Aktywność wody wybranych grup produktów spożywczych.

[Maxell]

 

Dr hab. inż. Zbigniew PAŁACHA, prof. SGGW Mgr inż. Magdalena MAKAREWICZ Katedra Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji, SGGW w Warszawie

 

AKTYWNOŚĆ WODY WYBRANYCH GRUP PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH

 

W artykule zamieszczono wyznaczone wartości aktywności wody wybranych grup produktów spożywczych, w ramach badań własnych, a także dokonano analizy tych wartości. Stwierdzono, iż aktywność wody większości badanych produktów spo¬żywczych wyniosła powyżej 0,9. Najwyższą aktywność wody posiadały produkty o dużej zawartości tłuszczu (0,999 - 0,940), niewiele mniejszą produkty mięsne (0,990 - 0,918), nabiałowe (0,998 - 0,813) i owocowe (0,998 - 0,812). Surowce i produkty piekarskie stanowiły grupę o najniższej aktywności wody, jednocześnie o szerokim zakresie aw (0,976 - 0,213).

 

WSTĘP

 

Stan wody w żywności zmienia się w sposób ciągły - od najbardziej uporządkowanego, przy bardzo małej zawartości wody, do występującego w czystej wodzie. Opis tego stanu jest wyrażony za pomocą aktywności - termodynamicz¬nego miernika potencjału chemicznego wody w żywności. Scott [19, 20], jako pierwszy wprowadził pojęcie aktywności wody i określił ją jako stosunek ciśnienia pary wodnej nad powierzchnią żywności (p) do ciśnienia pary wodnej nad powierzchnią czystej wody (p) w tej samej temperaturze i przy tym samym ciśnieniu całkowitym:

 

 

Przedstawiona powyżej definicja aktywności wody za¬kłada, że żywność jest w stanie równowagi wilgotnościowej z otaczającą atmosferą. W przypadku, gdy przestrzeń wokół próbki żywności jest niewielka i ustalą się warunki równo¬wagi, można napisać równanie:

 

 

w którym cp jest wilgotnością względną atmosfery w otoczeniu badanego materiału, wyrażoną w procentach.
Aktywność wody przyjmuje wartości od 1 - dla czystej wody, do 0 dla środowiska, w którym nie ma wody lub czą¬steczki wody nie mają zdolności wykonania pracy (np. woda strukturalna). Ogólnie, aktywność wody żywności wilgotnej jest na poziomie 1,00 - 0,90, żywności o średniej zawartości wody od 0,90 do 0,55, a żywności o niskiej zawartości wody w przedziale 0,55 - 0,00 [12, 13].
Wprowadzenie pojęcia aktywności wody umożliwiło po¬wiązanie stanu termodynamicznego wody w żywności z jej właściwościami, jakością i trwałością. W latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku Labuza i jego zespół [7] opracowali tzw. mapę stabilności żywności, która uzależniała przebieg i kinetykę określonych procesów i reakcji od aktywności wody. Przedstawia ona zależność między aktywnością wody a czynnikami decydującymi o trwałości żywności - rozwojem drobnoustrojów, aktywnością enzymów, przebiegiem reakcji nieenzymatycznego brunatnienia oraz szybkością utleniania tłuszczów i barwników. Rahman [15] poszerzył mapę stabilności, wprowadzając do niej przebieg zmian właściwości mechanicznych żywności.
Minimalna wartość aktywności wody niezbędna do rozwoju poszczególnych grup drobnoustrojów wynosi: aw = 0,9 dla większości bakterii, aw = 0,8 dla większości drożdży i aw = 0,7 dla większości pleśni. Powszechnie przyjmuje się, że drobnoustroje nie mogą się rozwijać w żywności o a <0,6 [13].
Reakcje enzymatyczne zwykle wymagają obecności wody [3, 11]. W tych reakcjach, gdzie woda jest substratem, enzymy są bardziej czułe na zmiany aktywności wody niż te, w których woda jest tylko rozpuszczalnikiem. Praktycznie przy aw < 0,3 reakcje hydrolizy enzymatycznej nie występują. Działanie takich grup enzymów jak amylazy, fenolooksydazy, peroksydazy jest hamowana, gdy aw < 0,8. Natomiast reakcje, w których substrat jest hydrofobowy i rozpuszcza się w tłuszczu mogą przebiegać przy aktywności wody znacznie niższej (np. lipazy przy aw « 0,1).
Ważny wpływ na jakość i trwałość żywności mają reak¬cje chemiczne. Utlenianie tłuszczów przebiega w środowisku suchym i o bardzo małej aktywności wody (minimalna szybkość utleniania tłuszczów przy aw od 0,1 do 0,3). Reakcje nieenzymatycznego brunatnienia osiągają maksimum dla wartości aktywności wody w przedziale 0,3 - 0,7 w zależności od rodzaju produktu [8]. Witamina C, barwniki hemowe, chlorofile i antocyjany utleniają się tym szybciej, im aktyw¬ność wody jest większa [22].
Przemiany fizyczne, które często towarzyszą zmianom tekstury żywności, dotyczą głównie przejścia szklistego, krystalizacji lub rozpuszczania niektórych składników. Pro¬dukty, w których przeważa stan amorficzny są higroskopijne, a przejście fazowe ze stanu szkła do stanu krystalicznego odbywa się wąskim zakresie aktywności wody (0,3 - 0,5). Proces krystalizacji składników powoduje zmiany jakości produktów, polegające na utracie ich kruchości [5, 6, 9] oraz zbrylaniu i zlepianiu [2, 18].
Największą stabilność produkty spożywcze osiągają przy aktywności wody na poziomie zawartości wody w monowarstwie (aw = 0,07 - 0,35 przy zawartości wody od 2 do 15%) [16].

Celem artykułu jest prezentacja i analiza wyznaczonej aktywności wody dla wybranych surowców i produktów spożywczych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego.

 

METODYKA BADAŃ

 

1. Materiał badawczy

 

Materiał do badań stanowiły produkty spożywcze po¬chodzenia roślinnego i zwierzęcego dostępne na rynku. Pochodziły one od różnych producentów i były zapakowane w opakowania jednostkowe zawierające charakterystykę produktów (nazwę produktu, zakład produkcyjny, skład surowcowy lub skład chemiczny produktu, datę produkcji, datę przydatności do spożycia, warunki przechowywania, rodzaj konserwantów lub ich brak, sposób utrwalenia produktu).

Produkty pochodzenia roślinnego

Produkty piekarskie: chleb (miękisz) - razowy, żytnio- pszenny z soją, pumpernikiel, tostowy, pieczywo chrupkie pszenne i żytnie, mąka - pszenna, żytnia razowa, kuku¬rydziana, ziemniaczana, produkty śniadaniowe - płatki kukurydziane, muesli, miodowy cheerios.
Produkty przemysłu tłuszczowego: margaryny - Masmix, Kasia, Delma, Benecol, Masło roślinne.
Produkty owocowe: słodzone - marmolada wieloowoco¬wa, dżem truskawkowy nisko- i wysoko słodzony, powidła śliwkowe, soki - Vitaminka Marchewka, Vitaminka Brzo¬skwinia, Vitaminka Malina, Vitaminka Truskawka, Vitaminka Banan, nektary - Czarna Porzeczka, Multiwitamina, Wielo¬owocowy, Bananowy, Brzoskwiniowy.

Produkty pochodzenia zwierzęcego 

Produkty mięsne: wędliny wieprzowe, wołowe i mieszane kabanosy, kiełbasa myśliwska sucha, kiełbasa krakowska sucha, kiełbasa zwyczajna, salami, polędwica sopocka, szynka wieprzowa, boczek wędzony, mielonka, wędliny podrobowe - kiszka pasztetowa, kiszka kaszana, wątrobian¬ka, drobiowe - pasztet z kurcząt.
Nabiał: sery podpuszczkowe - gouda, ementaler, pleśniowy brie, pleśniowy camembert, twarogi - chudy, śmietankowy, mleko zagęszczone - słodzone, niesłodzone, śmietana - o zawartości tłuszczu 12, 18, 30 i 36%, masło śmietankowe, extra, extra osełka.

 

2. Metody analityczne

 

Oznaczenie aktywności wody
-    
Aktywność wody badanych produktów o aw powyżej wartości 0,7 zmierzono miernikiem aktywności wody Aqua Lab CX-2 (Decagon Deyices Inc., USA), a w przypadku produktów o aw poniżej wartości 0,7 (w tym materiałów sypkich) określono miernikiem aktywności wody Rotronic Hygroskop DT (Szwajcaria). Próbki wykorzystane do badań były prób¬kami reprezentatywnymi. Zostały one pobrane bezpośrednio po otwarciu opakowania i umieszczone w specjalnych, hermetycznie zamkniętych naczyńkach, uniemożliwiających im sorpcję bądź desorpcję wody. Tak przygotowane próbki przetrzymywano w pokoju termostatowym w temperaturze 25°C przez 1 godzinę, w celu uzyskania przez nie temperatury pomiaru (25 ±1°C). Pomiar dla każdej badanej próbki wykonano w 3 powtórzeniach.

 

Oznaczenie zawartości wody

 

Zawartość wody w badanych materiałach oznaczono metodą suszenia, wykorzystując dla poszczególnych produktów procedury oparte o normy: PN-91A-74010, PN-90/A-75101/03, PN-80/A-86207, PN-ISO 1442:2000, PN-73/A-86232 oraz załącznik nr 2 MRiRW z dnia 8 lipca 2004 r. Oznaczenie zawartości wody dla każdego produktu wykonano w trzech powtórzeniach.

 

Metody statystyczne

 

Korzystając z programu komputerowego Excel 2003 (Microsoft) obliczono odchylenie standardowe dla wartości aktywności wody i zawartości wody badanych produktów spożywczych.

 

OMÓWIENIE I DYSKUSJA WYNIKÓW

 

1. Aktywność wody produktów piekarskich

 

W tabeli 1 przedstawiono wartości aktywności wody wy¬branych produktów piekarskich. 

 

 

Zdecydowanie najwyższą aktywnością wody charakteryzował się miękisz chleba od 0,976 do 0,926, odpowiednio niższą mąki od 0,657 do 0,398i pieczywo chrupkie od 0,547 do 0,539, zaś zdecydowanie najniższą produkty śniadaniowe od 0,235 do 0,213. Wraz ze wzrostem zawartości wody w produktach, wzrastała ich aktywność wody, przy czym nie była to zależność prostoliniowa. Wykazano więc, że stan wody w materiale decydował o jego aktywności wody. W produktach o małej zawartości wody, woda była mocno związana z matrycą materiału, a tym samym ich aktywność wody była najniższa.
W miękiszu chlebów, których aktywność wody była wyż¬sza od 0,9 możliwy był rozwój praktycznie wszystkich grup drobnoustrojów, a więc aktywność wody na takim poziomie nie gwarantowała stabilności mikrobiologicznej produktów. Wysoka temperatura wypieku, obecność skórki na powierzchni chlebów, stanowiącej naturalną barierę ochronną przed czynnikami zewnętrznymi, dodatek substancji konserwującej i pakowanie w atmosferze modyfikowanej (pumpernikiel), hermetyczne opakowanie i pasteryzacja (chleb tostowy) wpłynęło na przedłużenie trwałości produktów i zapewniło im stabilność mikrobiologiczną, mimo wysokiej aktywności wody.
Uzyskane aktywności wody dla mąk na poziomie nie przekraczającym 0,7 wskazują na ich stabilność mikrobiologiczną i długi termin przydatności do spożycia, od kilku miesięcy (mąki żytnia i pszenna) do 2 lat (mąka ziemniaczana). Abdullah i wsp. [1] potwierdzili wysoką trwałość niektórych typów mąk. Wykazali oni, że podczas przechowywania w temperaturze 25°C nie wystąpił rozwój pleśni w ciągu 6 miesięcy w mące ryżowej i pszennej oaw = 0,65 i 8 miesięcy w mące kukurydzianej oaw = 0,80.
Produkty ekstrudowane posiadały najniższą aktywność wody; były stabilne mikrobiologicznie i trwałe (termin przydatności do spożycia od 6 do 11 miesięcy). Długi okres przydatności do spożycia gwarantowało im opakowanie hermetyczne o dużej barierowości dla pary wodnej. Niektóre składniki zbożowych produktów ekstrudowanych (głównie węglowodany) występują w postaci amorficznej, silnie higroskopijnej i są narażone na wzrost wilgotności otoczenia [10]. W przypadku braku opakowania barierowego dla pary wodnej, postać amorficzna składników przeszłaby w postać gumiastą (metastabilną), a produkt zatraciłby cechy kruchości.

 

2. Aktywność wody produktów przemysłu tłuszczowego

 

W tabeli 2 przedstawiono wartości aktywności wody wybranych produktów przemysłu tłuszczowego. 

 

 

Produkty te posiadały wysoką aktywność wody w przedziale od 0,999 (margaryna Delma) do 0,940 (Masmix), pomimo stosunkowo małej zawartości wody (oprócz margaryny Delma). Produkty o wysokiej zawartości tłuszczu stanowiły układ koloidalny, emulsję zdyspergowanej wody w tłuszczu [4]. Prawdopodobnie stopień dyspersji wody w tłuszczu w dużym stopniu decydował o ich aktywności wody. Średnica kuleczki wody decyduje o jej prężności. Im kuleczka wody jest mniejsza, tym prężność pary wodnej nad jej powierzchnią jest większa i wyższa jest jej aktywność. Ponadto tłuszcze jako substancje hydrofobowe nie wiążą cząsteczek wody tylko je strukturalizują.
Produkty tłuszczowe pomimo wysokiej aktywności wody charakteryzowały się dużą trwałością (od 2 do 4 miesięcy). Tłuszcze determinują nie tylko zachowanie się produktów spożywczych w trakcie procesów przetwarzania, lecz tak¬że ich właściwości po zakończonych procesach i stabilność (fizyczną, chemiczną i mikrobiologiczną) podczas przechowywania [4]. Przechowywanie badanych produktów w opakowaniach hermetycznych i wg. zaleceń producentów, w temperaturze poniżej 10°C i bez dostępu światła, miało wpływ na ich trwałość, pomimo wysokiej aktywności wody.

 

3. Aktywność wody wybranych produktów owocowych

 

W tabeli 3 zestawiono wartości aktywności wody wy¬branych produktów owocowych. 

 

Najwyższą aktywność wody, powyżej wartości 0,99, posiadały soki i nektary owocowe. Natomiast produkty owocowe słodzone posiadały niższą aktywność wody od 0,948 (dżem truskawkowy niskosłodzony) do 0,812 (dżem truskawkowy wysokosłodzony). Głównie poziom zawartości cukrów decydował o ich aktywności wody. Dżem truskawkowy wysokosłodzony zawierał w swoim składzie 63% cukrów, marmolada 60%, powidła śliwkowe 54%, dżem truskawkowy niskosłodzony 36%, a soki i nektary zawierały ok. 10-12% cukru.
Aktywność wody badanych produktów owocowych na poziomie powyżej 0,8 nie gwarantowała ich stabilności mikrobiologicznej. A więc o trwałości tych produktów w decydującym stopniu decydował sposób utrwalenia. Marmolada wieloowocowa o najkrótszym terminie trwałości (30 dni), zawierała w swoim składzie substancję konserwującą w postaci sorbinianu potasu, natomiast pozostałe produkty zostały poddane obróbce termicznej - pasteryzacji.

 

4. Aktywność wody produktów mięsnych

 

W tabeli 4 zestawiono wartości aktywności wody wy¬branych produktów mięsnych. 

 

Badane produkty mięsne stanowiły grupę o aktywności wody w przedziale od 0,990 (kiszka kaszana) do 0,918 (salami). Ogólnie, wyższą aktywnością wody charakteryzowały się wędliny podrobowe i pasztet z kurcząt, a nieco niższą wędliny wieprzowe, wołowe i mieszane. Otrzymane wartości aw znalazły po¬twierdzenie w literaturze. Radel [17] podał wartości aw dla wątrobianki (od 0,964 do 0,982), Tyszkiewicz [21] dla kabanosów (0,920) i kiełbasy krakowskiej suchej (0,940), a Pałacha [14] dla szynki (0,974), kiełbasy myśliwskiej suchej (0,942) i boczku wędzonego (0,967).
Aktywność wody surowego nieprzetworzonego mięsa jest stała, bliska jedności. Dopiero obróbka technologiczna (solenie połączone z odwodnieniem) powoduje znaczne obniżenie aktywności wody do poziomów uniemożliwiających rozwój niektórych drobnoustrojów odpowiedzialnych za stan higieniczno-sanitarny mięsa [14]. Tym niemniej, wysoka aktywność wody na poziomie przekraczającym 0,9, nie zapewnia pełnej stabilności mikrobiologicznej. Dlatego, o zwiększeniu trwałości produktów mięsnych decyduje obróbka techno¬logiczna (parzenie, wędzenie, podsuszanie, zakwaszanie, sterylizacja) oraz dodatek azotynu sodu.

 

5. Aktywność wody produktów nabiałowych

 

W tabeli 5 zestawiono wartości aktywności wody wy¬branych produktów nabiałowych. 

 

Najwyższą aktywnością wody w grupie produktów nabiałowych charakteryzowały się twarogi (0,998 - 0,996) i śmietana (0,995 - 0,994), nieco niższą sery podpuszczkowe (0,988 - 0,971) oraz masło (0,989 - 0,958), a najniższą mleko zagęszczone słodzone (0,831). Generalnie, aktywność wody badanych produktów nabiałowych była wysoka i mieściła się w zakresie 0,96 - 1,00, pomimo bardzo zróżnicowanej zawartości wody od ok. 15% (masło Ekstra) do ok. 79% (śmietana o zawartości tłuszczu 12%). Obecność tłuszczu jako substancji hydrofobowej, występującego w stosunkowo dużych ilościach w większości badanych produktów, wpływała jedynie na zmianę struktury wody w otoczeniu cząsteczek tłuszczu, ale nie miała wpływu na jej aktywność. Pomimo wysokiej aktywności wody umożliwiającej rozwój praktycznie wszystkich grup drobnoustrojów, badane produkty nabiałowe posiadały trwałość od kilku dni (masło śmietankowe) do kilku miesięcy (mleko zagęszczone, sery podpuszczkowe). Na przedłużenie trwałości tych produktów miała wpływ obróbka cieplna (termizacja, pasteryzacja, sterylizacja), dodatek substancji konserwujących (azotan potasu, sorbinian potasu, kwas sorbowy) oraz w niektórych przypadkach, opakowanie hermetyczne i atmosfera ochronna.

 

WNIOSKI

 

1. Większość badanych produktów spożywczych charakteryzowała się wysoką aktywnością wody, przekraczającą wartość 0,9.
2. Aktywność wody produktów o dużej zawartości tłuszczu wyniosła 0,999 - 0,940, produktów mięsnych 0,990 - 0,918, produktów nabiałowych 0,998 - 0,813, a produktów owocowych 0,998 - 0,812. Natomiast surowce i produkty piekarskie stanowiły grupę o najszerszym zakresie aktywności wody mieszczącym się w przedziale 0,976 - 0,213.
3. O aktywności wody decydował stan wody w materiale. W przypadku produktów piekarskich, zawierających w swoim składzie niewielkie ilości wody, woda była silnie związana z matrycą materiału, a tym samym jej aktywność była niższa. Produkty o dużej zawartości tłuszczu (margaryna, masło) a także śmietana, pomimo zróżnicowanej zawartości wody, ogólnie charakteryzowały się wysoką aktywnością wody.
4. Sposób utrwalania wpływał na stabilność mikrobiologiczną i trwałość badanych produktów spożywczych. W produktach o wysokiej aktywności wody dodatek substancji konserwującej, termiczne metody utrwalania oraz opakowanie, zdecydowanie zwiększały trwałość produktów.

 

LITERATURA

 

1. Abdullah N., Nawaki A., Otoman I. 2000. Fungal spoilage of starch - based foods in relation to its water activity. Journal of Stored Products Research, 36, 47-54.
2. Bhandari B.R., Howes T. 1999. Implication of glass transition for the drying and stability of dried foods. Journal of Food Engineering, 40, 71-79.
3. Drapron R. 1985. Enzyme activity as a function of water activity. Properties of Water in Foods (eds. D. Simatos and J.L. Multon), Martinus Nijhoff, 171-190.
4. Drozdowski B. 2002. Lipidy. W: Chemia Żywności. Skład, przemiany i właściwości żywności (red. Z.E. Sikorski), WNT, Warszawa, 177-227.
5. Gondek E., Lewicki P.P. 2006. Antiplasticization of cereal-based products by water. Part. II. Extruded fiat bread. Journal of Food Engineering, 77, 644-652.
6. Katz E.E., Labuza T.P. 1981. Effect of water activity on the sensory crispness and mechanical deformation of snack food products. Journal of Food Science, 46, 403-409.
7. Labuza T.P. 1970. Properties of water as related to the keeping ąuality of foods. Proceedings 3rd Conference of Food Science and Technology SOS 70. Institute of Food technologists, Washington D.C., 618-635.
8. Maltini E., Torreggiani D., Venir E., Bertolo G. 2003. Water activity and the preservation of plant foods. Food Chemistry, 82(1), 79-86.
9. Marzec A. Lewicki P.P. 2006. Antiplasticization of cereal-based products by water. Part. I. Breakfast cereals. Journal of Food Engineering, 73, 1-8.
10. Marzec A. Lewicki P.P., Ranachowski Z. 2005. Właściwości mechaniczne i akustyczne suchych produktów zbożowych. Inżynieria Rolnicza, 9(69), 207-214.
11. McKay J.E. 1989. The behaviour of enzymes in systems of Iow water content. In: Water and Food Quality (ed. T.M. Hardman), Elsevier, London, 169-209.
12. Pałacha Z. 2010. Właściwości sorpcyjne. W: Właściwości fizyczne żywności (red. Z. Pałacha, I. Sitkiewicz), WNT, Warszawa, 143-169.
13. Pałacha Z. 2008. Aktywność wody ważny parametr trwałości żywności. Przemysł Spożywczy, 62(4), 22-26.
14. Pałacha Z. 2006. Aktywność wody. Magazyn Przemysłu Mięsnego, 12, 28-29.
15. RahmanM.S. 2010. Food stability determination by macro-micro region concept in the State diagram andbay defining a critical temperaturę. Journal of Food Engineering, 99(4), 402-416.
16. Rahman M.S., Labuza T.P. 1999. Water activity and foodpreservation. In: Handbook of Food Preservation (ed. M.S. Rahman), Marcel Dekker, New York, 339-382.
17. Radel W. 1975. Einsufung von Fłeischerzeugnissen in leicht verderliche und lagerfdhige produkte aufgrund despH- Wertes und aw. Dissertation, 859-860.
18. Roos Y.H., Jouppila K., Sóderholm E.S. 1999. Crystallization of amorphous food components and polymers. In: Water Management in the Design and Distribution of Quality Foods. ISOPOW 7 (eds. Y.H. Roos, R.B. Leslie, P.J. Lillford), Technomic Publishing Co., Inc., Lancaster, 429-451.
19. Scott W.J. 1953. Water relations of Staphylococcus aureus at 30°C. Australian Journal of Biology Sciences 6,549-564.
20. Scott W.J. 1957. Water relations of food spoilage microorganisms. Advances in Food Research 7, 83-124.
21. Tyszkiewicz S. 1986. W poszukiwaniu obiektywnego kryterium znormalizowanej trwałości kiełbas. Gospodarka Mięsna, 9-10, 1-5.
22. von Elbę J. H. 1987. Influence of water activity on pigment stability in food products. Water Activity: Theory and applications to food (eds. L.B. Rockland, L.R. Beuchat), Marcel Dekker, Inc., New York and Basel, 55-73.