Активность воды как фактор стабильности комплексных пищевых добавок

В современной индустрии, будь то пищевая, фармацевтическая, косметическая или химическая промышленность, большое распространение получили компоненты с низким содержанием влаги. Это связано с простотой и эффективностью использования, высокой концентрацией вкуса, длительными сроками хранения, повышенной производительностью, простотой хранения. К таким компонентам относятся сухое молоко, мука, концентрированные соки, овощные пюре, сахар, крахмалы и специи, пищевые микроингредиенты. К ним применим термин «порошки» или «смеси» [1–2].

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

В данной работе рассматриваются такие смеси как комплексные пищевые добавки (КПД), использующиеся при производстве мясных и колбасных изделий.

Проблема таких смесей - огромное разнообразие составляющих их компонентов. Эти компоненты отличаются по химическим и физическим свойствам, размеру частиц, молекулярной структуре, способу производства, степени очистки, массовым долям их компонентов (ингредиентов), которые устанавливают требуемые значения функционально-технологических свойств.

Содержание влаги в таких компонентах, как правило, не превышает 15-20%.

Содержание влаги (МДВ) является важным качественным показателем пищевой продукции [3-5]. Однако данный показатель не дает нам полноты картины для понимания того, что происходит в данный момент с продукцией, например на этапе хранения или на стадии производства. То есть содержание влаги не является фактором, определяющим процесс.

Для понимания хода процесса, происходящего с продукцией (или внутри нее) необходим такой показатель, как активность воды (а w ).

Целью исследования было расширение знаний о свойствах КПД, об изменении их стабильности при хранении, а также о влиянии на стабильность таких факторов, как а w и МДВ.

А w является важнейшим параметром, влияющим как на качество, так и на безопасность продукции. По мере развития научных знаний становится понятным, что а w влияет не только на безопасность пищевой продукции в контексте микробиологических рисков и предотвращение развития микроорганизмов [6-8], но и влияет на общую стабильность продукции — её химическую и физическую устойчивость к деградации, помогает предсказать миграцию влаги, определяет срок годности продукции, влияет на биохимическую активность [10, 11].

А w - это термодинамический показатель, который показывает энергетическое состояние воды в системе и основывается на фундаментальных законах термодинамики через уравнение свободной энергии Гиббса. Активность воды отражает относительный химический потенциал энергии воды в системе [12].

Вода в системе взаимодействует с другими компонентами продукта с разной интенсивностью. Вода может выступать в качестве растворителя, реагента и даже буфера при протекании химических реакций.

Содержание воды в продукте варьируется от продукта к продукту и от рецептуры к рецептуре. Один безопасный и стабильный продукт может содержать 15% МДВ, в то время как другой, содержащий всего 8% МДВ, может быть подвержен микробиологическому росту или изменению стабильности системы. Хотя продукт с большим МДВ содержит пропорционально больше воды, она химически связана с другими компонентами, что делает её недоступной для микроорганизмов или протекания химических реакций. Используя только показатели содержания влаги, невозможно определить, насколько «доступна» вода в продукте для поддержания роста микроорганизмов, потери физической или химической стабильности, или влияния на органолептические показатели качества [9, 11].

А w - это важный фактор, влияющий на стабильность КПД в процессе производства и хранения. Контроль а w в порошкообразном продукте обеспечивает поддержание надлежащей структуры, текстуры, стабильности (физической и химической), плотности [12,13]. Знание а w в КПД в зависимости от содержания влаги и температуры имеет важное значение на этапах обработки, транспортировки, упаковки и хранения для предотвращения таких явлений, как комкование, разрушение и слипание.

При рассмотрении стабильности порошков, таких как КПД, необходимо знать и контролировать показатель а w .

Показатели а w и МДВ в КПД не регламентируются действующим законодательством. Изредка показатель влажности можно найти в спецификациях на КПД.

Существует ошибочное мнение, что определение а w в порошках не является необходимым из-за низкого содержания в них влаги. Однако все известные виды повреждений порошков связаны с этим показателем и могут контролироваться а w . Определение и поддержание оптимального диапазона а w для стабильности КПД является самым простым способом увеличить их стабильность, эффективность и срок годности.

В 1970-х годах Теодор Лабуза с коллегами разработал и предложил карту стабильности, которая отражает стабильность с точки зрения пределов микробиологического роста и скорости разрушающих реакций в зависимости от а w . Измеряя и контролируя а w , можно:

• — прогнозировать рост микроорганизмов;

─ поддерживать химическую и физическую стабильность продуктов;

─ продлевать активность ферментов и витаминов;

─ минимизировать неферментативные реакции потемнения (реакции Майяра, карамелизация) и спонтанные автокаталитические реакции окисления липидов;

─ оптимизировать физические свойства продуктов с точки зрения миграции влаги, текстуры и срока годности.

На рисунке 1 представлен один из вариантов воспроизведения карты стабильности Т. Лабузы [14].

Рисунок 1. Адаптированная карта стабильности

Теодора Лабузы

Figure 1. Adapted from Theodore Labusa's stability map

Из карты стабильности видно, что чем больше воды в системе, тем больше процессов и структурных изменений может происходить в ней. Так, в диапазоне значений а w 0,3–0,5

происходит инициация реакции потемнения и физико-химическая деградация (комкование, разрушение, слипание).

Материалы и методы

В данной работе исследованы 15 образцов КПД. Для исследования были отобраны образцы массой по 50 г каждый. Образцы хранились герметично упакованные в прозрачные пластиковые пакеты в защищенном от света месте. Условия хранения: 8 месяцев при температуре 20 °C и относительной влажности воздуха 75% (что соответствует требованиям спецификации на продукцию). Все исследуемые образцы были в пределах установленных сроков годности.

На момент закладки образцов на хранение технические характеристики соответствовали описанию, приведенному в спецификациях на продукцию: КПД представляют собой порошкообразную сыпучую смесь, допускаются комки, рассыпающиеся при легком нажатии. Вкус и запах – характерные для приправ, входящих в состав, без посторонних привкусов и запахов. Допускается расхождение в цвете между различными партиями и изменение цвета в процессе хранения. Изменение цвета не ведет к изменению органолептических характеристик конечного продукта.

Исходная информация об объектах исследования приведена в таблице 1.

Для оценки качественных характеристик в ходе исследования были изучены органолептические показатели (внешний вид, цвет, консистенция) и показатели а w , МДВ.

В результате хранения у шести образцов изменились качественные характеристики, у девяти образцов качественные характеристики соответствовали заявленным в спецификациях. В данной работе будут рассматриваться образцы, у которых в процессе хранения произошло изменение их свойств.

Таблица 1.

Исходная информация об объектах исследования

Table 1.

Information about the research objects

ID	Наименование образца и его состав | Name of the object and its composition	а w	МДВ, % Moisture content, %
1	2	3	4
1	КПД «Мега блиц» Стабилизатор Е450iii, регулятор кислотности Е451i, регулятор кислотности Е575, антиокислитель Е330, усилитель вкуса и аромата Е621, антиокислители Е300, Е301 CFA “Mega blitc” Е450iii, Е451i, Е575, Е330, Е621, Е300, Е301	0,267	4,24
2	КПД «Прималь хауссалями» Регулятор кислотности Е 575, специи (перец черный, тмин), антиокислитель Е301, усилитель вкуса и аромата Е621, антиокислитель Е300 CFA “Primal’ haussaliami” Е575, spices (black pepper, cumin), Е301, Е621, Е300	0,249	5,06
3	КПД «Моравская колбаса для гриля» Стабилизатор Е450i, регулятор кислотности Е451i, экстракты специй (перец черный, тмин, кориандр, имбирь), сахаристые вещества, лук жареный сушеный, усилитель вкуса и аромата Е621, антиокислитель Е 301 CFA “Moravskaia kolbasa dla grilia” Е450i, Е451i, spice extracts (black pepper, cumin, coriander, ginger), sugary substances, fried dried onion, Е621, Е301	0,264	5,55

Продолжение таблицы 1 | Continuation of table 1

1	2	3	4
4	КПД «Прималь белые грибы» Регулятор кислотности Е575, ароматизатор грибы, пряности, антиокислитель Е301, усилитель вкуса и аромата Е621 CFA “Primal’ belye griby” Е575, mushroom flavoring, spice, E301, E621	0,307	4,06
5	КПД «Италия экспорт» Специи (перец черный, чеснок, горчица, мускат, мацис), регулятор кислотности Е 575, декстроза, арроматизатор "мускат", пищевая соль, сахароза, усилитель вкуса и аромата Е621, антиокислитель Е301, Ароматизатор "Сыр", стабилизаторы Е450iii / Е450v CFA “Italiya eksport” Spices (black pepper, garlic, mustard, nutmeg, mace), Е575, dextrose, nutmeg flavoring, salt, sucrose, Е621, Е301, chees flavoring, Е450iii / Е450v	0,278	7,24
6	КПД «Грильфикс 20 "Мясо-гриль"» Пищевая соль, специи (чеснок, кориандр, тмин, майоран, мускатный орех, паприка, перец черный, лук), экстракт специй (паприка, розмарин) (носитель – декстроза), регулятор кислотности ацетат натрия Е262, стабилизаторы: цитрат натрия Е331, пирофосфаты Е450, регулятор кислотности трифосфат Е451 (содержание Р 2 О 5 3%), усилитель вкуса и аромата глутомат натрия 1-замещенный Е621 (6%), антиокислитель аскорбиновая кислота Е300, аскорбат натрия Е301 CFA “Gril'fiks 20 "Myaso-gril'” Salt, spices (garlic, coriander, cumin, marjoram, nutmeg, paprika, black pepper, onion), spice extract (paprika, rosemary) (carrier – dextrose), Е262, Е331, Е450, Е451 (Р 2 О 5 3%), Е621 (6%), Е300, Е301.	0,316	5,76

Определение активности воды проводилось методом «точки росы» с использованием прибора «Roremeter RM-10» (NAGY Messystem GmbН, Германия) [15]. Определение влажности проводили на анализаторе влажности RADWAG

(RADWAG WAGI ELEKTRONICZNE Witold Lewandowski, Польша).

Результаты

Полученные результаты отражены в таблице 2 и на рисунке 2.

Таблица 2.

Качественные характеристики образцов полученные в результате хранения

Quality profile of the samples following the storage period

Table 2.

ID	а w	МДВ, % | Moisture content, %	Органолептические показатели	Organoleptic characteristics
1	0,306	7,24	Образовались плотные комки, плохо рассыпающиеся при нажатии. Цвет добавки не изменился	Dense lumps formed that did not dissolve easily when pressed. The additive's color did not change.
2	0,299	6,54	Образовались комки, хорошо рассыпающиеся при нажатии. Изменился цвет добавки	Lumps formed that dissolve easily when pressed. The additive's color changed.
3	0,318	6,42	Образовались плотные комки, плохо рассыпающиеся при нажатии. Цвет добавки не изменился	Dense lumps formed that did not dissolve easily when pressed. The additive's color did not change.
4	0,385	6,89	Изменилась структура и консистенция образца (полная потеря текучести). Образец стал липким, карамелеобразным. Изменился цвет добавки	The sample's structure and consistency changed (complete loss of flowability). The sample became sticky and caramel-like. The additive's color changed.
5	0,291	8,65	Изменился цвет добавки. Образовались комки, хорошо рассыпающиеся при нажатии	The additive's color changed. Lumps formed that dissolve easily when pressed.
6	0,450	9,65	Изменилась структура, цвет и консистенция образца (полная потеря текучести). Образовалась влажная масса, плохо рассыпающаяся при нажатии	The sample's structure, color, and consistency changed (complete loss of flowability). A wet mass formed that did not dissolve easily when pressed.

4                                      5                                     6

Рисунок 2. Структурные изменения внешнего вида КПД в процессе хранения

Figure 2. Structural transformation of complex food additives (CFA) during storage

Обсуждение

Из полученных данных видно, что в процессе хранения образцы активно поглощали влагу из окружающей среды, о чем свидетельствует увеличение показателей а w и МДВ, что повлекло за собой изменение стабильности КПД.

Четыре образца в процессе хранения изменили свой первоначальный цвет. Несмотря на то, что производители заявляют, что изменение цвета не влияет на органолептические свойства, мы видим, что данное изменение может быть следствием неферментативных реакций потемнения (реакции Майяра, карамелизация), что является химической деградацией и это может повлечь за собой изменение функциональнотехнологических свойств КПД. Поэтому изменение цвета в процессе хранения может выступать своеобразным индикатором глубокой деструкции пищевых добавок.

Анализ состава КПД позволяет предположить, что сорбция влаги зависит от компонентов системы и свойств отдельных ингредиентов. Так, в состав образца ID 3 входит «лук жареный сушеный», который в процессе хранения образовал вокруг себя плотные агломераты из частиц смеси, что повлекло за собой потерю текучести добавки. Вероятной причиной является недостаточная степень удаления влаги на стадии производства указанного компонента. В результате в процессе хранения «лук жареный сушёный» мог выступать донором влаги для других ингредиентов системы, способствуя их увлажнению, агломерации и изменению свойств смеси.

Образец ID 4 потерял свои первоначальные свойства в ходе химической и физической деградации. Инициатором процесса стала сорбция влаги, увеличение показателя а w , который повлек за собой запуск химических реакций в смеси КПД (наиболее вероятные из них – гидролиз глюконо-дельта-лактона, реакция Майяра, реакция окисления компонентов смеси). Увеличение показателя а w могло произойти по ряду причин: первая – это сорбция воды из окружающей среды в процессе хранения, вторая возможная причина – данная вода уже присутствовала на стадии смешивания исходных компонентов. И третья причина – донорами воды могли выступить специи, которые являются компонентами смеси. Совокупность этих факторов обусловила изменение цвета, потерю текучести и изменение структуры образца.

Образец ID 6 – сложная порошкообразная смесь гигроскопичных веществ. В данном случае потеря текучести обусловлена физической деградацией. Инициатором процесса также стало увеличение показателя а w , что вызвало агломерацию частиц смеси.

В образцах ID 1, ID 2, ID 5 за время хранения произошла физико-химическая деградация, которая повлекла за собой изменение цвета и образование небольших агломератов. Однако, по сравнению с этими образцами, образец ID 4 (который имеет в своем составе идентичные компоненты – Е575, специи, пряности, Е621, Е301) больше всего имеет прирост показателя а w за весь срок хранения, и демонстрирует принципиально иной характер деградации.

Гмырак О.А. Вестник ВГУИТ, 2026, Т. 88, №. 2, С. 164-171 Заключение

Длительное хранение КПД в условиях повышенной влажности приводит к активному поглощению влаги (о чем свидетельствует рост показателей МДВ и а w ), потере текучести и комкованию. Характер и степень стабильности КПД зависят от их компонентного состава и в частности химических веществ, входящих в состав добавки.

Длительное хранение существенно влияет на изменение качественных характеристик КПД, а протекающие химические реакции могут в свою очередь существенно повлиять на изменение функционально-технологических показателей добавок, снижая их эффективность при использовании в производстве мясных продуктов.

Полная или частичная потеря стабильности КПД может негативно отразиться на качестве и безопасности конечного продукта. Это может привести к таким рискам как снижение влагосвязывающей способности фаршевых систем, возникновение бульонно-жировых отеков, изменение рН готовых колбасных изделий, снижение выхода готовой продукции.

КПД должны быть сыпучими, однородными порошками. Такие изменения, как изменение цвета и появление комков, говорят о начальном этапе деградации и потере стабильности.

При хранении КПД в условиях производства целесообразно осуществлять контроль показателя а w для сохранения функциональнотехнологических свойств. Мониторинг изменений а w – это прямой способ контролировать изменение стабильности КПД.

Необходимо дальнейшее изучение КПД с целью разработки научно обоснованных регламентов хранения и критериев оценки их качества. Необходим тщательный анализ рецептурного состава КПД для минимизации гигроскопичности, что позволит повысить устойчивость добавок к фазовым переходам в процессе хранения.

Целесообразно разрабатывать и создавать цифровые базы данных КПД, в которых будет отражаться вся исходная информация о добавках. На основании этой информации можно будет минимизировать риск возникновения технологического брака, оперативно использовать в производстве КПД с остаточным сроком годности (если показатель а w близок к критическому из базы данных, то партия направляется в промышленную переработку в первую очередь.

Создание таких цифровых баз данных особенно актуально в рамках реализации концепции «Индустрия 4.0» на пищевых производствах.