Понятие об активности воды

Для оценки степени участия воды в различных химических, биохимических и микробиологических реакциях широко применяют показатель активность воды a_w, определяемый как отношение парциального давления паров воды над продуктом к парциальному давлению пара над чистой водой. Показатель «активность воды» был предложен У. Скоттом в 1953 г. и в настоящее время широко применяется на практике.

Показатель «активность воды» определяет микробиологическую ситуацию, характер и направление массовлагообмена, интенсивность биологических, физико-химических и химических процессов, происходящих в пищевых продуктах, и тем самым характеризует их качество, стабильность и безопасность.

Учитывая важность и большую информативность показателя a_w, он включен в систему стандартов ISO 9000, а также используется при анализе рисков по критическим контрольным точкам (ХАССП). В странах Евросоюза его определение наряду с показателями «влажность» (IV) и «концентрация водородных ионов» (pH) является обязательным при экспертизе ряда продуктов, а в США определение a_w включено в инструкцию по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов.

В отечественной научной практике часто используют термин «равновесная влажность», однако при этом за активность воды продукта принимают относительную влажность окружающей среды. Поскольку градиент значений активности воды продукта и относительной влажности окружающей среды служит движущей силой массовлагообмена при различных термических и гидротермических процессах, а также при хранении, данные об активности воды обрабатываемых продуктов необходимы для обоснования оптимальных режимов этих процессов.

Другое определение термодинамической активности предложено Г. Льюисом и М. Рендоллом: «активность — это отношение при данной температуре фугитивности f вещества в конкретном состоянии к его фугитивности f₀ в состоянии, которое для удобства принято за стандартное», при этом фугитивность рассматривается как способность вещества к улетучиванию и присуща материалам, давление паров которых в той или иной степени отклоняется от идеального. При условии, что эта идеальность не слишком велика, фугитивность можно заменить измеренной величиной давления пара. В отношении воды дело обстоит именно так, поскольку при обычных температурах водяной пар приближается к идеальному газу.

За стандартное состояние водных растворов принимают фугитивность растворителя (воды). В идеальном случае для растворов действует закон Рауля/

Согласно закону Рауля активность воды должна быть равна молярной доле воды в растворе. Однако на практике наблюдаются существенные отклонения от идеального случая. По мнению М. Карел, эти отклонения вызваны несколькими причинами: не вся вода в продукте является растворителем (например, вода в мо- номолекулярном слое); не все растворенное вещество находится в реальном растворе (часть его может быть связана с другими компонентами, например, белки могут быть связаны с солями или сахарами); взаимодействия между молекулами растворенного вещества могут вызвать отклонение от идеальной ситуации.

Принято, что активность свободной воды равна единице, а абсолютно сухого вещества — нулю (химически связанная вода не учитывается). Подставив единицу в формулу, получаем, что энергия связи свободной воды равна нулю.

Перемещение воды в коллоидных капиллярно-пористых материалах обусловлено наличием градиента потенциала переноса, которым служит разность значений активности воды и продукта. Величина потенциала непосредственно связана с энергией связи воды в продукте. Так, адсорбционно связанная вода перемещается в продукте в виде пара и потенциалом переноса является парциальное давление пара. Вода микро- и макрокапилляров перемещается в виде жидкости (молекулярный перенос) или пара. В первом случае потенциалом переноса служит капиллярный потенциал, во втором — парциальное давление паров воды. Осмотически связанная вода перемещается в виде жидкости (диффузионный перенос), и потенциалом является осмотическое давление, которое связано с активностью воды раствора.

Поскольку градиент значений активности воды продукта и относительной влажности окружающей среды служит движущей силой массовлагообмена при различных термических и гидротермических процессах, а также при хранении, данные об активности воды обрабатываемых продуктов необходимы для обоснования оптимальных режимов этих процессов.

Для определения активности воды пищевых продуктов используют различные методы: манометрические (непосредственное измерение давления паров воды в вакууме), гигрометрические, тензометрические и т. д.

Для продуктов сублимационной сушки содержание воды считается оптимальным на уровне мономолекулярного слоя, поскольку вода в нем настолько прочно связана, что не может перемещаться, она не является растворителем и нереакционноспособна. Удаление воды мономолекулярной адсорбции при сушке в некоторых случаях ускоряет реакции порчи, например окисление липидов. Это связано с изменением активности катализаторов данной реакции, которая в воде ниже, чем в жире. Одной из причин считается удаление гидратной оболочки с металлов, катализирующих процесс окисления. Увеличение влагосодержания продуктов сублимационной сушки выше мономолекулярного слоя приводит к образованию полимолекулярных слоев, вода которых уже может участвовать в химических реакциях неферментативного потемнения.

Активность воды играет важную роль в выживаемости микроорганизмов при стерилизации и пастеризации пищевых продуктов. Понижение активности воды продукта приводит к повышению устойчивости микроорганизмов к термическому воздействию, что необходимо учитывать при разработке режимов стерилизации.

Исследование влияния различных уровней активности воды и концентрации дезинфектанта на деструкцию кишечной палочки показало, что активность воды существенно влияет на эффективность дезинфекции: при снижении a_w с 0,995 до 0,874 необходимо десятикратное увеличение концентрации препарата для обеспечения той же эффективности.

По некоторым данным, увеличение активности воды в продуктах на 0,01 приводит к сокращению сроков их хранения в 2 раза, что связано с возрастанием скорости микробиологических процессов.

В последние годы в нашей стране разработано много новых видов пищевых продуктов с пониженным содержанием поваренной соли и сахара, с использованием нетрадиционных видов сырья и различных пищевых добавок, что приводит к изменению активности воды продукта. На практике изменение рецептуры продукта, например снижение доли сахара, приводит к сокращению сроков хранения и необходимости введения консервантов. Так, уменьшение доли сахара в рецептуре изделий из теста на 20 % приводило к увеличению активности воды и, как следствие, снижению сроков хранения с девяти до трех дней.

Показатель «активность воды» имеет большое значение в разработке технологии так называемых пищевых продуктов с промежуточной влажностью, a_w которых составляет 0,6...0,8, при влажности до 40 % и в них длительное время не происходят реакции, вызывающие порчу продукта.

В связи с необходимостью разработки нового поколения продуктов с промежуточной влажностью возник интерес к изучению активности воды растворов и изотерм сорбции различных пищевых веществ, так называемых «увлажнителей».

Изменять a_w продукта можно различными способами: добавлением растворимых солей, сахаров и других компонентов, обезвоживанием, повышением осмотического давления, превращением части воды в лед при замораживании и др. В пищевой технологии традиционно в качестве веществ, понижающих активность воды, используют сахар и поваренную соль. В насыщенном растворе сахара при 20 °С активность воды составляет 0,864, а поваренной соли — 0,753. В последние годы ассортимент водосвязывающих добавок постоянно расширяется, предлагаются вещества различной природы: соли, полисахариды, аминокислоты, белки, многоатомные спирты и т. п.

При исследовании относительной эффективности нескольких увлажнителей, способных понижать активность воды в концентрации 5... 10 %, установлен следующий порядок эффективности действия агентов: натрия хлорид и соли органических кислот, аминокислоты и белковые гидролизаты, глицерин, сорбит, сахароза и патока, полисахариды, яичный альбумин.

В зарубежной научной литературе большое внимание уделяют не только сорбционным характеристикам продукта, но и агрегатному состоянию его компонентов. Проблема состоит в том, что многие компоненты пищевых продуктов (низкомолекулярные углеводы и соли, протеины, полисахариды) могут находиться в одном из нескольких фазовых состояний: твердом кристаллическом, твердом аморфном (стеклообразном) и в виде раствора.

Нежелательное увеличение влажности и активности воды может происходить при хранении сухих продуктов в неблагоприятных условиях в результате поглощения паров воды из окружающего воздуха. Скорость поглощения воды из окружающей среды пропорциональна квадрату количества воды, которое должно быть поглощено до достижения состояния равновесия.

Как уже отмечалось, активность воды оказывает большое влияние на качество готового продукта. Так, сенсорные исследования показали, что для таких продуктов, как чипсы, воздушная кукуруза, существует определенный диапазон значений активности воды (0,35...0,50), при котором наблюдаются снижение хрупкости, рассыпчатости и, как следствие, ухудшение органолептических показателей.