Ứng dụng của hoạt độ nước Cách xác định Aw

 Đối với những sản phẩm có hàm ẩm thấp và trung bình thì các quá trình phi sinh học như sự oxy hóa và sự sẫm màu rất thường xảy ra tốc độ của các quá trình này phụ thuộc mạnh vào hoạt đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BÔ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

  

BÀI TẬP MÔN HÓA HỌC THỰC PHẨM

ỨNG DỤNG CỦA HOẠT ĐỘ NƯỚC

Nhóm SVTH : Lớp CN – Thực Phẩm 2008

GVHD: ThS TÔN NỮ MINH NGUYỆT

Thành phố Hồ Chí Minh, 2009

MỤC LỤC

I Hoạt độ nước 5

II Cách xác định hoạt độ nước 6

II.1 Phương pháp xác định hoạt độ nước 6

II.2 Các phương pháp điều chỉnh hoạt độ nước 7

III Ứng dụng hoạt độ nước 8

III.1 Ảnh hưởng hoạt độ của nước đến tính chất , biến đổi và chất lượng của các sản phẩm thực phẩm 8

III.2 Ứng dụng của hoạt độ nước đến cấu trúc và trạng thái của sản phẩm thực phẩm .15

DANH MỤC BẢNG Bảng I.1 Hoạt độ nước gần đúng của một số loại thực phẩm 5

Bảng II.1 Giá trị hoạt độ nước (ở 25oC) của dung dịch muối bão hòa 8

Bảng II.2 Độ ẩm tương đối nhận được từ dung dịch H2SO4 8

Bảng III.1 Ảnh hưởng của hoạt độ nước đến vi sinh vật 13

DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình II.1 Đường biểu diễn hàm nước (g/100g chất khô) 6

Hình II.2 Máy đo hoạt độ nước 6

Hình III.1 Hoạt độ nước 9

Hình III.2 Ảnh hưởng của hoạt độ nước đến vi sinh vật 14

I Hoạt độ nước

 Nước là thành phần không thể thiếu để vi sinh vật có thể sinh trưởng Chức năng sinh lý của nước trong tế bào:

• Hoà tan và chuyển vận các chất, hỗ trợ cho việc hấp thu chất dinh dưỡng, giải phóng các sản phẩm trao đổi chất

• Tham gia vào hàng loạt các phản ứng hóa học trong tế bào

• Duy trì cấu hình thiên nhiên ổn định của các đại phân tử như protein, acid nucleic

• Là thể dẫn nhiệt tốt, hấp thu tốt nhiệt lượng sinh ra trong quá trình trao đổi chất và khuếch tán kịp thời ra bên ngoài để duy trì sự ổn định của nhiệt độ bên trong tế bào

• Duy trì hình thái bình thường của tế bào

• Thông qua quá trình thuỷ phân hay khử nước để khống chế kết cấu của tế bào (enzyme, vi ống, tiên mao ) và sự tháo lắp ở virút

 Hoạt độ nước là gì?

• Tính hữu hiệu của nước đối với sự sinh trưởng của vi sinh vật thường được biểu

thị bằng độ hoạt động (hoạt độ) của nước (water activity, aw) Là tỷ lệ giữa áp

suất hơi nước của dung dịch trong những điều kiện nhiệt độ nhất định với áp suất hơi nước của dung môi thuần khiết trong cùng điều kiện như vậy:

aw = P / Po

Với P – áp suất hơi bão hòa của dung dịch; Po – áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất ở cùng nhiệt độ

• Hoạt độ nước nguyên chất theo qui ước là bằng đơn vị

• Hoạt độ nước của một dung dịch hay một thực phẩm luôn nhỏ hơn 1

0.95 Trái cây tươi, thịt, sữa 0.95-9 Pho mát

0.9-0.85 Bơ thực vật 0.85-0.8 Thịt muối 0.8-0.75 Mứt 0.75-0.65 Hạt 0.65-0.60 Mật ong

0.2 Rau khô, bánh qui

Bảng I.1 Hoạt đô nước gần đúng của môt số loại thực phẩm

II Cách xác định hoạt độ nước:

Hoạt độ nước aw là độ ẩm tương đối cân bằng, đó là độ ẩm tương đối của sán phẩm ở điểm chúng không nhận nước và mất nước

II 1 Phương pháp xác định hoạt độ nước:

II.1.1 Phương pháp nội suy:

 Để mẫu vật có trọng lượng nhất định trong các bình có độ ẩm tương đối khác nhau Sau 2-4 giờ, cân mẫu vật ở các bình đó Từ đây biết được trọng lượng nước mất đi hay nhận vào ở mỗi mẫu ( tính ra gam trên 100g chất khô) Vẽ đồ thị y = f(aw) Đường biểu diễn sẽ cắt trục x tại một điểm: điểm đó là aw của vật phẩm

 Người ta thường dùng các dung dịch muối bão hòa hoặc dung dịch muối bão hòa hoặc dung dịch axit sulfuric có nồng độ nhất định để thu được aw chuẩn (hoặc độ ẩm tương đối

= aw .100)

Hình II.1 Đường biểu diễn hàm nước (g/100g chất khô) [1]

II.1.2 Ngoài ra, ngày nay người ta còn dùng nhiều phương pháp hiện đại để xác định

hoạt độ nước, như máy đo hoạt tính nước với thang đo hoạt độ nước: 0,03 ~ 1,00 aw, độ chính xác 0,003 aw, thời gian đo tối đa là 5 phút

Hình II.2 Máy đo hoạt độ nước [2]

II.2 Các phương pháp điều chỉnh hoạt độ nước:

 Cho dòng không khí trực tiếp qua thực phẩm để điều chỉnh aw của thực phẩm Độ ẩm tương đối mong muốn của dòng khí có thể thu được bằng cách pha trộn dòng không khí

ẩm và dòng không khí khô qua dung dịch H2SO4 có aw đã biết hoặc qua dung dịch muối bão hòa có aw đã biết

 Các dung dịch muối bão hòa nguồn hữu cơ hoặc vô cơ thường đươc dùng trong phòng thí nghiệm để thu được aw mong muốn Các dung dịch này có thể điều chỉnh aw trong dòng khí, làm dung dịch chuẩn để khắc các dụng cụ đo aw hoặc để làm dung dịch cân bằng cho các mẫu thực phẩm nhỏ

Trong trường hợp này tốc độ cân bằng rất chậm nên có thể tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển, nhất là khi thực phẩm có aw > 0,7 Hỗn hợp các muối bão hòa thường tạo dung dịch có aw thấp hơn các dung dịch muối đơn

Ví dụ: Hỗn hợp dung dịch NaCl bão hòa có aw = 0,715, dung dịch KCl bão hòa (aw = 0,850) theo tỉ lệ 1:1 sẽ tạo được aw = 0,715 Chú ý là hai muối phải có cùng cation hoặc anion

 aw của một thực phẩm có thể được điều chỉnh bằng cách thêm các hợp phần hoặc những phụ gia có aw khác nhau

Ví dụ: thêm muối NaCl vào thực phẩm

• Một thực phẩm phải được cân bằng nội tại trong quá trình gia công và bảo quản tiếp sau Nếu tình trạng xảy ra chậm thì sẽ tạo điều kiện cho sinh vật phát triển hoặc những hư hỏng khác có thể xảy ra trước khi aw đạt đến mức có thể ức chế những sự thay đổi đó

 Phương pháp gia công: Với sản phẩm khô thì bằng cách đóng bánh để phân phối lại ẩrm

Có thể “gia nước” vào sản phẩm thực phẩm khô bằng cách thăng hoa từ nước đá

 Glucoza, glyxxerin, propylenglycol là những chất thường được dùng để hạ thấp aw trong thực phẩm Fructoza, mantoza cũng được dùng nhưng hạn chế

NaCl, glucoza là chất làm ẩm được sử dụng rộng rãi

Propylenglycol có tính chất kháng vi sinh vật nên cũng là chất làm ẩm thực phẩm rất tốt

Dung dịch muối bão

hòa (Washburn 1926)aw (Rockland 1960)aw (Weat 1972-1973)aw LiCl.H2O

KC2H3O2 (axetat)

MgCl2.6H2O

K2CO3

Mg(NO3)2.H2O

NaCl

(NH4)2SO4

CdCl2

Li2SO4

K2CrO4

Na2HPO4

K2SO4

0,15 0,2 0,33 -0,55 0,76 0,81 -0,88 0,95 0,97

0,12 0,23 0,33 0,44 0,52 0,75 0,79 0,82 0,85 0,88 0,98 0,97

0,15 0,2 -0,44 0,52 -0,81 -0,88 0,95

-Bảng II.1 Giá trị hoạt độ nước (ở 25oC) của dung dịch muối bão hòa [1]

Đô ẩm tương đối

(aw.100)%

H2SO4.% trọng lượng

10

25

35

50

65

75

90

63,1 54,3 49,4 42,1 34,8 29,4 17,8

64,8 55,9 50,9 43,4 36 30,4 18,5

66,6 57,5 52,5 44,8 37,1 31,4 19,2

68,3 59 54 46,2 38,3 32,4 20,4

Bảng II.2 Độ ẩm tương đối nhận được từ dung dịch H2SO4 [1]

III Ứng dụng của hoạt độ nước:

III.1 Ảnh hưởng hoạt độ của nước đến tính chất , biến đổi và chất lượng của các sản phẩm thực phẩm:

 Cường độ hư hỏng của dạng sản phẩm này hay dạng sản phẩm khác là do một loạt các yếu tố bên trong và bên ngoài mà trước hết là do hoạt độ nước của sản phẩm quyết định

Hình III.1 Hoạt độ nước.

 Nhìn chung với các sản phẩm có hoạt độ nước cao thì quá trình sinh học chiếm ưu thế Tuy nhiên trong những sản phẩm có hàm lượng lipit nhiều thì ngay cả khi có aw

cao thì quá trình phi sinh học (oxy hóa) vẫn trội hơn

 Đối với những sản phẩm có hàm ẩm thấp và trung bình thì các quá trình phi sinh học như sự oxy hóa và sự sẫm màu rất thường xảy ra tốc độ của các quá trình này phụ thuộc mạnh vào hoạt độ nước

III.1.1 Ảnh hưởng hoạt độ nước đến phản ứng oxy hóa chất béo

 Lipit có trong thành phần sản phẩm thực phẩm, so với những hợp phần hóa học khác thường kém bền vững nhất đối với tác động của oxy trong khí quyển Sản phẩm trung gian quan trọng của quá trình oxy hóa chất béo là hydroperoxit (RCOOH):

Từ RCOOH sẽ tạo ra các sản phẩm vật khác nhau làm ành hưởng đến chất lượng sản phẩm

 Khi hoạt độ nước thấp sự oxy hóa chất béo diễn ra mạnh mẽ, cùng với sự tăng hoạt độ của nước thì cường độ oxy hóa lại bị giảm và khi aw=0,3 thì cường độ oxy hóa là cực tiểu, sau đó cường độ oxy hóa lại bắt đầu tăng cho đến khi aw=0,7 thì Các sản phẩm chứa chất béo ở dạng khan (hàm ẩm thấp) chất béo thường được phân bố ở bề mặt các

vi lỗ Oxy có thể xâm nhập tự do vào đây, do đó sự oxy hóa chất béo xảy ra dễ dàng ngay cả khi áp suất của oxy bên ngoài thấp Trong điều kiện này nếu có một lượng nước nhỏ trong sản phẩm sẽ kiềm hãm một cách đáng kể quá trình oxy hóa Tác dụng kiềm hãm của nước đối với sự oxy hóa lipit có lẽ do tạo ra lớp nước hấp thụ bảo vệ bề mặt sản phẩm do đó hạn chế được sự xâm nhập của oxy khí quyển Nhìn chung hiệu ứng bảo vệ của nước ở trong khoảng aw= 0,05-0,3 Khi tăng hoạt độ của nước thì tốc

độ oxy hóa tăng do tăng độ linh động của các chất phản ứng ở trong vùng hấp thụ đa tầng và vùng ngưng tụ

 Cơ chế kiềm hãm quá trình oxy hóa chất béo là do khi RCOOH tạo ra trong quá trình oxy hóa sẽ được liên kết với nước qua cầu hydro Thông thường RCOOH sẽ bị phân hủy để tạo ra hai gốc tự do RO. và .OH Tốc độ phân mạch oxy hóa này sẽ tăng lên chỉ khi có nồng độ RCOOH khá cao khi có mặt một hàm ẩm nhất định thì thời gian của chu kỳ cảm ứng bị kéo dài và lượng RCOOH tự do ở giai đoạn này sẽ thấp do tạo ra liên kết hidro giữa nước và hydroperoxyt khiến cho sự phân giải hợp chất này bị chậm lại Tác dụng kiềm hãm của nước còn quan hệ với việc nước làm vô hoạt các hợp chất chứa kim loại có hoạt tính xúc tác Trong trường hợp này nước đóng vai trò tác nhân tạo phức với các ion kim loại có hóa trị thay đổi nhờ đó mà ổn định một trong các trạng thái hóa trị của chúng

 Kết quả là phản ứng trao đổi điện tử của kim loại bị ức chế và tác dụng xúc tác phản ứng oxy hóa cũng không còn nữa Tác dụng kiềm hãm của nước đối với kim loại thể hiện trong vùng có aw = 0-0,5 Khi aw lớn hơn 0,5 sự oxy hóa tăng lên do ở mức ẩm này các kim loại khuyếch tán dễ dàng hơn đến các miền oxy hóa Ở hoạt độ của nước rất cao sự oxy hóa có thể bị chậm lại là do nồng độ các kim loại bị pha loãng

III.1.2 Hoạt độ nước ảnh hưởng đến phản ứng sẫm màu phi enzyme

 Sẫm màu là một trong các dạng hư hỏng của sản phẩm thực phẩm Sự sẫm màu là do phản ứng caramen hóa, phản ứng melanoidin, phản ứng giữa sản phẩm của quá trình oxy hóa lipit với protein,… Thông thường các sắc tố có màu sẫm sẽ được tạo ra ở các sản phẩm có hàm ẩm thấp hoặc trung bình khi aw>0,5

 Chẳng hạn phản ứng melanoidin sẽ tăng mạnh khi aw = 0,5-0,75 và đạt cực đại ở 0,75 Phản ứng casein - glucoza người ta thấy lượng nitơ bị mất nhiều nhất khi aw = 0,65-0,7 tại nhiệt độ 37oC, 70oC, 90oC

 Sự tăng tốc độ sẫm màu khi aw=0,65-0,7 là do thiết lập nên lớp kép của các phân tử nước giữa các lớp mỏng protein kết quả là các nhóm có cực của protein lộ ra ngoài và trở thành bão hòa nước, các phân tử protein sẽ tăng độ linh động và tăng khả năng sắp xếp trong nội phân tử và giữa các phân tử nghĩa là tăng khả năng phản ứng Nếu hoạt

độ của nước trên 0,7 thì cường độ phản ứng giảm do nồng độ các chất bị giảm xuống Tốc độ sẽ cực đại khi aw=0,75 tương ứng với nống độ cực đại các chất tác dụng ở trạng thái hòa tan

 Ngoài ra nước còn rút ngắn chu kì cảm ứng của phân tử melanoidin Ở thời kì cảm ứng khi có độ ẩm thấp sẽ tạo ra các hợp chất trung gian hòa tan được trong nước và sau này sẽ tương tác với các cấu tử có khả năng phản ứng khác của các sản phẩm thực phẩm

 Một yếu tố khác rất quan trọng có quan hệ với hoạt độ của nước là ảnh hưởng của nhiệt độ Năng lượng hoạt hóa của các phản ứng sẫm màu phi enzyme sẽ tăng lên dần dần cùng với sự giảm aw do đó phản ứng sẽ bị chậm lại khi ở aw thấp

 Các thực phẩm có độ ẩm trung gian thường có aw=0,6-0,8 là môi trường thuận lợi cho phản ứng làm sẫm màu Có thể làm giảm phản ứng sẫm màu trong sản phẩm có độ ẩm trung gian bằng cách dùng glixerin như là chất làm ẩm khi dùng glixerin có thể làm giảm aw từ 0,65-0,75 còn 0,4-0,5

 Ở các sản phẩm thực vật và quả, phản ứng làm sẫm màu xảy ra cực đại ở aw= 0,65-0,75, còn ở các sản phẩm thịt là 0,3-0,6 và các sản phẩm sữa khô là 0,7

 Các sản phẩm có độ ẩm trung bình sẽ bảo quản tốt nhất khi aw vượt quá điểm đặc trưng cho tốc độ sẫm màu cực đại nhưng chưa đạt được giá trị bắt đầu gây hư hỏng do

vi sinh vật Tuy nhiên trong điều kiện đó có thể xảy ra các quá trình oxy hóa làm khó khăn cho việc dự đoán mức độ hư hỏng vốn dĩ là hàm số của hàm ẩm

Ví dụ: Trong thực phẩm có hàm ẩm trung bình nước sẽ đóng vai trò là chất kiềm hãm phản

ứng oxy hóa lipit nhưng lại làm oxy hóa protein vì lúc này nước sẽ làm trương nở protein

III.1.3 Ảnh hưởng của hoạt độ nước đến phản ứng enzyme trong các sản phẩm thực phẩm

Nước có vai trò làm tăng tính linh động của cơ chất và sản phẩm phản ứng

 Trong các phản ứng thủy phân bởi enzim thì nước tham gia tích cực Lượng nước được sử dụng phụ thuộc vào lượng và bản chất cơ chất, enzyme

 Các sản phẩm thực phẩm có hàm ẩm thấp có giá trị aw nằm dưới điểm uốn của vùng đơn tầng thì hoạt động của enzyme là cực bé hoặc coi như không có vì nước tự do chưa đủ để thực hiện phản ứng

 Các sản phẩm thực phẩm có độ ẩm trung bình thì phản ứng enzyme là do hoạt độ nước quyết định Lúc này các yếu tố như dạng thức thuận lợi của nước, khả năng hòa tan các chất khô của nước và khả năng đưa chất khô tới tâm hoạt động của enzyme sẽ

có vai trò quyết định

 Các phản ứng enzyme chỉ có khả năng tiến hành trong nước di động tự do vì thế lúc khởi đầu hoạt động enzyme cũng trùng với lúc khởi đầu của ngưng tụ ẩm ở mao quản trong sản phẩm vì nước di động tự do là dung môi của cơ chất và cũng là điều kiện cấn thiết cho cơ chất tiếp xúc được với enzyme

 Hoạt động của phản ứng enzyme thường xuất hiện khi aw>0,45

 Tốc độ của quá trình enzyme trong các sản phẩm thực phẩm dược quyết định bởi các yếu tố chủ yếu sau:

• Sự phân bố các chất tham gia phản ứng ở trong sản phẩm

• Độ linh động của cơ chất do trạng thái tập hợp và cấu trúc của sản phẩm quyết định

• Hoạt độ nước và nhiệt độ

 Trong các sản phẩm có hàm ẩm thấp và trung bình thì quá trình thủy phân là chủ yếu và thường xảy ra Hoạt độ enzyme của quá trình này do hoạt độ của nước quyết định Do đó khi đề ra điều kiện bảo quản tố ưu sản phẩm có độ ẩm trung bình, thấp thì cần phải tính đến hoạt độ của nước Hoạt độ của nước phải thấp hơn điểm lên dốc của đường đẳng nhiệt hấp thụ

 Cũng vì lý do đó khi xử lý nhiệt các enzyme ở trong sản phẩm có hàm

ẩm thấp sẽ bị vô hoạt với mức độ bé hơn là khi ở trong sản phẩm có hàm ẩm cao vì trong sản phẩm khô khung protein của enzyme bị biến tính chậm hơn ở trong sản phẩm ướt rất nhiều

Độ bền enzyme

 Với chế phẩm rắn không thành vấn đề nhưng với chế phẩm lỏng thì độ bền là việc cần phải lưu ý Thông thường để ổn định các chế phẩm này có thể thêm các hợp chất như NaCl, glycerin, propylenglycol là những chất có khả năng lấy nước đi, làm giảm aw do

đó làm tăng độ bền của enzyme Các enzyme ở thực phẩm có thể giữ được hoạt độ lâu dài nếu được để ở pH gần trung tính, ở nhiệt độ vừa phải hoặc nhiệt độ thấp và ở độ

ẩm thấp Điều kiện sau cùng này không những sẽ làm cho enzyme chậm biến tính mà còn ngăn chặn được sự phát triển của vi sinh vật có thể làm biến dổi enzyme Trong

đa số trường hợp khi aw nhỏ hơn hoặc bằng 0,3 sẽ ngăn chặn được quá trình trên, bảo

vệ được hoạt độ ban đầu của enzyme

 Độ bền nhiệt của enzyme ở các độ ẩm khác nhau quan trọng hơn là độ bền của chế phẩm enzyme có thời gian bảo quản ở nhiệt độ bình thường được dài hơn

 Thông thường người ta có thể dùng sorbitol 70% để làm cho α- amilaza và proteaza kiềm tính bền chịu được sự biến tính ở nhiệt độ 80 Dung dịch glycerin 70%, glucoza 70%, sacaroza 70% cũng có tác dụng ngăn chặn được sự vô hoạt bằng nhiệt độ của proteaza

 Các chế phẩm làm mềm thịt dạng lỏng thường chứa papain thì được ổn định bằng cách thêm muối, propylenglycol và glucoza Hoạt độ nước của chế phẩm này là từ 0,6-0,8 Dùng glycerin nồng độ cao (40-80%) để ổn định các chế phẩm enzyme proteaza dạng lỏng

III.1.4 Ảnh hưởng hoạt dộ của nước đến sự phát triển vi sinh vật

 Sự phát triển vi sinh vật có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng của thực phẩm hoặc là góp phần bảo quản thực phẩm hoặc là làm hỏng thực phẩm