Реферат: Вода в продуктах питания

Для понимания значения изотермы сорбции полезно рассмотреть зоны I—III.

Свойства воды в продукте сильно отличаются по мере перехода от зоны I (низкие влагосодержания) к зоне III (высокая влажность). Зона I изо­термы соответствует воде, наиболее сильно адсорбированной и наибо­лее неподвижной в пищевых продуктах. Эта вода абсорбирована, благо­даря полярным вода-ион и вода-диполь взаимодействиям. Энтальпия па­рообразования этой воды много выше, чем чистой воды, и она не замер­зает при — 40°С. Она неспособна быть растворителем, и не присутствует в значительных количествах, чтобы влиять на пластичные свойства твер­дого вещества; она просто является его частью.

Высоковлажный конец зоны I (граница зон I и II) соответствует мо­нослою влаги. В целом зона I — соответствует чрезвычайно малой части всей влаги в высоковлажном пищевом продукте.

Вода в зоне II состоит из воды зоны I и добавленной воды (ресорбция) для получения воды, заключенной в зону II. Эта влага образует мультислой и взаимодействует с соседними молекулами через вода-вода—водородные связи. Энтальпия парообразования для мультислойной воды несколько больше, чем для чистой воды. Большая часть этой воды не замерзает при — 40°С, как и вода, добавленная к пищевому про­дукту с содержанием влаги, соответствующим границе зон I и II. Эта вода участвует в процессе растворения, действует как пластифицирую­щий агент и способствует набуханию твердой матрицы. Вода в зонах IIи I обычно составляет менее 5% от общей влаги в высоковлажных пищевых продуктах.

Вода в зоне III изотермы состоит из воды, которая была в зоне I и II, и добавленной для образования зоны III. В пищевом продукте эта вода наи­менее связана и наиболее мобильна. В гелях или клеточных системах она является физически связанной, так что ее макроскопическое течение зат­руднено. Во всех других отношениях эта вода имеет те же свойства, что и вода в разбавленном солевом растворе. Вода, добавленная (или удален­ная) для образования зоны III, имеет энтальпию парообразования прак­тически такую же, как чистая вода, она замерзает и является растворите­лем, что важно для протекания химических реакций и роста микроорга­низмов. Обычная влага зоны III (не важно, свободная или удерживаемая в макромолекулярной матрице) составляет более 95% от всей влаги в вы­соковлажных материалах. Состояние влаги, как будет показано ниже, имеет важное значениедля стабильности пищевых продуктов.

В заключение следует отметить, что изотермы сорбции, полученные добавлением воды (ресорбция) к сухому образцу, не совпадают полно­стью с изотермами, полученными путем десорбции. Это явление назы­вается гистерезисом. Изотермы сорбции влаги для многих пищевых продуктов имеют гистерезис. Величина гистерезиса, наклон кривых, точки начала и конца петли гистерезиса могут значительно изменяться в зависимости от таких факторов, как природа пищевого продукта, температура, ско­рость десорбции, уровень воды, удаленной при десорбции.

Как правило, изотерма абсорбции (ресорбции) нужна при исследо­вании гигроскопичности продуктов, а десорбции — полезна для изуче­ния процессов высушивания.

Активность воды и стабильность пищевых продуктов

С учетом вышесказанного ясно, что стабильность пищевых продук­тов и активность воды тесно связаны.

В продуктах с низкой влажностью могут происходить окисление жи­ров, 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. В процессах, протекающих при высокой влажности, микроорганизмам принадлежит решающая роль.

Окисление липидов начинается при низкой a_{w .} По мере ее увели­чения скорость окисления уменьшается примерно до границы зон I и II на изотерме, а затем снова увеличивается до границы зон II и III. Дальнейшее увеличение a_w снова уменьшает скорость окисле­ния. Эти изменения можно объяснить тем, что при добавлении воды к сухому материалу сначала имеет место столкновение с кислородом. Эта вода (зона I) связывает гидропероксиды, сталкивается с их продуктами распада и, таким образом, препятствует окислению. Кроме того, добавленная вода гидратирует ионы металлов, которые катализируют окисление, уменьшая их действенность.

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 a_w .

При a_w , 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 a_w = 0,9, но, например, для St.aureusa_w = 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 a_w . 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.