МИНИСТЕРСТВО образованиЯ И НАУКИ РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

Проблемная научно-исследовательская лаборатория электрофизических методов обработки пищевых продуктов (ПНИЛЭФМОПП)

Кафедра «Технология мяса и мясных продуктов»

Кафедра «Теплотехника и энергосбережение»

ТЕХНОЛОГИЯ МЯСА И МЯСНЫХ ПРОДУКТОВ

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АКТИВНОСТИ ВОДЫ В ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ

Учебно-методическое пособие для магистров по направлениям подготовки

260100 (260200), 110500 (111900), 140500 (141100)

и аспирантов специальностей

03.01.04, 03.01.06, 05.02.23, 05.04.03, 05.18.04, 05.18.07, 06.02.05

(теоретический материал и указания к выполнению лабораторных работ)

Москва 2011

Составители: И.А. Рогов, д.т.н., проф., академик РАСХН

Л.Ф. Митасёва, к.т.н., доц.

Н.С. Николаев, д.т.н., проф.

С.Г. Юзов, м.н.с. ПНИЛЭФМОПП

В работе даны сущность показателя «активность воды» и его значение в производстве пищевых продуктов, описание методов определения активности воды и устройств, их осуществляющих, и порядок выполнения лабораторных работ.

Цель работы – закрепить знания магистров и аспирантов по основам физико-химической концепции активности воды, ознакомить с методами оценки активности воды, с методикой проведения экспериментов, правилами эксплуатации приборов.

Утверждено УМС МГУПБ.

 МГУПБ, 2011

ВВЕДЕНИЕ

Содержание влаги в пищевых продуктах, в том числе мясопродуктах, во многом определяет их потребительские и технологические свойства. Вода является одним из главных компонентов в структуре пищевых продуктов, и с понижением содержания влаги они в большей степени противостоят микробной порче, а также нежелательным физико-химическим изменениям.

В большинстве животных тканей содержится до 70–80 % влаги, а в мясопродуктах – от 23 до 74 % в зависимости от их ассортиментной принадлежности. Взаимодействие между компонентами пищевых продуктов и водой может носить различный характер: одни растворяются, вторые находятся в воде в коллоидном состоянии, третьи почти полностью нерастворимы. К первой группе пищевых ингредиентов относятся соли, сахара, кислоты, ко второй – протеины, к третьей – жиры и масла. Многие пищевые продукты различным образом адсорбируют влагу и при этом набухают. В то же время было замечено, что из общего количества воды, содержащейся в пищевом продукте, например, бактерии, плесени и дрожжи могут использовать для своей жизнедеятельности лишь определённую, «активную» часть.

Термин «активность воды», который ввёл В.И. Скотт в 1957 году в отношении пищевых продуктов, позволил установить взаимосвязь между состоянием слабосвязанной влаги в продукте и вероятностью развития в нём микроорганизмов [18. С. 16]. Другими словами, в упрощённом представлении, активность воды является относительной величиной, характеризующей прочность связи наиболее подвижного слоя воды с сухим веществом продукта. Эта часть влаги, которую также можно упрощённо обозначить как химически несвязанную влагу пищевого продукта, оказывает прямое воздействие на способность микроорганизмов к размножению, на их обмен веществ, а также на сопротивляемость их, например, по отношению к тепловому воздействию или облучению. Таким образом, «активность воды», являющаяся интегральным показателем состояния влаги пищевого продукта, представляет собой ту часть общего количества содержащейся в продукте воды, которая в наименьшей степени связана растворёнными в ней (или адсорбирующими её) веществами, и влияет на жизнедеятельность микроорганизмов, на биохимические и физико-химические процессы, протекающие в продукте.

По указанным причинам в практике мясной промышленности, особенно за рубежом, наряду с традиционными гигроскопическими характеристиками (влагоудерживающая способность – ВУС, влагосвязывающая способность – ВСС) широкое применение находит показатель «активность воды». Помимо этого, по уровню активности воды можно судить о правильном количестве внесённых в вырабатываемый продукт пищевых добавок.

В перспективе оперативное определение активности воды во время технологических процессов производства мясопродуктов позволит контролировать и регулировать состояние воды в мясных изделиях на различных стадиях.

Значение показателя «активность воды» для технологии пищевых продуктов, в том числе мяса и мясопродуктов постоянно растёт. Но изучение влияния этого показателя на физико-химические, биохимические и микробиологические характеристики пищевых продуктов ранее в значительной мере сдерживались отсутствием приемлемых методов и устройств определения активности воды.

В учебно-методическом пособии подробно рассмотрены наиболее широко применяемые методы определения активности воды: манометрический (установка экспериментальной конструкции), криоскопический (измерительное устройство компактной экспериментальной конструкции) и определение температуры «точки росы» (прибор серийного заводского производства), применяющиеся для исследования многих пищевых продуктов в ПНИЛЭФМОПП и на кафедре «Технология мяса и мясных продуктов» МГУПБ. Измерительные устройства, в которых реализуются эти методы, позволяют решать проблемы определения активности воды в различных пищевых продуктах в широком диапазоне её значений. Представлены схемы измерительных устройств для определения активности воды.

Манометрический метод определения активности воды в пищевых продуктах является прямым классическим базовым методом. Но из-за его значительных недостатков были разработаны другие методы определения активности воды и измерительные устройства для их реализации. Главным недостатком является то, что к эксплуатации вакуумных манометрических установок, выполненных из стекла и работающих под давлением P_рабоч  минус 1 атм, допускается только специально подготовленный персонал, прошедший инструктаж по правилам техники безопасности. Вакуумная манометрическая установка сложна в эксплуатации при проведении измерений (в том числе для научных исследований) в рабочем порядке и её конструкция является громоздкой. По этой причине манометрический метод предлагается использовать только при предварительном исследовании большого количества образцов пищевых продуктов и систем с заранее неизвестным диапазоном значений активности воды, так как этим способом измерение проводится сразу после пуска вакуумной манометрической установки без предварительной калибровки и повторной поверки. Также эту установку предлагается использовать в качестве учебного стенда для демонстрации сущности показателя «активность воды». По мнению авторов настоящего издания в дальнейшем манометрический метод можно использовать в качестве арбитражного метода определения активности воды, поскольку указанный метод хорошо обоснован с позиции термодинамики.

Расчётный метод определения активности воды высоковлажных пищевых продуктов, главным образом мясных, после замораживания совместно с экспресс-методом определения криоскопической температуры исследуемого образца позволяет значительно снизить трудоёмкость процедуры измерения и сократить продолжительность снятия показаний и обработки результатов. Также повышается точность измерения, как по значению криоскопической температуры, так и по значению активности воды исследуемых пищевых систем, в том числе пищевых продуктов.

Метод определения активности воды по температуре «точки росы» позволяет проводить одно измерение в течение 15–18 мин при достаточно высокой точности. Однако следует отметить возможность совершенствования этого метода и средств измерения с целью повышения надёжности, упрощения процедуры измерения и калибровки, а также дальнейшего сокращения продолжительности измерения. Метод определения активности воды по температуре «точки росы», благодаря своей универсальности и хорошей теоретической обоснованности, остаётся наиболее пригодным для лабораторных исследований и производственно-контрольных испытаний.

1. Активность воды в пищевых продуктах

1.1. Сущность показателя «активность воды»

Для оценки состояния влаги в водосодержащих системах, в том числе пищевых продуктах, потребовалось найти или сформулировать некий показатель, характеризующий «подвижность» воды в структуре и на поверхности материала-каркаса. Для этого решили применить фугитивность – показатель способности вещества (воды) к улетучиванию. А относительную величину фугитивности назвали термодинамической активностью вещества (воды). Льюис и Рэндолл дали следующее определение этого относительного показателя: «Активность (термодинамическая) есть отношение при данной температуре фугитивности f вещества в некотором состоянии к его фугитивности f₀ в каком-либо состоянии, которое для удобства принято за стандартное». Фугитивность присуща материалам, давление паров которых в той или иной степени отклоняется от идеального. Следовательно, при условии, что это отклонение от идеального состояния не слишком велико, фугитивность f можно заменить измеренной величиной давления пара. В отношении водной среды дело обстоит именно так, поскольку при обычных температурах водяной пар приближается к идеальному газу. Для жидких сред за стандартное состояние принимается чистый растворитель. Тогда для воды термодинамическая активность воды (a_w) равна:

(1)

где P – парциальное давление пара воды над поверхностью

пищевого продукта, Па;

P₀ – парциальное давление пара чистого растворителя (химически чистой

воды) при той же температуре, Па.

Таким образом, согласно формуле (1) химически чистая вода имеет

a_w  1, а совершенно обезвоженное вещество – a_w  0.

Более подробная информация о сущности показателя «активность воды» приведена в работе [18. С. 16–20].

1.2. Влияние активности воды на микроорганизмы

Для каждого вида микроорганизмов существуют максимальное, минимальное и оптимальное значения активности воды. Отклонение a_w от оптимума приводит к уменьшению активности жизненных процессов присутствующих в пищевой системе микроорганизмов. При достижении определённой максимальной или минимальной величины активности воды снижается активность метаболических процессов внутри микроорганизмов и даже прекращается их жизнедеятельность. Но это не означает разрушение микробных клеток. Зная характеризующие значения активности воды (максимальное, минимальное и оптимальное) для развития технологической и подавляемой микрофлоры, содержащейся в пищевых продуктах, можно влиять на направленность процессов микробного метаболизма в технологии продуктов питания путём регулирования величины a_w различными методами. К технологической микрофлоре относятся целенаправленно используемые микроорганизмы, в т.ч. заквасочные (стартовые) бактериальные культуры, а к подавляемой – гнилостные и патогенные микроорганизмы. Этот принцип применяется в современной «барьерной технологии» пищевых продуктов, которая, в свою очередь, позволяет достичь высокого уровня гигиены и безопасности готовой продукции.

Известны диапазоны (области) значений активности воды как одного из факторов роста для различных видов микроорганизмов (при оптимальных значениях других параметров развития) в пищевых продуктах (табл. 1) [7. С. 484–485], [17. С. 46–50].

Таблица 1