30–350,82–0,94Сахар0–0,150,10
Хлеб40–500,95

Кривые, показывающие связь между содержанием влаги (массы воды, г H2O/г СВ) в пищевом продукте с активностью воды в нем при постоянной температуре, называются изотермами сорбции. Информация, которую они дают, полезна для характеристики процессов концентрирования и дегидратации (т.к. простота или трудность удаления воды связана с аw), а также для оценки стабильности пищевого продукта (что будет рассмотрено позже). На рис.9.4 изображена изотерма сорбции влаги для продуктов с высокой влажностью (в широкой области влагосодержания).

Изотерма сорбции влаги для продуктов с высокой влажностью.

Изотерма сорбции влаги для продуктов с высокой влажностью

Однако, с учетом наличия связанной влаги, больший интерес представляет изотерма сорбции для области низкого содержания влаги в пищевых продуктах

Изотерма сорбции влаги для области низкого содержания влаги в пищевых продуктах.

Изотерма сорбции влаги для области низкого содержания влаги в пищевых продуктах

Для понимания значения изотермы сорбции полезно рассмотреть зоны I-III.

Свойства воды в продукте сильно отличаются по мере перехода от зоны I (низкие влагосодержания к зоне III (высокая влажность). Зона I изотермы соответствует воде, наиболее сильно адсорбированной и наиболее неподвижной в пищевых продуктах. Эта вода абсорбирована, благодаря полярным вода-ион и вода-диполь взаимодействиям. Энтальпия парообразования этой воды много выше, чем чистой воды, и она не замерзает при -40°С. Она неспособна быть растворителем, и не присутствует в значительных количествах, чтобы влиять на пластичные свойства твердого вещества; она просто является его частью.

Высоковлажный конец зоны I (граница зон I и II) соответствует монослою влаги. В целом зона I – соответствует чрезвычайно малой части всей влаги в высоковлажном пищевом продукте.

Вода в зоне II состоит из воды зоны I и добавленной воды (ресорбция) для получения воды, заключенной в зону II. Эта влага образует мультислой и взаимодействует с соседними молекулами через вода-вода-водородные связи. Энтальпия парообразования для мультислойной воды несколько больше, чем для чистой воды. Большая часть этой воды не замерзает при –40°С, как и вода, добавленная к пищевому продукту с содержанием влаги, соответствующим границе зон I и II. Эта вода участвует в процессе растворения, действует как пластифицирующий агент и способствует набуханию твердой матрицы. Вода в зонах II и I обычно составляет менее 5% от общей влаги в высоковлажных пищевых продуктах.

Вода в зоне III  изотермы состоит из воды, которая была в зоне I и II, и добавленной  для образования зоны III. В пищевом продукте эта вода наименее связана и наиболее мобильна. В гелях или клеточных системах она является физически связанной, так что ее макроскопическое течение затруднено. Во всех других отношениях эта вода имеет те же свойства, что и вода в разбавленном солевом растворе. Вода, добавленная (или удаленная) для образования зоны III, имеет энтальпию парообразования практически такую же, как чистая вода, она замерзает и является растворителем, что важно для протекания химических реакций и роста микроорганизмов. Обычная влага зоны III (не важно, свободная или удерживаемая в макромолекулярной матрице) составляет более 95% от всей влаги в высоковлажных материалах.

Стабильность пищевых продуктов и активность воды тесно связаны.

На рис. 9.6. показано отношение  между аw и скоростью различных реакций, происходящих в пищевых продуктах при температуре 25–45°С. Для сравнения здесь же представлена изотерма сорбции. Нужно помнить, что точная скорость реакции, наклон кривых и т.д. могут несколько изменяться в зависимости от состава, физического состояния, структуры образца, состава атмосферы (особенно присутствия кислорода), температуры.

В продуктах с низкой влажностью могут происходить окисление жиров, 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. В процессах, протекающих при высокой влажности, микроорганизмам принадлежит решающая роль.

Для большинства химических реакций, показанных на рис.9.6, большая или максимальная скорость имеет место, как правило, в области аw, характерной для продуктов с промежуточной влажностью (0,7-0,9). Минимальная скорость этих реакций на кривой изотермы наблюдается на границе зон I и II (аw=0,2-0,4), и для всех реакций, кроме окисления липидов, скорость остается минимальной, если аw еще меньше.  Влагосодержание, соответствующее этому состоянию, составляет мономолекулярный слой.

Влияние активности воды на скорость реакций в пищевых продуктах

Влияние аw на скорость реакций в пищевых продуктах.

 Влияние аw на скорость реакций в продуктах

Окисление липидов начинается при низкой аw. По мере ее увеличения скорость окисления уменьшается примерно до границы зон I и II на изотерме, а затем снова увеличивается до границы зон II и III. Дальнейшее увеличение аw снова уменьшает скорость окисления (на рис.10.8 не показано). Эти изменения можно объяснить тем, что при добавлении воды к сухому материалу сначала имеет место столкновение с кислородом. Эта вода (зона I) связывает гидропероксиды, сталкивается с их продуктами распада и, таким образом, препятствует окислению. Кроме того, добавленная вода гидратирует ионы металлов, которые катализируют окисление, уменьшая их действенность.

Добавление воды за границей I-II приводит к увеличению скорости окисления. Предполагается, что вода, добавленная в этой области изотермы, может ускорять окисление путем увеличения растворимости кислорода и набухания макромолекул. При еще больших значениях аw (больше, чем 0,8) имеет место уменьшение скорости окисления, что можно объяснить разбавлением катализаторов, приводящим к уменьшению их действия.

На модельных системах (глюкоза-глицин, глюкоза-лизин) показано влияние аw на реакцию неферментативного потемнения. При аw=0,75 и температуре 40°С продолжительность реакции потемнения составляет 40 часов (глюкоза-лизин); при аw=0,55 и температуре 40°С – 192 часа  (глюкоза-глицин). Максимум потемнения наблюдается при аw=0,6 – 0,75.

Наблюдаемый  максимум потемнения может объясняться наступлением равновесия в процессе диффузии, которая регулируется величиной вязкости, степенью растворения и массообменом. При низкой активности воды медленная диффузия реагентов замедляет скорость реакции. По мере увеличения влагосодержания более свободная диффузия ускоряет реакцию до тех пор, пока в верхней точке диапазона влажности 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. тогда, когда есть свободная вода. Она необходима для переноса субстрата. Учитывая это, легко понять, почему скорость ферментативных реакций зависит от аw.

При аw, соответствующей влаге монослоя, нет свободной воды для переноса субстрата. Кроме того, в ряде ферментативных реакций вода сама играет роль субстрата. На рис.10.9 показано влияние аw на  ферментативные процессы в сублимированной говядине при ее хранении. Распад АТФ и глюкоза-6-фосфата существенно увеличивается при увеличении аw от 0,4 до 0,7. Ферментативные процессы под действием липаз имели место даже при аw=0,1-0,2. Это по-видимому, связано с тем, что липиды в меньшей степени нуждаются в воде как транспортном средстве, ибо подвижность самих липидов достаточна, чтобы образовать фермент-субстратный комплекс.

В табл.9.7. приведены предельные значения аw для роста микроорганизмов (средние данные по разным источникам).

Рост микроорганизмов наблюдается при значениях аw от 0,998 до 0,65–0,61. Оптимальное значение для многих 0,99–0,98; примерно в этих пределах находится аw скоропортящихся пищевых продуктов (мяса, рыбы, плодов, овощей).

Большинство бактерий не развивается при аw субстрата ниже 0,94–0,90. Для дрожжей предельная величина аw составляет 0,88–0,85, а для мицелиальных грибов – 0,8. Однако некоторые дрожжи и мицелиальные грибы, а также галофильные виды бактерий растут, хотя и медленно, при аw субстрата 0,75–0,62.

Таким образом, водная активность пищевых продуктов существенно влияет на их устойчивость в хранении. Продукты, у которых аw менее 0,7, могут длительно сохраняться без микробной порчи.

В основном порчу продуктов с промежуточной влажностью вызывают дрожжи и плесени, меньше – бактерии. Дрожжи вызывают порчу сиропов, кондитерских изделий, джемов, сушеных фруктов; плесени – мяса, джемов, пирожных, печенья, сушеных фруктов.

Предельные значения аw для роста микроорганизмов, встречающихся в пищевых продуктах

Минимальное значение аwБактерииДрожжиПлесени
0,98Pseudomonas
0,96Klebsiella, Shigella
0,93Clostridium, Lactobacillus
0,92Salmonella
0,90Vibrio, PediococcusPhodotorula, Saccharomyces*
0,88Candida, Torulopsis, Debariomyces
0,86Staphylococcus
0,80Saccharomyces*Penicillum, Aspergillus*
0,75Hulophilic bacteria
0,62Saccharomyces*
0,60Aspergillus*

* Некоторые штаммы

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 снижения активности воды используют такие технологические приемы, как сушка, вяление,  добавление различных веществ (сахар, соль и др.); замораживание. С целью достижения той или иной  активности воды в продукте можно применять 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 меньше активности воды пищевых продуктов.

Часто для этого используют растворы сахаров или соли.

Помимо влияния на химические реакции и рост микроорганизмов, активность воды имеет значение и для текстуры продуктов. Например, максимальная активность воды, допустимая в сухих продуктах без потери желаемых свойств, может изменяться в пределах 0,35–0,5 в зависимости от вида продукта (сухое молоко, крекеры, инстант – продукты и т.п.).

Ссылка на основную публикацию