4.4. Активність води

Зміна вмісту вологи в продукті негативно впливає на якість і строки зберігання. При цьому продукти втрачають необхідну консистенцію (м’ясо) та інші характеристики. Збільшення вмісту вологи призводить до приcкорення ферментативних процесів – реакція Маяра. Тому контроль вмісту вологи включає регулювання вологості і температури зовнішнього середовища. Для регулювання вологості використовуються різноманітні упаковочні матеріали, які мають гідроізоляційні властивості, проте вони також мають свої недоліки – наприклад, мікротріщини.

Якщо тиск водяної пари в продукті і навколишньому повітрі однакові, то вони перебувають у рівновазі, але ця система не статична, а динамічна, в ній втрата води продуктом компенсується. Коли харчовий продукт знаходиться в умовах, близьких до рівноважного стану, ступінь впливу на продукт буде визначати захисна упаковка і її бар'єрні властивості. Другим фактором є зовнішнє середовище, в якому знаходиться упаковка і який міститься в ній продукт. В умовах зниженої вологості продукт може втрачати вологу, а при підвищеній вологості він буде її акумулювати. Якщо вологість продукту і навколишнього середовища однакова, ніяких змін у вологовмісті відбуватися не буде.

Тому регулювання вмісту вологи та активності води в продукті – це цілий комплекс заходів, спеціалізована система управління, яка підбирається індивідуально для продуктів з різними заданими строками зберігання.

Було встановлено, що при цьому має значення, наскільки вода асоційована з неводними компонентами: вода, сильніше зв'язана, менше здатна підтримати процеси, що руйнують (що псують) харчові продукти, такі як зростання мікроорганізмів і гідролітичні хімічні реакції.

Щоб врахувати ці чинники, був введений термін «активність води». Цей термін безумовно краще характеризує вплив вологи на псування продукту, чим просто вміст вологи. Природно, існують й інші чинники (такі як концентрація O₂, рН, рухливість води, тип розчиненої речовини), які у ряді випадків можуть сильніше впливати на руйнування продукту. Проте, водна активність добре корелює із швидкістю багатьох руйнівних реакцій, вона може бути зміряна і використана для оцінки стану води в харчових продуктах і її причетності до хімічних і біологічних змін.

Активність води (a_w) — це відношення тиску пари води над даним продуктом до тиску пари над чистою водою при тій же температурі, значення лежить в діапазоні від 0,00 (абсолютна сухість) до 1,00 (чиста вода). Вона розраховується для кожного продукту окремо, може бути виміряна за допомогою спеціальних приладів. Це відношення входить в основну термодинамічну формулу визначення енергії зв'язку вологи з матеріалом (рівняння Ребіндера):

Де F— зменшення вільної енергії (при постійній температурі);

L — робота відриву 1 моля води від сухого скелета матеріалу (без зміни складу);

R — універсальна газова стала;

P_w — тиск водяної пари в системі харчового продукту;

P₀ — тиск пари чистої води;

РВВ — відносна вологість в стані рівноваги, при якій продукт не вбирає вологу і не втрачає її в атмосферу %.

За величиною активності води (табл. 42) виділяють: продукти з високою вологістю (a_w= 1,0…0,9); продукти з проміжною вологістю (a_w = 0,9…0,6); продукти з низькою вологістю (a_w = 0,6…0,0).

Таблиця 42

Активність води (a_w) в харчових продуктах

Вплив активності води на стабільність при зберіганні продуктів

Стабільність харчових продуктів і активність води тісно зв'язані.

У продуктах з низькою вологістю можуть відбуватися окислення жирів, неферментативне потемніння, втрата водорозчинних речовин (вітамінів), псування, викликане ферментами. Активність мікроорганізмів тут пригнічена. У продуктах з проміжною вологістю можуть протікати різні процеси, зокрема за участю мікроорганізмів. У процесах, що протікають при високій вологості, мікроорганізмам належить вирішальна роль. Через загрозу харчових отруєнь залежність між вмістом вологи та мікробіологічним псуванням харчових продуктів винятково важлива. Зараження харчових продуктів Shigella spp., Klebsiella spp., Escherichia spp., Vibrio spp., Salmonella spp. та іншими мікроорганізмами приносить людям чимало неприємностей у вигляді розладів шлунково-кишкового тракту. Харчові інтоксикації, викликані секрецією таких мікроорганізмів, як Clostridium botulinum, Staphylococcus spp. і Bacillus cereus представляють серйозну проблему, іноді з летальним результатом для людей. Багато цвілей продукують вкрай токсичні речовини з важкими мутагенними, нейротоксичними, естрогенними й алергічними наслідками. Ключовим чинником розмноження цих мікроорганізмів в їжі і харчових продуктах є a_w. Активність води продукту впливає на деякі токсикогенні мікроорганізми. Розробники і виробники продукту повинні знати про ці згубні ефекти і вести жорсткий контроль вмісту вологи, обробки продукту та його упаковки. Дані, наведені в табл. 43, свідчать про те, що при a_w нижче 0,6 мікробіологічних проблем у ході зберігання не виникає.

При зберіганні в домашніх умовах або в умовах промислового зберігання і збуту продукти піддаються впливу змінних температур. Повітря в упаковці містить значно більше вологи при підвищених температурах (46 г/м при 37,8 °С), ніж при температурах холодильного зберігання (6,5 г/м при 4,4 °С). Отже, при більш високих температурах a_w (% відносної вологості) істотно знижується, а при низьких температурах a_w (% відносної вологості) зростає. При підвищенні температури вміст упаковки буде виділяти вологу, прагнучи відновити рівновагу a_w між повітрям і вмістом упаковки. Відповідно, при охолодженні повітря буде віддавати частину вологи назад продукту (швидше за все у формі конденсату). Можна очікувати, що у продукті буде створюватися градієнт a_w з високим значенням на поверхні і початковим значенням a_w усередині продукту, оскільки в більшості випадків у харчових продуктах з помірним вмістом вологи процес дифузії протікає відносно повільно.

Таблиця 43

Вплив активності води на ріст мікроорганізмів

Тонкий шар продукту з високим значенням a_w стає сприятливим для росту мікроорганізмів, будь то бактерії, дріжджі або цвілі. Контролювати цю потенційну мікробіологічну проблему допомагає повноцінна система регулювання вмісту вологи.

Активність води деяких продуктів, наприклад, в'яленого м'яса, значно більше її мінімального значення, при якому ростуть цвілі. У таких випадках продукти зазвичай упаковують в газовому середовищі, що не містить кисню, оскільки цвілі є аеробними мікроорганізмами. Як правило, для підтримки анаеробних умов та поглинання кисню, що проникає крізь пакувальний матеріал з навколишнього повітря, в упаковку з продуктом поміщають спеціальний пакетик з поглиначем кисню.

Різні види м’ясопродуктів характеризуються неоднаковими числовими значеннями а_w, що визначає різницю в ступені їх стійкості при зберіганні (табл. 44).

Таблиця 44

Числові значення а_w м’ясопродуктів

Рівень а_w можна регулювати. Підбираючи види сировини в рецептурі, зменшуючи кількість вільної вологи в м’ясопродуктах, використовуючи вакуумні упаковки, тощо. Використання вакуум-упаковки дає змогу зменшити рівень а_w на 0,01…0,02 в порівнянні із зберіганням м’ясних виробів у звичайному стані.