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.

Физическую сущность связанной воды позволяет дать определение: «Связанная вода – это вода, которая существует вблизи растворенного вещества и других неводных компонентов, имеет уменьшенную молекулярную подвижность и другие свойства, отличающиеся от свойств всей массы воды в той же системе, и не замерзает при -40ºС».

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 промежуточной влажностью (а_w=0,9 -0,6): мука (0,8), мед (0,75), печенье (0,6);

– 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.