Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

(МГУПБ)

Проблемная научно-исследовательская лаборатория электрофизических методов обработки пищевых продуктов

(ПНИЛЭФМОПП)

Кафедра «Технология мяса и мясных продуктов»

Кафедра «Теплотехника и энергосбережение»

ТЕХНОЛОГИЯ МЯСА И МЯСНЫХ ПРОДУКТОВ

АКТИВНОСТЬ ВОДЫ В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПИЩЕВЫХ СИСТЕМАХ

Учебное пособие для студентов-специалистов, бакалавров, магистров и аспирантов специальностей 260301, 260302, 260303, 260501, 260505, 240902, 200503

Москва 2009

УДК 664

ББК 36

Р 59

Составители: И.А. Рогов, д.т.н., проф.

Л.Ф. Митасева, к.т.н., доц.

Н.С. Николаев, д.т.н., проф.

С.Г. Юзов, м. н. с.

Рецензенты: _______________

_______________

Рогов И.А.

Активность воды в многокомпонентных пищевых системах / И.А. Рогов, Л.Ф. Митасева, Н.С. Николаев, С.Г. Юзов. – М.: МГУПБ, 2009. – 67 с.

В работе приводятся теоретические и экспериментальные материалы, показывающие влияние активности воды на протекание различных биохимических и физико-химических процессов в пищевых продуктах при их переработке и хранении. Большое внимание уделено современным методам определения показателя активности воды и приборной технике.

Цель работы – расширить и закрепить знания студентов по основам термодинамического равновесия мясных продуктов при различных условиях протекания технологических процессов, ознакомить с понятием активности воды и её влиянием на различные процессы, а также с методами определения показателя активности воды для дальнейшего приобретения студентами и аспирантами соответствующих практических навыков.

Утверждено в качестве учебно-методического пособия УМС МГУПБ.

 МГУПБ, 2009

ВВЕДЕНИЕ

Наряду с традиционными задачами по повышению качества продукции и улучшению её потребительских свойств, одной из актуальных проблем мясной промышленности является поиск наиболее информативного показателя состояния пищевой системы и активное внедрение современных методов для оценки параметров сырья и готового продукта с целью контроля, обеспечения безопасности и прогнозирования их свойств.

Потребительские и технологические свойства мясопродуктов в значительной мере предопределяются содержанием влаги. В большинстве животных тканей содержится до 70–80 % влаги, а в мясопродуктах – 23…74 % (в сырокопчёных и варёных колбасах соответственно). Для технологии мяса и мясопродуктов представляет интерес не только влагосодержание продукта, но и содержание влаги по формам и энергиям связи.

Наряду с традиционными гигроскопическими характеристиками, такими как водоудерживающая и влагосвязывающая способности (ВУС и ВСС), для оценки качества готовой продукции в мясной промышленности всё большее применение находит понятие «активность воды», являющаяся интегральным показателем состояния влаги пищевого продукта. По ряду причин считается, что для технологии мяса значение показателя «активность воды» сравнимо с показателем pH [22]. Активность воды влияет на жизнедеятельность микроорганизмов, на биохимические и физико-химические процессы, протекающие в продукте. От величины активности воды зависит срок хранения мяса и мясопродуктов (в том числе замороженных и лиофилизированных), интенсивность процессов созревания ферментированных мясопродуктов, таких как формирование цвета и аромата (посол, созревание, сушка, холодильная обработка), а также потери при термообработке и хранении. По уровню активности воды можно судить о целесообразном количестве вводимых в рецептуру мясопродуктов пищевых добавок. В перспективе определение активности воды во время технологических процессов производства мясопродуктов позволит контролировать и регулировать содержание и состояние воды в продукте на различных стадиях: измельчение, перемешивание, посол, эмульгирование, массирование, созревание, сушка, хранение, замораживание, оттаивание и другие виды обработки.

В учебно-методическом пособии кратко рассмотрены наиболее широко применяемые методы определения показателя активности воды, в том числе метод определения температуры «точки росы» и криоскопический метод, которые применяются для исследования свойств пищевых продуктов в ПНИЛЭФМОПП и на кафедре «Технология мяса и мясных продуктов» МГУПБ.

1. Классификация форм связи влаги в пищевых материалах

Пищевые продукты являются такими системами, в которых влага имеет различные формы связи влаги с «твёрдым скелетом» (сухим веществом). Некоторые исследователи сознательно упрощают классификацию форм связи воды и предлагают различать две основные группы: свободную и связанную воду. В коллоидных системах, к каким относятся пищевые системы на различных технологических стадиях производства, кроме готового продукта, свободная вода соответствует первой фазе механизма взаимодействия воды с коллоидом и представляет собой «межмицеллярную» жидкость, обладающую известными свойствами воды. Связанная вода, особо прочно адсорбированная на поверхности «мицелл», соответствует второй и третьей фазам указанного процесса и отличается рядом особенностей: она труднее испаряется, является плохим растворителем и может находиться под повышенным давлением, обусловленным молекулярным силовым полем, поэтому плотность адсорбционно-связанной воды может несколько увеличиться. Прочное связывание воды иногда увязывают с теорией образования «твёрдого раствора» при «внутримицеллярном» взаимодействии.

Указанная выше упрощённая классификация исходит главным образом из физико-химических свойств воды при различных формах её связи, но не отражает природы их образования.

Классификация форм связи влаги в коллоидных капиллярно-пористых материалах, предложенная П.А. Ребиндером, учитывает как природу образования различных форм, так и энергию связи их с материалами. Согласно классификации П.А. Ребиндера, широко принятой в сушильной технике, все формы связи влаги делятся на три большие группы:

1 – химическая связь;

2 – физико-химическая связь;

3 – физико-механическая связь.

1. Химическая связь влаги в точных количественных соотношениях. Химически связанная вода исключительно прочно связана с сухим материалом и может быть удалена из него только при химическом взаимодействии или при особой интенсивной тепловой обработке (прокаливании). Обычно при сушке химически связанная вода не удаляется.

2. Физико-химическая связь влаги в различных, не строго определённых соотношениях. Этой форме соответствуют различные виды связи влаги, которые рассматриваются ниже.

А. Адсорбционно-связанная влага. Такая влага представляет собой жидкость, удерживаемую силовым полем на внешней и внутренней поверхности «мицелл» – коллоидных частиц с сольватным слоем, а иногда и с двойным слоем ионов, строение которого определяет заряд «мицеллы». Коллоидные материалы (тела) характеризуются весьма значительной дисперсностью частиц, условный радиус которых составляет 0,1–0,001 мкм.

Вследствие такой дисперсности коллоидные тела обладают огромной внутренней поверхностью, следовательно, и значительной свободной поверхностной энергией, за счёт которой происходит адсорбционное связывание воды. Известно, что мерой свободной поверхностной энергии является поверхностное натяжение. Чтобы из молекул, содержащихся в единице объёма тела, образовать 1 см² поверхности, необходимо затратить определённую работу; вся эта работа превращается в избыток свободной поверхностной энергии, которая характеризуется поверхностным

натяжением – σ.

На рис. 1 показана упрощённая схема взаимодействия двух фаз на границе раздела (например, жидкость – пар). Из рис. 1 видно, что молекулы, находящиеся внутри тела, испытывают одинаковое притяжение со стороны всех окружающих молекул, и равнодействующая сил притяжения равна нулю. В то же время молекулы, находящиеся на поверхности тела, в большей или меньшей мере не уравновешены и обладают свободной энергией; за счёт этой энергии притягиваются молекулы другой фазы (граничной среды), у которой связь между молекулами меньше, чем у рассматриваемого тела.

При поглощении воды коллоидным телом выделяется теплота набухания (гидратации) и происходит «сжатие» системы коллоидное тело – вода [7].

Наибольшее количество тепла выделяется при присоединении первого мономолекулярного слоя, который связан наиболее прочно и может находиться под повышенным давлением (в связи с этим происходит «сжатие» системы).

С.М. Липатов доказал термодинамическую аналогию процессов набухания и растворения. Удаление прочно связанной с сухим веществом адсорбционной влаги связано с соответствующей затратой энергии. А.В. Лыков указывает, что для удаления адсорбционной влаги она должна быть превращена в пар, после чего начинается перемещение её к наружной поверхности тела.

Б. Осмотически удержанная влага (влага набухания и структурная влага). К этим видам относится влага, находящаяся в замкнутых ячейках, как поглощённая осмотически сложно построенной мицеллой (теория С.М. Липатова), так и иммобилизационная – структурная влага (теория П.А. Ребиндера), захваченная при формировании геля (застудневании). Эта влага является свободной в том смысле, что ей соответствует весьма малая энергия связи.

По С.М. Липатову, высокомолекулярные соединения состоят из смеси фракций различной молекулярной массы, которые по-разному взаимодействуют с водой: высокомолекулярные фракции нерастворимы в воде, низкомолекулярные – растворимы.

При формировании геля образуется «скелет» из замкнутых клеток, стенки которых состоят из нерастворимых фракций. Растворимая фракция при этом частично попадает внутрь клеток, а частично находится на их внешней поверхности. Так как внутри клеток концентрация растворимой фракции больше, чем вне клеток, то вода проникает внутрь «скелета» путём осмоса, через стенку клеток. Часть влаги попадает внутрь клеток непосредственно при формировании геля. При этом поглощение влаги набухания (в узком смысле этого слова) происходит без выделения тепла и без «сжатия» системы [7]. Осмотически удержанная влага диффундирует внутри тела в виде жидкости через стенки клеток благодаря разности концентраций внутри и вне клеток.

В изложенной выше упрощённой классификации влага набухания, как и адсорбционная влага, называется коллоидно-связанной влагой. Между тем, осмотически удержанная влага по своим свойствам не отличается от обычной воды. Причиной того, что осмотически удержанная вода не растворяет легко растворимые вещества (например, сахар), является невозможность диффузии вещества внутрь замкнутой клетки, в которой находится вода.

3. Физико-механическая связь – удержание воды в неопределённых количествах. Этой связи соответствуют следующие виды влаги.

А. Влага макрокапилляров. Эта часть воды находится в капиллярах (порах), средний радиус которых больше 10⁻⁵ см. Давление пара воды над мениском макрокапилляра почти (с точностью до 1 %) не отличается от давления насыщенного пара над свободной поверхностью воды. Вода заполняет сквозные макрокапилляры только при непосредственном соприкосновении с ними.

Б. Влага микрокапилляров. Эта влага заполняет узкие поры, средний радиус которых меньше 10⁻⁵ см. Жидкость заполняет любые микрокапилляры не только при непосредственном соприкосновении, но и путём сорбции из влажного воздуха. Капиллярная влага представляет собой свободную влагу в том понятии, как это было указано выше. Она перемещается в теле как в виде жидкости (обычно из центральных слоёв тела до зоны испарения), так и в виде пара (от зоны испарения через сухой слой наружу).

Основываясь на исследованиях Н.Н. Федякина и других о зависимости давления пара в микрокапиллярах от их радиуса, А.В. Лыков в согласии с Ю.Л. Кавказовым предлагает свою классификацию капилляров. В качестве основного критерия принят механизм переноса газообразного вещества при нормальном давлении, когда средняя длина свободного пробега молекулы водяного пара имеет порядок λ_l≈10⁻⁵ см.

В микрокапиллярах (r₀<10⁻⁵ см, т.е. r₀< λ_l) перенос газа в основном происходит в виде эффузии (направленное движение одиночных молекул в капиллярах), это так называемое кнудсеновское молекулярное течение. В макрокапиллярах (r₀>10⁻⁵ см, т.е. r₀> λ_l) при такой длине свободного пробега молекулы перенос газообразного вещества происходит в виде обычной диффузии (хаотическое движение молекул).

Ранее считалось, что испарение влаги происходит только с поверхности менисков в капиллярах и что адсорбционные полимолекулярные плёнки на стенках капилляров малоподвижны; поэтому их течение не влияет на процесс испарения в дисперсных системах. Н.В. Чураев на основании изучения испарения воды из кварцевых капилляров приходит к выводу, что свойства полимолекулярных слоёв воды в тонких капиллярах отличаются от свойств воды в объёме и изотермы адсорбции в кварцевых капиллярах также имеют характерные отличия от изотерм для плёнок, находящихся на плоской поверхности стекла. Поэтому ряд исследователей (Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, С.В. Нерпин и др.) считают, что плёночное течение интенсифицирует массообмен, который протекает не только в газовой (паровой) фазе над поверхностью мениска жидкости, но и в жидкой плёнке, которая по мере углубления мениска в процессе испарения остаётся на поверхности стенок капилляра. При этом роль плёночного переноса возрастает при приближении к 1 (p_п – давление водяного пара над мениском; p_н – давление насыщенного водяного пара). Соотношение принято считать показателем «активности воды» [7].

Очевидно, указанное явление играет роль, если глубина расположения зоны испарения будет больше диаметра капилляра. Кроме того, следует учесть, что при технологической обработке пищевого продукта может изменяться профиль капилляров (например, в процессе конвективной сушки происходит сокращение геометрических размеров тела) [7].