Н. Усатенко, А. Лысенко, Т. Свириденко
Активность воды aw - распространенный показатель в современном мировом мясопроизводстве. В странах ЕС он является обязательным при экспертизе целого ряда продуктов.
Многие украинские мясокомбинаты активно внедряют западные технологии, и это не только высокотехнологичное оборудование, ингредиенты, но и новые принципы работы. Тем не менее, в Украине определение активности воды не распространено в производственной практике. Научно-исследовательские работы по использованию вышеуказанного показателя для оценки качества продуктов проводятся в ТИММ УААН с 2006 года. Специалисты института ведут работу по исследованию влияния активности воды АW на степень окисления липидов и микробиальную активность в продуктах с промежуточной влажностью из мяса птицы. Цель этой работы — определение порогового значения активности воды аw и методов влияния на изменение ее величины, с помощью чего можно будет обеспечивать качество и безопасность продуктов, как при их производстве, так и при хранении.
Вода — это уникальная жидкость (химическое соединение) с определенными свойствами, входящая в состав всего биологического материала. Классификацию форм связи воды в материалах с учетом природы образования связи и энергии взаимодействия предложил П.А. Ребиндер [1]. Все формы связи воды были разделены на три группы: химическая, физико-химическая и физико-механическая. В соответствии с этой классификацией различают следующие виды связанной воды: химически связанная, адсорбционно связанная, вода макро- и микрокапилляров; осмотически связанная вода, свободно удерживаемая каркасом тела (иммобилизационная).
Вода в пищевых продуктах из мяса, как и в любом биологическом материале, также удерживается всеми формами связи и выступает наравне с другими как обычная составная часть ткани или продукта. Однако характер и прочность форм ее связи неодинаковы. Наиболее прочно связана адсорбционная влага, наименее прочно в продукте связана влага, дополнительно поглощенная белковыми системами в процессах их гидратирования (слабосвязанная влага). В силу того, что эта влага напрямую связана с экономическими показателями при производстве того или другого продукта, она вызывает наибольший интерес, как у производителя, так и контролирующих качество продукта государственных структур.
Практически все отечественные стандарты на пищевые продукты предусматривают определение количественной характеристики “массовой доли влаги”, которая отражает важную роль воды в таких сложных гетерогенных и биологических активных системах, какими являются пищевые продукты.
Для определения массовой доли воды в отечественной лабораторной практике обычно используют стандартные методы высушивания до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре выше 100°С в течение нескольких часов, а определение водоудерживающей способности мышечной ткани проводят по Грау и Гамму в модификации Воловинской В.П. и Кельмана Б.Я.
В последнее же время для характеристики состояния влаги в продукте наряду с влагосодержанием, влагоемкостью, водосвязывающей способностью чаще начали применять интегральную характеристику — активность воды aw. С помощью этого показателя производят оценку степени участия воды в различных химических, биохимических и микробиологических реакциях, протекающих в продукте как в процессе изготовления, так и в процессе его хранения: окисление липидов, ферментативную и неферментативную активность, гидролитические реакции, развитие микроорганизмов.
Из общего количества воды, содержащейся в пищевом продукте, микроорганизмы, например, могут использовать для своей жизнедеятельности лишь определенную “активную” ее часть. И для каждого вида микроорганизмов существуют максимальное, минимальное и оптимальное значения активности воды. Отклонение значения aw от оптимального приводит к торможению процессов жизнедеятельности микроорганизмов, а иногда и к их гибели.
Определяют активность воды как отношение парциального давления водяного пара над поверхностью продукта к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре:
Р/РО = РОВ/100,
где:
Р — парциальное давление;
РО — давление насыщенного водяного пара;
РОВ — равновесная относительная влажность.
Активность воды характеризует сам продукт и обусловлена химическим составом и гигроскопическими свойствами его. Равновесная относительная влажность характеризует окружающую среду, находящуюся в гигротермическом равновесии с продуктом.
Активность воды характеризует форму связи влаги в продукте.
Так, энергия связи влаги с материалом равна:
Е=-RT ln (Р/РО) =-RT ln aw
где:
R — универсальная газовая постоянная;
T — температура.
Исходя из вышеизложенного, казалось бы, что активность воды должна быть равной малярной доле воды в растворе. Однако на практике имеют место существенные отклонения от идеала. По мнению М. Каrel [2], эти отклонения вызваны несколькими причинами: не вся вода в продукте является растворителем (например, вода в мономолекулярном 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); взаимодействие между молекулами растворенного вещества может вызывать отклонение от идеальной ситуации. Исходя из значения величины “активность воды” aw в пищевых продуктах, их разделяют на следующие виды:
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.
В настоящее время уже достаточно полно изучены и определены для многих продуктов пороговые значения аw, за пределами которых замедляются или прекращаются процессы роста микроорганизмов. Так, для большинства бактерий предельное значение аw, обеспечивающее их нормальное развитие, должно быть не ниже 0, 90-0, 99. Дрожжи и многие плесневые грибы хорошо развиваются даже в пределах аw = 0, 85-0, 65. Понижение аw от 1 до 0, 2 приводит к значительному замедлению химических и ферментативных реакций, кроме процесса окисления липидов и реакции Майяра.
Активность воды aw в продукте можно изменять. Для этого существует масса способов: добавление растворимых солей, сахаров и других ингредиентов, высушивание, повышение осмотического давления, превращение части воды в лед при замораживании. В пищевой технологии традиционно в качестве веществ, понижающих активность воды, используют соль, сахара и другие пищевые добавки, молекулы которых имеют большую или меньшую степень диссоциации.
Одной из самых важных задач при проведении технологических процессов производства продуктов питания является определение барьеров (факторов), которые помогут регулировать активность воды в продуктах. За рубежом с этой целью уже разработаны так называемые барьерные технологии [3] на производство целого ряда продуктов, призванные с помощью определенных барьеров сохранить безопасность и качество продуктов с увеличенным сроком хранения. Контроль над всеми формами ухудшения качества и сведение такого явления к минимуму проводят с помощью показателя “активность воды” aw.
Научно-исследовательские работы по использованию вышеуказанного показателя для оценки качества продуктов проводятся в ТИММ УААН с 2006 года. Специалисты института ведут работы по исследованию влияния активности воды аw на степень окисления липидов и микробиальную активность в продуктах с промежуточной влажностью из мяса птицы. Цель этой работы — определение порогового значения активности воды аw и методов влияния на изменение ее величины, с помощью чего можно будет обеспечивать качество и безопасность продуктов как при их производстве, так и при хранении.
Для определения активности воды аw в мясе и мясных продуктах применяют различные методы. При использовании гравиметрических методов фиксируют изменение массы пробы или вспомогательного гигроскопического материала за счет сорбции влаги. Гигроскопические методы основаны на изменении геометрических размеров или электрофизических параметров гигроскопического материала (электропроводность, диэлектрическая проницаемость). Перечисленные методы являются косвенными. К прямым относится манометрический метод. Он заключается в непосредственном измерении давления водяного пара с помощью жидкостных, емкостных или других параметров. Этот метод принят за эталонный и чаще всего используется при проведении исследовательских работ.
Определение уровня показателя активной воды аw в продуктах питания специалисты ТИММ УААН осуществляют с помощью портативного скоростного прибора AquaLab Cерии 3 Модель ТЕ (США), обеспечивающего точность измерения ± 0, 003.
Принцип работы прибора AquaLab заключается в использовании метода зеркально охлаждаемого датчика точки росы для измерения активности воды образца. Последний находится в равновесии с воздушной прослойкой измерительной камеры, в которой находится зеркало и устройство, обнаруживающее конденсацию на зеркале. В равновесном состоянии относительная влажность воздуха в камере имеет такое же значение, как активность воды образца. В приборе температура зеркала точно контролируется термоэлектрическим устройством Пельтье. Обнаружение точного значения, при котором появляется первая конденсация на зеркале, отмечается фотоэлементом. Пучок света направляется на зеркало и отражается в приемнике светового излучения (в фотоэлементе). Приемник распознает изменение в отражении при возникновении конденсации на зеркале. Затем термоэлемент, присоединенный к зеркалу, регистрирует температуру, при которой появилась конденсация. При этом на приборе загорается зеленый свет или звучит сигнал. Последнее значение активности воды и температуры образца также отображаются на дисплее. Вся процедура измерения занимает не более 5 минут времени.