Hoạt độ nước trong thực phẩm (aw)

1/ Giới thiệu

Nước là thành phần phong phú nhất của thực phẩm và quan trọng nhất trong vấn đề an toàn thực phẩm. Sự hiện diện, số lượng và tính chất của nó quyết định nhiều quá trình hóa học và sinh hóa quan trọng đối với việc kiểm soát an toàn và chất lượng sản phẩm.
Trong nhiều hồ sơ HACCP, nước thường được gọi là tham số nội tại yêu cầu trong an toàn sản phẩm và trong khi hầu hết chúng ta hiểu tầm quan trọng của nó, chúng ta thường không hiểu lý do tại sao. Hiểu rõ hơn về nước, và trong cụ thể hoạt độ nước (aw), có thể hỗ trợ trong việc phát triển các kế hoạch an toàn thực phẩm được hỗ trợ mạnh mẽ và khoa học.
2 Cấu trúc của nước
Cấu trúc hóa học của nước là H2O. Nó không tồn tại trong một hình thức hoàn toàn thuần khiết trong tự nhiên do tính chất hóa học của nó. Một phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hydro liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử oxy duy nhất. Nó thường xảy ra ở cả ba trạng thái, ví dụ như chất lỏng, rắn và khí.

3. Nước Trong Thực Phẩm
Nước trong thực phẩm là một thông số quan trọng trong lĩnh vực khoa học và an toàn thực phẩm. Do vai trò độc đáo của nó trong các phản ứng hóa học và sinh hóa khác nhau trong một ma trận thực phẩm, sự hiểu biết về nước là rất quan trọng.
3.1 Nước và an toàn thực phẩm
Một trong những hình thức bảo quản lâu đời nhất của thực phẩm là sấy khô hoặc khử nước. Khi lần đầu tiên áp dụng có rất ít sự hiểu biết về lý do tại sao loại bỏ độ ẩm từ thực phẩm có tác dụng kéo dài thời hạn sử dụng của nó.
Bảng trên trang sau đây cho thấy hàm lượng nước điển hình của một số loại sản phẩm và thực phẩm nhất định:

Theo thời gian, một sự hiểu biết nổi lên và ngày nay chúng ta có một sự hiểu biết khoa học vững chắc về cách tác động của nước đến chất lượng và an toàn của sản phẩm. Bây giờ chúng ta biết rằng hàm lượng nước ít quan trọng hơn hành vi cụ thể của nước hay còn gọi "Hoạt độ nước". Hoạt độ nước liên quan đến hàm lượng nước trong mối quan hệ phi tuyến tính được biểu diễn bằng cách sử dụng đường cong đẳng nhiệt hấp phụ độ ẩm.
3.2 Hoạt độ nước (aw)
Đây là thông số quan trọng nhất của nước về mặt an toàn thực phẩm. Hoạt độ nước hoặc aw là áp suất hơi một phần của nước trong vật chất chia cho áp suất hơi một phần của trạng thái chuẩn của nước. Trong lĩnh vực khoa học thực phẩm, trạng thái chuẩn thường được định nghĩa là áp suất hơi một phần của nước tinh khiết ở cùng một nhiệt độ. Sử dụng định nghĩa đặc biệt này, nước cất tinh khiết có hoạt độ nước chính xác là 1.
Để hiểu rõ hơn về điều này, chúng ta phải nhận ra rằng phần lớn nước trong thực phẩm là nước bị ràng buộc, tức là gắn với các ion như nước hydrat hóa, hoặc bị ràng buộc với các bề mặt của các cấu trúc phân tử hoặc tế bào lớn. Nước này không tự do để hỗ trợ sự tăng trưởng của vi sinh vật, hoặc tham gia hoặc hỗ trợ các phản ứng hóa học hoặc enzyme và các quá trình hư hỏng. Tổng lượng nước bị ràng buộc trong thực phẩm không liên quan đến sự ổn định của thực phẩm.
Nước tự do hoặc có sẵn trong thực phẩm hỗ trợ sự tăng trưởng của vi sinh vật, tham gia và hỗ trợ các phản ứng hóa học và enzyme và các quá trình hư hỏng. Đó là lượng nước tự do được gọi là hoạt độ của nước, aw và quan trọng hơn đối với tính ổn định của thực phẩm, hóa chất và vi sinh vật, so với tổng hàm lượng nước.
Các yếu tố làm giảm tính linh động của nước trong thực phẩm cũng làm giảm xu hướng bốc hơi và áp suất hơi của nó và điều này cung cấp một phương tiện xác định và đo lường nó.
Vì vậy, chúng ta thường có thể xác định hoạt độ nước (aw) như một dấu hiệu của lượng nước tự do trong thực phẩm.
Cụ thể Hoạt độ nước (aw) là:
= Cân bằng áp suất bay hơi thực tế (v.p.) của không gian- trên thực phẩm
Cân bằng áp suất bay hơi (v.p.) nước tinh khiết ở cùng nhiệt độ
Ngoài ra, chúng ta có thể định nghĩa nó bằng cách sử dụng độ ẩm tương đối (RH):
= áp suất bay hơi thực tế (v.p.) hơi nước trong không khí x 100
Cân bằng ápsuất bay hơi( v.p.)  nước tinh khiết ở cùng nhiệt độ
Hoạt độ  nước
= Độ ẩm tương đối của không  gian trên thực phẩm / 100
Giải pháp lý tưởng có thể được viết là:
aw = p/p0 = %ERH/100
 
3.3 Ảnh hưởng của việc giảm aw đến an toàn thực phẩm
Tốc độ của một số quá trình hóa học và hóa sinh nhất định được thực hiện bởi lượng nước có sẵn. Một trong những tác động của việc giảm aw trong sản phẩm thực phẩm là giảm tỷ lệ phản ứng này. Trường hợp ngoại lệ là quá trình oxy hóa chất béo trong đó tỷ lệ giảm xuống 0,4 đến 0,5, sau đó tăng lên.
Một hiệu ứng phản ứng hóa học khác là Maillard Browning, tối đa là 0,6-0,7. Hầu hết các enzym bị bất hoạt ở <0,85. Ít hơn 0,75 tăng trưởng vi khuẩn bị ức chế nhưng một số nấm men và nấm mốc có thể phát triển. Ít hơn 0,6 tất cả tăng trưởng bị ức chế. Về mặt dinh dưỡng, giảm aw làm giảm tổn thất vitamin C, E, B1. Bảng sau đây cho biết aw của một số loại thực phẩm.

Bảng: Giá trị hoạt độ nước của thực phẩm Nhìn chung, vi khuẩn cần cao hơn
giá trị của aw cho sự phát triển nấm hơn, với vi khuẩn gram âm có yêu cầu cao hơn gram dương.

Bảng (ở trên): Giá trị aw tối thiểu cho sự phát triển của các nhóm vi sinh vật trong thực phẩm
Bảng: Giá trị aw tối thiểu cho sự phát triển của vi sinh vật cụ thể trong thực phẩm

3.4 để giảm aw
Giảm aw của một sản phẩm thực phẩm có thể đạt được thông qua một số phương pháp. Rõ ràng nhất là bằng cách loại bỏ một phần nước trong sản phẩm thực phẩm bằng cách sử dụng một loạt các hoạt động hoặc quy trình đơn vị. Nồng độ của nước cũng có thể được giảm bằng cách bổ sung các chất khác bao gồm muối và đường. Nhiều phương pháp này đã được sử dụng từ lâu trước khi khái niệm về hoạt độ của nước được hiểu.
4. Đo hàm lượng nước và aw
4.1 Mối quan hệ giữa hoạt độ nước và nước
Thường có sự nhầm lẫn giữa hoạt độ nước và đo hàm lượng nước. Trong nhiều lĩnh vực, hàm lượng nước được sử dụng để kiểm soát lượng nước có mặt trong một sản phẩm vì lý do định lượng.
Ví dụ, khi một sản phẩm được bán theo trọng lượng, việc kiểm soát hàm lượng nước của nó có thể quan trọng để đáp ứng các yêu cầu pháp lý và thương mại. Hoạt độ của nước là quan trọng hơn đối với các cân nhắc định tính như độ ổn định của sản phẩm, thời hạn sử dụng (ví dụ tính ổn định vi sinh và enzym, giữ mùi), đặc tính xử lý, tính chất vật lý và tính ổn định hóa học.
Hoạt độ nước và hàm lượng nước có thể liên quan bằng đồ thị gọi là Isotherm Sorption (xem sơ đồ), vì vậy nếu người dùng có khả năng đo cả hai tham số, mối quan hệ có thể được xác định và mỗi tham số bắt nguồn từ nhau (nội suy).
Trong thực tế, đẳng nhiệt hấp phụ có thể không thực tế bởi vì, mối quan hệ giữa Aw và độ ẩm không thay đổi theo nhiệt độ đo lường, mà còn bất kỳ sự thay đổi nào trong thành phần vật liệu có tác dụng thay đổi.
Do đó, công ty nên quyết định thông số đo lường nào là tốt nhất phù hợp với sản phẩm và quy trình của họ. Đối với mục đích kiểm soát chất lượng, giới hạn hàm lượng hơi nước được chuyển đổi dễ dàng thành giới hạn hoạt độ của nước bằng các phép thử so sánh rất đơn giản. Đo lường hoạt độ nước cung cấp một phép đo không phá hủy, dễ sử dụng trong một loạt các cấu hình thuận tiện cho cả phòng thí nghiệm và sử dụng tại chỗ.
4.2 Phân tích hàm lượng nước
Phương pháp trọng lượng
Hàm lượng nước có thể được đo bằng thực phẩm bằng một số phương pháp. Cơ bản nhất trong số này là các phương pháp trọng lượng. Điều này liên quan đến việc sấy khô một lượng sản phẩm thực phẩm đã biết trong lò cho đến khi tất cả hơi ẩm bị bốc hơi. Bằng cách đo hàm lượng chất khô còn lại, hàm lượng nước có thể được xác định. Một tủ sấy chân không có thể được sử dụng cho các loại thực phẩm nhạy cảm với nhiệt.
Chuẩn độ Karl Fischer 
Một phương pháp tinh vi hơn để phân tích hàm lượng nước là Chuẩn độ Karl Fisher. Chuẩn độ Karl Fisher đặc biệt thích nghi với các sản phẩm thực phẩm cho thấy kết quả thất thường khi làm nóng hoặc bị hút chân không, ví dụ như các loại thực phẩm có độ ẩm thấp như trái cây và rau khô, kẹo, sôcôla, cà phê rang, dầu và chất béo. đường hoặc protein. Phương pháp này dựa trên phản ứng cơ bản được mô tả bởi Bunsen năm 1853 liên quan đến việc giảm Iodine của SO2 khi có nước.
2H2O + SO2 + I2 → C5H2SO4 + 2HI
Điều này đã được sửa đổi để bao gồm methanol và pyridin trong một hệ thống bốn thành phần để hòa tan Iodine và SO2. Đối với mỗi mol nước, 1 mol iốt, 1 mol SO 2, 3 mol pyridin và 1 mol metanol được sử dụng.
Trong phép chuẩn độ, nếu mẫu chứa nước được chuẩn độ bằng thuốc thử KF, thì iốt
được tiêu thụ trong khi có nước trong hệ thống. Khi không còn nước thì i-ốt tự do xuất hiện và có thể được phát hiện bằng cách sử dụng hai điện cực bạch kim nhúng chìm trong dung dịch được chuẩn độ.
Khi nước được chuẩn độ, điện áp của các điện cực gần như bằng không. Và nơi có lượng i-ốt dư thừa (tất cả nước đã được tiêu thụ) có thể đo được dòng điện.
4.3 Phân tích hoạt độ nước
Một số phương pháp có thể được sử dụng để đo hoạt độ nước bao gồm điện giải, điện dung hoặc máy đo độ ẩm điểm sương.
Máy đo độ ẩm điện giải(Resistive electrolytic)
Ẩm kế điện điện giải sử dụng một phần tử cảm biến dưới dạng chất điện phân lỏng được giữ giữa hai thanh thủy tinh nhỏ bằng lực mao dẫn. Chất điện phân thay đổi điện trở nếu nó hấp thụ hoặc mất hơi nước.
Điện trở tỷ lệ thuận với độ ẩm tương đối không khí, và đối với hoạt độ nước của mẫu (khi đã thiết lập cân bằng hơi - chất lỏng). Mối quan hệ này có thể được kiểm tra bằng cách xác minh hoặc hiệu chuẩn sử dụng hỗn hợp nước muối, cung cấp độ ẩm không khí được xác định và tái tạo trong buồng đo.
Cảm biến không có bất kỳ độ trễ nào về mặt vật lý như nó được biết đến từ các máy đo độ ẩm và cảm biến điện dung, và không yêu cầu làm sạch thường xuyên vì bề mặt của nó không phải là yếu tố cảm biến hiệu quả.
Về mặt nguyên tắc, các chất bay hơi ảnh hưởng đến hiệu suất đo - đặc biệt là các chất phân ly trong chất điện phân và do đó thay đổi sức đề kháng của nó. Những ảnh hưởng như vậy có thể dễ dàng tránh được bằng cách sử dụng các bộ lọc bảo vệ hóa học hấp thụ các hợp chất dễ bay hơi trước khi đến cảm biến.
Độ ẩm điện dung
ẩm kế điện dung bao gồm hai tấm tính cách nhau bởi một màng điện môi bằng polymer. Khi màng hấp thụ nước, khả năng giữ điện tích tăng và điện dung được đo.
Giá trị này là tỷ lệ thuận với hoạt độ của nước được xác định bởi hiệu chuẩn của cảm biến cụ thể. ẩm kế điện dung không bị ảnh hưởng bởi hầu hết các hóa chất dễ bay hơi và có thể nhỏ hơn nhiều so với các cảm biến thay thế khác.
Họ không yêu cầu làm sạch, nhưng ít chính xác hơn so với ẩm kế điểm sương (+/- 0,015 aw). Họ cần phải kiểm tra hiệu chuẩn thường xuyên và có thể bị ảnh hưởng bởi nước dư trong màng polyme (độ trễ).
Ẩm kế Điểm sương
Nhiệt độ mà sương hình thành trên một bề mặt sạch sẽ liên quan trực tiếp đến áp suất hơi của không khí. Thiết bị đo độ ẩm điểm sương hoạt động bằng cách đặt một tấm gương lên buồng mẫu kín.
Gương được làm lạnh cho đến khi nhiệt độ điểm sương được đo bằng cảm biến quang học. Nhiệt độ này sau đó được sử dụng để tìm độ ẩm tương đối của buồng sử dụng biểu đồ số liệu độ ẩm.
Phương pháp này về mặt lý thuyết là chính xác nhất (+/- 0,003 aw) và thường là nhanh nhất. Cảm biến yêu cầu vệ sinh nếu các mảnh vụn tích tụ trên gương.
4.4 Hoạt độ nước như một CCP
Hoạt độ của nước thường được sử dụng như một điểm kiểm soát quan trọng cho các chương trình Phân tích mối nguy và Điểm kiểm soát tới hạn (HACCP). Các mẫu sản phẩm thực phẩm có thể được kiểm tra để đảm bảo các giá trị hoạt độ của nước nằm trong phạm vi chỉ định về chất lượng và an toàn thực phẩm.
Các phép đo có thể được thực hiện trong ít nhất là năm phút, và được thực hiện thường xuyên trong hầu hết các cơ sở sản xuất thực phẩm lớn.