CC BY
2639
УДК 641.1/.3, 641.16
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОКАЗАТЕЛЯ «АКТИВНОСТЬ ВОДЫ» И ЕГО РОЛЬ В ОБЕСПЕЧЕНИИ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ ОБЩЕСТВЕННОГО ПИТАНИЯ
М.Ф.Цуканов’, А.Б.Черноморец2
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики
192171, Санкт-Петербург, ул. Седова, 55/1
Обосновывается теоретическое и прикладное значение концепции «активности воды» при разработке и обосновании технологии создания новых продуктов с заданным химическим составом, а также при хранении кулинарной продукции.
Ключевые слова: степень связи воды с неводными; активности воды; увеличить влажность продукта; химический состав; рост микроорганизмов
Показатель «активность воды» является важным инструментом при разработке технологических процессов и производстве продукции общественного питания, а также, обеспечения высокого качества и увеличения сроков хранения пищевых продуктов
Все природные пищевые продукты содержат в своем составе воду, в различных количествах и состояниях, от этого во многом зависят их технологические свойства и сроки хранения.
В нашей стране для характеристики содержания воды в пищевых продуктах используется единственный показатель - это «массовая доля влаги», или влажность продукта. Этот количественный показатель не отражает всего комплекса взаимодействий, которые присутствуют в пищевом продукте и участником которых является вода. Вместе с тем, существует показатель «активность воды», который является основным критерием характеристики состояния воды в пищевых продуктах и широко применяется во всем мире, как для прогнозирования технологических свойств продуктов, так и является мощным инструментом регулирования качества пищевого продукта и сроков его хранения.
Понятие Активность воды (Aw)
Известно [1], что все формы связи воды в пищевых продуктах делятся на три группы: химическая, физико-
химическая, физико-механическая. В соответствии с этим виды связанной воды подразделяются на: химически связанную, адсорбционно связанную, воду макро- и микрокапилляров; осмотически связанную и воду, свободно удерживаемую каркасом тела (иммобилиза-ционную). Было установлено [1], что важное значение имеет степень связи воды с неводными компонентами, а именно, вода, сильнее связанная меньше способна поддерживать процессы, ведущие к порче. Поэтому, традиционно применяемый метод продления сроков хранения продуктов, в основе которого лежит снижение содержания влаги путем концентрирования или дегидратации, имеет глубокие научные основы. Таким образом, термин «активность воды» первоначально был введен, чтобы учесть такие факторы как рост микроорганизмов и гидролитические химические реакции, ведущие к порче пищевых продуктов.
Активность воды (А№; а№) - это отношение давления паров воды над данным продуктом к давлению паров над чистой водой при той же температуре. [1,2]
Мерой активности воды является равновесная относительная влажность (РОВ).
Методы исследования активности воды в пищевых продуктах
В нашей стране исследования по
разработке методов определения активности воды в пищевых продуктах проводились академиком Роговым И.А., а также его учениками Чомановым У.Ч., Фатьяновым Е.В.и др. По предложенной ими классификации методы разделены на две большие группы: прямые и косвенные. Для определения активности воды пищевых продуктов используют различные методы: манометрические
(непосредственное измерение давления паров воды в вакууме), гигрометриче-ские, тензометрические и т. д. Полное представление о содержании влаги в образце можно получить по его сорбционной изотерме. Изотерма регистрирует изменения равновесной относительной влажности при изменении влажности образца. Для определения значения РОВ существует несколько способов, самый простой из которых (тензометрический метод Ван Бамелена) заключается в следующем. Взвешенный образец помещают в закрытую камеру с известной величиной относительной влажности, которую поддерживают насыщенным соляным раствором до тех пор, пока масса не стабилизируется. После этого определяют влажность образца [4].
Во всем мире большое распространение получили прямые манометрические методы («Vapour pressure manometer» или VPM). Они заключаются в непосредственном измерении давления водяного пара с помощью жидкостных, емкостных или других параметров. Этот метод принят за эталонный и чаще всего используется при проведении исследовательских работ. Из косвенных методов распространены гигро-мерты под общим названием «Proximity equilibration cell» (PEC)
В настоящее время широкое практическое применение, вследствие высокой точности измерений, получили такие приборы, как AquaLab производства фирмы «Decagon», а также «Hygro-lab» швейцарской фирмы «Rotronic».
Способы изменения значения показателя активности воды в пищевых продуктах
Изменять ^№) продукта можно различными способами: добавлением
растворимых солей, сахаров и других компонентов, обезвоживанием, повышением осмотического давления, превращением части воды в лед при замораживании и др. В пищевой технологии традиционно в качестве веществ, понижающих активность воды, используют сахар и поваренную соль. В насыщенном растворе сахара при 20 °С активность воды составляет 0,864, а поваренной соли - 0,753. В последние годы ассортимент водосвязывающих добавок постоянно расширяется, предлагаются вещества различной природы: соли, полисахариды, аминокислоты, белки, многоатомные спирты и т. п.
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 консистенцию. Применяя увлажнители, можно увеличить влажность продукта, но снизить Потенциальными увлажнителями для пищевых продуктов являются крахмал, молочная кислота, сахара, глицерин и др.
Исследования показателя активности воды в различных пищевых продуктах
Традиционно в зависимости от величины (Aw) выделяют: продукты с высокой влажностью ^ = 1,0 - 0,0), продукты с промежуточной влажностью ^ =0,9 - 0,6) и продукты с низкой влажностью ^ =0,6 - 0,0). В литературе [1,2,3, 5,7 и др.] приводятся данные о величине aw в пищевых продуктах, например, фрукты 0,97, яйца 0,97, мука 0,80, джем 0,82 - 0 ,94 и т.д. Однако, это усредненные данные. Исследователями [2] установлено влияние химического
состава, способов тепловой обработки сырья и полуфабрикатов и других факторов на величину aw.
При этом предельные значения aw для роста микроорганизмов в пищевых продуктах составляют: для бактерий aw = 0,75 - 0,98; для дрожжей aw = 0,62 - 0,90; для плесеней aw= 0,60 - 0,88, в связи с чем Б.А.Барановым [2] была предложена классификация продукции общественного питания по уровню активности воды указаны наиболее вероятные причины порчи продукта в процессе хранения
Активность воды оказывает
большое влияние на качество готового продукта. Так, сенсорные исследования показали, что для таких продуктов, как чипсы, воздушная кукуруза, существует определенный диапазон значений активности воды (0,35...0,50), при котором наблюдаются снижение хрупкости, рассыпчатости и, как следствие, ухудшение органолептических показателей. [2]
Б.А.Баранов [2] исследовал
влияние различных способов приготовления продукции общественного питания на значения показателя активность воды, а также изменение данного показателя при различных способах тепловой обработки. В результате проведенных им исследований было выяснено, что варка овощей в воде практически не влияет на активность их воды, в то же время варка на пару приводит к более заметному снижению вследствие
большей потерей воды и меньшим выщелачиванием минеральных веществ и сахаров. При пассеровании овощей ^^,) заметно снижается вследствие значительного обезвоживания продукта. Изучение влияния процесса жарки на активность воды изделий из картофеля показывает, что степень снижения активности воды пропорциональна обезвоживанию продукта. Приводимые в литературе данные исследования полуфабрикатов и готовых изделий из мяса показало, что варка и жарка натуральных полуфабрикатов не оказывают существенного влияния на изменение значений активности воды готового про-
дукта, несмотря на достаточно большие потери массы (в основном за счет воды, содержащейся в продукте. Вместе с тем, ^^,) изделий из котлетной массы ниже, чем натуральных продуктов, что объясняется измельчением продукта, частичным выходом растворимых белков, добавлением соли, хлеба; ^^,) натуральных рубленых изделий также существенно не меняется в процессе тепловой обработки и составляет 0,989 - 0,981. Исследования нескольких видов супов показали, что активность воды всех изделий высока и сравнима с активностью растворов солей малой концентрации. Также и для соусов характерны высокие значения (Aw). Характерна величина ^^,) соуса польского: несмотря на низкую влажность (38 %), ^^,) этого соуса достаточно велика, это связано с тем, что основная доля сухих веществ этого продукта представлена жиром (сливочным маслом), который практически не связывает воду. Таким образом, по влажности продукта не всегда можно судить о его стабильности. При исследовании выпеченных полуфабрикатов из различных видов теста было выяснено, что полуфабрикаты из бисквитного, заварного теста и кекса «Столичный» имеют достаточно высокие значения активности воды, которые определяются влажностью и количеством сахара в рецептуре. Песочное и слоеное тесто имеют активность воды на уровне, характерном для продуктов с промежуточной влажностью. Активность воды выпеченных полуфабрикатов значительно ниже, чем теста, и находится на уровне продуктов с промежуточной влажностью. Снижение активности воды выпеченных полуфабрикатов в основном объясняется потерями воды при выпечке (примерно до 13%), а также структурными изменениями белков и крахмала. Важную роль в снижении активности воды играет количество сахара в продукте. Достаточно сравнить выпеченные изделия из заварного и бисквитного теста, имеющие примерно одинаковую влажность. Так, активность воды бисквитного полуфабриката составила
0,803, а заварного — 0,950 при влажности соответственно 22,8 и 23,7 %. Важно отметить, что основное значение имеет не только количественное содержание сахаров, но и их качественный состав. Так, повидло яблочное влажностью 32,59 % имеет более низкое значение активности воды = 0,825), чем крем сливочный влажностью 15,2 %
= 0,851). Наличие в помадке редуцирующих сахаров приводит к значительному снижению уровня активности воды ^ = 0,837).
Классификация продукции общественного питания по уровням активности воды с теоретическим прогнозом нежелательных изменений их в процессе хранения, предложенная Б.А.Барановым может быть использована при разработке инновационных технологий, рецептур блюд и кулинарных изделий, условий упаковки и режимов хранения новых видов продукции общественного питания.
Использование активности воды при разработке новых продуктов питания
Поскольку градиент значений активности воды продукта и относительной влажности окружающей среды служит движущей силой массовлагооб-мена при различных термических и гидротермических процессах, а также при хранении, данные об активности воды обрабатываемых продуктов необходимы для обоснования оптимальных режимов этих процессов. [3,4]
В последние годы в нашей стране разработано много новых видов пищевых продуктов с пониженным содержанием поваренной соли и сахара, с использованием нетрадиционных видов сырья и различных пищевых добавок, что приводит к изменению активности воды продукта. На практике изменение рецептуры продукта, например, снижение доли сахара, приводит к сокращению сроков хранения и необходимости введения консервантов. Так, уменьшение доли сахара в рецептуре изделий из теста на 20 % приводило к увеличению
активности воды и, как следствие, снижению сроков хранения с девяти до трех дней. Показатель «Активность воды» имеет большое значение в разработке технологии так называемых пищевых продуктов с промежуточной влажностью, ^^,) которых составляет 0,6...0,8, при влажности до 40 % и в них длительное время не происходят реакции, вызывающие порчу продукта. В связи с необходимостью разработки нового поколения продуктов с промежуточной влажностью возник интерес к изучению активности воды растворов и изотерм сорбции различных пищевых веществ, так называемых «увлажнителей», которые успешно могут использоваться в инновационных технологических процессах при создании новых продуктов питания с заданным химическим составом.
Одной из самых важных задач при проведении технологических процессов производства продуктов питания является определение барьеров (факторов), которые помогут регулировать активность воды в продуктах. За рубежом с этой целью уже разработаны так называемые барьерные технологии [5] на производство целого ряда продуктов, призванные с помощью определенных барьеров сохранить безопасность и качество продуктов с увеличенным сроком хранения.
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:
а). Адсорбция - продукт высушивают, а затем увлажняют до определенного уровня влажности
б). 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.
Помимо влияния на химические реакции и рост микроорганизмов, активность воды имеет значение и для текстуры продуктов. Например, максимальная 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/ Большая ^^,) необходима для продуктов мягкой текстуры, которые не должны обладать хрупкими свойствами. и т.п.).
Показатель ^^,) можно использовать в качестве критерия для расчета температуры пастериза-
ции/стерилизации широкого ассортимента консервированной продукции (например низкокислотные и подкисленные соки), отвечающей требованиям промышленной стерильности, при максимальном сохранении пищевой ценности. Следовательно, ^^,) - это рычаг манипуляций температурой для подбора/расчета режима стерилизации при заданном рН [4,5].
Влагоудерживающие агенты добавляют к тем продуктам, качество которых ухудшается с потерей воды. Благодаря своей гигроскопичности, влагоудерживающий агент связывает имеющуюся в свежеприготовленном продукте воду и тем самым предотвращает или существенно замедляет ее испарение. Вследствие этого сохраняется консистенция исходного продукта (например бисквита) и продлевается его свежесть.
Вкусовые достоинства вафель определяет вафельный лист, хрустящие
свойства которого в процессе хранения продукции должны быть постоянными независимо от рецептуры. Потребительские свойства листа обеспечиваются в первую очередь высокими качественными показателями вафельного теста, поэтому важно знать, будет ли происходить отмокание вафельного полуфабриката при контакте с начинкой или нет -от этого зависят органолептические показатели качества готового продукта (кондитерского или кулинарного изделия). Активность воды продуктов ^^,) определяет способность воды к испарению из раствора относительно способности к испарению чистой воды при той же температуре. [3]. Для изделий из вафельного теста этот показатель особенно важен, так как в том случае, если у начинки величина ^^,) будет меньше, чем у вафельного листа, отмо-кание происходить не будет. Зная величину ^^,) для вафельного полуфабриката и начинки, можно составлять рецептуры кулинарных и кондитерских изделий таким образом, чтобы в процессе хранения не происходило отмокания вафель. [7].
Нормирование показателя активности воды в мировой практике и в России
Учитывая важность и большую информативность показателя (Aw), он включен в систему стандартов КО 9000, а также используется при анализе рисков по критическим контрольным точкам (ХАССП). В странах Евросоюза его определение наряду с показателями «влажность» и «концентрация водородных ионов» (рН) является обязательным при экспертизе ряда продуктов, а в США определение ^^,) включено в инструкцию по контролю качества пищевых продуктов. [2]
Согласно распоряжению заместителя руководителя Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии Е.Р. Петросяна «Перечень стандартов ISO для подготовки русских версий в 2009 г.», стандарты ISO 21527-1:2008 «Микробиология пи-
щевых продуктов и кормов для животных. Горизонтальный метод подсчета дрожжевых и плесневых грибов. Часть
1. Методика подсчета колоний в продуктах, активность воды в которых больше 0,95» и КО 21527-2:2008 «Микробиология пищевых продуктов и кормов для животных. Горизонтальный метод подсчета дрожжевых и плесневых грибов. Часть 2. Методика подсчета колоний в продуктах, активность воды в которых меньше или равна 0,95» подлежат переводу на русский язык и введению в действие на территории РФ в ближайшее время. Следовательно, показатель (А^,) становится нормируемым и для нашей страны.
Показатель (А^,) используется и в некоторых странах СНГ для подтверждения правильности установления сроков годности (хранения), условий хранения продовольственного сырья и пищевых продуктов. Так, с 2005 года в республике Беларусь действуют Санитарные правила 2.3.4. 15-18-2005 “Государственная санитарно-гигиеническая экспертиза и подтверждение правильности установления сроков годности (хранения), условий хранения продовольственного сырья и пищевых продуктов”, где одним из основных показателей качества и безопасности продуктов, выпускаемых на потребительский рынок, является (А^,).
В Украине в 2007 году введен в действие ДСТУ КО на использование показателя “активность воды” (А^,) для определения качества и безопасности продуктов питания и кормов.
Т.о., мы видим, что концепция «активность воды» имеет важнейшее теоретическое и прикладное значение и ее развитие играет существенную роль при разработке и обосновании инновационной технологии продукции обще-
ственного питания, особенно для понятия поведения пищевых продуктов на разных стадиях технологического процесса, при производстве изделий с начинками, новых продуктов с заданным химическим составом, а также при хранении кулинарной продукции, что согласуется с основными положениями закона РФ «О качестве и безопасности пищевых продуктов» №29-ФЗ от 02.01.2000г и в связи с предстоящим вступлением России в ВТО.
Литература
1. Нечаев А.П., Траубенберг С.Е., Кочеткова А.А. и др., Пищевая химия.- СПб.:Гиорд, 2007.
2. Баранов Б.А. Теоретические и прикладные аспекты показателя «активность воды» в технологии продуктов питания. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук - СПб, 2000г. - 247 с.
3. Чоманов У.Ч. Разработка
термодинамических методов и средств анализа связи влаги в пищевых продуктах: Дис. на соискание уч. степени докт. техн. наук. — М.: МИПБ, 1990, 436 с.
4. Ляйстнер, Л. Барьерные технологии: комбинированные методы обработки, обеспечивающие стабильность, безопасность и качество продуктов питания / Л. Ляйстнер, Г. Гоулд. — Перевод с англ. — М.: ВНИИ мясной промышленности им. В.М. Горбатова, 2006. — 236 с.
5. Усатенко Н, А. Лысенко, Т. Свириденко. Активная вода и барьерные технологии. -журнал «Мясной бизнес», №3 (54) март 2007, Киев, «Биопром»
6. Черноморец А.Б. Совершенствование ассортимента изделий из вафельного теста на основе муки второго сорта из твердой пшеницы. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. Наук - СПб, 2000г. - 153 с.
7. Оболкина В.И.. Использование
гидроколлоидов для формирования
разнообразных структур кондитерских изделий. Журнал «Продукты & ингредиенты» №10 (52) ноябрь 2008, Киев, «Биопром».
1 Цуканов Михаил Федорович, доктор военных наук, профессор, заведующий кафедрой ТППП ИТРБ СПбГУСЭ, тел.: +7 911 7641867, e-mail: tppp_itrb(a),mail.ru Черноморец Анна Борисовна, кандидат технических наук, доцент кафедры ТППП СПбГУСЭ, тел. : + 7 911 183 56 66, е-mail: anna.chernomorets@,gmail.com
