Свободная и связанная влага в пищевых продуктах

Классификация и свойства. В пищевых продуктах вода обеспечивает консистенцию и структуру продукта, ее взаимодействие с присутствующими компонентами определяет устойчивость продукта при хранении. Общая влажность продукта указывает на количество влаги в продукте, но не характеризует ее причастность к химическим и биологическим изменениям. С точки зрения устойчивости продукта при хранении играет роль соотношение свободной и связанной влаги.

Связанная влага – этот термин для ассоциированной воды. Такая влага прочно связана с различными компонентами пищи – белками, липидами, углеводами.

Свободная влага – это влага, не связанная с полимером.

Определенная доля прочно связанной влаги не замерзает даже при -60°C. Например, общая влажность зерна – 15-20%. При этом 10-15% в нем – это связанная вода. Если влаги больше, то появляется свободная влага, и усиливаются биохимические процессы, например, начинается прорастание зерна.

Плоды и овощи содержат 75-95% влаги. В основном это свободная влага, только приблизительно 5% удерживается клеточными коллоидами в связанном состоянии. Она очень прочно связана. Поэтому овощи и плоды легко высушить до остаточной влаги 10-12%, для получения более низкой влажности нужны специальные методы. Причем большая часть воды в плодах может быть превращена в лед при -5°C, а вся – при -50°C и ниже.

Способность воды связываться с другими веществами, в том числе компонентами пищи, зависит от многих факторов, включая природу компонента, с которыми осуществляется связывание, состав соли, pH, температуру. Причины связывания влаги в сложных системах различны.

По степени прочности связывания прочно связанную воду можно классифицировать следующим образом:

1. наиболее прочно связанная вода – это та, которая существует как «органически» связанная вода. В основном это химические гидраты;

2. близлежащая влага – это монослой при большинстве гидрофильных групп неводного компонента;

3. мультислойная вода. Она примыкает к монослою и образует несколько следующих слоев.

Хотя мультислой – это менее прочно связанная влага, чем близлежащая влага, она еще достаточно прочно связана с неводным компонентом, и поэтому ее свойства существенно отличаются от чистой воды. Таким образом, связанная влага состоит из «органической», близлежащей и почти всей воды мультислоя. Кроме того, небольшие количества воды в некоторых клеточных системах могут иметь уменьшенную подвижность и давление пара из-за физического заключения воды в макрокапиллярах. Уменьшение давления пара становится существенным, когда капилляры имеют диаметр меньше, чем 0,1мм. Поскольку большинство пищевых продуктов имеют капилляры размером от 10 до 100мк, это исключает значимость этого механизма для уменьшения активности воды в пищевых продуктах за счет изменения давления пара.

В пищевых продуктах, кроме того, есть вода, удерживаемая макромолекулярной матрицей. Например, гели пектина и крахмала, растительные и животные ткани могут удерживать большое количество воды, при этом небольшое количество органического материала физически удерживает большое количество воды.

 

Таблица. Органически связанная вода в пищевых продуктах

 

Общее описание	Характеристика
Точка замерзания по сравнению с чистой водой	Не замерзает при -40°C
Способность служить растворителем	Не может
Энтальпия парообразования по сравнению с чистой водой	Сильно увеличена
% от общего содержания воды в продуктах с высокой влажностью (90%)	0,03%

 

Важность этой воды в пищевых системах очевидна. С одной стороны, эта вода не удаляется из пищевого продукта даже при очень большом механическом усилии. С другой стороны, эта вода ведет себя почти как чистая вода во время технологических процессов обработки. Например, ее можно удалить при высушивании или превратить в лед при замораживании. Эта вода составляет главную часть воды в клетках и гелях, и количественное изменение имеет большое значение для качества пищевых продуктов. Например, хранение гелей часто приводит к потере качества из-за потери этой воды. Это явление известно под названием «синерезис». Консервирование замораживанием тканей часто приводит к нежелательному уменьшению способности к удерживанию воды, когда идет оттаивание.

 

Активность воды

Давно известно, что 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 часто различные пищевые продуты с одним и тем же содержанием влаги портятся по-разному. В частности, было установлено, что при этом имеет значение, насколько вода ассоциирована с неводными компонентами: вода, сильнее связанная, меньше способна поддержать процессы, разрушающие (портящие) пищевые продукты, такие как рост микроорганизмов и гидролитические химические реакции.

Чтобы учесть эти факторы, был введен термин «активность воды». Этот термин, безусловно, лучше характеризует влияние влаги на порчу продукта, чем просто содержание влаги. Естественно существуют и другие факторы (такие как pH, подвижность воды, тип растворенного вещества), которые в ряде случаев могут сильнее влиять на разрушение продукта. Тем не менее, водная активность хорошо коррелирует со скоростью многих разрушительных реакций, она может быть измерена и использована для оценки состояния воды в пищевых продуктах и ее причастности к химическим и биологическим изменениям.

Активность воды (а_w)­­ - это отношение давления паров воды над данным продуктом к давлению паров над чистой водой при той же температуре.

a_w =

где - давление водяного пара в системе пищевого продукта; - давление пара чистой воды; РОВ – относительная влажность в состоянии равновесия, при которой продукт не впитывает влагу и не теряет ее в атмосферу, %.

Таблица. Активность воды (a_w) в пищевых продуктах.

Продукт	Влажность, %	aw
Фрукты	90-95	0,97
Яйца	70-80	0,97
Мясо	60-70	0,97
Сыр		0,96
Джем	30-35	0,82-0,94
Хлеб	40-50	0,95
Кекс	20-28	0,83
Мука	16-19	0,80
Мед	10-15	0,75
Карамель	7-8	0,65
Печенье	6-9	0,60
Шоколад	5-7	0,40
Сахар	0-0,15	0,10

Активность воды характеризует способность ее участия в химических и биохимических процессах продуктов питания. По величине активности воды выделяют: продукты с высокой влажностью (a_w = 1,0-0,9); продукты с промежуточной влажностью (a_w = 0,9-0,6); продукты с низкой влажностью (a_w = 0,6-0,0).

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 процессы, в том числе с участием микроорганизмов. В процессах, протекающих при высокой влажности, микроорганизмам принадлежит решающая роль.

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.

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 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 пролукты 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, так как один лишь процесс сушки часто не позволяет получить нужную консистенцию. Применяя увлажнители, можно увеличить влажность продукта, но снизить a_w. Потенциальными увлажнителями для пищевых продуктов являются крахмал, молочная кислота, сахар, глицерин и др.

Помимо влияния на химические реакции и рост микроорганизмов, активность воды, допустимая в сухих продуктах без потери желаемых свойств, может изменяться в пределах 0,35 – 0,5 в зависимости от вида продукта (сухое молоко, крекеры, инстант-продукты и т.п.). большая a_w необходима для продуктов мягкой текстуры, которые не должны обладать хрупкими свойствами.