1.2.1. Вода как составная часть пищевых продуктов

Вода является важнейшим компонентом пищевых продуктов. Различают четыре формы связи воды с компонентами пищевых продуктов: химическую, адсорбционную, осмотическую и калиллярно-связанную. Взаимодействие сухих веществ и воды в пищевых продуктах зависит от их вида.

Связь отдельных составных частей сухого вещества молока с водой кратко характеризуется следующим образом: молочный жир — вода связана с фосфатной группой фосфолипидов. При этом основная гидратная оболочка образуется вокруг фосфатной группы: белки в водном растворе гидратированы. В зависимости от аминокислотного состава белков связанная вода в них колеблется от 0,2 до 1 г*г .Гидратация увеличивается при денатурации белков; лактоза, кислоты, минеральные соли растворены в воде.

Учитывая, что по массовой доле влаги все пищевые продукты различаются, принята следующая систематизация их по этому показателю:

•. первая группа — продукты высокой влажности; массовая доля влаги в них более 40%;

• вторая группа — со средней или промежуточной влажностью при колебании массовой доли влаги в них от 10 до 40% (по другим источникам — от 15 до 3О%). Эти продукты принято называть продуктами промежуточной влажности или сокращенно — ППВ;

• третья группа — продукты низкой влажности, составляющей менее 20%.

В первой группе большая часть воды находится в свободном состоянии, т. е. не связана с компонентами продуктов. В продуктах второй группы уже значительная часть воды связана с компонентами сухих веществ. В продуктах третьей группы почти вся вода находится в прочной связи с компонентами сухого вещества.

В соответствии с рассмотренной систематизацией пищевых продуктов сгущенные молочные консервы с сахаром могут быть отнесены ко второй группе, т. е. к группе ППВ. Уровни влажности этих продуктов характеризуются относительным давлением водяного пара над ними в пределах от 0,6 до 0,9, что оставляет возможность роста некоторых видов дрожжей и плесеней. Сухие молочные консервы при массовой доле связанной влаги в них не более 5% (в зависимости от вида продукта), согласно рассмотренной систематизации относятся к третьей группе пищевых продуктов. Характерным для них является колебание относительного давления водяного пара над продуктом в пределах от 0 до 0,6. При таких условиях микроорганизмы в продукте не развиваются.

Исследования последних четырех десятилетий показали, что с учетом многообразия форм связи воды с составными частями сухих веществ пищевых продуктов, а также участия воды в возможных ферментативных и неферментативных изменениях их в процессе хранения, необходим такой параметр, с помощью которого можно было бы надежно и научно обоснованно оценить тот или иной способ консервирования. Оказалось, что этим требованиям наиболее полно отвечает такой пара метр консервирования, как активность воды. Применяемый параметр осмотического давления этому требованию полностью не отвечает, хотя эти параметры взаимосвязаны. Активность воды отражает внутреннее состояние продукта, осмотическое же давление характеризует взаимодействие продукта с внешней средой. Экспериментально проще определить активность воды, чем величину осмотического давления.

В научную терминологию понятие «активность воды было введено В. И. Скоттом в 1952 г Он доказал, что при определенных условиях между термодинамической активностью воды и ростом микроорганизмов существует Взаимосвязь. Исходя из этого оптимальные условия устойчивости пищевых продуктов к химическим и микробиологическим процессам должны определяться не на основе их абсолютной влажности, а на основе значения показателя активности воды, характеризующей ее доступность для микроорганизмов. С помощью показателя активности воды устанавливается взаимосвязь между наличием в продукте доступной для микроорганизмов воды и вероятностью жизнедеятельности в этом продукте тех или иных видов микрофлоры. Продукты консервирования молока, молочного сырья — это специально обработанное молоко, сливки, обезжиренное молоко, пахта, сыворотка, способные длительное время храниться без порчи, удобные для упаковывания, фасования, маркировка, длительного хранения, дальних перевозок, высокотранспортабельные, высокопитательные, при растворении в воде легко восстанавливающиеся до исходного состояния. Информация о такой связи особенно важна для производства молочных консервов, поскольку технология консервирования молока и другого молочного сырья заключается в удалении какой-то части воды с помощью консервирования сгущением или в удалении всей свободной и доступной для микроорганизмов воды комплексно предварительным сгущением и последующей сушкой. В дополнение к этому при концентрировании только сгущением, с целью ограничения доступности оставшейся в продукте воды для жизнедеятельности микроорганизмов, в ней растворяют добавляемое в продукт консервирующее средство, которое связывает часть этой воды (сахароза и др.). В отношении углеводов эта связь отличается большой прочностью даже при их невысоких концентрациях. Эту воду трудно удалить из продукта.

Численно активность воды в том или ином пищевом продукте равна относительной влажности среды, находящейся в этом продукте В равновесном состоянии. С физико-химической точки зрения активность воды характеризует способность воды к улетучиванию из раствора относительно способности к улетучиванию чистой воды при одной и той же температуре.

При удалении из пищевого продукта свободной воды величина активности воды уменьшается, что позволяет характеризовать степень ее доступности для тех или иных видов микроорганизмов. Проблема взаимосвязи между наличием доступной для тех или иных видов микроорганизмов воды в продукте и вероятностью их жизнедеятельности в нем изучалась и изучается многими исследователями. В настоящее время консервирование пищевых продуктов принято рассматривать как способ регулирования активности воды в продукте до такого уровня, при котором рост микроорганизмов или становится невозможным, или в значительной мере подавляется.

Активность воды ( ), характеризуемая как способность ее к улетучиванию из раствора по сравнению со способностью к улетучиванию чистой воды при той же температуре, рассчитывается как

Где Р — давление пара из водного раствора Па; Ро — давление пара чистой воды, Па.

При растворении в воде пищевых продуктов тех или иных веществ активность воды уменьшается. В зависимости от вида и концентрации растворенных и дополнительно растворяемых веществ в пищевом продукте возрастает осмотическое давление, производимое растворенными веществами. В растворе осмотическое давление (П) связано с активностью воды ( ) следующим образом:

Где П — осмотическое давление, Па; R —универсальная газовая постоянная; Т— абсолютная температура; V — молярный объем растворителя; — активность воды.

С изменением значений активности воды в продукте изменяются изначения осмотического давления.

Консервирование повышением осмотического давления основано на нарушении процесса естественного обмена между живой клеткой и средой.

Особое значение для жизни клетки имеет структура цитоплазменной мембраны. Отверстия в нёй настолько малы, что через них могут проходить молекулы небольших размеров, например молекулы воды. Более крупные молекулы, например, таких веществ, как сахара и соли, через поры цитоплазмы пройти не могут. Таким образом, цитоплазменная оболочка проницаема для воды и не проницаема для растворенных в воде веществ — она полупроницаема. Это осложняет протекание диффузионных и физических процессов.

Представим себе, что в стакан налили некоторую массу крепкого, например, 65 %-ного раствора сахара, а затем осторожно с помощью пипетки, прикасаясь. К внутренней стенке стакана, прилили слабый, 15 %-ный раствор сахара. Если проделать эту операцию так, чтобы не взболтать и не перемещать растворы, то слабый раствор сахара, плотность .которого меньше крепкого, ляжет поверх последнего, не смешавшись с ним. Отберем с помощью краников пробы сахарных растворов. Анализы покажут, что в нижнем слое массовая доля сахара составляет 65%, а в верхнем — 15%.

Однако с течением времени благодаря закону диффузии, в силу которого молекулы сахара будут самопроизвольно перемещаться от места с. большей концентрацией в зону, где концентрация меньше, верхний слой будет постепенно обогащаться сахаром, а концентрация нижнего слоя — уменьшаться. Если крепкий и слабый растворы сахара были взяты в равных по массе количествах, то после выравнивания концентраций массовая доля сахара составит 40%.

Если теперь поместить в стакан с 65 %-ным раствором сахара живую клетку, в соке которой содержится 15% сахара, то «нормальная» диффузии, при которой молекулы сахара перемещались бы, как в предыдущем примере, из крепкого раствора внутрь клетки, здесь произойти не может из-за того, что оболочка клетки не проницаема для сахара. Но так как диффузии является законом природы, она будет осуществляться в отношении того вещества, для которого цитоплазменная мембрана не является помехой, т. е. для воды. При этом по закону диффузии вода будет перемещаться от места с большей ее концентрацией к месту с меньшей концентрацией, т. е. из клетки наружу, поскольку массовая доля воды в клетке 85%, а в сахарном растворе 35%.

Таким образом, выравнивание концентраций здесь будет происходить за счет перемещении молекул растворителя, а не растворенного вещества. При этом клеточный сок будет сгущаться, а наружный сироп — разбавляться. Такая диффузия, осложненная наличием полупроницаемой перегородки, называется осмосом. В данном примере получается, что наружный крепкий сахарный раствор будет осмотическим путем выкачивать наподобие насоса воду из клетки.

Поскольку цитоплазменная оболочка не приклеена к наружной клеточной оболочке, то по мере осмотического отсасывания из нее воды объем цитоплазменного мешочка уменьшается и цитоплазма начинает отслаиваться от клеточной оболочки сначала по углам клетки, а потом по всему периметру. Чем крепче наружный раствор, тем большая масса влаги будет отсасываться из клетки, тем больше будет съеживаться цитоплазменный мешочек, пока он не соберется где-то в середине клетки в виде сморщенного комочка. Этот процесс съеживания цитоплазмы называется плазмолизом.

В состоянии плазмолиза клетка нежизнедеятельна. Она не погибает, но нормальные функции приостанавливаются. Создав в молочных продуктах высокую концентрацию сахара или соли, можно вызвать плазмолиз микробных клеток и тем самым предохранить их от бактериальной порчи.

Если теперь поместить плазмолизированвую клетку в чистую воду, то процесс пойдет в обратном направлении. Теперь клетка станет жадно всасывать воду, цитоплазменный мешочек будет увеличиваться в объеме, расправляться до тех пор, пока плотно не прижмется к наружной, клеточной оболочке. Когда поступление воды в клетку прекратится, а сама она будет находиться в напряженном состоянии — состоянии тур — гора, в клетке возникает давление, которое по роду вызвавшего его процесса называется осмотическим.

Поскольку поведение веществ в растворенном состоянии во многом подчиняется газовым законам, осмотическое давление можно рассчитать по характеристическому уравнению для газов:

,

Где Р — давление, МПа; V— объем данного раствора, в котором растворена 1 гмоль данного вещества, дм3;R — газовая постоянная (8.3144*103дж/(ккалК); Т — температура по абсолютной шкал, К.

Отсюда

Допустим, что требуется рассчитать осмотическое давление, которое может вызвать 60 %-ный раствор свекловичного сахара при 10°С. Объем можно рассчитать исходя из того, что 1 гмоль сахарозы составляет 342 г и приблизительно приняв, что 60 %-ный раствор сахара — это такой раствор, в 1 дм3 которого находится 60 г сахара. Тогда объем составит 0,57 дм3. Следовательно, осмотическое давление составит

Р = 8,3 144 103(273 + 1О) *10—6/0,57 = 4,1 МПа.

Нужно только понимать, что в самом растворе сахара никакого осмотического давления нет, какой бы крепкий он ни был, есть только осмотический потенциал, т. е. возможность возникновении давлении, если такой раствор войдет в соприкосновение с полупроницаемой системой, например, если в него попадут микробные клетки тогда на границе раствор — полупроницаемая мембрана осмотический потенциал будет реализован и возникнет давление, величину которого можно не только рассчитать, но и измерить.

В примере видно, что на величину осмотического давлении Р влияют массовая концентрация и молекулярная масса данного вещества. действительно, величина V в примере (0,57 дм3) получена как частное от деления 342-молекулярной массы сахара М на 60 %-чую массовую концентрацию его в данном растворе G. Таким образом, в общем виде . При подстановке этого выражения в формулу для расчета осмотического давления получим

Росм = .

Отсюда видно, что осмотическое давление прямо пропорционально массовой концентрации данного вещества и обратно пропорционально его молекулярной массе. Следовательно, при одной и той же массовой концентрации осмотическое давление Р будет больше для тех веществ, у которых меньше молекулярная масса. Так, осмотический потенциал 60 %-ного раствора поваренной соли должен быть примерно в б раз (молекулярная масса 58) больше, чем 60 %-ного раствора свекловичного сахара.

Осмотическое давление в молоке в основном создается молочным сахаром, минеральными веществами и некоторыми белками и составляет 0,6 МПа.

Повысить осмотическое давление в молоке можно сконцентрировав его без потери текучести не более чем в 4—5 раз. Получаемое при этом осмотическое давление составит 6—8 МПа, что недостаточно для подавления микроорганизмов. Продукт концентрирования молока цельного хранится не более 1 месяца при 0° С.

Чтобы продукт не портился до одного года и более, надо повысить осмотическое давление до 16—18 МПа. Можно использовать прибавление веществ, растворяющихся в воде и являющихся вкусовыми: поваренную соль с массовой долей сухих веществ водной части 10%, сахарозу 62,5-63,5%, глюкозу 35—36%. Соленый вкус не устраивает потребителя, а глюкоза вступает в реакцию с белками молока, поэтому консервирующим средством чаще является сахароза.

Если молоко не сгущать, то для создания осмотического давления надо на 1 кг цельного молока добавить 1,5 кг сахара, что технологически невозможно. Если снизить массовую долю влаги в 2,5 раза и в концентрированном цельном молоке она составит 26%, то необходимо только 180 г сахара на 1 кг молока.

Вода обеспечивает нормальное равновесие между микробной клеткой и средой, участвуя в обмене веществ, по принципу диффузии и осмоса. В микробную клетку постоянно поступают растворимые питательные вещества из окружающей среды и вместе с водой из нее удаляются продукты обмена.

Для нормального протекания биохимических и физиологических процессов, связанных с жизнедеятельностью бактерий, необходимо, чтобы в продукте массовая доля влаги составляла около 25—30%, а для плесеней — 10—15%. Поэтому, если масса влаги в продукте будет ниже минимума, требующегося для жизнедеятельности микробов, стойкость его при хранении существенно повысится. При высушивании молока массовую долю влаги доводят до 3—4% и концентрация растворенных веществ повышается, создаются условия, приводящие микроорганизмы и анабиотическое состояние.

Активность воды для группы ППВ находится в пределах 0,65—0,85.Что означает, что имеющаяся в продукте вода находится в состоянии равновесия с относительной равновесной влажностью, равной 65—85%.Показатели относительной влажности рассматриваются как эквиваленты активности воды.

В зависимости от способа регулирования активности воды молока показатели активности воды (а ) и осмотического давления (Р) приобретают следующие значения:

Чтобы исключить возможную порчу молока цельного сгущенного с сахаром в процессе хранения в результате неэффективной тепловой обработки нормализованных смесей или вторичного обсеменения по ходу процесса производства цветными микрококками, дрожжами или плесенями, способными к жизнедеятельности при активности воды продукта, равной 0,8З—О,85, необходимо было бы уровень активности воды в продукте довести до значения 0,6. Однако регулирование активности воды до значения 0,6 (вместо 0,85—0,83) путем дополнительного удаления свободной воды или увеличения количества сахарозы, растворяемой в воде продукта, будет сопровождаться разнообразными, не предусмотренными консервированием физико-химическими процессами и необратимыми изменениями состав свойств молока цельного сгущенного с сахаром. Как видно, регулирование активности воды этого продукта не может быть беспредельным, в связи с чем рассмотренное регулирование активности воды в этом продукте не предусмотрено. При строгом соблюдении требований всей НТД активность воды молока цельного сгущенного с сахаром, равная 0,85—0,83, надежно гарантирует требуемое качество продукта.

При наличии нескольких методов определения активности воды на практике более широко используются манометрический и гигрометрический. Кроме того, получил научное обоснование и подтверждение на практике термодинамический метод. Термодинамические свойства воды определяются измерением равновесного давления пара. Такое измерение позволяет получить значение показателя активности воды продукта. Разработаны и изготовлены приборы и установки для контроля за состоянием воды в процессе консервирования и при хранении продуктов. Точным и простым является также метод определения активности воды по отношению энтальпии воды, находящейся в поверхностном слое продукта, к энтальпии дистиллированной воды, выраженных через температуры (предложен В. И. Скоттом).

Комментарии запрещены.