Активность воды как параметр консервирования, основанного на анабиозе

В промышленном производстве молочных консервов, основанном на анабиозе, используются следующие способы обработки, связанные с воздействием на воду продуктов:

1) концентрирование сгущением или совместно — сгущением с растворением в оставшейся воде консервирующего средства. Такая обработка обеспечивает подавление жизнедеятельности микроорганизмов;

• 2) концентрирование сгущением с последующей тепловой стерилизацией, уничтожающей все виды микроорганизмов как в вегетативной, так и в споровой формах;
• 3) концентрирование сушкой предварительно подсгущенного консервируемого продукта. Обеспечивается прекращение жизнедеятельности микроорганизмов из-за полного отсутствия в продукте свободной воды, доступной для них.

Как видно, в процессе перечисленных способов обработки удаляется вода до того или иного уровня остаточной влажности. Следовательно, продукты консервирования молока и молочного сырья являются концентратами. В зависимости от кратности концентрирования молочные консервы разделяются на сгущенные, обладающие текучестью, и сухие, характеризующиеся свободной сыпучестью.

Вода как составная часть пищевых продуктов

Вода является важнейшим компонентом пищевых продуктов. Общая влажность продукта указывает на количество влаги в продукте, но не характеризует ее причастность к химическим, биологическим изменениям. На устойчивость продуктов при хранении особое влияние имеет соотношение свободной и связанной влаги.

Свободная влага — это влага, не связанная с полимером.

Связанная влага — это термин для ассоциированной воды, эта влага прочно связана с различными компонентами — белками, липидами, углеводами за счет химических и физических связей.

Различают следующие формы связи воды с составными частями сухих веществ продуктов: химическую, физико-химическую и физикомеханическую.

Химически связанная вода (ионная и молекулярная) труднее всего удаляется из продуктов (либо прокаливанием, либо путем химического взаимодействия). Такая форма связи воды в пищевых продуктах встречается крайне редко.

К физико-химическим формам связи относят адсорбционно-связанную и осмотически поглощенную влагу.

Адсорбционно-связанной называется вода, прочно удерживаемая молекулярным полем у поверхности раздела коллоидных частиц с окружающей средой. Количество адсорбционно-связанной воды зависит как от химического состава, так и от содержания компонентов, находящихся в коллоидном состоянии: белков, фосфолипидов, полисахаридов. Связывание воды этими веществами объясняется наличием в них гидрофильных групп: NH₂, СООН, ОН, NH, СО, SH и др. Эта влага прочно связана с компонентами пищевых продуктов и может быть удалена только при условии превращения в пар. Она не растворяет органические вещества и минеральные соли, замерзает при температуре -71 °С, не усваивается микроорганизмами.

Осмотически поглощенная влага связана с составными частями сухих веществ пищевых продуктов менее прочно, чем адсорбционная, поэтому во время сушки продуктов удаляется раньше. Эта влага содержится в микропространствах, образованных мембранами клеток, в соке клеток и оказывает влияние на пластические свойства животных тканей.

К физико-механическим формам связи относится капиллярная, микрокапиллярная влага и влага смачивания.

Капиллярная и микрокапиллярная влага представляют собой растворы, содержащие органические и минеральные вещества. Она входит в состав клеточного сока продуктов.

Наименее прочно связана с компонентами пищевых продуктов так называемая влага смачивания, которая удерживается на поверхности силами поверхностного натяжения.

Капиллярная, микрокапиллярная влага, влага смачивания и осмотически поглощенная влага имеют плотность около 1, температуру замерзания — около О °С, являются активными растворителями, легко удаляются при высушивании и замораживании продуктов. Проведение ряда технологических операций (замораживание, выпаривание, концентрирование и др.) происходит за счет удаления в первую очередь влаги смачивания, а затем за счет капиллярной и осмотически поглощенной влаги.

Различные состояния воды в пищевых продуктах тесно взаимосвязаны между собой, при переработке и хранении могут переходить друг в друга, что вызывает изменение свойств продуктов.

Влажность продукта — это отношение физико-химически и физикомеханически связанной воды к его первоначальной массе, выраженное в процентах. Этот показатель определяет стойкость продуктов при хранении. Однако подверженность продукта бактериологической порче определяется не просто его влажностью, но и физическим состоянием содержащейся в нем влаги.

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 количество связанной воды в них колеблется от 0,2 до 1 гт^-1. 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 30%). 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 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 параметр консервирования, как активность воды. Применяемый параметр осмотического давления данному 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 на основе не абсолютной их влажности, а 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. 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 концентрирования 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 (а_в), 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; Р₀ — 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 связано с активностью воды следующим образом:

где П — осмотическое давление, Па; R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура; V₁ — молярный объем растворителя.

С изменением значений активности воды в продукте изменяются и значения 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 ней настолько малы, что через них могут проходить только молекулы небольших размеров, например, молекулы воды. Более крупные молекулы, например, таких веществ, как сахар и соль, через поры цитоплазмы пройти не могут. Таким образом, цитоплазменная оболочка проницаема для воды и непроницаема 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%-го раствора сахара, а затем осторожно с помощью пипетки, прикасаясь к внутренней стенке стакана, прилили слабый, 15%-й раствор сахара. Если проделать эту операцию так, чтобы не взболтать и не перемешать 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%-м раствором сахара живую клетку, в соке которой содержится 15% сахара, то «нормальная» диффузия, 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 непроницаема для сахара. Однако поскольку диффузия 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 перемещения 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.

Цитоплазменная оболочка не приклеена к наружной клеточной оболочке, поэтому 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 продукты от бактериальной порчи.

Если теперь поместить плазмолизированную клетку в чистую воду, то процесс пойдет в обратном направлении. 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 тургора, в клетке возникнет 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_осм — давление, МПа; V — объем данного раствора, в котором растворен 1 г-моль данного вещества, дм³; R — газовая постоянная (8,3144−10³ Дж/ккал-К); Т — температура по абсолютной шкале, К.

Отсюда.

Допустим, требуется рассчитать осмотическое давление, которое может вызвать 60%-й раствор свекловичного сахара при 10 °C. Объем можно рассчитать исходя из того, что 1 г — моль сахарозы С₁₂Н220_П составляет 342 г, и приблизительно приняв, что 60%-й раствор сахара — это такой раствор, в 1 дм³ которого находится 600 г сахара. Тогда объем составит 0,57 дм³. Следовательно, осмотическое давление составит.

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 возникновения давления, 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, значение которого можно не только рассчитать, но и измерить.

В примере видно, что на величину осмотического давления 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%-ю массовую концентрацию его в данном растворе G. Таким образом, в общем виде V = М/G. При подстановке этого выражения в формулу для расчета осмотического давления получим.

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%-го раствора поваренной соли должен быть примерно в 6 раз (молекулярная масса 58) больше, чем 60%-го 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 А—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 °C.

Чтобы продукт не портился до одного года и более, нужно 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 нужно 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 в анабиотическое состояние.

Активность воды для группы ППВ находится в пределах 0,65—0,85. Это 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.

Зная а_в продукта и отношение к его значению различных видов микроорганизмов, можно к началу хранения продукта уже сказать, какие виды микроорганизмов будут жизнедеятельны, какие даже при их присутствии (остаточная микрофлора) не будут жизнедеятельны, а следовательно, не будут опасны для продукта.

От способа регулирования активности воды молока зависят показатели активности воды (а_в) и осмотического давления (Р_осм) (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Влияние активности воды на хранимоспособность молока и молочных продуктов.

Жизнедеятельность микроорганизмов зависит не от абсолютной влажности продукта, а только от относительной влажности пара над этим продуктом, т. е. от значения а_в, характеризующего доступность продукта воздействию окружающей атмосферы.

Активность воды молока цельного 0,95—0,99. Как видно, при таком показателе а_в молоко доступно всему спектру микроорганизмов и поэтому быстро портится.

Для отдельных молочных продуктов, зная возможный качественный состав микрофлоры и потребность отдельных видов ее в воде, которая выражается через активность воды, возможно прогнозирование такого значения величины этого показателя, при котором жизнедеятельность микроорганизмов будет подавлена или полностью прекращена. В то же время при необходимости получения молочного продукта, например молока цельного сгущенного с сахаром, который обладал бы текучестью, по соответствующему значению показателя активности воды можно заранее прогнозировать виды микроорганизмов, которые смогут развиваться и снижать качество продукта и жизнедеятельность каких будет надежно подавлена.

Активность воды позволяет решить проблему модели пищевого продукта. Эта модель характеризуется такими показателями, как В_пр = 25%; а_в = 0,85. Этому требованию отвечают сгущенные молочные консервы, в частности молоко цельное сгущенное с сахаром.

Микробиологическая стабильность любого молочного продукта, т. е. исключение в нем ферментативных изменений, зависит главным образом от значений активности воды в этом продукте. В молочных продуктах скорость ферментативных процессов обусловлена: распределением в них участвующих в реакции веществ; подвижностью субстратов, определяемой агрегативным состоянием и структурой продуктов; активностью воды; температурой. В сгущенных молочных консервах с сахаром изменения качества ферментативной природы могут иметь место и обусловлены такими находящимися в продукте микроорганизмами, которые способны к жизнедеятельности при значениях активности воды в нем 0,83—0,85. Присутствие таких микроорганизмов может быть следствием нарушения установленного режима тепловой обработки нормализованных смесей. При длительном хранении продукта микроорганизмы постепенно вымирают, но их внутриклеточные ферменты, воздействуя на составные части продукта, в той или иной степени изменяют качество продукта (гидролиз жира липазой и др.). Ферментативные процессы возможны, когда ферменты сохраняют свою активность в свободно движущейся воде при значениях активности воды более 0,45.

Молочнокислые и протеолитические бактерии, кишечная палочка не приспособлены к низкой активности воды продукта. В таких условиях развивается только одна группа бактерий — цветные микрококки, обладающие особой устойчивостью. Они способствуют образованию вкуса и запаха, связанных с разложением белков и жира при хранении, и загустеванию продукта. Дрожжи и плесени способны к жизнедеятельности и при низких значениях активности воды. При хранении молочных продуктов количество мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) зависит от температуры хранения.

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 0,83—0,85, необходимо было бы уровень активности воды в продукте довести до значения 0,6. Однако регулирование активности воды до значения 0,6 путем дополнительного удаления свободной воды или увеличения количества сахарозы будет сопровождаться разнообразными, не предусмотренными консервированием физикохимическими процессами и необратимыми изменениями состава и свойств молока цельного сгущенного с сахаром. Как видно, регулирование активности воды этого продукта не может быть беспредельным. При строгом соблюдении требований всей нормативной документации активность воды молока цельного сгущенного с сахаром, равная 0,85— 0,83, надежно гарантирует требуемое качество продукта.

Экспериментальные методы определения активности воды основаны:

• • на прямом измерении влажности воздуха, при которой образец продукта находится в состоянии равновесия;
• • определении относительной влажности воздуха, при которой в образце не происходит никаких изменений содержания воды (метод интерполяции Ландрека и Проктора);
• • установлении состояния равновесия между образцом продукта и небольшим количеством эталонного вещества, изотерма сорбции которого хорошо известна;
• • определении точки замерзания для жидких продуктов (метод криоизмерений).

На практике наиболее широко используются манометрический и пирометрический методы. Точным и простым является также метод определения активности воды по отношению энтальпии воды, находящейся в поверхностном слое продукта, к энтальпии дистиллированной воды (предложен В. И. Скоттом).