Voda je hlavní složkou potravin, léčiv a kosmetiky. Ovlivňuje strukturu, vzhled, chuť a trvanlivost těchto produktů. Existují dva základní typy analýzy vody: obsah vody (vlhkost) a vodní aktivita. Nabízíme 2 typy přístrojů - více zde
Obsah vody
Význam termínu obsah vody je obecně známý. Představuje kvantitativní analýzu k stanovení celkového množství vody přítomné ve vzorku. Primární metodou pro stanovení obsahu vody je ztráta při sušení a Karl Fisher titrace, ale lze použít i jiné metody, jako například infračervenou analýzu nebo NMR. Stanovení obsahu vody je důležité z hlediska nutričních hodnot a předpisů pro označování výrobku, avšak obsah vody sám osobě není spolehlivý indikátor pro předpovídání mikrobiálních odezev a chemických reakcí v surovinách. Omezení, která měření obsahu vody vykazuje, jsou přičítána rozdílům v intenzitě, s jakou se voda váže s ostatními složkami.
Vodní aktivita
Vodní aktivita je mírou energetického stavu vody v systému, takže je daleko lepším indikátorem trvanlivosti potravin než obsah vody. Obrázek 1 znázorňuje jak relativní aktivita mikroorganismů, lipidů a enzymů závisí na vodní aktivitě. Zatímco jiné faktory (jako například dostupnost živin a teplota) mohou ovlivnit tyto vztahy, vodní aktivita je nejlepším jednoduchým měřítkem toho, jak voda ovlivňuje tyto procesy. Vodní aktivita potravinových systémů / více o tématu vody v potravinách čtěte zde/se měří uvedením kapalné fáze vody ve vzorku potraviny do rovnováhy s plynnou fází vody v měřicím prostoru a měření relativní vlhkosti měřicího prostoru. V AquaLabu je vzorek umístěn v nádobce na vzorek, která je utěsněna vůči senzorovému bloku. Uvnitř senzorového bloku je ventilátor, čidlo rosného bodu, teplotní čidlo a infračervený teploměr. Čidlo rosného bodu měří teplotu rosného bodu vzduchu a infračervený teploměr měří teplotu vzorku. Z těchto měření se počítá relativní vlhkost měřicího prostoru jako poměr tlaku nasycených par při teplotě rosného bodu k tlaku nasycených par při teplotě vzorku. Když je vodní aktivita vzorku a relativní vlhkost vzduchu v rovnováze, měření vlhkosti měřicího prostoru dává vodní aktivitu vzorku. Účelem ventilátoru je urychlit rovnovážný stav a regulovat vodivost povrchové vrstvy čidla rosného bodu.
Kromě rovnováhy mezi vodou v kapalné fázi ve vzorku a plynnou fází, je důležitá i interní rovnováha vzorku. Pokud systém není v interní rovnováze, můžeme sice naměřit ustálený tlak par (po celou dobu měření), který však nepředstavuje pravou vodní aktivitu systému. Jako příklad lze uvést pečivo nebo vícesložkové potraviny. Zpočátku po vyndání z trouby není pečivo v interním rovnovážném stavu; vnější povrch má nižší vodní aktivitu než vnitřek pečiva. Je třeba určitou dobu počkat, aby voda mohla migrovat a systém se dostal do interního rovnovážného stavu. Je důležité mít na paměti, že vodní aktivita je definována vždy ve spojitosti s rovnovážným stavem.
Vliv teploty na vodní aktivitu
Teplota hraje při stanovování vodní aktivity rozhodující roli. Nejkritičtější je měření rozdílu mezi teplotou vzorku a teplotou rosného bodu. Pokud by chyba ve stanovení tohoto teplotního rozdílu činila 1°C, mohla by výsledná chyba být do 0,06 aw. Aby měření vodní aktivity vykazovalo přesnost do 0,001, je třeba, aby chyba měření teplotního rozdílu byla do 0,017°C. Teplotní rozdíl mezi vzorkem a blokem se měří infračerveným teploměrem. Ten je pečlivě kalibrován, aby se chyba teploty minimalizovala, ale pokud jsou teplotní rozdíly velké, je dosažení přesnosti 0,017°C obtížné. Největší přesnosti se proto dosahuje v případě, že teplota vzorku je blízká teplotě komory.
K dalšímu vlivu teploty na vodní aktivitu dochází u vzorků, které jsou blízké stavu saturace. Vzorek, který vykazuje aw blízkou 1,0 a je pouze mírně teplejší než senzorový blok, způsobí kondenzaci vody uvnitř bloku. To způsobí chyby u tohoto měření a i u měření dalších, dokud kondenzace nezmizí. U vzorku vykazujícího hodnotu aw 0,75 je třeba, aby jeho teplota byla přibližně o 4°C vyšší než teplota komory, aby došlo ke kondenzaci. Je-li teplota vzorku o více než o 4°C vyšší než teplota komory, přístroj uživatele na tuto skutečnost upozorní, ale je třeba, aby uživatel měl na paměti, že u vzorků s vysokou vodní aktivitou může kondenzace nastat, je-li do přístroje vložen jakýkoliv vzorek, který je teplejší než blok.
Vodní potenciál
Pro pochopení vodní aktivity a porozumění, proč je tak užitečné měřit stav vlhkosti v produktech, by mohly posloužit některé další informace. Vodní aktivita je v úzkém vztahu s termodynamickou veličinou zvanou vodní potenciál nebo chemický potenciál (μ) vody, což je změna Gibbsovy volné energie (μG) při změně koncentrace vody. Rovnovážný stav nastane v systému tehdy je-li μ stejné v celém systému. Rovnovážný stav mezi kapalnou a plynnou fází indikuje, že μ je stejné v obou fázích. Právě tato skutečnost nám umožňuje měřit vodní potenciál plynné fáze a použít jej ke stanovení vodního potenciálu kapalné fáze. Gradienty μ jsou hnacími silami pro pohyb vlhkosti. V izotermním systému tak má voda tendenci putovat z oblastí vysokého vodního potenciálu (vysoká aw) do oblastí s nízkým vodním potenciálem (nízká aw). Obsah vody není hnací silou pro pohyb vody, a proto jej nelze použít k předpovídání směru pohybu vody, s výjimkou v materiálech homogenních.
Faktory při určování vodního potenciálu
Vodní potenciál vody v systému je ovlivněn faktory, které ovlivňují vazbu vody. Zahrnují vliv osmotický, strukturní a tlakový. Vodní aktivita se obvykle měří při atmosférickém tlaku, takže je důležitý pouze vliv osmotický a strukturní.
Osmotické vlivy
Osmotické vlivy jsou dobře známé z biologie a fyzikální chemie. Vodou ředíme rozpuštěnou látku. Pokud se tato voda (solný roztok) oddělí od čisté vody polopropustnou membránou, má voda tendenci putovat membránou ze strany čisté vody na stranu s rozpuštěnou látkou. Pokud se na směs rozpuštěná látkavoda působí právě takovým tlakem, aby se tok zastavil, je tento tlak mírou osmotického potenciálu roztoku. Přídavek jednoho molu ideální rozpouštěné látky na kilogram vody vytváří osmotický tlak rovný 22,4 atm. Tím se sníží vodní aktivita roztoku z 1,0 na 0,98 aw. Pro dané množství rozpuštěné látky se se zvyšováním obsahu vody systémů ředí rozpuštěná látka, snižuje se osmotický tlak a zvyšuje se vodní aktivita. Protože mikrobiální buňky mají vysokou koncentraci rozpuštěné látky uzavřených polopropustnými membránami (buněčná stěna), je osmotický účinek na volnou energii vody důležitý pro stanovení poměrů mikrobiální vody a proto i pro jejich aktivitu.
Strukturní vlivy
Struktura vzorku ovlivňuje aw tím, že se voda fyzikálně váže uvnitř její struktury pomocí adhezních a kohezních sil, které drží vodu v pórech a kapilárách a váže k povrchu částic. Pokud by byla do vody přidána celulóza nebo protein, snížil by se energetický stav vody. K extrakci vody z této matrice by bylo nutné vykonat určitou práci. Toto snížení energetického stavu vody není osmotické, protože koncentrace celulózy nebo proteinu jsou až příliš nízké, aby vzniklo významné zředění vody. Snížení energie je výsledkem přímé fyzikální vazby vody k celulózové nebo proteinové struktuře pomocí vodíkové vazby a van der Waalsových sil. Při vyšších hodnotách vodní aktivity mohou rovněž hrát roli kapilární síly a povrchové napětí.
Sorpční izotermy - vztah aw k obsahu vody
Změny v obsahu vody ovlivňují jak osmotickou, tak strukturní vazbu vody v systému. Existuje vztah mezi vodní aktivitou a obsahem vody systému. Tento vztah se nazývá sorpční izoterma, a je charakteristický pro každý produkt. Kromě toho, že izoterma je pro každý produkt charakteristická, mění se v závislosti na tom, zda byla získána sušením nebo vlhčením vzorku. Tyto faktory je třeba mít na paměti, pokud se pokoušíte na základě obsahu vody hodnotit stabilitu nebo bezpečnost produktu. Zatímco se sorpční izoterma často používá k odvození vodní aktivity z obsahu vody, můžeme snadno jít obráceným směrem a použít vodní aktivitu k odvození obsahu vody. To je obzvláště lákavé, protože vodní aktivita se měří mnohem rychleji, než obsah vody. Tato metoda dává obzvláště dobrou přesnost ve středu izotermy. Aby bylo možné odvodit obsah vody z vodní aktivity, potřebujeme pro tento konkrétní produkt izotermu. Firma Decagon nabízí generátor izotermy s názvem AquaSorp IG, případně je možné objednat si u Decagonu zhotovení izotermy konkrétního produktu. Například používáme-li AquaLab k monitorování obsahu vody sušených bramborových vloček, změříme vodní aktivitu a obsah vody bramborových vloček sušených na různé stupně za použití standardního sušícího procesu pro tyto vločky. Z těchto dat by měla být vytvořena izoterma a obsah vody by měl být odvozen ze změřené vodní aktivity vzorků a z této izotermy. Je dostupné rozšíření modelu 4TE, které umožní současné změření vlhkosti i vodní aktivity. Tento model se nazývá 4TE DUO.
Důležitost koncepce vodní aktivity potravin, léčiv a kosmetických přípravků nemůže být přeceňována. Vodní aktivita je měřítkem energetického stavu vody v systému. Co je mnohem důležitější, byla prokázána užitečnost vodní aktivity ve vztahu k mikrobiologickému růstu, chemické reaktivitě a stabilitě oproti stanovení obsahu vody.
Úvěr od Essoxu