Наблюдаемый максимум потемнения может объясняться наступлением равновесия в процессе диффузии, которая регулируется величиной вязкости, степенью растворения и массообменом. При низкой активности воды медленная диффузия реагентов замедляет скорость реакции. По мере увеличения влагосодержания более свободная диффузия ускоряет реакцию до тех пор, пока в верхней точке диапазона влажности 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. тогда, когда есть свободная вода. Она необходима для переноса субстрата. Учитывая это, легко понять, почему скорость ферментативных реакций зависит от aw.
При aw, соответствующей влаге монослоя, нет свободной воды для переноса субстрата. Кроме того, в ряде ферментативных реакций вода сама играет роль субстрата.
Для большинства бактерий предельное значения aw= 0,9, но, например, для St.aureusaw= 0,86. Этот штамм продуцирует целый ряд энтсротоксинов типа А, В, С, D, Е. Большинство пищевых отравлений связаны с токсинами А и D. Дрожжи и плесени могут расти при более низких значениях активности воды.
При хранении пищевых продуктов активность воды оказывает влияние на жизнеспособность микроорганизмов. Поэтому активность воды в продукте имеет значение для предотвращения его микробиологической порчи.
В основном порчу продуктов с промежуточной влажностью вызывают дрожжи и плесени, меньше — бактерии. Дрожжи вызывают порчу сиропов, кондитерских изделий, джемов, сушеных фруктов; плесени — мяса, джемов, пирожных, печенья, сушеных фруктов (табл. 4).
Таблица 4 - Активность воды и рост микроорганизмов в пищевых продуктах
| Область aw | Микроорганизмы, которыеингибируются при более низкомзначении aw, чем эта область | Пищевые продукты, характерные для этой области aw |
| 1,00-0,95 | pseudomonas; Escherichia; | фрукты, овощи, мясо, рыба, |
| Proteus; Shigella, Klebsiella; | молоко, домашняя колбаса и хлеб, | |
| Bacillus; Clostridium perfingens; | продукты с содержанием сахара | |
| некоторые дрожжи | (-40%) и хлорида натрия (~7%) | |
| 0,95-0,91 | salmonella, Vibrioparahaemolyticus, Сbotulinum,SerratiaLactobacillus, Pediococcus, некоторые грибы,дрожжи (Rhodotorula, Pichia) | некоторые сыры, консервированная ветчина, некоторые фруктовые концентраты соков, продукты с содержанием сахара (~55%),хлорида натрия (~12%) |
| 0,91-0,87 | многиедрожжи (Candida;Torulopsis, Hansenula)Micrococcus | ферментированная колбаса типа салями, сухие сыры, маргарин, рыхлые бисквиты, продукты с содержанием сахара (65%), хлорида натрия (15%). |
| 0,87—0,80 | многие грибы(микотоксигенные пенициллы | большинство концентратов фруктовых соков, сладкое сгущенное молоко, шоколад, сироп, мука, рис, взбитые изделия с содержанием влаги 15—17%, фруктовые пирожные, ветчина |
| Penicillia); Staphylococcus | ||
| Aureus; большинство | ||
| Saccharomyces; Debaryomyces | ||
| 0,80—0,75 | большинство галофильных бактерий, микотоксигенные аспергиллы | джем, мармелад, замороженныефрукты |
| 0,75-0,65 | ксерофильные виды плесеней (грибов) (Asp. chevalieri; Asp. canidus; Wallemiasebi) Saccharomycesbisporus | патока, сухие фрукты, орехи |
| 0,65-0,60 | осмофильные дрожжи(Saccharomycesrouxii); некоторые плесени (Asp. echinulatus, Monascusbisporus) | сухофрукты, содержащие 15—20%влаги, карамель, мед |
| нет микроорганизмов | тесто с влажностью 12%, специи с влажностью 10% | |
| 0,5 | ||
| 0,4 | нет микроорганизмов | яичный порошок с влажностью -5% |
| 0,3 | нет микроорганизмов | печенье, крекеры, сухари с влажностью -3—5% |
| 0,2 | нет микроорганизмов | сухое молоко с влажностью -2—3%, сухие овощи с влажностью ~5%, зерновые хлопья с влажностью -5%, крекеры |
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 снижения активности воды используют такие технологические приемы, как сушка, вяление, добавление различных веществ (сахар, соль и др.), замораживание. С целью достижения той или иной активности воды в продукте можно применять 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 меньше активности воды пищевых продуктов.
Часто для этого используют растворы Сахаров или соли. В этом случае имеет место два противотока: из раствора в продукт диффундирует растворенное вещество, а из продукта в раствор — вода. К сожалению, природа этих процессов сложна, и в литературе нет достаточных данных по этому вопросу.
Для достижения требуемой активности воды добавляют различные ингредиенты в продукт, обработанный одним из указанных выше способов, и дают ему возможность прийти в равновесное состояние, т.к. один лишь процесс сушки часто не позволяет получить нужную кон-систенцию. Применяя увлажнители, можно увеличить влажность продукта, но снизить aw. Потенциальными увлажнителями для пищевых продуктов являются крахмал, молочная кислота, сахара, глицерин и др.
Роль льда в обеспечении стабильности пищевых продуктов
Замораживание является наиболее распространенным способом консервирования (сохранения) многих пищевых продуктов. Необходимый эффект при этом достигается в большей степени от воздействия низкой температуры, чем от образования льда. Образование льда в клеточных структурах пищевых продуктов и гелях имеет два важных следствия:
а) неводные компоненты концентрируются в незамерзающей фазе (незамерзающая фаза существует в пищевых продуктах при всех температурах хранения);
б) вся вода, превращаемая в лед, увеличивается на 9% в объеме.
Во время замораживания вода переходит в кристаллы льда различной, но достаточно высокой степени чистоты. Все неводные компоненты поэтому концентрируются в уменьшенном количестве незамерзшей воды. Благодаря этому эффекту, незамерзшая фаза существенно изменяет такие свойства, как рН, титруемая кислотность, ионная сила, вязкость, точка замерзания, поверхностное натяжение, окислительно-восстановительный потенциал. Структура воды и взаимодействие «вода — растворенное вещество» также могут сильно изменяться.
Эти изменения могут увеличить скорости реакций. Таким образом, замораживание имеет два противоположных влияния на скорость реакций: низкая температура как таковая будет ее уменьшать, а концентрирование компонентов в незамерзшей воде — иногда увеличивать. Так, в ряде исследований показано увеличение при замораживании скорости реакций неферментативного потемнения, имеющих место при различных реакциях.
Фактор возможности увеличения скорости различных реакций в замороженных продуктах необходимо учитывать при их хранении, поскольку этот фактор будет влиять на качество продуктах.
Многочисленными исследованиями показано, что существенное снижение скорости реакций (более чем в 2 раза) имеет место при хранении пищевых продуктов в условиях достаточно низкой температуры (-18°С).
При отрицательных температурах, достаточно близких к температуре замерзания воды (0°С) имеет место увеличение доли несолюбилизованного белка. При температуре — 18°С инсолюбилизация белка уменьшается существенно, и это создает оптимальные условия для хранения продуктов.
Методы определения влаги в пищевых продуктах
Определение общего содержания влаги
Высушивание до постоянной массы.Содержание влаги рассчитывают по разности массы образца до и после высушивания в сушильном шкафу при температуре 100— 105°С. Это — стандартный метод определения влаги в техно-химическом контроле пищевых продуктов. Поскольку в основе метода лежит высушивание образца до постоянной массы, метод требует много времени для проведения анализа.
Титрование по модифицированному методу Карла Фишера.Метод основан на использовании реакции окисления-восстановления с участием йода и диоксида серы, которая протекает в присутствии воды. Использование специально подобранных органических реагентов позволяет достигнуть полного извлечения воды из пищевого продукта, а использование в качестве органического основания имидазола способствует практически полному протеканию реакции. Содержание влаги в продукте рассчитывается по количеству йода, затраченному на титрование. Метод отличается высокой точностью и стабильностью результатов (в том числе при очень низком содержании влаги) и быстротой проведения анализа.
Определение свободной и связанной влаги
Дифференциальная сканирующая калориметрия.Если образец охладить до температуры меньше 0°С, то свободная влага замерзнет, связанная — нет. При нагревании замороженного образца в калориметре можно измерить тепло, потребляемое при таянии льда. Незамерзающая вода определяется как разница между общей и замерзающей водой.
Термогравиметрический метод.Метод основан на определении скорости высушивания. В контролируемых условиях граница между областью постоянной скорости высушивания и областью, где эта скорость снижается, характеризует связанную влагу.