Влияние активности воды на стабильность продукта при хранении

Пищевые продукты, предлагаемые розничной торговлей, могут быть условно разде­лены на три основные категории:

продукты, разработанные для быстрого приготовления пищи в домашних усло­виях, в том числе хлебопекарные смеси (например, для выпечки разных видов печенья, кексов и т. п.), суповые наборы, напитки, нарезанные ломтиками и из­мельченные сыры, сосиски и т. д.;

• продукты, готовые к употреблению: пирожные, йогурты, масло, молоко, марга­рин, сухие зерновые завтраки, снэки, орехи и т. д.;

• свежие продукты — фрукты, овощи и кулинарные ингредиенты.

Значительное количество пищевых продуктов с умеренным содержанием влаги (.Intermediate Moisture Foods, IMF) характеризуется пороговым значением активно­сти воды, оптимальным (или близким к оптимальному) для роста микроорганизмов. Из-за угрозы пищевых отравлений зависимость между содержанием влаги и микро­биологической порчей пищевых продуктов исключительно важна. Заражение пи- иевых продуктов Shigella spp., Klebsiella spp., Escherichia spp., Vibrio spp., Salmonella ЧФ и другими микроорганизмами приносит людям немало неприятностей в виде расстройств желудочно-кишечного тракта. Пищевые интоксикации, вызываемые секрециями таких микроорганизмов, как Clostridium botulinum, Staphylococcus spp. и Bacillus cereus представляют серьезную проблему, иногда с летальным исходом для жертв. Многие плесени продуцируют крайне токсичные вещества с тяжелыми мута­генными, нейротоксичными, эстрогенными и аллергическими последствиями.

Как видно из таблицы 1, ключевым фактором размножения этих микроорганиз­мов в пище и пищевых продуктах является а_т. Активность воды продукта оказывает влияние на некоторые токсикогенные микроорганизмы. Разработчики и производи­тели продукта должны знать об этих пагубных эффектах и вводить жесткий кон­троль содержания влаги, обработки продукта и его упаковки. Данные, приведенные в таблице 1, со всей очевидностью свидетельствуют о том, что при a_w ниже 0,6 микро­биологических проблем в ходе хранения не возникает.

При хранении в домашних условиях или в условиях промышленного хранения и сбыта продукты подвергаются воздействию переменных температур. Воздух в упа­ковке содержит значительно больше влаги при повышенных температурах (46 г/м³ при 37,8° С), чем при температурах холодильного хранения (6,5 г/м³ при 4,4° С). Следовательно, при более высоких температурах а_ш (% относительной влажности) воздуха существенно снижается, а при низких температурах а_ю (% относительной влажности) воздуха возрастает. При повышении температуры содержимое упаков­ки будет выделять влагу, стремясь восстановить равновесие а_w между воздухом и со­держимым упаковки. Соответственно, при охлаждении воздух будет отдавать часть влаги обратно продукту (скорее всего в форме конденсата). Можно ожидать, что в продукте будет создаваться градиент а_ю с высоким значением на поверхности и пер­воначальным значением a_w внутри продукта, поскольку в большинстве случаев в пищевых продуктах с умеренным содержанием влаги процесс диффузии протекает относительно медленно. Тонкий слой продукта с высоким значением a_w становится «плодородным» для роста микроорганизмов, будь то бактерии, дрожжи или плесе­ни. Контролировать эту потенциальную микробиологическую проблему помогает полноценная система регулирования содержания влаги.

 

Таблица 1 Примеры влияния активности воды на рост микроорганизмов

Активность воды некоторых продуктов, например, вяленого мяса, значительно больше ее минимального значения, при котором растут плесени. В таких случаях продукты обычно упаковывают в газовой среде, не содержащей кислорода, посколь­ку плесени являются аэробными микроорганизмами. Как правило, для поддержа­ния анаэробных условий и поглощения кислорода, проникающего сквозь упаковоч­ный материал из окружающего воздуха, в упаковку с продуктом помещают специ­альный пакетик (саше) с поглотителем кислорода.

На рисунках 3 и 4 показан ряд других нежелательных для пищевых продук­тов реакций и процессов, скорость которых при оптимальных значениях a_w снижает­ся. Эти кривые являются обобщенными, но они представляют собой описание ос­новных механизмов порчи, подробное обсуждение которых выходит за рамки дан­ной главы.

Из рисунка 3 следует, что липидоксидазы значительно ускоряют ферментатив­ное окисление ненасыщенных жиров в области значениий a_w выше 0,3. С другой стороны, скорость неферментативного свободно-радикального окисления ненасы­щенных жиров в интервале a_w от 0,0 до 0,35 снижается, а затем с увеличением a_w постепенно возрастает.

Рисунок 3 Влияние а_w на скорость ферментативного (1) и свободно-радикального окисления (2)

Рисунок 4 Влияние о„, на скорость протекания реакций, приводящих к порче продукта во время хранения: 1 — гидролитическое прогорканние; 2 — реакция Майяра; 3 — потеря хлорофилла; 4 —потеря витаминов

Это объясняется, например, тем, что согласно экспериментальным наблюдениям в сухих зерновых продуктах значение a_w 0,35 соответству­ет содержанию влаги 8-10%. Этого количества влаги достаточно для образования защитного монослоя на поверхности молекул полисахаридов и белков, связанных с ненасыщенными жирами. Этот монослой выполняет роль барьера для свобод­ных радикалов кислорода, атакующих систему двойных связей С=С.

На рисунке 4 отражена взаимосвязь между a_w продукта и скоростями некоторых других реакций, приводящих к его порче.

Гидролитическое прогоркание — это ферментативный гидролиз жирных кислот. Обычно эта реакция не имеет выраженных последствий за исключением случаев, когда жирные кислоты (например, от масляной до лауриновой) имеют углеводород­ные радикалы короткой или средней длины. Масляная и «козьи» кислоты — каприновая (декановая), капроновая (гексановая) и каприловая — летучи и могут созда­вать ощущение побочных запахов даже в низких концентрациях (в некоторых слу­чаях, например, в сырах, они считаются приемлемыми). Миристиновая и лауриновая жирные кислоты придают продуктам, в которых они образуются, неже­лательный «мыльный» привкус.

Реакция неферментативного потемнения Майяра также является нежелатель­ной ввиду изменения цвета пищевого продукта и возникновения в нем компонен­тов горечи. Реакция Майяра — сложная последовательность химических превраще­ний. Первый этап — взаимодействие аминогрупп (белков или аминокислот) с реду­цированными углеводами. Далее происходит образование широкого спектра хими­ческих соединений, включая темно-окрашенные полимеры. Скорость реакции Майяра возрастает при a_w выше 0,25-0,3.

Скорость потери натуральных красящих пигментов, приводящей к обесцвечива­нию, пропорциональна увеличению a_w. Об этом свидетельствует кривая изменения содержания хлорофилла (рисунок 4), который начинает разрушаться в области а_w око­ло 0,35. Похожие кривые можно построить для каротиноидов, антоцианов и других натуральных красящих веществ растительного происхождения.

Витамины (в частности, аскорбиновая кислота) чувствительны к окислитель­ным процессам, однако в области очень низких значений a_w они являются химиче­ски менее активными. Некоторые витамины, например, витамин А, под воздействи­ем свободных радикалов кислорода подвержены процессам самоокисления (см. рис. 3).

 

Практика использования системы регулирования влажности при хранении пищевых продуктов

Оптимальное значение a_w для вяленого мяса, при котором оно имеет нежную текстуру, соответствует значениям a_w, близким к тем, при которых наблюдается рост микроорганизмов. Система, регулирующая а_w в интервале около оптимального зна­чения, позволит производителю правильно составить рецептуру и выпустить про­дукт с гарантированной микробиологической безопасностью.

На срок хранения пищевого продукта помимо влогосодержания влияет целый ряд факторов — присутствие кислорода, возможность облучения ультрафиолетом, повышенная температура, условия замораживания и т. д., которые для определенных продуктов могут быть строго индивидуальными. Измерительные приборы для кон­троля перечисленных факторов, ускоряющих порчу продуктов, широко доступны.

В настоящее время разработана система приборов для управления влагосодержанием продуктов. Теперь при проведении экспериментов возможно регулировать a_w продукта и поддерживать активность воды на оптимальном уровне.

Как мы уже отмечали выше, регулирование уровня влажности продукта означа­ет, что оптимальная для него активность воды поддерживается в течение всего пе­риода воздействия изменяющихся условий внешней среды на продукт и упаковку. В зависимости от условий эта система будет обеспечивать испарения влаги или аб­сорбировать ее, так что значение а_w в упаковке будет сохраняться постоянным. Аб­сорбция и десорбция влаги возможны в любое время в течение всего срока действия системы регулирования содержания влаги.

Известно, что добавление растворимого вещества в воду или другой раствори­тель повышает точку кипения и снижает точку замерзания раствора. Наблюдения

показали, что насыщенный раствор создает в свободном пространстве над раствором среду с определенным давлением паров воды, величина которого зависит от концен­трации растворенного вещества. Это явление относится к так называемым коллигативным свойствам раствора, то есть свойствам, зависящим от общего числа частиц в растворе, приходящихся на единицу массы растворителя и не зависящим от приро­ды растворенного вещества (первый закон Рауля).

В пищевой химии этот принцип используется для разработки стабильных пище­вых продуктов с умеренным содержанием влаги — «фруктовых долек», конфет и сладких выпечных изделий. Заданная постоянная влажность среды может быть соз­дана в небольших камерах (например, в сушильных шкафах) с помощью насыщен­ных солевых растворов. Для определения оптимальных рецептур эксперименталь­ные партии этих продуктов предварительно испытывают в известных условиях по­стоянной влажности.

В розничной системе сбыта подобные насыщенные солевые растворы практиче­ски не пригодны для применения из-за возможной утечки в упаковку пищевых про­дуктов. Электронные системы контроля влажности внутри каждой индивидуальной упаковки продукта экономически нереальны. Влагопоглотители типа силикагеля, молекулярные фильтры или устройства для гидратации (тампон, помещенный в ем­кость с водой) могут быть использованы, если цель заключается в сохранении про­дукта очень сухим или очень влажным соответственно. Такие системы не способны поддерживать заданное значение активности воды в упаковке.

Двусторонняя технология регулирования содержания влаги, запатентованная фирмой Humidipak, Inc. (г. Миннетонка, штат Миннесота, США), основана на ис­пользовании упакованного насыщенного солевого раствора с дополнительно рас­творенным кристаллическим веществом, находящегося во взвешенном состоянии и загущенного с помощью камеди. Загущение до вязкости 5000 сПз и более выполняет три важные функции:

• дополнительно растворенное вещество, находящееся во взвешенном состоянии, обеспечивает одинаковую способность абсорбировать влагу из различных мате­риалов;

• минимизируется утечка содержимого пакета при его проколе, появлении тре­щин от напряжения или в случае неплотной укупорки;

для упаковки могут использоваться более проницаемые пленки.

Этот наполнитель упаковывается в материал с высокой проницаемостью для во­дяного пара. Данная технология обеспечивает требуемую относительную влажность с точностью до 0,02 и менее в замкнутой среде в течение продолжительного периода времени при обычных температурных условиях промышленного сбыта. На эту тех­нологию уже получено два патента, а еще на три поданы заявки.

В настоящее время такая двухсторонняя система регулирования содержания влаги доступна в виде пакетов, тюбиков или коробок (плоских пластмассовых лот­ков или кювет). Совместимые с пищевыми продуктами устройства с номинальной активностью воды 0,95,0,84, 0,80, 0,78,0,75,0,73, 0,70, 0,65, 0,62 и 0,32 выполнены из материалов пищевого класса. Имеются также устройства с номинальными значе­ниями a_w 0,69,0,58,0,52, 0,45 и 0,13, но для них используются материалы непищево­го класса.

Ко многим таким двухсторонним регуляторам можно добавлять системы, погло­щающие кислород. Несмотря на то что эти поглотители более инерционны, чем су­хие промышленные пакеты с поглотителем кислорода, комбинирования система «регулятор-поглотитель» характеризуется скоростью абсорбции кислорода, доста­точной для практического применения при упаковке, например, вяленого мяса в ат­мосфере азота. Более того, аналогичные пакеты могут быть разработаны для регули­рования содержания в упаковке некоторых вкусо-ароматических веществ таким об­разом, что продукт может выглядеть более свежим, чем продукт в упаковке без системы регулирования влажности. Кроме того, путем внесения внутрь пакета с ре­гулятором влаги ингибитора плесени или нанесения ингибитора на поверхность па­кета можно снизить рост плесеней.

Вопросы для контроля знаний

 

1. Что такое активность воды?

2. Как можно охарактеризовать влияние активности воды на рост микроорганизмов при хранении продукта?

3. Как изменение влагосодержания пищевых продуктов влияет на их качество и сроки хранения?

 

Лабораторная работа №3

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ ОБНАРУЖЕНИЯ ДРОЖЖЕЙ В ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ

Цель работы:освоить методики определения дрожжей в пищевых продуктах.

Общие положения

 

Дрожжи, вызывающие порчу пищевых продуктов

Обнаружение и установление численности дрожжей, вызывающих порчу пищевых продуктов и напитков, необходимо для обеспечения гарантии их качества. Под поня­тием «дрожжи, вызывающие порчу пищевых продуктов» (ДВПП) мы понимаем дрожжи, способные вызывать видимые или обнаруживаемые по запаху или вкусу из­менения физических и органолептических свойств продуктов в результате метаболи­ческой активности. Видов таких дрожжей, способных контаминировать пищевые продукты, относительно мало. Группа ДВПП еще меньше, если ограничиться только теми их видами, которые способны вызывать ухудшение качества продуктов, произ­веденных и упакованных согласно стандартам «правильной производственной прак­тики» (ППП, GMP)— именно такие виды считаются ДВПП sensu strict: (в буквальном смысле). Если не придерживаться ППП, то в продукте могут разви­ваться многие другие дрожжевые контаминанты, и наиболее опасными из них явля­ются Zygosaccharomyces bailii, Saccharomyces cerevisiae, Pichia membranifaciens Dekkera bruxellensis. Основными проявлениями порчи в зависимости от типа продук­та являются образование матового налета, помутнение, повторное брожение, измене­ние цвета продукта и формирование постороннего привкуса .

ДВПП характеризуются высокой устойчивостью к неблагоприятным услови­ям — низким значениям pH и активности воды a_w, а также к высокому содержания консервантов, что повышает их конкурентоспособность относительно других бак­териальных контаминантов, особенно в консервированных, специально обработан­ных и охлажденных пищевых продуктах. В работе выделяется также «второразрядная» группа ДВПП (например, Candida lypolytica, С. parapsilosis Hansenula anomala, Kluyveromyces maixianus). Эти виды связывают с ухудшением качества пищевых продуктов, производимых и хранящихся в условиях, допускаю­щих рост бактерий (главным образом грамотрицательных), не требовательных к пи­танию, но обладающих выраженной пищевой универсальностью. Среди видового многообразия дрожжей, инфицирующих пищевые продукты, те из них, которые об­ладают потенциальной способностью испортить продукт, составляют меньшинст­во. Напротив, при создании в продуктах экстремальных абиотических стрессовых условий можно способствовать росту ДВПП. Строго аэробная природа плесе­ней в целом благоприятствует активности дрожжей в среде с низким содержанием кислорода или в жидких пищевых продуктах.

Хотя ДВПП в строгом смысле довольно мало, их технологическая значимость не связана с их таксономической номенклатурой. Штаммы дрожжей одного и того же вида обладают различной способностью к порче. Более того, их вредная активность зависит и от вида пищевого продукта, а также от технологического этапа, на котором происходит контаминация. Например, дрожжи S. cerevisiae необходимы для броже­ния вина, но тот же самый штамм или другие штаммы, не использовавшиеся для бро­жения, могут оказаться опасными контаминантами, если они попали в розлитый по бутылкам продукт. Другой вид дрожжей, D. bruxellensis, считается одним из са­мых опасных ДВПП на всех этапах производства вина, но в некоторых типах пива (например «Ламбик» и «Гез») он входит в состав необходимой бродильной микрофлоры. Во многих случаях микробиологическую порчу бывает трудно определить, особенно в тех ферментированных пищевых продуктах и напитках, в которых образующиеся метаболиты участвуют в формировании вкуса и аромата го­товых продуктов. Например, в производстве сыра и при переработке мяса полезную активность микроорганизмов от вредной, вызывающей порчу продукта, отделяет очень тонкая грань. Все это способствует тому, что технологи и систематики для описания ДВПП используют различные подходы. В отличие от ученых, знаимаю- щихся таксономией дрожжей, технологов больше интересует способность конкрет­ного штамма к порче пищевого продукта, чем его правильная идентификация.

Частые изменения в таксономии дрожжей затрудняют обмен информацией ме­жду технологами и учеными, особенно если старая классификация включает значи­тельное число технологических характеристик. Это можно проиллюстрировать на примере изменения таксономических названий видов Saccharomyces. S. cerevisiae, ра­нее называвшиеся S. diastaticus, представляет собой один из наиболее опасных кон- таминантов бутылочного пива (вследствие его способности к гидролизации декст­ринов), и поэтому технологам-пивоварам безусловно необходимо отличать его от других видов. Современный вид S. bayanus некоторое время включали в S. cerevisiae. Это различие имеет существенное значение для технологов-вино- делов, поскольку 5. bayanus часто применяют в качестве заквасочной культуры при брожении игристых вин в бутылках, но одновремнно с этим данный вид дрожжей является опасным контаминантом вина.

Вызываемое дрожжами ухудшение качества пищевых продуктов становится все более важным для технологов-пищевиков. Этой теме были полностью или в

большой степени посвящены несколько справочников. Причинами возрос­шего интереса к этой проблеме являются:

• использование в пищевой промышленности современных технологий;

• огромное разнообразие новых рецептур пищевых продуктов и напитков;

• тенденция к сокращению применения консервантов, особо эффективных в отнс- шении дрожжей (например, диоксида серы и бензойной кислоты);

• более щадящую тепловую обработку.

Хотя присутствующие в пищевых продуктах дрожжи и не считаются патогенны­ми, некоторые продукты животного происхождения (например, сыры и колбасы) за­частую бывают контаминированы видами дрожжей, которые для определенных групп потребителей (групп риска, например, ВИЧ-инфицированных, больных ра­ком, пациентов с трансплантированными органами, беременных женщин и пожи­лых людей) считаются условно-патогенными. Несмотря на это, методы, ис­пользуемые в пищевой промышленности для контроля и мониторинга таких дрож­жей, десятилетиями остаются практически неизменными и не соответствуют совре­менным научным достижениям в этой области.