Что такое активность воды

Практически все продукты содержат большое количество влаги, что отрицательно сказывается на их стабильности во время хранения. Поскольку вода участвует в гидролитических и химических процессах, её удаление или связывание с другими неводными компонентами тормозит многие реакции и замедляет рост микроорганизмов. Тем самым, увеличиваются сроки хранения продуктов.

Однако, практически всегда различные продукты, имеющие одинаковое содержание влаги, портятся по-разному. Почему так происходит? Было установлено, что в вопросе длительности хранения продуктов имеет значение, насколько вода связана с неводными компонентами. Так, связанная вода в продукте в меньшей степени способна поддерживать процессы, разрушающие или портящие продукты.

Чтобы учесть эти факторы, в 1952 году был введен термин «активность воды» (англ. water activity). Общепринятое научное обозначение – aw. Этот параметр описывает не просто содержание влаги в продукте, а влияние влаги на процесс порчи продукта.

Понятие Активность воды основывается на фундаментальных принципах термодинамики и физической химии.

µ=µo+RT ln (f/fo

µ – химический потенциал
µo – химический потенциал чистого вещества
R – газовая постоянная
T – температура
f/fo – летучесть

Соотношение f/fo определяют как активность (a) компонента системы. В случаях, когда речь идёт о таком компоненте, как вода, её обозначение принимается как aw=f/fo, где w означает воду (англ. water).

Согласно современному представлению о параметре, Активность воды характеризует энергетический статус воды в системе и определятся как соотношение давления паров воды над продуктом к давлению паров над чистой водой при одинаковой температуре в системах, находящихся в равновесном состоянии:

aw = f/fo = p/po

Активность воды aw — это отношение давления p паров воды над продуктом при температуре t к давлению p0 паров воды над чистой водой при той же t. Обязательными условиями при этом являются равновесное (максимально близкое к равновесному) состояние с постоянными p, p0 и t.

Обязательные условия: равновесное состояние, t=const, p=const.

Параметр активности воды широко используется в пищевой промышленности и помогает получить представление о следующих характеристиках продуктов:

  • микробиологическая стабильность (срок годности и стабильность продуктов при хранении, пищевая безопасность);
  • химическая стабильность (содержание белков и витаминов, активность ферментов);
  • физическая стабильность (цвет, вкус, питательная ценность, растворимость и текстура).

Исследования активности воды также являются важными в косметической, фармацевтической и химической промышленности – там, где производятся или используются продукты, свойства которых чувствительны к влаге.

В настоящее время изучены и определены пороговые значения aw для большинства микроорганизмов, ниже которых замедляются или прекращаются процессы их роста, например для бактерий порог 0.75-0.98 aw, для дрожжей – 0.62-0.90 aw, для плесеней – 0.60-0.88 aw.

Существует несколько основных факторов, влияющих на значение активности воды в продукте:

  1. Наличие и количество гидрофильных веществ и водосвязывающих добавок (крахмал, сахар, соль и т.п.). Эти вещества взаимодействуют с водой и образуют новые ионные и водородные связи, тем самым уменьшая количество доступной воды в продукте.
Что такое активность воды
  1. Влияние строения матрицы продукта или поверхностные взаимодействия, при которых вода взаимодействует с химическими группами нерастворимых ингредиентов (крахмал, белки и пр.). Взаимодействие может происходить через ионные связи, силы Ван-дер-Ваальса, гидрофобные и водородные связи.
Что такое активность воды
  1. Капиллярный эффект: кривизна поверхности и поверхностное натяжение изменяют водородные связи молекул воды и увеличивают количество связной воды.

Все вышеуказанные факторы увеличивают количество энергетических связей в продукте и уменьшают количество несвязанной воды, тем самым, уменьшается активность воды.

Активность воды также зависит от температуры. Изменение температуры продукта отражается на связывании воды, на растворимости веществ и на общем состоянии матрицы. Несмотря на то, что растворимость веществ считается основным фактором, влияющим на активность воды, состояние матрицы также имеет большое значение. А поскольку состояние матрицы (например, стекловидное или резиновое) зависит от температуры, то и активность воды будет зависеть от температуры. Но в этом случае зависимость активности воды от температуры образца не прямая. В некоторых веществах активность воды с повышением температуры будет увеличиваться, в других – уменьшается. Поэтому нельзя точно предсказать, как будет меняться активность воды при изменении температуры.

Зависимость между содержанием влаги в продукте и активностью воды при определенной температуре называется изотермой сорбции. Каждый продукт имеет свою уникальную изотерму сорбции.

Изотерма сорбции может показать, является ли продукт гидрофобным (низкая степень связи с водой) или гидрофильным (высокая степень связи с водой), а также позволяет оценить трудность удаления влаги из продукта.

Прибор для определения активности воды (Анализатор активности воды) модели LabMaster-aw Neo производства компании Novasina AG может быть оснащён комплектом для построения изотермы сорбции. Учитывая важность и большую информативность, показатель aw включён в систему стандартов ISO 9000, а также используется при анализе рисков по критическим контрольным точкам (ХАССП). В странах Евросоюза определение показателя активности воды наряду с показателями «влажность» и «концентрация водородных ионов» (pH) является обязательным при экспертизе ряда продуктов, а в США определение aw включено в инструкцию по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов. В России параметр aw регулируется ГОСТ 21807-2012 (Микробиология пищевых продуктов и кормов для животных).

T