Активность воды

Давно известно, что 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 часто различные пищевые продуты 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. Естественно существуют и другие факторы (такие как pH, подвижность воды, тип растворенного вещества), которые в ряде случаев могут сильнее влиять на разрушение продукта. Тем не менее, водная активность хорошо коррелирует со скоростью многих разрушительных реакций, она может быть измерена и использована для оценки состояния воды в пищевых продуктах и ее причастности к химическим и биологическим изменениям.

Активность воды(а_w)­­  это отношение давления паров воды над данным продуктом к давлению паров над чистой водой при той же температуре.

a_w =

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

Таблица. Активность воды (a_w ) в пищевых продуктах.

Продукт	Влажность, %	aw
Фрукты	90-95	0,97
Яйца	70-80	0,97
Мясо	60-70	0,97
Сыр	40	0,96
Джем	30-35	0,82-0,94
Хлеб	40-50	0,95
Кекс	20-28	0,83
Мука	16-19	0,80
Мед	10-15	0,75
Карамель	7-8	0,65
Печенье	6-9	0,60
Шоколад	5-7	0,40
Сахар	0-0,15	0,10

Активность воды характеризует способность ее участия в химических и биохимических процессах продуктов питания. По величине активности воды выделяют: продукты с высокой влажностью (a_w = 1,00,9); продукты с промежуточной влажностью (a_w = 0,90,6); продукты с низкой влажностью (a_w = 0,60,0).

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 процессы, в том числе с участием микроорганизмов. В процессах, протекающих при высокой влажности, микроорганизмам принадлежит решающая роль.

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.

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 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 пролукты погружают в растворы, активность воды в которых меньше активности воды пищевых продуктов.

Часто для этого используют растворы сахаров или соли. В этом случае имеет место два противотока: из раствора в продукт диффундирует растворенное вещество, а из продукта в раствор  вода. К сожалению, природа этих процессов сложна, и в литературе нет достаточных данных по этому вопросу.

Для достижения требуемой активности воды добавляют различные ингредиенты в продукт, обработанный одним из указанных выше способов, и дают ему возможность прийти в равновесное состояние, так как один лишь процесс сушки часто не позволяет получить нужную консистенцию. Применяя увлажнители, можно увеличить влажность продукта, но снизить a_w. Потенциальными увлажнителями для пищевых продуктов являются крахмал, молочная кислота, сахар, глицерин и др.

Помимо влияния на химические реакции и рост микроорганизмов, 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.). большая a_w необходима для продуктов мягкой текстуры, которые не должны обладать хрупкими свойствами.

Методы определения свободной и связанной влаги

1. Дифференциальная сканирующая калориметрия. Если образец охладить до температуры ниже 0C, то свободная влага замерзает, связанная- нет. При нагревании замороженного образца в калориметрах можно измерить тепло, потребляемое для плавления замерзшей воды. Незамерзающая вода – разница между общей и замерзшей водой.

2. Термогравиметрический метод – основан на определении скорости высушивания. В контролируемых условиях границу между областью постоянной скорости высушивания и областью, где эта скорость снижается, можно принять за характеристику связанной влаги.

3. Диэлектрические измерения. Метод основан на том, что при 0C значение диэлектрической проницаемости воды и льда примерно равны. Но если часть влаги связана, то ее диэлектрическое поведение должно сильно отличаться от диэлектрического поведения основной массы воды и льда.

4. Измерение теплоемкости. Теплоемкость воды больше, чем льда, т.е. с повышением температуры в воде происходит разрыв водородных связей. Это свойство используют для изучения подвижности молекул воды. Значение теплоемкости воды в зависимости от ее содержания в полимерах дает сведения о количестве связанной воды. Если при низких концентрациях вода специфически связана, то ее вклад в теплоемкость мал. В области высоких содержаний влажности в основном свободная влага, и ее вклад в теплоемкость примерно в 2 раза больше, чем льда.

5. ЯМР – изучение подвижности воды в неподвижной матрице. При наличии свободной и связанной влаги в ЯМР наблюдаются две линии.

Взаимодействие «вода – растворенное вещество». При добавлении различных веществ к воде изменяются свойства как самого вещества, так и воды. Гидрофильные вещества взаимодействуют с водой путем ион-дипольного механизма, вызывая изменения в структуре воды, ее подвижности, а также в структуре и реакционной способности гидрофильных веществ. Гидрофобные группы добавленных веществ взаимодействуют с близлежащей водой слабо, предпочитая неводное окружение. Молекулы около гидрофобных групп становятся более упорядоченными, приводя к уменьшению энтропии. Чтобы уменьшить контакт с водой, гидрофобные группы агрегируются. Этот процесс известен как гидрофобное взаимодействие.

Взаимодействие воды с ионами и ионогенными группами. Вода, взаимодействуя с ионами и ионогенными группами, является наиболее прочно связанной в пищевых продуктах. Нормальная структура чистой воды нарушается при добавлении диссоциирующих веществ. Для простых неорганических ионов, не обладающих способностью образовывать донорно-акцепторные связи, связь просто полярна. Пример – гидратированные ионы Na⁺ и Cl^- при растворении NaCl. Вода в мультислое существует в структурно разрушенном состоянии из-за конкурирующего влияния, с одной стороны, мультислоя, с другой – внешней массы воды.

Способность ионов изменять структуру воды тесно связана с силой электрического поля иона. Такие ионы как Na⁺, H⁺, H₃O⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, F^-, OH^- имеют сильное электрическое поле и образуют сетчатую структуру, от 4 до 6 молекул воды расположены около каждого из ионов.

Большие ионы (или моновалентные), такие как K⁺, Pb²⁺, Cs⁺, NH₄⁺, Cl^-, Br^-, J^-, NO₃^-, ClO₄^-, имеют слабое электрическое поле, сетчатая структура разрушается.

Ионы, благодаря их различной способности гидратироваться и влиять на диэлектрическую константу воды и толщу двойного электрического слоя около коллоидов, оказывают влияние на другие растворенные вещества или на вещества, суспензированные в среде. Поэтому, например, конформации белков и стабильность коллоидов сильно зависит от вида и количества присутствующих ионов.