Какая существует связь между влажностью пищевой ценностью и сохранностью продуктов

Давно замечена взаимосвязь, хотя и далеко не совершенная между влажностью пищевых продуктов и их сохранностью. Однако, часто различные пищевые продукты с одной и той же влажностью портятся с различной скоростью.

В связи с этим был введен термин «активность воды», который характеризует влияние влаги на порчу продуктов.

Активность воды (аw) – это отношение давления паров воды над данным продуктом к давлению паров над чистой водой при той же температуре. Это отношение входит в основную термодинамическую формулу определения энергии связи с материалом (уравнение Ребиндера).

Активность воды характеризует состояние воды в пищевых продуктах, ее причастность к химическим и биохимическим изменениям. По величине аw различают: продукты с высокой влажностью (аw =1,0-0,9), продукты с промежуточной влажностью (аw=0,9=0,6), продукты с низкой влажностью (аw=06-0,0).

Взаимосвязь активности воды с влажностью отражена в таблице

Таблица 9 – Активность воды в пищевых продуктах

В продуктах с низкой влажностью может идти окисление липидов, неферментативное потемнение, потеря водорастворимых веществ (витаминов), порча, вызванная ферментами. Активность микроорганизмов здесь подавлена.

В продуктах с промежуточной влажностью – могут протекать разные процессы, в том числе с участием микроорганизмов.

При высокой влажности – микроорганизмам принадлежит решающая роль.

Максимум потемнения продуктов за счет реакции не ферментативного потемнения наблюдается при аw =0,60-0,75.

Наблюдаемый максимум потемнения может объясниться наступлением равновесия для диффузии, которая регулируется величиной вязкости, степенью растворения и массообменном. При низкой активности воды медленная диффузия реагентов замедляет скорость реакции. По мере увеличения влагосодержания более свободная диффузия ускоряет реакцию до тех пор, пока растворение реагентов снова не замедляет ее. Точно так же более высокая концентрация воды замедляет ход реакции на тех обратимых стадиях, на которых образуется вода.

Ферментативные реакции могут протекать при более высоком содержании влаги, чем влага монослоя, т.е. когда есть свободная влага. Она необходима для переноса субстрата. Учитывая это, легко понять, почему скорость ферментативных реакций зависит от аw.

Большинство бактерий размножаются при аw =0,85-095, плесеней – при аw=0,6-0,8, дрожжей – при аw =0,8-0,9. Поэтому низкое значение аw тормозит процессы микробиологического роста.

Таким образом, для предупреждения целого ряда химических реакций, снижающих качество при их хранении, эффективным средством является снижение аw в пищевых продуктах. Для этого используют сушку, вяление, добавление различных веществ (сахар, соль и др.), замораживание. Для получения той или иной аw в продукте можно применять следующие технологические приемы:

– адсорбция – продукт высушивают, а затем увлажняют до определенного уровня влажности;

– сушка посредством осмоса – пищевые продукты погружают в растворы, аw в которых меньше аw пищевых продуктов. Часто для этого используют растворы сахаров или соли.

Для достижения требуемой аw добавляют различные ингредиенты в продукт, обработанный одним из указанных выше способов и дают ему возможность придти в равновесное состояние, т.к. один лишь процесс сушки часто не позволяет получить нужную консистенцию. Применяя потенциальные увлажнители(крахмал, молочная кислота, сахара, глицерин), можно увеличить влажность продукта, но снизить аw.

Помимо влияния на химические реакции и рост микроорганизмов, аw имеет важное значение и для текстуры продуктов. Максимальная аw, допустимая в сухих продуктах без потери желаемых свойств – аw =0,35-0,5, в зависимости от продукта (сухое молоко, крекеры, инстант-продукты и др.). Большая аw необходима для продуктов мягкой текстуры, которые не должны обладать хрупкостью.

Хранение продовольственных товаров всегда сопровождается изменением их качества и массы. Хранение продуктов с минимальными потерями в весе и без заметного ухудшения качества возможно только при оптимальных условиях. Изучить эти условия, разработать и усовершенствовать экономически обоснованные режимы и способы хранения продуктов — важнейшая задача теории и практики.

Устойчивость товара при хранении зависит от его химического состава, физической структуры и реакции на воздействие факторов окружающей среды.

Особенности химического состава продовольственных товаров обуславливают эндогенные (внутренние) факторы хранения — дыхание, гликолиз, автозаправка, а влияние окружающей среды на продукты, которые сохраняются, связанный с действием экзогенных (внешних) факторов — воздуха, его температуры, влажности, света, ультрафиолетовых лучей, радиации, микроорганизмов и вредителей. Под действием этих факторов в пищевых продуктах происходят составляющие процессы — физические, химические, биохимические и микробиологические.

Итак, при хранении продуктов их состояние, потребительная ценность и размеры потерь в весе зависят главным образом от следующих причин:

1) интенсивности биохимических процессов, которые происходят в клетках и тканях продукта;

2) степени действия на продукт представителей микробиологического мира;

3) развитие в массе продукта насекомых и клещей — вредителей запасов.

Температура воздуха

Температура является одним из важнейших факторов, определяющих характер и интенсивность процессов, протекающих в пищевых продуктах при хранении. Она влияет на физическое состояние продуктов. Колебания температуры меняет объем продукта, особенно напитков. Температура замерзания тканевого сока продукта зависит от концентрации раствора и свойств растворителя, степени диссоциации растворенных веществ.

При медленном замораживании продуктов образование кристаллов начинается между клетками за счет влаги клеток и волокон, где кристаллизация еще не началась. Крупные кристаллы разрушают перво-начальную структуру продукта, которая при размораживании полностью не возобновляется.

Температура воздуха при хранении влияет также на скорость химических, биохимических и особенно микробиологических процессов.

Пищевые продукты при наличии температуры в центре их массы от °°С до 4°С называют охлажденными, а с температурой -6°С и ниже — замороженными. В охлажденных продуктов не прекращается развитие микрофлоры, активно происходят процессы сорбции и десорбции, а поэтому их нужно хранить при относительной влажности воздуха 8°-9°% и скорости движения воздуха от °,1 °,3 м/с, чтобы не возникла опасность развития микрофлоры и затхлости.

Необходимо избегать колебаний температуры при хранении замороженных продуктов через перекристалізацію, связанную с увеличением размеров кристаллов льда в продукте, что уменьшает преимущества быстрого замораживания. В замороженных пищевых продуктах рост кристаллов льда тем значительнее, чем выше температура хранения и больше ее колебания.

Влажность воздуха

Воздух всегда содержит некоторое количество водяных паров. Показателями влажности воздуха абсолютная и относительная влажность и точка росы.

Абсолютная влажность воздуха — это вес водяного пара в см3 воздуха. Водяной пар создает давление, которое называют упругостью и выражают в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст). С точностью можно считать, что содержание водяного пара (в граммах) в см3 воздуха соответствует упругости водяного пара (в мм рт. ст.). Таким образом, абсолютная влажность воздуха выражается массой водяного пара (в граммах), содержащейся в см3 влажного воздуха, а также упругостью (парциальным давлением) водяного пара (в мм рт. ст Чем выше температура воздуха, тем большее количество водяных паров требуется для его насыщения.

свойства подогретого воздуха поглощать большое количество влаги основано сушки зерна, овощей, плодов и других продуктов. Относительная влажность воздуха — это отношение фактического количества водяных паров в воздухе к тому количеству, которое необходимо для его насыщения при данной температуре. Относительную влажность воздуха выражают в процентах; она характеризует степень насыщения воздуха водяными парами. Другими словами, относительная влажность воздуха — отношение упругости (парциального давления) водяного пара, содержащегося в воздухе, к максимальной упругости (парциального давления) их при данной температуре, выраженное в процентах/

Точка росы — это температура воздуха, при которой воздух достигает полного насыщения (100%-ной относительной влажности). Дальнейшее насыщение воздуха приводит к конденсации пара в виде росы, а при температуре ниже 0°С — в виде инея.

Количество водяного пара, необходимое для полного насыщения воздуха, а следовательно, и максимальная упругость пара возрастает с повышением температуры.

По одной и той же абсолютной влажности воздуха относительная влажность может повышаться или снижаться в зависимости от изменения температуры. При снижении температуры повышается степень насыщенности воздуха водяным паром, повышается относительная влажность воздуха и может достигнуть 00-процентной относительной влажности при охлаждении воздуха до точки росы. При дальнейшем понижении температуры создается избыточное количество водяного пара и воздух становится перенасыщенным. В этом случае избыток водяного пара конденсируется в виде капельно-жидкой влаги (при температуре до 0°С) или инея (при температуре ниже 0°С). С этим явлением связано відпотівання.

С повышением температуры, наоборот, уменьшается степень насыщенности воздуха водяным паром, относительная влажность уменьшается, воздух становится суше.

Таким образом, колебания температуры в хранилищах вызывает колебания относительной влажности воздуха, что в свою очередь изменяет массу и влажность продукта. Разница между максимальной упругостью водяного пара при данной температуре и действительным его упругостью называется дефицитом влажности.

При одном и том же содержании водяного пара в воздухе понижение температуры вызывает повышение относительной влажности воздуха, т. е. его увлажнение. При повышении температуры относительная влажность воздуха снижается — оно становится суше. Дефицит влаги в таком случае будет повышаться. Следовательно, снижение температуры в складском помещении приводит к снижению скорости испарения влаги. Повышение температуры, наоборот, увеличивает усушку.

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 (аw) – 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 Рw – 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 (аw=1,0-1,9): фрукты (0,97), яйца (0,97), мясо (0,97), сыр (0,96), хлеб (0,95);

– продукты с промежуточной влажностью (аw=0,9 -0,6): мука (0,8), мед (0,75), печенье (0,6);

– продукты с низкой влажностью (аw=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.

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.