Изотермы сорбции

Графические зависимости, характеризующие связь между содержанием влаги в г(H₂O) / г(сухого вещества) в пищевом продукте с активностью воды в нем при постоянной температуре, называются изотермами сорбции. Информация, которую они дают, полезна с двух точек зрения:

1. для процессов концентрирования и дегидратации, т.к. простота или трудность удаления воды непосредственно связанна с a_w;

2. для оценки стабильности пищевого продукта.

На ниже приведенном рисунке даны изотермы сорбции влаги для продуктов с высокой влажностью (рис.1) и для продуктов с низким содержанием влаги (рис.2).

рис.1

рис. 2

Свойства воды сильно отличаются по мере перехода от 1 зоны (сухая) к 2 зоне (высокая влажность). Вода, присутствующая в зоне 1 изотермы, наиболее сильно адсорбирована и наиболее неподвижна в пищевых продуктах. Эта вода абсорбирована, благодаря полярным вода-ион и вода-диполь взаимодействиям. Граница зон 1 и 2 (заштрихована) соответствует монослою содержания влаги в пище. Эта зона – чрезвычайно малая часть всей влаги в высоковлажном пищевом продукте.

Зона 2 – это вода, добавленная к пищевому продукту (ресорбция). Эта влага образует мультислой и взаимодействует с соседними молекулами через вода-вода-водородные связи. Она участвует в процессе растворения, действует как пластифицирующий агент, способствует набуханию твердой матрицы. Суммарная вода в зонах 1 и 2 составляет менее 5% от всей воды в высоковлажных продуктах.

В зоне 3 вода состоит из воды, которая была в зоне 1 и 2, и добавленной для образования зоны 3. Эта вода наименее связана и наиболее мобильна. Влага зоны 3 составляет более 95% от всей влаги пищевого продукта. Она может быть как свободной, так и удерживаемой в макромолекулярной матрице.

Активность воды и стабильность пищевых продуктов

В продуктах с низкой влажностью может идти окисление жиров, неферментативное потемнение, потеря витаминов, порча, вызванная ферментами. Активность микроорганизмов в этом случае подавлена. При высокой влажности, наоборот, решающая роль принадлежит микроорганизмам. Большинство химических реакций протекает в области с промежуточной влажностью, кроме окисления липидов. Окисление липидов, напротив, начинается в области с низкой влажностью и по мере ее увеличения-затормаживается до границы зон 1и 2.. Это можно объяснить тем, что вода связывает те компоненты, которые непосредственно участвуют в окислении или катализируют его. При дальнейшем добавлении воды скорость окисления вновь увеличивается. Объясняют это тем, что вначале происходит набухание макромолекул и увеличивается количество кислорода. А дальнейшее понижение скорости окисления связано с уменьшением концентрации катализирующих его веществ.

На модельных системах (глюкоза – глицин, глюкоза – лизин) показано, что a_w влияет на реакцию неферментативного потемнения. С уменьшением a_w этот процесс замедляется. Максимум потемнения наблюдается при a_w = 0,6-0,75. Максимум может быть объяснен увеличением диффузии ионов, ускоряемой наличием влаги.

Влага влияет на скорость протекания ферментативных реакций. Для этого нужно больше влаги, чем влаги монослоя, т.е. когда в системе есть свободная вода. Она необходима для переноса субстрата.

Низкое содержание влаги тормозит процессы роста микроорганизмов. Большинство бактерий размножаются при a_w = 0,85-0,95, плесени при a_w = 0,6-0,8, дрожжей при a_w = 0,8-0,9. Порчу продуктов с промежуточной влажностью в основном вызывают дрожжи и плесени, в меньшей степени – бактерии. Дрожжи вызывают порчу сиропов, кондитерских изделий, джемов, сушеных фруктов; плесени – мяса, джемов, пирожных, печенья, сушеных фруктов. Таким образом, для предупреждения целого ряда химических реакций, снижающих качество пище6вых продуктов при хранении и их микробиологической порчи, эффективным средством является снижение активности воды в пищевых продуктах. Для этого используют сушку, вяление, добавление различных веществ (сахар, соль и др.), замораживание. Для получения той или иной активности воды в продукте можно применять следующие технологические приемы:

1. адсорбция – продукт высушивают максимально, а затем в специальных емкостях увлажняют до определенного уровня влажности;

2. сушка с помощью осмоса – пищевые продукты помещают в растворы, активность воды в которых меньше активности воды пищевых продуктов. Часто для этого используют растворы сахаров или соли. В этом имеют место два противотока: из раствора в продукт диффундирует растворенное вещество, а из продукта в раствор – вода.

Для достижения требуемой активности воды добавляют различные ингредиенты (соль, сахари реже др.) в продукт, обработанный одним из указанных выше способов, и дают ему возможность прийти в равновесное состояние, так как один лишь процесс сушки не позволяет получить продукт нужной консистенции. Например, эффективное снижение активности воды при изготовление джемов является добавление сахара и активное перемешивание. Применяя увлажнители, можно, увеличивая влажность продукта, одновременно снизить a_w. Потенциальные увлажнители для пищевых продуктов – крахмал, молочная кислота, сахара, глицерин и др.

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 потребительских свойств – это 0,35-0,5, в зависимости от продукта (сухое молоко, крекеры). Большая a_w, напротив, необходима для продуктов мягкой текстуры, которые не должны обладать хрупкостью.